Iк, яка за пiвперiод перемiщує робочу точку по шляху dеfеd (тонка лiнiя на рис.10.2

^WК^+IД^WР^{робочого струму змiнюється i магнiтний потiк в осердi, а в робочiй обмотцi наводиться проти ЕРС} Е_Л. Iз зростанням зварювального струму середнє значення

ЕЛ^{При зварюваннi на високих струмах осердя дроселя приходить у насичений стан праворуч від точки Е. У випадку перiодичної змiни струму робоча точка пересувається по траекторiї DEFED, при цьому положення точки F зсувається, але змiна потоку} DФ_max i величина Е_Лmax залишаються сталими. Вiповiдно, напруга випрямляча U_В=U₂₀-Е_Лmax також залишається сталою i зовнiшня характеристика джерела формується жорсткою (дiлянка E’F’ , рис . 10. 4 б ). Така ламана характеристика D ’E’F’ отримується завдяки дроселю насичення з

97

самопiдмагнiчуванням i має добре застосування при зварюваннi у вуглекислому газi, оскільки пiдвищена напруга неробочого ходу сприяє надiйному запалюванню дуги, а дiлянка жорсткої характеристики - процесу саморегулювання.

Однак процес самопiдмагнiчування має i негативну сторону, оскільки скорочується дiапазон регулювання напруги. Для отримання малих напруг необхiдно змiнювати напрямок струму, що пов’язано з деякими труднощами. Тому, для усунення цього недолiку, у випрямлячах застосовується обмотка змiщення ОЗМ, яка створює в осердi магнiтний потiк, направлений назустрiч потокам обмоток ОК i РО. Плавне регулювання напруги джерела відбувається за рахунок змiни струму

IК^{, пересуваючись по траекторiї ДЕД, залишається ліворуч від точки Е. Оскільки осердя дроселя в такому випадку не насичене, то при перiодичній змiнi}

^{рiзко збільшується i тому зовнiшня характеристика випрямляча на дiлянцi D’Е’ набуває крутоспадної форми (рис.10.4 б).}

^{в обмотцi керування. При збiльшеннi I}К^цьому DФ_max i Е_Лmax зменшується, напруга випрямляча U_В зростає, а зовнiшня

характеристика зсувається в положення _{¢ E 1, F 1 ¢} , тобто:

I_К ­fi DF_max Øfi E_{K max} Øfi U_B ­ .

Спрощену принципову електричну схему випрямляча серiї ВДГ-303 падано на рис.10.5.

Рис. 10.5. Спрощена електрична схема випрямляча ВДГ-303 У3

Плавне регулювання напруги виконується регулятором R1 у колi обмотки ОК дроселя насичення L1-L6, ступiнчасте - шляхом перемикання первинних обмоток силового трансформатора Т, тобто за рахунок змiни коефiцiєнта

98

трансформацiї. З’єднанню фаз первинних обмоток “трикутником ” з

використанням вiдводiв вiдповiдає перша ступiнь регулювання напруги, з’єднанню “трикутником” без вiдводiв - друга ступiнь, з’єднанню “зiркою” з вiдводами - третя ступiнь (мiнiмальна напруга). Перемикання виконується трифазним пакетно-кулачковим перемикачем S. Конструкцiя трифазного дроселя насичення аналогiчна наведеній на рис.10.3. Обмотка керування ОК дроселя живиться вiд перекомпенсованого ферорезонансного стабiлiзатора напруги через випрямний блок VD1 i змiнний резистор R1. При пiдвищеннi напруги мережi вихiдна напруга стабiлiзатора зменшується i навпаки, що дозволяє здiйснити часткову компенсацiю робочої напруги при коливаннях мережi. Обмотка змiщення ОЗМ живиться вiд вторинної обмотки силового трансформатора через випрямний блок VD2 i нерегульований резистор R2. Дросель L7 броньового типу з повiтряним проміжком призначений для зниження розбризкувань електродного металу i пiдвищення стабiлiзацiї зварювального процесу, забезпечує автоматичне безступiнчасте регулювання iндуктивностi в залежностi вiд режиму зварювання. Вiн має основну робочу обмотку I, увiмкнену послiдовно в зварювальне коло, i двi допомiжнi обмотки керування II i III, увімкнені через вентилi VD4 i VD5. Загальна точка обмоток II i III увiмкнена до затискача позитивної полярностi. При зварюваннi на робочiй обмотцi дроселя видiляється змiнна складова випрямленої напруги з частотою 300 Гц, яка iндуктується в двох обмотках керування i випрямляється однофазною двопiвперiодною схемою, утвореною обмотками i дiодами. Випрямлений струм протiкає по обмотках керування i замикається через дугу, змiнюючи iндуктивнiсть дроселя. При зварюваннi в режимах малих струмiв зустрiчна напруга дуги невелика i струм, який протiкає в обмотках II i III збiльшується, а iндуктивнiсть дроселя L7 має мале значення. На великих режимах збiльшується запираюча робоча напруга дуги, струм у допомiжних обмотках зменшується, а iндуктивнiсть дроселя зростає.

Зварювальнi властивостi випрямляча досить високi. Напруга неробочого ходу значно вища напруги навантаження, що сприяє надiйному початковому запалюванню дуги. Стiйке горiння вiдбувається в усьому дiапазонi регулювання, за виключенням найнижчої напруги. У цьому випадку, як i при фазовому регулюваннi, спостерiгається режим переривчастого струму. Для усунення такого дефекту глибину плавного регулювання знижують , доповнюючи його ступiнчастим. Зовнiшнi характеристики випрямляча ВДГ-303 У3 наведенi на рис.10.6.

99

Рис. 10.6. Зовнішні характеристики випрямляча ВДГ - 303 У3

100

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 Х_Т 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 Q₀-Q₂ працюють VS5 і VS6 і втрати напруги u_Z в інтервалі Q₀-Q₂ викликані затримкою вмикання тиристора VS1 на кут “a”. З моменту Q₂ вмикання VS1 тиристор VS5 не вимикається і продовжує працювати завдяки енергії, нагромадженій в індуктивності фази С. Тому в інтервалі “g” комутації від Q₂ до Q₃ в катодній групі одночасно працюють тиристори VS1 і VS5. На навантаження подається не u_2a, як при миттєвій комутації, а півсума потенціалів пов’язаних з ними фаз, тобто (u_2a+u_2c)/2, що приводить до додаткових втрат напруги U_x. При збільшенні зварювального струму величини “g” і U_x зростають, а випрямлена напруга U_В спадає. Природна зовнішня характеристика тиристорного випрямляча

102

при Х¹0 спадна і може бути виражена рівнянням:

U_B  U ₂₀ - U _X  1.35 ×U_1Л (W ₂ W₁) ×cos a - (3 p) × X ×I_Д

Втрата напруги U_z за рахунок затримки вмикання тиристорів на кут “a” визначається величиною cosa. 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 U_ЗС або напруги U_ЗН. 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 U_ЗС або U_ЗН з сигналами вiд датчикiв випрямленої напруги, струму або напруги мережi.

Розглянемо процес формування жорстких характеристик в тиристорному

103

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

U_В ­fi (U_ЗН-U_В)Øfia­fi U_ВØ

На рис .11. 4 а показанi природнi пологоспаднi-1 i штучнi-2 зовнiшнi характеристики, положення яких залежить вiд значень U_ЗН. Iнодi обмежуються стабiлiзацiєю тiльки при коливаннях напруги мережi. В цьому випадку сигнал U_ЗН 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 U_ЗС порiвнюється з напругою U_С датчика, пропорцiйною зварювальному струму I_Д. При цьому iз зменшенням струму кут вiдкриття тиристорiв «a» зменшується, що призводить до зростання випрямленої напруги U_В, тобто:

IД ^{точка Д зсувається в положення D1, при}

^{Øfi U}С ^{Øfi (U}ЗС^-UС^{)­fiaØfiU}ВНа 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

У тиристорних 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.

У промисловостi 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 ВДУ- 505, 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 з використанням 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 iмпульсно- фазового 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 ВДУ-

601, 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 U_КЕР, яка подається на вхiд блоку формувача iмпульсiв керування тиристорами.

Структурну схему системи керування ВДУ- 506, ВДУ-601 наведено на рис.11.11.

110

Рис. 11.11. Структурна схема системи керування випрямлячів

ВДУ-506 У3, ВДУ-601 У3

Випрямляч ВДУ-505 вiдрiзняється вiд вказаних вище випрямлячiв наявнiстю додаткового датчика струму, приєднаного до зварювального шунта. Система керування являє собою систему автоматичного регулювання зi зворотними зв’язками за напругою ЗЗН та струмом ЗЗС, за рахунок яких вiдбувається формування зовнiшнiх характеристик. Спаднi ВАХ (С) забезпечуються зв’язком ЗЗС, жорсткi (Ж) -увімкненням зворотного зв’язку ЗЗН, який дiє спiльно із ЗЗС. Для покращення стабiлiзацiї режиму зварювання при коливаннях напруги мережi передбачено додатковий зворотний зв’язок за напругою мережі (ЗЗМ). Напруга керування створюється блоком формування напруги керування ФНК, на вхiд якого надходять напруги завдання U_ЗАВД з вузла завдання режимiв ВЗР i сигнали зворотних зв’язкiв. Блок фазового керування БФК формує iмпульси керування, якi надходять на силовий тиристорний випрямляч VS. Блок живлення БЖ забезпечує живлення системи керування, а ОЗЗН - вузол обмеження дiї зворотного зв’язку за напругою створює умови покращення запалювання дуги при зварюваннi на

111

жорстких ВАХ. Блок БФК виконаний за традицiйною шестиканальною системою фазового керування тиристорiв iмпульсами прямокутної форми. На вхiд БФК надходять шiсть зсунутих одна відносно одної на 60 град. напруг синхронiзацiї НС з трансформатора блоку живлення. Кожен канал БФК складається з формувача iмпульсiв у виглядi тригера, промiжного узгодженого пiдсилювача-формувача, транзисторного каскаду пiдсилення.

112

ЛЕКЦІЯ 12

12.1. Зварювальнi багатопостовi випрямлячi. Загальнi вiдомостi

Багатопостовi системи живлення можуть бути як постiйного, так i змiнного струму. Серiйно випускаються тiльки системи для живлення постiв постiйним струмом вiд багатопостових випрямлячiв, розрахованих на струм 1000, 1600, 5000 А i призначених для ручного дугового i механiзованого зварювання у вуглекислому газi.

У багатопостових системах постiйного струму зварювальне джерело постачає енергiєю декiлькам постам, число яких можна розрахувати iз спiввiдношення:

n 

I ном

k ×I П

, (12.1)

де - I_НОМ - номiнальний струм випрямляча, А;

- I_П - номiнальний струм зварювального поста, А; - k - коефiцiєнт не одночасної роботи постів.

При визначеннi числа постiв слiд враховувати, що не всi вони працюють одночасно в однакових режимах (неробочий хiд, навантаження, коротке замикання), i тому до формули (12.1) вводиться коефiцiєнт “k”. Для ручного i механiзованого зварювання пiд флюсом k = 0, 5. . .0,7, для зварювання у вуглекислому газi k=0,7...0,9.

Багатопостовi випрямлячi доцiльно застосовувати там, де на вiдносно невеликих виробничих площах доводиться зосереджувати велике число однопостових джерел. Застосування таких випрямлячiв створює умови для пiдвищення продуктивностi працi, бiльш рацiонального використання виробничих площ, зниження капiтальних вкладень i витрат на обслуговування джерел, покращення умов працi зварникiв. Крiм цього, вiдбувається значна економiя електроенергiї, оскільки джерело практично не працює в режимi неробочого ходу. До недолiкiв можна вiднести низький коефiцiєнт корисної дiї системи за рахунок теплових втрат у баластових реостатах, небезпеку масового простою постiв у випадку виходу iз ладу випрямляча.

Основною вимогою до багатопостових установок є незалежнiсть роботи кожного поста як в усталених, так i в перехiдних режимах. При цьому напруга неробочого ходу на кожному посту повинна бути достатньою для початкового

113

збудження дуги. Тому зовнiшня характеристика джерела живлення повинна бути жорсткою оскільки при спаднiй характеристицi коротке замикання на одному посту викличе зниження напруги джерела i згасання дуги на інших постах.

Вихiдна напруга при змiнi навантаження вiд 50 до 100 % номiнальної величини повинна змiнюватись не бiльш нiж на 4 В.

Багатопостова система має загальне джерело, шинопровiд або зварювальнi кабелi, постовi пристрої (рис.12.1). Регулювання параметрiв режиму на постах може виконуватись за допомогою баластових реостатiв або дроселiв, а також постових тиристорних випрямних пристроїв.

Рис. 12.1. Спрощені електричні схеми багатопостових випрямлячів з баластовими реостатами (а) і випрямними постовими пристроями (б)

Бiльш поширеною є система, що складається з багатопостового випрямляча постiйного струму i постових баластових реостатiв R_б, які виконують функцiї розв’язки, регулятора струму, напруги i створення спадних характеристик на посту. (рис. 12.1 а).

Рiвняння зовнiшньої характеристики на окремому посту i принцип регулювання струму можна вивести з умов роботи зварювального поста в режимi навантаження.

U_В=U₂₀=U_б+U_П=I_ДR_б+U_П, U_П=U_В-I_ДR_б. (12.2)

З рiвняння (12.2) видно, що зі зростанням струму I_Д падiння напруги I_ДR_б на баластовому опорi збiльшується, напруга U_П поста знижується, тобто:

114

I_Д ­fi I_ДR_б ­fi U_П Ø

Якщо в системi застосовується баластовий реостат з малим опором, то на посту створюються пологоспаднi зовнiшнi характеристики, необхiднi для механiзованого зварювання у вуглекислому газi. При ручному дуговому зварюваннi для створення крутоспадних характеристик застосовуються реостати з великим опором.

При навантаженнi падiння напруги на посту U_П=U_Д. Тодi, з рiвняння (3.8)

I_Д=(U_В-U_Д)/R_б.

Регулювання зварювального струму на посту здiйснюється за рахунок змiни опору баластового реостату.При зварюванні в CO₂ баластовим опором змінюють напругу на дузі.

Конструкцією випрямляча передбачено також ступінчасте регулювання напруги U_в.

Система багатопостового живлення з постовими пристроями у вигляді тиристорно-діодного випрямного блоку (рис. 3.54 б) забезпечує роздільне регулювання струму та напруги. За рахунок ЗЗН і ЗЗС можливо створювати різні за формою види зовнішніх характеристик.

12.2. Конструкцiї багатопостових зварювальних випрямлячiв

Для ручного дугового зварювання застосовуються багатопостовi зварювальнi випрямлячi типу ВДМ-1001УХЛ4 i ВДМ-1601У3.

Спрощену принципову електричну схему ВДМ-1201 подано на рис.12.2.

Випрямляч складається з трифазного знижувального трансформатора, випрямного блоку, вентилятора, пускової i захисної апаратури. Первиннi обмотки трансформатора I_а, I_b, I_c з’єднанi у зiрку, вториннi II_a, II_b, II_c i III_a, III_b, III_c - в двi зiрки з виведеними нулями. Випрямний блок VD, зiбраний за шестифазною кiльцевою схемою, складається з шести вентилiв у кожнiй фазi. Живлення випрямляча здiйснюється вiд мережi через автоматичний вимикач OF. ВДМ-1201 вмикається при вимкненому навантаженнi кнопкою S1. При цьому вмикаються пускачi К1, К2, електродвигун вентилятора М i трансформатор Т. Для виключення помилкових спрацьовувань і максимального захисту автоматичного вимикача QF у коло первинної обмотки трансформатора введеннi додатковi резистори R2 i R3. Послiдовнiсть вмикання апаратури обрана такою, що спочатку контактами пускача К1 вказанi опори вмикаються в первиннiй обмотцi, а далi шунтуються головними контактами К2.2 пускача К2. Випрямляч зупиняється натисканням

115

кнопки S2. Трансформатор захищений вiд перевантажень тепловими реле КК2, вмонтованими в магнiтний пускач К2, якi вимикають ВДМ вiд мережi при перевантаженнях. Кола керування захищенi плавкими запобiжниками FU1-FU3. Вентилi випрямного блоку мають захист вiд перенапруг у виглядi R-C кiл. Для контролю роботи передбаченi амперметр РА з шунтом RS, вольтметр PV i сигнальна лампочка HL.Отримання спадних характеристик i регулювання струму на зварювальних постах здiйснюється баластовими реостатами типу РБ, які підключаються до навантаження за допомогою рубильникiв. При рiзних комбiнацiях увiмкнених рубильникiв реостат може змiнювати опiр вiд 0,1 до 5 Ом. Випрямляч ВДМ-1601У3 має таку ж електричну схему, але його випрямний блок зiбраний з 12 вентилiв, тобто по два вентилі в кожному плечi паралельно. Джерела типу ВДМ нестабiлiзованi, однак у них передбачено можливiсть пiдвищення вихiдної напруги на 5% з метою отримання номiнальної випрямленої напруги при зниженнi напруги мережi.

Рис. 12.2. Спрощена принципова електрична схема ВДМ-1201

Для зварювання у вуглекислому газi до багатопостового випрямляча висуваються бiльш жорсткi вимоги. Оскільки при зварюваннi в СО₂, виходячи з технологiчних вимог, не допускається коливання робочої напруги бiльш, нiж на

116

1,5 В, вихiдна напруга випрямляча повинна бути стабiлiзована з точнiстю не нижче 5%, а зовнiшня характеристика повинна мати нахил не бiльш 0,002 В/А. Крiм цього, глибина регулювання напруги повинна складати порядку 2, постовий пристрій повинен обмежувати розбризкуваня електродного металу.

Для механiзованого зварювання у вуглекислому газi застосовуються випрямлячi типу ВМГ-5000 i ВДГМ-1602.

Багатопостовий зварювальний випрямляч ВМГ-5000 призначений для механiзованого зварювання в СО₂ на 30 постах з номiнальним струмом на посту 315 А. Вiн має жорстку зовнiшню характеристику i зiбраний за шестифазною схемою випрямлення зі зрівняльним реактором i використанням некерованих вентилiв В200. Багатопостова система має розподiльнi шинопроводи низької i пiдвищеної напруги. На кожнiй автономнiй системi шинопроводiв можна змiнювати напругу в незалежностi вiд напруги на іншій, що досягається за рахунок змiни вихiдної напруги випрямляча. Для цього первинна обмотка трансформатора з нормальним розсiянням з’єднана в “зiрку”, секцiонована, що дозволяє отримати п’ять значень фазних ЕРС вторинних обмоток (низького 30, 35, 40, 50 В i високого 60 В). При зварюваннi в СО₂ дротом дiаметром менше 2мм рекомендується вмикати пости на шинопроводи з низькою напругою, бiльше 2мм - на шинопроводи з пiдвищеною напругою.

Формування пологоспадної зовнiшньої характеристики i регулювання напруги на посту здiйснюється баластовими реостатами типу РБГ. Вiд настроювання опору баластового реостату залежить надiйнiсть запалювання дуги i стiйкiсть процесу зварювання. Для забезпечення надiйного запалювання i стiйкостi процесу при великокрапельному переносi металу R_Б повинне бути не меншим за 0,12 Ом, для обмеження розбризкувань - не менше 0, 07 Ом . При зварюваннi в вертикальному i стельовому положеннях з метою забезпечення направленого перенесення електродного металу величину R_Б доводиться зменшувати. Тому, в цьому випадку для зменшення розбризкувань постовий пристрій доповнюється дроселем.

Для зварювання плавким електродом у вуглекислому газi застосовуються також багатопостовi випрямлячi серiї ВДГМ, у яких електричнi схеми силових кiл i системи фазового керування тиристорами такi ж, як i у випрямляча типу ВДУ-1601. Вони забезпечують сталість випрямленої напруги з точнiстю ±1 В як при змiнах навантаження, так i при коливаннях напруги мережi живлення в дiапазонi вiд +5% до -5% номiнального значення U₁. Регулювання режимiв

117

зварювання при використаннi цих випрямлячiв виконується як баластовим реостатом типу РБГ, так i змiною швидкостi подавання електродного дроту. Поряд з багатопостовими системами живлення, розглянутими вище, в промисловостi застосовуються i багатопостові унiверсальнi зварювальнi випрямлячi з тиристорним регулюванням струму i напруги на кожному посту. Такi установки можуть розмiщуватись на рiзних зварювальних дiлянках, утворюючи при необхiдностi мiсцевi системи багатопостового живлення. До них належать випрямлячi типів ВДУМ-2х301 i ВДУМ-4х401, розрахованi на живлення двох i чотирьох постiв.

Унiверсальнi тиристорнi випрямлячi з безреостатним регулюванням режиму постiв мають загальний зварювальний трансформатор i незалежнi тиристорнi випрямнi блоки з самостiйними пристроями фазового керування.

Постовий блок формує як крутоспаднi, так i жорсткi зовнiшнi характеристики i може застосовуватись при ручному i механiзованому зварюваннi в СО₂. Система з паралельно працюючими тиристорними блоками накладає додатковi вимоги на вибір схеми випрямлення зварювального посту, оскільки працюючий тиристор одного випрямного блоку не повинен шунтувати тиристор іншого. Рацiонально використовувати шестифазну нульову або несиметричну трифазну мостову схему, у якій тиристори встановленi тiльки в катоднiй групi. Випрямлячi можуть бути також виконанi за простою шестифазною схемою випрямлення або двiчi трифазною зі зрівняльним реактором. Недоцiльне застосування трифазної мостової i шестифазної кiльцевої схем випрямлення.

Спрощену принципову електричну схему силової частини ВДУМ-4х401 подано на рис.12.3.

Випрямляч складається з трансформатора Т, чотирьох незалежних силових тиристорних випрямлячiв, блокiв фазового керування БФК з датчиками струму на магнiтних пiдсилювачах А i дроселів L, увiмкнутих у коло випрямленого струму. Дросельна котушка призначена не тiльки для згладжування i обмеження пiкiв струму в процесi зварювання, але й виконує роль розподiльного дроселя, що забезпечує незалежнiсть роботи постiв i тиристорних випрямних блокiв. Схема випрямлення виконана за простою шестифазною схемою з нульовою точкою. Схема фазового керування тиристорами кожного поста працює за вертикальним принципом. У випрямних блоках застосовуються тиристори типу Т-160.

118

Рис. 12.3. Спрощена електрична схема силової частини випрямляча ВДУМ-4х401

119

ЛЕКЦІЯ 13

13.1. Iнверторнi зварювальнi випрямлячi. Конструкцiя та принцип дiї

Широке застосування в зварювальнiй технiцi знайшли iнверторнi (високочастотнi) джерела живлення , які при добрих масо-габаритних характеристиках дозволяють забезпечувати стiйку i надiйну роботу в рiзних зварювальних режимах. Функцiональну схему iнверторного випрямляча подано на рис.13.1.

Рис. 13.1. Функціональна схема інверторного випрямляча

Трифазна напруга мережi випрямляється силовим випрямним блоком VD1- VD6 зiбраним за мостовою схемою випрямлення. Випрямлена однофазна напруга згладжується С-фiльтром i потiм перетворюється (iнвертується) у змiнну напругу високої частоти за допомогою блока iнвертора БI, побудованого за рiзними схемами iнвертування на транзисторнiй або тиристорнiй елементнiй базi. Високовольтна високочастотна змiнна напруга знижується силовим трансформатором Т, випрямляється блоком VD зiбраним за однофазною двопiвперiодною схемою, згладжується L-C фiльтром i подається на дугу. У такому випрямлячi енергiя зазнає декiлькох ступенiв перетворення i не дивлячись на складнiсть схеми, вiн є достатньо економiчним i перспективним. Трансформацiя напруги здiйснюється на пiдвищенiй частотi, що дозволяє на 60-80% зменшити масо-габаритнi показники

трансформатора. З пiдвищенням частоти необхiдно менше часу на перемагнiчування осердя i, отже, для тiєї ж потужностi трансформатора необхiдно мати меншу кiлькiсть активних матеріалiв. Крiм того iнверторне джерело має досить

120

високу динамiчну характеристику i якісні зварювальнi властивостi.

Якщо на вході інвертора встановлено потужний накопичувальний конденсатор, то напруга інвертора має прямокутну форму. Таку конструкцію називають автономним інвертором напруги (АІН). Якщо на вході інвертора встановити потужний дросель L, а обмотку трансформатора Т шунтувати конденсатором, то згладженим буде вже струм. Такий перетворювач називають інвертором струму (АІС). Конструкція, в якій завдяки наявності послідовно з’єднаних індуктивності та ємності створюється коливальний контур із синусоїдним струмом, то такий перетворювач називають резонансним інвертором (АІР).

Інвертор - це пристрій, який перетворює постійну напругу у високочастотну змінну. Конвертор - пристрій для зниження або підвищення постійної напруги з проміжною високочастотною ланкою.

Регулювання режиму зварювання здійснюється декількома способами. При збільшенні напруги випрямляча мережі збільшується і амплітуда високочастотної напруги, і, відповідно, середнє значення випрямленої напруги. З тією ж метою змінюють ширину імпульсів інвертора. Однак більш поширеним способом є зміна частоти імпульсів. При цьому f ­ fi U_B ­. В інверторному випрямлячі використовується амплітудне, широтне та частотне регулювання режиму (рис.13.2).

Рис. 13.2. Регулювання напруги (а) інверторного випрямляча зміною амплітуди

(б), ширини (в) і частоти (г) імпульсів

Зовнішні характеристики інверторного випрямляча залежать головним чином від конструктивних особливостей інвертора та трансформатора. Природна зовнішня характеристика інвертора АІН майже жорстка. Але оскільки індуктивний опір трансформатора Х_Т, пропорційний частоті інвертування f, великий навіть при невеликому магнітному розсіянні, то характеристика випрямляча в цілому виходить спадною. Зазвичай зовнішні характеристики формуються штучно за допомогою системи керування. Для отримання крутоспадних характеристик вводиться від’ємний зворотний зв’язок за струмом, при якому із збільшенням зварювального

121

струму частота інвертування знижується, що призводить до зменшення випрямленої напруги.

Подібним чином для отримання жорстких характеристик вводиться зворотний зв’язок за випрямленою напругою:

ІД ^­

^{­fi f Øfi U}BU_B Øfi f ­fi U_B ­fi U_B = const.

Зварювальні властивості інверторних випрямлячів кращі порівняно із джерелами традиційного типу за рахунок швидкодії інвертора. Якщо у звичайних джерел тривалість перехідного процесу близько 0,02 с, то у інверторного випрямляча швидкодія характеризується значеннями порядку 0,001 с. Високі динамічні властивості інверторного випрямляча виявляються у випадку програмного керування процесом дугового зварювання. Легко забезпечується “гарячий пуск” на початку зварювання, швидкий перехід від одного із зазделегіть налагоджених режимів до іншого, зварювання пульсуючою дугою з регульованою формою імпульса і т.д.

До переваг інверторного випрямляча належить його економічність. Осердя високочастотного трансформатора має малі масо-габаритні показники, оскільки його маса пов’язана з частотою співвідношенням _{m  1/ f} і тому осердя важить

майже у 8-10 разів менше, ніж осердя трансформатора частоту на у 50 Гц. Крім того, випрямляч має високі масо-енергетичні характеристики, що складають 0,1 - 0,3 кг на 1А зварювального струму та 4 - 8 кг на 1 кВт споживаної потужності.

Інверторні випрямлячі рекомендують використовувати там, де необхідно застосовувати джерела з малими масо-габаритними показниками - при зварюванні на монтажі, в побуті, в робототехнічних комплексах. В експлуатації таке джерело дуже економічне.Його коефіцієнт потужності cosj наближений до 1, ККД 0,7 - 0,9. Головним недоліком інверторного випрямляча є складність його будови, відповідно низька надійність та висока вартість. Крім того, при роботі він створює підвищений шум, що генерується високочастотним трансформатором, вихідним фільтром та дугою.

13.2. Інвертори тиристорного типу

Паралельний інвертор, зібраний за двопівперіодною схемою з нулевою точкою трансформатора, наведено на рис. 13.3 (вторинна обмотка трансформатора не зображена). Перший півперіод високочастотного струму починається при

122

увімкненні тиристора VS1. З цього моменту по первинній обмотці трансформатора Т йде струм, зображений тонкою суцільною лінією. Одночасно йде заряд конденсатора С полярністю “+” та “-”. Другий півперіод починається при відмиканні тиристора VS2, в результаті чого по трансформатору іде струм в іншому напрямку, зображений пунктиром. Але відмикання тиристора VS2 призводить ще й до розряду конденсатора С на тиристор VS1 у зворотному напрямку так, як показано пунктирною лінією. Це призводить до запирання тиристора VS1, тому конденсатор С в такій схемі називають комутуючим (перемикаючим). Паралельний інвертор з великою індуктивністю L на вході є автономним інвертором струму (АІС). Він стійко працює в режимі навантаження, гірше - в режимі короткого замикання, а в режимі неробочого ходу на його елементах виникають великі перенапруження, що обмежує його використання.

Рис. 13.3. Схема паралельного тиристорного інвертора

Послідовні інвертори частіше використовуються в зварювальних випрямлячах. Принцип роботи інвертора такого типу, зібраного на двох тиристорах за несиметричною півмостовою схемою (рис.13.4). У першому півперіоді при відпиранні тиристора VS1 по первинній обмотці трансформатора Т йде струм по колу, вказаному суцільною лінією. Цей струм заряджає конденсатор С полярністю «+» та «-». Коли напруга максимального заряду конденсатора досягне величини напруги живлення від мережевого випрямляча, анодна напруга на тиристорі VS1 зменшиться до 0 і він закривається. У другому півперіоді при відпиранні тиристора VS2 по трансформатору піде струм розряду конденсатора в напрямку, вказаному пунктирною лінією. Робота симетричного послідовного інвертора зрозуміла з рис.13.5.

123

Рис. 13.4. Схема послідовного несиметричного інвертора

Рис.13.5. Схема послідовного симетричного інвертора

Резонансний послідовний інвертор, зібраний за симетричною півмостовою схемою (рис.13.6), найбільш поширений.

Порівняно з мостовою схемою тут не тільки досягається економія тиристорів, але й спрощується система керування. В L-C коливальному контурі під час роботи інвертора виникає синусоїдний струм та резонанс напруг, тому такий інвертор називають резонансним (АІР). Моменти відпирання тиристорів та частота інвертування задаються системою керування, а параметри синусоїдного струму визначаються параметрами силових елементів коливальних контурів.

З моменту t₁ при відпиранні тиристора VS1 по первинній обмотці трансформатора Т піде струм, зображений тонкою суцільною лінією. Одночасно конденсатор С2, раніше заряджений полярністю, вказаною знаками + та - без дужок, спочатку розряджається на трансформатор по колу, вказаному тонкою лінією, а потім за інерцією перезаряджається так, що його полярність змінюється на протилежну, вказану знаками «+» та «-» з дужками. До моменту t₂ конденсатор

124

С1, що комутує коло тиристора VS1, зарядиться полярністю, вказаною знаками + та -, що призведе до зникнення струму (рис.13.6 б).

Рис. 13.6. Резонансний послідовний інвертор: а - спрощена принципова схема; б - осцилограми при роботі в режимі переривчастого струму; в - в

режимі безперервного струму

125

На осцилограмі струму первинної обмотки трансформатора Т1 в проміжку t₁- t₂ спостерігається крива i_VS1, близька до синусоїди. З моменту t₂ як тільки закриється тиристор VS1, відкривається раніше шунтований діод VD1 і конденсатор С2 розряджається на первинну обмотку трансформатора по колу, вказанному пунктиром. Таким чином, зворотний діод VD1 запобігає надмірному накопиченню заряду на конденсаторі С2, що при резонансі може призвести до небезпечних перенапруг. Отже, в проміжку t₂-t₃ до трансформатора проходить зворотня півхвиля струму і_VD1, і на цьому перший цикл роботи інвертора завершується. З моменту t₄ схожі процеси відбуваються в іншому плечі інвертора, починаючи з відпирання VS2. Тривалість проміжку t_Т= t₂-t₁ увімкненого стану тиристора VS1 рівна півперіоду вільних коливань для контуру, складеного з комутуючого конденсатора С1 з ємністю С, а також трансформатора Т та дроселя L1 індуктивністю L_T та L. Така ж і тривалість t_ЗД = t₃ - t₂ увімкненого стану зворотного діода VD1.

Частота змінного струму f інвертора задається системою керування. Вмикати тиристор VS2 безпосередньо в момент t₂ вимикання VS1 не можна, доки у останнього ще не поновились запираючі властивості, щоб не сталося внутрішне коротке замикання в інверторі. Обов’язковим є виконання умови, щоб тривалість затримки t_ЗВ між періодами роботи двох тиристорів була більше часу відновлення їх запираючих властивостей. У той же час цілком припустиме вмикання тиристора VS2 до моменту t₃, тобто в проміжку роботи діода VD1. При накладанні імпульсів струму через тиристор VS2 та діод VD1 виникає режим неперервного струму інвертора, який цілком припустимий що полегшує згладжування зварювального струму (рис.13.6 в).

Плавне регулювання режиму резонансного інвертора виконується зміною частоти інвертування f, тобто частоти запуска тиристорів від системи керування. Як вже було відзначено, зі зростанням частоти f збільшується середнє значення зварювального струму І_Д. Ступінчасте регулювання часто виконується зміною ємності комутуючих конденсаторів.

Зовнішня характеристика послідовного резонансного інвертора - крутоспадна. Резонансний інвертор, на відміну від АІН та АІС, стійко працює в режимі короткого замикання. У режимі неробочого ходу інверторного випрямляча власне інвертор все ж навантажений хоч і невеликим намагнічувальним струмом первинної обмотки трансформатора, тобто може працювати стійко. Однак у цьому випадку в інверторі виникають небезпечні перенапруги.

Процес iнвертування в iнверторi транзисторного типу представлений на рис.13.7.

126

Рис. 13.7. Спрощена електрична схема випрямляча з транзисторним інвертором

При подачi сигналу на базу транзистора VT1 вiн вiдкривається i по первиннiй обмотцi трансформатора Т протiкає струм, напрямок якого вказаний суцiльною лiнiєю. При знiманнi сигналу протiкання струму припиняється. З деякою затримкою, що визначається блоком керування, вiдкривається VT2 i струм навантаження протiкає по обмотцi трансформатора вже в протилежному напрямку, що позначено пунктиром. Таким чином, по первиннiй обмотцi Т проходить змiнний струм, форма кривої якого залежить вiд параметрiв кола iнвертора. При достатнiй iндуктивностi вона може мати синусоїдну форму. Тривалiсть перiоду Т або частота змiнного струму f залежить вiд частоти вмикання транзисторiв, що визначається системою керування i може встановлюватись вiд 1 до 60 кГц.