В источниках для дуговой сварки выпрямительный блок в подавляющем большинстве собран па трехфазной мостовой схеме, значительно реже — по шестифазной схеме с уравнительным реактором (рис. 19.1).
 |
Рис. 19.1. Схемы выпрямителей Трехфазная мостовая схема сварочного выпрямителя представлена на рис. 19.1, а. В каждую фазу включены по два вентиля с встречной проводимостью. Шесть вентилей разбиты на две группы. В нечетной (V1, V3, V5) катоды электрически связаны между собой.: Их общий вывод служит положительным полюсом для нагрузки. В четной группе вентилей (V2, V4, V6) электрически связаны аноды. Общая точка этой группы представляет собой отрицательный полюс для нагрузки. В любой момент времени в условиях мгновенной коммутации, работают два вентиля. Один из нечетной, а другой из четной группы. Каждый из вентилей пропускает ток в течение ⅓ периода переменного тока. Для кривой выпрямленного напряжения характерна шестикратная частота пульсаций по отношению к частоте переменного тока. |
При ƒ = 50 Гц частота пульсаций составляет 300 Гц. Среднее значение анодного тока в вентиле (при продолжительности работы 2π/3) определяется из выражения
IА = Iд/3,
где Iд — средняя сила тока выпрямителя.
Шестифазный выпрямитель с уравнительным реактором представлен на рис. 19.1, б. Шесть вторичных обмоток трансформатора разделены на две трехфазные группы. Обмотки в каждой из групп соединены в звезду. Нулевые точки групп связаны между собой однофазным уравнительным реактором (Wp) с выведенной средней точкой. Уравнительный реактор выравнивает напряжение и двух чередующихся фазах. Благодаря этому токи в связанных с ними вентилях протекают одновременно. Средняя точка реактора служит отрицательным полюсом для нагрузки. Свободные концы обмоток одной из групп присоединены к нечетной группе вентилей (V1, V3, V5) другой к четной (V2, V4, V6). Благодаря наличию реактора кривая выпрямленного напряжения складывается из участков, расположенных посередине между вторичными фазовыми напряжениями. Повторяемость напряжения так же, как и в трехфазной мостовой схеме, соответствует шестикратной периодичности (300 Гц). Преимущества рассматриваемой схемы выпрямления — большая длительность и меньшие значения амплитудного тока. Это позволяет заметно повысить нагрузочную способность вентилей и обмоток трансформатора.
Сварочные выпрямители с уравнительным реактором особенно целесообразны в источниках питания дуги большой мощности.
В выпрямителях для дуговой сварки применяют полупроводниковые неуправляемые вентили — диоды и управляемые полупроводниковые вентили — тиристоры. Наибольшее распространение получили кремниевые и селеновые диоды и кремниевые тиристоры.
Полупроводниковые диоды имеют высокую проводимость в прямом направлении и незначительную в обратном (рис. 19.2, а). В прямом направлении вентиль пропускает ток 1a при напряжении, не превышающем 1 В. В обратном направлении для открытия вентиля требуются напряжения на два-три порядка выше. При нормальной работе можно считать, что в обратном направлении вентиль заперт.
 |
Рис. 19.2. Вольт-амперные характеристики: а — полупроводниковый вентиль; б — тиристор Полупроводниковые диоды характеризуются следующими основными параметрами: средним и максимальным значением прямого тока Iа cр, Ia max; величиной падения напряжения в вентиле ∆Ua; максимальным допустимым значением обратного напряжения Ub доп; температурой нагрева tmах. Наряду с этим имеют значение и другие показатели, характеризующие работу вентилей: долговечность, к. п. д. и др. Свойства вентиля тем выше, чем меньше внутреннее падение напряжения в вентиле (∆Ua). Значительным преимуществом обладают кремниевые вентили. Их отличают малые размеры и высокие значения обратного напряжения (800—1200 В). Допустимая температура нагрева 140—I 150 °С. К недостаткам кремниевых вентилей следует отнести невысокую способность противостоять кратковременным перегрузкам. Даже при небольших перегрузках время работы кремниевого диода исчисляется долями секунды. |
Селеновые вентили в отличие от кремниевых допускают значительно меньшие плотности тока и максимально допустимые обратные напряжения (30—40 В). Основное их преимущество заключается в высокой стойкости к перегрузкам. Кроме того, селеновые вентили имеют небольшой разброс ветвей вольт-амперных характеристик. Благодаря этому не требуется применение уравнительных сопротивлений и делителей напряжений при параллельном и последовательном соединении вентилей. В выпрямителях для дуговой сварки в основном применяются кремниевые полупроводниковые вентили.
Наряду с полупроводниковыми диодами в выпрямительных блоках источников
питания широко применяют мощные одно-операционные управляемые кремниевые
тиристоры. Принцип их работы в значительной мере отражают вольт-амперные
характеристики, приведенные на рис. 19.2, б. Включение тиристоров
происходит при определенном напряжении Uп, называемом напряжением
переключения (участок предоткрытия OA). При этом управляющий ток Iб
равен нулю. Такой режим работы характерен для неуправляемого тиристора.
При
наличии управляющего тока напряжение открытия вентиля снижается. Спадающая ветвь
ОБ смещается влево и соответствует неполному открытию тиристора. Полное открытие
тиристора происходит при управляющем токе, равном максимальному его значению
Iб mах. Ветвь ВС соответствует полному открытию и называется рабочим
участком характеристики. Ветвь OS соответствует работе тиристора в обратном
направлении и мало отличается от обратных ветвей диодов.
 |
Кремниевые тиристоры выполняются на основе четырехслойного кристалла кремния со слоями р1 — n1 — p2 — n2. Для того чтобы тиристор открылся, на его анод необходимо подать положительный потенциал относительно катода в любой момент проводящей части периода. Положительный сигнал подается на управляющий электрод УЭ от системы управления (рис. 19.3). Тиристор запирается автоматически при спаде прямого тока ia до нуля. Рис. 19.3. Кривые напряжения и и токи i: а — полупроводниковый вентиль; б — тиристор Момент открытия тиристора при пропускании переменного тока задается сдвигом во времени управляющего импульса по отношению к нулевому значению анодного напряжения в положительный полупериод. Амплитуду управляющего импульса тока выбирают из условий включения тиристора при минимальных значениях анодного напряжения. Угол управления а определяет продолжительность и форму кривой анодного тока (рис. 19.3, б). |
Фазорегулировкой можно изменять выпрямленные напряжение и ток от полных их значений до нуля (рис. 19.4). Это оказывается очень важным при создании выпрямителей для дуговой сварки с регулируемым наклоном вольт-амперных характеристик.
Рис. 19.4. Внешняя характеристика тиристорного выпрямительного блока
С увеличением а возрастает пульсация выпрямленного напряжения. При создании тиристорных источников питания изменение параметров фазорегулировкой должно осуществляться в определенных пределах.
Тиристоры характеризуются теми же параметрами, что и полупроводниковые диоды. Однако им свойственны и специфические параметры: напряжение переключения Uп; минимальное значение тока включения Iб (или тока управления Iу).
Тиристоры обладают более высокими значениями падения напряжения в прямом направлении. Поэтому допустимые нагрузочные токи в этих элементах меньше, чем в аналогичных диодах. Допустимая температура при работе тиристоров не должна превышать 100—110 °С. Чувствительность их к перегрузкам такая же, как и у кремниевых диодов.
В выпрямительных блоках катодные и анодные группы собраны из отдельных вентилей путем их параллельного и последовательного включения. Число параллельно включенных вентилей m определяется средним значением выпрямленного тока в плече Iп и допустимым номинальным средним значением тока в вентиле Iан:
m= Iп/Iан = (⅓) Iа/Iaн
При сборке плеча выпрямительного блока необходимо учитывать различие в электрических свойствах отдельных вентилей. Особенно большой разброс ветвей вольт-амперных характеристик наблюдается у кремниевых вентилей. Это приводит к неравномерному распределению тока по параллельно включенным вентилям. Для выравнивания тока в вентилях применяют индуктивные делители тока или уравнительные сопротивления.
Число последовательно включенных вентилей в плече группы п определяется действующим значением напряжения трансформатора U0 и допустимым обратным напряжением для вентиля UB: n = U0/Uв.
Повышение равномерности в распределении обратных напряжений достигается шунтированием вентилей омическим или омическо-емкостными делителями напряжения.
В простейших выпрямителях для дуговой сварки пуск -регулирующие устройства не представляют большой сложности. По мере совершенствования источников питания, придания им универсальности или узкой специализации пуско-регулирующая аппаратура усложняется. В пускррегулирующей аппаратуре выпрямителя можно выделить ряд типовых элементов: устройства для пуска выпрямителя и зажигания дуги; регулирующие устройства для настройки источника на требуемый режим работы по сварочному току; прерыватели, например мультивибраторы, и другие устройства.
Полупроводниковые вентили чувствительны к кратковременным перегрузкам по току. Особенно опасны перегрузки для кремниевых диодов и тиристоров. Применение для защиты плавких предохранителей целесообразно только при использовании в выпрямительных блоках селеновых вентилей. Перегрузочная характеристика кремниевых диодов и тиристоров близка к перегрузочной характеристике плавкого предохранителя. При таких условиях он не может в большинстве случаев выполнить своих защитных функций.
При работе выпрямителей с жесткими и пологопадающими вольт-амперными характеристиками, особенно с кремниевыми диодами и тиристорами, должна соблюдаться большая осторожность. Некоторый эффект против перегрузок вентилей дает применение принудительного воздушного охлаждения выпрямительного блока. Поэтому обычно пуску выпрямителя предшествует включение вентилятора воздушного охлаждения.
Выпрямители для дуговой сварки применяют со следующими регуляторами тока: трансформаторными; дроссельными; тиристорными; транзисторными.
