6.2. Тиристорнi зварювальнi трансформатори. Призначення I конструкція

Тиристорнi трансформатори (ТТ) - це джерела живлення дуги змiнного струму, в основу конструкції яких покладено спосiб фазового регулювання струму або напруги.

Основним вузлом ТТ є тиристорний фазорегулятор, який працює із силовим трансформатором i складається з двох зустрiчно-паралельно включених тиристорiв i системи їх керування. Функцiональну схему тиристорного трансформатора подано на рис.6.5.

Блок фазового керування (БФК), який здiйснює регулювання змiнного струму, побудований на перетвореннi синусоїдного струму у знакозмiннi iмпульси, амплiтуда i тривалiсть яких визначається кутом (фазою) ввімкнення тиристорiв. Трансформатор Т слугує для зниження напруги мережi до необхiдної при зварюваннi i має магнiтопровiд стрижневого типу з фiксованим пiдвищеним магнiтним розсiянням. Вiдсутнiсть рухомих частин i шунтiв, якi вимагають високої якостi складання i схильних до вибрацiї, дозволяють зробити силовий трансформатор простим у виготовленнi i довговiчним в експлуатацiї. Тиристорний фазорегулятор ФР, який містить в себе комутатор К, блок БФК i блок завдання напруги БЗН або струму БЗС, виконує функцiї регулювання режиму i формування

59

зовнiшньої характеристики. Причому ФР може встановлюватись як в колi первинної, так i вторинної обмотки трансформатора. Блок завдання БЗН або БЗС призначений для встановлення необхiдного (опорного) значення зварювального струму або напруги.

Рис. 6.5. Функціональна схема тиристорного трансформатора

Тиристорнi трансформатори належать до джерел живлення з електричним керуванням i мають ряд суттєвих переваг у порiвняннi з трансформаторами з механiчним регулюванням. У них легко здiйснюються дистанцiйне i програмне керування процесом зварювання i регулювання параметрами режиму. За допомогою зворотних зв’язкiв за струмом або за напругою створюються вольт-ампернi характеристики рiзного вигляду, забезпечується стабiлiзацiя вихiдних параметрiв у випадку змiни напруги мережi живлення.

Принциповi силовi схеми тиристорних трансформаторiв

Силовi схеми тиристорних трансформаторiв подiляються в основному за способом забезпечення безперервностi процесу зварювання i дiляться на такі групи: - трансформатори з переривнiстю струму навантаження та iмпульсною стабiлiзацiєю;

- трансформатори з колом пiдживлення.

Розглянемо роботу комутатора , який включений у вторинну обмотку трансформатора i складається iз зустрiчно-паралельно включених тиристорiв VS1 i VS2 на активне навантаження (рис.6.6)

60

Рис. 6.6. Спрощена електрична схема трансформатора з тиристорним

регулятором у вторинному колі

У позитивному пiвперiодi осцилограми струму i напруги з моменту t₁ струм почне пропускати тиристор VS1, включений з запiзненням на електричний кут «a» вiдносно часу t₀, тобто коли на його керуючий електрод вiд БФК поступить вiдпираючий iмпульс (рис. 6.7). Вимикання VS1 вiдбудеться в момент часу t₂, що пов’язано iз зникненням позитивного потенцiалу на анодi тиристора. У негативному пiвперiодi з таким же запiзненням на кут «a» з моменту t₃ увімкнеться VS2 i вимкнеться в момент t₄.

Рис. 6.7. Осцилограма струму і напруги трансформатора з тиристорним

регулятором у вторинному колі

61

Напруга на навантаженнi U_ДЖ вiдрiзняється вiд U₂, i її середнє значення за пiвперiод буде дорiвнювати:

p

1 U

2 m (6.1)

U ДЖ 

p

Ú U 2 m sin a d a  (1  cos a )

a p

Середнє значення U_2СР за пiвперiод:

1

p

2 U

2

m

U  U sin

a d a  (6.2)

2ср _Ú 2m

^p ₀ ^p

З рiвнянь (6.1) i (6.2) видно, що середнє значення напруги на навантаженнi U_ДЖ

складає частину середнього значення вторинної напруги U_2СР:

U ДЖ 

1  cos a

2

U 2ср

Регулювання струму i напруги навантаження залежить вiд кута вiдкриття тиристора «a», тобто вiд моменту часу подачi вiдпираючого iмпульсу на керуючий електрод VS. Iз збiльшенням «a» напруга U_ДЖ i I₂ спадають.

a ­fi U _ДЖ Øfi I₂ Ø .

Осцилограма зварювального струму I₂ при горiннi дуги вiд тиристорного трансформатора дещо вiдрiзняється вiд поданої на рис.6.7. З моменту t₁ струм зростає бiльш плавно i його протікання триває до моменту дещо пізніше t₂. Тому реальна крива струму навантаження наближається до синусоїди, особливо при малих кутах вiдкриття тиристора «a». Система фазового регулювання при всiх її перевагах (плавнiсть регулювання струму i навантаження, низькi масо-габаритнi показники i т.д.) має ряд суттєвих недолiкiв, оcновним серед яких є зниження стiйкостi горiння дуги змiнного струму. З рис.6.7 видно, що в iнтервалах t₀-t₁, t₂-t₃ утруднене повторне запалювання дуги, оскільки цей час переривання в горiннi дуги створює умови для охолодження мiжелектродного промiжку. Причому, чим бiльший кут вiдкриття тиристора, тим нижча стiйкiсть. Для усунення цього недолiку в схему ТТ вводиться коло пiдживлення, яке пiдтримує горiння малопотужної дуги в час переривання горiння основної зварювальної дуги. Такi ТТ вiдносяться до трансформаторiв з колом пiдживлення, окремi електричнi схеми силової частин яких поданi на рис.6.8 а,б. Струм пiдживлення i_П поданий на рис 6.7 пунктирною лiнiєю, i величина його

62

може складати вiд 10 до 30 А в залежностi вiд призначення трансформатора. Фазорегулятор може бути увімкнений в коло первинної або вторинної обмотки трансформатора, в залежностi вiд номiнальної його потужностi (рис. 6.8 а,б).

Рис. 6.8. Спрощені електричні схеми (а,б) тиристорних трансформаторів з колом

підживлення

При встановленнi ФР у вторинну обмотку, у зв’язку з бiльшою величиною комутованого (зварювального) струму, необхiдно застосовувати потужнi дорогi тиристори або збiльшувати їх число для встановлення на паралельну роботу. При включеннi ФР у первинну обмотку вiдпадає необхiднiсть застосовування потужних тиристорiв, але принцип регулювання параметрiв такий самий. Крива струму навантаження має вигляд спотвореної синусоїди. Пiдживлення в цьому випадку створюється за рахунок шунтування тиристорного регулятора ФР дроселем L з iндуктивним опором Х_L, що значно перевищує величину Х_Т.

Формування зовнiшнiх характеристик у тиристорному трансформаторi

Якщо кут регулювання в СФК задавати вручну i не змiнювати в процесi навантаження, то тиристорний трансформатор буде працювати на природних зовнiшнiх характеристиках, наведених на рис.6.9. При цьому нахил характеристик буде залежати вiд величини Х_Т. Коло пiдживлення має високу напругу неробочого ходу та крутоспадну нерегульовану зовнiшню характеристику-1.

У реальних трансформаторах, призначених для конкретних видiв зварювання, вдаються до формування зовнiшнiх характеристик з потрібною крутизною. У випадку роботи тиристорного трансформатора у складi зварювального автомата з незалежною вiд дугової напруги швидкiстю подачi електродного дроту ТТ повинен мати жорстку або положистоспадну зовнiшню характеристику. Для цього застосовують ТТ зi зворотним від’ємним зв’язком за напругою. Для формування

63

спадних ВАХ використовуються ТТ зі зворотним від’ємним зв’язком за струмом. Таким чином, для отримання заданих характеристик, а також для стабiлiзацiї режиму зварювання в тиристорному трансформаторi застосовують замкнутi системи автоматичного регулювання. Функцiональну схему ТТ зі зворотним зв’язком за струмом як об’єкту автоматичного регулювання подано на рис.6.10.

Рис. 6.9. Зовнішні природні характеристики тиристорного трансформатора

Рис. 6.10. Функціональна схема тиристорного трансформатора із зворотним

зв’язком за струмом

64

Датчик струму формує сигнал, пропорцiйний зварювальному струму U_ДС=kI₂, який порiвнюється в блоці порівняння БП з сигналом, пропорцiйним заданому значенню струму U_ЗС=kI_ЗС. Рiзниця двох сигналiв U_ДС-U_ЗС = k(I₂-I_ЗС) подається до блоку БФК i, змiнюючи кут керування «a» тиристорiв вихiдного пристрою, дiє на величину вторинної напруги U₂ трансформатора Т. Таким чином, при збiльшеннi зварювального струму I₂ кут «a» зростає, що призводить до зменшення U₂.

I₂ ­fi U _ДС ­fi (U _ДС - U _ЗС ) ­fi ''a '' ­fi U_{2 Ø .}

На рис.6.11 показано, як з природних положистоспадних характеристик трансформатора формується штучна крутоспадна зовнiшня характеристика. У режимi неробочого ходу струм I₂=0, i тому зворотний зв’язок не дiє, тобто кут вiдкриття тиристора «a» дорiвнює 0, а величина U₂ максимальна (точка 1). У режимi навантаження зі зростанням I₂ кут «a» збiльшується, а U₂ знижується. В такому разi режим роботи трансформатора вiдображується робочими точками 2,3,4 в залежностi вiд величини кута керування «a». При введеннi зворотних зв’язкiв за напругою дуги або мережi отримують стабiлiзованi (незалежнi вiд коливання напруги мережi) жорсткi зовнiшнi характеристики.

Рис. 6.11. Зовнішня характеристика тиристорного трансформатора із зворотним

зв’язком за струмом

6.3 Конструкцiя тиристорних трансформаторiв. Трансформатори типу

ТДФЖ

Трансформатори типу ТДФЖ-1002У3 i ТДФЖ-2002У3 призначенi для автоматичного зварювання пiд флюсом. Вони мають тиристорне регулювання i забезпечують iмпульсну стабiлiзацiю процесу зварювання. Магнiтопровiд силового

65

трансформатора-4 стрижневого типу, набiрний i виготовлений зi сталi марки 3414, товщина листiв 0,35 мм (рис.6.12).

Обмотки виконанi шиною, намотаною на ребро, i встановленнi на стрижнях на заданiй вiдстанi один вiд одного. Тому природнi характеристики трансформатора - спадні. Первинна-1 i вторинна-2 обмотки складаються кожна з двох котушок, роздiлених на двi послiдовно з’єднанi секцiї. Мiж секцiями котушок вторинної обмотки встановленi обмотки iмпульсної стабiлiзацiї. У вiкнi трансформатора розмiщеннi двi котушки реакторної обмотки-3, якi дозволяють проводити ступінчасте регулювання струму.

Рис. 6.12. Конструкція магнітопровода і розміщення котушок трансформатора

ТДФЖ-1002 У3

Трансформатор ТДФЖ-1002 має два дiапазони зварювального струму, причому для роботи на ступенях малих струмiв котушки реакторної обмотки включенi послiдовно i узгоджено по вiдношенню до первинної обмотки. У трансформаторi ТДФЖ-2002 котушки реакторної обмотки увімкнені послiдовно для зварювання в дiапазонi малих струмiв i паралельно - в дiапазонi середнiх струмiв. При зварюваннi на ступенях великих струмiв реакторнi обмотки вимикаються. Регулювання зварювальної напруги i формування штучної положистоспадної характеристики виконується за допомогою пари зустрiчно-паралельно з’єднаних силових тиристорiв. Спрощену принципову схему трансформатора ТДФЖ-1002У3 подано на рис.6.13.

66

Рис. 6.13. Спрощена принципова електрична схема трансформатора

ТДФЖ-1002 У3

Регулятором напруги на первиннiй обмотцi силового трансформатора Т1 слугують тиристори VS1 i VS2. При зварюваннi в дiапазонi великих струмiв обмотки 7, 8 реакторної котушки вимикаються. Iмпульси керування надходять на тиристори з блоку фазозсувного керування БФК, на вхiд якого подано рiзницю сигналiв завдання робочої (опорної) напруги i зворотного зв’язку. Коло завдання робочої напруги живиться вiд обмотки Т2.3 допомiжного трансформатора Т2. Пiсля випрямлення мостом VD1 i згладжування конденсатором C4 напруга подається на стабiлiтрон VD 2. Для стабiлiзацiї робочої напруги трансформатора використовується подiлювач з резисторiв R5 i R6. На потенцiометр завдання робочої напруги R7 подається різниця стабiлiзованої напруги - на стабiлiтронi VD2 i не стабiлiзованої - на резисторi R5. Таким чином, у випадку пiдвищення напруги мережi сигнал завдання на R7 зменшується, а при зниженнi напруги мережi - збiльшуєься. Напруга завдання з потенцiометру R7 порiвнюється з сигналом зворотного зв’язку за робочою напругою. Коло зворотного зв’язку складається з випрямного блоку VD3, резисторiв подiлювача напруги зворотного зв’язку R10,

67

R11 i згладжувального конденсатора С6. У повнiстю сформованному виглядi напруга зворотного зв’язку видiляється на R11. Резистори R8 i R9 слугують для встановлення мiнiмального i максимального значень робочої напруги трансформатора. Рiзниця мiж напругою завдання i зворотного зв’язку через R-C фiльтр (R12, C 5) подається на вхiд БФК . Зменшення напруги на виходi трансформатора в результатi дiї будь-яких збурень (наприклад зменшення вильоту електрода) призводить до зниження сигналу зворотного зв’язку. Оскільки напруга завдання залишається постiйною, то зростає рiзницевий сигнал на входi БФК. Заряд часозадаючого конденсатора фазозсувного пристрою прискорюється, зменшується час вiд початку пiвперiоду напруги мережi живлення до моменту розряду конденсатора i надходження iмпульсiв керування на силовi тиристори. Усе це приводить до пiдвищення напруги трансформатора до попереднього значення. Захист силових тиристорiв вiд комутацiйних перенапруг здiйснюється за допомогою кола R1-C1, захист керуючих переходiв тиристорiв вiд випадкових сигналiв вiдбувається за допомогою R2, R3 i C2, C3. Iмпульсна стабiлiзацiя процесу зварювання здiйснюється за рахунок конденсатора С7 i слабкострумних обмоток 5, 6 трансформатора. При вмиканні вимикача К1 напруга мережi надходить на блок БФК, вузол завдання робочої напруги (обмотка Т2.3) i на вихiдний пристрій БФК (обмотки Т2.4 i Т2.5). На вториннiй обмотцi 3, 4 встановлюється напруга неробочого ходу, вiдповiдна установцi потенцiометра R7. У випадку пробою силових тиристорiв при вiдсутностi навантаження на зварювальних клемах з’являється повна напруга неробочого ходу. Тому для створення умов безпечної роботи оператора передбачено автоматичний захист у виглядi автоматичного вимикача QF. Виводи незалежного розщеплювача QS вимикача QF через нормально-замкнутий контакт магнiтного пускача К2 пiдключенi на вихiднi затискачі трансформатора. Це забезпечує миттєве вiдмикання вимикача - розщеплювача вiд мережi у випадку появи високої напруги неробочого ходу при налагоджувальних роботах.

68

ЛЕКЦІЯ 7

7.1. Трансформатори з ярмовим розсiянням

Трансформатори такого типу використовуються переважно як малогабаритнi i призначенi в основному для ручного дугового зварювання на будiвельномонтажних роботах. Осердя магнiтопроводу стрижневого типу, на рiзних стрижнях якого розташовані первинна-1 i вторинна-2 обмотки. Частина потоків розсiяння Ф_1Р i Ф_2Р замикаються по повiтрю у вiкнi магнітопровода, а також по повiтрю мiж верхнiм i нижнiм ярмом у виглядi потокiв Ф_1ЯР i Ф_2ЯР (рис.7.1).

Рис.7.1. Електромагнітна схема трансформатора з ярмовим розсіяння

У конструкцiю трансформатора введено додаткову обмотку-3 з числом виткiв W_Д, яка охоплювє обидва стрижні. Вмикаючи її узгоджено або зустрiчно з вторинною обмоткою, можна змiнювати iндуктивний опiр, розширюючи межi регулювання зварювального струму. Плавне регулювання струму здiйснюється зварювальним кабелем-4, який намотується в той чи iнший бік навколо корпусу трансформатора.

У режимi неробочого ходу потоки розсiяння малi, тому ЕРС наводиться тiльки в первиннiй i вториннiй обмотках, тобто U₂₀=E₂. У режимi навантаження ярмовi потоки розсiяння наводять у додатковiй обмотцi ЕРС Е_ДОД, а в кабельнiй обмотцi

ЕКАБ69

Аналогiчно ж буде додаватися або вiднiматися ЕРС зварювального кабеля.

& U  & E -& E  E &

 & E (7.1)

2 2 2Р ДОД КАБ

З виразу (7.1) знайдемо рiвняння вольт-амперної характеристики:

& U

2

 & U  & U -& I ( X

Д 20 2

 X  X )

T ДОД КАБ

Спадна зовнiшня характеристика створюється за рахунок пiдвищеного магнiтного розсiяння, викликаного розмiщенням первинних i вторинних обмоток на рiзних стрижнях. Нахил ВАХ залежить вiд узгодженого або зустрiчного включення додаткової обмотки i напрямку навивки зварювального кабеля навколо корпусу.

Пристрої живлення зварювальної дуги «Разряд-160», «Разряд-250», ТДК- 315У3 складаються з трансформатора з ярмовим розсiянням та iмпульсного стабiлiзатора горiння дуги (IСГД) змiнного струму з частотою накладання iмпульсiв 100 Гц.

Конструкцiю i роботу трансформатора типу «Разряд-160» подано на рис.7.2. Зварювальний трансформатор призначений для ручного дугового зварювання на змiнному струмi електродами рiзних марок як для змiнного, так i для постiйного струму (типу УОНИ 13/45 i ОЗЛ-8), а також неплавким електродом для зварювання алюмiнiю i його сплавiв у середовищi аргону.

Первинна обмотка - I i вторинна - II трансформатора розташованi на рiзних стрижнях осердя магнiтопроводу. Додатковi обмотки V, VI, VII намотанi поверх первинної i вторинної обмоток i включенi через перемикач - S спочатку зустрiчно, а потiм згiдно первиннiй обмотцi, що дає можливiсть одержати сiм дiапазонiв зварювального струму. Обмотка III намотуєтся поверх первинної обмотки, обмотка IV - поверх вторинної, а обмотка VIII - поверх первинної i вторинної. Плавне регулювання струму мiж ступенями перемикання проводиться навивкою в той чи iнший бік вiд одного до п’яти виткiв зварювального кабеля, який iде до електродотримача. Стабiлiзатор IСГД монтується на основi, яка встановлюється на 2-х рамах корпусу пiд трансформатором, i складається зі схеми формування iмпульсiв керування тиристорами i силової частини, яка формує стабiлiзуючi iмпульси на дуговий промiжок. Трансформатор повинен видавати стабiлiзуючi iмпульси в той момент, коли напруга при навантаженнi досягає 60-80% вiд ампдiтудного значення на неробочому ходi i в момент переходу струму через нуль при зварюваннi.

70

Схема формування iмпульсiв керування тиристорами складається з двох однакових функцiональних груп, зiбраних на транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4. Навантаженням для них слугує iмпульсний трансформатор Т1, у якого:

-I-колекторна обмотка,

-II-обмотка керування тиристором VS6, -III-обмотка керування тиристором VS5.

Рис. 7.2. Електрична принципова схема трансформатора «Разряд-160»

Бази транзисторiв VT1, VT2 пiдключаються через резистори R1-R4 до дугового промiжку i до датчику струму ТА. Конденсатори С1, С2 охороняють вхiд схеми вiд перешкод, якi можуть викликати помилкове спрацьовування стабiлiзатора. Транзистори VT1-VT4, резистори R5-R11 i конденсатори С3, С4 утворюють напiвпровiдникове реле, яке має два усталених стани: VT1, VТ3 вiдкритi, а VT2, VT4 закритi та навпаки. Процес перемикання з одного стану в інший вiдбувається дуже швидко завдяки дiї додатнього зворотного зв’язку, що здiйснюється через резистор R11. При додатнiй напiвхвилi на електродi вiдкриваються транзистори

71

VT1, VT3, (VT2, VT4 закриваються) i первинна обмотка трансформатора Т1 через конденсатор С5 пiдключається до плюса джерела живлення. При вiд’ємнiй пiвхвилi вiдкриваються VT2 i VT4 (VT1, VT3 закриваються), первинна обмотка через С5 пiдключається до мiнуса джерела живлення . Таким чином, при кожнiй змiнi полярностi на електродi вiдбувається iмпульсне перемагнiчування первинної обмотки трансформатора Т1, викликаючи появу iмпульсiв струму в обмотках II i III, що керують тиристорами VS5 i VS6. Резистори R2, R4 i конденсатор С2 пiдiбранi так, що перемикання напiвпровiдникового реле i стабiлiзуючi iмпульси з’являються в той момент, коли напруга на електродi сягає 60-80% вiд амплiтудного значення неробочого ходу зварювального трансформатора. Датчик струму ТА, який являє собою диференцiйний трансформатор, видає керуючi iмпульси в момент переходу зварювального струму через нуль, викликаючи тим самим спрацьовування напiвпровiдникового реле i появу стабiлiзуючих iмпульсiв.

Схема формування iмпульсiв керування живиться вiд додаткової обмотки VIII трансформатора Т2, яка охоплює обидва стрижня магнiтопроводу i знаходиться на шляху потоку розсiяння. При неробочому ходi потiк розсiяння малий, i напруга на обмотцi не перевищує 3-4 В. При зварюваннi потiк розсiяння рiзко збiльшується, напруга на обмотцi VIII досягає 24-30 В. Ця напруга випрямляється дiодами VD9, VD10 i згладжується конденсаторами С9, С10.

Вимикання стабiлiзатора вiдбувається через 0,8-0,1 с пiсля закiнчення процесу, оскільки стабiлiзатор живиться за рахунок енергiї, накопиченої конденсаторами С9, С10. Силова частина схеми IСГД складається з конденсаторiв С7, С8, С11, резисторiв R19, тиристорiв VS6 i VS5 i обмоток III i IV трансформатора Т2. Обмотка IV служить для обмеження швидкостi наростання струму через тиристори. Конденсатори С12, С13 є фiльтрами вiд радiоперешкод.

72

ЛЕКЦІЯ 8

8.1. Джерела живлення для електрошлакового зварювання. Основнi

відомості про шлакову ванну

Електрошлаковим зварюванням (ЕШЗ) називається спосiб зварювання плавленням, який оснований на видiленнi тепла при проходженнi електричного струму через розплавлений шлак.

У зоні, яка утворена кромками зварювального металу-1 i формуючими пристосувуваннями-2, створюється ванна розплавленого металу-3 і шлаку-5, в який занурюється металевий електрод-4 (рис.8.1).

Електричний струм, що протiкає мiж електродом та основним металом, розiгрiває розплав i пiдтримує в ньому високу температуру та електропровiднiсть. Температура шлакової ванни перевищує температуру плавлення основного i електродного металів. Шлак розплавляє занурений в нього електрод та кромки основного металу. На вiдстанi мiж електродом i металевою ванною струм І_Ш залежить вiд напруги електрошлакового процесу U_Ш, яка частково спадає ще i на вильотi електрода l_В.

Повна теплова потужнiсть шлакової ванни Р_Ш=U_Ш I_Ш,

де U_Ш - падiння напруги на вильотi електрода i шлакової ванни, В. I_Ш - зварювальний струм, А.

Рис. 8.1. Схема електрошлакового процесу

73

Головним чинником при ЕШЗ є залежнiсть електропровiдностi шлакiв вiд температури. Провiднiсть реальних розплавлених шлакiв значно пiдвищується зі зростанням температури. Холоднi шлаки неелектропровiднi. Розплавлений шлак складається з позитивних та негативних iонiв та має iонну провiднiсть. Позитивними є металевi iони, негативними - великi кремнiєвокислi, алюмокислi iони, кисень та фтор, якi входять до складу шлаку. Частка струму позитивних iонiв вища нiж негативних. Шлакову ванну можна розлядати як нелiнiйний активний опiр R_Ш. Статична вольт-амперна характеристика електрошлакового процесу U_Ш=f(I_Ш) при постiйнiй величинi вiдстанi мiж електродом i металевою ванною l_Ш носить спадний характер (рис.8.2), оскільки зі зростанням I_Ш температура Т_Ш i питома провiднiсть шлаку збiльшуються, а напруга U_Ш спадає.

Рис. 8.2. Статичні вольтамперні характеристики електрошлакового процесу

В реальних умовах ЕШЗ величина l не постiйна i, тому статична характеристика

Ш

не має суттєвої цiнностi. Реальний зв’язок струму i напруги вiдображається вольт-

амперною характеристикою стійкої роботи, яка отримується при постiйнiй швидкостi

подачi електродного дроту V (рис. 8.2). У цьому випадку з пiдвищенням напруги

П

джерела, а вiдповiдно i U , зростає теплова потужнiсть ванни i її температура Т

Ш Ш

При цьому електрод розплавляється швидше i занурюється в ванну на меншу глибину,

що призводить до збiльшення вiдстанi l i відповідно опору шлакової ванни R

Ш Ш

Тому збiльшення напруги джерела майже не супроводжується зростанням струму, i

вольт-амперна характеристика стiйкої роботи U =f(I ) при постiйнiй швидкостi

Ш Ш

подачi електродного дроту майже вертикальна. При збiльшеннi швидкостi подачi V

П

74

струм I зростає i набуває постiйного значення.

Ш

При значних збуреннях за температурою ЕШЗ може перерватись через

виникнення дугового розряду, що призведе до зриву електрошлакового процесу. Тому ЕШЗ слiд вести на змiнному струмi, порiвняно низькiй напрузi джерела, при глибокiй шлаковiй ваннi із використанням шлаків з низькими стабiлiзуючими властивостями. У той же час джерело повинне забезпечувати стiйкий дуговий розряд на початку зварювання при створенні шлакової ванни.

Зовнiшнi характеристики трансформатора для ЕШЗ наведено на рис.8.3, де точки їх перетину з характеристиками стiйкої роботи визначають режими зварювання.

Рис. 8.3. Зовнішні характеристики трансформатора для ЕШЗ

Величина зварювального струму I налагоджується швидкiстю подачi

Ш

електродного дроту, а напругу електрошлакового процесу U регулюють змiною

Ш

напруги неробочого ходу U трансформатора. Висока стабiльнiсть струму I

20 Ш

створюється за рахунок постiйної швидкостi подачi електродного дроту. Через

коливання напруги мережi стабiльнiсть напруги U незначна. Тому стабiлiзацiю

Ш

зовнiшнiх характеристик джерела здiйснюють за рахунок зворотних зв’язкiв за

напругою. Однак, на практицi в процесi зварювання проводять ручне коригування напруги, для чого застосовують джерела живлення з плавним або дрiбноступiнчастим регулюванням режимiв.

75

8.2. Конструкцiї трансформаторiв для електрошлакового зварювання

Процес ЕШЗ ведеться в основному на змiнному струмi, де в якостi джерел живлення використовуються трифазнi або однофазнi трансформатори. Широко застосовуються трансформатори з нормальним магнiтним розсiянням із секцiонованими обмотками. Такий однофазний трансформатор (рис.8.4 а) має

практично жорстку зовнiшню характеристику з нахилом r не бiльше 0,01 В/А.

ДЖ

Рис. 8.4. Спрощені електричні схеми силової частини трансформаторів з витковим регулюванням (а), магнітною комутацією (б), тиристорним

регулюванням

В одному корпусі з трансформатором змонтованi контактори К1-К4, якi призначено для перемикання ступенiв обмоток при зварюваннi, чим забезпечується дрiбноступiнчасте регулювання напруги в iнтервалi 2-3В. Грубе регулювання напруги здiйснюється перестановкою перемички перед зварюванням у колi вторинної обмотки.

В трансформаторі зi складною магнiтною комутацiєю (рис.8.4 б) плавне регулювання напруги здiйснюється за рахунок змiни постiйного струму в обмотках керування ОК1 i ОК2 пiдмагнiчувальних ярем, - ступiнчасте регулювання - за рахунок секцiонування основної вторинної обмотки.

76

Трансформатор з тиристорним комутатором (рис.8.4 в) забезпечує плавне регулювання напруги за рахунок змiни кута вiдкриття силових тиристорiв VS1, VS2. На вiдмiну вiд трансформатора для дугового зварювання тут немає необхiдностi застосовувати коло пiдживлення або пристрій iмпульсної стабiлiзації, оскільки процес ЕШЗ проходить стiйко при будь яких кутах керування тиристорами. Наведенi типи трансформаторiв можуть виготовлятись i в трифазному варiантi.

Трифазний трансформатор типу ТШС -1000-3 застосовується для електрошлакового зварювання одним, двома або трьома електродами на струмах до 1000 А у кожному з них. Пiсля вiдповiдного перемикання вiн може працювати як однофазний на струмi до 2000А. Спрощена електрична схема ТШС-1000-3 наведена на рис.8.5.

Рис. 8.5. Принципова електрична схема трансформатора ТШС-1000-3

77

Нульову точку вторинної обмотки з’єднано з виробом. Первиннi обмотки кожної фази мають по шiсть вiдпайок, вториннi обмотки - по три вiдпайки, чим забезпечується змiна напруги вiд 38 до 62 В з iнтервалом 2-3 В. Ступiнчасте регулювання виконується пiдключенням зварювальних кабелів до одного з трьох виводiв у кожнiй фазi вторинної обмотки. Пiдключення кабелів необхiдно проводити перед зварюванням. Дрiбноступiнчасте регулювання напруги здiйснюється як пiд навантаженням, так i в режимi неробочого ходу симетричною змiною числа виткiв первинної обмотки за допомогою шести трифазних контакторiв К1-К6, які в схемі не наведені. При використаннi трансформатора на струмах до 2000 А контактний перемикач ХВ1 встановлють у положення 2, тобто первиннi обмотки фаз А i С з’єднують на паралельну роботу.

Одночасно за допомогою перемикачiв ХВ2 i ХВ3 з’єднують на паралельну роботу вториннi обмотки, а перемикач ХВ4 знiмають. Подiбну структуру має i трансформатор ТШС-3000-3. Однофазнi трансформатори типу ТШС-1000-1 i ТШС- 3000-1 також мають виткове регулювання. Трансформатори зi складною магнiтною комутацiєю типу ТРМК-1000-1 i ТРМК-3000-1 забезпечують плавне регулювання напруги.

78

ЛЕКЦІЯ 9

9.1. Зварювальнi випрямлячi. Загальнi вiдомостi. Пристрої, елементи

конструкцiї i класифiкацiя

Зварювальнi випрямлячi є найбiльш поширеними джерелами живлення постiйного струму, що мають значнi переваги перед електромашинними перетворювачами. Вони мають бiльш високі зварювальні властивості за рахунок пiдвищеної стабiльностi горiння дуги i зменшення розбризкувань електродного металу, високий ККД i менші втрати неробочого ходу, які особливо важливо для джерел, що працюють з пониженими характеристиками ТН% або ТУ%. Випрямлячi мають широкi межi регулювання струму i напруги, можливiсть автоматизацiї та програмування зварювального процесу, характеризуються меншими масо- габаритними показниками i вiдсутнiстю масивних частин, що обертаються, високими санiтарно-гiгiєнiчними властивостями через низький рiвень шуму та вiбрацiї, малою швидкiстю повiтряних потокiв у зонi вентиляцiйних ґрат.

До недолiкiв слiд вiднести чутливiсть до перевантажень за струмом та температурою нагрiву.

У теперiшнiй час випускаються випрямлячi однопостової та багатопостової системи.

Однопостовi випрямлячi поділяються на такi групи:

- зі спадними зовнiшнiми характеристиками для ручного дугового зварювання штучними електродами i механiзованого зварювання пiд флюсом; - з жорсткими (положистоспадними) характеристиками для механiзованого зварювання плавким електродом у захисних газах;

- з унiверсальними зовнiшними характеристиками (крутоспадними та жорсткими) для усiх видiв зварювання.

Багатопостовi випрямлячi подiляються на групи:

- зі спадними зовнiшними характеристиками зварювального посту для ручного дугового зварювання плавким електродом;

- з жорсткими зовнiшнiми характеристиками зварювального посту для механiзованого зварювання плавким електродом у вуглекислому газi; - з унiверсальними (крутоспадними i жорсткими) характеристиками. За конструкцiєю силової частини зварювальнi випрямлячi можна подiлити на такі групи:

79

- випрямлячi, якi регулюються трансформатором (рис. 9.1 а).

Вони складаються із силового понижуючого трифазного трансформатора Т, випрямного блоку VD на некерованих вентилях i згладжувального дроселя L. Трансформатор використовується для формування зовнiшньої характеристики i регулювання режиму, дросель L - для згладжування пульсацiй випрямленого струму та зменшення розбризкування електродного металлу.

Рис. 9.1. Функціональні схеми зварювальних випрямлячів

- випрямлячi, якi регулюються дроселями насичення (рис.9.1 б ).

Дросель насичення L1 служить для формування зовнiшньої характеристики i регулювання режиму зварювання. Дросель L2 - для згладжування пульсацiй випрямленного струму і зменшення розбризкування електродного металлу.

- тиристорнi випрямлячi (рис.9.1 в ).

Тиристорний випрямний блок VS забезпечує регулювання режиму та формування зовнiшних характеристик. Регулювання струму та напруги здiйснюється за рахунок фазового керування моментом вiдкриття тиристорiв, а формування ВАХ - за рахунок зворотних зв’язкiв за струмом або напругою.

- iнверторнi випрямлячi (рис.9.1 г).

Iнвертор UZ перетворює постiйну напругу, яка створюється випрямним блоком VD1 шляхом випрямлення напруги мережi, у високочастотну змiнну напругу, яка потiм знижується силовим трансформатором Т i випрямляється блоком VD2. Випрямленна напруга через згладжуючий дросель L подається на дугу. Впливаючи на параметри iнвертора, можна регулювати режим зварювання i формувати зовнiшнi характеристики джерела.

80

Для комплектування апаратiв, що працюють за принципом саморегулювання дуги при механiзованому зварюваннi у вуглекислому газi та пiд флюсом застосовуються випрямлячi з жорсткими або пологонаростальними ВАХ. Регулювання напруги в такому випадку забезпечується регуляторами, якi виконують функцiї секцiонування обмоток трансформатора, магнiтного керування у випрямлячах зi складною магнiтною комутацiєю або струму керування в дроселях насичення. Застосовується також i фазове керування у випрямлячах тиристорного типу i частотне - в iнверторних випрямлячах.

Для ручного дугового зварювання з автоматичним регулюванням напруги призначенi випрямлячi з крутоспадними зовнiшнiми характеристиками, у яких ВАХ формуються за рахунок збiльшеного iндуктивного опору трансформатора або зворотного зв’язку за струмом (у випрямлячах тиристорного або iнверторного типу).

У зварювальних випрямлячах поряд з такими основними елементами як силовий трансформатор i випрямний блок є також система охолодження та пускорегулювальна апаратура. Силовий трифазний трансформатор призначений для отримання вихiдної зварювальної напруги. Випрямний блок здiйснює перетворення змiнного струму в постiйний i складається з керованих або некерованих кремнiйових (рiдше селенових) вентилiв.

Система охолодження здiйснює тепловiдвiд вiд елементiв випрямляча, пiдтримуючи їх робочу температуру. Частiше в якостi носiя використовується потiк повiтря, який створюється вентилятором (примусова вентиляцiя). У малопотужних установках можуть використовуватись i конвективнi потоки. Передача тепла вiд частин, якi нагрiваються, потоком повiтря вiдбувається обдувом або через спецiальнi деталi з розвиненою поверхнею радiатора. Потужнi установки можуть мати систему примусового водяного охолодження . Надiйнiсть її роботи забезпечується пускорегулювальними i захисними пристроями, датчиками наявностi потоку теплоносiя (парус, або реле тиску води), аварiйним реле, що вимикає випрямляч вiд мережi у випадку вiдмови системи охолодження. Пускорегулювальна i захисна апаратура забезпечує нормальне вмикання випрямляча на неробочий хiд i вимикання його вiд мережi. Захиснi пристрої вимикають випрямляч у випадку перевантаження, виходу iз ладу основних вузлiв установки.Вмикання i вимикання здiйснюється магнiтними контакторами або схемами захисту, якi вміщують вiдповiднi датчики i реле. Схеми захисту можуть мати також релейнi, магнiтнi або електроннi пiдсилювачi.

81

9.2. Схеми випрямлення

При розробцi зварювальних випрямлячiв особлива увага придiляється вибору рацiональної схеми випрямлення. При цьому враховуються такi фактори, як тип i параметри вентилiв, вимоги до розрахункової потужностi та конструкцiї трансформатора, тип зовнiшнiх характеристик джерела живлення. Бiльшiсть зварювальних випрямлячiв випускають з живленням вiд трифазної мережi змiнного струму. Перевагою їх у порiвняннi з випрямлячами, якi живляться вiд однофазної мережi, є рiвномiрне завантаження мережi, бiльш згладжена форма кривих струму i напруги, бiльш рацiональне використання вентилiв.

Розглянемо роботу широкозастосовуваних у зварювальнiй технiцi схем випрямлення на активне навантаження. Загальне правило аналiзу схем одне: в будьякий момент струм пропускає той вентиль, до аноду якого прикладений максимальний позитивний потенцiал, або до катоду якого - максимальний негативний потенцiал.

Однофазна мостова схема випрямлення складається з трансформатора i вентилiв VD1, VD2, VD3, VD4 (рис.9.2а).

Змiнна напруга пiдводиться до однiєї дiагоналi мосту, а навантаження пiдключається до другої - мiж точкою з’єднання катодiв двох вентилiв, якi утворюють катодну групу (VD1, VD3), i точкою з’єднання анодiв двох вентилiв, якi утворюють анодну групу (VD2, VD4).

Вентилi, якi пропускають струм попарно (VD1-VD2 i VD3-VD4), з’єднанi мiж собою i з навантаженням послiдовно. До кожної пари входить один вентиль з катодної групи i один з анодної. Пропускає струм та пара, у якої в данний момент часу анод вентиля катодної групи має бiльш високий потенцiал, а катод вентиля анодної групи - бiльш низький, тобто в пiвперiодi при позитивнiй полярностi клеми А вторинної обмотки трансформатора струм пропускають дiоди VD1 i VD2, у другому пiвперiодi - VD3 i VD4. Випрямлений струм i_Д проходить пiд час обох пiвперiодiв i має постiйний напрямок. Випрямлена крива має пульсуючу форму iз змiною параметрiв за напругою i струмом вiд 0 до максимуму, що негативно впливає на стiйкiсть процесу зварювання (рис.9.2 в, г).

Трифазна мостова схема складається з трифазного трансформатора i шести вентилiв, де VD1, VD3, VD5 мають загальнi катоди і утворюють катодну групу, а VD2, VD4, VD6 - анодну групу. Роботу схеми проілюстровано на рис.9.3, де показано кривi фазних напруг u_а, u_b, u_c вторинних обмоток трансформатора (вiсь

1), випрямленої напруги u_D (вiсь 2), анодних струмiв i₁-i₆ (осi 3, 5) i фазного струму

82

i_2а вторинних обмоток трансформатора (осi 4, 6). Кривi на осях 3, 4 вiдповiдають активному характеру навантаження (Х_d=0), кривi на осях 5, 6 - iндуктивному навантаженню (Х_d=Ґ).

Рис. 9.2. Однофазна двопівперіодна схема випрямлення і лінійні діаграми напруг

і струмів

83

У будь-який момент часу з катодної групи пропускає струм вентиль, до аноду якого прикладена бiльша позитивна напруга. Так, у промiжку Q-Q₂ з катодної групи пропускає струм вентиль VD1. Оскільки аноди вентилiв анодної групи мають однаковий потенцiал, у будь-який момент часу пропускає струм вентиль, до катоду якого прикладена бiльш негативна напруга. Так, у промiжку Q_-Q_ з анодної групи пропускає струм VD2. У будь-який момент часу вiдкритi два вентилi - один з катодної, другий з анодної групи. Тривалiсть проходження струму через кожний вентиль 120 електричних градусів.

Рис. 9.3. Трифазна мостова схема і лінійні діаграми напруг і струмів

У промiжку Q-Q_ до навантаження пiдводиться позитивна напруга U_а i негативна U_в через вiдкритi вентилi VD1 i VD6, тому випрямлена напруга u_d=u_a-u_в. У промiжку Q_-Q_ u_d=u_a-u_c.

Аналогiчну картину маємо для iнших промiжкiв часу. Амплiтуда випрямленої напруги

84

U _dm  6 × E2

де Е₂ - дiюча фазна напруга вторинної обмотки трансформатора.

Число пульсацiй випрямленої напруги за перiод m=6, тому крива випрямленої напруги мiстить крiм постiйної складової U_d, вищi гармонiки кратнi шести.

u_d  U_d  _Âu_d × k; _{; k=6,12,18...}

k

Шестифазна схема зі зрiвняльним реактором складається з трифазного трансформатора, зрiвняльного дроселя L i шести вентилiв (рис.9.4). Трансформатор має двi групи вторинних обмоток (а^{. Цi ЕРС будуть складатися при узгодженому увімкненні обмоток із вторинною обмоткою трансформатора або вiднiматись при зустрiчному їх включеннi.}

^’, в^’, с^’ i а^”, в^”, с^”), кожна з яких з’єднана в зiрку.

Нульова точка однiєї зiрки утворена кiнцями обмоток, другої зiрки - початками обмоток, у результатi чого два трифазних випрямляча з нульовою точкою зсунутi за фазою один вiдносно одного на 180 град. Фазнi напруги цих випрямлячiв (u_a`,u<sub>b</sub>`,u_c` , i, u_a``,u<sub>b</sub>``,u_c``) поданi у виглядi суцiльних i штрихових лiнiй (вiсь 1). У кожнiй групi пропускає струм той вентиль, у якого в даний момент найбiльша анодна напруга, наприклад VD1 у промiжку Q-Q_.

Зрiвняльний дросель (реактор) виконаний на замкнутому сталевому магнiтопроводi i має двi обмотки, увімкнені мiж нульовими точками обох трифазних зiрок. Вiн здiйснює паралельну роботу зiрок випрямляча i призводить до вирiвнювання миттєвих напруг трифазних груп. Випрямлений струм проходить паралельно через двi фази вторинних обмоток трансформатора, які розташованi на рiзних стрижнях осердя, i через вiдповiднi їм вентилi.

Рис. 9.4. Шестифазна схема випрямлення зі зрівняльним реактором і лінійні

діаграми напруг і струмів

85

У будь-який промiжок часу працюють два вентилі - по одному з кожної групи, почерговiсть роботи яких показана на рис. 9.4 (вiсь 2).

Випрямлена напруга в схемi дорiвнює пiвсумi напруг працюючих фаз. В промiжку Q`-Q_, коли проводять вентилi VD1 i VD2, напруга:

u _d (u¢_a  u_{¢ c} ) / 2

Крива випрямленої напруги u_d, показана лiнiєю (вiсь 1) має шiсть пульсацiй за перiод.

Шестифазна кiльцева схема випрямляча складається з трифазного трансформатора i шести вентилiв. Трансформатор має двi групи вторинних обмоток (а’, в’, с’ i а”, в”, с”), кожна з яких з’єднана в зiрку, причому нульовi точки кожної зiрки утворенi кiнцями обмоток. Вентилi замкнутi в «кiльце» (рис.9.5).

Рис. 9.5. Шестифазна кільцева схема випрямлення і лінійні діаграми напруг і

струмів

До точок з’єднання анодiв вентилiв пiд’єднанi початки обмоток однiєї групи, а до катодiв - початки обмоток другої групи. Випрямлена напруга знiмається з нульових точок двох груп вторинних обмоток.

Кривi фазних напруг u_a, u_в, u_c, випрямленої напруги u_d, анодних струмiв i₁-i₆, фазного струму вторинних i_2а i первинних i_1а обмоток трансформатора поданi, вiдповiдно, на осях 1, 2, 3, 4, 5. В будь-який промiжок часу в схемi проводить той вентиль, який має вищий потенцiал аноду i нижчий потенцiал катоду. Наприклад в

86

промiжку Q-Q_ проводить вентиль VD1, який з’єднує обмотки а’ i в”. Тривалiсть проходження струму через кожний вентиль 60 град., а по вториннiй обмотцi трансформатора 120 град. В промiжку Q-Q_ до навантаження пiдводиться випрямлена напруга u_d=u_a-u_в, тобто випрямлена напруга дорівнює лiнiйнiй напрузi працюючих обмоток. Амплiтуда випрямленої напруги

U _dm  6 × E ₂

9.3. Зварювальнi випрямлячi, якi керуються трансформатором. Випрямлячi зi ступiнчастим регулюванням випрямленої напруги

Такi випрямлячi призначенi для механiзованого зварювання у вуглекислому газi, де дуга має наростальну вольт-амперну характеристику. Для забезпечення стабiльностi процесу i стiйкої роботи енергетичної системи зовнiшня характеристика випрямляча повинна бути жорсткою або положистоспадною. Регулювання вихiдної напруги у випрямлячах зi ступiнчастою змiною напруги здiйснюється за рахунок секцiонування первинних обмоток трифазного трансформатора з нормальним магнiтним розсiянням, тобто змiною коефiцiєнту трансформацiї. Так, наприклад, при незмiннiй напрузi мережi U₁ вторинна напруга U₂ буде визначатись спiввiдношенням числа виткiв первинних i вторинних обмоток трансформатора W₂/W₁, тобто U₂=U₁ЧW₂/ W₁ .

Основними вузлами таких випрямлячiв, поряд з трансформатором, є випрямний дiодний блок, зiбраний за трифазною мостовою схемою випрямлення (рiдше за шестифазною зі зрiвняльним реактором) i згладжувальний лiнiйний дросель. Кожна з трьох первинних обмоток складається iз секцiй з виведеними вiдпайками для регулювання напруги. Змiна числа виткiв первинних обмоток здiйснюється за допомогою триполюсних перемикачiв або трифазних контакторiв. Таких перемикачiв може бути декiлька, тодi загальне число ступенiв регулювання визначається множенням числа ступенiв окремих перемикачiв n=n₁Чn₂. Iнодi застосовується секцiонування вторинної обмотки.

Конструкцiя випрямлячiв із секцiонуванням обмоток проста, надiйна i знайшла застосування в таких зварювальних випрямлячах як ВС-300, ВС-400, ВС-500, ВС- 600М.

До недолiкiв можна вiднести неможливiсть регулювання вихiдної напруги пiд навантаженням i вiдсутнiсть стабiлiзацiї її при зварюваннi в умовах коливань напруги мережi живлення. Крiм цього, змiна числа виткiв W₁ викликає збiльшення магнiтного розсiяння, що впливає на нахил зовнiшнiх характеристик.

87

Зварювальнi властивостi випрямлячiв задовольняють вимогам процесу. Напруга неробочого ходу невелика i за своїм значенням близька до робочої напруги. При низьких напругах дуги перенесення електродного металу вiдбувається з короткими замиканнями, при цьому швидкiсть зростання струму короткого замиканя dI_К/dt сягає 750 кА/c, а коефiцiєнт розбризкування електродного металу - до 20%. Зниження розбризкувань до 10% i швидкостi наростання струму досягається шляхом вмикання в коло випрямленого струму згладжувального дроселя з iндуктивнiстю 0,2...0,5 мГн, використанням схем випрямлення з бiльш низькою пульсацiєю випрямленої напруги.

Тепер серiйно випускаються тiльки випрямлячi типу ВС-300Б та ВС-400. Спрощені принципові електричні схеми подано на рис.9.6.

Рис. 9.6.Спрощені електричні схуме випрямлячів із секціонуванням обмоток із

трифазною (а) і шестифазною (б) схемами випрямлення

Два перемикачі в колi первинних обмоток створюють 32 ступеня регулювання вихiдної напруги (4 ступеня грубого настроювання i 8 - точного). Крiм того грубе регулювання може здiйснюватись ще і секцiонуванням вторинної обмотки, що дає 2 ступеня настроювання режиму за рахунок перемикання обмоток трансформатора в положення «зiрка» або «трикутник». Згладжувальний дросель

88

має 2 дiапазона змiни iндуктивностi. У схемi випрямлення, зiбранiй за трифазною мостовою схемою, може бути передбачений додатковий дiод, при вмиканнi якого пiдвищується пульсацiя напруги. Це дає можливiсть використовувати випрямляч для iмпульсно-дугового зварювання.

Зварювальний випрямляч, який керується трансформатором зi

складною магнiтною комутацiєю.

Такий випрямляч (рис.9.7 а) призначений для механiзованого зварювання у вуглекислому газi i містить трансформатор зi складною магнiтною комутацiєю (рис.9.7

б).

Рис. 3.9. Спрощена електрична схема випрямляча керуємого трансформатором з

магнітною комутацією (а) і конструкція трансформатора (б)

Магнiтопровід трансформатора має середнє СЯ i верхнє ВЯ ярма, магнiтний стан яких може змiнюватись за рахунок пiдмагнiчування їх постiйним струмом, який протiкає по обмоткам керування ОК1 i ОК2. У вiкнi трансформатора пiд середнiм ярмом розташованi котушки первинних обмоток W1 i основна нерегульована частина вторинних обмоток W_a. Регульована менша частина вторинних обмоток у виглядi обмоток W_2b розташована мiж середнiм та верхнiм ярмами i з’єднана з основними вторинними обмотками послiдовно i узгоджено. Спiввiдношення регульованих та

89

нерегульованих частин вторинних обмоток забезпечує заданий дiапазон регулювання вихiдної напруги.

При пiдмагнiчуваннi верхнього ярма магнiтним потоком обмотки ОК1 i насиченнi його магнiтний потiк трансформатора Ф_Т майже повністю замикається через середнє ярмо, пронизуючи основнi нерегульовані обмотки W_a, наводячи в них ЕРС. В обмотках W_b ЕРС не наводиться i на випрямний блок подається мiнiмальна напруга. У випадку пiдмагнiчування середнього ярма обмоткою ОК2, його магнiтний опiр

Rm ^{зростає i потік Ф}Т ^{вiдхиляється до верхнього ярма, пронизуючи обмотки W}a ⁱ WbIОК2^{. При цьому напруга трансформатора зростає, а випрямлена напруга неробочого ходу випрямляча збiльшується, тобто:}

^{­fi Ф}ОК2 ^{­fi R}mСЯ ^{­fi Ф}a^Ø^{fi Ф}b^{­fi U}2b ^{­fi U}2 ^{­fi U}20Таким чином, регулювання напруги у випрямлячi здiйснюється шляхом

почергового вмикання обмоток керування, тобто за рахунок магнiтної комутацiї потоку трансформатора.

Зовнiшнi характеристики випрямляча положистоспаднi з r_ДЖ=-0,03...-0,06 В/А. Крутизну характеристик можна змiнювати при введеннi зворотного зв’язку за струмом (ЗЗС). При введеннi зворотного зв’язку за напругою (ЗЗН) створюється стабiлiзацiя вихiдної напруги випрямляча. Так при зниженнi U₁ i, отже, випрямленої напруги U_В схема зворотного зв’язку перерозподiлить струми в обмотках керування та вiдновить випрямлену напругу.

U₁Øfi U_В Øfi I_ОК1 Øfi I_ОК2 ­fi U_2b ­fi U₂₀ ­fi U_В ­

У промисловостi застосовувався зварювальний випрямляч конструкцiї типу ВСЖ-303У3. Функцiональну схему його подано на рис.9.8.

Рис. 9.8. Функціональна схема випрямляча ВСЖ - 303

90

Зварювальнi випрямлячi з рухомими обмотками

Випрямлячi з рухомими обмотками призначенi для ручного дугового зварювання, рiзання i наплавлення. Вони можуть застосовуватись i для механiзованого зварювання пiд флюсом. До складу випрямлячiв входить трифазний зварювальний трансформатор з розвиненим магнiтним розсiянням, випрямний блок, зiбраний за трифазною мостовою схемою випрямлення на кремнiйових вентилях, пускова i захисна апаратура.

Обмотки трансформатора мають високу індуктивнiсть розсiяння за рахунок потокiв, що створюються внаслiдок рознесення первинних i вторинних обмоток на визначену вiдстань одна вiд одної. Завдяки збiльшеному магнiтному розсiянню трансформатора забезпечується створення спадної зовнiшньої характеристики випрямляча. Силовий трансформатор має три нерухомi вториннi обмотки, закрiпленi бiля верхнього ярма магнiтопроводу i три рухомi первиннi обмотки, якi встановленi в обоймi i перемiщуються вертикально вручну за допомогою ходового гвинта.

Плавне регулювання зварювального струму здійснюється за рахунок змiни iндуктивного опору трансформатора Х_Т шляхом перемiщення рухомих котушок, тобто змiни вiдстанi мiж обмотками. При зменшеннi вiдстанi мiж ними зменшуються потоки розсіяння i опiр Х_Т, вiдповiдно зварювальний струм збiльшується, i навпаки. Кратнiсть регулювання за струмом невелика i досягає порядку 3. Для пiдвищення величини I_ДМАХ/I_ДМІN доводиться застосовувати ступiнчасте регулювання струму за рахунок перемикання обмоток в положення Y/Y абоDD У протилежному випадку, довелося б значно збiльшувати хiд рухомих котушок, що призвело б до значного збiльшення масо-габаритних показникiв трансформатора. Для отримання дiапазону малих струмiв первиннi i вториннi обмотки перемикаються в положення «зiрка- зiрка», а для отримання великих струмiв - «трикутник-трикутник». При цьому рiзко змiнюється iндуктивний опiр трансформатора при незмiннiй напрузi неробочого ходу. Вторинну лiнiйну напругу трансформатора для схеми Y/Y знаходимо з рiвняння:

Y

U 2 Л  U 2 F

Для схеми DD U_2Л складе:

W 2

3  U 1 F 3  U

W 1

W 2 W 2

1Л 3  U 1Л (9.1)

3 × W 1 W 1

91

_D W₂ W ₂

U _2Л  U_2F

 U 1 F

W

 U 1Л (9.2)

1 W 1

Аналiзуючи рiвняння (9.1) i (9.2) видно, що при перемиканнi обмоток з Y/Y на DD напруга трансформатора не змiнюється, тому i напруга неробочого ходу випрямляча U ₂₀= 1, 35U _1Л×(W₂ /W₁) не змiнюється. У той же час , величина зварювального струму i загальний опiр випрямляча змiнюється. Це можна розглянути на прикладi короткого замикання вторинних обмоток трансформатора. Величину струму при з’єднаннi обмоток Y/Y знаходимо з рiвняння:

При з’єднаннi DD:

Y

I 2ЛК  I 2ФК 

D

U 2Ф

X

3 U

U 2 Л U 1Л × W 2

  (9.3)

3 X 3 X ×W 1

2Ф 3 U 2Л 3 U 1Л × W 2

I 2ЛК  3 × I 2ФК 

X

  (9.4)

X X ×W 1

Із порівняння рiвнянь (9.3) i (9.4) видно, що зварювальний струм при перемиканнi обмоток в положення DD збiльшується в тричі. Перевагою таких випрямлячiв є простота, низька вартість виготовлення, високi зварювальнi властивостi. Вони мають велику розривну довжину, добре запалювання i стiйкiсть горiння дуги. Завдяки наявностi крутоспадної характеристики струм при коливаннях дуги досить стабiльний. До недолiкiв випрямляча можна вiднести вiдсутнiсть стабiлiзацiї зварювального струму при коливаннях напруги мережi. У промисловостi широко застосовуються випрямлячi з рухомими обмотками типу ВД-201У3, ВД-301У3, ВД-306У3, ВД-401У3. Принципову спрощену електричну схему ВД-306У3 подано на рис.9.9 а.

Випрямний блок VD виконаний за трифазною мостовою схемою випрямлення i складається з 6 кремнiйових вентилiв В200 класу 3. Нормальна робота схеми повiтряної вентиляцiї контролюється повiтряним реле - “парусом” S3. Перемикання дiапазонiв зварювального струму вiдбувається перемикачем S. Випрямляч має захист, який вимикає його вiд мережi при виходi з ладу одного з вентилiв випрямного блоку або при пробої на корпус вторинної обмотки трансформатора. До складу захисту входить магнiтний пiдсилювач L, поляризоване реле К1 з контактами К1.1 та К1.2, допомiжний трансформатор T2, який живить обмотки пiдсилювача напругою 36 В. Магнiтний пiдсилювач має два осердя тороїдального

92

типу, двi робочi обмотки, які увімкнені в коло реле К1. Обмоткою керування є фазнi проводи трансформатора, пропущенi через вiкна магнітопроводу. У випадку аварiї, вiдбувається коротке замикання всерединi випрямляча, рiзко зростає зварювальний струм i в фазних проводах у вiкнi осердя силового трансформатора з’являється постiйна складова струму. Це призводить до насичення магнiтопроводу магнiтного пiдсилювача, рiзкого зниження iндуктивного опору робочих обмоток i пiдвищення в них струму. У результатi реле К1 спрацьовує i розмикає коло магнiтного пускача К2. Контакти пускача К2.1 розмикаються i знiмають живлення з трансформатора i двигуна вентилятора. Зварювальний випрямляч відмикається вiд мережi. У схемi передбачено самоблокування реле К1 за допомогою контактiв К1.1. У результатi блокування можливiсть вмикання випрямляча до повного усунення аварiї виключена. Для захисту випрямного блоку вiд комутацiйних перенапруг, якi виникають при змiнi стану вентилiв вiд закритого до проводячого, мiж виводами фаз вторинної обмотки трансформатора увімкнені захиснi розряднi R-C кола.

Зовнiшнi характеристики випрямляча наведено на рис.9.9 б.

Рис. 9.9. Принципова електрична схема випрямляча ВД - 306 У3 (а) і зовнішні

характеристики (б)

93

ЛЕКЦІЯ 10

10.1. Зварювальнi випрямлячi з дроселем насичення. Конструкцiя i

принцип дiї дроселя насичення

Дросель насичення найпростiшої конструкцiї з магнiтопроводом стрижневого або тороїдального типiв має обмотку керування - ОК, яка живиться постiйним струмом, i робочу обмотку - РО, що живиться змiнним струмом.

Робота дроселя насичення у пiвперiод, коли магнiтнi потоки Ф_К, утворенi ОК i Ф_Р, якi утворюються обмоткою РО, спiвпадають за напрямом, наведена на рис.10.1.

Рис. 10.1. Конструкція найпростішого дроселя насичення

Постiйна намагнiчувальна сила I_КW_К обмотки ОК приводить магнiтопровiд дроселя в стан, який вiдображається точкою D на ненасиченiй дiлянцi кривої намагнiчування. Пiд дiєю змiнного струму робочої обмотки утворюється змiнна намагнiчувальна сила

IД ^­

^WР^{а). При цьому зростання сумарного магнiтного потоку Ф=Ф}_К+Ф_Р спостерiгається тiльки

на ненасиченiй дiлянцi DЕ кривої намагнiчування. Змiна Ф з часом в iнтервалi вiд 0 до a₁ показана на рис.10.2 б.

Цей змiнний потiк iндуктує в обмотцi РО протиЕРС Е_Р, приблизно рiвну напрузi мережi живлення (рис.10.2 в). Тому на навантаженнi R напруга мала, а струм навантаження I_Д дуже незначний (рис.10.2 г), тобто в iнтервалi вiд 0 до a₁ обмотка РО має великий iндуктивний опiр. З моменту a₁ робоча точка перемiщується по насиченiй дiлянцi EF кривої намагнiчування i магнiтний потiк Ф вiд a_ до p практично постiйний, вiдповiдно протиЕРС в обмотцi РО не наводиться, а напруга мережi живлення U_Ж прикладена до навантаження R i по ньому проходить струм великої сили. При

94

збiльшеннi струму керування I_К дроселя насичення початкова робоча точка на кривiй намагнiчування зсунеться в положення D1 i магнiтопровiд насититься ранiше (пунктирнi лiнiї на рис.10.2 б). При цьому струм дуги I_Д буде збiльшуватись ранiше, в моментa₂, тобто середнiй за перiод струм навантаження збiльшується. Регулювання навантаження визначається величиною «a» - кутом керування, тому дросель насичення у колi змiнного струму подiбний до тиристора i його можна використовувати як для регулювання струму i напруги, так i для формування наклону вольт-амперних характеристик. Якщо в дроселi передбачено зустрiчний напрямок магнiтних потокiв обмоток ОК i РО, то вiн працює в режимi з компенсованими намагнiчувальними силами. При цьому формуються крутоспадні зовнiшнi характеристики з регулюванням їх нахилу.

Рис. 10.2. Криві намагнічування (а), магнітного потоку (б), напруги змінного струму

(в), струму навантаження (г) дроселя насичення

95

Зварювальнi випрямлячi на дроселях насичення не знайшли широкого застосування при зварюваннi через великі масо-габаритні показники i вартість дроселей. Однак ряд джерел у виглядi випрямлячiв з компенсованими намагнiчувльними силами (ВД-502 У3) iз самопiдмагнiчуванням (ВДГ-303 У3) мають застосування в зварювальнiй технiцi.

10.2. Зварювальний випрямляч із самопiдмагнiчуванням з жорсткою ВАХ

Спрощену електричну схему такого випрямляча подано на рис.10.3.

Рис. 10.3. Спрощена електрична схема випрямляча керуємого дроселем

насичення з самопідмагнічуванням

У вторинну обмотку зварювального трансформатора Т увiмкненi робочi обмотки РО1-РО6 трифазного дроселя насичення L. Дросель виконаний на шести стрiчкових розрiзних осердях, на кожному з яких розташованi обмотки РО. З’єднанi попарно осердя охопленi котушками обмоток керування ОК i змiщення ОЗМ, магнiторушiйні сили яких направленi назустрiч. У кола обмоток РО увімкнені силовi вентилi випрямного блоку VD. Така конструкцiя називається дроселем з самопiдмагнiчуванням або самонасиченням. Розглянемо магнiтнi процеси в одному з осердь дроселя, на обмотку РО якого подано максимальну напругу трансформатора (рис.10.4 а).

96

Рис. 3.18. Криві намагнічування(а) і зовнішні характеристики (б) випрямляча

керованого дроселем з самопідмагнічуванням

При роботi випрямляча в режимi неробочого ходу утворюється намагнiчувальна сила I_КW_К яка вiдповiдає точцi Д кривої намагнiчування, тобто осердя ненасичене. У режимi навантаження намагнiчувальні сили обмоток ОК i РО додаються. Намагнiчувальна сила робочої обмотки I_ДW_Р при малих струмах навантаження незначна i робоча точка вiдповiдно до сумарної намагнiчувальної сили IW =