Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания сварочной дуги. Учебное пособие
.pdf
61
3
лф
л
U3U;
3
U
ф
ф
л
Z
U
I
ф
л
л
ф
л
Z
U3
I;
Z3
U
3
I
I
л
л
Uф
Uф
U
л
1
2
Iл
3
л
ф
U
U
1
2
U
3лфUU
а)
б)
Рис. 3.6. Соединение обмоток трехфазного трансформатора:
а – звездой (/) и б – треугольником (/);
1 и 2 – первичные и вторичные обмотки
При соединении первичных и вторичных обмоток звездой (/) фазное
напряжение (Uф) меньше линейного в
- раз, а при соединении треугольни-
ком во столько же раз больше
U
=
ф
. (3.1)
Величина линейного тока определяется по формуле
, (3.2)
где Zф - индуктивное сопротивление обмотки в данной фазе.
С учетом формул (3.1) и (3.2) величина линейного тока при соединении
обмоток звездой и треугольником будет равна:
Таким образом,
I
л
, т.е. ток в обмотках трансформатора при со-
. (3.3)
единении их треугольником в 3 раза больше, чем при соединении звездой.
3.2.2. Силовой выпрямительный блок
Силовой выпрямительный блок состоит из полупроводниковых вентилей,
которые пропускают ток только в одном направлении, называемом прямым. В
прямом направлении электрическое сопротивление вентиля мало, т.е. его электропроводимость (величина, обратная электросопротивлению) очень велика. В
62
обратном направлении электропроводимость вентиля близка к нулю, поэтому
катод
U
U
U
анод
R
Iпр
R
I
обр
а)
б)
U,I
U
Iпр
I
обр
0
t
в)
сварочная цепь
при подаче на вентиль синусоидального напряжения ток через него практически идет только в прямом направлении (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Работа диода в цепи переменного тока:
а – прямое включение; б – обратное включение; в – осциллограмма тока
и напряжения; R – нагрузка, - частота, t – время, t - угол
Выпрямительный блок собирается по трехфазной мостовой схеме, получившей наибольшее распространение в сварочных выпрямителях. При такой
схеме в каждую фазу включено по два вентиля с встречной проводимостью.
Шесть вентилей разбиты на две группы – в одной к общей точке подключены
все катоды, а в другой – все аноды (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Соединение вентилей по трехфазной мостовой схеме
63
Трехфазная мостовая схема обеспечивает в любой момент времени работу
I
t
двух вентилей – одного в первой группе и другого – во второй. Каждый из вентилей пропускает ток в течение 1/3 периода переменного тока. Таким образом,
в сварочную цепь подается выпрямленный пульсирующий ток с шестикратной
по сравнению с промышленной (50 Гц) частотой пульсации, т.е. f = 50 6 = 300
Гц (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Пульсирующий выпрямленный ток в сварочной цепи
Такая схема применяется в сварочных выпрямителях малой и средней
мощности. В выпрямителях большой мощности применяют шестифазные схемы выпрямления, которые обеспечивают лучшее использование вентилей по
току. В таких выпрямителях используется трехфазный трансформатор, имеющий 3 первичных и 6 вторичных обмоток.
3.2.3. Типы вентилей в сварочных выпрямителях
В сварочных выпрямителях применяют три типа полупроводниковых
вентилей:
- неуправляемые (диоды);
- частично управляемые (тиристоры);
- полностью управляемые (транзисторы).
Неуправляемый вентиль (диод). Схема однопериодного выпрямления по-
казана на рис. 3.7. В положительном полупериоде синусоидального напряжения
питающей сети (рис. 3.7, а) диод включен в прямом направлении и, как уже отмечалось, его электрическое сопротивление невелико, все напряжение сети бу-
дет приложено к нагрузке R и ток нагрузки в прямом направлении Iпр будет
максимальным. Точка «О» - момент открытия (угол открытия) диода (рис. 3.7,
в), а точка «π» - момент (угол) его закрытия.
64
В отрицательном периоде диод включен в обратном направлении (рис.
I
ср
0
I
у
У
I
U
U
катод
анод
R
U,I
U
I
I
обр
t
3.7, б), его электросопротивление возрастает, а ток I
снижается почти до ну-
обр
ля, напряжение на нагрузку не подается. При однополупериодном выпрямлении в цепи протекает пульсирующий ток одного направления.
Частично управляемый вентиль – тиристор. Этот вентиль имеет более
сложную полупроводниковую структуру и обладает характеристикой с двумя
устойчивыми состояниями в прямом направлении и запирающими свойствами
в обратном направлении.
Тиристор имеет три вывода: два силовых – анод и катод и один управляющий «У» (рис. 3.10).
Рис. 3.10. Работа тиристора в цепи переменного тока:
У – управляющий электрод; Iу – ток в цепи управления
Если цепь управляющего электрода «У» разомкнута (Iу = 0), то тиристор
заперт и в силовой цепи протекает незначительный ток I
. Перевод тиристора
обр
в открытое состояние осуществляется подачей положительного импульса в полупериод прямого напряжения. Время открытия тиристора зависит от величины
управляющего тока Iу. Чем больше ток управляющего импульса, тем раньше
(при меньшем угле ) откроется тиристор. Таким образом, регулируя величину
управляющего импульса, производится управление моментом включения (отпирания) тиристором. Далее тиристор работает как диод и при снятии импульса
(Iу = 0) запирания тиристора не происходит, он, как и диод, запирается только в
момент смены полярности (точка π), поэтому тиристор называют частично
управляемым вентилем.
Среднее значение выпрямленного импульса Iср пропорционально заштрихованной площади и зависит от момента отпирания тиристора (от угла ). Таким образом, тиристор обеспечивает не только выпрямление тока, но и регули-
65
рование его среднего значения, а следовательно, и мощности (IU), подаваемой
I
U
Iб
R
I
U, I
U
I
ср
1
2
I
обр
t
в сварочную цепь.
Еще большими возможностями регулирования режимов и управления
процессом сварки обладают полностью управляемые вентили – транзисторы.
Рассмотрим работу транзистора в цепи переменного тока (рис. 3.11).
Рис. 3.11. Транзистор в цепи переменного тока
В положительный полупериод, если ток базы отсутствует (Iб = 0), транзистор заперт (это состояние называется «состоянием отсечки») и ток в коллекто-
ре (ток нагрузки R) отсутствует - I = 0. Если в момент 1 подать ток базы Iб,
транзистор из состояния отсечки перейдет в открытое состояние, так как в этот
момент его электросопротивление падает до нуля. Поэтому ток нагрузки I скачкообразно принимает максимальное значение и далее растет по синусоиде. Ко-
гда в момент 2 выключается ток базы, сопротивление транзистора резко возрастает и он вновь переходит в состояние отсечки, ток в нагрузке падает до нуля. Среднее значение тока в нагрузке Iср пропорционально заштрихованной
площади и зависит от величины углов 1 и 2, т.е. от времени протекания тока
базы. Таким образом, транзистор позволяет в широких пределах регулировать
среднее значение тока в цепи нагрузки ( в нашем случае – в сварочной цепи).
Транзисторные выпрямители дают возможность регулировать тепловложение в
свариваемое изделие, т.е. регулировать термический цикл.
3.2.4. Защитная аппаратура
Работа вентилей в сварочных выпрямителях сопровождается перегрузками двух видов:
- прямыми токами, когда вентиль открыт;
66
- обратными напряжениями, когда вентиль заперт.
xобр
U)25,1(U
Перегрузки токами возникают при зажигании дуги контактным способом, при коротких замыканиях дугового промежутка и при крупнокапельном
переносе электродного металла через дугу. При падающей внешней характеристике источника ток в эти моменты может превышать номинальные (расчетные) значения в 4-8 раз. Такие перегрузки могут привести к перегреву и пробою вентиля. Особенно опасны длительные перегрузки по току. Для защиты от
них в сварочных выпрямителях применяются быстродействующие автоматические контакторы, отключающие выпрямитель от сети. Кроме того, обязательным является принудительное воздушное охлаждение вентилей и применение
специальных радиаторов, повышающих интенсивность теплоотвода от вентиля.
Искусственное воздушное охлаждение с помощью вентилятора при скорости
воздушного потока не менее 6 м/с позволяет увеличить токовую нагрузку на
вентиль в 3 раза. В сварочных выпрямителях большой мощности применяют
водяное охлаждение вентилей, которое позволяет увеличить токовую нагрузку
в 5 раз. Для предотвращения перегрева вентилей при отказе системы охлаждения выпрямители оборудованы тепловым реле, которое при отказе системы
охлаждения отключает выпрямитель от сети.
Очень опасны и перегрузки второго вида – по обратному напряжению.
Эти сварочные перегрузки возникают в переходных процессах – при переходе
вентиля из проводящего состояния в непроводящее и при переходе выпрямителя от режима нагрузки к холостому ходу. Еще более опасное перенапряжение
наблюдается при переходе от режима короткого замыкания к холостому ходу,
поскольку при этом в цепях трансформатора возникает самая большая ЭДС самоиндукции. Это перенапряжение в обратном полупериоде может в 1,5–2 раза
превышать напряжение холостого хода -
и может стать при-
чиной пробоя вентиля (рис. 3.12, б). Для снижения перенапряжения и защиты
вентиля от пробоя обратным напряжением параллельно вентилю включают
конденсатор С (рис. 3.12, а), а для ограничения тока I
в цепи конденсатора
обр
последовательно с ним соединяется сопротивление (резистор) R. При появлении на выводах вентиля возрастающего обратного напряжения конденсатор С
заряжается током I
. Затем происходит разряд конденсатора через силовую
обр
цепь вентиля в направлении прямого тока. В результате импульс напряжения в
переходном процессе снижается на 20-30 %. Такие RC – цепочки включают параллельно плечу выпрямительного блока.
67
U
обр
I
обр
R
С
а)
Uпр
U
обр
U
пр
Uх
1
2
U
обр
t
б)
Рис. 3.12. Защита вентилей от перегрузок по напряжению:
а – схема RC-цепочки; б – осциллограмма напряжений: 1 – пик обратного
напряжения в цепи вентиля без конденсатора; 2 – пик обратного напряжения в
цепи с конденсатором «С»
3.3. ИНВЕРТОРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
Инверторные источники питания для сварки в последнее время получили
достаточно широкое распространение в силу ряда преимуществ перед традиционными выпрямителями, о которых будет сказано ниже.
3.3.1. Принцип действия выпрямителя с инвертором
Инверторным источником питания называется электротехнический аппарат, одним из основных узлов которого является инвертор. Инвертор – это
устройство, преобразующее постоянное напряжение в высокочастотное пе-
ременное.
Принцип действия инверторного источника питания ясен из рассмотрения блок-схемы (рис. 3.13).
Напряжение трехфазной сети Uс промышленной частоты преобразуется
входным выпрямителем 1 в постоянное повышенное (порядка 500 В) напряжение UВ. Выпрямленное напряжение с помощью инвертора 2 преобразуется в
переменное напряжение US высокой частоты (десятки килогерц). Переменное
высокочастотное напряжение поступает на понижающий высокочастотный
трансформатор 3. Вторичная обмотка этого трансформатора подает пониженное переменное высокочастотное напряжение UП на диодный выпрямитель 4,
который через сглаживающий дроссель 5 подключен к сварочной дуге 6.
68
t2
УБ
Uс
380 В
UВ
US
Uп
1
2
3
4
5 6 а)
U
Uс
UВ
U
S
T
t
U
п
U
д
tи
tп
б)
Рис. 3.13. Блок-схема (а) и диаграмма напряжений по блокам (б)
инверторного источника питания:
1 – входной (сетевой) выпрямитель; 2 – инвертор; 3 – понижающий
высокочастотный трансформатор; 4 – диодный выпрямитель;
5 – сглаживающий дроссель; 6 – сварочная дуга; УБ – управляющий блок
На рис. 3.14 представлена электрическая схема сварочного выпрямителя с
двухконтактным транзисторным инвертором. Блоки, обозначенные цифрами,
соответствуют блок-схеме (рис. 3.13). Входной выпрямительный блок 1 из шести вентилей преобразует переменное напряжение сети в постоянное, которое
сглаживается с помощью низкочастотного фильтра L1, C1. Затем выпрямленное напряжение Uв (рис. 3.13, б) с помощью инвертора 2 на двух транзисторах
Т1 и Т2 преобразуется в однофазное переменное высокочастотное напряжение
US. Далее напряжение понижается трансформатором ТР до UП, выпрямляется
блоком вентилей 4, проходит через высокочастотный фильтр L2, C2 и подается
на дугу в виде сглаженного напряжения Uд.
Процесс инвертирования начинается с отпирания одного из транзисторов.
При подаче сигнала от управляющего блока УБ на базу транзистора Т1 (рис.
3.14) отпирается его коллекторная цепь и по первичной обмотке трансформатора ТР в интервале времени t1 (рис. 3.13, б) протекает ток I1. При снятии сигнала
с базы этот ток прекращается. Затем с некоторой задержкой отпирается транзистор Т2, при этом в интервале времени t2 ток I2 в первичной обмотке транс-
форматора идет в обратном направлении. Таким образом, на первичной обмотке трансформатора ТР идет ток в виде знакопеременных импульсов. Длитель-
ность периода и частота переменного тока f = 1/T зависят от частоты запуска
транзисторов, задаваемой управляющим блоком. Обычно частота устанавлива-
69
ется в интервале 1-100 кГц. Эта частота не зависит от частоты питающей сети,
V1
L1
C1
T1
T2
I1
I2
Tp 1 2
3
4 5 6
V2
L2
C2
поэтому такой инвертор называют автономным.
Рис. 3.14. Электрическая схема выпрямителя
с транзисторным инвертором
3.3.2. Регулирование режима сварки
В инверторных источниках регулирование режима сварки осуществляется несколькими способами:
изменением амплитуды импульсов;
изменением частоты импульсов;
изменением времени (ширины) импульса.
Амплитудное регулирование применяют при использовании в выпрями-
тельном блоке частично управляемых вентилей – тиристоров за счет изменения
времени открытия тиристора (угол на рис. 3.10). Чем раньше открывается тиристор (чем меньше угол ), тем выше напряжение Uв (рис. 3.13), тем выше ам-
плитуда высокочастотного напряжения US и тем выше среднее значение напряжения, подаваемого на дугу Uср (рис. 3.15, а).
При частотном регулировании изменяется частота запуска транзисторов
инвертора – f = 1/Т. С увеличением частоты (уменьшается Т) возрастает среднее значение напряжения на дуге Uср (рис. 3.15, б).
При регулировании ширины импульса частота импульсов остается постоянной, а меняется ширина импульса за счет изменения времени прохождения
базовых токов I1 и I2 (рис. 3.14 и рис. 3.15, в). В современных инверторных источниках используются все три способа регулирования режимов сварки.
Внешние характеристики инверторных источников
Различают два вида внешних характеристик инверторных источников –
естественные и искусственные.
70
t
и2
tи1
T
2
T
U
ср
U
ср
Uср
U
U
U
А1
А2
а
б
в
Uср=kA
T
U
ср
1
Uср=ktи
Uд
U
д
а
б
1
3
2
Iд
I
д
1
2
3
4
Рис. 3.15. Осциллограммы при регулировании напряжения, подаваемого
на дугу Uд, изменением амплитуды (а), частоты (б) и ширины (в) импульсов:
А1 и А2 – амплитуда; Т1 и Т2 – период; tи – время импульса
Естественная характеристика определяется конструктивными особенностями инвертора 2 и высокочастотного трансформатора 3 (рис. 3.13). Естественная характеристика самого инвертора практически жесткая (линия 1 на
рис. 3.16, а). Но поскольку индуктивное сопротивление трансформатора пропорционально частоте инвертированного напряжения US (десятки килогерц),
подаваемого на трансформатор, то в соответствии с формулой (2.16) естественная характеристика выпрямителя в целом будет падающей (линия 3).
Рис. 3.16. Внешние характеристики выпрямителей с инвертором:
а) 1 и 3 – естественные характеристики инвертора; 2 – искусственная
крутопадающая характеристика;
б) комбинированная внешняя характеристика инверторного источника
(пунктиром показано регулирование напряжение на жестом участке (2)
и тока в дуге на участке (3)
Обычно внешние характеристики инверторных источников формируются
искусственно с помощью системы управления. Например, для получения кру-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]