Выпрямители с падающей вольтамперной характеристикой

Сварочные выпрямители с падающей внешней характеристикой используются для ручной дуговой сварки покрытыми электродами и автоматической сварки под флюсом. Допустимо их использование для сварки неплавящимся электродом в среде защитных газов, плазменной сварки и резки, воздушно-дуговой резки.

Выпрямители с падающей формой ВАХ могут быть классифицированы по способу получения падающей характеристики. Это выпрямители:

– с трансформатором с подвижными обмотками;

– с трансформатором с подвижным магнитным шунтом;

– с трансформатором с подмагничиваемым магнитным шунтом;

– с дросселем насыщения.

Падающую форму ВАХ обычно получают на стадии переменного тока при помощи трансформаторов с нормальным магнитным рассеянием в сочетании с дросселем насыщения, трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием, а также тиристорного выпрямительного блока.

В большинстве случаев падающая характеристика формируется на стадии переменного тока при помощи трансформатора с подвижными катушками за счет изменения индуктивности рассеяния путем изменения расстояния между подвижными и неподвижными обмотками. Три первичных и три вторичных обмотки расположены на Ш-образном магнитном сердечнике трехфазного трансформатора. Верхнее ярмо сердечника состоит из двух пакетов, между которыми проходит ходовой винт с закрепленным внизу подпятником. При вращении ходового винта происходит перемещение катушек фаз первичной обмотки. Катушки фаз вторичной обмотки закреплены неподвижно у верхнего ярма. Рукоятка ходового винта и шкала сварочного тока находятся на крышке выпрямителя. При повороте рукоятки по часовой стрелке происходит сближение катушек фаз обмоток и увеличение сварочного тока вследствие уменьшения индуктивного рассеяния. Напряжение холостого хода при этом изменяется незначительно.

Чаще всего применяют выпрямители на базе трансформаторов с увеличенным магнитным рассеянием – выпрямители серии ВД.

Сварочный выпрямитель ВД-301 представляет собой передвижную установку в однокорпусном исполнении, обеспечивающую преобразование энергии трехфазной сети в энергию выпрямленного тока.

Выпрямитель включает в себя силовой понижающий 3-х фазный трансформатор, выпрямительный блок, пусковую и защитную аппаратуру. Принципиальная электрическая схема выпрямителя показана на рис. 4.2.

Силовой трехфазный понижающий трансформатор выполнен с подвижными алюминиевыми катушками. Катушки первичной обмотки подвижные, а вторичные – неподвижные и закреплены у верхнего ярма. У выпрямителя марки ВД-306 неподвижная обмотка – первичная, подвижная – вторичная. Первичные катушки перемещаются при помощи винта, рукоятка которого выведена на верхнюю панель корпуса выпрямителя. С помощью переключателя диапазонов осуществляется переход от схемы λ/λ (малые токи) к схеме Δ/Δ (большие токи), при этом сварочный ток увеличивается приблизительно в три раза.

Рис. 4.2. Принципиальная схема выпрямителя ВД-301

В выпрямителях ВД-306 имеется блокировка переключателя ступеней регулирования. В переключатель ступеней регулирования встроен микровыключатель. Если переключение ступеней производится при неотключенном выпрямителе, контакт микровыключателя обрывает цепь питания магнитного пускателя, и выпрямитель отключается от сети. Выпрямительный блок собран из 6 кремниевых вентилей ВК-200 или В2-200 по трехфазной мостовой схеме. Вентилятор обеспечивает их охлаждение воздушным потоком со скоростью 5 м/с. Для пуска выпрямителя включают двигатель вентилятора, при этом воздушный поток нажимает на лопатку реле контроля S₃ и замыкает его контакт, в результате срабатывает пускатель К₂,и силовая часть подключается к сети. Защита вентилей от перенапряжений, имеющих место при переходе от рабочего режима или короткого замыкания к холостому ходу, при коммутации тока с вентиля на вентиль, а также при выключении трансформатора в режиме холостого хода, обеспечивается цепочками R – С, включаемых параллельно каждому плечу выпрямительного блока. Для отключения выпрямителя при пробое одного из вентилей или замыкании вторичной обмотки на корпус используется защита, состоящая из магнитного усилителя МУ, вспомогательного трансформатора Т₂ и реле К₁. В аварийных случаях во вторичных линейных проводах, пропущенных в окне МУ, появляется постоянная составляющая тока. В результате этого насыщается сердечник МУ, уменьшается индуктивное сопротивление обмоток переменного тока МУ и срабатывает реле К₁, отключающее с помощью k_1.2 выпрямитель от сети. Для снижения уровня помех радиоприема используется емкостный фильтр. Достоинством такого выпрямителя являются простота и дешевизна конструкции. Главным недостатком является зависимость режима сварки от колебаний напряжения сети. Выпрямитель ВД-301 в настоящее время не выпускается.

Выпрямитель ВД-306, типичный представитель вышеописанной схемы, показан на рис. 4.3. На тележке 1 установлен трехфазный трансформатор 3 с алюминиевыми обмотками. Первичные обмотки для плавного регулирования тока перемещаются с помощью ручного винтового привода 8. С помощью переключателя диапазонов 9 ток регулируется ступенчато. Выпрямительный блок 2 охлаждается вентилятором 4. На лицевой панели выпрямителя установлены амперметр 5, сигнальная лампа 6, кнопки 7 «пуск» и «стоп». В нижней части выпрямителя имеются штепсельный разъем 10 для подключения к сети, болт заземления 11 и токовые разъемы 12 сварочной цепи.

а)

б) в)

Рис. 4.3. Выпрямитель ВД-306 У3: а – принципиальная схема; : б – конструкция;
в – внешние характеристики

По принципиальной схеме рис. 4.4, б изучим работу выпрямителя. При подаче сетевого напряжения срабатывает сигнальная лампа Н. Для пуска выпрямителя предназначена кнопка S2, при нажатии на нее срабатывает контактор КМ, силовые контакты которого подают питание на двигатель вентилятора М и силовой трансформатор Т. При правильном направлении потока воздуха ветровое реле SF1 срабатывает и блокирует кнопку S2. Для выключения выпрямителя предусмотрена кнопка S1. Первичные и вторичные обмотки трансформатора могут быть соединены переключателем S3 звездой или треугольником. В переключатель встроен микровыключатель SF2, разрывающий цепь катушки контактора при переключении, поскольку под нагрузкой переключать соединение обмоток нельзя. Выпрямительный блок V представляет собой комплектный модуль с двумя охладителями и запрессованными в них диодами. Трехфазная мостовая схема выпрямителя содержит 10 диодов Д204 в каждом плече. Каждый диод снабжен предохранительной перемычкой, перегорающей при выходе из строя вентиля, выпрямитель продолжает работать даже после выхода из строя нескольких диодов. Амперметр РА подключен к шунту RS. Защита выпрямителя от перегрузок по току осуществляется тепловым реле КМF контактора КМ, цепи управления защищены плавкими предохранителями F1-F3. Для защиты выпрямительного блока от коммутационных перенапряжений служит фильтр R2 – R3 – С. Внешние характеристики выпрямителя приведены на рис. 4.25, в.

Такую же конструкцию имеют серийные выпрямители ВД-201, ВД-251, ВД‑307 и ВД-403, а также выпрямитель ВДФ-1201, предназначенный для сварки под флюсом.

Технико-экономические показатели таких выпрямителей достаточно высокие, хотя и хуже, чем у трансформатора. Так, в номинальном режиме КПД составляет 0,6–0,75, коэффициент мощности – 0,5–0,7, поэтому удельный расход электроэнергии достигает 4–6 кВт·ч на 1 кг расплавленного электродного металла.

Следующей разновидностью выпрямителей являются: выпрямители на базе трансформаторов с магнитным перемещающимся (ИПП-40В, ИПП-120В, ИПП‑300В) или неподвижным подмагничиваемым (ИПП-500В) шунтом.

Основой этих выпрямителей являются трансформатор с увеличенным магнитным рассеянием, жестко закрепленные первичные и вторичные обмотки и подвижный магнитный шунт. Обмотки намотаны алюминиевым проводом. Регулировка сварочного тока и получение падающей формы ВАХ возможны благодаря большому магнитному рассеянию трансформатора, вызываемого разнесением первичных и вторичных обмоток на значительное расстояние и наличием магнитного шунта.

При выдвижении шунта магнитное сопротивление в цепи потоков рассеяния и индуктивное сопротивление трансформатора изменяются, изменяется (регулируется) и сварочный ток, Шунт может быть неподвижным, в этом случае он должен подмагничиваться с помощью обмотки постоянного тока.

Выпрямительный блок собран до трехфазной мостовой схеме из кремневых вентилей ВК-200. Выпрямитель снабжен вентилятором и воздушным реле.

Основное достоинство такой конструкции – широкие пределы регулирования тока. Правда, достигается это при очень малых зазорах между стержнем и шунтом (около 0,5 мм). Главный недостаток – значительная несимметрия фазных токов и напряжений и, следовательно, большая пульсация сварочного тока. Так, во вторичной обмотке на среднем стержне ток на 20–25 % выше, чем на крайних.

Кроме вышеописанных конструкции выпрямителей падающую форму ВАХ могут иметь выпрямители, с трансформатором с дросселем насыщения. Рассмотрим их устройство на примере выпрямителя ВД-502 (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Принципиальная схема выпрямителя ВД-502

Основой выпрямителя служит трехфазный трансформатор стержневого типа с нормальным магнитным рассеянием Т₁. Обмотки трансформатора выполнены алюминиевым проводом марки АСПДП. Первичная обмотка W₁ имеет отпайку и включается «треугольником» с большим или меньшим количеством витков. Ступенчатое регулирование производится переключателем S₁, причем соединение с большим числом витков соответствует диапазону «малых токов». Силовой выпрямительный блок V₁–V₆ собран по трехфазной мостовой схеме на кремниевых вентилях ВК-200. Падающая форма ВАХ формируется с помощью трехфазного симметричного дросселя насыщения Др₁. Вентили выпрямительного блока включены последовательно с каждой из рабочих обмоток дросселя, по обмоткам L₁ идет постояный ток. Такой дроссель называется дросселем с самоподмагничиванием. Обмотка управления дросселя W_у питается от тиристорного регулятора V₁₄ путем изменения угла открытия тиристора производится регулирование тока подмагничивания. Тиристор управляется формирователем пилообразного напряжения ФПН. Этот блок состоит из транзистора V₁₂, конденсатора C₅, динистора V₁₃. При помощи магнитного усилителя в этот регулятор введена обратная связь, по току, что позволяет стабилизировать ток при колебаниях напряжения сети. Увеличение тока подмагничивания дросселя приводит к увеличению сварочного тока и наоборот. В комплект выпрямителя также входят блок защиты, аналогичный блоку защиты ВД‑306, вентилятор с ветровым реле, стабилизатор напряжения и дистанционный пульт управления.

В последние годы все более широкое распространение получают инверторные источники питания. Из отечественных источников с транзисторным инвертором следует отметить выпрямители ДС140.3 и ДС250.3. Последний собран по однотактной полумостовой схеме с широтно-импульсным регулированием и предназначен для ручной дуговой сварки, в том числе, на импульсном режиме.
Он имеет кроме плавного регулирования сварочного тока еще и независимую настройку тока короткого замыкания. предусмотрено также форсирование режима при зажигании дуги и снижение напряжения холостого хода до безопасного значения.