zdg_konspect

ЛЕКЦІЯ 11

11.1. Однопостовi тиристорнi зварювальнi випрямлячi.

Застосування силових тиристорiв в зварювальних випрямлячах створило умови розробки i виробництва якiсно нових джерел живлення як для дугового,так i для спецiалiзованих способiв зварювання. Поєднуючи в собi функцiї випрямлення i регулювання, тиристорний регулятор дає можливiсть розв’язувати задачi по створенню випрямлячiв з зовнiшньою характеристикою рiзної форми, стабiлiзацiєю параметрiв зварювальних режимiв при коливаннях напруги мережi, з дистанцiйним i програмним керуванням процесу зварювання.

В тиристорних випрямлячах в залежності від типорозміру і економічно обгрунтованого типу тиристора застосовуються різні схеми випрямлення. Більш доцільні трифазна мостова і шестифазна кільцева зі зрівняльним реактором (дроселем) схеми, які забезпечують мінімальні пульсації зварювального струму

(рис.11.1).

Рис. 11.1. Спрощені схеми тиристорних випрямлячів з трифазною (а) і шестифазною зі зрівнювальним дроселем (б) схемами випрямлення

101

11.2. Формування зовнiшнiх характеристик в тиристорних випрямлячах

Зовнiшнi характеристики тиристорного випрямляча можуть формуватись природним шляхом за рахунок iндуктивного опору трансформатора ХТ або штучним – за рахунок введення зворотних зв’язкiв за струмом або напругою.

Розглянемо принципи формування природних зовнішніх характеристик на прикладі роботи тиристорного випрямляча із трифазною мостовою схемою, коли опір фази трансформатора Х не дорівнює 0. В цьму випадку необхідно враховувати затягнуту комутацію. На рис 11.2 наведена осцилограма напруг при затягнутій комутації тиристорів.

Рис. 11.2. Осцилограма напруг тиристорного випрямляча при затягнутій комутації

В інтервалі Θ0-Θ2 працюють VS5 і VS6 і втрати напруги uZ в інтервалі Θ0-Θ2 викликані затримкою вмикання тиристора VS1 на кут “α”. З моменту Θ2 вмикання VS1 тиристор VS5 не вимикається і продовжує працювати завдяки енергії, нагромадженій в індуктивності фази С. Тому в інтервалі “γ” комутації від Θ2 до Θ3 в катодній групі одночасно працюють тиристори VS1 і VS5. На навантаження подається не u2a, як при миттєвій комутації, а півсума потенціалів пов’язаних з ними фаз, тобто (u2a+u2c)/2, що приводить до додаткових втрат напруги Ux. При збільшенні зварювального струму величини “γ” і Ux зростають, а випрямлена напруга UВ спадає. Природна зовнішня характеристика тиристорного випрямляча

102

при Х¹0 спадна і може бути виражена рівнянням:

UB =U20 -U X =1.35×U1Л (W2 W1) ×cosa - (3p) × X × IД .

Втрата напруги Uz за рахунок затримки вмикання тиристорів на кут “α” визначається величиною cosα. Крутоспаднi характеристики створюються за рахунок великого опору трансформатора, жорсткi – за рахунок обмеження величини Х. Для розгляду процесу формування штучних зовнiшнiх характеристик за рахунок зворотних зв’язкiв за струмом i напругою необхiдно подати тиристорний випрямляч як замкнену систему автоматичного регулювання режимiв зварювання. На рис.11.3 наведено функцiональну схему такого випрямляча, в якiй напруга мережi перетворюється трансформатором з нормальним магнiтним розсiянням в напругу, необхiдну для зварювання.

Рис. 11.3. Функціональна схема тиристорного випрямляча зі зворотними зв’язками за струмом і напругою

Пiсля випрямлення тиристорним блоком i наступним згладжуванням фiльтром вихiдна напруга подається на дугу. У схемi керування блок завдання струму БЗС або напруги БЗН формує сигнал завдання струму UЗС або напруги UЗН. Вони надходять через блок порiвняння БП на блок фазового керування БФК, який i формує iмпульси керування роботою силових тиристорiв випрямляча. БП служить для порiвняння сигналiв завдання UЗС або UЗН з сигналами вiд датчикiв випрямленої напруги, струму або напруги мережi.

Розглянемо процес формування жорстких характеристик в тиристорному

103

випрямлячi. Випрямлена напруга UВ порiвнюсться в БП із заданою (опорною) UЗН i їх рiзниця UЗН-UВ дiє через БФК на кут вiдкриття тиристорiв «a». У випадку пiдвищення напруги мережi або зниження навантаження, величина UВ пiдвищусться. Внаслiдок цього збiльшується кут вiдкриття тиристорiв, що приводить до зменшення випрямленої напруги до початкової величини i, вiдповiдно, стабiлiзацiї напруги, тобто:

UВ - Þ (UЗН-UВ)¯ Þ a - Þ UВ¯

На рис.11.4 а показанi природнi пологоспаднi-1 i штучнi-2 зовнiшнi характеристики, положення яких залежить вiд значень UЗН. Iнодi обмежуються стабiлiзацiєю тiльки при коливаннях напруги мережi. В цьому випадку сигнал UЗН порiвнюється з напругою мережi U1.

Рис. 11.4. Зовнішні характеристики тиристорного випрямляча

Для отримання крутоспадної зовнiшньої характеристики використовують дiю вiд’ємного зворотного зв’язку за струмом, коли сигнал завдання UЗС порiвнюється з напругою UС датчика, пропорцiйною зварювальному струму IД. При цьому iз зменшенням струму кут вiдкриття тиристорiв «a» зменшується, що призводить до зростання випрямленої напруги UВ, тобто:

IД ¯ Þ UС ¯ Þ (UЗС-UС) - Þ a ¯ Þ UВ -.

На рис.11.4 б показано як з природних пологоспадних-1 формуються штучнi крутоспаднi - 2 характеристики.

При введенні позитивного зворотного зв’язку за струмом можна отримати пологонаростальні (оптимізовані) зовнішні характеристики, які можуть застосовуватись для механізованого зварювання у вуглекислому газі і сприяти зменшенню розбризкувань електродного металу (рис.11.4 в).

104

11.3. Конструкцiя i принцип дiї тиристорних зварювальних випрямлячiв

Утиристорних однопостових зварювальних випрямлячах на основi однiєї i тiєї ж силової частини за рахунок зворотних з’язкiв можна отримати жорсткi та крутоспаднi зовнiшнi характеристики, тому бiльшiсть випрямлячiв розробленi як унiверсальнi. Створення таких джерел пов’язане з унiфiкацiєю конструкцiї силового трансформатора, який в тиристорних випрямлячах виконується з нормальним магнiтним розсiянням.

Упромисловостi застосовуються зварювальнi випрямлячi з двома системами фазового керування: транзисторною, канали керування якої виконанi з використанням стандартних логiчних елементiв “Логiка” Т-404, i системою керування, розробленою на iнтегральних мiкросхемах. Система фазового керування СФК з логiчними елементами застосовується у випрямлячах ВДУ-305, ВДУ-504, ВДУ-1201, ВДГ-601 i т.д., а на базi iнтегральних мiкросхем застосовується ВДУ505, ВДУ-506, ВДУ-601. Обидвi системи працюють за принципом вертикального керування. СФК на базi транзисторних логiчних елементiв виконана з трьома каналами фазового керування. Кожний канал забезпечує подачу iмпульсiв керування на два протифазних тиристора, що значно знижує їх асиметрiю i забезпечує рiвномiрне завантаження тиристорiв в усiх режимах, особливо у випрямлячiв, побудованих за шестифазною схемою зі зрiвняльним реактором (дроселем Кюблера). Подiбна система фазового керування забезпечує отримання iмпульсiв шириною до 90 град. СФК спiльно з колами зворотного зв’язку має достатню швидкодiю i забезпечує необхiднi зварювальнi властивостi випрямлячiв.

Зварювальний випрямляч типу ВДУ-305 У3 призначений для ручного дугового зварювання штучними електродами, а також напiвавтоматичного зварювання у вуглекислому газi i виконаний за шестифазною схемою зі зрівняльним реактором

звикористанням тиристорiв типу Т-160. Широкi межi регулювання струму та напруги в одному дiапазонi забезпечуються за рахунок використання блоку пiдживлення, який складається з трифазного дроселя L2 з двома обмотоками на кожнiй фазi та вентилів VD (рис.11.5).

Зовнiшня характеристика пiдживлення - крутоспадна. Система iмпульснофазового керування тиристорами виконана за “вертикальним” принципом і містить у собі три блока фазового керування (БФК), кола завдання зварювального струму i напруги, кола зворотного зв’язку за струмом i напругою, перемикач виду характеристик. Робота протифазних тиристорiв забезпечується вiд одного БФК,

105

схема якого аналогiчна БФК тиристорних зварювальних трансформаторiв. Для отримання спадних зовнiшнiх характеристик застосовується зворотний зв’язок за струмом, датчиком якого є магнiтний пiдсилювач. Зворотний зв’язок за напругою при роботi на жорстких ВАХ забезпечує стабiлiзацiю вихiдних параметрiв при коливаннях напруги мережi i формування жорстких характеристик. Зовнiшнi характеристики випрямляча типу ВДУ-305 наведено на рис.11.6.

Рис. 11.5. Блок підживлення випрямляча ВДУ – 305 У3

Зварювальний випрямляч ВДУ-504 У3 призначений для ручного дугового зварювання, механiзованого зварювання пiд флюсом i в середовищi захисних газiв. Спрощену принципову електричну схему його наведено на рис. 11.7. Випрямляч зiбраний за шестифазною схемою випрямлення зі зрівняльним реактором з використанням тиристорiв типу Т-160.

Рис. 11.6. Зовнішні характеристики випрямляча ВДУ-305 У3

106

Рис. 11.7. Спрощена принципова електрична схема силової частини випрямляча ВДУ-504

При роботi на спадних зовнiшнiх характеристиках передбачений один, а на жорстких - два дiапазони регулювання струму та напруги. Первинна обмотка силового трансформатора може бути з’єднана як в “трикутник”, так i в “зiрку” за допомогою спецiального перемикача S1. З’єднання в трикутник здiйснюється на І ступені регулювання при роботi з жорсткими зовнiшнiми характеристиками і роботі зі спадними ВАХ. При роботі на ІІ ступені первинна обмотка з’єднується в зірку і формуються жорсткі ВАХ. Згладжувальний дросель L2 у зварювальному колi має два виводи. Вивiд 1 вiдповiдає бiльшiй iндуктивностi і використовується при роботi зі спадними ВАХ та на першому ступенi регулювання при роботi з жорсткими характеристиками. Вивiд 2 вiдповiдає меншiй iндуктивностi і використовується на другому ступенi при роботi з жорсткими ВАХ. При роботi на спадних характеристиках використовується зворотний зв’язок за струмом, а на жорстких - зворотний зв’язок за напругою i струмом.

Зварювальнi випрямлячi типу ВДУ-1201У3 i ВДУ-1601У3 призначенi для зварювання в середовищi захисних газiв та пiд флюсом, а також для зварювання порошковим дротом на автоматах з залежною та незалежною швидкiстю подачi електродного дроту. Дворежимний випрямляч ВДГ-601 У3 використовується як джерело живлення в зварювальному автоматi типу ПДГ-601 для зварювання у вуглекислому газi. Вiн забезпечує зварювання на режимах малих та великих струмiв. Режим малих струмiв використовується при вертикальному положеннi швiв та при заварюваннi кратерiв, режим великих струмiв - при горизонтальному положеннi

107

швiв. При зварюваннi на малих струмах швидкiсть подачi електродного дроту повинна бути меншою, а iндуктивнiсть лiнiйного дроселя у зварювальному колi - бiльшою. Функцiональну схему випрямляча ВДГ-601 наведено на рис.11.8.

Рис.11.8. Функціональна схема випрямляча з тиристорним керуванням ВДГ-601У3

Т - трифазний силовий трансформатор з нормальним розсiянням, VS - тиристорний перетворювач, БФК - блок фазового керування тиристорами, Т1 - допомiжний трансформатор, L - лiнiйний згладжуючий дросель, U2=f(I2) - ВАХ трансформатора, U=f(I) - ВАХ випрямляча.

Формування жорстких зовнiшнiх характеристик, регулювання та стабiлiзацiя випрямленої вихiдної напруги здiйснюється за допомогою блоку БФК за рахунок зворотного зв’язку за напругою. Блок фазового керування живиться вiд допомiжного трансформатору Т1.

У зварювальних випрямлячах, побудованих за шестифазною кiльцевою схемою випрямлення (ВДУ-1201, ВДГ-601) пристрій формування керуючих iмпульсiв має розподiльний iмпульсний трансформатор Т2 (рис.11.9).

Обмотки допомiжного трансформатора Т1 i первиннi обмотки Т2 утворюють двопiвперiодний випрямляч з нульовим виводом. До вторинних обмоток Т2 увiмкненi керувальні електроди протифазних тиристорiв VS1 i VS2.

Стiйка робота кiльцевої схеми випрямлення може забезпечуватись i при вузьких iмпульсах керування тиристорами. У зв’язку з цим для зниження потужностi керування в дiагональ випрямного мосту увiмкненi струмообмежуючий конденсатор С і розрядний резистор R. Як ключ використовується вихiдний транзистор логiчного елементу пiдсилювача А1. При вiдкриттi транзистора коло випрямляча замикається, вiдбувається заряд

108

конденсатора С й iмпульси зарядного струму з вторинних обмоток трансформатора Т2 подаються на керувальнi електроди тиристорiв.

Рис. 11.9. Спрощена електрична схема пристроя формування керуючих імпульсів випрямлячів ВДУ-1201 У3 і ВДГ-601 У3

Зварювальнi випрямлячi типу ВДУ-505У3, ВДУ-506У3, ВДУ-601У3 призначенi для зварювання у вуглекислому газi та пiд флюсом, а також для ручного дугового зварювання штучними електродами. Вони забезпечують плавне регулювання робочої напруги i струму в одному дiапазонi, можуть використовуватись для спiльної роботи з робототехнiчними комплексами та автоматичними манiпуляторами, оскільки забезпечують надiйне початкове запалювання дуги, стiйкiсть процесу зварювання в усiх просторових положеннях. Випрямлячi дозволяють проводити зварювання деталей малих товщин на струмах приблизно 60 А з використанням зварювальних дротiв дiаметром 1,0-1,2 мм, а також безступiнчасту автоматичну змiну iндуктивностi в зварювальному колi в залежностi вiд навантаження. Пiдвищення стабiльностi зварювання та безступiнчасте регулювання iндуктивностi виконується дроселем, робота якого описана при розглядi конструкції ВДГ-303У3. Випрямлячi зiбранi за шестифазною схемою випрямлення зі зрівняльним реактором. ВДУ-505 i ВДУ-506 мають тиристорний блок з тиристорами типу Т-160, а ВДУ-601 – з тиристорами ТЛ-250. Зовнiшнi

109

характеристики ВДУ-505, ВДУ-506 наведенi на рис. 11.10.

Рис. 11.10. Зовнішні характеристики випрямлячів ВДУ-505 У3, ВДУ-506 У3

Аналогiчний характер мають також характеристики випрямляча ВДУ601, який є дворежимним джерелом живлення, що дозволяє проводити настроювання робочої напруги на кожен режим за допомогою двох окремих потенцiометрiв. Перемикання режимiв здiйснюється з пульта дистанцiйного керування пiвавтомата. Система керування зварювальних випрямлячiв типу ВДУ505, ВДУ-506, ВДУ-601 виконана з використанням iнтегральних мiкросхем і основана також на змiнi кута керування тиристорами. Кут регулювання їх вiдносно напруги мережi живлення визначається напругою керування UКЕР, яка подається на вхiд блоку формувача iмпульсiв керування тиристорами.

Структурну схему системи керування ВДУ506, ВДУ-601 наведено на рис.11.11.

110