Однопостовые выпрямители с жесткой (пологопадающей) вольтамперной характеристикой

Сварочные выпрямители с жесткими и пологопадающими внешними характеристиками предназначаются для дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитных газов.

Необходимость применения источников питания с жесткой характеристикой объясняется следующими обстоятельствами.

Процесс переноса металла с электрода в шов носит капельный характер и в большинстве случаев, особенно при использовании в качестве защитной среды углекислого газа, сопровождается периодическими короткими замыканиями дугового промежутка. Для облегчения отрыва капли и обеспечения качественного формирования шва необходимо, чтобы ток короткого замыкания был в несколько раз больше тока горения дуги.

Высокие значения скорости плавления электрода и частоты коротких замыканий не позволяют использовать систему регулирования с зависимой от напряжения дуги скорости подачи электрода, как, например, при сварке под слоем флюса. Поэтому стабилизация режима горения дуги обеспечивается за счет явления саморегулирования, которое протекает более устойчиво, если источник питания имеет жесткие или пологопадаюшие характеристики.

Капельный перенос металла с периодическими короткими замыканиями дугового промежутка налагает особые требования к динамическим свойствам источника питания и, в первую очередь, к скорости нарастания тока короткого замыкания. При замыкании дугового промежутка нарастание тока происходит с излишне высокой скоростью, ток за время существования короткого замыкания достигает чрезмерно большого значения, что приводит к взрывообразному разрушению перемычки между каплей и торцом электрода, в результате чего процесс сварки сопровождается сильным разбрызгиванием, угаром металла и нарушается формирование сварного шва. Динамические свойства выпрямителя можно значительно улучшить, включив в цепь нагрузки дроссель, ограничивающий скорость нарастания тока короткого замыкания. Однако слишком малая скорость нарастания также нежелательна, т.к. может стать причиной затяжки стадии отрыва капли, в результате чего в жидкую ванну могут поступать участки нерасплавившейся электродной проволоки. Существует некоторое оптимальное значение индуктивности дросселя. Поэтому выпрямители содержат дроссель с регулируемой (плавно или ступенчато) индуктивностью.

Силовая часть сварочного выпрямителя с жесткими или пологопадаюшими характеристиками содержит силовой трансформатор, выпрямительный блок, регулятор напряжения и сглаживающий дроссель.

Силовые трансформаторы рассматриваемых сварочных выпрямителей имеют конструкцию с концентричным расположением первичных и вторичных обмоток, при которой их индуктивные сопротивления рассеяния минимальны.

Выпрямительные блоки собираются обычно по трехфазным мостовым схемам, обеспечивающим незначительную пульсацию выпрямленного напряжения, что повышает устойчивость горения дуги. В блоках могут использоваться как селеновые, так и кремниевые вентили. Однако кремниевые вентили, хотя и имеют меньшие потери и размеры, плохо выдерживают длительные перегрузки, имеющие место при коротких замыканиях дугового промежутка, и вследствие этого должны иметь быстродействующую защиту, срабатывающую при случайных коротких замыканиях, длительность которых превышает длительность периодических замыканий при сварке. Поэтому в большинстве ранее выпускавшихся выпрямителей использовали селеновые вентили, обладающие лучшей перегрузочной способностью. Регулирование силы тока осуществляется изменением скорости подачи электродной проволоки. В таких источниках в основном регулируется напряжение холостого хода и, следовательно, рабочее напряжение.

Регулирование напряжения может осуществляться несколькими способами:

– секционированием первичных обмоток силового трансформатора (выпрямители типа ВС);

– применением вольтодобавочного трансформатора, вторичные обмотки которого включаются последовательно со вторичными обмотками силового трансформатора (выпрямители типа ВСК и ИПП);

– применением дросселя насыщения (магнитного усилителя), включенного между силовым трансформатором и выпрямительным блоком (выпрямители типа ВДГ);

– использованием силовых трансформаторов специальной конструкции с регулируемой магнитной коммутацией (выпрямители типа ВСЖ);

– использованием в выпрямительном блоке управляемых кремниевых вентилей-тиристоров (выпрямители типа ВДУ и ВСП).

Выпрямитель с трансформатором с секционированными обмотками типа ВС состоит из трехфазного понижающего трансформатора Тр, переключателя ступеней S, силового выпрямительного блока V и дросселя L.

В выпрямителе ВС-300 (рис. 4.5) трехфазный понижающий трансформатор с нормальным магнитным рассеянием имеет соединение обмоток «звезда – треугольник». Напряжение холостого хода изменяется трехполюсными переключателями грубой S₁ (три ступени) и плавной S₂ (8 ступеней) регулировки за 24 ступени от 20 до 40 В с шагом около 1 В, т.е. почти плавно. Выпрямительный блок V собран по трехфазной мостовой схеме из селеновых шайб размером 100х400 мм. Для снижения разбрызгивания в цепь выпрямленного тока включен нерегулируемый дроссель L с постоянным воздушным зазором. В комплект выпрямителя входят также вентилятор М и реле контроля вентиляции Pв.

Рис. 4.5. Принципиальная схема выпрямителя ВС

По аналогичной схеме собран выпрямитель ВС-600, но он имеет три переключателя и 27 ступеней регулирования.

Ранее в больших количествах выпускались подобные выпрямители ВС-200, ВС-300, ВС-400, ВС-500, ВС-600. Выпрямители ВСП-140 и ВДГ-163 имеют более простое устройство – трансформатор с витковым регулированием и однофазный мостовой блок из кремниевых вентилей, они питаются от сети напряжением 220 В. Витковое регулирование имеют также выпрямители ВДГ-304, ВСП-500 и
ВДГ-506-1.

Ограниченное применение нашли выпрямители с вольтодобавочными трансформаторами типов ИПП и ВСК.

Более широкое применение нашли выпрямители с дросселем насыщения. Представителем данного типа является, например, выпрямитель ВДГ-301.

Плавное регулирование напряжения в выпрямителе производится посредством дросселя насыщения с самоподмагничиванием. Простейший однофазный дроссель насыщения представлен на рис. 4.6.

а) б) в)

Рис. 4.6. Дроссель с самонасыщением: а – схема; б – идеализированная кривая намагничивания железа дросселя; в – внешняя характеристика выпрямителя

Дроссель имеет три обмотки: рабочую (ОР) Wp, включенную через диод VD выпрямительного блока последовательно с нагрузкой, а также обмотки смещения (ОСМ) Wсми управления (ОУ) Wу, питаемые постоянным током. В цепи обмотки управления имеется регулировочный реостат Rу.

Намагничивающие силы рабочих обмоток и обмотки управления совпадают (рис. 4.8, б). Обычно обмотка управления создает небольшую намагничивающую силу IуWу, соответствующую точке D, так что при холостом ходе дроссель ненасыщен. При малых сварочных токах, когда намагничивающая сила рабочей обмотки IpWp малаи рабочая точка, соответствующая суммарной намагничивающей силе W = IyWy+IpWp, остается левее точки Е, дроссель также не насыщен и рабочая обмотка имеет большое индуктивное сопротивление. Внешняя характеристика выпрямителя на участке D¹Е¹ – крутопадающая. При дальнейшем увеличении сварочного тока дроссель придет в насыщенное состояние точки F. При изменении сварочного тока положение рабочей точки смещается, но изменение потока ΔФ и величина противоЭДС Едр остаются постоянными так же, как и выпрямленное напряжение Uд=U₀-Eдр. Таким образом, внешняя характеристика на участке получается жесткой.

Так как насыщение обеспечивается рабочими обмотками, по которым протекает сварочный ток, такую конструкцию называют дросселем с самонасыщением или с самоподмагничиванием или с внутренней обратной связью по току или магнитным усилителем. Плавное регулирование режима осуществляется обмоткой управления ОУ. С ростом тока управления точка D (рис. 4.34, б) смещается вверх вположение D1, поэтому уменьшаются ΔФ и Едр, увеличивается Uд, а внешняя характеристика смещается в положение .

Самоподмагничивание приводит к насыщению сердечника даже при малом токе управления, что сильно сужает диапазон регулирования напряжения. Для получения малых напряжений пришлось бы менять направление тока в обмотке управления, что трудно осуществимо. Этот недостаток устраняется с помощью нерегулируемой обмотки смещения (ОСМ) снамагничивающей силой, которая создает на сердечнике поток, направленный встречно потокам обмоток ОР и ОУ.

Упрощенная принципиальная электрическая схема выпрямителя ВДГ-301 представлена на рис. 4.7.

Силовой трехфазный трансформатор с нормальным рассеянием имеет первичные обмотки, соединенные по схеме «звезда – звезда». Вторичные обмотки имеют три отвода, что позволяет с помощью переключателя получать ступени регулирования.

Силовой выпрямительный блок собран по трехфазной мостовой схеме на селеновых вентилях. Последовательно с вентилями включены шесть рабочих обмоток дросселя насыщения – усилителя магнитного (Wa₁-Wa₂; Wb₁-Wb₂; Wc₁-Wc₂), каждая из которых намотана на сердечник из электротехнической стали.

Обмотки смещения Wсм и управления Wу общие, они охватывают все шесть сердечников магнитного усилителя с рабочими обмотками. Обмотка смещения Wсм подключена к выпрямителю V₃ через подстроечный резистор R₁. Выпрямитель V₂ питается от вторичных обмоток силового трансформатора Т₁.

Рис. 4.7. Принципиальная схема выпрямителя ВДГ-301

Обмотка управления Wy питается через потенциометр R₁ от выпрямителя V₂, стабилизированного феррорезонансным стабилизатором G. Выходное напряжение силового выпрямителя зависит от тока управления магнитного усилителя, который регулируется потенциометром R₂. Охлаждение выпрямителя принудительное. Нормальная работа системы охлаждения регулируется флажковым реле P_b. При отсутствии или неправильном направлении воздушного потока контакт этого реле К_1.4 вцепи магнитного пускателя К₁ разомкнут и контакты пускателя К_1.1, К_1.2, К_1.3 силовой трансформатор в сеть не включают.

В цепи нагрузки силового выпрямителя имеется сглаживающий дроссель L, ограничивающий скорость нарастания тока при периодических коротких замыканиях дугового промежутка каплями электродного металла. Обмотка дросселя имеет две катушки. При последовательном соединении индуктивность дросселя составляет примерно 0,5·10^–3 Гн, что является оптимальным для сварки проволокой диаметром 1,6–2,0 мм. При сварке проволокой диаметром 1,0–1,2 мм включается одна катушка, индуктивность дросселя составляет при этом около 15·10^–3 Гн. На входе выпрямителя включен емкостной фильтр С₁–С_З, снижающий уровень помех радиоприема.

Серийно выпускаемый выпрямитель ВДГ-303-3представлен электрической схемой (рис. 4.8). В выпрямителе предусмотрено комбинированное регулирование напряжения: ступенчатое – переключением первичных обмоток трансформатора Т и плавное – реостатом R1 в цепи обмотки управления ОУ дросселя насыщения. Пакетно-кулачковый переключатель S обеспечивает три ступени выпрямленного напряжения. На первой ступени части первичных обмоток соединяются треугольником, это обеспечивает максимальное выпрямленное напряжение. На второй ступени треугольником соединяются уже полные первичные обмотки. На третьей ступени при соединении обмоток звездой получают минимальное напряжение. Дроссель насыщения L1-L6 выполнен на шести витых разрезных сердечниках, на каждом из которых намотано по одной рабочей обмотке. Три последовательно соединенных катушки обмотки управления ОУ охватывают каждая по два сердечника. Так же выполнена и обмотка смещения ОСМ. Обмотка управления питается от блока управления А стабилизированным напряжением через регулировочный реостат R1. Обмотка смещения питается от вторичных обмоток силового трансформатора через выпрямительный блок V2 и нерегулируемый резистор R2. Силовой выпрямительный блок V3 собран по трехфазной мостовой схеме из 6 кремниевых диодов В2-200-3.

Рис. 4.8. Упрощенная принципиальная схема выпрямителя ВДГ-303-3 УЗ

Последовательно с диодами включены рабочие обмотки ОР дросселя насыщения, что и обеспечивает формирование характеристик особой формы, причем на жестком участке наклон не превышает 0,04 В/А. Сглаживающий дроссель L7 снижает разбрызгивание электродного металла и повышает стабильность сварочного процесса, его индуктивность плавно и автоматически регулируется в зависимости от режима сварки. Выпрямитель снабжен быстродействующим автоматическим выключателем QF, магнитным пускателем К, приборами PV и PA, атакже не показанными на схеме вентилятором, пусковой аппаратурой и аппаратурой питания приводов полуавтомата для механизированной сварки в углекислом газе.

Сварочные свойства выпрямителя с дросселем насыщениядостаточно высоки. Повышенное напряжение холостого хода, в 1,5–3 раза превышающее сварочное, способствует надежному начальному зажиганию. Устойчивое горение дуги наблюдается во всем диапазоне регулирования напряжения за исключением самого низкого напряжения – здесь, как и при фазовом регулировании, наблюдается режим прерывистого тока. Для устранения этого дефекта глубину плавного регулирования снижают, дополняя его ступенчатым. Кроме того, устойчивости процесса способствует и специальный сглаживающий дроссель, который ликвидирует провалы в кривой сварочного тока после короткого замыкания. Индуктивность дросселя, достигающая 0,5 мГн при высоких сварочных режимах, автоматически снижается при низких режимах. Это позволяет уменьшить разбрызгивание во всем диапазоне регулирования. Кратность плавно-ступенчатого регулирования сварочного напряжения превышает 2,5, что вполне отвечает технологическим требованиям.