Трансформаторы для дуговой сварки и наплавки
Трансформаторы для дуговой сварки и наплавки
Классификация сварочных трансформаторов
В сварочных трансформаторах в связи с необходимостью большого сдвига фаз напряжения и тока для обеспечения устойчивого зажигания дуги переменного тока при смене полярности требуется обеспечить увеличенное индуктивное сопротивление вторичной цепи. С ростом индуктивного сопротивления растет и наклон ВСХ ИП на ее рабочем участке, что обеспечивает получение падающих характеристик в соответствии с требованиями общей устойчивости системы «источник питания – дуга».
В конструкциях сварочных трансформаторов первой половины 20-го века применялись трансформаторы с нормальным рассеянием магнитного поля в сочетании с отдельным или совмещенным дросселем. Регулирование тока производилось изменением воздушного зазора в магнитопроводе дросселя.
В современных сварочных трансформаторах, которые выпускаются с 60-х годов 20-го века эти треборания обеспечиваются за счет увеличения рассеяния магнитного поля. Трансформатор как объект электротехники имеет эквивалентную схему, содержащую активное и индуктивное сопротивление.
Для сварочных трансформаторов, работающих в режиме нагрузки, потребляемая мощность на порядок больше, чем потери холостого хода, поэтому при работе под нагрузкой эту схему можно не учитывать. В трансформаторах с увеличенным рассеянием магнитного поля
,
тогда
Для типичной схемы трансформатора основные потери магнитного поля на пути от первичной к вторичной обмотке происходят между стержнями магнитопровода.
Управление рассеянием магнитного поля производится изменением геометрии воздушного промежутка между первичной и вторичной обмотками (подвижные обмотки, подвижный шунт), согласованным изменениемчисла витков первичной и вторичной обмоток, изменением магнитной проницаемости между стержнями магнитопровода. (подмагничиваемый шунт);
При рассмотрении упрощенной схемы трансформатора с разнесенными обмотками можно получить зависимость индукционного сопротивления от основных параметров трансформатора
- cопротивление на пути магнитного потока рассеяния,
e-относительное перемещение обмоток,
W-.число витков обмоток.
Тогда ток во вторичной цепи:
Диапазон плавного регулирования у современных трансформаторов: 1:3; 1:4.
У многих сварочных трансформаторов есть ступенчатое регулирование: - переключение и первичной и вторичной обмотки на параллельное или последовательное включение.
У современных трансформаторов для снижения веса и стоимости на ступени больших токов сделано понижение напряжения холостого хода.
Тиристорные трансформаторы
Принцип регулирования напряжения и тока тиристорами основан на фазовом сдвиге открытия тиристора в полупериод прямой для него полярности. При этом меняется среднее значение выпрямленного напряжения и, соответственно, тока за полупериод.
Для обеспечения регулирования однофазной сети нужны 2 встречно включенных тиристора, причем регулирование должно быть симметричным.
Тиристорные трансформаторы имеют жесткую ВСХ, регулирование которой производится по напряжению на выходе с помощью тиристоров.
Тиристоры удобны для регулирования напряжения и тока в цепях переменного напряжения, поскольку закрытие происходит автоматически при смене полярности.
В цепях постоянного тока для закрывания тиристоров обычно используют резонансные схемы с индуктивностью, что сложно и дорого, и ограничивает возможности регулирования.
В схемах тиристорных трансформаторов тиристоры устанавливаются в цепи первичной обмотки по 2-м причинам:
1. поскольку вторичные токи сварочных источников питания намного больше, чем максимальный ток тиристоров (до 800 А)
2. более высокий КПД, поскольку потери на падение напряжения на открытых вентилях в первичной цепи относительно рабочего напряжения меньше в несколько раз.
Кроме того, индуктивность трансформатора в данном случае обеспечивает большее сглаживание выпрямленного тока, чем случай установки тиристоров во вторичной цепи.
Все современные трансформаторы для сварки выполняются с алюминиевыми обмотками. Для надежности на концах приварены холодной сваркой медные накладки.
С 80-х годов. основная доля сварочных трансформаторов выполняется на холоднокатаном трансформаторном железе. Это дает в 1,5 раза большую индукцию и меньше вес магнитопровода (магнитопроводы витые).
СВАРОЧНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
|
|
|
|
|
|
|
|
Классификация производится по второй из 3-х основных функций источника питания ( горение, регулирование, преобразование).
Обеспечение устойчивости горения для 1 группы обеспечивается характеристиками трансформаторов. ПО и ПШ – крутопадающие, СО – жесткие. В двух оставшихся группах искусственные внешние характеристики обеспечиваются или тиристорным управлением, или индуктивностью дросселя насыщения.
Выпрямители, регулируемые трансформатором, имеют 3-фазные трансформаторы, в отличие от сварочных трансформаторов, которые однофазные.
Ступенчатое регулирование осуществляется переключением звезда – треугольник, что приводит к изменению тока в 3 раза. (больший ток при схеме треугольник – треугольник, чем звезда – звезда.)
В отличие от сварочных трансформаторов даже самые простые выпрямители содержат пускорегулирующую и защитную аппаратуру для защиты вентилей от перегрузок по току и от нарушения охлаждения (реле вентилятора или реле давления воды). Для этого у источника питания должен быть силовой контактор, вручную он управляется кнопками ПУСК и СТОП.
У выпрямителя ВД – 306: защита по току электромагнитная, срабатывает при превышении допустимого тока в 1,5 раза.
В любом сварочном выпрямителе можно выделить следующие элементы: силовой понижающий трансформатор и блок выпрямителей. Трансформаторы, применяемые в сварочных выпрямителях, мало отличаются от описанных выше, в разд. 3. Основное отличие состоит в том, что трансформаторы для сварочных выпрямителей выполняются трехфазными. Это не только обеспечивает равномерное нагружение фаз питающей сети, но и снижает пульсацию выпрямленного тока.
Распространенным элементом сварочного выпрямителя является дроссель. Если он располагается между электрододержателем и блоком выпрямителей (на участке сварочной цепи, где протекает постоянный ток), то служит для ограничения скорости нарастания тока короткого замыкания, т.е. для уменьшения разбрызгивания при сварке. Если дроссель располагается между силовым трансформатором и блоком выпрямителей (на участке сварочной цепи, где протекает переменный ток), то он служит для регулировки сварочного тока или выходного напряжения.
Выпрямительные блоки собираются из полупроводниковых элементов. В отличие от проводников электрического тока, которые одинаково хорошо проводят ток как в одном, так и в другом направлении полупроводниковые элементы пропускают ток только в одном направлении. Для изготовления силовых полупроводников используются кремний, германий, селен. Полупроводники с одним р—п - переходом называются диодами. Они имеют 2 силовых электрода и обладают способностью пропускать ток только в прямом направление. Диоды еще называют неуправляемыми полупроводниками. Это связано с тем, что при постоянном сопротивлении цепи ток в прямом направлении зависит только от напряжения прилагаемого к основным электродам. Другими словами, управлять величиной тока с помощью диода невозможно.
Схема выпрямления переменного тока диодом (б) и тиристором (в)
Примечание. Справа приведены обозначения проводника (а) и полупроводников (б, в), применяемые в электросхемах.
Полупроводниковые вентили.
Пробой обратным напряжением приводит к лавинообразному нарастанию тока неосновных носителей, соответственно разрушение p-n перехода.
В прямом включении превышение Imax приводит к перегреву полупроводниковой системы и растрескивается.
Характеристики сильно зависят от температуры.
Полупроводники имеют очень большой разброс характеристик из-за технологии изготовления - технологии внедрения примесей.
Из-за того, что получается в технологии, полупроводники подразделяют на несколько или несколько десятков групп, чтобы характеристики были примерно одинаковыми.
По характеристикам у неуправляемых вентилей будет симметричная в закрытом состоянии характеристика.
Помимо диодов в сварочных выпрямителях используются тиристоры. Они имеют 4 слоя с различными типами проводимостей и образуют трехступенчатый переход проводимостей р - п - р - п. В результате в обычном состоянии тиристор закрыт для протекания тока как в прямом, так и в обратном направлениях. Чтобы тиристор начал пропускать ток в прямом направлении, не обходимо не только подать на него напряжение, но и разрушить средний п-р -переход. Это производится путем подачи напряжения на третий (управляющий) электрод. Задержка с подачей управляющего напряжения вызывает задержку ti в протекании тока в основном направлении. Чем больше время задержки, тем меньше средняя величина выпрямленного тока и больше его пульсация.
Таким образом, с помощью тиристора можно управлять током. Однако возможности управления ограничены. Тиристор нельзя выключить раньше, чем напряжение на основных электродах упадет до нуля. Поэтому тиристоры называются «не полностью управляемыми полупроводникам». Полностью управляемыми полупроводниками являются транзисторы (триоды), но применение таковых в сварочных источниках ограничено, и поэтому их работу в данном курсе рассматривать не будем.
Полупроводниковые элементы следует предохранять от перегрева. Максимальная температура, которую выдерживают р-п ~ переходы кремниевого вентиля без разрушения, составляет 120... 150 0С. Поэтому диоды и тиристоры помещают в радиаторы, которые принудительно охлаждают потоком воздуха от вентилятора.
| Se | Ge | Si | |
| Iпр max, A | f(s) | 103 | 103 |
| Iобр max, A | 10-2 | 10-2 | 10-4 |
| Uпр max, B | 0.45*n | 0.5-1 | 1-2 |
| Uобр max, B | |||
| Tраб max, 0C |
N –количество вентилей.
f(s): s- площадь сечения.
Исходя из таблицы видно, что с точки зрения эксплуатационных характеристик (прежде всего температура рабочего цикла) кремниевые вентили наиболее целесообразны.
Германиевые вентили применяются в тех случаях, когда выпрямляются низкие напряжения.
В современном оборудовании применяются силовые диоды, тиристоры, транзисторы.
Конструктивно силовые вентили, выпускаемые в виде отдельных диодов, бывают либо таблеточные, либо штыревые.
Существуют варианты полупроводниковых сборок.
В маркировке полупроводников указывается максимальный ток при номинальной температуре, класс и группа проводника.
Класс = Uобрmax/100.
Группа- прямое падение напряжения с разбивкой через 2 сотых вольта.
ТБ – 320 – 10 – 1.47, где
ТБ - тиристор быстродействующий;
320 - максимальный ток;
10 - класс;
1.47 - группа.
Группа нужна: чем меньше напряжение, тем меньше потерь.
При параллельной работе вентилей они должны быть одной или смежных групп, т.е. разница не более 0.02 В.
Полупроводниковые вентили из-за низкой теплопроводности кремния выходят из строя при небольших перегрузках. Поэтому полупроводниковые вентили должны иметь защиту от перегрузок по прямому току. Обычно используют электромагнитные автоматы защиты. Время срабатывания сотые доли секунды.
В ИП с жесткой пологопадающей характеристикой, где Iкз может быть в 6 раз > I, вентили устанавливают с запасом по максимальному току в 2-3 раза больше.
Защита от обратных перенапряжений в цепях с индуктивностью – установка интегрирующих цепочек РЦ между трансформатором и выпрямительным блоком.
Для защиты от перегрева ставят датчики температуры, реле вентилятора, реле давления охлаждающей воды.
В сварочных цепях благодаря ЭДС самоиндукции иногда возникают пики напряжения (перенапряжения), которые могут вызвать пробой полупроводника в обратном направлении. Для предупреждения этого полупроводники шунтируются R - С цепью. При появлении на выводах полупроводника повышенного напряжения происходит заряд конденсатора, а затем его разряд через полупроводник в прямом направлении.
Схема защиты полупроводника от индукционного напряжения
Кремниевые вентили, рассчитанные на малые токи, в высокоточные цепи можно включать параллельно. Если напряжение цепи превышает допускаемое для полупроводника, то разрешается последовательное соединение нескольких таких полупроводников. В обоих случаях совместно работающие полупроводники должны обладать одинаковым сопротивлением.
В сварочных выпрямителях полупроводниковые элементы собираются в виде различных схем.
Подразделяется на 1- и 3-хфазное выпрямление.
1. Однофазное, однополупериодное.
А. Нулевая схема.
Б. Мостовая схема.
Однофазные схемы применяются в цепях управления, где потребляемая мощность невелика, поэтому, используя сглаживающие емкостные фильтры, можно получить на выходе напряжение близкое к постоянному.
Нулевая схема применяется очень редко для выпрямления очень низких напряжений.
В силовых однофазных цепях выпрямление используется крайне редко, в некоторых универсальных ИП специального назначения, например в установках УГД.
Трехфазные схемы выпрямления
В сварочных выпрямителях обычно используют трехфазные схемы выпрямления, которые обеспечивают значительно меньшую пульсацию выпрямленного тока по сравнению с однофазными схемами.
Сглаживающие фильтры
Бывают емкостные и индуктивные.
Емкостные фильтры наиболее целесообразно применять при большом сопротивлении нагрузки и при высоких рабочих частотах, или хотя бы одно из этих условий.
Индуктивный фильтр:
Для сварочных ИП с выпрямлением на промышленной частоте индуктивные фильтры приемлемы по габаритам, весу, стоимости. Конструктивно это дроссели с сердечником из трансформаторного железа и зазором в сердечнике для уменьшения подмагничивания постоянной составляющей выпрямленного тока.
Трансформаторы для дуговой сварки и наплавки