Выпрямители с дросселем насыщения

Формирование крутопадающей характеристики трансформатора можно осуществлять с использованием дросселя насыщения, работающего в режиме с компенсированными намагничивающими силами. Однако ввиду большой массы и высокой стоимости этот дроссель не используется в сварочных выпрямителях для формирования падавших внешних характеристик.

Наилучшим образом дроссель насыщения раскрыл свои возможности при работе в режиме с самоподмагничиванием, в котором формируются жесткие характеристики особой формы.

На рис. 3.14 представлена схема такого выпрямителя. Трехфазный трансформатор Т с нормальным рассеянием понижает напряжение. Дроссель насыщения L имеет шесть сердечников, на каждом из которых намотано по одной рабочей обмотке (ОР). Обмотки управления (ОУ) и смещения (ОСМ) охватывают все шесть стержней. В цепи обмотки управления имеется регулировочный реостат R. В цепи каждой рабочей обмотки установлено по вентилю силового выпрямленного блока V, поэтому по обмоткам идет ток только одного направления, так что намагничивающие силы рабочих обмоток и обмотки управления всегда совпадают. Такая конструкция называется дросселем с самонасыщением или самоподмагничиванием.

Рис. 3.14. Выпрямитель, управляемый дросселем насыщения с самоподмагничиванием: а – упрощенная принципиальная схема; б – кривая намагничивания; в – внешняя характеристика

Для понимания принципа работы выпрямителя достаточно рассмотреть магнитные процессы только в одном сердечнике, на рабочую обмотку которого подано максимальное напряжение трансформатора (см. рис. 3.14, б). Обмотка управления создает небольшую намагничивающую силу I_уW_y, соответствующую точке D, так что при холостом ходе выпрямителя сердечник не насыщен. При нагрузке намагничивающие силы обмоток ОУ и ОР складываются.

При малых сварочных токах намагничивающая сила рабочей обмотки I_дW_р мала. Следовательно, рабочая точка, соответствующая намагничивающей силе iW=I_yW_y+i_дW_р, перемещаясь по траектории DED остается левее точки Е. Поскольку сердечник при малых токах не насыщен, то при периодическом изменении рабочего тока существенно меняется магнитный поток в сердечнике, а в рабочей обмотке наводится значительная противоЭДС e_L. Среднее значение противоЭДС e_L, резко увеличивается с ростом сварочного тока. Следовательно, внешняя характеристика выпрямителя на участке D¢E¢ крутопадающая (см. рис.3.14, в).

При больших сварочных токах сердечник дросселя приходит в насыщенное состояние правее точки Е. При периодическом изменении сварочного тока рабочая точка перемещается по траектории DEFED, При разных нагрузках положение точки F смещается, но изменение потока ΔФ_max и величина противоЭДС дросселя E_Lmax остаются постоянными так же, как и выпрямленное напряжение U_в= U₀- E_Lmax Таким образом, внешняя характеристика на участке E¢F¢ получается жесткой (см. рис.3.14, в). Такая ломаная характеристика особой формы D¢E¢F¢ благоприятна при сварке в углекислом газе, поскольку жесткий участок способствует саморегулированию дуги, а повышенное напряжение холостого хода необходимо для надежного зажигания.

Жесткая внешняя характеристика с повышенным напряжением холостого хода получается у выпрямителя благодаря использованию дросселя насыщения с самоподмагничиванием, потери напряжения у которого при больших токах не зависят от нагрузки

Регулирование режима параметров режимов сварки. При увеличении тока управления I_у точка D (см. рис.3.14, б) смещается в положение D₁, поэтому уменьшаются ΔФ_max и E_Lmax, увеличивается U_в, а внешняя характеристика смещается в положение E¢₁ F¢₁. I_y↑=> ΔФ_max↓=> E_Lmax↓ =>U_В↑

Выпрямленное напряжение плавно регулируется изменением тока обмотки управления.

К сожалению, самоподмагничивание сокращает диапазон регулирования напряжения. Для получения малых напряжений пришлось бы ме­нять направление тока в обмотке управления, что сопряжено с известными трудностями. Этот недостаток можно устранить с помощью нерегулируемой обмотки смещения ОСМ, которая создает в сердечнике поток, направленный встречно потокам обмоток ОР и ОУ.

Рассмотрим конструкцию серийно выпускаемого выпрямителя ВДГ-303 (рис. 3.15). В выпрямителе предусмотрено смешанное 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, что 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 по одной рабочей обмотке. Три последовательно соединенные катушки обмотки управления ОУ охватывают каждая по два сердечника, так же выполнена и обмотка смещения ОСМ. Обмотка управления питается от перекомпенсированного феррорезонального стабилизатора напряжения TS через диодный мост V1 и регулировочный реостат R1. При понижении напряжения сети напря­жение на выходе стабилизатора увеличивается, способствуя постоянству выпрямленного напряжения. 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 шести кремниевых диодов B2-200-3.

Рис. 3.15. Упрощенная принципиальная схема выпрямителя ВДГ-303

Последовательно с диодами включены рабочие обмотки ОР дросселя насыщения, что и обеспечивает формирование жестких характеристик особой формы. 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 РА. На схеме не показаны вентилятор, пусковая аппаратура и аппаратура питания приводов полуавтомата для механизированной сварки в углекислом газе.

Сварочные свойства выпрямителя с дросселем насыщения достаточ­но высоки. Повышенное напряжение холостого хода, в I,5...3 раза превышавшее 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 токах, автоматически снижается при низких режимах. Это позволяет уменьшить разбрызгивание во всем диапазоне регулирова­ния. Кратность плавно-ступенчатого регулирования сварочного напря­жения превышает 2,5, что отвечает технологическим требованиям

3.4. Выпрямители сварочные с фазовым управлением

3.4.1. Фазовое регулирование напряжения в тиристорном выпрямительном блоке

В сварочных тиристорных выпрямителях нашли применение следующие схемы выпрямления: трехфазная мостовая (рис. 3.16,а), шестифазная с уравнительным реактором (рис. 3.16,б) и шестифазная кольце­вая (рис3.16, в).

Рис.3.16. Упрощенные схемы тиристорных выпрямителей: а – с трехфазной мостовой; б – с шестифазной с уравнительным реактором; в – с кольцевой схемой выпрямления

Проанализируем сначала простейший случай работы трехфазной мостовой схемы при малом сопротивлении фазы трансформатора х≠0, т.е. при условии мгновенной коммутации. В начальный момент Θ₀ (рис. 3.17, a) ток пропускают вентили V5 в катодной группе (потенциал его анода имеет наибольшее положительное значение U_2c) и V6 в анодной группе (потенциал его катода имеет наибольшее отрицательное значение U_2в). Остальные вентили ток не пропускают. В неуправляемом выпрямителе коммутация тока с вентиля V5 на V1 произошла бы в момент Θ₁ =30, когда фазное напряжение U_2а стало больше U_2c.

Для управляемого выпрямителя в этот момент выполняется только первое условие отпирания вентиля V1 - потенциал его анода стал максимальным положительным среди вентилей катодной группы. Но отпирание V1 произойдет лишь при выполнении второго ус­ловия - в определяемый системой управления момент подачи отпираю­щего импульса. До этих пор в катодной группе будет работать вентиль V5, хотя потенциал его анода ниже, чем у V1. Пусть в момент Θ₂ на управляющий электрод тиристора V1, наконец, будет подан управляющий импульс. В результате вентиль V1 откроется, при этом вентиль V5 закроется. Момент пересечения фазных напряжений, соответствующий коммутации неуправляемых вентилей (Θ₁ =30), называют моментом естественной коммутации, а угол α= Θ₂…Θ₁ - углом управления (или регулирования) тиристора. Моменты отпирания вентилей катодной группы в порядке V1-V3-V5-V1-…сдвинуты относительно друг друга на 120°, как фазные напряжения U_2а, U_2в, U_2с. В анодной группе моменты отпирания вентилей сдвинуты относи­тельно друг друга также на 120°, а относительно моментов отпирания вентилей тех же фаз катодной группы - на 180°. Таким образом, вентили будут включаться в порядке V1-V2-V3-V4-V5-V6-V1 с одинаковыми углами управления относительно моментов их естественной коммутации.

На рис. 3.17, а утолщенной линией показано изменение потенциала плюсовой клеммы выпрямителя (выше оси) и минусовой клеммы (ниже оси абсцисс). Текущее значение выпрямленного напряжения U_в, являющееся разностью этих потенциалов (показано на рис.3.17, б толстой линией). Как видно, в интервале Θ₁…Θ₂ это напряжение меньше, чем для неуправляемого выпрямителя, у которого напряжение менялось по огибающей линейных напряжений. Поэтому и среднее значение напряжения управляемого выпрямителя U_в меньше, чем у неуправляемого, на величину, пропорциональную площади заштрихованного участка.

Рис.3.17. Работа тиристорного выпрямителя с трехфазной мостовой схемой выпрямления: а – вторичные фазные напряжения; б – вторичные линейные напряжения; в – выпрямленный прерывистый и сглаженный ток

При углах управления α от 0 до 60^о кривая выпрямленного на­пряжения непрерывна, его средняя величина может быть определена из формулы

U_в =1,35U_1л(v₂/v₁)cosa (3.16)

С увеличением угла управления α потери напряжения U_в, пропорциональные площади заштрихованного участка, увеличиваются, а само выпрямленное напряжение снижается: α↑=>U_z↑=>U_в↓.

Фазовое регулирование заключается в изменении угла управления тиристоров, приводящем к изменению части напряжения трансформатора, подаваемого тиристорным выпрямительным блоком на нагрузку.

Фазовое регулирование обладает всеми достоинствами электрического регулирования: компактность и высокая надежность бесконтактных органов управления, плавность и высокая кратность регулирования на­пряжения, простота дистанционного и программного управления.

Главный недостаток фазового регулирования заключается в значительной пульсации выпрямленного напряжения. При α >60° в кривой выпрямленного напряжения появляются разрывы (см. рис. 3.17, б). Более того, даже в интервале 0<α<60°, несмотря на непрерывность кри­вой u_в, кривая сварочного тока i_д прерывиста (см. рис. 3.16, в), если напряжение дуги достаточно велико. Разрывы кривой тока возникают при u_в < U_д.

Для уменьшения пульсации в тиристорных выпрямителях устанавливают сглаживающий дроссель L, иногда с обратным диодом V7 (см. рис. 3.16). В те моменты, когда мгновенное значение выпрямленного напряжения u_в уменьшается, сварочный ток поддерживается энергией, запасенной дросселем в предыдущий промежуток времени. Обратный диод особенно полезен при глубоком регулировании (α >60°), поскольку позволяет дросселю поддерживать ток i_д2 в моменты, когда тиристоры не пропускают ток i_д1. В результате кривая тока существенно сглаживается (см. рис. 3.17, в). Для практически полного сглаживания тока во всем интервале регулирования α от 0 до 90 необходимо, чтобы сопротивление дросселя X_L=ωL было существенно выше сопротивления нагрузки - дуги (ωL>>5R_д). Такой мощный дроссель чересчур дорог и велик, к тому же чрезмерно замедляет переходные процессы при зажигании дуги и переносе электродного металла. Поэтому индуктивность назнача­ют из соображения уменьшения разбрызгивания на уровне L= 0,2...0,5 мГн, не стремясь к полному сглаживанию тока. Обычно применяется дроссель с воздушным зазором на 2...3 ступени (см. рис. 3.16, б).

Для снижения пульсации напряжения разумно также ограничивать глубину разового регулирования, например до α<60°. Чтобы кра­тность регулирования напряжения при этом не снизилась, фазовое ре­гулирование дополняют ступенчатым, например, изменяя соединение обмоток трансформатора. На рис. 3.16, б переключатель S показан в положении, обеспечивающем соединение первичных обмоток в звезду, что дает низший диапазон регулирования сварочного напряжения. При другом положении переключателя обмотки соединяются треугольником, и выпрямленное напряжение увеличивается в 1,73 раза. Наконец, устойчивое горение дуги при глубоком фазовом регулировании достигается введением блока подпитки (см. рис. 3.16, в). Блок представляет собой вспомогательный маломощный выпрямитель, состоящий из трансформатора Т2 с увеличенным рассеянием и блока неуправляемых вентилей V2. Его ток заполняет паузы в кривой тока основного источника.

Поиск по сайту: