Основные теоретические положения. 6.1.1 Общие требования к источникам питания

6.1.1 Общие требования к источникам питания

Обычно под источником питания тех или иных электротехнологических установок понимают устройства, которые:

- преобразуют электрическую энергию сети к виду, удобному для потребления в технологическом процессе (изменяют частоту, напряжение, гармонический состав тока и т.д.);

- защищают электрическую сеть от вредного воздействия технологического процесса (от высокочастотных гармоник, уменьшения колебаний напряжения и т.д.);

- согласовывают параметры питающей сети и электротехнологического процесса;

- для установок, содержащих нелинейные сопротивления с падающими характеристиками, например, электрическую дугу, ограничивают потребляемую мощность.

6.1.2 Краткая характеристика основных типов источников питания электрической дуги

Все существующие в настоящее время типы источников можно разделить по способу создания падающей вольтамперной характеристики:

Электромашинные генераторы:

а) коллекторные генераторы;

б) вентильные сварочные преобразователи.

Сварочные трансформаторы:

а) трансформаторы с механическим регулированием;

б) трансформаторы с регулированием подмагничиванием;

в) тиристорные трансформаторы.

Индуктивно-емкостные преобразователи.

Управляемые выпрямители.

Электромашинные генераторы.

а) Коллекторные генераторы.

В коллекторных генераторах падающая характеристика получается за счет введения дополнительной обмотки возбуждения, магнитный поток которой направлен навстречу магнитному потоку основной обмотки возбуждения, и с увеличением тока в нагрузке общий магнитный поток уменьшается, следовательно, уменьшается ЭДС генератора (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – Принципиальная схема коллекторного генератора

б) Вентильные сварочные преобразователи.

В вентильных сварочных преобразователях применяется генератор переменного тока и выпрямитель из полупроводников. Схема источника приведена на рисунке 6.2.

ОЯ – обмотка якоря генератора; ОВ – обмотка возбуждения генератора; ТА – трансформатор тока; ТV – трансформатор напряжения; VД – силовой вентильный блок; VД1, VД2, VД3 – диоды в цепи возбуждения генератора; R – реостат для регулирования тока.

Рисунок 6.2 – Принципиальная схема вентильного сварочного преобразователя

Сварочные трансформаторы.

а) Трансформаторы с механическим регулированием.

Большой класс источников питания сварочной дуги составляют сварочные трансформаторы. К трансформаторам с механическим регулированием можно отнести:

- трансформаторы с подвижными обмотками, имеющие большой магнитный поток рассеяния. Регулирование сварочного тока осуществляется при изменении потока сцепления между первичной и вторичной обмотками за счет перемещения обмоток по сердечнику;

- трансформаторы с подвижными магнитными шунтами. При введении шунта также уменьшается потокосцепление первичной и вторичной обмоток, что приводит к уменьшению вторичной ЭДС;

- трансформаторы, содержащие дроссель с воздушным зазором.

Обычно регулирующий дроссель наматывают на одном сердечнике с самим трансформатором, несколько изменив сопротивление и конструкцию сердечника. Регулировать индуктивность дросселя можно при изменении воздушного зазора.

б) Сварочные трансформаторы с регулированием подмагничиванием.

К трансформаторам с регулированием подмагничиванием относятся трансформаторы с дросселями насыщения. Изменение индуктивного сопротивления в цепи сварочного тока достигается за счет изменения магнитной проницаемости сердечника дросселя при создании в нем постоянного магнитного потока. Схема такого трансформатора приведена на рисунке 6.3. Обмотки W1р и W2р включены встречно-последовательно, чтобы компенсировать ЭДС основной частоты, наводимой в обмотке Wу.

Трансформаторы регулируемые подмагничиванием обычно содержат шунт, магнитное сопротивление которого изменяется за счет намагничивания.

Рисунок 6.3 – Принципиальная схема трансформатора с дросселями насыщения.

в) Тиристорные трансформаторы.

Тиристорные трансформаторы (ТТ) – сравнительно новый вид источников питания сварочной дуги. Основным узлом ТТ является тиристорный фазорегулятор (ФР), работающий в комплекте с силовым трансформатором. ФР состоит из группы встречно-паралельно включенных тиристоров и системы управления фазой их включения. Принцип регулирования напряжения с помощью тиристоров поясняется на рисунке 6.4. Для наглядности рассмотрим работу двухполупериодной схемы выпрямления переменного тока с тиристорным регулированием (см.рисунок 6.4). Как известно, тиристор это управляемый диод, время открытия которого определяется моментом подачи управляющего импульса на управляющий электрод. На рисунке 6.5 изображена зависимость напряжения на нагрузке для мостовой схемы, собранной на диодах (см.рисунок 6.5, а) и на тиристорах, при угле открытия тиристора a₁=129% (рисунок 6.5, в) и a₂=60% (рисунок 6.5, б). Как видно на рисунке 6.5, с уменьшением угла открытия тиристора действующее значение напряжения уменьшается по закону:

U_g = U_хх cos a.

Основные типы схем тиристорных трансформаторов приведены на рисунке 6.6.

Для обеспечения непрерывного тока в сварочной цепи служат дроссели L2, облегчающие устойчивое горение дуги.

На базе тиристорных источников питания сварочной дуги.

Рисунок 6.4 – Двухполупериодная схема выпрямления переменного тока с тиристорным регулированием

Рисунок 6.5 – Зависимость напряжения на нагрузке

Рисунок 6.6 – Типы схем тиристорных трансформаторов

Индуктивно-емкостные преобразователи.

В последнее время широкое применение находят источники питания на основе индуктивно-емкостных преобразователей. Принципиальная схема такого источника приведена на рисунке 6.7.

Рисунок 6.7 – Принципиальная схема источника питания на основе индуктивно-емкостных преобразователей

Ограничение тока в цепи достигается за счет компенсирующего влияния емкости на индуктивную проводимость токовой цепи.

Управляемые выпрямители.

Тиристорный регулятор сочетает в себя функции выпрямления и регулирования напряжения. Их использование позволяет уменьшить габариты и вес источников питания, а также создать сварочные выпрямители с универсальными жесткими и падающими внешними характеристиками, с дистанционным регулированием и стабилизацией режимов сварки при колебаниях напряжения сети.

К преимуществам выпрямительных установок следует отнести равномерность загрузки силовой сети трехфазного тока и лучшее использование трансформатора, питающего выпрямитель. Динамические свойства выпрямителей благодаря меньшей электромагнитной инерции лучше, чем у генераторов постоянного тока. Ток и напряжения при переходных процессах изменяются практически мгновенно.

По сравнению со сварочными трансформаторами трехфазные тиристорные выпрямители обеспечивают большую стабильность дуги, особенно на малых токах.

Выпрямители серии ВДУ называют универсальными, так как они могут работать как с падающими, так и с жесткими внешними характеристиками. Они обеспечивают плавное регулирование выходных токов и напряжения, стабилизацию установленного режима и выходных параметров при изменении напряжения. Тиристорные выпрямители представляют собой замкнутую систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью по току и положительной по напряжению (в случае падающих внешних характеристик). При этом напряжение задания сравнивается с сигналом обратной связи, пропорциональным значению проходящего тока, и разность между ними подается на вход блока фазового управления. БФУ соответствующим образом изменяет угол открытия тиристора. Поступающие на тиристорный блок импульсы обеспечивают постоянство, с заданной точность, сварочного тока. Выпрямители работают при принудительном охлаждении. Защиту от перегрузок обеспечивают тепловые реле пускателей, а от аварийных коротких замыканий сетевые автоматы.

Рисунок 6.8 – Блок-схема ВДУ

Трансформатор имеет две вторичные обмотки, соединенные в две обратные звезды через уравнительный реактор и силовые тиристоры. Первичная обмотка трансформатора может быть соединена в U или D (рисунок 6.9).

Рисунок 6.9 – Схема соединения трансформатора

Для получения падающих характеристик используется обратная связь по току. В качестве датчика тока используется магнитный усилитель на торроидальных сердечниках. Через окна сердечников пропущен провод, по которому идет выпрямленный ток и который является обмоткой управления магнитного усилителя. Рабочие обмотки усилителя соединены последовательно с однофазным выпрямителем. Сигнал обратной связи пропорционален току и снимается с резистора Rос. Для получения жестких внешних характеристик используется обратная связь по напряжению.

Для уменьшения пульсаций тока используется линейный дроссель, имеющий два вывода с различной индуктивностью.

Значение напряжения определяется моментом открытия тиристора, т.е. моментом подачи управляющего импульса на управляющий электрод.

Внешняя ВАХ в режиме падающих характеристик приведена на рисунке 6.10.

Рисунок 6.10 – Внешняя вольтамперная характеристика

6.1.3 Основные характеристики источников питания

Основными характеристиками источников питания сварочной дуги являются:

а) Номинальные параметры:

I_н – номинальный ток, А;

U_{н хх} – номинальное напряжение холостого хода, В;

U_{н раб} – номинальное рабочее напряжение, В;

h_н – коэффициент полезного действия;

cos j_н – коэффициент мощности.

б) Диапазон регулирования режима работы.

Внешняя характеристика U-I;

Регулировочная характеристика U_хх = f (регулировочный фактор);

I_кз = f (регулировочный фактор);

К.п.д. источника h = f(I);

Коэффициент мощности cos j = f(I);

Динамические свойства t = f(I).