Общие сведения о сварочных выпрямителях. Устройство, классификация, достоинства и недостатки

По конструкции силовой части выпрямители можно разделить на шесть групп (рис. 7.1). Более ранняя и простая конструкция у выпрямителя, регулируемого трансформатором (рис. 7.1,а). Его силовая часть состоит из трансформатора Т, выпрямительного блока VD на неуправляемых вентилях и сглаживающего дросселя L. Трансформатор в такой схеме используется для понижения напряжения, формирования необходимой внешней характеристики и регулирования режима. Некоторое применение нашел выпрямитель с дросселем насыщения (рис. 7.1,6). Дроссель насыщения LS применяют для формирования внешней характеристики и регулирования режима. Более совершенны и распространены тиристорные выпрямители (рис. 7.1 ,в). Тиристорный выпрямительный блок VS за счет фазового управления моментом включения тиристоров обеспечивает регулирование режима, а при введении обратных связей по току и напря­жению — также и формирование любых внешних характеристик. Ино­гда тиристорный регулятор VS устанавливают в цепи первичной обмотки трансформатора Т (рис. 7.1,г), тогда выпрямительный блок VD Может быть собран из неуправляемых вентилей — диодов. Транзисторный регу­лятор VT, наоборот, устанавливают в цепи сварочного тока (рис. 7.1,д), с его помощью легко реализовать программное управление процессом свар­ки. Оригинальна схема инверторного источника (рис. 7.1,е). Инвертор UZ преобразует постоянное напряжение выпрямительного блока VD1 в вы­сокочастотное переменное, которое затем понижается трансформатором Т и выпрямляется блоком VD2. Воздействуя на параметры инвертора, ре­гулируют режим и формируют внешние характеристики выпрямителя. В состав любого выпрямителя входят также вентилятор, пускорегулирующая и контрольная аппаратура. Тиристорные, транзисторные и инверторные выпрямители имеют более сложные схемы управления с цепями формирования управляющих сигналов и обратных связей.

Рис. 1. Блок-схемы сварочных выпрямителей

Выпрямители классифицируют также по типу внешних характери­стик. При механизированной сварке в защитном газе и под флюсом для комплектования аппаратов, действующих по принципу саморегулиро­вания дуги, применяют однопостовые выпрямители с жесткими харак­теристиками. Эти выпрямители имеют, как правило, трансформатор с нормальным рассеянием. Регулятор выпрямителя используется для на­стройки сварочного напряжения. В настоящее время используются сле­дующие способы регулирования напряжения: витковое (выпрямитель с трансформатором с секционированными обмотками), магнитное (выпря­митель с трансформатором с магнитной коммутацией, выпрямитель с дросселем насыщения), фазовое (тиристорный выпрямитель), а также импульсное (частотное, широтное и амплитудное в выпрямителе с тран­зисторным регулятором и инверторном источнике).

Для ручной сварки предназначены выпрямители с падающими ха­рактеристиками. В современных отечественных конструкциях приняты такие способы формирования характеристик: увеличение сопротивления трансформатора (выпрямитель с трансформатором с подвижными обмот­ками, с магнитным шунтом или с разнесенными обмотками), использо­вание обратной связи по току (тиристорный, транзисторный и инверторный источники). Требования к таким выпрямителям изложены в ГОСТ 13821-77 «Выпрямители однопостовые с падающими внешними харак­теристиками для дуговой сварки». Широко применяются также и универсальные выпрямители, обеспе­чивающие как жесткие, так и падающие характеристики.

При сопоставлении с трансформаторами главными достоинствами сварочных выпрямителей как источников питания постоянного тока счи­тают высокие надежность зажигания и устойчивость горения дуги. По сравнению с вращающимися источниками (преобразователями и агрега­тами) выпрямители обладают следующими преимуществами: более вы­сокий КПД, малые масса и габариты, отсутствие вращающихся частей, высокая надежность.

При выборе вентилей необходимо учитывать кратковременные, но довольно значительные перегрузки по току, сопровождающие работу сва­рочного выпрямителя. При технологических перегрузках, например, из- за короткого замыкания электродом на изделие при зажигания дуги, до­пускается перегрев кремниевого диода от нормальной температуры 140°С кратковременно до 160°С. Из паспортной перегрузочной характеристики диода (рис. 7.4,а) можно установить, что такая 4-кратная перегрузка по току может длиться не более 1 с. Из этой же характеристики следует, что аварийная 8-кратная перегрузка, вызванная, например, коротким замыканием внутри выпрямителя, допустима при длительности не более 0,03 с, т. е. времени, за которое должен срабатывать быстродействующий автоматический выключатель. Если предельный ток I_предвентиля ниже необходимого, применяют параллельное соединение 2, 3 и более одина­ковых вентилей. Последовательное соединение кремниевых вентилей не принято, поскольку для сварочных выпрямителей удается выбрать вен­тили с любым достаточно высоким повторяющимся напряжением U_ПОВТ

Перегрузки по напряжению возникают на вентилях в переходных процессах: при переходе от прямого включения вентиля к обратному, при коммутации тока с одного вентиля на другой, при переходе выпрями­теля от режима нагрузки к холостому ходу. Гораздо более опасное пере­напряжение наблюдается при переходе от режима короткого замыкания к холостому ходу, поскольку при этом в цепях трансформатора возникает самая большая ЭДС самоиндукции, вызванная спадом тока. Перенапряжение может достигать U_обр=(1,5-2)U_х. Для снижения перенапряжений параллельно вентилю подключают конденсатор (рис. 7.4,6). Импульс ЭДС самоиндукции вызывает появление тока через конденсатор. Поскольку сопротивление конденсатора импульсному току невелико, то и падение напряжения на таком шунтирующем конденсаторе меньше, чем на вентиле без конденсатора. В результате и на вентиле импульс напряжения в обратном направлении также снижается на 20-30%. Для ограничения тока в цепи конденсатора последовательно с ним соединяется резистор. RС-цепочки включают параллельно или каждому плечу выпрямительного блока или вторичным обмоткам трансформатора.

Подобным образом рассмотрим работу тиристора (рис. 7.5). Для отпирания тиристора необходимо выполнить два условия. Во-первых, его следует включить в прямом направлении, т.е. потенциал его анода А должен быть выше потенциала катода К. Во-вторых, на его управляющий электрод УЭ необходимо подать положительный относительно катода импульс напряжения. Поэтому в положительном полупериоде тиристор отопрется с задержкой на электрический угол α, соответствующий моменту подачи импульса управления i_у. Следовательно, среднее значение выпрямленного тока I_пр, пропорциональное заштрихованной площади, для тиристора меньше, чем для диода, и к тому же снижается при увеличении задержки включения:

Запирание обычного тиристора снятием импульса управления невозможно, он выключается только в конце полупериода при снижении переменного напряжения до нуля. Поэтому тиристор называют неполностью управляемым вентилем. В течение отрицательного полупериода тиристор заперт. Таким образом, тиристор можно использовать не только для выпрямления, но и для регулирования тока.

ТЕМА 8

МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА В СВАРОЧНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЯХ НА НЕУПРАВЛЯЕМЫХ ВЕНТИЛЯХ

Сварочные выпрямители снабжаются регулировочными устройствами и рассчитываются для работы в определенном диа­пазоне токов и напряжений. Требуемые пределы регулирования обычно устанавливаются стандартами или техническими условия­ми для каждого вида выпрямителя. Конструктивные исполнения устройств для регулирования весьма разнообразны. Все они могут быть подразделены на следующие основные группы: устройства с подвижными сердечниками и обмотками; устройства ступенчатого регулирования с применением комму­тационной аппаратуры: переключателей, контакторов и т. д.; устройства, связанные с подмагничиванием магнитопроводов постоянным током.