zdg_konspect

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 iД 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 uа, ub, uc вторинних обмоток трансформатора (вiсь 1), випрямленої напруги uD (вiсь 2), анодних струмiв i1-i6 (осi 3, 5) i фазного струму

82

i2а вторинних обмоток трансформатора (осi 4, 6). Кривi на осях 3, 4 вiдповiдають активному характеру навантаження (Хd=0), кривi на осях 5, 6 - iндуктивному навантаженню (Хd=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 Θ−Θ2 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 Θ1−Θ3 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 Θ−Θ1 до навантаження пiдводиться позитивна напруга Uа i негативна Uв через вiдкритi вентилi VD1 i VD6, тому випрямлена напруга ud=ua-uв.

У промiжку Θ1−Θ2 ud=ua-uc.

Аналогiчнукартинумаємо для iншихпромiжкiвчасу. Амплiтудавипрямленоїнапруги

84

Udm = 6 × E2

де Е2 - дiюча фазна напруга вторинної обмотки трансформатора.

Число пульсацiй випрямленої напруги за перiод m=6, тому крива випрямленої

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’, 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 (ua`,ub`,uc` , i, ua``,ub``,uc``) 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-Q1.

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 Θ`−Θ1, коли проводять вентилi VD1 i VD2, напруга:

ud = (u′a + uc′ )/ 2

Крива випрямленої напруги ud, 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 ua, uв, uc, випрямленої напруги ud, анодних струмiв i1-i6, фазного струму вторинних i2а i первинних i1а 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-Q1 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-Q1 до навантаження пiдводиться випрямлена напруга ud=ua-uв, тобто випрямлена напруга дорівнює лiнiйнiй напрузi працюючих обмоток. Амплiтуда випрямленої напруги

Udm = 6 × E2 .

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, ВС600М.

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 dIК/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 W2α. Регульована менша частина вторинних обмоток у виглядi обмоток W2β 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 ФТ майже повністю замикається через середнє ярмо, пронизуючи основнi нерегульовані обмотки W2α, наводячи в них ЕРС. В обмотках W2β ЕРС не наводиться i на випрямний блок подається мiнiмальна напруга. У випадку пiдмагнiчування середнього ярма обмоткою ОК2, його магнiтний опiр Rm зростає i потік ФТ вiдхиляється до верхнього ярма, пронизуючи обмотки W2α i W2β. При цьому напруга трансформатора зростає, а випрямлена напруга неробочого ходу випрямляча збiльшується, тобто:

IОК2 - Þ ФОК2 - Þ RμСЯ - Þ Фα ↓ Þ Фβ - Þ U2β - Þ U2 - Þ U20 -.

Таким чином, регулювання напруги у випрямлячi здiйснюється шляхом почергового вмикання обмоток керування, тобто за рахунок магнiтної комутацiї потоку трансформатора.

Зовнiшнi характеристики випрямляча положистоспаднi з rДЖ=-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 UВ схема зворотного зв’язку перерозподiлить струми в обмотках керування та вiдновить випрямлену напругу.

U1 ↓ Þ UВ ↓ Þ IОК1 ↓ Þ IОК2 - Þ U2β - Þ U20 - Þ UВ -.

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