Теоретические сведения. В сварочных выпрямителях получили распространение трехфазная мостовая и шестифазные схемы выпрямления

В сварочных выпрямителях получили распространение трехфазная мостовая и шестифазные схемы выпрямления. Из шестифазных широко применяются двойная трехфазная с уравнительным реактором и кольцевая.

3.2.1 Трехфазная мостовая схема выпрямления

Принципиальная электрическая схема и временные диаграммы приведены на рис. 3.1

Рассмотрим работу схемы в варианте выпрямителя с жесткими внешними характеристиками (индуктивное сопротивление силового трансформатора мало) при работе на активную нагрузку.

На участке 1 временной диаграммы работает вентиль VD1, как имеющий наибольший потенциал из вентилей катодной группы (U_A > U _B,

U_A > U_C ). В паре с ним работает вентиль VD5, как имеющий наибольший отрицательный потенциал из вентилей анодной группы (- U_В > -U _С ). На участке 2 вместо VD5 включается VD6, так как становится (- U_С > -U _В ). На участке 3 вместо VD1 включается VD2, так как наибольшим положительным становится напряжение в фазе В, и так далее.

Угол проводимости каждого вентиля составляет 120⁰. Пульсация выпрямленного напряжения – шестифазная с частотой 300 Гц.

Среднее значение выпрямленного напряжения при холостом ходе выпрямителя определяется по формуле

U_Х.Х = (3 /p)U_2Л = (3 /p)U_2Ф »1,35U_2Л »2,34U_2Ф, (3.1)

где U_2Л - линейное, а U_2Ф - фазное напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

Максимальное обратное напряжение, приложенное к вентилю, равно амплитудному значению линейного напряжения:

U_ОБР.MAX = U_2Л.MAX = U_2Л = (p/3) U_Х.Х» 1,045 U_Х.Х. (3.2)

Рисунок 3.1 - Трехфазная мостовая схема выпрямления

Ток через каждый вентиль протекает в течение одной трети периода, следовательно, средний прямой ток через вентиль

I_В.СР = I_d./3» 0,33I_d , (3.3)

где I_d.- номинальный ток выпрямителя.

Действующие значения вторичного и первичного тока трансформатора:

I₂ = 0,815 I_d, I₁ = (1/n) 0,815 I_d, (3.4)

где n = U_1Ф/ U_2Ф –коэффициент трансформации.

В действительности из-за наличия некоторой индуктивности во вторичном контуре угол проводимости вентилей больше, чем 120⁰, на угол коммутации γ, и работа вентилей происходит попарно и по три.

В выпрямителях с падающими внешними характеристиками индуктивное сопротивление силового трансформатора значительно, и вентили работают на сварочную дугу одновременно по три с углом проводимости, близким к π. В этом случае I₂ и I₁ снижаются и равны

I₂ = 0,745 I_d, I₁ = (1/n) 0,745 I_d. (3.5)

Расчетная мощность трансформатора при жестких внешних характеристиках:

Р_Т.Ж.Х = 3 U_2Ф I₂ = 1,05 U_ХХ I_d. (3.6)

При падающих внешних характеристиках

Р_Т.П.Х = 0,95 U_ХХ I_d. (3.7)

При построении выпрямителя на управляемых вентилях (тиристорах) угол регулирования α отсчитывается от точки естественной коммутации (точка перехода тока с вентиля одной фазы на вентиль другой фазы для неуправляемого выпрямителя). Тиристорные выпрямители, независимо от вида формируемых внешних характеристик, выполняются с применением трансформаторов, имеющих незначительное индуктивное сопротивление рассеяния. В этом случае при работе на активную нагрузку выпрямленный ток I_d является непрерывным при α £ 60⁰ и прерывистым при α > 60⁰.

Чтобы обеспечить устойчивое горение дуги при глубоком регулировании, в сварочную цепь необходимо включать сглаживающий дроссель значительной индуктивности, которая может оказаться больше оптимальной для данного способа сварки.

Трехфазная мостовая схема широко применяется в выпрямителях с падающими и жесткими внешними характеристиками, построенными на неуправляемых вентилях (диодах).

Обмотки трансформатора могут соединяться как звездой, так и тре-угольником.

3.2.2 Двойная трехфазная схема с уравнительным ректором.

Трансформатор в таком выпрямителе (рис. 3.2) имеет шесть вторичных обмоток, образующих две трехфазные группы, каждая из которых соединена в звезду. ЭДС соответствующих фаз (a-x, b-y, c-z) сдвинуты по фазе на 180⁰. Группы соединены между собой уравнительным реактором, обеспечивающим их параллельную работу за счет выравнивания напряжения между ними. Уравнительный реактор представляет собой дроссель с замкнутым ферромагнитным магнитопроводом, имеющим две одинаковые обмотки.

Без уравнительного реактора в каждый момент времени работала бы только одна обмотка, имеющая наибольшую ЭДС. Наличие уравнительного реактора обеспечивает попарную работу вентилей и обмоток трансформатора, повышая эффективность их использования.

Например, на участке 1 временной диаграммы выпрямителя работают обмотки a и y, имеющие наибольшие ЭДС в своих трехфазных группах, и вентили VD1 и VD5. Ток каждой группы протекает через одну из обмоток уравнительного реактора. Обмотки реактора подключены таким образом, что магнитные потоки, создаваемые токами отдельных групп, направлены встречно. Результирующий магнитный поток определяется током той обмотки, ЭДС которой в данный момент больше. В обмотках реактора индуцируются напряжения U_у1 = U_у2, имеющие разные знаки по отношению к общему выводу. Эти напряжения складываются с напряжением вторичной обмотки, меньшим в данный момент времени, и вычитаются из большего напряжения вторичной обмотки. В результате фазные напряжения выравниваются, что и приводит к параллельной работе трехфазных групп.

Рисунок 3.2 – Двойная трехфазная схема выпрямления с уравнительным реактором

На участке 2 временной диаграммы выпрямителя работают обмотки a и z, имеющие наибольшие ЭДС в своих трехфазных группах, и вентили VD1 и VD6. И так далее.

Таким образом, каждый из вентилей и каждая из обмоток трансформатора работают на протяжении 120⁰ . Причем всегда на нагрузку работают параллельно два вентиля и две обмотки из разных трехфазных групп. Это обеспечивает хорошее использование вентилей и вторичных обмоток по току.

Трансформатор обеспечивает шесть синусоидальных напряжений, сдвинутых по фазе на 60⁰ . Поэтому при построении выпрямительного блока на тиристорах выпрямленный ток становится прерывистым при углах регулирования α > 120⁰. При наличии в сварочной цепи сглаживающего дросселя угол регулирования можно увеличить до 150⁰. Таким образом, двойная трехфазная схема с уравнительным реактором обеспечивает глубокое регулирование сварочного тока и рабочего напряжения на дуге и широко применяется в универсальных тиристорных сварочных выпрямителях на номинальные токи до 500А.

Напряжение холостого хода выпрямителя

U_Х.Х =1,17U_2Ф, (3.8)

а при фазовом регулировании

U_Х.Х =1,17U_2Ф. cosα. (3.9)

Максимальное обратное напряжение, приложенное к вентилю,

U_ОБР.MAX = U_2Ф= 2,09 U_Х.Х. (3.10)

Ток протекает в течение одной трети периода через пару вентилей, параллельно работающих на нагрузку, следовательно, средний прямой ток через вентиль

I_В.СР = I_d /6» 0,167I_d . (3.11)

Действующие значения вторичного и первичного тока трансформатора при жестких характеристиках выпрямителя:

I₂ = 0,29 I_d, I₁ = (1/n) 0,408 I_d. (3.12)

При падающих характеристиках

I₂ = 0,26 I_d, I₁ = (1/n) 0,37 I_d. (3.13)

Расчетная мощность трансформатора при жестких и падающих внешних характеристиках выпрямителя:

Р_Т.Ж.Х = 1,26 U_ХХ I_d, (3.14)

Р_Т.П.Х = 1,14 U_ХХ I_d. (3.15)