Тиристорное управление сварочным трансформатором

Обновлено: 05.07.2024

Тиристорным трансформатором (рисунок 3.5) принято называть комбинацию собственно трансформатора Т и полупроводникового регулятора V1, V2 с системой управления. Трансформатор Т служит для понижения сетевого напряжения до необходимого при сварке, иногда также используется для получения необходимой внешней характеристики и регулирования режима. Но обычно две последние функции –формирование характеристики и настройка режима — выполняются тиристорным регулятором. Фазовое управление, отличающее тиристорный трансформатор от ранее рассмотренных трансформаторов с амплитудным регулированием, осуществляется именно полупроводниковым регулятором.

Регулятор может устанавливаться как в первичной, так и во вторичной цепи трансформатора, поэтому его коммутирующие элементы V1 и V2 должны иметь достаточную мощность. В этом качестве чаще всего используются силовые управляемые вентили—тиристоры. В состав регулятора входят также блок фазового управления (БФУ), формирующий импульсные сигналы для включения тиристоров, и блок задания (БЗ), с помощью которого настраивают необходимое значение тока или напряжения.

Рисунок 3.5 – Тиристорный трансформатор: принципиальная схема (а), осциллограммы для трансформатора с нормальным (б) и увеличенным (в) рассеянием

При высоком коэффициенте усиления тиристоров фазовое управление трансформатором выполняется с помощью блоков БФУ и БЗ, собранных из слаботочных электрических элементов. Это придает источнику множество ценных свойств. При электрическом регулировании у трансформатора отсутствуют подвижные части, уменьшаются размеры регулировочных устройств, легко осуществляется дистанционное и программное управление режимом, формируются любые внешние характеристики, обеспечивается снижение напряжения до безопасного при длительном холостом ходе.

Принцип фазового управления проанализируем при работе трансформатора с нормальным рассеянием на линейную активную нагрузку (см. рисунок 3.5). Здесь регулятор включен в цепь вторичной обмотки и имеет два встречно-параллельно соединенных тиристора. При таком соединении один из тиристоров проводит ток в одну сторону, другой — в другую. Поэтому, хотя по каждому тиристору идет выпрямленный ток, в цепи дуги он переменный (рисунок 3.5, б). Предположим, что в первом полупериоде ток может пропускать тиристор V1, анод которого соединен с нижним зажимом трансформатора. Однако тиристор начнет пропускать ток не с момента t₀, а с задержкой на электрический угол αв момент t₁, когда на его управляющий электрод придет сигнал на отпирание от БФУ. Выключается тиристор только при исчезновении положительного потенциала на его аноде, т.е. в момент t₂. Во втором полупериоде с такой же задержкой на угол αв момент t₃ включается тиристор V2,выключится он в момент t₄.

С увеличением угла управления αинтервал проводимости тиристора λ, сократится, и вместе с ним уменьшится напряжение на выходе тиристорного трансформатора U_и и сварочный ток I₂:

Фазовое регулирование режима в тиристорном трансформаторе заключается в изменении угла включения тиристоров, в результате чего изменяется часть напряжения трансформатора, подаваемая на нагрузку.

Импульсная стабилизация (рисунок 3.7), как метод повышения устойчивости горения дуги, наиболее распространена. Кроме основного трансформатора Т1здесь имеется еще импульсный Т2с коэффициентом трансформации около 1. При включении любого из тиристоров V1 или V2по первичной цепи трансформатора Т2проходит кратковременный импульс зарядного тока конденсатора С1, который наводит во вторичной обмотке Т2стабилизирующий импульс тока i_и. Достаточный для надежного повторного зажигания импульс напряжения при холостом ходе достигает 500 В, а при нагрузке может иметь амплитуду тока 100 А при длительности до 0,1 мс. Поскольку момент подачи импульса совпадает с моментом включения очередного тиристора, цепь импульсной стабилизации не нуждается в отдельной системе управления.

Рисунок 3.7 – Принципиальная схема (а) и осциллограммы (б) тиристорного трансформатора с импульсной стабилизацией

Искусственные внешние характеристики формируются за счет обратных связей по току и напряжению. Для получения крутопадающих внешних характеристик тиристорный трансформатор дополняют системой автоматического регулирования с отрицательной обратной связью по току (рисунок 3.8). Датчик тока ДТ формирует сигнал, пропорциональный фактическому сварочному току U= kI. Этот сигнал сопоставляется в блоке сравнения БС с сигналом U_дт-U_зтблока БЗ, пропорциональным заданному значению тока. Разность двух сигналов подается в блок фазового управления БФУ и воздействует на угол управления тиристоров а, а затем с помощью тиристорного блока ТБ и на напряжение источника. Например, при увеличении I₂ угол α возрастает, что приводит к уменьшению напряжения источника U_и:

Рисунок 3.8 – Блок-схема тиристорного трансформатора
с отрицательной обратной связью по току

Необходимые внешние характеристики формируются в тиристорном трансформаторе естественным образом — в зависимости от индуктивного сопротивления трансформатора, и искусственно — с помощью обратных связей по току и напряжению, вводимых в тиристорный регулятор.

Формирование внешних характеристик в тиристорном выпрямителе

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. На рисунок 2.23, б была показана осциллограмма напряжения тиристорного выпрямителя при малом сопротивлении трансформатора. Перейдем теперь к более сложному случаю, когда сопротивление фазы трансформатора X≠0. В этом случае необходимо учитывать затянутую коммутацию, при анализе работы неуправляемых вентилей. На рисунок 2.23, в показана осциллограмма напряжения при затянутой коммутации вентилей. Как и на рисунок 2.23, б, в интервале Θ₀—Θ₂ в первой группе обмоток работает вентиль V5, потери напряжения и_z в интервале Θ₀—Θ₂ вызваны задержкой включения тиристора V1 на угол α. С момента Θ₂ включается вентиль V1, но вентиль V5 в отличие от процессов, показанных на рисунок 2.23, б, не отключается, а продолжает работать благодаря энергии, запасенной в индуктивности обмотки С1. Поэтому в интервале у коммутации от Θ₂—Θ₃ одновременно работают вентили V5 и VI, и на нагрузку от первой группы обмоток подается напряжение, равное полусумме потенциалов (u_с1+ u_а1)/2,а отнюдь не потенциал u_а1, как было показано на рисунок 2.23, б. Напомним, что во второй группе обмоток в течение всего интервала Θ₀—Θ₃ работает обмотка В2 с вентилем V6. Таким образом, в тиристорном выпрямителе, как и в диодном, возможен 2-й (двух- трехвентильный) режим работы, т.е. попеременная работа вентилей то по два (V5 и V6 в интервале Θ₀—Θ₂), то по три (V5, V6 и V1 в интервале Θ₂—Θ₃). При увеличении сварочного тока I_д, которое вызовет затяжку коммутации γ до 60°, выпрямитель перейдет в 3-й (трехвентильный) режим работы.

Итак, затянутая коммутация приводит к дополнительным потерям напряжения и_х (рисунок 2.23, е). При увеличении сварочного тока I_динтервал коммутации γ и потери U_x возрастают, а выпрямленное напряжение U_B снижается, как и в случае с диодным выпрямителем:

Следовательно, естественная внешняя характеристика тиристорного выпрямителя при X≠0 — падающая.

Необходимый тип естественной внешней характеристики тиристорного выпрямителя задается конструкцией трансформатора. Жесткие характеристики получаются при использовании трансформатора с нормальным рассеянием, кругопадающие — трансформатора с увеличенным рассеянием.

При нагрузке вступает в работу уравнительный дроссель участок 1. Поскольку реальный трансформатор с нормальным рассеянием имеет небольшое, но все же заметное сопротивление фазы X≠0, то обычно выпрямитель работает во 2-м (двух-трехвентильном) режиме и имеет естественно пологопадающую характеристику 2 (рисунок 2.24, а).

Рисунок 2.24 – Естественные жесткие (а) и крутопадающие (б) внешние характеристики тиристорных выпрямителей

При большом сопротивлении трансформатора внешняя характеристика на участке 3получается крутопадающей (рисунок 2.24, б) при этом выпрямитель работает в 3-м режиме.

Искусственные внешние характеристики формируются за счет обратных связей. В этом случае выпрямитель нужно представить как замкнутую систему автоматического регулирования тока или напряжения (рисунок 2.25). На приведенной функциональной схеме толстой линией выделены элементы, обязательные для любого тиристорного выпрямителя. В силовой части схемы напряжение сети преобразуется трансформатором с нормальным рассеянием и после выпрямления тиристорным блоком и сглаживания фильтром подается на дугу. В слаботочной части блок задания БЗ формирует сигнал задания тока U_зт или напряжения U_зн, а блок фазового управления БФУ передает его к тиристорному блоку, формируя импульсы управления. Для создания системы автоматического регулирования с цепями обратных связей необходимы, кроме того, датчики выпрямленного напряжения и тока, датчик сетевого напряжения, а также блок сравнения БС сигнала задания с сигналом датчика. В конкретной конструкции может быть как одна из показанных пунктирной линией обратных связей, так и несколько.

ДНС – датчик напряжения сети; Т – трансформатор; ТБ – Тиристорный блок; ДН – датчик напряжения; ДТ – датчик тока; Ф – фильтр; БЗТ – Блок задания тока; БЗН – Блок задания напряжения; БС – Блок сравнения; БФУ – Блок фазового управления.

Рисунок 2.25 – Блок-схема тиристорного выпрямителя с обратными связями

Рассмотрим действие системы автоматического регулирования напряжения в выпрямителе с жесткими (пологопадающими) характеристиками. Выпрямленное сварочное напряжение U_в сравнивается в БС с заданным U_зн, и их разность U_зн-U_ввоздействует через БФУ на угол управления α тиристоров. Если при снижении напряжения в сети или увеличении нагрузки выпрямленное напряжение понизится, то угол управления уменьшится, в результате чего выпрямленное напряжение возрастет почти до исходной величины:

Таким образом, выпрямленное напряжение стабилизируется, т.е. остается постоянным, независимым от колебаний нагрузки и напряжения сети. На рисунок 2.26, а тонкими линиями показаны естественные пологопадающие, а толстыми — полученные из них искусственные жесткие внешние характеристики, положение которых зависит только от значений заданного напряжения U_зт. Иногда ограничиваются стабилизацией только при колебаниях напряжения сети, в этом случае сигнал задания U_зн сопоставляется с сетевым напряжением U_с.

Для получения крутопадающей внешней характеристики используют действие отрицательной обратной связи по току, когда сигнал задания U_зт сопоставляется с напряжением U_дт датчика, пропорциональным сварочному току I_д. При введении отрицательной обратной связи с ростом тока угол управления тиристоров возрастает, что приводит к снижению выпрямленного напряжения:

На рисунок 2.26, б показано, как из естественных пологопадающих (тонкие линии) формируются искусственные крутопадающие характеристики (толстые линии).

Рисунок 2.26 – Внешние характеристики тиристорного выпрямителя, полученные за счет обратных связей

При введении положительной обратной связи по току можно получить пологовозрастающие, так называемые оптимизированные, внешние характеристики (рисунок 2.26, в). Они полезны при механизированной сварке в углекислом газе, поскольку при любом режиме обеспечивают оптимальное соотношение между сварочным током и напряжением U_д=18+0,04I_д, соответствующее минимальному разбрызгиванию электродного металла.

Искусственные внешние характеристики в тиристорном выпрямителе получаются благодаря обратным связям 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.

Тиристорные и транзисторные выпрямители

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 a>60″ в кривой выпрямленного напряжения появляются разрывы. Более того, даже в интервале 0

Приемы снижения пульсации напряжения и тока приведены на схемах, используемых в серийных тиристорных выпрямителях (рис. 1). Обычно с этой целью устанавливают сглаживающий дроссель L, иногда с обратным диодом VD (рис. 1,а). В те моменты, когда мгновенное значение выпрямленного напряжения уменьшается, сварочный ток поддерживается энергией, запасенной дросселем в предыдущий промежуток времени. Обратный диод особенно полезен при глубоком регулировании (a > 60″), поскольку позволяет дpосселю поддеpживать ток iд2 в моменты, когда тиpистоpы не пpопускают ток iд1. В pезультате кpивая тока сглаживается. Для пpактически полного сглаживания тока во всем интеpвале pегулиpования a от 0 до 90″ необходимо, чтобы сопротивление дросселя XL = wL было существенно выше сопротивления нагрузки — дуги (wL > 5Rд). Такой мощный дроссель слишком дорог и велик, к тому же чрезмерно замедляет переходные процессы при зажигании дуги и переносе электродного металла. Поэтому индуктивность назначают на уровне L = 0,2 — 0,5 мГн только из соображения уменьшения разбрызгивания, не стремясь к полному сглаживанию кривой тока. Обычно применяется дроссель с воздушным зазором на 2 — 3 ступени (рис. 1,б).

Рис. 1. Упрощённые схемы тиристорных выпрямителей:
а- с трёхфазной мостовой;
б- с шестифазной с уравнительным дросселем;
в- с кольцевой схемой выпрямления.

Для снижения пульсации напряжения разумно также ограничивать глубину фазового регулирования,например до a = 60″. Чтобы кратность регулирования напряжения при этом не снизилась, фазовое регулирование дополняют ступенчатым, например, изменяя соединение обмоток трансформатора. На рис. 4.7,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 (рис. 1,в). Блок представляет собой вспомогательный маломощный выпрямитель, состоящий из трансформатора Т2 с увеличенным рассеянием и блока неуправляемых вентилей VD. Его ток заполняет паузы в кривой тока основного источника.

Формирование внешних характеристик в тиристорном выпрямителе

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 получаются при использовании трансформатора с нормальным рассеянием, крутопадающие —трансформатора с увеличенным рассеянием.

Искусственные внешние характеристики формируются за счет обратных связей. В этом случае выпрямитель нужно представить как замкнутую систему автоматического регулирования тока или напряжения На приведенной функциональной схеме толстой линией вы-делены элементы, обязательные для любого тиристорного выпрямителя. В силовой части схемы напряжение сети преобразуется трансформатором с нормальным рассеянием и после выпрямления тиристорным блоком и сглаживания фильтром подается на дугу. В слаботочной части блок задания БЗ формирует сигнал задания тока Uзт или напряжения Uзн , а блок фазового управления БФУ передает его к тиристорному блоку, формируя импульсы управления. Для создания системы автоматического регулирования с цепями обратных связей необходимы, кроме того, датчики выпрямленного напряжения и тока, датчик сетевого напряжения, а также блок сравнения БС сигнала задания с сигналом датчика. В конкретной конструкции может быть как одна из показанных пунктирной линией обратных связей, так и несколько.

Искусственные внешние характеристики в тиристорном выпрямителе получаются благодаря обратным связям по напряжению или току. Стабилизация напряжения при жестких внешних характеристиках достигается введением отрицательной обратной связи по сварочному или сетевому напряжению. Крутопадающую характеристику обеспечивает ведение отрицательной обратной связи по току.

Выпрямитель с тиристорным выпрямительным блоком

Выше было показано, что 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 ВДУ-505 (рис. 3) имеет в своем составе автоматический выключатель QF, пускатель K, силовой трансформатор T, уравнительный дpоссель L1, силовой блок тиристоров V1, линейный дроссель L2, а также не показанные на схеме вентилятор и цепи управления. Силовой понижающий трансформатор имеет нормальное рассеяние, что позволяет применять его при формировании как жестких, так и крутопадающих характеристик. Силовой выпрямительный блок собран из тиристоров T-160-3 по шести фазной схеме с уравнительным дpосселем, которая обеспечивает самую низкую токовую загрузку вентилей.

Рис. 3. Выпрямитель ВДУ-505 У3: а- упрощённая принципиальная схема;
б- падающие; в- жёсткие внешние характеристики

Линейный дроссель L2 предназначен для сглаживания выпрямленного тока, а при сварке в углекислом газе также для уменьшения разбрызгивания. При ручной сварке с крутопадающими характеристиками дроссель имеет максимальную индуктивность — 0,5мГн. 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. Поэтому в обмотке управления ОУ индуктируются большие ЭДС и ток, замыкающийся по вентилямV2, V3 и дуге. Этот ток создает с помощью обмотки управления большой магнитный поток, сильно насыщающий железо дросселя. Поэтому при низких режимах дроссель имеет малую индуктивность, при высоких — большую индуктивность.

Дроссель с управляемой индуктивностью изменяет характер переходных процессов при сварке в углекислом газе, существенно снижая разбрызгивание электродного металла.Процесс короткого замыкания каплей корректируется на всех трех этапах. В начале короткого замыкания дроссель L2 имеет максимальную индуктивность (около 0,5мГн), поэтому ток нарастает сравнительно медленно, не препятствуя слиянию капли с ванной. На втором этапе вступает в действие обмотка управления ОУ, в которойвозникает большая ЭДС, индуктированная всплеском тока в рабочей обмотке ОР. При этом тиристор V3 открывается, а V2— закрывается. Ток, протекающий по тиристоруV3 и обмотке ОУ, создает магнитный поток, насыщающий сердечник дросселя и резко снижающий его индуктивное сопротивление. Поэтому ток короткого замыкания на втором этапе нарастает быстрей, вызывая сбрасывание капли в ванну. Третий этап начинается со спада тока, который вызовет смену знака ЭДС обмотки ОУ. По этой причине закрывается тиристор V3, а V2 — открывается. При этом ЭДС обмотки ОУ будет подпитывать дугу, не допуская резкого провала сварочного тока после короткого замыкания, что способствует повышению устойчивости процесса, особенно при низких режимах.

Система управления выпрямителя, собранная на интегральных микросхемах, показана на функциональной схеме (см. рис. 2). Для получения крутопадающих характеристик (рис. 3,б) используется отрицательная обратная 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. 3,в) стабилизация напряжения обеспечивается обратными связями по сварочному и сетевому напряжению. Для получения небольшого заданного наклона характеристик используется также ослабленная обратная связь по току. При отсутствии сварочного тока обратная связь по сварочному напряжению отключена и тиристоры переходят к полнофазному включению (a = 0″), что обеспечивает высокое напряжение холостого хода при сварке на жестких характеристиках. В результате улучшается зажигание дуги и устойчивость при малых токах.

Другие выпрямители отличаются от ВДУ-505 конструктивным оформлением, схемой выпрямления, типом вентилей и способом сглаживания тока и напряжения. Одинаковую с ВДУ-505 схему имеют выпрямители ВДУ-506 и ВДУ-507. Ранее выпускался выпрямитель ВДУ-504 (см. рис. 1,б). В отличие от ВДУ-505 он имел два диапазона регулирования напряжения при соединении первичных обмоток в звезду или треугольник, линейный дроссель на две ступени индуктивности и схему управления на дискретных полупроводниковых элементах. Небольшие отличия имеются в конструкциях других универсальных выпрямителей. Выпрямитель ВДУ-306, кроме жесткой и крутопадающей характеристики, имеет еще и комбинированную характеристику—жесткую в диапазоне больших токов и крутопадающую (ри от -0,1 до -0,2 В/А) при малых токах. Это повышает эластичность дуги при малых токах, что особенно важно при выполнении вертикальных швов. Выпрямитель ВДГ-401 предназначен для механизированной сварки в углекислом газе и имеет только жесткие характеристики. Выпрямитель ВДУ-602 предназначен для комплектации двух режимного полуавтомата и позволяет дистанционно с пульта автомата включать тот или иной из двух заранее настроенных режимов. Выпрямитель ВДУ-1201, предназначенный для механизированной сварки в углекислом газе и под флюсом, имеет шести фазную кольцевую схему выпрямления, собранную из таблеточных тиристоров Т-500.

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

Выпрямитель с тиристорным регулятором в первичной цепи

Для выпрямителей на токи более 1000 А рациональна установка ти-ристорного регулятора в первичной цепи трансформатора подобно тому, как это было выполнено в конструкции тиристорного трансформатора. При этом снижается коммутируемый тиристорами ток, что позволяет использовать маломощные массовые тиристоры без их параллельного соединения.

Рассмотрим конструкцию мощного выпрямителя ВДУ-1604, предназначенного для механизированной сварки под флюсом и в углекислом газе.Первичные обмотки силового трансформатора T соединены треугольником, в каждую фазу включено по два тиристора, соединенных встречно-параллельно. Тиристорный блок VS используется для регулирования режима и формирования необходимой внешней характеристики. Функция выпрямления тока передана диодному блоку VD,включенному в цепь вторичных обмоток по кольцевой схеме. Кремниевые диоды изготавливают на большие токи, и их использование в мощном выпрямителе не встречает затруднений. Кольцевая схема их соединения требует сравнительно простого и экономичного трансформатора. В цепи выпрямленного тока установлен сглаживающий дроссель L из четырех секций. В диапазоне малых токов используют две последовательно соединенные секции с общей индуктивностью 0,5 мГн, при большом сварочном токе используют три параллельно соединенных секции с общей индуктивностью 0,07 мГн.

Тип внешней характеристики зависит от положения переключателя S. При первом положении в блок сравнения БС проходит только сигнал отрицательной обратной связи по току ОСТ, в этом случае формируются крутопадающие характеристики с наклоном от -0,02до -0,2 В/А. Во втором положении переключателя действуют оба сигнала обратной связи—по току ОСТ и напряжению ОСН, при этом пологопадающие внешние характеристики имеют наклон от 0,011 до-0,015 В/А. В третьем положении действует только обратная связь по напряжению,что приводит к формированию стабилизированных (жестких) характеристик с наклоном от -0,006 до -0,009 В/А. Схемой управления предусмотрено также форcирование режима в начале сварки. С этой целью зажигание дуги происходит при максимальном токе благодаря полно фазному включению тиристоров (a = 0). При появлении сварочного тока сигнал о начале сварки СНС с дросселя L поступает в блок сравнения БС, в результате чего форсирование прекращается.

В составе выпрямителя имеются также автоматический выключатель, вентилятор, приборы контроля и сигнализации. Схемой предусмотрена возможность параллельного соединения двух выпрямителей для получения тока до 3000 А с настройкой режима на одном из них.

Подобную конструкцию имеет и выпрямитель ВДУ-1202, однако в нем используется шести фазная нулевая схема соединения диодов и более простой сглаживающий дроссель.

Выпрямитель с транзисторным регулятором

Транзисторный регулятор, как правило, устанавливается в цепи постоянного, т.е. сварочного тока. Чаще всего в качестве такого регулятора используется силовой транзистор,включенный по схеме с общим эмиттером (ОЭ). При недостаточной мощности одиночного транзистора используют несколько параллельно соединенных транзисторов или транзисторных модулей, т.е. конструктивно и схемно оформленных устройств. Обычно транзистор работает в режиме ключа, т.е. при достаточной величине тока базы почти мгновенно из состояния отсечки переводится в состояние насыщения. Ключевой режим принят потому, что в отличие от режима усилителя потери энергии на транзисторе при этом минимальны, что гарантирует высокий КПДи сравнительно малый нагрев транзистора. Используются как биполярные, так и полевые транзисторы. Биполярные транзисторы имеют большую номенклатуру, лучше освоены и дешевле в производстве. Полевые МДП-транзисторы имеют больший КПД и более высокое быстродействие.

Рис. 4. Принципиальная схема (а) и осцилограммы при частотном (б)
и широтном (в) регулировании транзисторного источника

Регулирование напряжения выполняется частотно-импульсным (рис. 4,б) и широтно-импульсным (рис. 4,в) способами. Если при постоянной длительности включенного состояния транзистора tт увеличить частоту его включений (рис. 4,б), это вызовет сокращение интервала работы дросселя на разрядку tод и, следовательно, увеличение среднего напряжения на выходе источника Uи.

При широтном регулировании частота включения транзистора f, так же как и период следования импульсов T = 1 / f, остается постоянной.В этом случае при увеличении длительности включенного состояния транзистора tт напряжение источника Uи возрастает (рис.4,в).

Частотное регулирование технически проще осуществимо, при широтном регулировании меньше пульсации тока и выше быстродействие системы управления. Транзисторные источники наибольшее распространение нашли в составе установок для специальных способов сварки.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Как правильно запустить трансформатор на тиристоре 220 В

Вопрос-ответ

Для управления мощностью в нагрузке при построении сварочных электронных агрегатов обычно применяется связка, состоящая из трансформатора и полупроводникового регулирующего элемента (тиристора). Для того чтобы выяснить, как запустить трансформатор на тиристоре 220 В – потребуется подробно изучить схему управления этим элементом.

Прежде всего, необходимо обратить внимание на следующие моменты:

Трансформатор в этой цепочке необходим как звено системы, без которого невозможно формирование управляющих импульсов с заданными параметрами.
При таком способе получения требуемой внешней характеристики применяется принцип фазового управления тиристором, подключенным последовательно с нагрузкой (смотрите фото справа).
Рассматриваемая схема управления тиристорным сварочным трансформатором содержит полупроводниковый элемент, включенный во вторичную цепь преобразователя.

В состав управляющего модуля также входят специальный формирователь, выдающий импульсные сигналы для коммутации тиристоров ТЛ171, и выпрямительный блок на диодах В200. С их помощью устанавливаются требуемые значения выходных параметров (тока и напряжения).

Принцип фазового управления

Используемый в рассмотренной выше схеме принцип нуждается в подробном исследовании, поскольку на его основе работает большинство современных электронных инверторов. Для понимания сути этих процессов необходимо ознакомиться с особенностями срабатывания управляемых приборов типа «тиристор», состоящих в следующем:

Фазовое регулирование в схемах управления тиристорными трансформаторами предполагает изменение промежутка времени, в течение которого коммутирующие элементы находятся в открытом состоянии.
В результате этого изменяется мощность, отдаваемая ими непосредственно в нагрузочные цепи.
Благодаря электронному способу управления параметрами выходного тока удается обеспечить качественную и плавную регулировку выходной мощности, существенно повышающую устойчивость рабочей дуги.

В некоторых схемах регулятор устанавливается в цепь первичной обмотки и состоит из двух встречно включенных тиристоров. При таком способе регулирования каждый из коммутаторов проводит ток одной полярности; при этом в нагрузке он остается переменным. Моменты включения и отсечки мощных тиристоров определяются временем поступления импульсов с формирующего модуля (так называемым «углом управления»).

С увеличением этого угла время открытого состояния увеличивается, а мощность в нагрузке возрастает. При его уменьшении наблюдается обратный процесс.

Импульсная трансформация

Импульсная стабилизация, как способ получения устойчивой сварочной дуги, пользуется все большей популярностью. При построении таких схем помимо основного преобразователя Т1 в них применяется еще один (импульсный) Т2 с коэффициентом передачи порядка единицы.

При открывании любого из включенных в первичную цепь тиристоров V1,V2 в ней формируется короткий токовый всплеск. Он протекает через конденсатор С1 и наводит во вторичной обмотке Т2 импульс тока iи (фото слева). Достаточное для уверенного зажигания напряжение в режиме холостого хода должно быть не менее 500 Вольт, а ток в нагрузке может достигать 100 Ампер (в кратковременном импульсе).

Обратите внимание! Так как время подачи очередного импульса до сотых долей секунды совпадает с моментом открывания каждого из тиристоров – в специальной фазовой синхронизации такая схема не нуждается.

Требуемые рабочие характеристики удается получить за счет обратной связи (ОС) по основным выходным параметрам (напряжению и току).

Самодельный импульсный регулятор на тиристоре

Рабочая схема

Для того чтобы произвести расчет трансформатора для управления тиристором – прежде необходимо ознакомиться хотя бы с одним из вариантов их изготовления. В предлагаемую схему самодельного импульсного трансформатора, работающего от сети 220 В, входят следующие основные узлы (фото ниже):

Силовой блок тиристорного регулятора.
Электронная схема управления, запускающаяся от импульсной обмотки.

Важно! Импульсная обмотка III и питания I индуктивно связываются через конденсатор С.

Амплитуда и длительность формируемых импульсов определяется соотношением числа витков в этих катушках, а также номиналом емкости. Для того чтобы изготовить агрегат по приведенной выше схеме можно взять любой трансформатор от отслужившего свой срок оборудования, удовлетворяющего следующим требованиям:

обеспечивать требуемое напряжение для надежного зажигания дуги в режиме холостого хода;
длительно выдерживать сварочный ток без перегрева обмоток;
соответствовать требованиям ПУЭ в части электрической безопасности.

В отсутствие готового преобразователя придется делать его «с нуля», причем начинать следует с выбора и расчета сердечника.

Особенности изготовления магнитопровода

Для изготовления сердечника устройства, обеспечивающего управление тиристорами через трансформатор импульсный, лучше всего подойдут два ферритовых кольца. Их можно снять со списанного оборудования, проследив за тем, чтобы общая площадь поперечного сечения кольцевых заготовок была не менее 50 см2.

Все рабочие поверхности магнитопровода изолируются лакотканью, а сами кольца затем скрепляются хлопчатобумажной лентой, образуя фигуру в виде восьмерки.

Поверх изоляционного слоя впоследствии наматываются питающая, импульсная и силовая обмотки трансформатора. Для увеличения площади поперечного сечения каждая из катушек разбивается на две половинки (полуобмотки) и разносится на разные участки кольца магнитопровода. Этот прием позволяет сэкономить намоточное место и без особых проблем разместить все три рабочие катушки.

Намотка

Для намотки всех катушек тиристорного преобразователя берется провод в лаковой изоляции, дополнительно защищенный сверху оболочкой из ткани. Для достижения требуемого магнитного эффекта потребуются медные жилы диаметром не менее 3-х мм.

Дополнительная информация: Если проводников такого типоразмера найти не удается – можно взять жилу меньшего диаметра (1,7 мм, например) и наматывать ее на сердечники сложенной вдвое.

Для получения необходимых выходных показателей по току и напряжению потребуется намотать все катушки примерно по 210 двойных витков.

Качественный преобразователь, используемых с целью управления мощными тиристорами импульсного трансформатора, удается собрать лишь при условии соблюдения правил намотки (плотном прилегании отдельных проводников). Для этого желательно воспользоваться специальным станком, обеспечивающим хороший натяг каждой жилы.

В заключение отметим, что импульсные трансформаторы для управления тиристорами широко используются в современном электронном оборудовании (включая сварочные агрегаты). Для того чтобы научиться собирать эти устройства, а затем запускать в эксплуатацию – сначала придется внимательно ознакомиться с принципами их работы.

Как правильно регулировать ток трансформатора в сварочном полуавтомате

Силовой

Одним из видов соединения и резки металлов является электросварка. Она выполняется при помощи сварочных аппаратов и электродов или специальной проволоки. Необходимая сила тока при этом зависит от диаметра электрода, вида работ – сварка или резка и толщины металла. Поэтому ее необходимо регулировать.

Несмотря на распространение новых, инверторных, аппаратов, у многих людей в гаражах и сараях остались старые устройства, которые нуждаются в ручной регулировке. Ее нельзя производить так же, как регулировать ток трансформатора в сварочном полуавтомате или инверторе, в которых эту работу выполняет электроника.

Устройство и принцип действия сварочного трансформатора

Трансформатор для электросварки, как и любой другой, состоит из трех основных элементов:

Первичной обмотки. На нее подается напряжение. В домашних аппаратах катушка подключается к сети 220В, на производстве для уменьшения потребляемого тока на нее подается 380В.
Вторичная обмотка с напряжением 45-110В. К ней подключается электрод и масса, а в сварочных выпрямителях диоды или диодный мост.
Магнитопровод. Это сердечник, на котором наматываются катушки. Состоит из большого количества пластин трансформаторного железа и может быть тороидальной, прямоугольной и Ш-образной формы.

Устройства большой мощности дополнительно оснащаются пусковой и защитной аппаратурой, а также вентиляторами.

Есть три режима работы трансформаторов:

Режим холостого хода. В нем аппарат работает при перерыве в процессе сварки.
Рабочий режим. Это сварка или резка металла.
Режим короткого замыкания. Появляется при залипании электрода.

Регулировка тока сварочного трансформатора производится в рабочем режиме.

Основным недостатком такого аппарата является переменное выходное напряжение. Это дает возможность использовать только углеродистые электроды и сваривать только обычный металл. Для сварки нержавеющих и высоколегированных сталей необходимы специальные электроды и использование сварочного выпрямителя.

Информация! В отличие от обычных трансформаторов, у сварочных аппаратов рабочий режим похож на режим короткого замыкания. Поэтому для уменьшения нагрева они мотаются проводом большего сечения.

Сварочный выпрямитель

Использование постоянного напряжения дает более качественный шов. Она позволяет кроме обычных видов обработки выполнять аргонно-дуговую сварку и другие виды работ.

Информация! Такие устройства кроме однофазных изготавливают трехфазные. Это увеличивает мощность с распределением нагрузки на три фазы и обеспечивает более “гладкое” выходное напряжение, без пульсаций.

Сварочные выпрямители различают по типу установленных выпрямительных блоков:

С двумя диодами. Вместо одной вторичной обмотки мотаются две и диоды подключаются по схеме с общей средней точкой.
С обычным диодным мостом. В однофазных аппаратах устанавливается обычный мост, из четырех диодов, в трехфазных – мост Ларионова, из шести.
Транзисторные. Редко встречаются из-за слишком мощных выходных транзисторов.
Тиристорные. Разновидность диодных аппаратов, но вместо диодов устанавливаются тиристоры и система управления. Регулировка осуществляется за счет изменения угла открытия тиристора и действующего значения напряжения.
Инверторные. Современные электронные аппараты индивидуального использования. Ток регулируется ручками управления или кнопками, расположенными на передней панели.

Эти трансформаторы изготавливаются разной мощности и предназначенные для подключения различного количества постов:

Однопостовые. Используются только одним сварщиком. Регулировка осуществляется как на рабочем месте, так и внутри аппарата. Вольтамперная характеристика может быть крутопадающей (мягкой), пологопадающей (жесткой), а также переключаемой.
Многопостовые. Имеют достаточную мощность для подключения нескольких (до 9) постов. Характеристика только жесткая, регулировать процесс сварки можно только на рабочем месте при помощи балластных сопротивлений.

Сварочный полуавтомат

Полуавтомат состоит из двух основных узлов:

Блок подачи проволоки. Подает проволоку в зону сварки, дополнительно оснащается устройством подачи защитного газа.
Устройство питания дуги. В качестве него используются сварочный выпрямитель или инвертор.

Справка! Ток полуавтомата регулируется в устройстве, питающем дугу.

Параметры аппаратов

Основными параметрами являются выходные ток и напряжение, а так же динамическая характеристика.

Выходной ток и напряжение

Основным параметром аппарата для сварки является выходной ток. От него зависит диаметр электродов и толщина металла. В индивидуальных аппаратах он достигает 200А. Поскольку выходное напряжение имеет значение только при зажигании дуги, в современных инверторных устройствах для уменьшения потребляемой мощности и габаритов выпрямителя этот параметр максимально снижен, а поджиг дуги обеспечивается дополнительными встроенными устройствами.

Выходное напряжение в однопостовых аппаратах составляет 45-65В. В больших аппаратах, рассчитанных на одновременную работу нескольких сварщиков, выходное напряжение может достигать 110В.

Динамическая характеристика

При изменении расстояния от конца электрода до детали меняется длина дуги и ее сопротивление. Поэтому не менее важной является динамическая, или вольт амперная характеристика – зависимость тока от длины дуги:

Крутопадающая, или мягкая. При росте тока в устройстве с такой характеристикой падает напряжение, что ограничивает его рост. Это обеспечивает более стабильную дугу при изменении расстояния до детали. В самодельных аппаратах небольшой мощности мягкая характеристика обеспечивается внутренним устройством – первичная и вторичная обмотки намотаны на разных частях магнитопровода. За счет особенностей конструкции без добавочных сопротивлений они могли работать с электродами определенного, для каждого аппарата своего, диаметра. В устройствах большей мощности динамическую характеристику смягчают балластные сопротивления. Эти методы могут совмещаться.

Пологопадающая, или жесткая характеристика. При жесткой характеристике напряжение не меняется, а ток, соответственно меняется при изменении длины дуги. Такие параметры имеют большие много постовые аппараты или автоматические устройства, поддерживающие постоянное расстояние между электродом и деталью.

Регулировка сварочного аппарата

Есть разные способы управления током сварочного аппарата.

С подвижными обмотками и сердечником

Жесткость характеристики зависит от магнитной связи между первичной и вторичной катушками. Для ее изменения необходимо поменять расстояние между первичной и вторичной обмотками или величину воздушного зазора в магнитопроводе. Для этого сердечник или катушку крепят на специальной гайке, а винт оснащается рукояткой. При ее вращении гайка накручивается и подвижная часть меняет свое положение, что приводит к изменению тока.

Этот способ применяется в аппаратах переменного напряжения, а также дополнительно оснащенных диодными мостами.

Подмагничивание сердечника постоянным напряжением

Еще одним способом управления является подмагничивание сердечника постоянным напряжением. Намагниченный сердечник увеличивает сопротивление магнитному потоку, созданному первичной обмоткой. Это уменьшает ток дуги.

Интересно! На аналогичном принципе основана работа магнитного усилителя. Это устройство применялось в системах управления электроприводом до появления тиристорных преобразователей.

Балластные сопротивления

Одним из самых распространенных и простых способов регулировки является использование балластного сопротивления:

Активный балластник. Представляет из себя несколько проволочных или ленточных сопротивлений, которые переключаются при необходимости изменить ток электросварки. Используются с аппаратами всех типов. В самодельных устройствах малой мощности вместо комплекта сопротивлений используется спираль или змейка из нихрома.
Индуктивный балластник. Это дроссель, индуктивность которого может меняться при необходимости изменением числа витков или величиной воздушного зазора в магнитопроводе. Устанавливается последовательно со вторичной обмоткой до диодного моста.

Тиристорное управление

Эта регулировка применяется в выпрямителях, в которых часть или все диоды заменены тиристорами. При изменении угла открывания меняется действующее значение напряжения и ток устройства. Управление углом осуществляется переменными резисторами или более сложными схемами.

Недостатком этой схемы является превращение постоянного напряжения в пульсирующее, что ухудшает качество шва.

Важно! При угле открытия более 90° падает амплитудное значение, что ухудшает процесс зажигания дуги.

Регулировка первичной обмотки

Регулировка токов сварочного трансформатора по первичке осуществляется тиристорным ключом – двумя тиристорами, включенными встречно-параллельно при помощи переменного резистора, соединяющего управляющие вывода или небольшой транзисторной схемы.

Регулировка тиристорным ключом первичек позволяет управлять аппаратами переменного напряжения.

Все эти способы регулировки теряют свое значение вместе со старыми аппаратами и распространением новых, инверторных. Они экономичнее, легче, а некоторые магазины предлагают обменять старый катушечный сварочник на новый. Но пока старые устройства находятся в эксплуатации знание того, как же регулируется сварочный ток в трансформаторе позволит выполнять сварочные работы более качественно.

Особенности и управление зарядным устройством с регулировкой по первичной обмотке трансформатора

В обычных условиях автомобильный аккумулятор заряжается при движении автомобиля. Но если машина долго стоит в гараже, то аккумуляторная батарея разряжается.

Для ее зарядки нужна зарядка для аккумуляторов с регулировкой зарядного тока. Один из вариантов этих приборов – зарядное устройство с регулировкой по первичной обмотке трансформатора.

Управление трансформатором по первичной обмотке

Скорость заряда аккумулятора зависит от тока, протекающего через него, но слишком быстрый заряд приводит к перегреву аппарата и выходу его из строя. Поэтому для зарядки аккумуляторных батарей используются устройства с регулировкой выходных параметров.

Особенности регуляторов для первички трансформаторов

Ток зарядки батареи составляет 10% ее емкости. Это значит, что аккумулятор с емкостью 60Ач заряжается током не более 6А. Напряжение заряда при работе автомобиля 14,5В. Учитывая необходимый запас, зарядное устройства должно быть способно выдать 10А при напряжении 16В.

Запас напряжения необходим для регулировки и ограничения зарядного тока.

В разных моделях аппаратов она производится разными способами:

Добавочными сопротивлениями. Включаются после диодного моста. Самая простая конструкция, но имеющая самые большие размеры.
Транзисторами. Высокая точность регулировки, но самая сложная схема, требующая хорошего охлаждения силовых транзисторов.
Тиристорное управление. Простые схемы. Регулировка осуществляется тиристорным ключем в цепи первичной обмотки или тиристорами, установленными вместо диодов в выпрямительный мост.

Схема и назначение тиристорного регулятора напряжения для трансформатора

Ток, протекающий при зарядке через аккумуляторную батарею, определяется внутренним сопротивлением аккумулятора, его ЭДС и напряжением на выходе зарядного устройства. Для его изменения, кроме других способов, можно регулировать напряжение на первичной обмотке. Самый удобный способ – использование тиристорного регулятора.

Модели для зарядки аккумуляторов

Зарядные устройства делятся на три группы:

Пусковые. Предназначены для запуска двигателя при разряженном аккумуляторе. Использовать для зарядки батареи не рекомендуется – недостаточное напряжение и отсутствие регулировок.
Зарядные. Предназначены для заряда аккумуляторов. Имеют ручную или автоматическую регулировку.
Пуско-зарядные. Могут выполнять обе функции.

Принцип действия тиристорного регулятора

Тиристор имеет два состояния – открытый, в котором он пропускает электрический ток и закрытый. Открывается этот элемент при протекании тока через управляющий электрод и остается открытым, пока через тиристор идет ток.
Переменное напряжение в сети имеет синусоидальную форму. Тиристор, включенный в цепи нагрузки, открывается в определенный момент полуволны. Это называется “угол открытия”. В результате этого через электроприбор ток протекает не все время, а только после перехода элемента в открытое состояние. Это меняет действующее значение напряжения на нагрузке.

Важно! Вольтметр измеряет действующее значение. Для надежной работы допустимое напряжение тиристоров должно соответствовать максимальному напряжению, которое больше в 1,4 раз. Для бытовой сети это 308В.

Разновидности и технические характеристики тиристорного регулятора

Из-за того, что тиристор пропускает через себя напряжение только одной полярности, его нелзя использовать для управления трансформатором без дополнительных элементов:

Включить тиристор в диодный мост из 4 диодов на вывода “+” и “-“. Вывода “~” подключаются в разрыв цепи вместо выключателя или последовательно с ним. Диодный мост выпрямляет напряжение и на тиристор подается питание только одной полярности.
Использовать два тиристора, включенные встречно-параллельно и для управления через переменный резистор соединяются управляющие вывода. Каждый из элементов открывается при своей полярности, а оба вместе управляют напряжением на нагрузке.

Открытие тиристора происходит при прохождении тока больше определенной величины и есть два способа управления углом открывания:

Переменным сопротивлением, включенным между анодом и управляющим электродом. В течении первой половины полуволны напряжение и ток управления растут и при достижении его определенной величины, зависящей от марки элемента. Недостаток этой схемы в ограниченном диапазоне регулировки 110-220В, но этого достаточно для управления трансформатором зарядного устройства.
Управление импульсами, которые подает отдельная схема на управляющий электрод в определенный момент полуволны синусоиды.
Допустимый ток и напряжение тиристорного регулятора зависят в первую очередь от установленных тиристоров. Самые распространенные – тиристоры серии КУ 202, но в некоторых случаях допускается применение других элементов:
КУ 202Н – 400В, 30А. Крепятся на резьбе М6. При регулировке первичной обмотки, ток которой менее 1А, используются без радиаторов.
КУ 201л – 300В, 30А, крепление- резьба М6. Допускается использовать в первичной обмотке.
КУ 201а – 25В, 30А, крепление – резьба М6. Можно использовать только с радиаторами при регулировке после трансформатора.
КУ 101г – 80В, 1А. Похож на транзистор. В силовых цепях зарядных устройствах не используются, только в схемах управления.
КУ 104а – 6В, 3А. Так же в силовых цепях не применяются.

Что представляет собой симистор

У тиристора есть недостаток, усложняющий его применение в сети переменного тока – он пропускает через себя только одну полуволну и на выходе вместо переменного напряжения получается постоянное пульсирующее. Поэтому эти приборы используются парами или вместе с диодным мостом. От этого недостатка свободен симистор.

Симистор внешне похож на тиристор. Также, как и тиристор, он открывается импульсом тока, протекающего через управляющий электрод, но этот прибор пропускает через себя обе полуволны и способен работать в сети переменного тока.

Принципиальная схема симисторного регулятора тока для активной и индуктивной нагрузки
Устройство симисторного регулятора аналогично тиристорному. Отличие в том, что симистор управляет обоими полярностями и поэтому нет необходимости использовать диодный мост или встречно-параллельное включение элементов.

Кроме того, для симистора не имеет значение полярность управляющего напряжения, что позволяет упростить схему импульсного управления.

Совет! Для регулировки симистором можно использовать диммер от лампы накаливания. Для этого он включается между анодом и управляющим электродом силового симистора.

Другие простые варианты регулировки напряжения в первичке

Кроме тиристорных и симисторных регуляторов есть другие способы управления зарядным током в первичной обмотке трансформатора:

Переключением выводов первичной обмотки. Недостаток в том, что эти вывода необходимо делать при намотке катушек.
Подключением зарядного аппарата после ЛАТРА (лабораторного автотрансформатора). Его мощность должна быть не менее 160Вт.
Переменным сопротивлением, подключаемым последовательно с трансформатором. Его параметры приблизительно 50-100Ом, мощностью 50Вт и зависят от конкретного зарядного.

Несмотря на появление современных зарядных устройств, аппараты с обычными трансформаторами есть у многих владельцев автомобилей, и регулировка аппарата по первичной обмотке позволяет обойтись без мощных тиристоров или добавочных сопротивлений.

Читайте также: