Лекция 6. Сварочные выпрямители
План
6.1 Полупроводниковые неуправляемые и управляемые вентили, применяемые в сварочных выпрямительных установках. Статические вольт-амперные характеристики диодов и тиристоров.
6.2 Принцип работы трехфазной мостовой схемы выпрямления
6.3 Сварочные выпрямители с падающей внешней характеристикой типа ВД
6.4 Выпрямители типов ВС, ВДГ и ВСЖ. Блочные схемы. Назначение отдельных блоков и выполняемые ими функции
6.5 Универсальные сварочные выпрямители
6.1 Полупроводниковые неуправляемые и управляемые вентили, применяемые в сварочных выпрямительных установках. Статические вольт-амперные характеристики диодов и тиристоров
Вентили неуправляемые и управляемые (рис. 6.1) изготавливаются из полупроводниковых материалов на базе: селен, кремний (в сварочной технике германий не применяют).
В последних конструкциях выпрямителей применяют материалы на основе кремния, у которых, по сравнению с селеном, выше к. п. д., позволяют пропускать большие токи и они дешевле. Более подробно сведения о неуправляемых и управляемых вентилях изложены в [1, с. 72-81].
Рисунок 6.1 – Неуправляемые (а) и управляемый (б) вентили
Следует самостоятельно изучить этот материал. Следует обратить внимание на вольтамперные характеристики вентилей, о том, что имеются номинальные значения токов, который может пропустить вентиль в прямом направлении, и обратное напряжение, которое может выдержать вентиль и не будет пробит.
В конечном итоге, вентили выбирают по прямому току и обратному напряжению.
6.2 Принцип работы трехфазной мостовой схемы выпрямления
Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова) наиболее часто применяется в сварочных выпрямителях (рис. 6.2).
Рисунок 6.2 – Схема выпрямительного блока (ВБ) в составе сварочного выпрямителя
Рисунок 6.3 – Диаграмма напряжений и токов
Выпрямительный мост содержит две группы вентилей: катодную (нечетную) – вентили V1, V3, V5, у которой все катоды электрически соединены и образуют положительный полюс выпрямителя; анодную (четную) – вентили V2, V4, V6, у которой все аноды электрически соединены и образуют отрицательный полюс выпрямителя (рис. 6.2).
При сделанных допущениях всегда работают два вентиля – один из катодной и один из анодной групп. В катодной открыт тот вентиль, у которого в данный момент времени наибольший по абсолютному значению положительный потенциал анода, а в анодной – тот, у которого наибольший по абсолютному значению отрицательный потенциал катода. На рис. 6.3 приведены графики изменения во времени фазных э.д.с., токов и выпрямленного напряжения, которые иллюстрируют работу сварочного выпрямителя, работающего на резистативную нагрузку в условиях мгновенной коммутации токов (напомним, что под коммутацией понимается процесс перехода тока с одной фазы трансформатора на другую).
Открытие вентилей из нечетной группы происходит в моменты t1, t3 и т.д., соответствующие точкам ωK пересечения положительных участков мгновенных фазных э.д.с. е2а, е2b, е2с вторичной обмотки трансформатора, сдвинутых друг относительно друга по фазе на 120 эл. град (2π/3), так же как сдвинуты фазные э.д.с. трансформатора. Открытие вентилей V2, V4, V6 четной группы происходит в моменты t2, t4 и т.д., соответствующие точкам ωа пересечения отрицательных участков фазных э.д.с. вторичной обмотки. Точки ωа сдвинуты друг относительно друга на 120 эл. град. Отпирание каждого вентиля происходит один раз за период. Моменты отпирания вентилей тех же фаз, но относящихся к разным группам (точки ωK и ωа), сдвинуты во времени на 60 эл. град (2π/6). В момент t1 (точка ωK пересечения синусоид е2с и е2а) мгновенно открывается вентиль V1 нечетной группы, а в момент t2 (точка ωа пересечения синусоид е2с и е2b) – вентиль V2 четной группы. Начиная с момента времени t1 вентиль V1 имеет наибольший положительный потенциал на аноде, а вентиль V2 – наибольший отрицательный потенциал катода. До момента t1 ток i2а проходил через открытые вентили V5 из нечетной группы и V6 из четной группы (рис. 6.3, б, в).
В промежутках времени от t1 до t2 ток идет через V1 и V6. В момент t1 вместо V6 включается вентиль V2, а V1 продолжает работать до момента t3, когда мгновенно открывается V3 из нечетной группы. Каждый вентиль пропускает ток в течение 2π/3, т.е. одной трети периода. Переход тока с одного вентиля данной группы (например, V1) на другой вентиль этой же группы (например, V3), т.е. переход тока с одной фазы на другую, совершается мгновенно, если анодные цепи содержит только резистивные сопротивления. Такая коммутация тока называется мгновенной или естественной. Если же в анодных цепях имеются индуктивности, то переход тока совершается не мгновенно. В течение времени, определяемого углом коммутации γ (продолжительность коммутации тока), ток в вентиле, который заканчивает работу, спадает до нуля, а в вентиле, который вступает в работу, возрастает до значения, которое было до коммутации.
При сделанных допущениях, как уже говорилось, ток переходит с одного вентиля на другой той же группы (в точках ωк и ωа) мгновенно. В каждый момент времени напряжение на выходе выпрямителя Ud определяется как разность потенциалов положительного и отрицательного полюсов («+» и «–») выпрямительного моста. С другой стороны, мгновенное значение выпрямленного напряжения равно разности фазных. Например, для промежутка времени t1 – t2, когда работают вентили V1 и V6, выпрямленное напряжение
Ud = U2а – U2b = е2а – е2b, (6.1)
где е2а = U2а и е2b = U2b – соответственно мгновенные значения э.д.с. фаз а и b вторичной обмотки трансформатора при сделанных допущениях.
Аналогично можно найти мгновенное значение выпрямленного напряжения. На основании выражения (6.1) может быть построен график Ud = f(θ), который соответствует режиму холостого хода выпрямителя. Характерно, что напряжение Ud имеет пульсации (как на рис. 6.3 б, в), кратность которых по отношению к напряжению сети равна шести, то есть, их частота 300 Гц. Однако при включении дросселя (Др) ток id практически не имеет пульсаций.