Ограничитель напряжения холостого хода трансформатора

Для проведения ручной дуговой сварки на открытом воздухе, в особо опасных помещениях, в особо опасных условиях работы (внутри металлических емкостей, в колодцах, туннелях, шахтах и т.п., а также в неудобной позе или лежа) для обеспечения безопасности при смене электродов трансформатор должен быть снабжен ограничителем холостого хода, снижающий напряжение холостого хода на выходных зажимах сварочной цепи до значений не превышающего 12 В, не позже, чем через 1 сек. после погасания сварочной дуги.

Повторное прикосновение электрода к изделию должно вызывать переключение схемы управления трансформатором из режима холостого хода в рабочем режиме. Время включения не должно превышать 0,2 сек.

Устройство рассчитано на достаточно большое сопротивление R_ВКЛ сварочной цепи с учетом возможного загрязнения свариваемого изделия и ржавчины.

При увеличении сопротивления сварочной цепи до значения R_ВЫКЛ должно произойти с выдержкой времени переключения с рабочего режима в режим холостого хода. R_ВЫКЛ эквивалентна минимально возможному электрическому сопротивлению тела человека.

Промышленностью выпускается ограничитель напряжения холостого хода УСНТ-06У, который навешивается на лицевую панель трансформатора ТДМ.

В тиристорных трансформаторах вопрос ограничения холостого хода решается с помощью схемы управления, т.к. имеется возможность фазового регулирования напряжения.

Компенсация реактивной мощности

Сварочные трансформаторы являются потребителями энергии с низким коэффициентом мощности. Коэффициент мощности трансформаторов для ручной дуговой сварки, которые обычно не отключаются от сети при холостом ходе, можно увеличить, подключив параллельно первичной обмотке трансформатора конусный конденсатор соответствующей мощности.

Это реализовано в трансформаторе ТД-502 и ТДМ-503-2, где параллельно первичной цепи подключен конденсатор с реактивной мощностью 9,4 кВар,

Его cosφ=0,86 при ПН=100% и 0,98 при ПН=60%, тогда как без него φ=0,65÷0,7.

ВЫПРЯМИТЕЛИ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Общие сведения

Большой прогресс, достигнутый в области полупроводниковой техники (диодов и тиристоров) на значительные напряжения и токи, привел к разработке и широкому распространению однопостовых и многопостовых выпрямителей для всех видов дуговой сварки. Сварочные выпрямители обладают значительными преимуществами перед электромашинными преобразователями: высокими сварочными качествами за счет повышения стабильности горения дуги и уменьшения разбрызгивания металла; высоким КПД и меньшими потерями холостого хода; широкими пределами регулирования тока и напряжения; возможностью автоматизации и программирования сварочного процесса; отсутствием вращающихся частей и потребности в фундаментах.

Однопостовые выпрямители могут быть разделены на следующие группы:

с падающими внешними характеристиками для ручной дуговой сварки и механизированной сварки под флюсом;

с жесткими внешними характеристиками для механизированной сварки плавящимся электродом в защитных газах и под флюсом;

с универсальными внешними характеристиками, крутопадающими и жесткими, для всех видов сварки.

Выпускаемые выпрямители имеют различные системы регулирования тока и напряжения. Наибольшее распространение получили механическое регулирование, регулирование дросселями насыщения, тиристорное, ступенчатое за счет изменения коэффициента трансформации силового трансформатора и балластными реостатами.

Схемы выпрямления

Подавляющее большинство выпрямителей для дуговой сварки выпускаются с питанием от трехфазной сети и, соответственно, с применением трехфазных и шестифазных схем выпрямления.

Основными параметрами и соотношениями, характеризующими схему выпрямления, являются:

действующие значения фазного (линейного) вторичного напряжения трансформатора U_2ф (U_2л) в зависимости от напряжения холостого хода выпрямителя U_хх;

амплитудное значение обратного напряжения на вентиле U_{обр m};

действующее значение фазного (линейного) тока вторичных обмоток трансформатора I₂ в зависимости от номинального выпрямленного тока I_d с учетом работы вентилей и угла коммутации;

среднее значение выпрямленного тока через вентиль I_в.ср;

действующее I_В и максимальное I_вm значение тока через вентиль;

действующее значение тока первичной обмотки I₁;

расчетные мощности первичных Р₁ и вторичных Р₂ обмоток трансформатора, определяемые напряжением холостого хода выпрямителя и током нагрузки.

Трехфазная мостовая схема выпрямления. Это наиболее распространенная схема в выпрямителях с жесткими и падающими внешними характеристиками. Схема обеспечивает простую конструкцию трансформатора, состоящего из трех первичных и трех вторичных обмоток, и наиболее эффективное его использование. Обмотки трансформатора могут включаться треугольником или звездой.

На рис.3.1 приведена трехфазная мостовая схема выпрямления. Как видно из рисунка в точке 1 включается вентиль VD1, как имеющий наибольший положительный потенциал вентилей катодной группы по отношению к нулевой точке сетевого напряжения трансформатора (катодной группой называются вентили с общим катодом, а анодной группой – с общим анодом). С этим диодом в паре работает вентиль VD5 фазы В, имеющий наибольший отрицательный потенциал из всех вентилей анодной группы.

Рис 3.1. Трехфазная мостовая схема выпрямления.

В точке 2 происходит коммутация тока в вентилях анодной группы – включается VD6 фазы С. В точке 3 происходит коммутация в вентилях катодной группы – включается вентиль VD2 фазы В и т.д. Коммутация с одного вентиля на другой происходит в моменты пересечения синусоид фазных напряжений вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, при отсутствии индуктивного сопротивления в цепях вентилей они работают попарно с углом проводимости 2π/3. В действительности из-за наличия некоторой индуктивности в контуре коммутации угол проводимости больше, чем 2π/3, на угол коммутации γ.

Пульсация выпрямленного напряжения – шестифазная с частотой 300 Гц. Длительность анодных токов каждого вентиля 120⁰. Среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе U_xx выпрямителя определяется по формуле

где U_2ф – фазное напряжение вторичной обмотки трансформатора; U_2л линейное напряжение той же обмотки.

Обратное напряжение на вентиле определяется амплитудой линейного напряжения вторичной обмотки:

U_{обр m} = 2,45U_2ф = 1,41U_2л = 1,045U_хх.

Действующее значение вторичного тока одной фазы трансформатора:

,

где I_d – выпрямленный ток выпрямителя.

При работе управляемого тиристорного выпрямителя (если вместо диодов установлены тиристоры для плавного регулирования выходного напряжения выпрямителя) угол управления (регулирования) α отсчитывается от точки естественной коммутации (точка перехода тока с вентилей одной фазы на вентиль другой фазы для неуправляемого выпрямителя).

Тиристорные выпрямители выполняются с применением трансформаторов, имеющих незначительное сопротивление рассеяния. В этом случае при работе на активную нагрузку выпрямленный ток является непрерывным при α ≤ 60⁰ и прерывистым при α > 60⁰:

U_xxα = U_xxcosα при α ≤ 60⁰;

U_xxα = U_xx[1 + cos(π/3 + α)] при α > 60,

где U_xxα – напряжение холостого хода при заданном угле регулирования.

Тиристорные выпрямители имеют специальный дроссель для сглаживания формы выпрямленного тока, в этом случае выпрямленное напряжение определяется по формуле:

U_d = 2,34U_2ф cosα = 1,35U_2лcosα.

Двойная трехфазная схема с уравнительным реактором. Наибольшее распространение эта схема нашла в тиристорных сварочных выпрямителях на токи до 500А. По такой схеме выполнены выпрямители с универсальными характеристиками ВДУ – 504, ВДУ – 505, ВДУ – 506 и др. По сравнению с другими шестифазными схемами выпрямления эта схема обеспечивает наиболее эффективное использование вентилей (наименьшие потери, наибольшая нагрузочная способность, минимальные I_{в max}). Трансформатор в таком выпрямителе имеет шесть вторичных обмоток (рис. 3.2), образующих две трехфазные группы, каждая из которых соединена в звезду; ЭДС соответствующих сдвинуты на 180⁰. Обе группы соединены между собой уравнительным реактором, обеспечивающим их параллельную работу за счет выравнивания напряжения между ними. Уравнительный реактор представляет собой дроссель с замкнутым ферромагнитным магнитопроводом, имеющим две одинаковые обмотки.

Действие реактора видно из рис. 3.2. Сплошными линиями показаны фазные напряжения одной звезды, а штриховыми – другой. Разницу мгновенных значений фазных напряжений в процессе их чередования характеризуют ординаты заштрихованных площадок. Эта разница напряжений наводится в секциях уравнительного реактора L_ур, если хотя бы одной из них проходит намагничивающий ток. В секциях реактора наводятся напряжения U_у1 = U_у2 = 1/2U_у, имеющие разные знаки по отношению к общему выводу; в связи с этим анодные напряжения одной звезды уменьшаются на U_у1, а другой – возрастают на U_у2. Фазные напряжения выравниваются, что и приводит к параллельной работе трехфазных групп.

Рис. 3.2. Двойная трехфазная схема выпрямления с уравнительным реактором.

Кривая выпрямленного напряжения U_d приведена на рис. 3.2. Длительность анодных токов (без учета коммутационных участков) равна 120⁰, а амплитуда токов в вентилях – половине амплитудного значения выпрямленного тока. Выпрямитель имеет две коммутирующие группы вентилей: VD1, VD2, VD3 и VD4, VD5, VD6. Коммутация осуществляется только между вентилями одной трехфазной группы. Пульсация выпрямленного напряжения имеет частоту 300 Гц.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

U_xx = 1,35U_2фcosα.

Следует отметить, что угол управления α, в рассматриваемой схеме, отсчитывается от точки естественной коммутации для трехфазных, а не в шестифазных системах, что находится в соответствии с работой схемы в двойном трехфазном режиме.

Обратное напряжение на вентиле

U_{обр m} = 2,09U_xx.

Действующее значение вторичного тока

I₂ = 0,29I_d.

Кольцевая схема выпрямления. Это одна из наиболее распространенных схем выпрямления в однопостовых и многопостовых сварочных выпрямителях на большие токи. Не имея уравнительного реактора (рис.3.3), схема обеспечивает аналогично двойной трехфазной схеме с уравнительным реактором хорошее использование сварочного трансформатора при несколько худшем использовании вентилей по току. Как видно из рис. 3.3, трансформатор выпрямителя имеет шесть вторичных обмоток, а блок вентилей замкнут в кольцо.

Рис. 3.3. Кольцевая схема выпрямления.

Продолжительность работы вентилей без учета коммутации составляет 60⁰. в то же время каждая из вторичных обмоток, как видно из диаграммы фазных токов i_ф (рис. 3.3), работает на протяжении 120⁰. первичная обмотка трансформатора может быть соединена треугольником или звездой.

Амплитудное значение обратного напряжения на вентиле

U_{обр m} = 4,9U_2ф.