Сварочные выпрямители

СП

У

СО

ПШ

ПО

Регулируемые дроссельным насыщением

Регулируемые тиристором

Регулируемые трансформатором

Классификация производится по второй из 3-х основных функций источника питания (горение, регулирование, преобразование).

Обеспечение устойчивости горения для 1 группы обеспечивается характеристиками трансформаторов. ПО и ПШ – крутопадающие, СО – жесткие. В двух оставшихся группах искусственные внешние характеристики обеспечиваются или тиристорным управлением, или индуктивностью дросселя насыщения.

Выпрямители, регулируемые трансформатором, имеют 3-фазные трансформаторы, в отличие от сварочных трансформаторов, которые однофазные.

Ступенчатое регулирование осуществляется переключением звезда – треугольник, что приводит к изменению тока в 3 раза. (больший ток при схеме треугольник – треугольник, чем звезда – звезда.)

В отличие от сварочных трансформаторов даже самые простые выпрямители содержат пускорегулирующую и защитную аппаратуру для защиты вентилей от перегрузок по току и от нарушения охлаждения (реле вентилятора или реле давления воды). Для этого у источника питания должен быть силовой контактор, вручную он управляется кнопками ПУСК и СТОП.

У выпрямителя ВД – 306: защита по току электромагнитная, срабатывает при превышении допустимого тока в 1,5 раза.

В любом сварочном выпрямителе можно выделить следующие элементы: силовой понижающий трансформатор и блок выпрямителей. Трансформаторы, применяемые в сварочных выпрямителях, мало отличаются от описанных выше, в разд. 3. Основное отличие состоит в том, что трансформаторы для сварочных выпрямителей выполняются трехфазными. Это не только обеспечивает равномерное нагружение фаз питающей сети, но и снижает пульсацию выпрямленного тока.

Распространенным элементом сварочного выпрямителя является дроссель. Если он располагается между электрододержателем и блоком выпрямителей (на участке сварочной цепи, где протекает постоянный ток), то служит для ограничения скорости нарастания тока короткого замыкания, т.е. для уменьшения разбрызгивания при сварке. Если дроссель располагается между силовым трансформатором и блоком выпрямителей (на участке сварочной цепи, где протекает переменный ток), то он служит для регулировки сварочного тока или выходного напряжения.

Выпрямительные блоки собираются из полупроводниковых элементов. В отличие от проводников электрического тока, которые одинаково хорошо проводят ток как в одном, так и в другом направлении полупроводниковые элементы пропускают ток только в одном направлении. Для изготовления силовых полупроводников используются кремний, германий, селен. Полупроводники с одним р—п - переходом называются диодами. Они имеют 2 силовых электрода и обладают способностью пропускать ток только в прямом направление. Диоды еще называют неуправляемыми полупроводниками. Это связано с тем, что при постоянном сопротивлении цепи ток в прямом направлении зависит только от напряжения прилагаемого к основным электродам. Другими словами, управлять величиной тока с помощью диода невозможно.

Схема выпрямления переменного тока диодом (б) и тиристором (в)

Примечание. Справа приведены обозначения проводника (а) и полупроводников (б, в), применяемые в электросхемах.

Полупроводниковые вентили.

Пробой обратным напряжением приводит к лавинообразному нарастанию тока неосновных носителей, соответственно разрушение p-n перехода.

В прямом включении превышение I_max приводит к перегреву полупроводниковой системы и растрескивается.

Характеристики сильно зависят от температуры.

Полупроводники имеют очень большой разброс характеристик из-за технологии изготовления - технологии внедрения примесей.

Из-за того, что получается в технологии, полупроводники подразделяют на несколько или несколько десятков групп, чтобы характеристики были примерно одинаковыми.

По характеристикам у неуправляемых вентилей будет симметричная в закрытом состоянии характеристика.

Помимо диодов в сварочных выпрямителях используются тиристоры. Они имеют 4 слоя с различными типами проводимостей и образуют трехступенчатый переход проводимостей р - п - р - п. В результате в обычном состоянии тиристор закрыт для протекания тока как в прямом, так и в обратном направлениях. Чтобы тиристор начал пропускать ток в прямом направлении, не обходимо не только подать на него напряжение, но и разрушить средний п-р -переход. Это производится путем подачи напряжения на третий (управляющий) электрод. Задержка с подачей управляющего напряжения вызывает задержку t_i в протекании тока в основном направлении. Чем больше время задержки, тем меньше средняя величина выпрямленного тока и больше его пульсация.

Таким образом, с помощью тиристора можно управлять током. Однако возможности управления ограничены. Тиристор нельзя выключить раньше, чем напряжение на основных электродах упадет до нуля. Поэтому тиристоры называются «не полностью управляемыми полупроводникам». Полностью управляемыми полупроводниками являются транзисторы (триоды), но применение таковых в сварочных источниках ограничено, и поэтому их работу в данном курсе рассматривать не будем.

Полупроводниковые элементы следует предохранять от перегрева. Максимальная температура, которую выдерживают р-п ~ переходы кремниевого вентиля без разрушения, составляет 120... 150 ⁰С. Поэтому диоды и тиристоры помещают в радиаторы, которые принудительно охлаждают потоком воздуха от вентилятора.

	Se	Ge	Si
Iпр max, A	f(s)	10^3	10^3
Iобр max, A	10^-2	10^-2	10^-4
Uпр max, B	0.45*n	0.5-1	1-2
Uобр max, B
Tраб max, ^0C

N –количество вентилей.

f(s): s- площадь сечения.

Исходя из таблицы видно, что с точки зрения эксплуатационных характеристик (прежде всего температура рабочего цикла) кремниевые вентили наиболее целесообразны.

Германиевые вентили применяются в тех случаях, когда выпрямляются низкие напряжения.

В современном оборудовании применяются силовые диоды, тиристоры, транзисторы.

Конструктивно силовые вентили, выпускаемые в виде отдельных диодов, бывают либо таблеточные, либо штыревые.

Существуют варианты полупроводниковых сборок.

В маркировке полупроводников указывается максимальный ток при номинальной температуре, класс и группа проводника.

Класс = U_обрmax/100.

Группа- прямое падение напряжения с разбивкой через 2 сотых вольта.

ТБ – 320 – 10 – 1.47, где

ТБ - тиристор быстродействующий;

320 - максимальный ток;

10 - класс;

1.47 - группа.

Группа нужна: чем меньше напряжение, тем меньше потерь.

При параллельной работе вентилей они должны быть одной или смежных групп, т.е. разница не более 0.02 В.

Полупроводниковые вентили из-за низкой теплопроводности кремния выходят из строя при небольших перегрузках. Поэтому полупроводниковые вентили должны иметь защиту от перегрузок по прямому току. Обычно используют электромагнитные автоматы защиты. Время срабатывания сотые доли секунды.

В ИП с жесткой пологопадающей характеристикой, где Iкз может быть в 6 раз > I, вентили устанавливают с запасом по максимальному току в 2-3 раза больше.

Защита от обратных перенапряжений в цепях с индуктивностью – установка интегрирующих цепочек РЦ между трансформатором и выпрямительным блоком.

Для защиты от перегрева ставят датчики температуры, реле вентилятора, реле давления охлаждающей воды.

В сварочных цепях благодаря ЭДС самоиндукции иногда возникают пики напряжения (перенапряжения), которые могут вызвать пробой полупроводника в обратном направлении. Для предупреждения этого полупроводники шунтируются R - С цепью. При появлении на выводах полупроводника повышенного напряжения происходит заряд конденсатора, а затем его разряд через полупроводник в прямом направлении.

Схема защиты полупроводника от индукционного напряжения

Кремниевые вентили, рассчитанные на малые токи, в высокоточные цепи можно включать параллельно. Если напряжение цепи превышает допускаемое для полупроводника, то разрешается последовательное соединение нескольких таких полупроводников. В обоих случаях совместно работающие полупроводники должны обладать одинаковым сопротивлением.

В сварочных выпрямителях полупроводниковые элементы собираются в виде различных схем.

Подразделяется на 1- и 3-хфазное выпрямление.

1. Однофазное, однополупериодное.

А. Нулевая схема.

Б. Мостовая схема.

Однофазные схемы применяются в цепях управления, где потребляемая мощность невелика, поэтому, используя сглаживающие емкостные фильтры, можно получить на выходе напряжение близкое к постоянному.

Нулевая схема применяется очень редко для выпрямления очень низких напряжений.

В силовых однофазных цепях выпрямление используется крайне редко, в некоторых универсальных ИП специального назначения, например в установках УГД.

Трехфазные схемы выпрямления

В сварочных выпрямителях обычно используют трехфазные схемы выпрямления, которые обеспечивают значительно меньшую пульсацию выпрямленного тока по сравнению с однофазными схемами.

Трехфазная нулевая схема выпрямления

Работа схемы:

Включаются вентили с самым высоким положительным потенциалом фазы.

Переключение вентилей начинается в точках, где сравниваются напряжения фаз, т.к. в последующее время на закрытый вентиль прикладывается открывающее напряжение, под действием которого он открывается. Соответственно на общей точке вентилей появляется напряжение другой фазы, которая уже имеет большой потенциал, поэтому первоначально открытый вентиль попадает под закрывающее напряжение и отключается. Для реальных силовых вентилей при активной нагрузке отключение тока обычно не превышает время 10^-3 с, при индуктивной нагрузке – на порядок больше. Пульсация выпрямленного напряжения составляет 150 Гц.

Недостатки схемы:

1.Невозможность ступенчатого регулирования тока в сварочном выпрямителе.

2.Подмагничивание магнитопровода (поскольку ток в обмотках проходит в одном направлении) приводит к необходимости увеличивать сечение магнитопровода и вес трансформатора.

3.Провалы выпрямленного напряжения в несколько раз выше, чем у других применяемых трехфазных схем выпрямления.

Схема применяется редко.

Трехфазная мостовая схема выпрямления Ларионова

В трехфазных выпрямителях блоки из диодов чаще всего выполняют по мостовой схеме. В этом случае пульсация выпрямленного напряжения составляет 300 Гц.

а б

Трехфазная мостовая схема выпрямления Ларионова (а), фазное и выпрямленное напряжение (б)

Работа схемы:

В анодной группе включаются вентили с самым высоким потенциалом фазы, а в катодной наоборот. В любой момент времени открыты вентили, соединенные с фазами с самым большим положительным и с самым большим отрицательным потенциалами. Причем каждый вентиль одной группы в течении трети периода работает поочередно с двумя вентилями другой группы

Переключение вентилей аналогично изложенному выше.

Преимущества:

1.В этой схеме наилучшее использование мощности трансформатора.

2.Имеется возможность ступенчатого регулирования тока по схеме звезда / звезда – треугольник / треугольник.

3.Наименьший коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

Основной недостаток этой схемы выпрямления удвоенное падение напряжения на двух вентилях в цепи выпрямленного тока, что снижает КПД выпрямителя. Это важно при низком напряжении выпрямителя.

В сварочном оборудовании эта схема применяется практически во всех выпрямителях для ручной дуговой сварки с номинальным током до 500А.

Кольцевая трехфазная схема выпрямления

Для ее реализации трансформатор выпрямителя должен иметь две одинаковых группы вторичных обмоток, соединенных в звезду, и включенных со сдвигом на половину периода частоты сети. При этом пульсация выпрямленного напряжения составляет 300 Гц.

Работа схемы:

В этой схеме при переключении вентиля переключается и одна из двух обмоток в цепи выпрямления. Причем каждая обмотка одной группы в течении трети периода работает поочередно с двумя обмотками другой группы. Переключение вентилей аналогично изложенному выше.

Выпрямленное напряжение (равное разности напряжения двух фаз) получается также как и в мостовой схеме с пульсацией в 1/6 периода. Поскольку в цепи выпрямления один вентиль, а не два, постольку потери на выпрямлении в 2 раза меньше, чем в предыдущей схеме.

Поэтому такая схема применяется при низких напряжениях нагрузки (сварка плавящимся электродом в защитных газах, где минимальное Uраб=15 В).

В отличие от предыдущей схемы каждый вентиль в открытом состоянии работает 1/6 периода, а не 1/3 периода. Поэтому такая схема применяется в мощных выпрямителя (1000 А и более).

Основной недостаток этой схемы выпрямления – для нее требуется более сложный и более дорогой трансформатор, который проектируется с учетом подмагничивания постоянной составляющей тока.

Шестифазная схема выпрямления с уравнительным реактором

Для ее реализации трансформатор выпрямителя также должен иметь две одинаковых группы вторичных обмоток, соединенных в звезду, и включенных со сдвигом на половину периода частоты сети. При этом пульсация выпрямленного напряжения составляет 300 Гц. Кроме того, для обеспечения параллельной работы на нагрузку одновременно двух фаз требуется еще уравнительный реактор – симметричный дроссель.

А В С

Шестифазная схема выпрямления с уравнительным реактором

Работа схемы:

Для каждой звезды включаются вентили с самым высоким положительным потенциалом фазы аналогично трехфазной нулевой схеме. Без уравнительного реактора получается шестифазное выпрямление с работой каждой фазы и вентиля 1/6 периода.

При наличии уравнительного реактора ток, вызываемый разностью фазного напряжения обмоток разных групп, создает падение напряжения на обмотках реактора. Это изменяющееся по величине напряжение на одной половине реактора вычитается из большего фазного напряжения, а на другой половине реактора суммируется с меньшим фазным напряжением. Такое выравнивание напряжения на нагрузке позволяет питать ее от двух обмоток трансформатора одновременно через два совместно работающих вентиля. Это позволяет создавать мощные выпрямители без параллельного включения полупроводниковых вентилей, что исключает отбор их по характеристикам при изготовлении и ремонте.

Поэтому такая схема применяется в выпрямителях большой мощности (1000 А и больше) прежде всего при питании низковольтной нагрузки.

Основной недостаток этой схемы выпрямления – для нее требуется более сложный и более дорогой трансформатор, который проектируется с учетом подмагничивания постоянной составляющей тока, а также дополнительный дроссель.

Сравнительные характеристики схем выпрямления показывают следующее:

1.Минимальный уровень пульсаций для идеальных схем 5,7% от амплитуды обеспечивают 3 схемы: трехфазная мостовая, кольцевая и с уравнительным реактором;

2.С точки зрения используемой мощности трансформатора наилучшей является мостовая схема. Она лучше, чем остальные по использованию мощности от нескольких процентов до несколько десятков процентов;

3.С точки зрения минимальных потерь при выпрямлении низковольтной нагрузки лучше схемы с уравнительным реактором являются и кольцевая.

4.С точки зрения обеспечения параллельной работы вентилей на нагрузку преимущество имеет схема с уравнительным реактором.

Дата добавления: 2014-01-06