3.4. Выпрямители сварочные с фазовым управлением

3.4.1. Фазовое регулирование напряжения в тиристорном выпрямительном блоке

В сварочных тиристорных выпрямителях нашли применение следующие схемы выпрямления: трехфазная мостовая (рис. 3.16,а), шестифазная с уравнительным реактором (рис. 3.16,б) и шестифазная кольце­вая (рис3.16, в).

Рис.3.16. Упрощенные схемы тиристорных выпрямителей: а – с трехфазной мостовой; б – с шестифазной с уравнительным реактором; в – с кольцевой схемой выпрямления

Проанализируем сначала простейший случай работы трехфазной мостовой схемы при малом сопротивлении фазы трансформатора х≠0, т.е. при условии мгновенной коммутации. В начальный момент Θ₀ (рис. 3.17, a) ток пропускают вентили V5 в катодной группе (потенциал его анода имеет наибольшее положительное значение U_2c) и V6 в анодной группе (потенциал его катода имеет наибольшее отрицательное значение U_2в). Остальные вентили ток не пропускают. В неуправляемом выпрямителе коммутация тока с вентиля V5 на V1 произошла бы в момент Θ₁ =30, когда фазное напряжение U_2а стало больше U_2c.

Для управляемого выпрямителя в этот момент выполняется только первое условие отпирания вентиля V1 - потенциал его анода стал максимальным положительным среди вентилей катодной группы. Но отпирание V1 произойдет лишь при выполнении второго ус­ловия - в определяемый системой управления момент подачи отпираю­щего импульса. До этих пор в катодной группе будет работать вентиль V5 , хотя потенциал его анода ниже, чем у V1 . Пусть в момент Θ₂ на управляющий электрод тиристора V1 , наконец, будет подан управляющий импульс. В результате вентиль V1 откроется, при этом вентиль V5 закроется. Момент пересечения фазных напряжений, соответствующий коммутации неуправляемых вентилей (Θ₁ =30), называют моментом естественной коммутации, а угол α= Θ₂…Θ₁ - углом управления (или регулирования) тиристора. Моменты отпирания вентилей катодной группы в порядке V1-V3-V5-V1-…сдвинуты относительно друг друга на 120°, как фазные напряжения U_2а, U_2в, U_2с. В анодной группе моменты отпирания вентилей сдвинуты относи­тельно друг друга также на 120°, а относительно моментов отпирания вентилей тех же фаз катодной группы - на 180°. Таким образом, вентили будут включаться в порядке V1-V2-V3-V4-V5-V6-V1 с одинаковыми углами управления относительно моментов их естественной коммутации.

На рис. 3.17, а утолщенной линией показано изменение потенциала плюсовой клеммы выпрямителя (выше оси) и минусовой клеммы (ниже оси абсцисс). Текущее значение выпрямленного напряжения U_в, являющееся разностью этих потенциалов (показано на рис.3.17, б толстой линией). Как видно, в интервале Θ₁…Θ₂ это напряжение меньше, чем для неуправляемого выпрямителя, у которого напряжение менялось по огибающей линейных напряжений. Поэтому и среднее значение напряжения управляемого выпрямителя U_в меньше, чем у неуправляемого, на величину, пропорциональную площади заштрихованного участка.

Рис.3.17. Работа тиристорного выпрямителя с трехфазной мостовой схемой выпрямления: а – вторичные фазные напряжения; б – вторичные линейные напряжения; в – выпрямленный прерывистый и сглаженный ток

При углах управления α от 0 до 60^о кривая выпрямленного на­пряжения непрерывна, его средняя величина может быть определена из формулы

U_в =1,35U_1л(v₂/v₁)cosa (3.16)

С увеличением угла управления α потери напряжения U_в, пропорциональные площади заштрихованного участка, увеличиваются, а само выпрямленное напряжение снижается: α↑=>U_z↑=>U_в↓.

Фазовое регулирование заключается в изменении угла управления тиристоров, приводящем к изменению части напряжения трансформатора, подаваемого тиристорным выпрямительным блоком на нагрузку.

Фазовое регулирование обладает всеми достоинствами электрического регулирования: компактность и высокая надежность бесконтактных органов управления, плавность и высокая кратность регулирования на­пряжения, простота дистанционного и программного управления.

Главный недостаток фазового регулирования заключается в значительной пульсации выпрямленного напряжения. При α >60° в кривой выпрямленного напряжения появляются разрывы (см. рис. 3.17, б). Более того, даже в интервале 0<α<60°, несмотря на непрерывность кри­вой u_в , кривая сварочного тока i_д прерывиста (см. рис. 3.16, в), если напряжение дуги достаточно велико. Разрывы кривой тока возникают при u_в < U_д.

Для уменьшения пульсации в тиристорных выпрямителях устанавливают сглаживающий дроссель L, иногда с обратным диодом V7 (см. рис. 3.16). В те моменты, когда мгновенное значение выпрямленного напряжения u_в уменьшается, сварочный ток поддерживается энергией, запасенной дросселем в предыдущий промежуток времени. Обратный диод особенно полезен при глубоком регулировании (α >60°), поскольку позволяет дросселю поддерживать ток i_д2 в моменты, когда тиристоры не пропускают ток i_д1. В результате кривая тока существенно сглаживается (см. рис. 3.17, в). Для практически полного сглаживания тока во всем интервале регулирования α от 0 до 90 необходимо, чтобы сопротивление дросселя X_L=ωL было существенно выше сопротивления нагрузки - дуги (ωL>>5R_д). Такой мощный дроссель чересчур дорог и велик, к тому же чрезмерно замедляет переходные процессы при зажигании дуги и переносе электродного металла. Поэтому индуктивность назнача­ют из соображения уменьшения разбрызгивания на уровне L= 0,2...0,5 мГн, не стремясь к полному сглаживанию тока. Обычно применяется дроссель с воздушным зазором на 2...3 ступени (см. рис. 3.16, б).

Для снижения пульсации напряжения разумно также ограничивать глубину разового регулирования, например до α<60°. Чтобы кра­тность регулирования напряжения при этом не снизилась, фазовое ре­гулирование дополняют ступенчатым, например, изменяя соединение обмоток трансформатора. На рис. 3.16, б переключатель S показан в положении, обеспечивающем соединение первичных обмоток в звезду, что дает низший диапазон регулирования сварочного напряжения. При другом положении переключателя обмотки соединяются треугольником, и выпрямленное напряжение увеличивается в 1,73 раза. Наконец, устойчивое горение дуги при глубоком фазовом регулировании достигается введением блока подпитки (см. рис. 3.16, в). Блок представляет собой вспомогательный маломощный выпрямитель, состоящий из трансформатора Т2 с увеличенным рассеянием и блока неуправляемых вентилей V2 . Его ток заполняет паузы в кривой тока основного источника.