2. Силовой выпрямительный блок

Силовой выпрямительный блок состоит из полупроводниковых вентилей, которые пропускают ток только в одном направлении, называемом прямым. В прямом направлении электрическое сопротивление вентиля мало, т.е. его электропроводимость (величина, обратная электросопротивлению) очень велика. В обратном направлении электропроводимость вентиля близка к нулю, поэтому при подаче на вентиль синусоидального напряжения ток через него практически идет только в прямом направлении (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Работа диода в цепи переменного тока:

а – прямое включение; б – обратное включение; в – осциллограмма тока

и напряжения; R – нагрузка,  - частота, t – время, t - угол

Выпрямительный блок собирается по трехфазной мостовой схеме, получившей наибольшее распространение в сварочных выпрямителях. При такой схеме в каждую фазу включено по два вентиля с встречной проводимостью. Шесть вентилей разбиты на две группы – в одной к общей точке подключены все катоды, а в другой – все аноды (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Соединение вентилей по трехфазной мостовой схеме

Трехфазная мостовая схема обеспечивает в любой момент времени работу двух вентилей – одного в первой группе и другого – во второй. Каждый из вентилей пропускает ток в течение 1/3 периода переменного тока. Таким образом, в сварочную цепь подается выпрямленный пульсирующий ток с шестикратной по сравнению с промышленной (50 Гц) частотой пульсации, т.е. f = 50  6 = 300 Гц (рис. 3.9).

Рис. 3.9. Пульсирующий выпрямленный ток в сварочной цепи

Такая схема применяется в сварочных выпрямителях малой и средней мощности. В выпрямителях большой мощности применяют шестифазные схемы выпрямления, которые обеспечивают лучшее использование вентилей по току. В таких выпрямителях используется трехфазный трансформатор, имеющий 3 первичных и 6 вторичных обмоток.

3. Типы вентилей в сварочных выпрямителях

В сварочных выпрямителях применяют три типа полупроводниковых вентилей:

• неуправляемые (диоды);

• частично управляемые (тиристоры);

• полностью управляемые (транзисторы).

Неуправляемый вентиль (диод). Схема однопериодного выпрямления показана на рис. 3.7. В положительном полупериоде синусоидального напряжения питающей сети (рис. 3.7, а) диод включен в прямом направлении и, как уже отмечалось, его электрическое сопротивление невелико, все напряжение сети будет приложено к нагрузке R и ток нагрузки в прямом направлении I_пр будет максимальным. Точка «О» - момент открытия (угол открытия) диода (рис. 3.7, в), а точка «π» - момент (угол) его закрытия.

В отрицательном периоде диод включен в обратном направлении (рис. 3.7, б), его электросопротивление возрастает, а ток I_обр снижается почти до нуля, напряжение на нагрузку не подается. При однополупериодном выпрямлении в цепи протекает пульсирующий ток одного направления.

Частично управляемый вентиль – тиристор. Этот вентиль имеет более сложную полупроводниковую структуру и обладает характеристикой с двумя устойчивыми состояниями в прямом направлении и запирающими свойствами в обратном направлении.

Тиристор имеет три вывода: два силовых – анод и катод и один управляющий «У» (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Работа тиристора в цепи переменного тока:

У – управляющий электрод; I_у – ток в цепи управления

Если цепь управляющего электрода «У» разомкнута (I_у = 0), то тиристор заперт и в силовой цепи протекает незначительный ток I_обр. Перевод тиристора в открытое состояние осуществляется подачей положительного импульса в полупериод прямого напряжения. Время открытия тиристора зависит от величины управляющего тока I_у. Чем больше ток управляющего импульса, тем раньше (при меньшем угле ) откроется тиристор. Таким образом, регулируя величину управляющего импульса, производится управление моментом включения (отпирания) тиристором. Далее тиристор работает как диод и при снятии импульса (I_у = 0) запирания тиристора не происходит, он, как и диод, запирается только в момент смены полярности (точка π), поэтому тиристор называют частично управляемым вентилем.

Среднее значение выпрямленного импульса I_ср пропорционально заштрихованной площади и зависит от момента отпирания тиристора (от угла ). Таким образом, тиристор обеспечивает не только выпрямление тока, но и регулирование его среднего значения, а следовательно, и мощности (IU), подаваемой в сварочную цепь.

Еще большими возможностями регулирования режимов и управления процессом сварки обладают полностью управляемые вентили – транзисторы. Рассмотрим работу транзистора в цепи переменного тока (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Транзистор в цепи переменного тока

В положительный полупериод, если ток базы отсутствует (I_б = 0), транзистор заперт (это состояние называется «состоянием отсечки») и ток в коллекторе (ток нагрузки R) отсутствует - I = 0. Если в момент ₁ подать ток базы I_б, транзистор из состояния отсечки перейдет в открытое состояние, так как в этот момент его электросопротивление падает до нуля. Поэтому ток нагрузки I скачкообразно принимает максимальное значение и далее растет по синусоиде. Когда в момент ₂ выключается ток базы, сопротивление транзистора резко возрастает и он вновь переходит в состояние отсечки, ток в нагрузке падает до нуля. Среднее значение тока в нагрузке I_ср пропорционально заштрихованной площади и зависит от величины углов ₁ и ₂, т.е. от времени протекания тока базы. Таким образом, транзистор позволяет в широких пределах регулировать среднее значение тока в цепи нагрузки ( в нашем случае – в сварочной цепи). Транзисторные выпрямители дают возможность регулировать тепловложение в свариваемое изделие, т.е. регулировать термический цикл.

4. Защитная аппаратура

Работа вентилей в сварочных выпрямителях сопровождается перегрузками двух видов:

• прямыми токами, когда вентиль открыт;

• обратными напряжениями, когда вентиль заперт.

Перегрузки токами возникают при зажигании дуги контактным способом, при коротких замыканиях дугового промежутка и при крупнокапельном переносе электродного металла через дугу. При падающей внешней характеристике источника ток в эти моменты может превышать номинальные (расчетные) значения в 4-8 раз. Такие перегрузки могут привести к перегреву и пробою вентиля. Особенно опасны длительные перегрузки по току. Для защиты от них в сварочных выпрямителях применяются быстродействующие автоматические контакторы, отключающие выпрямитель от сети. Кроме того, обязательным является принудительное воздушное охлаждение вентилей и применение специальных радиаторов, повышающих интенсивность теплоотвода от вентиля. Искусственное воздушное охлаждение с помощью вентилятора при скорости воздушного потока не менее 6 м/с позволяет увеличить токовую нагрузку на вентиль в 3 раза. В сварочных выпрямителях большой мощности применяют водяное охлаждение вентилей, которое позволяет увеличить токовую нагрузку в 5 раз. Для предотвращения перегрева вентилей при отказе системы охлаждения выпрямители оборудованы тепловым реле, которое при отказе системы охлаждения отключает выпрямитель от сети.

Очень опасны и перегрузки второго вида – по обратному напряжению. Эти сварочные перегрузки возникают в переходных процессах – при переходе вентиля из проводящего состояния в непроводящее и при переходе выпрямителя от режима нагрузки к холостому ходу. Еще более опасное перенапряжение наблюдается при переходе от режима короткого замыкания к холостому ходу, поскольку при этом в цепях трансформатора возникает самая большая ЭДС самоиндукции. Это перенапряжение в обратном полупериоде может в 1,5–2 раза превышать напряжение холостого хода - и может стать причиной пробоя вентиля (рис. 3.12, б). Для снижения перенапряжения и защиты вентиля от пробоя обратным напряжением параллельно вентилю включают конденсатор С (рис. 3.12, а), а для ограничения тока I_обр в цепи конденсатора последовательно с ним соединяется сопротивление (резистор) R. При появлении на выводах вентиля возрастающего обратного напряжения конденсатор С заряжается током I_обр. Затем происходит разряд конденсатора через силовую цепь вентиля в направлении прямого тока. В результате импульс напряжения в переходном процессе снижается на 20-30 %. Такие RC – цепочки включают параллельно плечу выпрямительного блока.

Рис. 3.12. Защита вентилей от перегрузок по напряжению:

а – схема RC-цепочки; б – осциллограмма напряжений: 1 – пик обратного напряжения в цепи вентиля без конденсатора; 2 – пик обратного напряжения в цепи с конденсатором «С»

3. ИНВЕРТОРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Инверторные источники питания для сварки в последнее время получили достаточно широкое распространение в силу ряда преимуществ перед традиционными выпрямителями, о которых будет сказано ниже.

1. Принцип действия выпрямителя с инвертором

Инверторным источником питания называется электротехнический аппарат, одним из основных узлов которого является инвертор. Инвертор – это устройство, преобразующее постоянное напряжение в высокочастотное переменное.

Принцип действия инверторного источника питания ясен из рассмотрения блок-схемы (рис. 3.13).

Напряжение трехфазной сети U_с промышленной частоты преобразуется входным выпрямителем 1 в постоянное повышенное (порядка 500 В) напряжение U_В. Выпрямленное напряжение с помощью инвертора 2 преобразуется в переменное напряжение U_S высокой частоты (десятки килогерц). Переменное высокочастотное напряжение поступает на понижающий высокочастотный трансформатор 3. Вторичная обмотка этого трансформатора подает пониженное переменное высокочастотное напряжение U_П на диодный выпрямитель 4, который через сглаживающий дроссель 5 подключен к сварочной дуге 6.

Рис. 3.13. Блок-схема (а) и диаграмма напряжений по блокам (б)

инверторного источника питания:

1 – входной (сетевой) выпрямитель; 2 – инвертор; 3 – понижающий

высокочастотный трансформатор; 4 – диодный выпрямитель;

5 – сглаживающий дроссель; 6 – сварочная дуга; УБ – управляющий блок

На рис. 3.14 представлена электрическая схема сварочного выпрямителя с двухконтактным транзисторным инвертором. Блоки, обозначенные цифрами, соответствуют блок-схеме (рис. 3.13). Входной выпрямительный блок 1 из шести вентилей преобразует переменное напряжение сети в постоянное, которое сглаживается с помощью низкочастотного фильтра L1, C1. Затем выпрямленное напряжение U_в (рис. 3.13, б) с помощью инвертора 2 на двух транзисторах Т1 и Т2 преобразуется в однофазное переменное высокочастотное напряжение U_S. Далее напряжение понижается трансформатором ТР до U_П, выпрямляется блоком вентилей 4, проходит через высокочастотный фильтр L2, C2 и подается на дугу в виде сглаженного напряжения U_д.

Процесс инвертирования начинается с отпирания одного из транзисторов. При подаче сигнала от управляющего блока УБ на базу транзистора Т1 (рис. 3.14) отпирается его коллекторная цепь и по первичной обмотке трансформатора Т_Р в интервале времени t₁ (рис. 3.13, б) протекает ток I₁. При снятии сигнала с базы этот ток прекращается. Затем с некоторой задержкой отпирается транзистор Т2, при этом в интервале времени t₂ ток I₂ в первичной обмотке трансформатора идет в обратном направлении. Таким образом, на первичной обмотке трансформатора Т_Р идет ток в виде знакопеременных импульсов. Длительность периода и частота переменного тока f = 1/T зависят от частоты запуска транзисторов, задаваемой управляющим блоком. Обычно частота устанавливается в интервале 1-100 кГц. Эта частота не зависит от частоты питающей сети, поэтому такой инвертор называют автономным.

Рис. 3.14. Электрическая схема выпрямителя

с транзисторным инвертором

2. Регулирование режима сварки

В инверторных источниках регулирование режима сварки осуществляется несколькими способами:

• изменением амплитуды импульсов;

• изменением частоты импульсов;

• изменением времени (ширины) импульса.

Амплитудное регулирование применяют при использовании в выпрямительном блоке частично управляемых вентилей – тиристоров за счет изменения времени открытия тиристора (угол  на рис. 3.10). Чем раньше открывается тиристор (чем меньше угол ), тем выше напряжение U_в (рис. 3.13), тем выше амплитуда высокочастотного напряжения U_S и тем выше среднее значение напряжения, подаваемого на дугу U_ср (рис. 3.15, а).

При частотном регулировании изменяется частота запуска транзисторов инвертора – f = 1/Т. С увеличением частоты (уменьшается Т) возрастает среднее значение напряжения на дуге U_ср (рис. 3.15, б).

При регулировании ширины импульса частота импульсов остается постоянной, а меняется ширина импульса за счет изменения времени прохождения базовых токов I₁ и I₂ (рис. 3.14 и рис. 3.15, в). В современных инверторных источниках используются все три способа регулирования режимов сварки.

Внешние характеристики инверторных источников

Различают два вида внешних характеристик инверторных источников – естественные и искусственные.

Рис. 3.15. Осциллограммы при регулировании напряжения, подаваемого

на дугу U_д, изменением амплитуды (а), частоты (б) и ширины (в) импульсов:

А₁ и А₂ – амплитуда; Т₁ и Т₂ – период; t_и – время импульса

Естественная характеристика определяется конструктивными особенностями инвертора 2 и высокочастотного трансформатора 3 (рис. 3.13). Естественная характеристика самого инвертора практически жесткая (линия 1 на рис. 3.16, а). Но поскольку индуктивное сопротивление трансформатора пропорционально частоте инвертированного напряжения U_S (десятки килогерц), подаваемого на трансформатор, то в соответствии с формулой (2.16) естественная характеристика выпрямителя в целом будет падающей (линия 3).

Рис. 3.16. Внешние характеристики выпрямителей с инвертором:

а) 1 и 3 – естественные характеристики инвертора; 2 – искусственная

крутопадающая характеристика;

б) комбинированная внешняя характеристика инверторного источника (пунктиром показано регулирование напряжение на жестом участке (2)

и тока в дуге на участке (3)

Обычно внешние характеристики инверторных источников формируются искусственно с помощью системы управления. Например, для получения крутопадающих характеристик через управляющий блок УБ (рис. 3.13, а) вводится отрицательная обратная связь по току, при которой с увеличением сварочного тока частота инвертирования снижается, что приводит к резкому уменьшению напряжения (линия 2 на рис. 3.16, а).

В выпрямителе с инвертором сравнительно легко получить комбинированную внешнюю характеристику (рис. 3.16, б), сформированную из нескольких участков. Крутопадающий участок 1 необходим для задания сравнительно высокого напряжения холостого хода, что полезно при зажигании дуги. Пологопадающий основной участок 2 обеспечивает эффективное саморегулирование дуги при механизированной сварке в углекислом газе. Вертикальный участок 3 ограничивает сварочный ток, что предотвратит прожог при сварке тонкого металла. Последний участок 4 задает величину тока короткого замыкания. Положение каждого участка настраивается с помощью отдельных регуляторов. Например, при сварке в углекислом газе перемещением по вертикали участка 2 регулируется сварочное напряжение (пунктирные линии), а при сварке покрытыми электродами перемещением участка 3 по горизонтали устанавливается сила тока.

3. Достоинства и недостатки инверторных источников питания

В настоящее время основным направлением развития источников является их качественное совершенствование. В силу ряда достоинств инверторных источников по сравнению с обычными сварочными выпрямителями их доля в общем выпуске сварочных выпрямителей ежегодно растет. Ниже приведены основные достоинства инверторных источников.

1. Высокая эффективность энергопотребления. Хотя в инверторных источниках энергия претерпевает по крайней мере четыре ступени преобразования (выпрямление трехфазного тока, инвертирование в высокую частоту, прохождение через высокочастотный понижающий трансформатор, выпрямление и преобразование энергии в периодические импульсы), такой источник экономичен и весьма перспективен. Его коэффициент мощности близок к единице, КПД не ниже 0,7, а в новейших источниках достигает 0,9.

2. Высокое быстродействие. Если у неинверторного однофазного выпрямителя длительность переходного процесса составляет не менее полупериода переменного тока стандартной частоты (т.е. около 0,01 с), то у выпрямителя с инвертором быстродействие характеризуется значениями 0,0005 с и меньше. Это позволяет при механизированной сварке в углекислом газе задавать сложный алгоритм изменения тока, управлять переносом электродного металла в различных пространственных положениях, уменьшать его разбрызгивание, управлять формированием шва с помощью пульсирующей дуги, управлять термическим циклом при сварке сталей, чувствительных к термическим циклам и др.

3. Малая материалоемкость. Питание понижающего трансформатора 3 (рис. 3.13) напряжением высокой частоты позволяет существенно снизить массу и объем активных материалов (трансформаторное железо сердечника, медные провода обмоток), идущих на изготовление трансформатора. Масса сердечника трансформатора связана с частотой соотношением , поэтому сердечник высокочастотного трансформатора весит в десятки раз меньше сердечника трансформатора на 50 Гц. Так, при частоте питающего напряжения 10 кГц масса и габариты трансформатора, по сравнению с частотой 50 Гц, уменьшаются примерно в 3 раза, а при частоте 50 кГц – уже в 15-17 раз. Например, расчетная масса трансформатора мощностью 20 кВА при питании напряжением с частотой 50 Гц составляет 120 кг, а при частоте 50 Гц – 7 кг. Такое уменьшение активных материалов в инверторных источниках обусловливает существенное (в 25 раз) снижение потерь мощности и получение высоких массо-энергетических характеристик: 0,3 – 1 кг на 1 кВт потребляемой мощности для инверторного источника и 6-7 кг/кВт для обычных выпрямителей. Такие характеристики позволяют эффективно использовать инверторные источники там, где определяющее значение имеют малая масса и габариты источника, например, при сварке на монтаже, в быту, на ремонтных работах.

Недостатки инверторных источников.

1. Высокая стоимость.

2. Более низкие надежность и ремонтопригодность (из-за сложности конструкции).

3. Повышенный шум, издаваемый высокочастотным трансформатором, выходным фильтром и дугой. Для борьбы с этим шумом рекомендуется использовать частоту инвертирования более 20 кГц, что выводит акустический эффект за пределы слышимости звука.

0. 3.4. МНОГОПОСТОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Многопостовые источники служат для одновременного снабжения энергией нескольких сварочных постов при наличии большого их количества в цехе. Многопостовые сварочные трансформаторы в настоящее время серийно не выпускаются, а имеющиеся в эксплуатации постепенно заменяются многопостовыми выпрямителями.

Многопостовые выпрямительные системы изготавливают на токи 630, 800, 1000, 1250, 1600, 3150, 4000 и 5000 А для питания от 4 до 30 сварочных постов. По назначению различают системы для ручной сварки, для механизированной сварки в защитном газе и универсальные.

Система имеет общий источник 1, питающий от 4 до 30 сварочных постов. С помощью шинопровода 2 (рис. 3.17) напряжение U_о от источника подводится к постам, на каждом из которых имеются постовые регулирующие устройства 3. С целью уменьшения затрат на кабель шинопровод, как правило, выполняется общим для всего цеха в виде голых медных шин прямоугольного сечения, проложенных по стене. Сечение F шинопровода рассчитывается так, чтобы у самого отдаленного потребителя напряжение от источника U_о не снизилось более чем на 5 %:

, (3.4)

где U_о - напряжение холостого хода на клеммах многопостового источника; I_д – величина сварочного тока на отдельном посту;  - удельное электросопротивление материала шинопровода; L – расстояние самого дальнего поста от источника.

Рис. 3.17. Схема многопостовой выпрямительной системы:

1 – сварочный выпрямитель; 2 – шинопровод; 3 – постовые регулирующие

устройства

1. Преимущества многопостовой системы питания

перед однопостовой

В основном они определяются экономическими показателями:

1. стоимостью многопостового выпрямителя, которая существенно меньше суммарной стоимости заменяемых им однопостовых выпрямителей;

2. более эффективным использованием производственных площадей;

3. меньшей стоимостью затрат на ремонт и обслуживание;

4. более высокой надежностью и лучшими условиями промышленной безопасности, лучшими экологическими условиями.

При однопостовой системе на каждом сварочном посту размещен сварочный выпрямитель – источник шума. Многопостовой же выпрямитель можно установить в отдельном звукоизолированном помещении.

Число постов n, которое можно подключить к многопостовому выпрямителю, зависит от мощности выпрямителя, которая пропорциональна номинальному току выпрямителя I_Н, от величины тока I_д, потребляемого одним постом, и от коэффициента, учитывающего вероятность одновременной сварки на нескольких постах k_o (коэффициент одновременности):

. (3.5)

Коэффициент одновременности зависит от способа сварки. Например, для ручной сварки штучными электродами или для автоматической сварки, когда время сварки и время перерывов, затрачиваемое на смену израсходованных электродов, очистку швов от шлака и т.п., примерно равны k_o = 0,5- 0,7. Для механизированной сварки в защитных газах k_o = 0,7- 0,9.

К недостаткам многопостовой системы следует отнести ее низкий КПД, который из-за потерь в балластных реостатах находится на уровне 0,4-0,75. Кроме того, в случае выхода из строя многопостового выпрямителя существует опасность массового простоя.

0. 3.4.2. Регулирование режимов сварки на отдельном посту

Многопостовая система питания должна обеспечивать независимость работы отдельных постов друг от друга. Поэтому внешняя характеристика многопостового сварочного источника должна быть жесткой. При падающей характеристике короткое замыкание (напряжение на дуге падает до нуля) или горение дуги (обычно U_д = 15-30 В) вызвали бы снижение напряжения на клеммах источника и погасание дуги на других постах. Кроме того, для надежного зажигания дуги напряжение в момент зажигания должно быть не ниже 80 В. В то же время для предохранения оборудования от перегрузок при контактном возбуждении дуги ток короткого замыкания должен быть ограничен.

Существует два варианта многопостовых систем:

1. многопостовой выпрямитель, состоящий из трансформатора Т и силового выпрямительного блока V (рис. 3.18, а). С помощью балластных реостатов R1, R2 или полупроводникового постового регулятора формируется падающая характеристика на посту и осуществляется автономное регулирование режимов сварки;

2. многопостовой трансформатор Т с постовыми управляемыми выпрямительными блоками (рис. 3.18, б), которые позволяют автономно формировать на посту падающую, жесткую, возрастающую и комбинированную, подобно показанной на рис. 3.16, б, вольтамперные характеристики.

Наибольшее распространение получил более простой первый вариант – с балластными реостатами. Уравнение вольтамперной характеристики на отдельном посту (рис. 3.19):

. (3.6)

Рис. 3.18. Принципиальные схемы многопостовых выпрямительных

систем: а – с постовыми регуляторами; б – с постовыми выпрямительными

блоками; Т – трансформатор; V – многопостовой выпрямительный блок;

R1, R2 – балластные реостаты; L – дроссели; VT – транзистор; VD – диод; V_п – постовой выпрямитель с тиристорными вентилями

Рис. 3.19. Внешняя характеристика поста с балластным реостатом

С ростом сварочного тока I_д увеличиваются потери напряжения на балластном реостате I_дR_б и снижается напряжение поста. При малом сопротивлении реостата R_б1 получают пологопадающие характеристики, необходимые при сварке в защитном газе, при большом сопротивлении - крутопадающие характеристики, используемые при ручной сварке.

Балластный реостат представляет собой набор параллельно соединенных резисторов, подключаемых к нагрузке с помощью рубильников S1-S7 (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Балластный реостат РБ-306

При различных комбинациях включенных рубильников реостат меняет сопротивление от 0,1 до 5 Ом. Вблизи каждого рубильника указана сила тока (6, 10, 20 и т.д.), получаемая на посту при его включении. Другие значения токов в интервале от 6 до 316 А получаются суммированием величин, соответствующих одновременно включенным рубильникам. Например, если требуется установить величину сварочного тока 126 А, то необходимо включить рубильники S1, S4 и S5.