Вентили (диоды). Использование диодов в сварочном производстве

Вентиль (диод) — это двухэлектродный прибор, состоящий из катода и анода. Применение диодов определяется свойством их односторонней проводимости.

Используют преимущественно кремниевые силовые вентили: неуправляемые (диоды), неполностью управляемые (тиристоры) и управля­емые (транзисторы).

Принцип работы диода рассмотрим на примере простейшей схемы однополупериодного выпрямления (рисунок 2.11). В положительном полупе­риоде синусоидального напряжения питающей сети диод V оказывается включенным в прямом направлении (рисунок 2.11, а). Поскольку при этом его сопротивление мало, прямой ток I_пр (рисунок 2.11, б) сравнительно велик.

Рисунок. 2.11 – Осциллограммы (б) и работа диода при прямом (а)
и обратном (в) включении в цепи переменного тока

Практически все напряжение сети приложено к нагрузке R_H,а падение напряжения на диоде и_прне превышает 1—2 В. В отрицатель­ном полупериоде (рисунок 2.8, в) диод включен в обратном направлении, его сопротивление резко возрастает, а ток снижается почти до нуля. На нагрузку напряжение почти не подается, поскольку практи­чески все напряжение сети приложено к разрыву цепи, образованному закрытым диодом. Таким образом, если пренебречь незначительным обратным током, по нагрузке идет прерывистый ток одного направления — выпрямленный ток. Его усредненное за полный период значение — I_пр.

По осциллограммам рисунок 2.11 можно получить динамическую вольт-амперную характеристику диода (рисунок 2.12). На прямой ветви характери­стики видно, что прямое падение напряжения на вентиле I_пр невелико. Главным параметром, по которому из справочников выбирается диод, является его предельный ток I_пред. Это максимально допустимое сред­нее за период значение длительно протекающего тока синусоидальной формы при частоте 50 Гц и однополупериодном выпрямлении. В сва­рочных выпрямителях используются диоды с предельным током 200, 320, 400, 500 А. Другой важной характеристикой диода является прямое падение напряжения U_пpна вентиле при амплитудном значении предельного тока. Прямое падение характеризует потерю мощности на нагрев вентилей, от него зависит КПД выпрямителя.

Рисунок 2.12 – Динамическая вольт-амперная характеристика диода

На обратной ветви отметим довольно высокое пробивное напряже­ние U_проб, измеряемое сотнями вольт, при котором происходит необра­тимое разрушение полупроводниковой структуры вентиля. Еще один справочный параметр вентиля — повторяющееся напряжение U_повт. Это наибольшее мгновенное напряжение, прикладываемое к диоду в обрат­ном направлении. При этом имеется в виду не только амплитудное зна­чение синусоидального напряжения U_m(рисунок 2.11, б), но также и часто повторяющиеся броски напряжения при переходных процессах. Повто­ряющееся напряжение должно быть ниже пробивного не менее чем в 2 раза. В сварочных выпрямителях используются вентили 2—8-го клас­сов (U_повтот 200 до 800 В). Допустимое обратное напряжение вентиля U_доп должно быть в 1,5 раза ниже повторяющегося U_повт.

При выборе вентилей необходимо учитывать кратковременные, но довольно значительные перегрузки по току, сопровождающие работу сварочного выпрямителя. При технологических перегрузках, например, из-за короткого замыкания электродом на изделие при зажигании дуги, допускается перегрев кремниевого диода с нормальной температурой 140° С до 160° С. Из паспортной перегрузочной характеристики диода можно установить, что такая 4-кратная перегрузка по току может длить­ся не более 1 секунды. Из этой же характеристики следует, что аварий­ная 8-кратная перегрузка, вызванная, например, коротким замыканием внутри выпрямителя, допустима при длительности не более 0,03 секунды, т.е. в течение времени срабатывания быстродействующего автоматиче­ского выключателя. Если предельный ток I_пред вентиля ниже необходи­мого, применяют параллельное соединение 2, 3 и более одинаковых вен­тилей. Последовательное соединение кремниевых вентилей не принято, поскольку для сварочных выпрямителей удается выбрать вентили с лю­бым достаточно высоким повторяющимся напряжением U_повт.

Перегрузки по напряжению возникают на вентилях в переходных процессах — при переходе от прямого включения вентиля к обратному, при коммутации тока с одного вентиля на другой, при переходе выпрями­теля от режима нагрузки к холостому ходу. Гораздо более опасное пере­напряжение наблюдается при переходе от режима короткого замыкания к холостому ходу, поскольку при этом в цепях трансформатора возникает самая большая ЭДС самоиндукции, вызванная спадом тока. Это перена­пряжение может достигать U_обр=(1,5—2)U₀. Для снижения перенапря­жений параллельно вентилю подключают конденсатор. Поскольку со­противление конденсатора импульсному току невелико, го и напряжение на конденсаторе и вентиле в обратном направлении также снижается на 20—30 %. Для ограничения тока в цепи конденсатора последовательно ему включают резистор. Такие R—С цепочки включают параллельно каждому плечу выпрямительного блока, а иногда и параллельно вторич­ным обмоткам трансформатора.

Схемы выпрямления

Сравним несколько силовых диодных схем, используемых в свароч­ных выпрямителях: однофазную мостовую, шестифазную с выведен­ным нулем, шестифазную с уравнительным дросселем, кольцевую, а также трехфазную мостовую при их питании от трансформатора с нор­мальным рассеянием, т.е. с малым сопротивлением, и работе на актив­ную линейную нагрузку (резистор). Общее правило анализа схем тако­во: вентиль пропускает ток в тот момент, когда потенциал его анода выше потенциала катода. Из нескольких вентилей, соединенных друг с другом катодами, ток пропускает тот, к аноду которого приложен мак­симальный положительный потенциал. Из нескольких вентилей, соеди­ненных друг с другом анодами, ток пропускает тот, к катоду которого приложен максимальный отрицательный потенциал.

Однофазная мостовая схема (рисунок. 2.13) работает следующим обра­зом. В первом полупериоде (при положительной полярности левого за­жима вторичной обмотки трансформатора) ток пропускают вентили VI и V2 (путь тока показан пунктиром), во втором — V3 и V4. В резуль­тате ток u в нагрузке остается постоянным по направлению (рисунок. 2.13, в), форма кривой выпрямленного напряжения и_в (рисунок. 2.13, в)— пульсиру­ющая от 0 до U_m, т.е. мало пригодная для сварки. Коэффициент пульса­ции напряжения, вычисляемый по соотношению оказывается равным 0,67.

Рисунок. 2.13 – Однофазная мостовая схема выпрямления	Рисунок. 2.14 – Трехфазная мостовая схема выпрямления

Трехфазная мостовая схема (рисунок 2.14) получила наибольшее распрост­ранение. В ней вентили V1, V3 и V5, у которых соединены катоды, образу­ют катодную группу, а вентили V2, V4 и V6 — анодную группу. Так как катоды вентилей в катодной группе имеют одинаковый потенциал, то здесь в любой момент будет работать вентиль с максимальным положитель­ным потенциалом анода, в момент Θ₀ — это вентиль V5 в фазе С. В анодной группе открыт вентиль с максимальным отрицательным по­тенциалом катода, в момент Θ₀ — это вентиль V6 в фазе В. Путь то­ка в этот момент показан на рисунок. 2.14, а пунктиром. Все остальные вентили заперты, на их анодах потенциал ниже, чем на катодах. С мо­мента Θ₁ в катодной группе вместо вентиля V5 начинает работать вен­тиль V₁, а с момента Θ₂ в анодной группе вместо V6 — вентиль V2 и т.д. Очередность вступления в работу вентилей соответствует их номерам (рисунок 2.14, г).