4.4. Многопостовые сварочные выпрямители

В различных областях промышленности для повышения эксплуатационных технико-экономических показателей вместо большого количества постов сварки, размещенных на ограниченных производственных площадях, целесообразно применять многопостовые выпрямительные установки. Они обеспечивают питание нескольких сварочных постов с помощью специальной системы шинопроводов.

Многопостовые выпрямители применяются для ручной дуговой сварки и для сварки в среде защитных газов. Они могут также использоваться для автоматической сварки под слоем флюса.

Для ручной дуговой сварки и автоматической сварки под слоем флюса применяются выпрямители типов ВКСМ (рис. 4.42) и ВДМ (рис. 4.43).

Рис. 4.42. Принципиальная схема многопостового выпрямителя типа ВКСМ

В состав выпрямителя ВКСМ входят трехфазный трансформатор с нормальным магнитным рассеянием Т₁, силовой выпрямительный блок V_К, вентилятор с ветровым реле Рв и блок пускорегулирующей аппаратуры с кнопками управления, пускателями, измерительными приборами, конечными выключателями блокировки дверей, сигнальными лампами. Обмотки трансформатора выполнены из алюминиевой шины. Первичные обмотки W₁ соединены в «треугольник», вторичные W₂ – в две «звезды» с выведенными нулями. Первичные обмотки W₁ имеют отпайки, позволяющие с помощью переключателя повысить вторичное напряжение при снижении напряжения в сети. Выпрямительный блок собран по шестифазной кольцевой схеме из кремниевых вентилей В2-200. В каждое из шести плеч параллельно включены по два вентиля. Для защиты вентилей от коммутационных перенапряжении параллельно им включены цепочки R–С. Выпрямитель ВКСМ-1000 предназначен для питания шести постов при ручной дуговой сварке. Вместе с ним поставляются и шесть балластных реостатов РБ-300.

В настоящее время вместо выпрямителей ВКСМ выпускаются выпрямители ВДМ. Принципиальная электрическая схема ВДМ-1001 приведена на рис. 4.43.

Сварочный выпрямитель ВДМ-1001 предназначен для одновременного питания постоянным током семи постов ручной дуговой сварки покрытыми электродами. Он состоит из трехфазного силового трансформатора Т₁ (ТВТ-1000-13), двух блоков диодов, собранных из кремниевых вентилей по шестифазной кольцевой схеме выпрямления, электродвигателя с вентилятором, блоков аппаратуры и защиты. Сварочный трансформатор имеет минимальное внутреннее сопротивление, что определяется совместным размещением первичной и вторичной обмоток на стержнях сердечника. Поэтому у трансформатора жесткая внешняя характеристика, что является обязательным условием для многопостовых источников питания, т.к. только в этом случае возможна нормальная одновременная работа сварочных постов. Выпрямитель питается от сети через автоматический выключатель F₁.

Рис. 4.43. Принципиальная электрическая схема ВДМ-1001

Запуск выпрямителя в работу осуществляется кнопкой S₁,при этом получает питание контактор K₁, который подключает двигатель вентилятора М. Поток воздуха вентилятора включает контакт реле контроля вентиляции Р. При этом катушка K₂ оказывается под напряжением и включает контакт K_2-1, который обеспечивает работу источника при отпущенной кнопке S₁. Одновременно с этим замыкаются контакты К_2M катушки К₂, включающие первичную обмотку сварочного трансформатора в сеть. Работа трансформатора возможна только при включенном вентиляторе. Выключение выпрямителя от сети производится нажатием кнопки S₂, в результате чего обесточивается цепь катушек реле К₁ и К₂ и отключается вентилятор.

Для исключения ложных срабатываний автоматического выключателя F₁ от пускового тока, в цепь первичной обмотки трансформатора введены добавочные резисторы R₁ и R₂. Последовательность включения силового трансформатора выбрана такой, что сначала контактами K_1.4 и К_1.5 пускателя K₁ указанные резисторы включаются последовательно первичной обмотке, а затем они шунтируются главными контактами K_2М пускателя K₂. Силовой трансформатор защищен от перегрузок тепловыми контактами реле К_2F, встроенными в магнитный пускатель К₂ и отключающими выпрямитель при перегрузках.

Для защиты кремниевых вентилей выпрямительного блока и обмоток трансформатора от коммутационных перенапряжений диоды шунтируются защитными R–С цепочками, которые состоят из последовательно соединенных сопротивлений и конденсатора. Поскольку выпрямитель имеет жесткую внешнюю характеристику, режим короткого замыкания для него является аварийным и недопустимым. Поэтому для защиты выпрямителя применен быстродействующий автомат F₁, который выключает установку в момент короткого замыкания или в случае пробоя одного из вентилей его выпрямительного блока.

Комплектно к выпрямителю прилагается семь балластных реостатов РБ-301, которые при ручной дуговой сварке по одному включаются на каждый сварочный пост. Реостаты включаются последовательно со сварочной дугой поста и выполняют следующие функции:

– при жесткой внешней характеристике выпрямителя создают падающую внешнюю характеристику на дуге сварочного поста;

– служат регулятором тока сварочного поста (РТСП);

– ограничивают ток короткого замыкания сварочного поста, предохраняя выпрямитель от недопустимых перегрузок по току.

На рис. 4.44 приведена схема выпрямителя ВДМ-1201. Трехфазный понижающий трансформатор Т имеет алюминиевые обмотки. Первичные обмотки соединены в звезду, вторичные – в две звезды с выведенными нулями. Выпрямительный блок V1-V6 собран из 6 вентилей Д161-400 по шестифазной кольцевой схеме.

Рис. 4.44. Упрощенная принципиальная схема выпрямителя ВДМ-1201 УХЛ4

Выпрямитель питается от сети через автоматический выключатель QF. Для пуска нажатием кнопки S1 включают пускатель K1 двигателя М вентилятора. Контакты K1 через резисторы R2 и R3 подают напряжение на трансформатор, затем срабатывает пускатель K2, подающий напряжение сети на трансформатор уже напрямую. Таким образом, предотвращаются ложные срабатывания автоматического выключателя от бросков пускового тока. При внутренних коротких замыканиях и пробое вентилей автоматический выключатель QF срабатывает и отключает выпрямитель от сети. Защита от небольших, но продолжительных перегрузок выполняется тепловыми реле K2F, встроенными в пускатель K2. Цепи управления защищены плавкими предохранителями F1–F3. На схеме показана также одна из цепочек R–С, защищающих каждый вентиль от перенапряжений. Источник снабжен сигнальной лампой Н, вольтметром PV и амперметром РА с шунтом RS. Для регулирования сварочного тока на постах выпрямитель комплектуется восемью балластными реостатами R4–R11.

Балластный реостат РБ-302 (рис. 4.45) представляет собой набор параллельно соединенных резисторов, подключаемых к нагрузке с помощью рубильников S1–S7. При различных комбинациях включенных рубильников реостат имеет сопротивление от 0,1 до 5 Ом. Вблизи каждого рубильника указана сила тока (6, 10, 20 А и т.д.), получаемая при его включении. Другие значения токов в интервале от 6 до 316 А получаются суммированием величин, соответствующих одновременно включенным рубильникам.

а) б)

Рис. 4.45. Внешний вид (а) и принципиальная схема (б) балластного реостата РБ-302 У3

В последние годы выпускаются балластные реостаты типа РБС-303 МУ2 и РБС-303 У2 (рис. 4.46).

РБС-303 У2 РБС-303 МУ2

Рис. 4.46. Внешний вид балластных реостатов типа РБ-303

Выпрямитель ВДМ-1601 на 9 постов сварки имеет такую же схему, как и ВДМ‑1201, но его выпрямительный блок собран из 12 вентилей – по два в плече параллельно.

Количество постов, питаемых от одного многопостового выпрямителя, можно определить по формуле

, (4.5)

где Iн – номинальный ток нагрузки выпрямителя, А; Iд – сварочный ток поста, А; К – коэффициент одновременности работы поста, который для ручной сварки принимается равным 0,5, а для полуавтоматической и автоматической сварки 0,7.

Многопостовой выпрямитель может работать только в режиме холостого хода и нагрузки. Напряжение выпрямителя в режиме холостого хода определяется ЭДС трансформатора

Е₂=4,44·f·W₂·Ф₀ (4.6)

где W₂ – число витков вторичной обмотки трансформатора; f – частота тока сети; Ф₀ – магнитный поток.

При нагрузке напряжение выпрямителя падает с 70 до 60 В за счет внутреннего падения напряжения в трансформаторе и блоке вентилей.

Сварочный пост может работать в режимах холостого хода, нагрузки и короткого замыкания. Для работы поста в любом его режиме справедлива зависимость

Uв =Uб + Uд, (4.7)

где Uв – напряжение выпрямителя; Uб – падение напряжения на балластном реостате; Uд – напряжение на дуге.

Падение напряжения на балластном реостате определяется зависимостью

Uб = Iд·Rб, (4.8)

где Iд – сварочный ток поста, Rб – сопротивление балластного реостата. В режиме холостого хода: Iд = 0, Uв = Uд.

В режиме нагрузки

Uд = Uв – Uб = Uв – Iд·Rб, при Uв = const. (4.9)

Если увеличивать Iд, то будет расти падение напряжения на балластном реостате и Uд будет уменьшаться. Наличие РБ-301 в цепи сварочного поста создает на дуге падающую внешнюю характеристику. Величина сварочного тока поста определяется по формуле

. (4.10)

Регулировка тока сварочных постов осуществляется путем изменения сопротивлений Rб балластных реостатов.

В режиме короткого замыкания Uд = 0,

Uв = Uб = Iк·Rб. (4.11)

В условиях короткого замыкания регулировка Iк осуществляется этими же балластными реостатами.

Различные модификации выпрямителей ВДМ имеют разное количество вентилей в выпрямительном блоке в зависимости от тока нагрузки. Выпрямители ВДМ-1601 комплектуются девятью балластными реостатами РБ-301, ВДМ-3001 – восемнадцатью.

Технические характеристики этих выпрямителей приведены в табл. 18, а внешний вид некоторых из них на рис. 4.47.

Таблица 18

Многопостовые выпрямители для ручной дуговой сварки покрытыми электродами

Марка источника	Номинальный сварочный ток, А	Номинальный ток поста, А	Номинальное напряжение холостого хода, В	Номинальное рабочее напряжение, В	Число постов	Потребляемая мощность, кВ·А	Номинальный режим работы, ПВ/%	Масса, кг
ВКСМ-1000	1000	315	70	60	6	74	100	500
ВДМ-2313	–	315	70	32	2	27	80	160
ВДМ-6303С	630	315	85	70	4	46	100	250
ВДМ-1001	1000	315	70	60	6	74	100	420
ВДМ-1201	1250	315	80	60	8	95	100	450
ВДМ-1202С	1250	315	75	65	8	96	100	350
ВДМ-1601	1600	315	100	60	9	120	100	650
ВДМ-1600С	1600	315	73	60	10	120	100	420
ВДМ-3001	3000	315	70	60	18	230	100	1750

ВДМ-2313 ВДМ-1202С ВДМ-1600С

ВДМ-1601 ВДМ-6303С

Рис. 4.47. Внешний вид многопостовых сварочных выпрямителей

Выпрямители для сварки в углекислом газе должны удовлетворять несколько более жестким требованиям. Во-первых, поскольку по технологическим соображениям не допускаются колебания рабочего напряжения более чем на ±1,5 В, напряжение выпрямителя должно быть стабилизировано с точностью не ниже ±5 %, а внешняя характеристика должна иметь наклон не более 0,002 В/А. Второе отличие заключается в необходимости регулирования напряжения с кратностью около 2. В-третьих, постовое устройство должно ограничивать разбрызгивание металла.

В качестве многопостовых могут применяться универсальные выпрямители типов ВДУ-1201, ВДУ-1202, ВДУ-1604 (разд. 4.5), при этом используют жесткие характеристики с плавной регулировкой напряжения.

Для многопостовой сварки в защитных газах выпускаются выпрямители ВДГМ и ВМГ. Технология сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа предъявляет ряд дополнительных требований к многопостовым системам. При сварке наблюдается сильное разбрызгивание, причиной которого являются быстро нарастающие пики токов при резких колебаниях проводимости разрядного промежутка, что нарушает устойчивость горения дуги. Поэтому требуется стабилизация выпрямленного напряжения.

В состав выпрямителя типа ВДГМ (рис. 4.48) входят трехфазный трансформатор Т₁, шестифазный выпрямительный блок V₁, блок стабилизации напряжения V₂, блок управления БУ, вентилятор с ветровым реле.

Обмотки трансформатора выполнены алюминиевой шиной и соединены в «звезду» – первичные W₁, в шестифазную «звезду» с уравнительным реактором УР – вторичные W₂.

Выпрямительный блок собран из кремниевых вентилей В2-200 по два в плече выпрямителя ВДГМ-1001 и по три – выпрямителя ВДГМ-1601.

Для стабилизации напряжения используется тиристорный блок V₂, собранный из шести кремниевых тиристоров Т-160 по схеме встречно-параллельного включения двух вентилей в каждую из трех фаз, вследствие чего на трансформатор Т₁ подается не выпрямленное, а переменное трехфазное напряжение.

Рис. 4.48. Принципиальная схема многопостового выпрямителя ВДГМ

В блоке управления БУ сравнивается выходное напряжение выпрямителя, снятое с контактов 1 и 2, с опорным, что изменяет угол управления тиристорами при колебаниях напряжения сети. Таким образом, достигается стабилизация выпрямленного напряжения.

Выпрямители типа ВДГМ снабжены балластными реостатами РБГ-301 (для регулирования сварочного тока) и разделительно-стабилизирующими дросселями ДР-301 с двуми ступенями регулирования для уменьшения разбрызгивания. Выпускаются также источники ИДГМ-1001/1601, которые являются комбинацией выпрямителей ВДГМ-1001 и ВДГМ-1601.

В настоящее время выпускается также многопостовой выпрямитель ВМГ-5000, предназначенный для питания 30 постов механизированной сварки по 315 А.

Он имеет жесткую характеристику с наклоном около 0,0008 В/А. Трансформатор – с нормальным рассеянием, его первичные обмотки соединены в звезду и секционированы, что позволяет получить пять значений напряжения холостого хода. Схема выпрямления – шестифазная с уравнительным реактором, в каждом плече выпрямительного блока – по два вентиля В-800, охлаждаемых проточной водой. Постовые устройства – балластные реостаты РБГ-302 формируют необходимую пологопадающую внешнюю характеристику поста. При настройке сопротивления балластного реостата руководствуются следующими соображениями. Для обеспечения надежного зажигания и устойчивости процесса при крупнокапельном переносе R_б должно быть менее 0,12 Ом, для уменьшения разбрызгивания электродного металла – должно быть более 0,07 Ом. При этом диапазон регулирования режима довольно узок, и плохо удовлетворяется требование развязки постов. Важное достоинство таких постовых устройств – простота и компактность. Однако при сварке в вертикальном и потолочном положении для обеспечения направленного переноса электродного металла R_б приходится существенно уменьшать, в этом случае для ограничения разбрызгивания постовое устройство дополняется дросселем.

В состав выпрямителя (рис. 4.49) входят трехфазный понижающий трансформатор с нормальным магнитным рассеянием, имеющий одну первичную W₁ и две одинаковые вторичные обмотки W₂, выпрямительный блок V₁–V₆, блок пускорегулирующей аппаратуры, вентилятор с ветровым реле.

Рис. 4.49. Принципиальная схема многопостового выпрямителя типа ВМГ

Фазы первичной обмотки секционированы, что позволяет получать пять значений ЭДС вторичных обмоток. Обмотки выполнены из алюминиевой шины и соединены «звездой».

Схема выпрямления представляет собой собственно два трехфазных выпрямителя с выведенными нейтралями N₁ и N₂. Выпрямители работают параллельно на нагрузку через уравнительный реактор Lур. Начала фаз a₁, b₁, c₁ одной из вторичных обмоток соединены с анодами неуправляемых вентилей V₁–V₃, а концы фаз a₂, b₂, c₂ другой вторичной обмотки W₂ – с анодами вентилей V₄–V₆. Катоды всех вентилей соединены вместе и образуют положительный полюс (вывод) выпрямителя. Отрицательным полюсом служит средняя точка У обмотки уравнительного реактора Lур, имеющего замкнутый магнитопровод. Уравнительный реактор соединяет нейтрали N₁, N₂ «звезд» вторичных обмоток трансформатора. Фазные ЭДС «звезд» сдвинуты относительно друг друга на 180°. Уравнительный реактор служит для обеспечения четкой параллельной работы двух выпрямителей установки ВМГ.

В магнитопроводе трансформатора Т₁ постоянная составляющая магнитного потока отсутствует. Это позволяет значительно уменьшить габариты и массу трансформатора. Вместе с выпрямителем поставляются балластные сопротивления марки РБГ-502.

Промышленность выпускает источники с постовыми полупроводниковыми устройствами. Постовые устройства могут быть выполнены с использованием силовых вентилей – тиристоров и транзисторов. Различают постовые выпрямительные блоки, подключенные к общему источнику переменного тока, и постовые регуляторы, питающиеся от выводов постоянного тока многопостового выпрямителя.

Источник с постовыми выпрямительными блоками имеет общий понижающий трансформатор. Рационально использование следующих схем выпрямления: шестифазной нулевой или с уравнительным дросселем, а также несимметричной трехфазной мостовой, у которой тиристоры установлены только в катодной группе. В постовом блоке за счет обратных связей по напряжению и току могут быть сформированы как жесткие стабилизированные, так и крутопадающие характеристики, т.е. они могут использоваться для ручной и механизированной сварки, а также как универсальные.

На рис. 4.50 приведена схема четырехпостового источника ВДМ-4301. Он имеет автоматический выключатель QF, силовой контактор K и общий трехфазный понижающий трансформатор Т. Постовые выпрямительные блоки А1–А4 собраны каждый из шести тиристоров V по шестифазной схеме с уравнительным дросселем L1 и имеют по сглаживающему дросселю L2. Поскольку охлаждение тиристоров на отдельных постах было бы затруднительно, все постовые устройства установлены в корпусе общего источника.

К месту сварки может быть вынесен только блок управления с регулятором тока и сварочный кабель. Блоком управления формируются крутопадающие внешние характеристики с регулируемым наклоном от 0,2 до 0,7 В/А. Схемой предусмотрено форсирование режима при зажигании дуги и снижение напряжения холостого хода с 80–100 В до 12 В через 1 с после ее обрыва, что повышает безопасность труда. Выпрямитель предназначен обслуживать бригаду из 2–4 сварщиков, ведущих одновременную сварку стыка при монтаже магистрального трубопровода. Возможно включение двух блоков на параллельную работу, что увеличивает номинальный ток с 315 до 500 А.

Рис. 4.50. Упрощенная принципиальная схема выпрямителя ВДМ-4х301 У3

Постовой полупроводниковый регулятор подключается к выводам многопостового выпрямителя, т.е. управляет уже выпрямленным током. Наиболее просто выглядит транзисторный постовой регулятор. Однако он не нашел широкого распространения из-за низкой надежности транзисторов. На рис. 4.51 представлен тиристорный постовой регулятор УР-301.

а)

б)

в)

г)

Рис. 4.51. Упрощенная принципиальная схема тиристорного регулятора УР-301 У3

В нем для уменьшения пульсации сварочного напряжения используются два параллельных ключа на тиристорах VS1 и VS2. Рассмотрим работу одного из них. С момента t₁ при отпирании тиристора VS1 ток в нагрузке i_VS1 идет через L1 по пути, показанному тонкой линией.

При включении тиристоров VS4 и VS5 в момент t₂ происходит запирание тиристора VS1 благодаря разряду коммутирующего конденсатора С по круговой цепи, изображенной пунктиром. С момента t₂ ток в нагрузке i_VD1 создается за счет энергии дросселя L1 и замыкается с помощью диода VD1 по цепи, показанной пунктирной линией. Осциллограмма тока в плече VS1–L1–VD1 иллюстрируется рис. 4.49, б. Второе плечо VS2–L2–VD2 работает аналогично (рис. 4.49, в), но включается после момента t₂. В целом сварочный ток получается как сумма токов двух плеч. Например, в интервале t₂-t₃, ток . Поэтому ток i_д получается существенно сглаженным (рис. 4.49, г).

Технические характеристики этих выпрямителей приведены в табл. 19.

Таблица 19

Технические характеристики многопостовых выпрямителей для сварки в среде защитных газов

Параметр	ВДМ-4301	ВДГМ-1601	ВДГМ-1602	ИДГМ-1000/1601	ВМГ-5000
Номинальный сварочный ток, А	4315	1600	1600	1000/1600	5000
Номинальный ток поста, А	315	300	200/400/600	200/300	500
Номинальное напряжение холостого хода, В	80-100	60	60/70	60/70	70
Номинальное рабочее напряжение, В	32	40	36/40/60	26/40	60
Число постов	4	9	9/5/3	9/9	10