Выпрямители. Часть 1

Сварочный выпрямитель - это аппарат, преобразующий переменный ток в постоянный при помощи полупроводниковых вентилей и состоящий из сварочного трансформатора с регулирующим устройством и блока полупроводниковых вентилей с охлаждающим вентилятором. Иногда в комплект выпрямителя входит еще дроссель, включаемый в цепь постоянного тока. В выпрямителях в основном используются селеновые, кремниевые вентили и управляемые тиристоры. Дроссель служит для получения падающей внешней характеристики.

Первые образцы сварочных выпрямителей для ручной дуговой сварки были разработаны во ВНИИЭСО в 1955 г., а изготовлены в 1956 г. Они имели низкий КПД (менее 65%) и большой вес, затем совершенствовались.

Существуют две типовые схемы выпрямления: однофазная мостовая схема двухполупериодного выпрямления и трехфазная мостовая схема. Трехфазная схема обеспечивает меньшую пульсацию напряжения, лучшее использование трансформатора и более равномерную загрузку трехфазной сети. Поэтому в подавляющем большинстве случаев выполняются трехфазные схемы выпрямления тока.

Полупроводниковые элементы проводят ток только в одном направлении и используются в сварочной технике для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный. В качестве материала для полупроводникового вентиля служат селен, кремний, германий.

Селеновые вентили имеют меньший КПД, но обладают большей перегрузочной способностью, чем кремниевые. Селеновый вентиль состоит из тонкого металлического основания, слоя кристаллического селена и электрода из специального сплава. Выпрямительными свойствами обладает тонкий запирающий слой на границе селена и электрода.

Запирающий слой в селеновых вентилях образуется между селеном и селенистым кадмием.

Селеновые вентили применяют в выпрямителях с падающий и жесткой характеристикой, а кремниевые - главным образом в выпрямителях с падающий характеристикой, где ток короткого замыкания незначительно превышает рабочий ток.

Кремниевые вентили требуют интенсивного охлаждения, поэтому обязательно в выпрямителях устанавливают охлаждающие вентиляторы с датчиком давления струи воздуха.

Запирающий слой кремниевых, германиевых полупроводниковых вентилей образуется между основным полупроводниковым материалом и тем же материалом с введенными в него примесями (в малых долях процента).

В каждый момент времени ток проходит через два вентиля. В течение одного периода происходит шесть пульсаций выпрямленного тока вместо двух пульсаций при однофазной схеме.

В сварочных выпрямителях выпрямительный блок собирается по трехфазной мостовой схеме из полупроводниковых вентилей. Известную трехфазную схему с нулевым выводом не применяют, так как отрицательные полуволны не выпрямляются и в каждый момент работает только один блок (вентиль).

В трехфазной мостовой схеме выпрямления (схема Ларионова) выпрямленное напряжение в два раза больше, чем в схеме с нулевым выводом при одном и том же действующем напряжении переменного тока, подводимого к выпрямителю.

Кроме того, в мостовой схеме при том же значении выпрямленного напряжения величина обратного напряжения в два раза меньше, чем в нулевой схеме. Следовательно, в мостовой схеме можно применять вентили с более низким значением допустимого обратного напряжения.

К трехфазному мосту подводится напряжение от вторичной обмотки силового трансформатора.

Следует отметить, что в большинстве сварочных выпрямителей для большего сглаживания пульсации в цепь выпрямленного тока включаются дроссели.

Падающая характеристика в сварочном выпрямителе создается включением в цепь реактивной катушки или применением трансформатора с увеличенным магнитным рассеянием. Во многих выпрямителях трансформаторы имеют подвижные первичные обмотки.

Регулирование сварочного тока производится при помощи секционированных обмоток трансформатора, специальным дросселем насыщения или изменением расстояния между обмотками.

Особо следует отметить широкое применение в последние годы управляемых полупроводниковых вентилей - тиристоров в сварочных выпрямителях, которыми очень легко регулировать сварочный ток (как громкость у радио).

Управляемым тиристором полупроводниковый вентиль становится тогда, когда при подведении к нему напряжения, приложенного в проводящем направлении, он не пропускает тока до тех пор, пока он не открывается при помощи специального управляющего электрода.

Выпрямители. Часть 2

Выпрямители выпускаются с различными внешними электрическими характеристиками, на малые и большие сварочные токи, однопостовые и многопостовые, например, модели ВД-309, ВД-313, ВД-306, ВДУ-505, ВДУ-506, ВДМ-1202, ВДМ-630 и другие - для различных способов сварки.

В многопостовых выпрямителях применяется шестифазная схема выпрямления. Вторичная обмотка состоит из двух трехфазных обмоток, соединенных каждая в звезду с выведенным нулем.

В сварочных выпрямителях для цепей управления также используются выпрямительные блоки, но в отличие от силовых они собираются по однофазной мостовой схеме. В этой схеме вентили включены в 4 плеча, образующие мост. В одну диагональ включена нагрузка, питаемая постоянным током - потребитель, а в другую - однофазный источник. В этой схеме происходит выпрямление обеих полуволн переменного напряжения. Частота пульсации тока 100 Гц.

Обратное напряжение в плече, которое не проводит в данный момент ток, равно действующему значению переменного напряжения, так как это плечо присоединено через другое работающее плечо к источнику переменного тока.

В сварочных выпрямителях отечественного производства применяются в основном селеновые и кремниевые полупроводниковые вентили, а германиевые вентили применяются лишь для маломощных выпрямителей. В последние годы в конструкциях выпрямителей роль вентилей выполняют тиристоры управляемые (например, тиристор Т-160).

Все выпрямители оснащены пуско-регулирующий и защитной аппаратурой для включения, выключения, защиты выпрямительного блока и выпрямителя в целом от перегрузок, настройки выпрямителя на заданный режим и контроля за его соблюдением.

Рассмотрим отличительные особенности селеновых и кремниевых вентилей по КПД и надежности.

Селеновые вентили имеют более низкий КПД, но дешевле по стоимости изготовления и обладают большей перегрузочной способностью. Они используются в выпрямителях с любой внешней характеристикой. Размеры селеновых пластин 100 х 400; 100 х 100 мм. Допустимый ток на 1 см² площади селеновой шайбы (вентиля) - 0,05 А.

Кремниевые вентили кроме повышенного КПД имеют большую надежность в работе, так как обратное напряжение у них выше и герметизация лучше. Такие вентили применяют главным образом в выпрямителях с падающими внешними характеристиками, так как ток короткого замыкания этих характеристик мало отличается от рабочего.

В выпрямителях с жесткими характеристиками ток короткого замыкания может превышать рабочее значение в 4-8 раз. Кремниевые вентили применяются при условии, что характеристика формируется с помощью дросселя насыщения, а схемой его управления предусмотрено ограничение тока короткого замыкания.

Во всех сварочных выпрямителях на кремниевых вентилях для их защиты от перегрузки при коротком замыкании вторичной обмотки или выходе из строя одного из вентилей во вторичной цепи устанавливают магнитный усилитель (МУ), быстро отключающий установку от сети. Промышленностью выпускается и применяется два типа кремниевых вентилей для сварочных выпрямителей: ВК-200 (ВК2-200) и ВК-50 - с допустимым обратным напряжением 150 В и с воздушным охлаждением.

Германиевые вентили с воздушным охлаждением выпускаются в России для токов до 50 А. Вентили больших токов имеют водяное охлаждение и их использование в сварочных выпрямителях практически невозможно.

Выпрямители. Часть 3

Многопостовые сварочные выпрямители одновременно питают током несколько сварочных постов при ручной или механизированной сварке. Обязательное условие - независимость работы, каждого поста от работы остальных. Поэтому внешняя характеристика источника питания должна быть жесткой.

В настоящее время есть несколько оправдывающих себя моделей многопостовых выпрямителей, например серии ВДМ, ВКСМ.

До появления многопостовых сварочных выпрямителей выпускались многопостовые сварочные преобразователи ПСМ-1000 (на 1000 А) с вращающимся якорем генератора со скоростью 2925 об/мин от электродвигателя большой мощности и с большим расходом электроэнергии - на 1 кг наплавленного металла 10-11 кВт/ч. ПСМ-1000 может питать 6 работающих сварочных постов. Созданные много постовые сварочные выпрямители ВКСМ-1000 для замены преобразователей ПСМ-1000 имеют вес 625 кг (против 1500 кг у ПСМ-1000), их КПД выше на 13%, есть и много других преимуществ.

Трансформатор выпрямителя трехфазный с нормальным рассеянием. Первичная обмотка соединена треугольником и имеет отпайки, позволяющие повысить напряжение вторичной обмотки на 5%. Вторичная обмотка соединена шестифазной звездой. Выпрямительный блок собран из кремниевых вентилей, схема выпрямления шестифазная, в каждой фазе по 2 вентиля параллельно. Вентили размещаются по периметру медной шины в один ряд. Охлаждение принудительное - воздушное. Защищает вентили of большого тока короткого замыкания быстродействующий автомат.

Для регулирования сварочного тока и получения необходимой при ручной сварке падающей характеристики на каждом посту устанавливается реостат. Он состоит из секций с разным сопротивлением. Пятью или шестью рубильниками можно включить параллельно разные комбинации сопротивлений, что дает 20 ступеней регулирования. Наиболее широкое применение получил балластный реостат РБ-300-1. Сопротивление реостата выполнено в виде проволоки из медно-никелевого сплава константан, который очень незначительно меняет свое омическое сопротивление от нагрева при прохождении сварочного тока, а это для режима сварки очень важно.

Внешняя характеристика источника питания после балластного реостата - пологопадающая.

Регулировочные диапазоны балластовых реостатов: РБ-201 - от 10 до 200 А через каждые 10 А.

РБ-302 - от 15 до 300 А через каждые 15 А.

РБ-501 - от 25 до 500 А через каждые 25 А.

На лицевой верхней стороне балластного реостата имеется таблица, указывающая порядок установления нужного сварочного тока, т. е. включение необходимых рубильников в разном сочетании и соответствие величины тока какому-либо сочетанию.

Сварочные выпрямители имеют следующие преимущества перед мотор-генераторными преобразователями:

1. Более высокий КПД (0,74 против 0,54).
2. Высокие сварочные свойства и более широкие пределы регулирования сварочного тока и напряжения.
3. Меньший вес (ПСО-300М = 330 кг; ВД 302 = 220 кг).
4. Бесшумность в работе и отсутствие вращающихся частей (не считая вентилятора).
5. Большая простота изготовления.
6. Меньше затраты на обслуживание.
7. Высокая надежность при эксплуатации.
8. Широкие возможности для замены медных обмоток алюминиевыми.

К недостаткам выпрямителей следует отнести:

1. Чувствительность к перегрузкам.
2. Невозможность ремонта вентилей или вентильных блоков.
3. Чувствительность к изменением напряжения питающей сети.