Тиристорный сварочный выпрямитель как замкнутая система автоматического регулирования

Параметры сварочного выпрямителя можно регулировать вручную или по заданному закону от автоматического регулятора. Если угол регулирования в управляемом выпрямителе зада-

вать вручную и не изменять в процессе нагрузки, то выпрями­тель будет работать на естественных внешних характеристиках, приведенных для одной из схем выпрямления на рис. 3-6. Такие характеристики могут найти в сварке очень ограниченное при­менение, например для сварки в углекислом газе без стабилиза­ции режима при колебаниях напряжения сети.

В большинстве случаев возникает необходимость получения различных внешних характеристик (жестких, полого- и круто-падающих, с регулируемой крутизной наклона и др.), стабилиза­ции режима при колебаниях напряжения сети, автоматического и программного изменения тока и напряжения во времени.

Эти задачи могут быть решены, если сварочный выпрямитель снабдить автоматическим регулятором. Автоматический регуля-

тор АР (рис. 5-6), система импульсно-фазо­вого управления СФУ и непосредственно ти-ристорный выпрямитель В составляют замк­нутую систему автоматического регулиро­вания. Нагрузкой сварочного выпрямителя является сварочная дуга СД. Система СФУ является исполнительным органом системы ' авторегулирования.

Автоматический регулятор (рис. 5-7), в свою очередь, состоит из датчика регули­руемой величины Д, блока задания БЗ тре­буемого значения регулируемой величины, •апрмрнтя ГПЯВНРНИЯ ЭС И УСИЛИТеЛЬНОГО

элемента У. В сварочных выпрямителях элемент сравнения и уси­литель обычно объединены.

Датчики напряжения и тока. В сварочных выпрямителях обычно регулируется среднее значение выпрямленного напряже­ния или сварочного тока. Датчик напряжения (рис. 5-8) ^обычно представляет собой делитель напряжения, подключенный непо­средственно к выходным зажимам выпрямителя (до сглаживаю-

щего дросселя). Выходное напряжение датчика

где kn — коэффициент передачи датчика.

Для уменьшения пульсаций выходного напряжения на выходе делителя обычно устанавливается цепочка R^ Сф.

Недостаточное сглаживание пульсаций напряжения, равно как и чрезмерное увеличение постоянной времени Тф == РфСф, приво­дящее к повышению инерционности системы, отрицательно ска­зывается на процессе сварки. Поэтому параметры цепочки обыч­но подбираются экспериментально в процессе сварочных испы­таний выпрямителя.

Для измерения сварочного тока широко используются раз­личные трансформаторы тока. Однако в последнее время транс­форматоры тока начали заменяться полупроводниковыми схема­ми на основе операционных усилителей, усиливающих сигналы, снимаемые с шунтов.

На рис. 5-9 приведены три схемы трансформаторных датчиков тока. Широкое распространение получила схема (рис. 5-9, а) трансформатора постоянного тока на базе магнитного усилителя, Рабочие обмотки Wpi магнитного усилителя включены встречно-последовательно и подключены к источнику вспомогательного синусоидального напряжения.

Измеряемый выпрямленный ток сварочного выпрямителя Id протекает по обмотке управления, которая, как правило, пред­ставляет собой шину, проходящую в окне магнитного усилителя. При идеальной характеристике намагничивания сердечников маг­нитного усилителя средние значения рабочего тока магнитного 1 усилителя /гор и тока нагрузки выпрямителя связаны соотношением

• Для преобразования переменного тока ii в постоянное напря­жение датчика тока схема снабжена выпрямителем и резистором RI. Для сглаживания пульсаций выходного напряжения t/вых ис­пользуется ^С-фильтр. Рассмотренный датчик тока нашел ши­рокое применение в отечественных тиристорных сварочных вы­прямителях на номинальные токи 315—500 А. В датчиках ис­пользуется серийный магнитный усилитель типа ТУМ-В 1-24-14 на тороидальных сердечниках из холоднокатаной стали.

В отдельных случаях вместо выпрямленного тока измеряют практически пропорциональный ему первичный ток выпрямителя В. Схема такого датчика с использованием трехфазного транс-

: форматора тока ТТ представлена на рис. 5-9,6.

В мощных тиристорных сварочных выпрямителях на токи свыше 1000 А, выполненных по шестифазной кольцевой схеме выпрямления,.. нашли применение датчики тока нагрузки, пред­ставленные на рис: 5-9, в. Три тороидальных трехобмоточных трансформатора тока Т1— ТЗ установлены на шинах, идущих от Вторичных обмоток силового трансформатора к силовым тиристорам. Первичные обмотки каждого трансформатора тока —

изолированные друг от друга шины, по которым проходят встречно токи противофазных силовых тиристоров

Вторичные измерительные обмотки трех трансформаторов тока соединены в треугольник и через вспомогательный выпрями­тельный мост подключены к резистору RI-

Форма напряжения на выходе рассматриваемого датчика тока получается симметричной даже при некоторой несимметрии за­грузи силовых тиристоров [7], что положительно сказывается на устойчивости работы сварочного выпрямителя.

Блок задания регулируемой величины. Напряжение на блоке задания может быть неизменным во времени, иметь периодически повторяющуюся пульсирующую форму или изменяться по произвольной программе, поступающей, например, с ЭВМ.

В большинстве выпрямителей, работающих в режимах непре­рывной сварки, блок задания (рис. 5-10) содержит источник вспо­могательного постоянного напряжения U, кремниевый стабили­трон VI и балластный резистор RI. Напряжение задания U» устанавливается вручную вспомогательным ^^___ потенциометром R2, включенным параллель- \ но стабилитрону. \\^

В работе выпрямителей с крутопадающими характеристиками для аргонодуговой и плазменной сварки на токи до 315 А часто наряду с режимом непрерывной сварки предусматривается режим сварки пульсирующей дугой: сварочный ток периодически меняет свой уровень—импульс чере­дуется с паузой. Для получения такого тока блок задания снабжается двумя потенциометрами задания, которыми раздельно оператор устанавливает напряжения зада­ния U ц. и, Ua. а, определяющие ток во время импульса и во время паузы. Переключение потенциометров осуществляется специаль­ными схемами, содержащими мультивибратор, который одновре­менно задает длительность импульса и паузы.

Элемент сравнения. Основные сведения об операционных уси­лителях. В элементе сравнения происходит суммирование (вычи­тание) сигналов, поступающих с блока задания и датчика регу­лируемой величины. Усиленный сигнал рассогласования посту­пает на вход фазосдвигающего устройства. В качестве элемента сравнения—усилителя—часто используют транзисторы или транзисторные усилители. На вход транзистора поступает либо разность сравниваемых напряжений, либо разность токов, про­порциональных каждому из этих напряжений. Недостаток таких устройств — большой разброс коэффициентов усиления.

В последние годы как элементы сравнения начали использо­ваться операционные усилители (ОУ). Современный операцион­ный усилитель [24] является полупроводниковой интегральной схемой и представляет собой усилитель постоянного тока с дву­мя дифференциальными, равноправными по электрическим пара­метрам входами и двухтактным (двухполярным по амплитуде сигнала) выходом.

ОУ в интегральном исполнении имеет высокий собственный коэффициент усиления (до 100 дБ), высокое входное и низкое выходное сопротивления, широкую поло,су пропускания (до 100 МГц), высокую надежность, малые габариты и низкую стои­мость. ОУ обладают удовлетворительными дрейфовыми парамет­рами и могут работать в широком диапазоне температур (от

—60 °С до +125°С). В настоящее время в СССР наибольшее распространение получили интегральные ОУ серий 140 и 153, начинается внедрение более совершенных ОУ серий 544 и 574. На рис. 5-12 представлена эквивалентная схема операционного

усилителя. Усилитель имеет два входа, позволяющие создать схемы с инвертированием и без инвертирования входного сигна­ла. При дифференциальном включении сигналы подаются на оба входа. В идеальном ОУ входное сопротивление Rax-^oo, а выходное Рвых ^ 0. Значение ЭДС генератора Е == koUax показы­вает, что ОУ усиливает сигнал на входе Uan в ko раз. Штрихо­выми линиями на рис. 5-12 показаны сопротивления между вхо­дами усилителя и землей, а также нагрузочный резистор Rn-

Большой собственный коаффициент усиления ko ОУ, большое входное и малое выходное сопротивления позволяют, используя цепи отрицательной обратной связи (ООС), реализовать требуе­мую передаточную функцию с высокой точностью. Численное зна­чение этой функции определяется только параметрами элементов цепи ООС и не зависит от технологических разбросов электриче­ских параметров ОУ (от экземпляра к экземпляру) и их неста­бильности.

На рис. 5-13, а показана схема ОУ с ООС по напряжению. Цепь обратной связи усилителя состоит из резистивного.делителя

Rl, R2, имеющего коэффициент передачи

Сигнал обратной связи пропорционален выходному напряже­нию на нагрузке:

Входное напряжение

где U с — напряжение усиливаемого сигнала.

Учитывая, что, можем запи­сать формулу для коэффициента усиления усилителя с замкну­той петлей ООС:

Если ko велико, то k*» I/fen == I + Ri/Ri, т. e. практически не зависит от собственного коэффициента усиления ОУ и от его нестабильности. '

Дифференциальное включение ОУ позволяет использовать его как усилитель рассогласования между заданным значением сиг­нала с блока задания U» и значением сигнала с датчика регу­лируемого параметра (например, с токового шунта— Uui).

На рис. 5-13,6 представлена схема дифференциального вклю­чения ОУ с инвертированием сигнала рассогласования Up== •== L/з— Uui. Если ОУ используется только для усиления сигнала шунта, второй вход замыкается через резистор на землю.

Мощность сигнала на выходе интегрального операционного усилителя обычно небольшая (0,025—0,05 Вт). Поэтому ОУ без дополнительных усилителей могут использоваться только в схе­мах управления тиристорными сварочными выпрямителями, по­строенных на элементах микроэлектроники. Такие схемы в на­стоящее время находятся в стадии разработки.

Влияние коэффициента усиления регулятора на точность ста­билизации выходных параметров сварочного выпрямителя. В тео­рии автоматического регулирования 114] отклонение регулируе­мой величины (например, выпрямленного напряжения Ua) под воздействием возмущения (наброс нагрузки, изменение напряже­ния сети и др.) называют статической ошибкой регулировани-я. Известно, что если в разомкнутой системе (без автоматиче­ского регулятора) эта ошибка составляет AL^p, то в замкнутой системе она (А^з) уменьшается в (1+^т^р) раз:

Mi - ^ ^dз—T+~fe7fep''

где kr— коэффициент передачи тиристорного выпрямителя; kp— коэффициент передачи автоматического регулятора — произведе-

ние коэффициентов передачи всех его звеньев: элемента сравне­ния, усилителя, СФУ.

Увеличение произведения ^kp способствует повышению точ­ности регулирования, однако может привести к потере статиче­ской устойчивости системы.

Повышению статической устойчивости системы способствуют специальные средства стабилизации—корректирующие звенья. Наиболее эффективными являются звенья, дающие сигналы по производной от отклонения регулируемой величины. Такие коррек­тирующие ^С-звенья помогают «предвидеть» развитие процесса, т. e. производить регулирование в зависимости от того, будет ли регулируемая величина в следующие моменты возрастать или убы­вать, а также учитывать скорость ее изменения.

Наличие корректирующих /?С-звеньев позволяет уменьшить инерционность и статическую ошибку регулирования при сохра­нении статической устойчивости системы.

Основной трудностью, с которой приходится сталкиваться в процессе проектирования тиристорного сварочного выпрямителя, является отработка его динамических сварочных характеристик. Здесь также решающую роль играют корректирующие ^С-звенья. От точности расчета элементов автоматического регулятора и подбора корректирующих звеньев во многом зависят сварочные свойства выпрямителей. Ввиду сложности и многообразия свароч­ных процессов отработка динамических сварочных характери­стик производится в настоящее время экспериментально на ма­кетах сварочных выпрямителей.