Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Конспект лекций 4306 - 2007.doc
Скачиваний:
41
Добавлен:
20.04.2019
Размер:
1.19 Mб
Скачать

4.2. Условия работы полупроводниковых сварочных вентилей. Схемы включения

В сварочном производстве применяют в качестве силовых только полупроводниковые вентили на основе селена (типа ВС), германия (типа ВГ) и кремния (типа ВК). Они характеризуются следующими основными параметрами: проводимостью в прямом и обратном направлениях, допустимой плотностью выпрямленного тока на единицу активной поверхности вентиля, средним и максимальным значением прямого тока, величиной внутреннего падения напряжения U, максимального обратного напряжения Umax об, допустимой температуры перегрева, а также к.п.д., долговечностью и др.

Максимальные значения температуры, которые выдерживают р – п переходы без пробоя, следующие: у германия до 80 °С, у селена до 100 °С, у кремния до I25...150 °С. Селеновые вентили значительно уступают кремниевым по плотности выпрямленного тока (JSe = 20... 30 А/см2, JSi = 60...80 А/см2) и по величине допустимого обратного напряжения (30...40 В против 800...1200 В у кремниевых вентилей). Селеновым вентилям свойственно старение» При эксплуатации, а также при хранении происходит увеличение внутреннего сопротивления вентиля в прямом направлении, что вызывает уменьшение тока. Кроме того, селеновые вентили имеют значительно больше размеры, нежели кремниевые. Последние дороже» уступают селеновым по сопротивляемости перегрузкам. Однако перечисленные выше недостатки селеновых вентилей способствовали преимущественному использованию в сварочных выпрямителях кремниевых вентилей. В настоящее время выпрямители на основе селеновых вентилей не выпускаются промышленностью.

Если в электрическую цепь включается диодный вентиль, то она становится нелинейной, а её проводимость – односторонней. Она пропускает прямой ток в направлении от сдоя р к слою п (рис. 4.2,а) лишь тогда, когда к аноду подведен положительный потенциал. Если подведенное напряжение синусоидально, то и прямой ток при положительной полуволне синусоидален (рис. 4.2,б). Когда проходит отрицательная полуволна (т.е. на анод подан отрицательный потенциал), в цепи протекает незначительный обратный ток. В это время вентиль считается закрыть». Влияние прилаженного напряжения на величину прямого и обратного тока кремниевого диодного вентиля показано на рис. 4.2,в.

Рис. 4.2. Структурная схема (а), схема выпрямления (б) и вольт-амперная характеристика (в) неуправляемого кремниевого вентиля

Рис. 4.3. Структурная схема (а), условное обозначение (б) и график изменения выпрямленного тока (в) управляемого кремниевого вентиля

В управляемом вентиле (тиристоре) имеется третий электрод, управляющий (рис. 4.3,б). Кремниёвый тиристор изготавливается на основе четырехслойного кристалла кремния (рис. 4.3,а). Для того, чтобы через тиристор в проводящий полупериод проходил прямой ток, необходимо на управляющей электроде иметь положитель­ный потенциал, поданный от постороннего источника питания.

Выпрямление тока в тиристоре производится следующим образом. В первый момент прохождения положительной полуволны пря­мой ток незначителен, т.е. вентиль закрыт (рис. 4.3,в). Когда напряжение на управляющем электроде достигает значения напряже­ния отпирания Uom, тиристор отпирается. Происходит скачкообраз­ный рост анодного тока до величины, определяемой характеристи­ками тиристора и схемой его включения. В дальнейшем изменение тока аналогично его изменению в диодном вентиле.

Изменяя величину Uom, можно регулировать угол отпирания . При увеличении  cреднее значение выпрямленного тока уменьша­ется. Очевидно, что при  = 0 прямой ток течет в течение всего проводящего полупериода, среднее значение выпрямленного тока имеет максимальную величину (как е неуправляемых кремниевых диодных вентилях). При = /2 (т.е. Uom = Umax) прямой ток проте­кает в течение от /2 до  и среднее значение выпрямленного ток будет минимально. Таким образом, изменяя угол отпирания (управления) тиристора, можно легко управлять величиной выпрям­ленного тока в силовой цепи выпрямителя.

Максимальное обратное напряжение Umax ов (рис.4.2, в) крем­ниевых вентилей должно быть не более 60 % напряжения пробоя Uов пр. В противном случае может произойти пробой вентиля.

Внутреннее падение напряжения кремниевых вентилей состав­ляет 0,5 В. Соотношение прямого и обратного токов примерно рав­но 104. Поэтому в реальных выпрямителях обратный ток принимают равным нулю.

В выпрямительных установках вентили работают в условиях токовых перегрузок и перенапряжений.

Токовые перегрузки имеют место при сварке как плавящимся, так и неплавящимся электродами. При возбуждении дуги контакт­ным способом, равно как и при замыкании дугового промежутка каплей переносимого жидкого металла, ток короткого замыкания может быть более чем в 1,5 раза выше номинального. Возбуждение дуги неконтактным способом с использованием осциллятора сопро­вождается возникновением пикового тока, который превосходит ус­тановившийся ток сварочного процесса в 4...6 раз. Если возросший ток в течение длительного времени превосходит установившийся, то вследствие малой теплоемкости р-п переходов повышается их температура, и вентиль теряет свои выпрямляющие свойства.

Для предотвращения выхода из строя кремниевых вентилей применяют воздушное или водяное принудительное охлаждение выпрямительных блоков, которое предназначено для эффективного отвода тепла при тоновых перегрузках. И если повышенный ток длительное время превышает установившийся, то необходимо кремниевые вентили включать параллельно в таком количестве, чтобы плотность тока для каждого диода или тиристора составляла 60...80 А/см2.

Перенапряжение вентиля (анод – катод) появляется вследствие индуктирующихся э.д.с. самоиндукции при их переходе от проводящего к непроводящему состоянию. Перенапряжения связаны с наличием индуктивности в сварочной цепи. Их величина может значительно превосходить максимальное обратное напряжение, что и является причиной пробоя р-п переходов вентилей в непроводящий полупериод их работы.

Для предотвращения пробоя вследствие перенапряжений параллельно вентилю включают RС – цепь. Её назначение состоит в том, чтобы при нарастании э.д.с. самоиндукции на клеммах анод -катод в непроводящий полупериод заряжать конденсатор С, а в проводящий полу период возвращать вентилю через сопротивление R запасенную энергию в направлении прямого тока. Кроме того, для борьбы с перенапряжениями вентили включают последовательно. Здесь легко добиться, чтобы перенапряжение не превышало установленного значения максимального обратного напряжения диода или тиристора.

Следует иметь ввиду, что кремниевые вентили могут иметь технологический разброс по параметрам. При параллельном или последовательном их включении может произойти перегрузка одних и недогрузка других вентилей. Поэтому перед сборкой в выпрямительный блок необходимо произвести проверку их характеристик и отобрать такие, которые имеют одинаковые или очень близкие показатели.