Сварочные выпрямители. Виды, устройство сварочных выпрямителей

1. Устройство сварочных выпрямителей

Полупроводниковые приборы (вентили). К полупроводниковым приборам относят диоды, тиристоры и транзисторы. Диод VD (рис. 1, а) имеет два вывода (А – анод, К – катод) и обладает свойством односторонней проводимости. При подаче на анод А (+) положительного напряжения относительно катода К (–) диод пропускает ток, при обратной полярности включения – не пропускает. Диод называют неуправляемым вентилем.

Рис. 1. Вентили, используемые в сварочных выпрямителях: а – диод; б – тиристор; в – биполярный транзистор

Аналогично диоду работает тиристор VS (рис. 1, б), который имеет дополнительный управляющий электрод (УЭ). Для отпирания тиристора необходимо выполнить два условия: первое – тиристор следует включить в прямом направлении, т. е. потенциал его анода А должен быть выше потенциала катода К; второе – на управляющий электрод тиристора необходимо подать положительный относительно катода импульс напряжения.

В положительном полупериоде тиристор отопрется с задержкой на электрический угол α, соответствующий подаче импульса управления. Следовательно, среднее значение выпрямленного тока для тиристора меньше, чем для диода, оно снижается при увеличении задержки включения.

Запирание обычного тиристора снятием импульса управления невозможно, он выключается только в конце полупериода при снижении сетевого напряжения до нуля, поэтому тиристор называют не полностью управляемым вентилем. В течение отрицательного полупериода обычный тиристор заперт. Таким образом, тиристор можно использовать не только для выпрямления, но и для регулирования силы тока.

Силовые биполярные транзисторы VT (рис. 1, в) предназначены для усиления мощности и имеют три вывода: Б – база, Э – эмиттер, К – коллектор.

Транзистор VT в схемах выпрямления (рис. 2) работает в качестве ключа.

Рис. 2. Транзистор: а – в цепи переменного тока; б – диаграмма изменения тока и напряжения (Iобр – обратный ток коллектора)

В положительном полупериоде (пока до момента α1 на базу Б не подан ток Iб) практически отсутствует прямой ток Iпр коллектора К, а следовательно, и ток в нагрузке. При подаче достаточно большого тока базы Iб транзистор в момент α1 перейдет сразу в режим насыщения, в котором прямой ток коллектора Iпр резко увеличивается до величины, ограниченной только напряжением питавшей сети ∼U и сопротивлением нагрузки Rн . При снятии тока базы в момент α2 резко снизится и прямой ток. В отрицательном полупериоде ток в нагрузке практически отсутствует. Среднее значение Icр тока коллектора Iпр зависит от величин углов управления α1 и α2 и может регулироваться в широких пределах.

Транзистор называют полностью управляемым вентилем.

Биполярный транзистор отличается от других типов переключающих приборов лучшей технологичностью и малыми потерями, но имеет сравнительно низкий коэффициент усиления по току, поэтому для питания тока базы нуждается в специальном устройстве – драйвере, выполняющем предварительное усиление сигнала системы управления.

Более перспективны полевые МОП-транзисторы с изолированным затвором, имеющие структуру «металл – оксид – полупроводник», или MOSFET (metal – oxide – semiconductor field – effect transistor). Затвор З (управляющий электрод) не имеет электрической связи с силовой цепью «исток И – сток С» (рис. 3, а), поэтому мощность управления транзистором ничтожно мала. Эти транзисторы имеют очень малое время включения и выключения, что позволяет использовать их при частоте до 100 кГц с низкими динамическими потерями. Пока еще полевые транзисторы уступают биполярным по значениям рабочего тока и напряжения.

Рис. 3. Современные полупроводниковые вентили: а – MOSFETтранзистор; б – IGBT-транзистор; в – чоппер; г – разумный силовой модуль (VT1–VT6 – управляемые транзисторы ключей)

Наиболее перспективным силовым переключающим прибором является биполярный транзистор с изолированным затвором, или IGBT (insulated-gate bipolar transistor), сочетающий достоинства биполярных и полевых транзисторов (рис. 3, б). Он может работать при частоте до 75 кГц, передавая одним прибором мощность до 10 кВт. Для передачи большей мощности транзисторы соединяют параллельно, при этом важно обеспечить равномерное распределение тока между ними, что достигается, например, тщательным подбором приборов с одинаковыми характеристиками.

Рационально использование комплектных транзисторнодиодных модулей – чопперов (рис. 3, в). В них уже при изготовлении подобраны на одинаковые токи и напряжения транзистор VТ и высокочастотный обратный диод VD1, а также на меньший ток – защитный диод VD2. Тенденция к объединению в одном корпусе силовых переключающих приборов, схем их управления, пуска, защиты, регулирования и диагностики проявилась в разработке и внедрении разумных силовых модулей (рис. 3, г).

Сварочные выпрямители. Сварочные выпрямители предназначены для преобразования переменного тока сети в постоянный и для питания им сварочной дуги.

Выпрямители для сварки классифицируют следующим образом.

По числу обслуживаемых постов – одно- и многопостовые. По числу фаз питания – одно- и трехфазные.

По типу вентилей – диодные, тиристорные, транзисторные. По способу регулирования:

• с механическим регулированием подвижными обмотками (типа ВД для ручной сварки), которые регулируются сменой коэффициента трансформации силового трансформатора (типа ВС для механизированной сварки в углекислом газе);
• регулированием методом магнитной коммутации (типа ВСЖ), которые регулируются при помощи дросселя насыщения (типа ВДГ);
• регулированием тиристорами (универсальные выпрямители типа ВДУ).

По назначению:

• для ручной дуговой сварки (MMA) (с падающими внешними характеристиками);
• механизированной дуговой сварки под флюсом (с падающими внешними характеристиками);
• механизированной дуговой сварки в углекислом газе (MAG) (с наклонно спадающими внешними характеристиками);
• универсальные (для всех видов сварки с круто- и наклонно падающими характеристиками).

Сварка на постоянном токе (DC) обеспечивает получение сварного соединения более высокого качества по сравнению со сваркой на переменном токе (AC). Из-за отсутствия нулевых значений тока повышается стабильность горения дуги, увеличивается глубина проплавления, снижается разбрызгивание, улучшается защита дуги, повышаются прочностные характеристики металла сварного шва, снижается количество дефектов шва, а пониженное разбрызгивание улучшает использование присадочного материала и упрощает операции зачистки сварного соединения от шлака и застывших брызг металла.

Все это привело к тому, что для сварки качественных швов ответственных соединений больше применяют сварку на постоянном токе. Кроме того, многие материалы (высоколегированные и теплоустойчивые стали, чугуны, титан, сплавы на основе меди и никеля) свариваются только на постоянном токе. В частности, для механизированной дуговой сварки в среде защитных газов (MIG/MAG), наиболее производительного и универсального метода сварки, применяют именно источники питания постоянного тока. Источниками питания дуги постоянного тока являются сварочные выпрямители.

В сварочных выпрямителях используют следующие схемы выпрямления: однофазную мостовую, шестифазную с выведенным нулем, шестифазную с уравнительным дросселем, кольцевую, а также трехфазную мостовую при их работе на активную линейную нагрузку (резистор). Общее правило анализа схем следующее: в любой момент времени открывается тот вентиль, к аноду которого приложен максимальный положительный потенциал или к катоду которого приложен максимальный отрицательный потенциал.

Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 4) работает следующим образом. В первом полупериоде (при положительной полярности левой клеммы вторичной обмотки трансформатора) ток пропускают вентили VD1 и VD2 (путь тока показан пунктирной линией), во втором – вентили VD3 и VD4. В результате сила тока Iн в нагрузке остается постоянной по направлению(см. рис. 4, г). Форма кривой выпрямленного напряжения Uв (см. рис. 4, в) – пульсирующая от 0 до Uт, т. е. малопригодная для сварки.

Трехфазная мостовая схема (рис. 5) получила наибольшее распространение. В ней вентили VD1, VD3 и VD5, у которых соединены катоды, образуют катодную, а вентили VD2, VD4 и VD6 анодную группы. Поскольку катоды вентилей в катодной группе имеют одинаковый потенциал, в любой момент времени будет работать вентиль с максимальным положительным потенциалом анода. В момент t0 – это вентиль VD5 в фазе С. В анодной группе открыт вентиль с максимальным отрицательным потенциалом катода.

В момент t0 – это вентиль VD6 в фазе В. Путь тока в этот момент показан пунктиром на рисунке 4.5, а. Все остальные вентили заперты, на анодах потенциал ниже, чем на катодах. С момента t1 в катодной группе вместо вентиля VD5 начинает работать вентиль VD1, а с момента t2 в анодной группе вместо VD6 – вентиль VD2 и т. д. Очередность вступления в работу вентилей соответствует их номерам (см. рис. 5, г).

Рис. 4. Однофазная мостовая схема выпрямления: а – принципиальная схема; б – вторичное напряжение на трансформаторе; в – выпрямленное напряжение; г – выпрямленный ток (Rн – сопротивление нагрузки; Iср – среднее значение тока нагрузки; Uт – напряжение трансформатора)

Потенциал общих катодов схемы изменяется по верхней огибающей кривых фазных напряжений (U2С, U2А…), а потенциал общих анодов – по нижней огибающей (U2В, U2С…). Выпрямленное напряжение Uв в интервале t0–t1 представляет собой разность напряжений фаз С и В, а именно: UВ = U2С – U2В = UСВ (заштриховано на рис. 5, б, в), а с момента t1 – разность напряжений фаз А и В, а именно: UВ = U2А – U2В = UАВ. Следовательно, выпрямленное напряжение Uв меняется по огибающей линейных напряжений UСВ, UАВ (показано толстой линией). Среднее значение выпрямленного напряжения колеблется вблизи средней величины Uв незначительно, что способствует устойчивому горению дуги.

Рис. 5. Трехфазная мостовая схема выпрямления: а – принципиальная схема; б – вторичные фазные напряжения; в – вторичные линейные и выпрямленные напряжения; г – выпрямленный ток (Rн – сопротивление нагрузки; Iн – сила тока нагрузки; U2 – напряжение на вторичной обмотке)

Каждый вентиль работает 1/3 периода, поэтому средний ток вентиля выше, чем в шестифазных схемах, но ниже, чем в однофазной мостовой.

Расчетная мощность трансформатора в трехфазной мостовой схеме Sт = 1,05IнUв. Она незначительно отличается от мощности потребителя Sп = IнUв. Это свидетельствует о хорошем использовании трансформатора, к тому же он имеет наиболее простую конструкцию среди всех рассмотренных многофазных схем выпрямления. Так как затраты на трансформатор всегда преобладают в общей стоимости выпрямителя, то, несмотря на небольшой проигрыш в стоимости выпрямительного блока, трехфазная мостовая схема нашла широкое применение в конструкции серийных выпрямителей на неуправляемых вентилях.

Требования к трансформаторам с падающими внешними характеристиками изложены в ГОСТ 13821–77 «Выпрямители однопостовые с падающими внешними характеристиками для дуговой сварки».

По способу формирования внешней характеристики сварочные выпрямители можно разделить на две группы: параметрические и с фазовым управлением.

Внешняя характеристика параметрических выпрямителей формируется за счет конструктивных и электрических параметров трансформатора либо блока переменного тока выпрямителя. Эти же параметры определяют и способы настройки режимов сварки. В сварочных выпрямителях с фазовым управлением настройка выходной мощности и формирование любой внешней характеристики осуществляются с помощью обратных связей по току и напряжению.

Блок-схемы параметрических выпрямителей представлены на рисунке 6, а, б.

Рис. 6. Блок-схемы сварочных выпрямителей: а – параметрический; б – параметрический с дросселем насыщения; в – с фазовым управлением; г – инверторный

Сварочные выпрямители включают трансформатор Т, выпрямительный блок на неуправляемых вентилях VD и сглаживающий дроссель L (см. рис 6, а). Трансформатор в этих схемах используют для понижения напряжения, формирования внешней характеристики и настройки режима. Сглаживающий дроссель, фильтр, реактор – элементы, обладающие значительным индуктивным сопротивлением, что позволяет устранить пульсации (переменную составляющую) выпрямленного тока в схемах выпрямления (см. рис. 4, 5).

Степень сглаживания пульсаций тока зависит от индуктивности дросселя, фильтра или реактора. В некоторых конструкциях используют дроссель насыщения L1 (L2). Его применяют для формирования внешней характеристики и настройки режима (см. рис. 6, б). Эти сварочные выпрямители имеют механический или электромагнитный способ регулирования. В настоящее время такие дешевые сварочные выпрямители, хотя и не обеспечивают стабильность выходной мощности и имеют низкий КПД, вполне пригодны для неответственных и ремонтных работ.

Блок-схема выпрямителей с фазовым управлением представлена на рисунке 6, в. В этих выпрямителях электромагнитное управление сварочным током заменено электронным – с помощью тиристоров или транзисторов. С этой целью силовой выпрямительный блок собирается на управляемых вентилях, а сварочные выпрямители получили названия соответственно тиристорные или транзисторные.

В выпрямительный блок VS входят тиристоры и диоды или одни тиристоры, выполняющие следующие функции: выпрямление тока, регулирование выходной мощности и формирование любой внешней характеристики с помощью обратных связей по току и напряжению.

Трансформатор Т служит только для понижения сетевого напряжения до сварочного и имеет жесткую внешнюю характеристику. Бесступенчатое управление током осуществляется регулятором на тиристоре за счет фазового управления моментом его включения. Преимуществами тиристорного управления током являются его простота и устойчивость к грубым внешним воздействиям. Эти источники питания имеют лучшие сварочно-технологические свойства, чем параметрические сварочные выпрямители.

Постановка новых задач и развитие технологий дуговых процессов изменили концепцию создания источников питания в результате применения новых более совершенных конструкторских решений. Это относится к созданию принципиально нового сварочного выпрямителя – инверторного типа (рис. 6, г). От традиционных сварочных выпрямителей они отличаются тем, что в них отсутствует силовой сетевой сварочный трансформатор.

В инверторных источниках питания сварочной дуги сетевое переменное напряжение сначала выпрямляется, а затем выпрямленное напряжение, пройдя через инвертор UZ с транзисторным или тиристорным преобразователем, преобразуется в напряжение высокой частоты порядка 5–100 кГц. Высокочастотным трансформатором преобразованное напряжение понижается до сварочных значений, вторичным выпрямителем VD2 выпрямляется и подается на дугу.

Широко применяют универсальные тиристорные выпрямители, которые могут работать как на падающих, так и на жестких характеристиках.

В состав любого выпрямителя (VD1, VD2) входят также вентилятор, пускорегулирующая, защитная и контрольная аппаратура.

Главные достоинства сварочных выпрямителей при сопоставлении с трансформаторами: высокая надежность зажигания и устойчивость горения дуги. По сравнению с преобразователями и агрегатами, выпрямители обладают более высоким КПД, относительно малыми габаритами и массой, отсутствием вращающихся частей, высокой надежностью.

2. Выпрямители сварочные параметрические

Выпрямители с параметрическим регулированием подразделяют:

• на выпрямители с секционированными обмотками трансформатора;
• выпрямители с дросселем насыщения;
• выпрямители, управляемые трансформатором с увеличенным рассеянием;
• выпрямители с умножителем напряжения;
• выпрямители с подпиткой.

Простейший выпрямитель с секционированными обмотками трансформатора предназначен для механизированной сварки в углекислом газе (MAG) и имеет жесткую внешнюю характеристику. Он состоит из понижающего трехфазного трансформатора Т с нормальным рассеянием, переключателя ступеней S, силового выпрямительного блока VD на неуправляемых вентилях и сглаживающего дросселя L (рис. 7). Каждая из трех первичных обмоток трансформатора состоит из секций с выведенными отпайками для регулирования режима. Выпрямительный блок обычно собирается по трехфазной мостовой схеме. Линейный реактор включают в выпрямитель для уменьшения разбрызгивания при сварке.

Выпрямитель с секционированными обмотками имеет жесткую или естественную пологопадающую внешнюю характеристику благодаря малому сопротивлению трансформатора и выпрямительного блока. Характеристика имеет небольшой наклон ρ = 0–0,03 В/А.

Трехфазный выпрямитель марки ВС-300Б имеет схему, упрощенно изображенную на рисунке 4.7, а. Переключатели S1 и S2 обеспечивают 20 ступеней регулирования напряжения холостого хода от 18 до 35 В с шагом 0,5–1,0 В. На некоторых ступенях число работающих витков в трех обмотках немного отличается, но такая асимметрия приводит лишь к небольшим пульсациям сварочного тока и не отражается на качестве сварки.

Комплектный трехфазный мостовой блок VD на 400 А собран на алюминиевых охлаждающих пластинах из 30 серийных диодов марки Д204. Сглаживающий дроссель L имеет отпайки для регулирования индуктивности. На схеме не показаны магнитный пускатель, вентиляторы, сигнальные лампы, а также аппаратура питания полуавтомата (двигатель, подогреватель газа и др.). Предусмотрена возможность питания привода полуавтомата сварочным напряжением.

Рис. 7. Упрощенные схемы выпрямителей для механизированной сварки в защитном газе: а – с секционированными обмотками; б – с дросселем насыщения 

Ранее в больших количествах выпускали более простые выпрямители BC-200, ВС-300, BC-500, BC-600.

При механизированной сварке в углекислом газе и смесях защитных газов на низких напряжениях дуги перенос электродного металла у выпрямителей с секционированными обмотками происходит с короткими замыканиями. При этом скорость нарастания тока короткого замыкания достигает 750 кА/с, а коэффициент разбрызгивания электродного металла 20 %. Скорость нарастания тока снижают, используя схемы с низкой пульсацией выпрямленного напряжения (трехфазную мостовую или шестифазные), увеличивая крутизну падающей внешней характеристики путем введения большей индуктивности в цепь выпрямленного тока.

Обычно используют реактор с индуктивностью 0,2– 0,5 мГн. Благодаря этим мерам удается снизить разбрызгивание до 3–10 %. Напряжение холостого хода у таких выпрямителей, близкое к рабочему напряжению, невелико. Поэтому начальное зажигание дуги, особенно при большой скорости подачи проволоки, затруднительно. Время достижения устойчивого режима составляет 0,2–1,0 с. К недостаткам такого выпрямителя относят отсутствие стабилизации выпрямленного напряжения и перерасход обмоточных материалов, так как на высоких ступенях регулирования часть витков первичной обмотки не используют. Главные достоинства – простота и надежность.

Выпрямитель с дросселем насыщения (рис. 7, б), в котором неуправляемый трехфазный трансформатор Т с нормальным рассеянием используют только для понижения напряжения, более эффективно реализует регулирование напряжения. Дроссель насыщения LS имеет шесть сердечников, на каждом из которых намотано по одной рабочей обмотке (ОР). Обмотка управления (ОУ) охватывает все шесть стержней. В цепи обмотки управления имеется регулировочный резистор R.

В цепи каждой рабочей обмотки установлено по вентилю силового выпрямительного блока VD, поэтому по обмоткам идет ток только одного направления, так что магнитодвижущие силы рабочих обмоток и обмотки управления всегда совпадают. Такую конструкцию называют дросселем с самонасыщением (самоподмагничиванием). При увеличении тока управления Iу магнитопровод дросселя насыщается, в результате чего его магнитное сопротивление увеличивается, а индуктивное сопротивление обмоток дросселя снижается.

Поэтому выпрямленное напряжение, подаваемое на дугу, увеличивается. Плавное регулирование напряжения может быть дополнено ступенчатым. Серийно выпускают выпрямитель ВДГ-303. В нем предусмотрено смешанное регулирование напряжения: ступенчатое – переключением первичных обмоток трансформатора и плавное – реактором насыщения. Пакетно-кулачковый переключатель 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 выполнен на шести витых разрезных сердечниках, на каждом из которых расположено по одной рабочей обмотке. Три последовательно соединенные катушки обмотки управления охватывают каждая по два сердечника.

Сварочные свойства выпрямителя с дросселем насыщения достаточно высоки. Повышенное напряжение холостого хода в 1,5–3 раза относительно сварочного способствует надежному начальному зажиганию дуги. Устойчивое горение дуги наблюдается во всем диапазоне регулирования напряжения, за исключением самого низкого напряжения. В этом случае, как и при фазовом регулировании, наблюдается режим прерывистого тока.

Для устранения этого недостатка плавное регулирование дополняют ступенчатым. Кроме того, устойчивости процесса способствует и специальный сглаживающий реактор, который ликвидирует провалы в кривой сварочного тока после короткого замыкания. Индуктивность реактора, достигающая 0,5 мГн при высоких сварочных токах, автоматически снижается при низких режимах. Это позволяет уменьшить разбрызгивание во всем диапазоне регулирования режима сварки. Кратность плавно-ступенчатого регулирования сварочного напряжения превышает 2,5, что отвечает технологическим требованиям.

Выпрямители, управляемые трансформатором с увеличенным рассеянием (рис. 8), используют в основном при ручной дуговой сварке, имеют падающую характеристику.

В состав выпрямителя с подвижными обмотками входит трехфазный понижающий трансформатор Т и выпрямительный блок VD, собранный по трехфазной мостовой схеме (см. рис. 8, в). У трансформатора три подвижные обмотки 1, обычно первичные, установлены в обойме и перемещаются по вертикали. Три вторичные обмотки 2 неподвижны и жестко закреплены на магнитопроводе 3.

Благодаря большому рассеянию между первичными и вторичными обмотками трансформатор имеет увеличенное магнитное рассеяние, что и обеспечивает получение крутопадающей внешней характеристики выпрямителя. Регулируемым параметром является величина сварочного тока. Его регулирование осуществляется изменением индуктивного сопротивления трансформатора путем перемещения подвижных обмоток.

При увеличении расстояния l между обмотками увеличиваются рассеяние и сопротивление XL, поэтому ток уменьшается в 3–3,5 раза. Для получения большей кратности приходится значительно увеличивать ход подвижных обмоток, что приводит к увеличению высоты Н и перерасходу железа трансформатора.

Рис. 8. Выпрямитель, управляемый трансформатором с увеличенным рассеянием: а – упрощенная схема при соединении обмоток в звезду; б – при соединении в треугольник; в – трансформатор с подвижными обмотками; г – трансформатор с магнитным шунтом

Плавное регулирование дополняется ступенчатым регулированием за счет переключения обмоток со схемы звезда – звезда на схему Δ/Δ (треугольник – треугольник) с помощью переключателей 4 и 5. Для получения диапазона малых токов переключатели становятся в положение I, при котором как первичные, так и вторичные обмотки соединены в звезду (см. рис. 8, а). Диапазон больших токов получается при установке переключателей в положение II, обеспечивающее соединение обмоток в треугольник (см. рис. 8, б). Общая кратность плавного и ступенчатого регулирования достигает 10. При обеих схемах напряжение холостого хода Uх выпрямителя одинаково.

Выпрямитель марки ВД-306, управляемый трансформатором с подвижными обмотками, – типичный представитель таких выпрямителей с падающей внешней характеристикой (рис. 9, а). На тележке 1 установлен трехфазный трансформатор 4 с алюминиевыми обмотками. Первичные обмотки для плавного регулирования силы тока перемещаются с помощью ручного винтового привода 8. Переключателем диапазонов 9 ток регулируется ступенчато. Выпрямительный блок 2 охлаждается вентилятором 3. На лицевой панели выпрямителя установлены амперметр 5, сигнальная лампа 6, кнопки 7 «Пуск» и «Стоп». В нижней части выпрямителя имеются разъемы сварочной цепи 10, болт заземления 11 и разъем 12 для подключения к сети.

Рис. 9. Выпрямитель ВД-306: а – конструкция; б – принципиальная схема; в – внешние характеристики (R1 – сопротивление)

По принципиальной схеме (рис. 9, б) рассмотрим работу выпрямителя. При подаче сетевого напряжения включается сигнальная лампа HL. Для пуска выпрямителя предназначена кнопка SB2 «Пуск», при нажатии на нее срабатывает контактор КМ, силовые контакты которого подают питание на двигатель М вентилятора и силовой трансформатор Т. При правильном направлении потока воздуха ветровое реле SP срабатывает и блокирует кнопку SB2. Для выключения выпрямителя предусмотрена кнопка SB1 «Стоп».

Первичные и вторичные обмотки трансформатора могут быть соединены переключателем SA в звезду или треугольник. В переключатель встроен микровыключатель SQ, разрывающий цепь катушки контактора при переключении, поскольку под нагрузкой переключать соединение обмоток нельзя. Выпрямительный блок VD представляет собой комплектный модуль с двумя охладителями и запрессованными в них диодами. Трехфазная мостовая схема выпрямителя содержит по 10 диодов марки Д204 в каждом плече.

Каждый диод снабжен предохранительной перемычкой, перегорающей при выходе из строя вентиля, поэтому выпрямитель продолжает работать даже после выхода из строя нескольких диодов. Амперметр РА подключен к шунту RS. Защита выпрямителя от перегрузок по току осуществляется тепловым реле KMF контактора КМ, цепи управления защищены плавкими предохранителями FU1–FU3. Для защиты выпрямительного блока от коммутационных перенапряжений служит фильтр R2–R3–С. Внешние характеристики выпрямителя приведены на рисунке 9, в.

Такую же конструкцию имеют серийно выпускаемые выпрямители ВД-201 и ВД-401.

Сварочные свойства выпрямителей, управляемых трансформатором с подвижными обмотками, хорошо отработаны. У выпрямителя ВД-306 зажигание дуги при напряжении холостого хода 60–70 В и токе короткого замыкания, в 1,2–1,5 раза превышающем сварочный, происходит даже при использовании электродов с основным покрытием марки УОНИ-13/55 (сварка током обратной полярности), как правило, с первого касания электродом детали.

Эластичность дуги высокая, причем разрывная длина дуги для этих электродов достигает 13–15 мм, а для электродов марки ЦЛ-11 20–25 мм. Устойчивость процесса сварки хорошая, сварка в любых пространственных положениях шва идет без обрывов дуги. Этому способствует, в частности, хорошая сглаженность выпрямленного сварочного тока, при которой коэффициент пульсации не превышает 20 %. Благодаря наличию крутопадающей характеристики ток при колебаниях длины дуги достаточно стабилен. Однако при колебаниях напряжения сети в пределах ±10 % сила тока меняется до ±15 %.

Перенос электродного металла при сварке электродами марки УОНИ-13/55 током обратной полярности 200–250 А имеет крупнокапельный характер и сопровождается короткими замыканиями каплями на ванну с частотой 1–4 Гц и длительностью 10–16 мс, поэтому разбрызгивание электродного металла не превышает 3 %.

Технико-экономические показатели таких выпрямителей достаточно высокие. Так, КПД выпрямителей ВД-201, ВД-401 составляет 0,6–0,75, коэффициент мощности – 0,5–0,7, поэтому расход электроэнергии достигает 4–6 кВт∙ч на 1 кг расплавленного электродного металла.

Другие типы выпрямителей отличаются конструкцией входящего в их состав трансформатора. Иногда применяют трансформаторы с магнитным шунтом. Отдельную группу составляют бытовые и монтажные выпрямители. К ним предъявляют следующие требования: снижение массы и габаритных размеров, простота в эксплуатации и обслуживании, а главное, возможность подключения к бытовой осветительной сети с током 16 или 25 А. Такой выпрямитель можно использовать также для зарядки аккумуляторной батареи и пуска автомобильного двигателя. Обычно он имеет однофазное питание и однофазную мостовую схему выпрямления, дополненную дросселем.

Перспективны также однофазные выпрямители с подпиткой. Подпитка представляет собой вспомогательный маломощный выпрямитель с высоким напряжением холостого хода и питает дугу параллельно основному выпрямителю. Подпитка заполняет интервалы с провалами тока основного источника, что существенно повышает устойчивость процесса сварки.

Выпрямитель ВД-405 предназначен для работы в тяжелых производственных условиях. В его основу положен надежный, хорошо зарекомендовавший себя в промышленности и строительстве однофазный трансформатор ТДМ-401 с подвижными обмотками и пакетным переключателем для ступенчатого регулирования тока. К одной из фаз и нулевому проводу подключают трансформатор подпитки. Это обеспечивает эффективное заполнение провалов основного тока током подпитки.

Сварочные свойства выпрямителя ВД-405 лучше, чем у других однофазных (высокая надежность зажигания и эластичность дуги), а по показателям переноса металла – даже в сравнении с трехфазными выпрямителями. При включении блока подпитки начальная длина дуги при зажигании увеличивается с 2–4 до 10–16 мм, и возможна сварка электродами с основным покрытием без обрывов в горении дуги. Кратность пикового тока короткого замыкания, обеспечиваемая выпрямителем, равна 1,8–2,0, что важно при сварке на пониженном токе и особенно в вертикальном и потолочном положениях.

Другая перспективная конструкция имеет в своем составе умножитель напряжения с конденсаторной батареей, которая заряжается от основного источника до напряжения, в 2 раза превышающего его напряжение холостого хода. Умножитель напряжения способствует начальному зажиганию дуги, а также поддерживает ее в провалах тока основного источника.

На этом принципе разработан выпрямитель «Дуга 318М» с параллельным умножением напряжения (рис. 10), который может подключаться как к однофазной сети 220 В клеммами А и В, так и к двухфазной сети 380 В – клеммами А и С. Сетевое напряжение через автоматический выключатель QF поступает на трансформатор Т. Переключателем SA устанавливают необходимое пониженное напряжение, которое подается на вентильный блок VD1–VD4 и умножитель напряжения (батареи конденсаторов C1 и C2). Реактор L2 служит для сглаживания сварочного тока.

Рис. 10. Выпрямитель «Дуга 318М»: а – схема выпрямителя; б – внешние характеристики (L1 – реактор, сглаживающий дроссель; х3, х4, х5 – переключатели)

Контакты переключателя SA перемещаются по оголенным проточенным виткам вторичной обмотки, за счет чего и регулируется ток. Вентильный блок собран по мостовой схеме из четырех диодов VD1–VD4. Умножитель напряжения работает следующим образом. В одном из полупериодов по цепи х5–VD3–С1–L1–х4 идет зарядка конденсаторной батареи С1. В следующем полупериоде по цепи х4–L1–С2–VD4–х5 идет зарядка конденсаторной батареи С2 такой же емкости. При холостом ходе суммарное напряжение выпрямителя составляет 60 В. При общей емкости 17 600 мкФ в умножителе запасается энергия CU2/2 = 30 Дж, которой достаточно для начального зажигания дуги при ручной дуговой сварке.

Внешние характеристики выпрямителя даны на рисунке 4.10, б. Начальный крутопадающий участок характеристики сформирован умножителем напряжения. При сварке дуга питается от основной силовой цепи Т–VD1–VD4–L2. Внешняя характеристика источника питания на рабочем участке пологопадающая, с относительно невысоким напряжением холостого хода Uх, равным 15–35 В. Диапазон регулирования тока при витковом регулировании переключателем SA составляет 50–200 А.

У трехфазного двигателя вентилятора две обмотки получают питание непосредственно от сети, а третья (со сдвигом фазы) – за счет конденсаторов С3, С4. Светодиод VDH получает питание от вспомогательной обмотки трансформатора через резистор R и сигнализирует о наличии напряжения сети.

Другие конструкции выпрямителей имеют комбинированные схемы последовательного и параллельного умножения, а также трехфазную схему выпрямления.

Сварочные свойства таких выпрямителей зависят от параметров цепи умножителя напряжения. Надежное зажигание дуги электродом с рутиловым покрытием у источника на 160 А обеспечивается уже при емкости 1000–2000 мкФ, но для электродов с основным покрытием (например, марки УОНИ-13/55) потребуется более значительная емкость, а также сглаживающий реактор с индуктивностью не менее 0,3 мГн. К недостаткам таких выпрямителей следует отнести слишком пологий наклон внешних характеристик на основном участке, что приводит к снижению точности настройки и стабильности тока, к тому же большой пиковый ток короткого замыкания Iп.к = (2,5–3,5)Iд вызывает перегрев электрода и увеличение разбрызгивания электродного металла.

3. Выпрямители с фазовым управлением

Фазовое управление заключается в изменении угла управления тиристоров, приводящем к изменению части напряжения трансформатора, подаваемого тиристорным выпрямительным блоком на нагрузку (см. рис. 5).

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

В сварочных тиристорных выпрямителях нашли применение следующие схемы выпрямления: трехфазная мостовая, шестифазная с уравнительным реактором и шестифазная кольцевая.

Необходимые (жесткие или крутопадающие) внешние характеристики в тиристорном выпрямителе могут быть сформированы как естественным, так и искусственным способом.

Естественные внешние характеристики имеют наклон, зависящий от сопротивления трансформатора. Необходимый тип естественной внешней характеристики тиристорного выпрямителя задается конструкцией трансформатора. Жесткие характеристики получают при использовании трансформатора с нормальным рассеянием, крутопадающие – трансформатора с увеличенным рассеянием.

Искусственные внешние характеристики в тиристорном выпрямителе получают за счет обратных связей по напряжению или току. Стабилизация напряжения при жестких внешних характеристиках достигается введением отрицательной обратной связи по сварочному или сетевому напряжению. Крутопадающую характеристику обеспечивает введение отрицательной обратной связи по току.

На основе одной и той же силовой части тиристорного выпрямителя с помощью слаботочных цепей управления можно сформировать и жесткие, и крутопадающие характеристики. Поэтому большинство тиристорных выпрямителей разработаны как универсальные.

Универсальный выпрямитель марки ВДУ-505-2 содержит автоматический выключатель QF (рис. 11, а), силовой контактор К, силовой трансформатор Т, уравнительный дроссель L1, силовой блок тиристоров VS (VS1–VS3), сглаживающий дроссель L2, а также не показанные на схеме вентилятор и блоки управления. Силовой понижающий трансформатор имеет нормальное рассеяние, что позволяет применять его при формировании как жестких, так и падающих характеристик. Силовой выпрямительный блок собран из тиристоров Т161-7-12, Т160-7-12 по шестифазной схеме с уравнительным дросселем, которая обеспечивает самую низкую токовую загрузку вентилей.

Рис. 11. Выпрямитель ВДУ-505-2: а – упрощенная принципиальная схема; б – падающие внешние характеристики; в – жесткие внешние характеристики (1, 2, 3 – внешние характеристики выпрямителя)

Дроссель L2 предназначен для сглаживания выпрямленного тока, а при дуговой сварке в углекислом газе также для уменьшения разбрызгивания электродного металла. При ручной сварке с падающими характеристиками дроссель имеет максимальную индуктивность (0,5 мГн). При механизированной сварке в углекислом газе с жесткими характеристиками его индуктивность меняется автоматически в зависимости от режима сварки следующим образом.

При низких режимах наблюдается значительная пульсация выпрямленного тока, протекающего по рабочей обмотке (ОР) дросселя, в обмотке управления (ОУ) индуцируются большие ЭДС и ток, замыкающийся по вентилям и дуге. Этот ток создает с помощью обмотки управления большой магнитный поток, насыщающий железо дросселя. В результате магнитное сопротивление дросселя увеличивается, индуктивное сопротивление рабочей обмотки снижается. Поэтому при низких режимах дроссель имеет малую индуктивность, при высоких – большую, что соответствует требованиям технологического процесса.

Для получения падающих характеристик (рис. 11, б) используют отрицательную обратную связь по току, одновременно с ней действует обратная связь по напряжению сети, что позволяет стабилизировать ток при колебаниях сетевого напряжения. При сварке с жесткими характеристиками (рис. 11, в) стабилизация напряжения обеспечивается обратными связями по сварочному и сетевому напряжению. Для получения небольшого заданного наклона характеристик используют также ослабленную обратную связь по току.

При отсутствии сварочного тока обратная связь по сварочному напряжению может быть отключена, и тиристоры переходят к полнофазному включению (α = 0), что обеспечивает высокое начальное напряжение. В результате улучшаются зажигание дуги и устойчивость при малых токах. Наклон характеристики может изменяться в пяти вариантах от 0 до –0,1 В/А. Так, при сварке с длинными проводами и при увеличенном вылете электродной проволоки используют более жесткую характеристику, что гарантирует стабильность настроенного напряжения.

Другие выпрямители отличаются от ВДУ-505-2 конструктивным оформлением, схемой выпрямления, типом вентилей и способом сглаживания тока и напряжения.

Выпрямитель марки ВДУ-506МТ предназначен для ручной сварки покрытым электродом, механизированной сварки сплошной и порошковой проволокой и аргонодуговой сварки неплавящимся электродом (рис. 12). В силовой цепи источника энергия сети подается через контактор КМ1 на понижающий трансформатор Т, затем на тиристорный блок VS, далее на дроссель L и в дугу. Параллельно силовой цепи подключена цепь высоковольтной подпитки, состоящая из контактора КМ2, выпрямительного блока на неуправляемых вентилях VD и балластного резистора R.

Автоматический регулятор создан на основе микропроцессора А1 марки PIC1SF452 (MicroChip Incorporated, США), который действует в соответствии с алгоритмом, учитывающим различные ситуации и условия сварочного процесса. Внешнее программирование регулятора осуществляется при его настройке на заводе-изготовителе от компьютера через порт A3. В процессе эксплуатации задание параметров режима производится с панели управления и индикации А2 на передней стенке выпрямителя или с цифрового пульта дистанционного управления А4, или с аналогового пульта дистанционного управления А5.

Рис. 12. Блок-схема универсального выпрямителя ВДУ-506МТ

Процесс сварки начинается прикосновением электрода к детали или нажатием на кнопку А6 на горелке. Сигнал обратной связи по току снимается с шунта RS и преобразуется усилителем А16. Сигнал обратной связи по напряжению понижается делителем А17. После сравнения сигнала задания с сигналами обратной связи регулятор А1 вырабатывает сигнал управления, который через широтно-импульсный модулятор (ШИМ) А12 и формирователь импульсов А13 подается на управляющие электроды тиристоров VS.

В регулятор также подаются сигнал от ветрового реле А10, контролирующего работу двигателя вентилятора М, и сигналы от термодатчиков А14, измеряющих температуру тиристоров. В случае отклонения контролируемых параметров от заданных значений регулятор через оптоэлектронную развязку А9 отключает пускатель КМ1. С помощью двух развязок A11 и А15 регулятор управляет включением пускателя высоковольтной подпитки КМ2 и обмотки управления реактора L. С помощью развязок А7 и А8 регулятор может управлять работой газового клапана и привода подачи проволоки сварочного полуавтомата.

Выпрямитель ВДУ-506МТ имеет комбинированную внешнюю характеристику, состоящую из нескольких постоянных и дополнительных участков 1–4 (рис. 13), формируемых в зависимости от разновидностей способов сварки.

Рис. 13. Формирование внешних характеристик выпрямителя ВДУ-506МТ для различных способов дуговой сварки: а – ручной покрытыми электродами (dэ = 4 мм); б – аргонодуговой неплавящимся электродом; в – механизированной в защитных газах

При ручной сварке покрытыми электродами (см. рис. 13, а, участок 1) подпитка (85 В, 20 А) необходима для заполнения пауз между включениями тиристоров. Пологопадающий участок 2 представляет собой естественную характеристику выпрямителя при полнофазном включении тиристоров (55 В, 0,03 В/А). На крутопадающем участке 3 наклон 0,4–2,0 В/А настраивается в зависимости от положения шва в пространстве. Основной вертикальный участок характеристики 4 используют для настройки сварочного тока в диапазоне 20–500 А.

Для выполнения специальных функций настраиваются положения еще четырех участков, обеспечивающих ток ограничения длительного короткого замыкания Iк.огр (участок 7 ), ток горячего пуска (старта) Iст (участок 6), ток форсирования при капельном переносе Iотс (участок 5), а также напряжение ограничения длительного холостого хода U00 (точка 8) 12 В. На рисунке 4.13, а показан пример настройки режима ММА диаметром 4 мм током Iд = 150 А.

При аргонодуговой сварке характеристика (см. рис. 13, б) имеет три постоянных участка и дополнительный участок 4, ограничивающий длительный ток короткого замыкания. В качестве примера показана настройка при сварке вольфрамовым электродом диаметром 3 мм при токе Iд = 150 А.

При дуговой механизированной сварке в углекислом газе и смесях газов характеристика (см. рис. 13, в) имеет два постоянных и два дополнительных участка. Как и при других способах сварки, имеется участок подпитки 1, основной участок 2 выполнен жестким, его перемещением настраивается сварочное напряжение в интервале 15–40 В. Для горячего старта предусмотрена возможность увеличения напряжения до уровня естественной характеристики 3 с полнофазным включением тиристоров.

Для ограничения тока Iотс при длительном коротком замыкании и предотвращения прожогов тонких деталей формируется участок отсечки 4. В качестве примера приведена настройка режима при сварке в углекислом газе проволокой диаметром 1 мм со скоростью подачи 400 м/ч при оптимальном соотношении тока Iд = 150 А и напряжения Uд = 22 В.

При любом способе сварки предусмотрено хранение и воспроизведение заранее установленных режимов, в том числе подобранных сварщиком. В отличие от аналогового регулятора, микропроцессорный не нуждается в изменении структуры или введении новых элементов для придания ему новых функций и свойств. Изменение алгоритма его функционирования, как правило, требует всего нескольких минут работы квалифицированного программиста. Режим сварки можно подбирать и сохранять в одном выпрямителе, легко тиражировать и переносить на другие с помощью накопителей на магнитных дисках. Источник снабжен ограничителем холостого хода.

Сварочные свойства тиристорных выпрямителей предопределены самим принципом фазового управления, которое приводит к сильным пульсациям сварочного тока и в то же время предоставляет возможность программного управления и быстрого реагирования на отклонения параметров режима от установленных значений. У выпрямителя ВДУ-506МТ характеристики сварочных свойств при ручной сварке с использованием электродов марки УОНИ-13/55 следующие.

Предельная начальная длина дуги при зажигании 11–16 мм, разрывная длина 12–17 мм. Обрывов дуги не обнаружено при сварке как в нижнем, так и в вертикальном положении. Минимальный ток устойчивого горения дуги для электродов диаметром 2,5–5,0 мм соответственно 17–40 А. Стабильность режима характеризуется относительными отклонениями тока всего 1–4 %. Перенос электродного металла при токе форсирования, равном (1,2–1,5)Iд, регулярный крупнокапельный, при этом коэффициент разбрызгивания электродного металла менее 2 %.

Технико-экономические показатели тиристорных выпрямителей лучше, чем у диодных. Так, КПД выпрямителей ВДУ при номинальном режиме составляет около 0,7–0,85, а коэффициент мощности 0,6–0,65. При жестких характеристиках оба показателя выше, чем при падающих. Удельный расход электроэнергии при ручной дуговой сварке составляет 4–5,5 кВт∙ч на 1 кг расплавленного металла.

Технические характеристики некоторых выпрямителей приведены в таблице, а их внешний вид показан на рисунке.

Основные параметры сварочных выпрямителей