Теоретические сведения. Однопостовые сварочные выпрямители с жесткими (пологопадающими) внешними характеристиками типа ВДГ-302 предназначены для механизированной сварки плавящимся

Однопостовые сварочные выпрямители с жесткими (пологопадающими) внешними характеристиками типа ВДГ-302 предназначены для механизированной сварки плавящимся электродом в среде защитных газов.

Выпрямитель обеспечивает плавно-ступенчатое регулирование рабочего напряжения.

Плавное регулирование обеспечивается дросселем насыщения с самоподмагничиванием.

Принцип работы дросселя насыщения (магнитного усилителя) основан на использовании нелинейности кривой намагничивания ферромагнитного сердечника, то есть на использовании насыщения ферромагнитного сердечника при увеличении постоянного магнитного поля в сердечнике.

Простейший дроссель насыщения (рис.5.1) представляет собой магнитопровод стержневого или кольцевого типа на котором размещены обмотка управления W_У, которая питается постоянным током, и рабочая обмотка W_Р, включенная в цепь переменного тока.

а б в

а – схема б, в – кривые намагничивания

Рисунок 5.1 – Схема и кривые намагничивания дросселя насыщения

Кривая намагничивания ферромагнитного сердечника, то есть зависимость магнитной индукции В в сердечнике от напряженности магнитного поля H, созданного током в обмотке управления дросселя, приведена на рис 5.1б. Аналогичный вид имеет зависимость Ф = f (Iw), (рис5.1в) так как

Ф= B∙S, H = 0,4π I_Уw_У/l, (5.1)

где Ф – магнитный поток в сердечнике сечением S, а l – длина средней силовой линии в сердечнике.

При малых значениях напряженности магнитного поля (тока в обмотке управления) кривая намагничивания является почти линейной, и относительная магнитная проницаемость материала магнитопровода

μ = B/H (5.2)

имеет почти постоянное и достаточно большое значение.

С увеличением тока управления происходит насыщение магнитопровода и его магнитная проницаемость уменьшается (рис.5.2а)

а б

а – магнитная проницаемость; б – индуктивность

Рисунок 5.2 – Зависимости параметров дросселя от тока управления

Аналогично с увеличением тока управления уменьшается индуктивность L рабочей обмотки (рис.5.2а) и ее индуктивное сопротивление в цепи переменного тока X_Р

X_Р = wL (5.3)

где m₀ – магнитная постоянная; w - угловая частота питающего напряжения.

Указанные зависимости можно использовать для управления формой внешней вольт-амперной характеристики источника питания и параметрами режима сварки.

В выпрямителе ВДГ-302 используется трехфазный дроссель насыщения L1, рис. 5.3. Дроссель выполнен на шести ленточных разрезных сердечниках. На каждом сердечнике расположены рабочие обмотки РО. Объединенные попарно сердечники охвачены катушками управления ОУ и подмагничивания (смещения) ОП. Обмотки управления и смещения всех шести дросселей включены последовательно и питаются постоянным током от отдельно выполненных вспомогательных выпрямителей VD1 и VD2.

Дроссель насыщения работает в режиме самоподмагничивания, то есть с внутренней положительной обратной связью. Для этого рабочие обмотки дросселя РО включены между вторичными обмотками силового трансформатора Т и диодами силового выпрямительного блока VD3.

По каждой из рабочих обмоток протекает пульсирующий ток одного направления (рис.5.4), пропорциональный величине тока нагрузки выпрямителя (сварочного тока). При трехфазной мостовой схеме выпрямления через каждый диод, а значит (для рассматриваемой схемы) и через каждую рабочую обмотку дросселя ток протекает в течение одной трети периода

(см. (3.3)), следовательно

(5.4)

Рабочие обмотки включены таким образом, что магнитодвижущие силы протекающих в них токов направлены в сердечнике согласно с намагничивающей силой обмотки управления.

При I_У = 0, в режиме холостого хода (I_СВ = 0), магнитный поток в сердечнике дросселя минимален. Сердечник не насыщен и его магнитная проницаемость m - максимальна (см. рис. 5.2., а). При увеличении тока нагрузки выпрямителя (тока сварки) возрастает степень насыщения сердечников, а их магнитная проницаемость уменьшается. В соответствии с формулой (5.3) при этом уменьшается индуктивность рабочих обмоток дросселя и их индуктивные сопротивления переменному току.

В результате при малых значения тока нагрузка (при режимах близких к холостому ходу) m, L, и Х_Р дросселя имеют значительную величину и внешняя характеристика выпрямителя является крутопадающей. При возрастании тока сварки m, L, и Х_Р уменьшаются и внешняя характеристика переходит в пологопадающую (близкую к жесткой).

Таким образом, дроссель насыщения, работающий в режиме самоподмагничивания обеспечивает формирование комбинированной внешней характеристики, рис 5.7. Крутопадающей при малых токах с повышенным напряжением холостого хода (U₀), что способствует более надежному возбуждению дуги, и пологопадающей в режиме рабочих токов с коэффициентом наклона R_ДИФ = = -0.03…-0.05 В/А, оптимальным для процесса механизированной сварки плавящимся электродом.

Рисунок 5.4 – Ток через диод и обмотку дросселя.

При I_У ¹ 0 обеспечивается определенный магнитный поток в магнитопроводах дросселя в режиме холостого хода (I_СВ = 0). С увеличением сварочного тока m, L, и Х_Р достигают минимальных значений при меньших значениях I_СВ. Внешняя характеристика переходит в пологопадающую при более высоком уровне рабочего напряжения.

Более точно проанализировать процесс формирования внешних вольт-амперных характеристик выпрямителя можно рассмотрев характер изменения магнитного потока в одном сердечнике дроселя, рис. 5.5.

а б в

Рисунок 5.5 – Кривые намагничивания дросселя насыщения с

самоподмагничиванием

При I_У = 0 в режиме холостого хода (I_СВ = 0, I_Р = 0) магнитний поток в сердечнике дросселя отсутствует (если не учитывать поток обмотки подмагничивания), точка 0 на рис. 5.5,а. В режиме нагрузки во время каждой пульсации тока в рабочей обмотке магнитный поток в сердечнике дросселя возрастает, а в робочей обмотке индуктируется противо - ЭДС E_L (рис.5.6).

E_L = , (5.4)

Напряжение на выходе выпрямителя при этом уменьшаеться

U_d = U₀ - E_L. (5.5)

При малых токах нагрузки намагничивающая сила робочей обмотки не обеспечивает насыщения магнитопровода и при увеличении тока магнитный поток возрастает почти линейно (точки А и В на кривой намагничивания). Величина изменения магнитного потока ΔФ и противо ЭДС возрастают, а напряжение на выходе выпрямителя уменьшается пропорционально возрастанию тока. То есть внешняя характеристика выпрямителя в диапазоне малых токов является падающей.

При достаточно больших токах нагрузки во время протекания пу-льсирующего тока по робочей обмотке обеспечивается насыщение сердечника (точка С на кривой намагничивания), и при дальнейшем возрастании тока магнитный поток, а значит противо – ЭДС E_L остаются практически неизменными.

Внешняя характеристика выпрямителя в диапазоне больших токов становится пологопадающей (близкой к жосткой). Падение напряжения U_d с увеличением тока определяется лишь вольт – амперной характеристикой силового трансформатора (U₂ = f (I₂)) и падением напряжения на активном сопротивлении рабочих обмоток дросселя.

Рисунок 5.6–Противо–ЭДС в рабочей Рисунок 5.7-Зависимости U_ИП=f (I_СВ )

обмотке дросселя при различных токах управления

При I_У ¹ 0 обеспечивается определенное постоянное подмагничивание магнитопроводов дросселя. Начальная точка сдвигается по кривой намагничивания в положение 0^׳(рис. 5.5,б). Насыщение сердечника обеспечивается при меньших значениях тока нагрузки. ΔФ_max и противо - ЭДС E_L при этом уменьшаются, а рабочее напряжение на выходе выпрямителя (см. 5.5) возрастает.

Изменение тока управления обеспечивает плавное регулирование рабочего напряжения выпрямителя (напряжения дуги). Увеличение I_У обеспечивает увеличение рабочего напряжения (рис. 5.7)

Обмотка управления питается от регулируемого стабилизированного источника питания (СН, VD1). Стабилизатор настроен таким образом, что при понижении напряжения сети напряжение на его выходе и ток в обмотке управления увеличиваются, что обеспечивает стабилизацию режима сварки при колебаниях напряжения сети.

Регулирование тока в обмотке управления осуществляется с помощью потенциометра R1, установленного на лицевой панели выпрямителя. Обмотка управления имеет большое число витков. Поэтому магнитодвижущая сила F = I_УW_У, обеспечивающая требуемую степень насыщения сердечников дросселя, достигается при сравнительно небольших токах управления

(I_Уmax » 1 А).

Обмотка подмагничивания дросселя насыщения получает питание от вторичных обмоток силового трансформатора Т через выпрямительVD2 и токоограничивающий резистор R2. Магнитодвижущая сила обмотки подмагничивания направлена встречно м.д.с. обмотки управления и служит для обе-спечения расширения диапазона регулирования в сторону малых сварочных токов. Действительно, намагничивающая сила обмотки подмагничивания I_ПW_П обеспечивает сдвиг начальной точки 0^׳ вниз по кривой намагничива-ния (см. рис.5.5,в), при этом увеличивается ΔФ_max, а значит расширяется ди-апазон возможных изменений ΔФ и противо-ЭДС E_L при регулировании I_У.

Кроме плавного регулирования рабочего напряжения выпрямитель обеспечивает ступенчатое регулирование. Выпрямители ВДГ-302, ВДГ-303 имеют три ступени регулирования за счет изменения коэффициента трансформации силового трансформатора. Катушки фаз первичных обмоток трансформаторов секционированы, то есть выполнены с отводами. Переключение ступеней регулирования осуществляется трехфазным переключателем S1.

Положению 1 переключателя соответствует соединение первичных обмоток треугольником с использованием отводов и наиболее высокие рабочие напряжения выпрямителя.

Положению 2 – соответствует соединение треугольником без использования отводов, то есть включение всех витков первичных обмоток. При этом возрастает коэффициент трансформации и снижаются вторичные напряжения трансформатора.

U₂ = U₁ w₂ / w_{1 .}

Получаем ступень средних рабочих напряжений выпрямителя.

Положению 3 переключателя S1 соответствует соединение первичных обмоток звездой с использованием отводов. Фазные напряжения на первичных обмотках, а значит и вторичные напряжения, снижаются, по сравнению со ступенью 1, в раза. Получаем ступень наиболее низких рабочих напряжений выпрямителя.

Дроссель L2 включенный в цепи выпрямленного тока обеспечивает некоторое сглаживание пульсаций и получение требуемых динамических свойств выпрямителя (ограничение скорости нарастания тока при коротких замыканиях дугового промежутка). В выпрямителе ВДГ-302 дроссель выполнен с отводом. Включение всех витков дросселя соответствует индуктивности 0,5 мГн и рекомендуется при I_СВ = 150…300 А. При включении части витков обеспечивается индуктивность 0,15 мГн, которая рекомендуется при I_СВ < 150 А. В выпрямителе ВДГ-303 применен дроссель, индуктивность которого автоматически изменяется при изменении режима сварки.

Выпрямитель снабжен вентилятором для воздушного охлаждения вентильного блока и имеет пуско-защитную аппаратуру аналогичную используемой в выпрямителе ВД-306.