Книги, научные публикации

«МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова С.В.Драган Джерела живлення для зварювання плавленням Рекомендовано Міністерством ...»

Рис. 5.7. Принципова електрична схема генератора імпульсів ГПИ- Керуючі імпульси, які вмикають тиристори VS1...VS4, формуються схемою фазового керування з частотою 150 імп/с. Конденсатор С8 заряд жається від трифазного некерованного випрямляча з нульовим виводом через змінний резистор R1. Опір резистора R1 визначає час заряду конден сатора С8 та момент вмикання діодного тиристора (диністора) VS6. При вмиканні диністора конденсатор С8 розряджається на первинну обмотку трансформатора Т2. Імпульси керування зі вторинних обмоток одночасно подаються на керуючі електроди тиристорів VS1...VS3. При подачі імпульса відчиняється той тиристор, який має більшу позитивну анодну напругу. Таким чином резистором R1 регулюється напруга на виході вип рямляча.

Одночасно імпульси керування зі вторинної обмотки трансформатора Т2 потрапляють на керуючий електрод тиристора VS4, що забезпечує од накові умови заряду формувальної лінії. Імпульси керування, які вмика ють розрядний тиристор VS5, формуються релаксаційним генератором.

Напруга на конденсаторі С9 зростає до напруги вмикання диністора VS7.

Час наростання регулюється змінним резистором R2. При вмиканні диністора VS7 конденсатор С9 розряджається на первинну обмотку транс форматора Т3, зі вторинної обмотки якого імпульс подається на керуючий електрод розрядного тиристора VS5, та формувальна лінія розряджається на зварювальну дугу. Таким чином резистором R2 можна плавно регулю вати частоту імпульсів струму, а резистором R1 – їх амплітуду. Регулю вання тривалості імпульсів зварювального струму здійснюється переми канням числа LС-осередків за допомогою пакетного перемикача на чотири положення (на рис.5.7 не показаний). Технічна характеристика імпульс ного генератора ГПИ-3 наведена у дод.2 (див. табл.2.4).

5.5. Імпульсні джерела живлення без нагромаджувачів енергії Генератори імпульсів ГИ-ИДС. Генератори імпульсного струму цього типу (ГИ-ИДС-1, ГИ-ИДС-2) розроблені в ІЕЗ імені Є. О. Патона та випускали ся у минулі роки великими серіями. Принципово ці генератори побудовані за схемою, наведеною на рис.5.5,а. Генератор імпульсів ГИ-ИДС-1 при значений для імпульсного зварювання плавким електродом в аргоні та йо го сумішах. Він генерує імпульси частотою 50 та 100 імп/с і використо вується при спільній роботі зі зварювальним джерелом живлення. Форма імпульсів – частина синусоїди. Генератор імпульсів, електричну схему якого наведено на рис.5.8, призначений для роботи у закритих приміщеннях.

Рис. 5.8. Спрощена принципова електрична схема генератора імпульсів ГИ-ИДС- Після вмикання генератора напруга мережі подається на первинні об мотки силового трансформатора Т1. Напруги на вторичних обмотках трансформатора співпадають за фазою. До вторинних обмоток підключена мостова схема випрямляння, зібрана на тиристорах VS1, VS2 та діодах VD1, VD2. Команди керування тиристорами формуються у фазовому при строї. Цей пристрій складається із знижувального трансформатора Т2, ре зисторів R1, R2, конденсаторів С1...С3, перемикача S2 на три положення, трансформатора Т3, магнитопровід якого виконаний із магнітного ма теріалу з прямокутною петлею гістерезису. На вториних обмотках транс форматора Т3 формуються імпульси. Вони відкривають тиристори VS1 та VS2 зі зсувом за фазою відносно напруги мережі. Частота імпульсів стру му у зварювальному колі визначається положенням перемикача S3.

Амплітуда імпульсів струму регулюється шляхом зміни вторинної напруги трансформатора Т1 за допомогою перемикача S1 та частково шляхом зміни кута вмикання тиристорів перемикачем S2. Тривалість імпульсів ре гулюється перемикачем S2 через зміну ємності конденсатора у фазовому пристрої.

На принциповій електричній схемі генератора (див.рис.5.8) катоди діодів VD1 і VD2 з'єднані перемичкою (затискачі +). У залежності від на явності (відсутності) перемички та положення перемикача S3 генератор імпульсів може забезпечувати різноманітні схеми живлення зварювальних постів та режимів роботи: живлення одного зварювального поста імпульсами струму частотою 50 або 100 імп/с, одночасне або вибіркове живлення двох незалежних зварювальних постів імпульсами струму часто тою 50 імп/с.

Малогабаритний генератор імпульсів ГИ-ИДС-2 призначений для ІДЗПЕ в інертних газах конструкцій із алюмінієвих сплавів на монтажі електростанцій, підстанцій та розподільних пристоїв. Відмітними особли востями генератора ГИ-ИДС-2 є мала маса та габарити, висока манев реність у монтажних умовах, плавне регулювання амплітуди та тривалості імпульсів струму, автоматичне керування його роботою.

Технічна характеристика генераторів імпульсів ГИ-ИДС-1 та ГИ-ИДС-2 наведена у дод.2 (див. табл.2.4).

Генератор імпульсів ГИД-1 розроблений за часів СРСР науково дослідним інститутом ВНИИЭСО і призначений для імпульсно-дугового зварювання плавким електродом в аргоні та його сумішах. Будова генера тора відповідає загальній схемі, наведений на рис.5.5,б. Він використо вується разом зі зварювальним джерелом живлення. Частота імпульсів струму, які генеруються, складає 50 або 100 імп/с, форма імпульсів – час тина синусоїди. Генератор призначений для роботи у стационарних умовах та вміщує силовий трансформатор, реактор, блок кремнійових вентилів, блок керування та вентилятор. Дистанційне керування параметрами імпульсів струму здійснюється виносним змінним резистором.

Спрощену принципову електричну схему генератора показано на рис.5.9. Генератор являє собою керований випрямляч.

Рис. 5.9. Спрощена принципова електрична схема генератора імпульсів ГИД- Силовий імпульсний трансформатор Т1 містить дві первинні обмотки, ввімкнуті у мережу через тиристори VS1 та VS2. Вмикання тиристорів здійснюється на спаданні півхвилі напруги мережі. Фаза вмикання тири сторів визначає амплітуду та тривалість імпульсів струму. Вмикання од ного тиристора відповідає частоті 50 імп/с, двох – 100 імп/с. Випрямлення імпульсів струму здійснюється діодом VD1, а захист основного джерела – діодом VD2.

Генератор імпульсів має три ступені плавного регулювання амплітуди та тривалості імпульсів, що досягається введенням реактора L (виводи 1–3) у зварювальне коло. Регулювання фази вмикання тиристорів здійснюється магнітним підсилювачем А, робочі обмотки якого живляться від транс форматора Т2. Обмотки керування магнітного підсилювача А підключені до випрямляча V3 через змінний резистор R1 дистанційного керування па раметрами імпульсів струму, а обмотки зміщення – через резистор R2.

Кожного півперіоду мережної напруги при наростанні струму в одній із робочих обмоток А напруга на резисторі R3 або R4 збільшується до напру ги перимикання тиристора VS3 або диністора VS4. Після їх перемикання відбувається розряд конденсаторів С1 та С2 через кола керуючих елек тродів тиристорів VS1 або VS2, що приводить до їх вмикання. Тумблером S1 припиняється подача імпульсів струму, а тумблером S2 змінюється їх частота з 50 на 100 імп/с.

Подача імпульсів струму на дугу здійснюється лише після початку процесу зварювання від основного джерела живлення ДЖ. Для цього до схеми введено реле холостого ходу К, яке при вмиканні своїми контактами вмикає тиристори VS1 та VS2.

Технічну характеристику генератора імпульсів ГИД-1 наведено у дод.2 (див. табл.2.4).

Випрямляч ВДГИ-301 суміщує функції основного та імпульсного дже рел живлення і призначений для імпульсного зварювання плавким елек тродом у середовищі захисних газів. Джерело генерує імпульси з частотою 50 та 100 імп/с у формі частини синусоїди. Випрямляч входить до ком плекту обладнання для механізованого зварювання разом з напівавтоматом ПДГИ-303, але може застосовуватися й з іншими типами напівавтоматів.

Випрямляч складається з однофазного знижувального трансформатора, згладжуючого реактора, кремнійових діодів та тиристорів, пуско регулювальної та захисної апаратури. Силова схема джерела (рис.5.10) яв ляє собою двопівперіодний керований випрямляч з трансформатором Т.

Рис. 5.10. Силова частина принципової електричної схеми випрямляча ВДГИ- Обмотки 1, 2, 5 розміщені на одному магнитопроводі трансформатора, 3, 4, 6 – на другому. Для забезпечення жорстких ВАХ трансформатора вторинні обмотки намотані поміж первинними, а для зменшення пульсацій базового струму в усьому діапазоні регулювання застосований нелінійний реактор L, який при малих струмах має значно більшу індуктивність, ніж при великих. Випрямляч може працювати у трьох режимах: базового струму, імпульсного струму і у режимі базового та імпульсного струмів.

Вид режиму визначається порядком відкриття тиристорів.

При роботі випрямляча у режимі базового струму вмикаються ти ристори VS1 та VS4 – кожний у свій півперіод – та здійснюється регулю вання вторинної напруги трансформатора. Ця напруга випрямляється за допомогою випрямної схеми з нульовим виводом вторинної обмотки трансформатора, зібраної на діодах VD1 та VD2. Через реактор L напруга подається на вихідні клеми випрямляча. Діаграму напруг на різних еле ментах схеми при роботі випрямляча у режимі базового струму наведено на рис.5.11.

Схема керування дає змогу змінювати нахил зовнішніх харак теристик при роботі випрямляча у режимі базового струму. При ве ликих струмах ВАХ жорсткі, а при малих – для стабілізації базового струму та запобігання обривам ду ги – крутоспадні.

При роботі випрямляча у ре жимі імпульсного струму відкри ваються тиристори VS5 або VS6, Рис. 5.11. Напруга на виході схеми які шунтують реактор L, та напру випрямляння uв, на реакторі uL та на га випрямляча у формі частини си вихідних клемах випрямляча uк при нусоїди подається на дугу. Якщо роботі випрямляча в режимі одночасно вмикаються тиристори базового струму VS1 та VS5 (або VS4 та VS6), то у відповідний півперіод мережної напруги реактор шунтується тиристором VS5 (VS6) і на дугу потрапляють імпульси струму. Такому режиму роботи відповідає діапазон малої амплітуди.

Якщо тиристори VS2 та VS5 (або VS3 та VS6) вмикаються одночасно, тиристори VS1 (VS4) вимикаються, то коефіцієнт трансформації транс форматора Т зменшується і випрямляч працює у діапазоні імпульсів вели кої амплітуди. Напруга в дузі при роботі випрямляча в режимі імпульсного струму змінюється відповідно до діаграми на рис.5.12.

У кожному діапазоні амплітуда та тривалість імпульсів визначається фазо вим кутом вмикання тири сторів VS1 (VS6).

При роботі випрямляча у Рис. 5.12. Зміна напруги з часом в дузі у режимі базового та імпульс діапазоні імпульсів з малою (а) та вели ного струму відбувається пе кою (б) амплітудою при роботі випрямля ріодичне перемикання режиму ча в режимі імпульсного струму базового на режим імпульсного струму.

Після вмикання тиристора VS1 (VS4) базовий струм, що тече через діод VD1 (VD2), реактор L та зварювальну дугу, починає зростати. При вмиканні тиристора VS5 (VS6) реактор шунтується і вся напруга вторинної обмотки 5 (6) трансформатора Т у вигляді імпульсу за формою, подібною до частини синусоїди, подається на дугу. Струм тиристора VS5 (VS6) дорівнює різниці значень прямого струму (струму дуги) та зворотного (струму реактора). Внаслідок того, що прямий струм більший за зворот ний, тиристор відкритий. Але з бігом часу прямий струм зменшується відповідно до зменшення миттєвих значень напруги півхвилі синусоїди, а зворотний струм практично залишається постійним за значенням. У той момент, коли відбувається рівність цих струмів, тиристор VS5 (VS6) за кривається і випрямляч починає працювати у режимі базового струму.

Таким чином, з моменту вмикання тиристора VS1 до моменту вми кання тиристора VS5 струм реактора зростає, при цьому зростає енергія реактора. Під час імпульсу струм реактора не змінюється і реактор зберігає запасену енергію до закінчення імпульсу. Після закриття тиристора VS5 ця енергія віддається у зварювальне коло у вигляді базового струму до вми кання тиристора VS4 у наступний півперіод. При перемиканні джерела на роботу в діапазоні імпульсів великої амплітуди одночасно з тиристором VS5 (VS6) вмикається VS2 (VS3), а VS1 (VS4) вимикається завдяки докла деній до нього зворотній напрузі з обмотки 1 (4) трансформатора Т.

На рис.5.13 показані зміни напруги і струму з часом, що ілюструють роботу випрямляча у режимі базового та імпульсного струму.

Частота 50 імп/с забезпечується вмиканням лише одного тиристора VS5 (VS6) протягом періоду мережної напруги.

Імпульсний пристрій живлення зварювальної дуги ИУП-1 розроблений в ІЕЗ імені Є.О. Патона. Цей пристрій є універсальним як за призначенням, так і за спо собом вмикання у зварюваль не коло. Він може використо вуватися у різних варіантах:

для ІДЗПЕ на струмах до 350 А як автономний прис трій, коли базовий струм та струм імпульсів забезпе чується самостійно;

для ІДЗПЕ на струмах більше 350 А як генератор ім пульсів при спільній роботі з серійними джерелами постій Рис. 5.13. Зміна напруги на виході схеми ного струму;

випрямляння uв (а), струму іТ тиристора для зварювання неплав VS5(VS6) (б), струму реактора iL (в) та струму дуги iд при роботі випрямляча в ким електродом у режимах режимі базового та імпульсного струму імпульсної модуляції зварю вального струму та без неї;

для ручного електродугового звварювання покритими електродами в усіх просторових положеннях з імпульсною модуляцією зварювального струму та без модуляції.

Техничні характеристики випрямляча ВДГИ-301 та імпульсного при строю ИУП-1 наведені у дод. 2 (див. табл.2.4).

5.6. Особливості настроювання та регулювання вихідних параметрів імпульсних джерел живлення Перед настройкою джерел вибирають параметри режиму зварювання та параметри імпульсів. Можливі два варіанти завдання вихідних даних:

1) задаються параметри режиму зварювання і параметри імпульсного про цесу;

2) задаються тільки параметри режиму зварювання. В останьому ви падку потрібно визначити необхідні параметри імпульсного процесу. На стройку обладнання та джерел живлення виконують на безімпульсному процесі.

Джерело живлення настроюється на необхідну напругу, а зварюваль ний автомат або напівавтомат – на задану швидкість подачі електродного дроту, яка забезпечує необхідний зварювальний струм.

Розглянемо принципи настройки імпульсних джерел живлення з на громаджувачами та без нагромаджувачів енергії.

В імпульсних джерелах з нагромаджувачами енергії (конденсаторного типу) амплітуда імпульсів встановлюється напругою заряду конденсатора, яку можна регулювати ступінчасто шляхом секціонування обмоток транс форматора, плавно – шляхом зміни кута вмикання тиристорів у зарядному колі, а також спільним використанням вказаних способів. Тривалість імпульсів встановлюється параметрами розрядного кола – ємністю та індуктивністю, які регулюються, як правило, ступінчасто. Слід мати на увазі, що зміна ємності та індуктивності приводить також до зміни амплітуди імпульсів.

В імпульсних джерелах живлення без нагромаджувачів енергії імпульси струму формуються подачею на дуговий проміжок трансформова ної мережної напруги. Тривалість імпульсів встановлюється кутом вмикан ня тиристорів, а амплітуда – зміною живильної напруги шляхом секціонування первинної або вторинної обмотки силового трансформатора.

Точна оцінка настройки джерел живлення на заданий режим при імпульсно-дуговому зварюванні може бути виконана за осцилограмами струму та напруги в дузі.

Приблизна оцінка правильності настройки джерела може бути вико нана за відсутністю краплі на кінці електрода, за коефіцієнтом втрат мета лу на угар та розбризкування, за відсутністю пришовних виплесків.

Режим зварювання встановлюється за допомогою органів керування та настройки джерел живлення. В процесі зварювання, як правило, контро люються середні значення струму та напруги дуги, яким може відповідати різне сполучення параметрів режиму. Тому на якість зварного з'єднання великий вплив має досвід зварника. Для зменшення впливу суб'єктивного фактора на процес та якість зварного з'єднання ефективним засобом є ав томатизація настройки джерел живлення на оптимальний режим. При зав данні таких вихідних даних, як товщина та марка металу, що зварюється, вид з'єднання, просторове положення шва, система автоматичної настрой ки забезпечує вибір усіх параметрів. Такі системи використовуються у су часних інверторних джерелах живлення з програмним керуванням на базі мікропроцесорів.

Контрольні питання 1. Які фактори впливають на стабільність режиму при імпульсно дуговому зварюванні плавким електродом?

2. У чому полягають особливості вимог до імпульсних джерел жив лення?

3. Які типові схеми формування імпульсного струму використову ються в сучасних джерелах живлення?

4. Чим принципово відрізняються схеми імпульсних джерел з нагро маджувачами та без нагромаджувачів енергії? Чим відрізняється настройка цих джерел на заданий режим зварювання?

Глава ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ ДЛЯ АРГОНОДУГОВОГО ЗВАРЮВАННЯ НЕПЛАВКИМ ЕЛЕКТРОДОМ Джерела живлення для аргонодугового зварювання неплавким елек тродом, а також універсальні призначені для зварювання сталей з особли вими властивостями (корозійностійких, жароміцних, жаростійких) кольо рових і легких металів, а також сплавів на їх основі. Ці джерела живлення забезпечують високу якість зварних з’єднань, можливість автоматизації та роботизації зварювального процесу. Внаслідок цього вони відрізняються складністю електричних схем, наявністю зворотних зв’язків за напругою мережі живлення та параметрами зварювального кола. Тому такі джерела називаються параметричними.

Характерною особливістю всіх джерел живлення для зварювання не плавким електродом є крутоспадна зовнішня характеристика. Така ВАХ забезпечує стабільність сили струму при коливаннях довжини дуги та стійкість роботи енергетичної системи "джерело живлення – дуга – ванна" (див. гл.1).

Для отримання спадної ВАХ ці джерела живлення мають або високу напругу холостого ходу, що у 4...6 разів перевищує робочу напругу, або глибокий зворотний зв’язок за струмом. В останньому випадку є мож ливість формувати також вертикальну (“штикову”) зовнішню характеристи ку.

У зв’язку з тим, що глибина проплавлення при зварюванні неплавким електродом дуже чутлива до коливань струму, особливо при зварюванні тонких металів, при зварюванні без формуючих пристроїв або в різних просторових положеннях, до джерел живлення ставляться підвищені вимо ги щодо стабілізації струму при зміні напруги мережі живлення, коливан нях температури та інших збуреннях. Точність стабілізації струму в деяких джерелах досягає 1...2 %.

Другою особливістю джерел живлення для зварювання неплавким електродом є широкий діапазон регулювання струму. Це пов’язано з не обхідністю зниження струму в 2,5...3,0 рази в кінці процесу зварювання для заповнення кратера шва, що виникає під дією тиску дуги. З цього при воду для зварювання неплавким електродом не використовують джерела живлення зі ступінчастим або механічним регулюванням струму. При плавно-ступінчастому регулюванні діапазони повинні перекриватися з тим, щоб забезпечити в одному діапазоні зниження струму, необхідне для заварювання кратера. Пристрої для заварювання кратера містять усі дже рела струму для цього виду зварювання.

Джерела живлення сучасних установок забезпечують також плавне зростання струму на початку процесу зварювання, що дає змогу уникнути руйнування та перенесення в шов матеріалу електрода (вольфрама), які виникають у результаті різких кидків струму при холодному електроді.

Деякі джерела для зварювання неплавким електродом забезпечують зварювання дугою, що пульсує. Тривалість імпульсу та паузи змінюється від 0,01 до 1...3 с, глибина модуляції – до 10...12 разів. Використання імпульсних режимів накладає підвищені вимоги на динамічні властивості джерела живлення, зокрема на сталу часу його кола керування.

Характерні особливості мають також джерела для аргонодугового зварювання змінним струмом.

По-перше, щоб запобігти нестійкому горінню дуги в зв’язку з різким ростом напруги повторного збудження, що виникає внаслідок струмової паузи під час зміни полярності з прямої на зворотну, зварювання ведеться, як правило, у режимі безперервних струмів. При цьому напруга холостого ходу має бути не менше 70...80 В, а в деяких випадках (наприклад, при зварюванні в середовищі гелію або при зварюванні на малих струмах) до сягає 120 В. Для безпеки зварника в усіх установках для зварювання не плавким електродом передбачається вимикання холостого ходу через 1...2 с.

Для полегшення повторного збудження дуги використовуються спеціальні пристрої, що прискорюють перехід через нуль.

По-друге, у зв’язку з великою різницею напруг горіння дуг прямої та зворотної полярності та несприятливого впливу на якість зварювання постійної складової струму дуги (див. гл.1) у джерелах змінного зварю вального струму застосовують пристрої компенсації постійної складової струму.

Таким чином, наявність допоміжних пристроїв у джерелах живлення для аргонодугового зварювання вимагає їх розгляду як особливої групи джерел зварювального струму.

6.1. Спеціалізовані функціональні пристрої джерел живлення 6.1. 1. Початккове запалювання дуги Пристрої для початкового запалювання дуги в установках для аргоно дугового зварювання поділяються на два класи: пристрої підпалювання від короткого замикання торканням та пристрої підпалювання через газовий проміжок.

При підпалюванні коротким замиканням можливий перенос електрод ного металу в зварний шов (утворення вольфрамових включень). Для усу нення цього небажаного явища запалювання повинно здійснюватися при малому струмі (5...20 А, залежно від форми загострення кінця електрода).

Пристрій для підпалювання підтримує малий струм короткого замикання до того часу, коли збуджується дуга, і лише потім забезпечує його плавне наростання до робочого значення.

Але в більшості випадків при зварюванні неплавким електродом, а іноді і плавким електродом, небажано або неприпустимо запалювання дуги торканням електрода до виробу.

При збудженні дуги шляхом пробою міжелектродного проміжку не тільки спрощується техніка запалювання дуги, а й значно зменшуються витрати неплавкого (вольфрамового) електрода. Пристрої, призначені для безконтактного збудження дуги, за принципом дії є генераторами високо вольтних високочастотних імпульсів напруги та дістали назву збудників горіння дуги або осциляторів. До них ставляться такі основні вимоги:

забезпечення надійного збудження дуги у всіх можливих режимах ро боти зварювальної установки за час, значно менший часу виконання зва рювання;

безпека роботи зварника;

відсутність впливу на надійність роботи зварювальної установки.

Збудники дуги використовуються для запалювання дуги постійного або змінного струму. В останньому випадку збудники мають забезпечува ти певну мить подачі імпульсу напруги на дугу.

Збудники можуть живитися безпосередньо напругою мережі або ви користовувати напругу зварювальної дуги. Останні збудники мають пере ваги перед першими: вони не потребують додаткового кола живлення, ав томатично вимикаються при подачі напруги на дуговий проміжок та також автоматично припиняють роботу після збудження дуги.

Головними складовими частинами збудника є джерело високої напру ги, високочастотний генератор та пристрій вводу високої напруги в коло зварювальної дуги.

Численні схеми збудників можна об’єднати у дві основні групи: з без перервним та імпульсним живленням.

Збудники з безперервним живленням достатньо прості за схемою та конструкцією, але сьогодні вони можуть характеризуватися як застарілі пристрої. Проте вони ще використовуються у промисловості та випуска ються деякими підприємствами.

У таких збудниках (рис.6.1) джерелом високої напруги є високовольт ний трансформатор Т2 з підвищеним електромагнітним розсіюванням, розрахований на напругу мережі живлення та підключений до неї вимика чем SA1 протягом всієї роботи збудника. Джерелами високої частоти в та ких збудниках є, як правило, іскрові генератори.

Розрядник FV, конденсатор С та первинна обмотка високоча стотного вихідного трансформато ра Т3 (або обмотка вихідного дро селя) утворюють коливальний кон тур високочастотного генератора.

Вторинна обмотка вихідного трансформатора Т3 (або обмотка дроселя) може підключатися пара лельно дуговому проміжку або, як показано на рис.6.1, вмикатися Рис. 6.1. Збудник горіння дуги з безперервним живленням послідовно у зварювальний контур.

Конденсатор С2 заряджається від трансформатора Т2 до напруги пробою розрядника, після чого в кон турі виникають високочастотні згасаючі коливання, частота яких визна чається параметрами контуру, а амплітуда – напругою пробою розрядника.

Частоту електромагнітних коливань можна розрахувати за формулою 1 1 Rк fк = -, (6.1) 2 LкCк 2Lк де Lк, Ск – відповідно індуктивність, Гн, та ємність, Ф, елементів, що утво рюють коливальний контур;

Rк – активний опір контуру, Ом.

Наявність активного опору контуру обумовлює періодичне згасання коливань у межах кожної півхвилі змінного струму. Кожного півперіоду напруги збудник генерує 10...15 згасаючих високочастотних імпульсів з інтервалом близько 0,5 с. Частота коливань складає 200...250 кГц, напруга 3...6 кВ, енергія одного імпульсу не перевищує 0,1 Дж.

Захист джерела зварювального струму Т1 від напруги високої частоти здійснюється конденсатором фільтра С1.

Збудники з безперервним живленням мають низку недоліків. На явність складного та громіздкого низькочастотного високовольтного трансформатора обумовлює високу матеріалоємкість цих пристроїв. На явність високої напруги низької частоти робить такі збудники джерелами підвищеної небезпеки для персоналу. Наявність іскрового генератора, що генерує широкий спектр частот, підвищує рівень радіоперешкод, створе них збудником. Незважаючи на те, що такі збудники обладнуються громіздкими перешкодозахисними фільтрами ПЗФ (див.рис.6.1), рівень радіоперешкод не вдається знизити до припустимих норм. Тому час робо ти та частоту вмикання таких збудників треба строго обмежувати – їх слід вимикати одразу ж після збудження дуги.

До розглянутого типу збудників належать осцилятор послідовного вмикання в зварювальне коло ОСППЗ-300-М та паралельного вмикання ОСПЗ-2М.

Друга група збудників – з імпульсним живленням – побудована на ос нові схем тиристорних формувачів імпульсів з ємнісним нагромаджувачем енергії. Заряд нагромаджувача відбувається від допоміжного малопотуж ного джерела постійної напруги, розряд – через тиристор на первинну об мотку підвищувального імпульсного трансформатора. Генерація імпульсів здійснюється один раз у півперіод напруги мережі, причому момент гене рації строго узгоджується з вибраною фазою напруги джерела зварюваль ного струму.

У збуднику з імпульсним живленням (рис.6.2) попередньо накопичена в нагромаджувачі енергія виділяється за короткий час на конденсаторі Сн.

Рис. 6.2. Принципова схема збудника дуги з імпульсним живленням Збудник живиться від кола зварювальної дуги через запобіжник F. Ре зистори R1, R2, конденсатор С та діодний тиристор (диністор) VS1 утво рюють блок, при спрацюванні якого конденсатор С розряджається через керуюче коло тиристора VS2. При цьому тиристор відкривається та роз ряджає нагромаджувальний конденсатор Сн, заряджений через дросель L та діод VD, на первинну обмотку імпульсного трансформатора Т1.

Розрядник FV, конденсатор Сг і дросель Lф утворюють генератор ви сокої частоти;

конденсатор Сф разом з дроселем Lф створюють фільтр ви соких частот. За такою схемою побудований збудник ВИР-101, що викори стовується в установках для плазмового різання.

Для зварювання використовується імпульсний збудник послідовного вмикання УПД-1, який генерує імпульси з частотою 100 Гц. Його особ ливістю є відсутність комутатора (розрядника) на стороні високої напруги.

Наслідком цього є низький рівень перешкод, що створюються збудником.

6.1.2. Імпульсна стабілізація горіння дуги Стабілізатор горіння дуги – необхідний елемент обладнання для дуго вого зварювання алюмінію та його сплавів неплавким електродом на змін ному струмі промислової частоти. Стабілізатор забезпечує повторне збу дження дуги під час зміни полярності з прямої на зворотну і тому повинен генерувати імпульси такої енергії та тривалості, при яких жевріючий роз ряд стабільно переходить у дуговий. Рекомендовані параметри імпульсів:

амплітуда напруги 500...600 В, амплітуда струму імпульсів 60...80 А, три валість імпульсу не менше 60 мкс. Імпульси повинні генеруватися через 60...100 мкс після зміни полярності зварювального струму один раз у пері од при формуванні катода на алюмінії.

У схемі імпульсного стабілізатора горіння дуги (рис.6.3) заряд кон денсатора Сн здійснюється від вторинної обмотки трансформатора Т через діод VD та струмообмежувальний резистор Rобм. Діод VD відвертає розряд конденсатора Сн на вторинну обмотку трансформатора Т при зниженні на пруги на ній. При подачі керуючого імпульсу до тиристора VS від схеми керування (на рис.6.3 не показана) конденсатор Сн розряджається на дуго вий проміжок між електродом Е та виробом В через коло VS–Rбал–Е–В.

Відкриття тиристора VS відбувається при досягненні позитивного по тенціалу на його аноді відносно катода, а закриття – після повної розрядки конденсатора Сн.

Рис. 6.3. Електрична схема імпульсного стабілізатора горіння дуги Останнім часом у більшості установок для аргонодугового зварюван ня використовують пристрої, які поєднують функції збудника і стабіліза тора дуги.

Одним з таких пристроїв є збудник-стабілізатор ВСД-01, який розроб лений та серійно випускається в Росії. Він призначений для збудження та стабілізації горіння дуги при аргонодуговому зварюванні та може викори стовуватися для стабілізації горіння дуги при зварюванні покритими елек тродами на постійному струмі.

Збудник-стабілізатор підключається до мережі змінного струму пара лельно зварювальному трансформатору Т1 (рис.6.4) та керується напру гою, що знімається з його вторинної обмотки.

Рис. 6.4. Імпульсний збудник – стабілізатор горіння дуги Нагромаджувальний конденсатор С3 заряджається від допоміжного малопотужного джерела постійного струму (ДПС) через зарядний дросель L1 і діод VD1. При вмиканні тиристора VS1 відбувається розряд конденса тора С3 на первинну обмотку високочастотного трансформатора Т2 з фе ритовим магнітопроводом. Циклічний заряд конденсатора С3 забезпечує на ньому значення напруги, яке в 4...5 разів перевищує напругу ДПС.

У зв’язку з тим, що генерація імпульсів відбувається з частотою 100 Гц, заряд і розряд конденсатора С3 здійснюються протягом одного півперіоду напруги мережі, при цьому власна частота коливань зарядного контуру в 3...4 рази перевищує частоту мережі.

Власна частота розрядного контуру близько 20 кГц. Розрядний струм має практично синусоїдальну форму, напруга на обмотках трансформатора змінюється за законом косинуса. Миттєво зростаючий імпульс напруги на вторинній обмотці, що шунтована високочастотним конденсатором С2, за безпечує в цьому контурі ударне збудження високочастотних коливань з частотою 2...3 МГц, які потрапляють до дугового проміжку через конден сатор високочастотного фільтра С1.

Коло керування тиристором VS1 містить оптронний тиристор VS2 і конденсатор С4, заряджений через коло R3, VD3.

На виході транзистора VT1, який керується операційним підсилювачем DA1, ввімкнутий світлодіод тиристора VS2 Прямий вхід підсилювача підключений до нульової точки схеми і, відповідно, підсилювач вмикається, коли на його інверсний вхід потрапляє негативний потенціал. Стабілітрон VD2 захищає вхід підсилювача від перенапруг.

Потенціал інверсного входу підсилювача визначається станом схеми, що зібрана на транзисторах VT2, VT3, діодах VD4...VD7, резисторах R6...R16. Ця схема живиться від вторинної обмотки трансформатора Т1.

У півперіоди зворотної полярності заряджається (або підзаряджається) конденсатор С5 через діод VD4 та резистори R6, R7;

транзистор VT3 при цьому відкритий. Потенціал колектора транзистора VT3 дорівнює нулю, а потенціала колектора транзистора VT2 визначається потенціалом конденсатора С5.

У півперіод прямої полярності транзистор VT2 відкритий, а потенціал колектора транзистора VT3 визначається потенціалом конденсатора С6.

Напруга на інверсному вході підсилювача в кожний півперіод визна чається різницею середнього та миттєвого значень напруг своєї півхвилі, що знімаються відповідно з конденсатора С5 (або С6) та резисторів R11, R12. У момент порівняння цих напруг кожного півперіоду відбувається вмикання підсилювача DA1 збудника-стабілізатора.

Завдяки відсутності іскрового генератора рівень перешкод радіоприйому відповідає встановленим нормам, і збудник-стабілізатор може працювати в тривалому режимі та генерувати імпульси напругою 5 кВ, з енергією до 0,7 Дж.

6.1.3. Обмеження постійної складової змінного струму Вище (див. гл.1) розглянуто виникнення постійної складової струму при зварюванні, її несприятливу дію на джерело живлення та показано не обхідність її усунення або обмеження до припустимих значень.

У минулі роки в промисловості для повного або часткового усунення постійної складової змінного струму використовували два способи: вми кання послідовно у зварювальне коло конденсаторної батареї або резисто ра, зашунтованого силовим діодом.

Перший спосіб забезпечує повну компенсацію постійної складової струму, але він пов’язаний зі значним зростанням габаритів і маси зварю вальної установки та, крім того, є економічно недоцільним.

Другий спосіб поширений головним чином при створенні збірних зва рювальних постів для аргонодугового зварювання. Полярність діода виби рається такою, щоб він пропускав струм у півперіоди зворотної поляр ності. У півперіод прямої полярності діод закритий і значення струму об межено резистором, що ввімкнутий паралельно діоду. З тим, щоб усунути постійну складову струму при різних режимах зварювання, резистор має бути змінним. Недолік такого пристрою – необхідність його перенастрой ки при зміні режиму зварювання та значні енергетичні втрати при проход женні прямої півхвилі струму через резистор.

Використання в зварювальній техніці силових тиристорів привело до появи більш ефективних та економічних способів обмеження постійної складової струму.

У сучасних установках для аргонодугового зварювання алюмінію та його сплавів постійну складову струму обмежують шляхом зустрічно паралельного вмикання у зварювальне коло діода для пропускання півхвилі зворотної полярності та тиристора для пропускання півхвилі струму прямої полярності.

У пристрої на рис.6.5 зварювальний струм півхвилі зворотної поляр ності проходить через діод VD1. Струм півхвилі прямої полярності прохо дить через тиристор VS1, який відкривається приблизно через 1 мс після появи на його аноді напруги, що дорівнює різниці між напругою холостого ходу трансформатора Т1 та напругою в дузі. Струм дуги від моменту закінчення півперіоду зворотної полярності до вмикання тиристора підтримується на мінімально необхідному рівні через резистор RД.

Витримка часу = 0,001 с забезпечується роботою лінії затримки. Конденсатор С заряджається до напруги пе ремикання, пропорційній на прузі стабілізації стабілі трона VD3. Струм стабілі трона задається баластним резистором R2. У момент перемикання одноперехід ного транзистора VT1 роз рядний струм конденсатора відкриває допоміжний мало потужний тиристор VS2, і в коло керування тиристором Рис. 6.5. Пристрій обмеження постійної складової зварювального струму VS1 потрапляє імпульс стру му необхідної тривалості.

Струм керування обмежується резистором R3, напруга – стабілітроном VD2. Після вмикання тиристора VS1 усі елементи схеми ке рування практично позбавляються струму.

У джерелах живлення змінного струму з тиристорним регулюванням спеціальний пристрій компенсації постійної складової струму не потрібний. У цих джерелах передбачаються дві окремі системи автоматич ного регулювання для струму прямої та зворотної полярності. Кожна сис тема регулювання має свій блок завдання значення струму, датчик струму, ввімкнутий послідовно з відповідним тиристором, та формувач імпульсів керування для цього тиристора. За допомогою блоків завдання струму прямої та зворотної полярності задаються значення і полярність постійної складової струму або передбачається її повне усунення. При цьому підтримка заданого значення постійної складової струму здійснюється системами автоматичного регулювання незалежно від ступеня випрямної дії дуги, її довжини та інших факторів режиму зварювання.

6.1.4. Заварювання кратера шва Для заварювання кратера шва в установках автоматичного аргоно дугового зварювання неплавким електродом використовують пристрої плавного зниження зварювального струму в кінці зварювання.

Одним із варіантів побудови регулятора зниження зварювального струму (РЗЗС) є схема, наведена на рис.6.6,а. У цьому пристрої використо вується однокаскадний підсилювач струму за схемою зі cпільним еміте ром. На вході транзистора VT підключене коло R1–С, яке живиться від зовнішнього джерела постійного струму (на рис.6.6,а не показано) через вимикач та змінний резистор R2. Для обмеження базового струму транзи стора ввімкнутий резистор R3. Підсилювач струму живиться від джерела постійної напруги через резистор навантаження Rн, який імітує вхідне коло регулятора джерела зварювального струму (наприклад, підмагнічений шунт трансформатора з магнітним керуванням).

Рис. 6.6. Регулятор зниження зварювального струму на базі однокаскадного транзисторного підсилювача струму (а) та зміна колекторного і базового струмів з часом (б) Струм бази визначається відповідно до виразу (6.2) U вх I =, б R3 + Re-б де Іб – струм бази транзистора, А;

Uвх – напруга на вході транзистора, В;

R3 – опір обмежувального резистора, Ом;

Rе–б – опір переходу: емітер–база транзистора, Ом.

Колекторний струм транзистора VT у сталому режимі залежить від напруги живлення транзистора, опору навантаження та базового струму.

У процесі зварювання вимикач К замкнений, конденсатор С заряд жається до вхідної напруги. При цьому параметри підсилювача струму підбирають так, щоб забезпечити необхідний коефіцієнт підсилювання при номінальному струмі.

У кінці зварювання вимикач К розмикається сигналом від схеми керу вання джерелом живлення. Але колекторний струм не переривається, а зменшується плавно в результаті розряду конденсатора С на вхідне коло транзистора. Постійна часу розряду конденсатора С визначається як R1(R3 + Re-б ) = С, (6.3) R1 + R3 + Re-б де R1, R3 – відповідно опори змінного та обмежувального резисторів, Ом, Rе–б – опір переходу емітер–база транзистора, Ом;

С – ємність конденсато ра, Ф.

За допомогою змінного резистора R1 можна плавно змінювати зварю вальний струм протягом даного часу заварювання кратера шва.

З метою забезпечення високої якості зварювання підсилювач повинен мати лінійну характеристику, тоді колекторний струм так само, як і базо вий струм, змінюватиметься строго за експонентою. В момент часу t (рис.6.6,б) зниження сили зварювального струму закінчується і джерело живлення зварювальної дуги відмикається від мережі.

Подібні пристрої заварювання кратера шва в новітніх зварювальних джерелах живлення побудовані на інтегральних аналогових та дискретних мікросхемах. При цьому вони разом з іншими спеціалізованими пристроя ми забезпечують повну автоматизацію керування циклом зварювання: по дачу захисного газу в зону зварювання, вмикання, з певною витримкою ча су, збудника-стабілізатора горіння дуги, плавне наростання зварювального струму, зварювання в безперервному або імпульсному режимі, заварюван ня кратеру шва, вимикання струму, газовий захист зони шва, вимикання джерела живлення від мережі.

6.2. Джерела живлення для зварювання змінним струмом Джерела живлення для аргонодугового зварювання змінним струмом конструктивно поєднуються з пристроями збудження дуги, компенсації постійної складової струму, стабілізації горіння дуги, зниження струму для заварювання кратера шва та апаратурою керування циклом зварювання і подачею захисного газу, а також обладнуються зварювальними пальника ми. У такому вигляді ці вироби містять усе необхідне для ручного або ав томатичного зварювання і називаються установками для зварювання змін ним струмом.

Такі установки використовуються для зварювання алюмінію та його сплавів вольфрамовим електродом.

Зварювальні установки УДГ-301-1 та УДГ-501-1 призначені для руч ного дугового зварювання алюмінію та його сплавів вольфрамовим елек тродом у захисному середовищі аргону, можуть використовуватися також як джерела живлення для автоматичного зварювання.

Функціональну блок-схему установки наведено на рис.6.7. Джерело живлення установки містить однофазний силовий трансформатор Т, що виконує також функцію регулятора струму за допомогою нерухомого шун та з підмагнічуванням постійним струмом. Осердя магнітного шунта вста новлене перпендикулярно стрижням трансформатора, на яких розміщені секціоновані обмотки трансформатора. На осерді розміщена обмотка керу вання, через яку тече постійний струм. Плавна зміна величини цього стру му впливає на магнітний стан осердя і, як наслідок, – на величину зварю вального струму. Як і трансформатори серії ТДФ, установки УДГ-301-1 та УДГ-501-1 мають два діапазони регулювання струму. Зміна діапазону здійснюється перемиканням обмоток силового трансформатора: ступінь великих струмів – при паралельному з’єднанні обмоток і ступінь малих струмів – при їх послідовному з’єднанні.

Рис. 6.7. Функціональна блок-схема зварювальних установок типу УДГ-501- В установці УДГ-301-1 передбачена можливість вмикання послідовно з вторинною обмоткою силового трансформатора додаткового дроселя, що дає змогу отримати діапазон малих струмів (15...25 А).

Блок С (діодно-тиристорний пристрій) обмежує проходження постійної складової несинусоїдального струму до вторинної обмотки трансформатора Т. В установках попередніх випусків (УДГ-301, УДГ-501) таку функцію виконувала батарея конденсаторів, що значно збільшувало масу та габарити джерела живлення.

Блок ЗД служить для збудження зварювальної дуги за допомогою ви соковольтних високочастотних знакозмінних згасаючих імпульсів (осци ляторний режим) та підтримки стабільного горіння дуги за допомогою низьковольтних аперіодичних імпульсів струму (стабілізаторний режим).

Генерація імпульсів як в осциляторному, так і в стабілізаторному режимах відбувається один раз на період при позитивній полярності на електроді, але з випередженням у часі на 40...60 мс відносно нульового значення зва рювального струму.

Магнітний підсилювач А призначений для керування струмом підмаг нічування шунта, який регулюється резистором у колі обмотки керування магнітного підсилювача.

Блок РЗЗС також працює у колі обмотки керування підсилювача А.

Час заварювання кратера регулюється плавно від 0 до 30 с. Після запов нення кратера зварювальний струм автоматично вимикається.

Роботою усіх блоків установок керує апаратура керування циклом зварювання. Технічну характеристику установок УДГ-301-1 та УДГ-501- наведено в дод.2 (див. табл.2.5).

6.3. Джерела живлення для зварювання постійним струмом Для зварювання виробів із кольорових металів та їх сплавів, а також корозійно-стійких сталей у середовищі захисного газу як на прямій, так і на зворотній полярності напруги дуги застосовують установки з джерела ми живлення постійного струму зі зворотними зв’язками за струмом та на пругою.

Залежно від вимог, що ставляться до джерел живлення постійного струму, формується їх функціональна схема, основою якої є силові схеми випрямлячів.

Прикладами таких джерел живлення є джерела установок типу УДГ-101, УДГ-161, призначені для зварювання вольфрамовим електродом виробів із корозійно-стійких сталей постійним струмом у середовищі арго ну. Функціональну блок-схему джерела установки наведено на рис.6.8.

Рис. 6.8. Функціональна блок-схема джерела живлення установки типу УДГ- Силовий трифазний трансформатор Т має жорстку зовнішню характе ристику і призначений для узгодження напруги мережі з напругою зварю вальної дуги. Вторинна обмотка трансформатора секціонована, завдяки чому забезпечуються дві ступені регулювання зварювального струму. На вантаженням трансформатора служить магнітний підсилювач А. За його допомогою формується спадна зовнішня характеристика джерела та здійс нюється плавне регулювання зварювального струму в межах кожної сту пені пропорційно сигналу, що потрапляє з блока завдання струму БЗС. На вантаженням магнітного підсилювача є силовий випрямний блок.

Випрямний блок V зібраний за трифазною мостовою схемою на пів провідникових діодах. Вихід випрямного блока підключений до зварюва льної дуги через лінійний дросель L та перемикач полярності напруги зва рювальної дуги К. Лінійний дросель зменшує кидки струму під час збу дження дуги та сприяє зниженню розбризкування металу в процесі зварю вання.

Блок завдання струму (БЗС) формує сигнал керування для зміни сили зварювального струму на підставі завдання. Конструктивно БЗС – це змін ний резистор, ручка керування яким виведена на панель керування устано вки.

Регулятор зниження зварювального струму РЗЗС формує сигнал плав ного зниження струму в кінці зварювання за заданою програмою. У дже релі живлення застосований також осцилятор паралельного включення G, який забезпечує стабільне збудження зварювальної дуги на початку зварю вання.

Технічні характеристики джерел живлення УДГ-101 та УДГ-161 наве дені у дод. 2 (див. табл.2.5).

Для автоматичного зварювання плавким або неплавким електродом у середовищі захисних газів виробів із звичайних, корозійно-стійких та жаро міцних сталей, а також алюмінієвих і титанових сплавів застосовують дже рела живлення постійного струму, побудовані з уніфікованих блоків. До та ких джерел належать джерела струму серії ВСП та ВСВ. Єдина функціона льна схема таких джерел та наявність блоків з певними функціями дає змогу керувати формою і тривалістю імпульсів, що подаються на електроди керу вання тиристорів випрямного блока джерела живлення. Це дає змогу регу лювати зварювальний струм і напругу на виході джерела. Схеми таких дже рел забезпечують стабілізацію зварювального струму при зміні напруги ме режі, довжини дуги та температури навколишнього середовища.

Структурна функціональна схема джерел серії ВСП (рис.6.9) містить наступні блоки: силовий трансформатор Т з жорсткою вольт-амперною ха рактеристикою, керований випрямляч V, що виконує функції формування зовнішньої характеристики джерела та стабілізації зварювального струму, блок збудження дуги БЗД, зварювальний дросель L, блок формування ім пульсів БФІ, блок регулювання напруги БРН, вимірювальний елемент ВЕ, релейний блок РБ.

Рис. 6.9. Функціональна блок-схема джерела живлення серії ВСП Блок формування імпульсів виконаний за принципом вертикального керування подібно до того, що використовується в універсальних випрям лячах (див. гл.4).

Робота блока базується на порівнянні пилкоподібної напруги і напру ги керування з наступним формуванням прямокутних імпульсів малої три валості. Цей блок складається з таких елементів: вхідного пристрою, що формує сигнал керування;

генератора пилкоподібної напруги, частота якої синхронізована з частотою напруги мережі;

пристрою порівняння і форму вання вихідних імпульсів керування.

Блок регулювання напруги виконаний за схемою диференціального підсилювача постійного струму, до входу якого потрапляють сигнали зво ротного зв’язку за зварювальним струмом (ЗЗС) та напругою (ЗЗН) дуги, а на виході формується сигнал керування для блока формування імпульсів.

Вимірювальний елемент являє собою трубку з корозійно-стійкої сталі, що охолоджується проточною водою. До трубки приварені виводи, по яких тече струм. Сталість електричного опору ВЕ в процесі роботи забезпечу ється малим температурним коефіцієнтом опору матеріалу трубки та охо лодженням трубки водою.

Дросель L виконує звичайні функції лінійного дроселя, як у зварюва льних випрямлячах.

Блок збудження дуги забезпечує миттєве збудження зварювальної ду ги за рахунок різкого зростання струму короткого замикання через контакт електрода з поверхнею виробу. При цьому кінець електрода швидко розі грівається, тобто відбувається "гарячий старт". Зростання струму коротко го замикання здійснюється при зміні нахилу зовнішньої характеристики джерела живлення (рис.6.10).

Джерела серії ВСП забезпечують стабілізацію встановленого зварюваль ного струму в межах ± 2,5 % при відхи леннях напруги мережі на ± 10 % та тем ператури навколишнього середовища в діапазоні +5...+35 ° С.

Крім того, джерела серії ВСП забез печують зміну амплітуди та швидкості зростання зварювального струму на по Рис. 6.10. Зовнішні вольт-амперні чатку процесу зварювання та плавне йо характеристики джерела живлення го зниження в кінці зварювання. Техніч ВСП- ні характеристики джерел живлення ти пу ВСП наведені в дод.2 (див. табл.2.5).

Джерела серії ВСВ призначені для автоматичного зварювання вольф рамовим електродом у середовищі захисного газу виробів із звичайних, корозійно-стійких та жароміцних сталей, а також титанових сплавів.

Функціональна блок-схема джерел серії ВСВ (рис.6.11) дещо відрізня ється від відповідної схеми джерел серії ВСП.

Рис. 6.11. Функціональна блок-схема джерела живлення серії ВСВ Для розширення діапазону регулювання зварювального струму до функціональної блок-схеми джерел серії ВСВ уведений блок регулювання струму БРС замість блока регулювання напруги БРН. Блок збудника дуги замінений допоміжним джерелом живлення ДДЖ.

Розглянемо роль блоків схеми. Блок регулювання струму БРС – це диференціальний підсилювач постійного струму на транзисторах, до входу якого потрапляють сигнали зворотного зв’язку за зварювальним струмом та напругою дуги, а на виході формується сигнал керування, пропорційний значенням вхідних сигналів. Цей блок забезпечує плавну зміну зварюваль ного струму в усьому робочому діапазоні, а також у кінці зварювання;

ста білізацію зварювального струму до ± 3 % Iзв при зміні температури навко лишнього середовища від 5 до 35 оС, при зміні напруги мережі на ± 10 % та довжини дуги на ± 70 % номінального значення.

Допоміжне джерело живлення ДДЖ складається з трьох дроселів на сичення Lд та випрямляча Vд, зібраного за трифазною схемою. Напруга живлення для ДДЖ потрапляє від трансформатора Т головного джерела живлення ГДЖ. Для цього на стороні низької напруги трансформатора Т є додаткові обмотки малої потужності в кожній фазі, до яких підключені дроселі насичення Lд.

Допоміжне джерело живлення забезпечує швидке збудження зварю вальної дуги струмом не більше 3 % встановленого значення зварювально го струму для даного технологічного режиму;

зниження пульсацій напруги дуги при малих значеннях зварювального струму;

швидке згасання автоко ливального процесу при виникненні збурень;

напругу холостого ходу при зварюванні в середовищі аргону – 100 В, у середовищі гелію 200 В;

фор мування зовнішньої характеристики головного джерела живлення ГДЖ при зміні зварювального струму.

Головне джерело живлення ГДЖ має крутоспадну ("штикову") зовні шню характеристику, а допоміжне джерело живлення ДДЖ – крутоспадну зовнішню характеристику з широким діапазоном зміни зварювального струму при відносно малому діапазоні зміни напруги дуги. Слід мати на увазі, що зміна зварювального струму в допоміжному джерелі живлення впливає на формування вертикальної ділянки зовнішньої вольт-амперної характеристики головного джерела живлення ГДЖ. В області робочої на пруги зовнішня характеристика паралельна осі напруги за рахунок дії зво ротних зв’язків.

При суміщенні двох джерел з різними зовнішніми характеристиками знижується напруга холостого ходу головного джерела ГДЖ, підвищують ся ККД, коефіцієнт потужності джерел серії ВСВ і, як наслідок, знижують ся їх розміри і маса. Технічну характеристику джерел серії ВСВ наведено в дод.2 (див. табл.2.5).

6.4. Універсальні джерела живлення для зварювання змінним та постійним струмом Універсальні джерела для механізованого аргонодугового зварювання призначені для виконання швів неплавким електродом у безперервному та імпульсному режимі постійним струмом, змінним струмом, а також мо жуть використовуватися для ручного дугового зварювання покритими електродами. До цього типу джерел належать джерела серії ВСВУ, зварю вальні установки серії ТИР, УДГУ та інші.

Загальною рисою таких джерел є широке використання зворотних зв’язків за вихідними параметрами, застосування уніфікованих блоків, ви сокий ступінь автоматизації зварювального процесу. Тому електричні схе ми універсальних джерел досить складні і містять спеціалізовані електрон ні блоки. За допомогою цих блоків здійснюється керування формою, вели чиною та тривалістю імпульсів, що подаються на силові тиристори випря мних блоків, завдяки чому здійснюється регулювання вихідних струмів та (або) напруг джерел. Крім того, передбачена можливість керування асиме трією змінного струму, що ефективно використовується при зварюванні легких сплавів. Схеми забезпечують також стабілізацію вихідних струмів при коливанні напруги мережі живлення, довжини дуги та температури навколишнього середовища.

Джерела живлення серії ВСВУ призначені для автоматичного зварю вання вольфрамовим електродом як у безперервному, так і в імпульсному режимі виробів із звичайних, корозійно-стійких та жароміцних сталей, а також титанових сплавів вільною та стиснутою дугою. Джерела забезпе чують стабілізацію встановленого струму в тих самих межах, як і джерела серії ВСВ. Окрім того, вони дають змогу в автоматичному режимі викону вати такі процеси: плавне, регульоване з бігом часу, зростання струму на початку зварювання від мінімального до заданого значення, завдяки чому відбувається рівномірний розігрів кінця вольфрамового електрода та під вищується його стійкість;

плавне регулювання струму чергової дуги в ім пульсному режимі в межах від 2 до 30 % номінального зварювального струму;

модулювання форми імпульсу від практично прямокутної до три кутної, що дає різні швидкості зміни полярності зварювального струму;

плавне, регульоване з бігом часу, зниження зварювального струму від ро бочого до мінімального значення в кінці зварювання під час заварювання кратера шва.

Незалежність зварювального струму від температури навколишнього середовища досягається тим, що елементи електричної схеми, чутливі до зміни температури, розміщені в термостаті спеціальної конструкції. Тер мостат входить до складу блока керування джерела.

Джерела серії ВСВУ побудовані за функціональною схемою (рис.6.12), до складу якої, порівняно з функціональною блок-схемою дже рел серії ВСВ, входять два додаткових блоки – осцилятор G та тригерний блок ТБ зі зберіганням зворотних зв’язків, що розширює технологічні мо жливості джерел серії ВСВУ. Осцилятор виконує звичайні функції збудни ка дуги. Тригерний блок формує імпульси заданої амплітуди та шпарува тості, частота проходження яких кратна частоті напруги мережі.

Робота блоків схеми та їх взаємодія здійснюється та ким чином. Силовий транс форматор Т має одну первин ну обмотку W1 та дві вторинні обмотки W2 і W2д (рис.6.13).

Фази первинної й вторинної обмоток з’єднані "зіркою".

Напруга від вторинної обмот ки W2 підводиться до трифаз ного випрямляча V (головний силовий випрямляч), що зі браний за мостовою схемою випрямляння на тиристорах.

Від вторинної обмотки W2д напруга підводиться до три фазного некерованого випря Рис. 6.12. Функціональна блок-схема джерела живлення серії ВСВУ мляча Vд, який також зібра ний за трифазною схемою, і входить до складу допоміж ного джерела живлення ДДЖ. Це джерело підключено до дуги паралельно з головним джерелом ГДЖ.

Головне джерело має пологоспадну зовнішню характеристику, а до поміжне – крутоспадну зовнішню характеристику, як і в джерелах серії ВСВ. Така форма ВАХ допоміжного джерела забезпечується дією трьох однофазних некерованих лінійних дроселів Lд, що містять роз’ємні феро магнітні осердя. Необхідний струм збудження дуги встановлюється відпо відним зазором у роз’ємному осерді дроселя. Цей струм є найменшим струмом джерела. Дроселі Lд виконують також функції фільтрів на малих струмах.

Допоміжне джерело жив лення ДДЖ забезпечує необ хідну напругу холостого ходу та формування специ- фічної зовнішньої характерис тики всього джерела (рис.6.14).

У процесі зварювання го рять обидві дуги: від головного та допоміжного джерел жив лення. Малопотужна дуга за безпечує сигнали зворотного зв’язку за струмом та напру гою, що потрібні для формування вертикальної діля нки зовнішньої характеристики всього джерела до збудження Рис. 6.13. Схема побудови блоків головного основної, зварювальної дуги.

та допоміжного джерел живлення в установках серії ВСВУ Суміщення двох істотно різних за формою зовнішніх характе ристик забезпечує надійне збудження дуги та високу стабілізацію струму у всьому робочому діапазоні.

Робота та взаємодія блоків БФІ, БРС та ВЕ подібна роботі відповідних блоків джерел живлення серії ВСП та ВСВ.

Тригерний блок ТБ служить для завдання імпульсного режиму джере ла живлення та забезпечує незалежне регулювання тривалості імпульсів і пауз, яка кратна цілому числу періодів синусоїдальної напруги мережі.

Тригерний блок генерує імпульси напруги, що періодично повторюються і можуть регулюватися за тривалістю та частотою, які через блоки БРС та БФІ задають режим роботи тиристорного блоку V. Регулювання струму чергової дуги при імпульсному зварюванні здійснюється також за допомо гою цих імпульсів. Технічні характери стики джерел живлення серії ВСВУ на ведені в дод. 2 (див. табл. 2.5).

Зварювальні установки ТИР-300Д та ТИР-630 конструктивно подібні і призначені для зварювання виробів не плавким електродом у середовищі ар гону постійним та змінним струмом прямокутної форми, а також для ручно го дугового зварювання покритими електродами. Установки забезпечують зварювання сталей та кольорових мета лів, у тому числі алюмінію та його сплавів. Силова схема установки ТИР-300Д (рис.6.15, а) складається з трансформатора з нормальним елект Рис. 6.14. Зовнішні вольт ромагнітним розсіюванням Т1, силово амперні характеристики джерела го тиристорного мосту VS1...VS4 з лі живлення установки ВСВУ-315:

1 – ВАХ головного джерела;

2 – нійним дроселем L1 у колі постійного ВАХ допоміжного джерела струму, малопотужного дроселя наси чення на магнітопроводах 1 і 2, робочі обмотки якого розділені на струмові W1c і W2c та обмотка напруги W1н і W2н, а в коло обмоток керування W1к і W2к увімкнутий дросель L2 для заглушення парних гармонік струму. Уста новки обладнані імпульсним збудником-стабілізатором горіння дуги змін ного струму, блоком зниження струму для заварювання кратера шва, апа ратурою керування, захисту та охолодження.

Джерело живлення установок працює таким чином. При замиканні кола навантаження насиченому під дією струму керування Ік стану магні топроводів дроселя насичення 1 і 2 відповідає режим вмикання по черзі плечей випрямного моста на початку кожного півперіоду напруги живлен ня U20 (рис.6.15,б). Відбувається зростання постійного струму дроселя іL та змінного струму навантаження і2. Час наростання цих струмів визнача ється індуктивністю дроселя L1 і складає 0,3...0,4 с. Внаслідок того, що ма гніторушійні сили обмоток керування та струмової на кожному магніто проводі дроселя спрямовані назустріч, магнітопровід виводиться із стану насичення. У наступний черговий півперіод відбувається перемагнічуван ня магнітопроводу дроселя. Час, що витрачається на перемагнічування, ви значає час затримки вмикання чергового тиристора. Тому вмикання тирис торів відбувається не на початку півперіоду, а з фазовим зсувом 1 та (рис.6.15,б). Значення 3, що відповідає сталому режиму, залежить від режиму навантаження, тобто від співвідношення величин Uд та U20.

Рис. 6.15. Спрощена схема (а) та діаграми струмів і напруги (б) установок типу ТИР При заданій напрузі Uк або струмі керування дросель насичення за безпечує стабілізацію струму навантаження в широкому діапазоні зміни Uд співвідношення. Якщо під дією зовнішніх факторів струм наванта U ження зменшиться, то зменшиться й ступінь розмагнічування магнітопро воду, і, відповідно, час, необхідний для його насичення. Кут зменшиться, і струм навантаження знову зростатиме.

Таким чином, джерело живлення працює як стабілізатор зварювально го струму незалежно від того, куди ввімкнуте навантаження: в коло змін ного струму, як це показано на рис.6.15,а, або в коло постійного струму послідовно з дроселем L1. Велика інерційність зварювального струму дже рела живлення установки ТИР-300Д забезпечує їй добрі зварювальні влас тивості, особливо при зварюванні неплавким електродом у режимі імпуль сного струму. Характер наростання струму при збудженні дуги також сприятливий для поступового розігріву вольфрамового електрода.

Прямокутна форма кривої зварювального струму забезпечує стабіль ність процесу зварювання та поліпшує технологічні властивості джерела живлення. Через сталість амплітудного значення струму наявність постій ної складової струму при зварюванні алюмінієвих сплавів проявляється лише в різній тривалості півхвиль прямої (завжди більше) та зворотної по лярності, що приводить до підвищення проплавлення металу та збільшен ня стійкості вольфрамового електрода.

Технічні характеристики установок ТИР-300Д та ТИР-630 наведені в дод.2 (див. табл.2.5).

Контрольні питання 1. З якою метою до схем джерел живлення вводяться допоміжні при строї?

2. Якими схемними рішеннями досягається стабільність збудження та горіння дуги: у джерелах змінного струму;

постійного струму;

в уні- версальних джерелах?

3. Як формується режим імпульсного струму в джерелах для аргоно дугового зварювання?

4. Які переваги забезпечує застосування уніфікованих блоків у джере лах живлення для аргонодугового зварювання?

Глава СПЕЦІАЛІЗОВАНІ ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ ДЛЯ ЗВАРЮВАННЯ ТА СПОРІДНЕНИХ ПРОЦЕСІВ Окрім способів зварювання матеріалів дугою, що вільно горить у розрядному проміжку між електродом та виробом, для з’єднання деталей використовуються такі бездугові способи зварювання, як електрошлакове, струмом високої частоти, електронно-променеве. Також використовується зварювання і різання металів стиснутою дугою. Для живлення цих про цесів електричним струмом застосовують спеціалізовані джерела, які за безпечують стійке протікання процесу, автоматизоване керування пара метрами режиму, їх стабілізацію, програмування технологічного циклу об робки металу.

Особливості бездугових способів зварювання та плазмових техно логій ставлять певні вимоги до джерел живлення, тому розглянемо їх схемні рішення і конструкцію відповідно до цих вимог.

7.1. Джерела живлення для електрошлакового зварювання Процес електрошлакового зварювання (ЕШЗ) починається з наведен ня шлакової ванни, яке можна здійснювати двома способами:

1) шляхом запалювання та підтримання потужної електричної дуги або декількох дуг під шаром флюсу. Дуга, що виникає у початковий період часу, розплавляє флюс. Коли над поверхнею розплавленого металу утво рюється достатній шар розплавленого флюсу, дуга шунтується розігрітим флюсом (який у розплавленому стані стає провідником струму) та згасає.

Чим вище температура розплавленого флюсу-шлаку, тим менше його елек тричний опір;

2) електрод закорочується на метал через електропровідний у твер дому стані флюс. З бігом часу об’єм розплавленого флюсу-шлаку зростає і через підвищення температури шлаку починає плавитися метал, що зварю ється, та присадний метал у вигляді дроту або пластин. Спільна зварю вальна ванна металу і шлаку підтримується за рахунок подачі електродно го металу та пересування його вздовж зварюваних кромок.

Густина струму в електродах складає 15...160 А/мм2 (100...600 А на кожний дріт) або 0,3...2,5 А/мм2 (400...2500 А на одну пластину). Загальна сила струму при цьому становить 300...3000 А.

Умови стійкості системи "електрошлакова ванна–джерело живлення" можна визначити шляхом аналізу залежностей, наведених на рис.7.1. По тужність Рм (крива 1), потрібна для розплавлення основного та електрод ного металів, зростає з підвищенням температури шлакової ванни Тш. До температури плавлення основного металу залежність має лінійний харак тер. Подальше підвищення Тш супроводжується більш різким зростанням потужності. Це пов’язано зі збільшенням поверхні контактування між ме талом і шлаком при розплавленні кромок, поглинанням прихованої тепло ти плавлення, розплавленням електродного металу тощо.

Рис. 7.1. Зв'язок між потужностями шлакового процесу Рм, Рш та температурою шлакової ванни Тш:

1 – Рм = f(Tш);

2 – Рш = f(Tш) – жорстка ВАХ;

3 – Рш = f(Tш) – крутоспадна ВАХ Потужність, що виділяється у шлаковій ванні Рш, зображується кри вою, яка має максимум;

він відповідає рівності опорів навантаження (шла кової ванни) та джерела живлення. При цьому, якщо джерело живлення має жорстку (пологоспадну) вольт-амперну характеристику (крива 2 на рис.7.1), максимум потужності припадає на більш низьку температуру шлакової ванни, ніж при крутоспадній вольт-амперній характеристиці (крива 3).

Точки перетинання кривих А і В визначають можливість протікання процесу електрошлакового зварювання. Режим роботи буде стійким, якщо відхилення його від рівноважного стану в бік більш високих температур приведе до того, що потужність Рш стане меншою за потужність Рм.

Внаслідок цього ванна охолоджуватиметься й режим відновиться.

Відхилення в бік більш низьких температур приведе до зворотного явища.

Отже, стабільність процесу спостерігатиметься лише в точках В2 та В3.

Умови стійкості процесу записуються в такому вигляді:

dPш dPм Рш=Рм;

<.

dTш dTш Зміни потужності шлакової ванни при коливаннях її температури бу дуть більшими при застосуванні джерел живлення з жорсткими ВАХ. Це забезпечує швидше відновлення рівноваги процесу. На відміну від дугово го зварювання в даному випадку жорсткі ВАХ може мати джерело жив лення не тільки постійного, а й змінного струму, що особливо важливо.

Пояснюється це тим, що електрошлакова ванна являє собою активний опір і зміна напряму струму в ньому не пов’язана з будь-якими додатковими явищами, наприклад з повторним збудженням дуги. Крім того, при елек трошлаковому процесі можливі випадки виникнення дугового процесу між електродом та поверхнею шлакової ванни або між електродом та поверх нею розплавленого металу, в глибині шлакової ванни. Для запобігання ду говому розряду слід застосовувати джерела, що не сприяють стабілізації цього розряду.

Таким чином, для ЕШЗ найбільш придатні джерела змінного струму з жорсткими ВАХ, мінімальною індуктивністю в зварювальному колі та зі зниженою напругою холостого ходу.

Найбільш поширені для ЕШЗ однофазні та трифазні зварювальні трансформатори з нормальним магнітним розсіюванням. Особливістю трансформаторів є широкий діапазон регулювання вторинної напруги.

Вторинну напругу можна змінювати під навантаженням як на початку зварювання під час встановлення необхідного режиму, так і в процесі зва рювання за заданою програмою. Регулювання зварювальної напруги здій- снюється трьома способами: ступінчастим, плавним та комбінованим.

Ступінчасте регулювання застосовується в однофазних трансформа торах ТШС-1000-1 та ТШС-3000-1 (дві ступені): грубе регулювання – у вторинній обмотці перемиканням її секцій, більш тонке – за допомогою дистанційного керування – у первинній обмотці, що містить шість секцій, з’єднаних послідовно (рис.7.2,а). Така конструкція трансформаторів дає змогу регулювати напругу ступенями достатньо малої величини.

Рис 7.2. Принципові схеми регулювання вихідної напруги в трансформаторах для ЕШЗ У трифазних трансформаторах для ЕШЗ регулювання фазної напруги здійснюється за допомогою схеми з вольтододатковим трансформатором, потужність якого не перевищує 10 % потужності основного трансформато ра. Напруга регулюється в кожній фазі: грубо – перемиканням секцій пер винної обмотки, тонко – перемиканням первинної обмотки вольтододатко вого трансформатора на відповідну фазу (рис.7.2,б). Така комутація забез печує п’ять ступенів регулювання. При вмиканні первинної обмотки воль тододаткового трансформатора на ті ж фази, що й первинної обмотки ос новного трансформатора, одержують максимальну та мінімальну фазну напругу. При вмиканні первинної обмотки вольтододаткового трансфор матора на дві інші фази отримують два проміжних значення фазних на пруг, а при закороченій первинній обмотці – половинне значення фазної напруги.

Плавне регулювання зварювальної напруги в трансформаторах для ЕШЗ здійснюється за допомогою магнітної комутації або тиристорного ке рування.

У трансформаторах ТРМК-1000-1, ТРМК-3000-1 (рис.7.2,в) первинна обмотка W1 та близько 70 % вторинної обмотки W2 розміщені на стрижні в нижньому вікні магнітопроводу, а решта вторинної обмотки W2 знахо диться на стрижні у верхньому вікні магнітопроводу. Обмотки керування Wк1 та Wк2 розміщені відповідно на верхньому та середньому ярмах магні топроводу. При зміні постійного струму, що протікає через обмотки керу вання, здійснюється перерозподіл основного магнітного потоку між верх нім та середнім ярмами магнітопроводу трансформатора та регулюється вихідна напруга. Трансформатори з магнітною комутацією мають високий коефіцієнт потужності й не бояться короткого замикання або розриву в зварювальному контурі. Але одночасно вони мають більш низькі динаміч ні властивості та підвищені витрати обмоткових матеріалів порівняно з трансформаторами, що не мають плавного регулювання.

Тиристорне керування зварювальною напругою в трансформаторах для ЕШЗ здійснюється тиристорним фазорегулятором у первинному колі (рис.7.2,г).

Щоб знизити споживану потужність та стабілізувати зварювальну на пругу в шлаковій ванні, в ІЕЗ ім. Є.О. Патона розроблено тиристорний пе реривник, який здійснює дозування споживаної потужності шляхом розді льної зміни тривалості імпульсів керування тиристорами та паузи між ни ми. Тиристорний переривник (рис.7.3) складається з блока керування та тиристорного блока.

Блок керування містить задатчики тривалості імпульсу 1 та паузи 2, тригер керування 3, задатчик-формувач ФОК, що складається з інтегратора 6, генератора 7 пилкоподібної напруги, фазозсувного пристрою 8, підси лювача 9, блоків 10 та 11 швидкодіючого захисту, трансформатора 13 зво ротного зв’язку.

Тиристорний блок ТБ вміщує зварювальний трансформатор 15, тири стори 14, трансформатор струму 16 та дросель 12.

Рис. 7.3. Структурна схема однофазного тиристорного переривника Задатчики 1 та 2 формують сигнал тривалості перемикання тригера 3, вихідний сигнал якого потрапляє на відповідні задатчики 4 та 5. До входу інтегратора 6 потрапляють два сигнали, які задають напругу імпульсу або паузи від задатчиків-формувачів 4 та 5 і напругу зворотного зв’язку від трансформатора 13. Вихідна напруга інтегратора 6, пропорційна різниці заданої напруги та напруги зворотного зв’язку, потрапляє до фазозсувного пристрою 8 одночасно з пилкоподібною напругою від генератора 7. Фазо- зсувний пристрій 8 зсуває передній фронт керуючого імпульсу відносно початкової фази напруги живлення тиристорів. Сформований керуючий імпульс підсилюється підсилювачем 9 та потрапляє до керуючого електро да тиристорів, завдяки чому змінюється їх кут відкриття залежно від різ ниці між величиною напруги завдання та зворотного зв’язку. У результаті стабілізується напруга на шлаковій ванні при зміні в допустимих межах опору навантаження та напруги мережі. Блоки 10 та 11 формують сигнал зняття керуючих імпульсів протягом одного півперіоду у фазозсувному пристрої 8 при перевантаженні або асиметрії тиристорів. Сигнал захисту для блока 11 формується дроселем 12, а для блоку 10 – трансформатором струму 16.

Тиристорні переривники використовуються в трансформаторах ТШС-1000-1, ТШС-1000-3, ТШС-3000-1, ТШС-3000-3 та ін.

Трансформатори для ЕШЗ входять у комплект установок для ЕШЗ і окремо не поставляються. Технічні характеристики найбільш розповсю джених трансформаторів наведені в дод.2 (див. табл.2.6).

В установках середньої та великої потужності (більше 300 кВА) трансформатор з’єднується зі зварювальним автоматом за допомогою спе ціального кабелю. При цьому значно зростають реактивна складова повно го опору лінії та падіння напруги в ній. З метою підвищення техніко економічних показників електрошлакових установок застосовують так звані біфілярні схеми живлення (рис.7.4). Зварювальний трансформатор має секціоновану вторинну обмотку, середній вивід якої підключений до виробу 3, а кожен з основних виводів – до рухомого 1 та нерухомого електродів. Підключення середньої точки вторинної обмотки трансформа тора до виробу дає змогу регулювати швидкість плавлення рухомих та не рухомих електродів, а в цілому біфілярна схема живлення підвищує коефі цієнт потужності всієї установки для ЕШЗ.

Рис. 7.4. Біфілярна схема живлення установки для електрошлакового зварювання 7.2. Джерела живлення для зварювання струмом високої частоти Під джерелом живлення струмом високої частоти розуміють пристрій для перетворювання трифазного струму промислової частоти на однофаз ний струм високої частоти. Для високочастотного зварювання використо вуються струми частотою 8...1760 кГц, причому як джерела живлення струму частотою до 10 кГц здебільшого застосовують машинні перетво рювачі частоти, а для отримання струму 66 кГц та вище – лампові генера тори. Слід мати на увазі, що машинні перетворювачі частоти поступово витисняються тиристорними інверторами, які мають порівняно з машин ними перетворювачами низку переваг (більш високий ККД, відсутність шуму тощо). Розглянемо основні типи джерел високочастотного зварюва льного струму.

Високочастотний машинний перетворювач так само, як і звичайний машинний зварювальний перетворювач, являє собою пристрій, який скла дається з двох електричних машин, що мають спільний вал та розташовані, як правило, в спільному корпусі.

Струм частотою 8...10 кГц вироблюється індукторним генератором (див. гл.3). Частота струму, яку створює генератор, визначається виразом Zn f =, (7.1) де Z – кількість зубців ротора;

n – частота обертання якоря приводного двигуна, хв–1.

Номінальну потужність індукторного генератора можна отримати лише при ємнісному навантаженні. При активному, а тим більше при інду ктивному навантаженні зовнішня вольт-амперна характеристика генерато ра має різко спадний характер. Це пояснюється тим, що при високих час тотах струму та конструктивних особливостях індукторних машин внутрі шній опір обмотки статора дуже великий. Внаслідок цього струм коротко го замикання мало перевищує номінальний струм генератора, а для деяких типів генераторів менше за нього. Тому високочастотні індукторні генера тори здатні віддавати номінальну потужність лише при активно-ємнісному навантаженні.

Великий внутрішній опір індукторних генераторів, який особливо зростає при підвищенні частоти та потужності, приводить до того, що ЕРС генератора не забезпечує досягнення номінальних режимів через збуджен ня полюсів котушкою збудження. Тому для деяких типів індукторних ге нераторів передбачено компенсацію внутрішнього падіння напруги шля хом застосування додаткового конденсатора, який вмикається послідовно з обмоткою статора. Але при цьому виникає низка проблем, яка вимагає за стосування певних заходів.

По-перше, при послідовно ввімкнутому в коло генератора конденса торі напруги на навантаженні та на затискачах генератора неоднакові і можуть істотно відрізнятися одна від одної. При цьому, якщо напруга на навантаженні, що має ємнісний характер, дорівнює номінальній, то на за тискачах генератора вона буде значно більшою, а це не припустимо за умов електричної міцності ізоляції та охолодження заліза статора. Тому при використанні послідовного конденсатора коефіцієнт потужності навантаження cos повинен мати індуктивний характер.

По-друге, якщо для індукторного генератора без послідовного кон денсатора безпечні короткі замикання через невелику різницю між значен нями струмів номінального та короткого замикання, то при використанні послідовного конденсатора струм короткого замикання істотно зростає.

Струм короткого замикання в цьому випадку розраховується за формулою UГ к.з =, (7.2) Х0 - ХС де UГ – напруга на затискачах генератора;

Х0 – внутрішній опір генератора;

ХC = – реактивний опір послідовного конденсатора С при частоті 2fC струму f.

У випадку, коли реактивний опір послідовного конденсатора буде по рівняний з внутрішнім опором генератора, струм короткого замикання прямуватиме до дуже великих значень, а напруга на затискачах генератора при короткому замиканні необмежено зростатиме. У зв’язку зі зміною ма гнітних властивостей заліза магнітопроводів генератора розпочнеться про цес самозбудження генератора (процес "ферорезонансу"), який неможливо припинити навіть вимиканням струму збудження. Як правило, цей процес закінчується пробоєм ізоляції та виходом генератора з ладу. Для запобі гання цьому явищу ємність послідовного конденсатора необхідно робити такою, щоб його реактивний опір був значно меншим за внутрішній опір генератора, тобто ХС = (0,5…0,6)Х0. На затискачах генератора слід встано вити розрядник, що закорочує затискачі генератора при напрузі, яка значно перевищує номінальну напругу генератора.

Технічні характеристики деяких електромашинних перетворювачів частоти наведені в дод.2 (див. табл.2.7).

Лампові генератори це – пристрої, які перетворюють струм промисло вої частоти на струм високої частоти за рахунок використання багатоелек тродних (у більшості випадків триелектродних) вакуумних ламп та коли вальних контурів.

При високочастотному зварюванні металів лампові генератори вико ристовують головним чином для генерації струмів частотою більше 60 кГц. До складу лампового генератора входять такі вузли: вхідний при стрій комутації, анодний трансформатор, високовольтний випрямляч, блок генераторної лампи, анодний коливальний контур.

Вхідний пристрій комутації та анодний трансформатор мають кон струкцію, яка принципово не відрізняється від аналогічних пристроїв по тужних промислових електротехнічних установок.

Як випрямні елементи високовольтного випрямляча використовують ся діоди або тиристори. У лампових генераторах, що живляться від мережі 380 В, випрямляч зібраний на діодах, а регулювання здійснюється за допо могою тиристорів з боку нижчої напруги силового (анодного) трансформа тора (рис.7.5,а).

У потужних лампових генераторах (600 кВт та більше), що живляться від високовольтної мережі, застосовуються тиристорні випрямлячі (рис.7.5,б). Силовий блок випрямляча зібраний за трифазною мостовою схемою з шістьма керованими плечима V1...V6. Усі плечі випрямляча зі брані за однаковою схемою та містять декілька десятків послідовно ввімк нутих тиристорів.

Послідовно з кожним плечем увімкнуті дроселі насичення для зни ження швидкості наростання струму через тиристори під час вмикання.

Система керування забезпечує подачу до плеча випрямляча імпульсу керування, синхронізованого з мережею високої напруги.

Рис. 7.5. Спрощені принципові схеми головних кіл керованих випрямлячів по тужних лампових генераторів:

а – напівпровідникові діоди на стороні вищої напруги, тиристорний регулятор на стороні нижчої напруги анодного трансформатора;

б – тиристорний випрямляч при живленні високовольтною напругою: V1...V6 – високовольтні вентилі;

АТ – анодний трансформатор;

ТрР – тиристорний регулятор;

L – дросель;

БК – блок керування Найбільш важливою частиною лампового генератора є електронна лампа. У потужних лампових генераторах використовуються виключно триелектродні вакуумні лампи – тріоди. У цих лампах електрони рухають ся під впливом результуючого поля, що визначається потенціалами сітки та анода відносно катода, причому напруга сітка–катод діє на потік елек- тронів сильніше, ніж напруга анод–катод.

Принцип роботи лампового генератора можна розглянути на прикладі схеми генератора з незалежним збудженням (рис.7.6).

Рис. 7.6. Схема генератора з незалежним збудженням В анодне коло тріода ввімкнуті коливальний контур та джерело по стійного струму Еа, зашунтоване ємністю. До сітки подано постійну напру гу зміщення Ез та змінну високочастотну напругу збудження uзб = = Uзб sin t. Залежність миттєвих значень анодного струму іа від значення напруги між сіткою та катодом ес = Ез + Uзб cos t визначатиметься за сіт ковою характеристикою лампи при відповідній анодній напрузі Еа.

Залежно від значення сіткового зміщення Ез та амплітуди напруги збудження Uзб можливі два режими коливань:

1. Режим коливань першого роду (рис.7.7,а). У цьому випадку Ез підбирається так, що робоча точка лежить на висхідній ділянці сіткової ха рактеристики тріода, а амплітуда Uзб така, що сіткові напруги не виходять за межі сіткової характеристики по осі абсцис. Характер зміни анодного струму та форма його кривої відповідають характеру зміни та формі кривої напруги збудження. Анодний струм може розглядатися як сума двох скла дових: постійної Іа0 та змінної з амплітудою Іа1.

Коливання першого роду неекономічні, тому такий режим у потужних генераторах не використовується.

2. Режим коливань другого роду (рис.7.7,б). Величини Ез та Uзб співвідносяться між собою так, що сіткова напруга виходить уліво за межі висхідної частини сіткової характеристики анодного струму. При цьому анодний струм має вигляд послідовних імпульсів косинусоїдальної форми.

Залежно від співвідношення Ез та напруги зсуву статичної характеристики тріода Ез' кут відсічки анодного струму може змінюватися в достатньо широких межах:

cos = Е з - Е з'. (7.3) U зб Рис. 7.7. Форма анодного струму та напруги:

а – режим першого роду;

б – режим другого роду Із цього співвідношення видно, що зі зменшенням Uзб кут відсічки збільшується і при Uзб = Ез - Ез' стає рівним 180 ел. град, тобто лампа пе реходить у режим коливань першого роду.

Форма кривої анодного струму має достатньо складний характер, який можна представити у вигляді суми постійної та гармонічних складових.

Для забезпечення оптимальних кутів відсічки анодного струму, при яких досягається найбільший ККД генератора, необхідно правильно піді брати значення сіткового зміщення Ез. Встановлено, що оптимальний кут відсічки = 65…80 ел. град, тому для його досягнення слід зсунути робо чу точку на сітковій характеристиці генераторної лампи вліво (див.

рис.7.7). Це можна зробити за допомогою спеціального активного опору (гридліка), ввімкнутого в коло, або подачею постійної напруги від окремо го джерела. Внаслідок того, що сітковий струм містить постійну складову, протікає по зовнішньому колу від виводів сітки до катода, проходження цієї складової через гридлік забезпечує появу негативної відносно катода напруги на сітці. Сіткове зміщення автоматично регулюватиметься залеж но від значення сіткового струму. Це особливо важливо для генераторів із самозбудженням, які головним чином застосовуються для зварювання.

У цих генераторах частина напруги анодного контуру подається назад до сітки за допомогою зворотного зв’язку. Внаслідок того, що при зварю ванні, термообробці та споріднених процесах активний та реактивний опір навантаження і, відповідно, всього коливального контуру змінюються, від бувається і зміна резонансної частоти контуру. За рахунок зворотного зв’язку частота коливань автоматично змінюється так, що підтримується оптимальний режим роботи генераторної лампи.

Залежно від будови генератора анодний контур може виконувати од ночасно функції й навантажувального: це так звана одноконтурна схема;

якщо струм високої частоти від анодного контуру подається до навантажу вального контуру, то маємо двоконтурну схему конструктивного виконан ня генератора.

Для живлення лампових генераторів принципово можливе застосу вання також двох схем: послідовної та паралельної. Послідовна схема жи влення (див. рис.7.6) характеризується тим, що в ній шляхи постійних та змінних струмів не розділені.

Оскільки випрямляч, який живить схему, ввімкнутий послідовно з ко ливальним контуром, то через нього протікає не тільки постійна, а й висо кочастотна складові анодного струму, що неприпустимо. Тому джерело живлення лампи обов’язково повинно шунтуватися достатньо великою єм ністю. Послідовна схема проста, але в джерелах живлення для високочас тотного зварювання її не використовують через те, що коливальний контур (як частина зварювального інструмента) в такій схемі перебуває під по вною постійною напругою відносно корпусу, а це небезпечно для обслуго вуючого персоналу.

В установках для високочастотного зварювання застосовують парале льну схему, в якій шляхи постійної та змінної складової струму розділені.

Генератори випускаються за одноконтурною або двоконтурною схемами (рис.7.8).

Рис. 7.8. Одноконтурна (а) та двоконтурна (б) схеми лампових генераторів для зварювання струмом високої частоти У цих схемах постійна складова анодного струму не заходить у коли вальний контур, тому що протікає від джерела живлення (випрямляча) че рез дросель Lб та лампу, а змінні складові проходять через розподільний конденсатор Ср, коливальний контур та лампу. Шлях до випрямляча їм пе рекриває дросель Lб з великою індуктивністю.

В одноконтурній схемі (рис.7.8,а) коливальний контур складається з котушки індуктивності L1 та конденсатора С1. Котушка індуктивності L одночасно є первинною обмоткою високочастотного зварювального трансформатора. Вторинною обмоткою цього трансформатора служить ко тушка індуктивності L2. До виводів вторинної обмотки підключається зва рювальний індуктор. Виводи з котушки L1 призначені для добору оптима льного еквівалентного опору контуру та коефіцієнта зворотного зв’язку.

Таку схему доцільно використовувати у випадку, коли зварювальний пристрій-індуктор розміщується безпосередньо поблизу лампового генера тора, тому що вихідні параметри коливального контуру значною мірою за лежать від параметрів навантаження.

У двоконтурній схемі генератор значно менше чутливий до зміни па раметрів навантаження в процесі зварювання та допускає віддалення зва рювального пристрою на 10...15 м від генератора. Але такі схеми більш складні, а відповідно й дорожчі. У двоконтурній схемі на рис.7.8,б плавне регулювання коефіцієнта зворотного зв’язку забезпечується шляхом засто сування трансформаторів зворотного зв’язку Lз.з з рухомими одна відносно другої обмотками та плавним регулюванням зв’язку між контурами за ра хунок використання рухомої короткозамкненої котушки Lк. Це дає змогу досягти достатньо точної настройки режиму генератора при зміні наванта ження в широких межах, але при цьому ускладнюється конструкція гене ратора.

Наведені на рис.7.8 схеми не вичерпують усіх можливих варіантів ви конання, але вони є принциповими для більшості генераторів, які викорис товуються в промисловості. Технічні характеристики лампових генерато рів, що серійно випускаються та використовуються для зварювання стру мом високої частоти, наведені в дод.2 (див. табл.2.7).

Останнім часом для отримання струму частотою до 10 кГц для цілей електротермічної обробки металів промисловість випускає тиристорні пе ретворювачі високої потужності.

До складу тиристорного перетворювача входять напівпровідниковий випрямляч, а також апаратура керування та комутації, тиристорний інвер тор, до виходу якого підключається навантажувальний контур зі зварюва льним індуктором.

Головною частиною тиристорного перетворювача є тиристорний ін вертор, який перетворює постійний струм у струм високої частоти (доклад но роботу інверторного перетворювача розглянуто в гл.8).

У промисловій практиці застосовують достатньо велику кількість електричних схем тиристорних перетворювачів частоти. Однією з них є мостова схема з подвоєнням частоти, на основі якої серійно випускається генератор СУГЗ-100/10 потужністю 100 кВт, частотою 10 кГц. Функціона льну схему цього перетворювача наведено на рис.7.9.

Рис. 7.9. Функціональна схема генератора середньої частоти СУГЗ – 100/10:

ПК – пристрій керування;

БГП – блок готовності та пуску;

БВК – блок вихідних каскадів;

БЗГ – блок генератора, що задає сигнал;

БТ – блок трансформаторів;

БР – блок регулювання.

Схема складається з таких функціональних частин: силової схеми, яка вміщує керований випрямляч та інвертор, кола комутації, пристрої керу вання, регулювання та захисту. Напруга 380 В промислової частоти через рубильник Q та автомат F подається до входу керованого випрямляча В.

Випрямлена напруга 485...520 В через дросель фільтра L подається до вхо ду інвертора, в якому вона перетворюється в змінну напругу підвищеної частоти. Інвертор складається з двох однофазних мостів І1 та І2, ввімкну тих паралельно. Навантаження Н підключається через розподільний кон денсатор Ср у коло подвоєння частоти.

Імпульси керування на тиристори двох мостів інвертування подаються зі зсувом, що регулюється в межах 0...180 ел. град, завдяки чому можна плавно змінювати вихідну напругу (потужність) генератора при постійній напрузі випрямляча.

Розглянемо роботу одного мосту, що інвертує.

В одну діагональ мосту І1 увімкнутий контур комутації, що склада ється з котушки індуктивності Lк та конденсатора комутації Cк. У другу ді агональ мосту через розподільний конденсатор Ср увімкнуте навантажен ня. Власна частота контуру, що утворений котушкою індуктивності Lк та конденсаторами Ск і Ср, близька до подвійної частоти перемикання тирис торів (частоти завдання).

Перед подачею імпульсів керування на тиристори інвертора розподі льний конденсатор Ср заряджений до напруги випрямляча за рахунок того, що подача імпульсів керування на тиристори інвертора відбувається авто матично з певною часовою затримкою.

Імпульс відкриття подається до тиристорів VS1, VS4 мосту, що інвер тує. У контурі "Lк–Cк–Cp – навантаження" відбувається коливальний про цес. Зворотна півхвиля струму протягом деякого часу t0 замикається через той самий контур "Lк–Cк–Cp – навантаження" та через зворотні діоди VD1, VD4. При цьому забезпечується закриття тиристорів, що робить неможли вим подальший розвиток коливального процесу.

У кінці інтервалу провідності конденсатор комутації Ск перезарядить ся і полярність напруги на ньому зміниться на зворотну відносно початко вої. У момент часу t = T/2 (половина періоду частоти завдання) подаються імпульси відкриття на тиристори VS2, VS3 і через коло "Lк–Cк–Cp– навантаження" знову проходить струм. Наприкінці цього півперіоду стан схеми відповідатиме початковому.

Таким чином, частота струму навантаження вдвічі вища за частоту подачі імпульсів керування інвертором.

Форма напруги на навантаженні близька до синусоїдальної, а її зна чення залежить від куту зсуву фаз мостів, що інвертують, та опору наван таження.

Трансформатор струму Т4 та трансформатор напруги Т5 забезпечують зворотний зв’язок відповідно за струмом та напругою.

До головних переваг тиристорних перетворювачів частоти порівняно з електромашинними перетворювачами належать: високий ККД, який мало залежить від завантаження перетворювача, та відсутність рухомих частин і пов’язаного з цим шуму, а також постійна готовність до роботи.

7.3. Джерела живлення для електронно-променевого зварювання Джерело живлення для електронно-променевого зварювання (ЕПЗ) входить до складу енергетичного комплексу установки поряд з іншою апа ратурою, призначеною для формування пучка електронів з заданими па раметрами та керування його потужністю й положенням відносно зварю вального стику.

Для живлення електронних гармат застосовують декілька автономних джерел (рис.7.10): високовольтне (10...100 кВ) – для подачі на прожектор гармати та виріб напруги прискорення;

живлення розжарювання катода;

живлення прикатодного електрода;

живлення лінзи фокусування;

живлен ня системи, що відхиляє електронний струмінь.

Рис. 7.10. Загальна принципова електрична схема джерела живлення електронної гармати:

РН – регулятор напруги;

ВБВ – високовольтний блок випрямляча напруги при скорення;

БР – блок розжарювання;

БЕК – блок електроду керування;

БЛФ, БЛВ – блоки лінз фокусування та відхилення електронного струменя До кожного з цих джерел ставляться специфічні вимоги, обумовлені технологічним процесом ЕПЗ.

Головна вимога до високовольтних джерел полягає в отриманні стабі лізованих вихідних параметрів, зокрема напруги прискорення. Припустиме відхилення цієї напруги від номінального значення не повинно перевищу вати ± 3 %. Для забезпечення таких умов зварювання високовольтні дже рела обладнують стабілізаторами напруги, які знижують коливання напру ги прискорення.

Процес ЕПЗ є також чутливим до пульсації випрямленої напруги. За лежно від типу гармати коефіцієнт пульсацій не повинен перевищувати 0,1...5 %. Для випрямляння струму у високовольтних джерелах використа но головним чином трифазну мостову схему.

З точки зору технології, джерело живлення зварювальної електронної гармати повинне забезпечувати плавне регулювання потужності електрон ного пучка. Найбільш припустиме регулювання шляхом зміни напруги прискорення. Для цього в джерелах застосовують регулятори напруги різ них типів, наприклад автотрансформатори.

Електрична схема джерела розжарювання катода визначається спосо бом його нагрівання. Для регулювання потужності електронного пучка ви користовують подвійну настройку: зміною напруги прискорення та вста новленням різної температури підігріву катода.

Джерело живлення прикатодного електрода (модулятор) призначене для регулювання струму електронного пучка, роботи гармати в імпульс ному режимі, плавного зниження струму пучка при заварюванні кратера шва тощо. Як модулятор часто використовують напівпровідникові випря млячі з високою стабілізацією напруги ( ± 1,5 %) та мінімальною пульсаці єю (0,3...0,5 %). Вихідна напруга в таких джерелах плавно регулюється від нуля до номінального значення.

Для періодичного запирання гармати в імпульсному режимі роботи в коло живлення прикатодного електрода вмикається переривник, наприклад мультивібратор. Внаслідок того, що розміри зварювальної ванни і шва при ЕПЗ залежать від стабільності струму в лінзі фокусування, навіть мала змі на його приводить до зміни фокусної відстані електронного пучка. Крім того, висока стабільність струму в лінзі відхилення необхідна для забезпе чення пересування електронного пучка строго по осі стику.

Тому головні вимоги до джерела живлення електромагнітних лінз мають бути такими: висока стабілізація вихідної напруги з мінімальною пульсацією;

можливість регулювання струму в лінзах у широких межах;

можливість застосування систем слідкування за густиною струму в плямі нагріву та спрямуванням пучка електронів по стику.

Для живлення електромагнітних лінз широко застосовують малопо тужні стабілізовані випрямлячі з мінімальною пульсацією. Стабілізатори дають змогу плавно регулювати силу струму в лінзі в межах 15...250 мА.

При коливаннях напруги в мережі живлення 220 ± 10 В точність стабіліза ції струму складає ± 0,05 %.

7.4. Джерела живлення для плазмових технологій обробки матеріалів Спеціалізовані джерела живлення для плазмових процесів (мікроплаз мового зварювання, різання, напилення) повинні забезпечувати стійке го ріння дуги, сталість її робочих параметрів. Горіння стиснутої дуги супро воджується пульсаціями струму й напруги, що викликані різними термо динамічними коливаннями, схемою випрямляння та іншими збуреннями.

Тому ВАХ такої дуги являє собою не лінію, а смугу, ширину якої визна чають амплітуди коливань, що мають місце. У зв’язку з цим дійсна зовні шня ВАХ джерела живлення (з урахуванням пульсації струму) є також не лінією, а смугою, ширина якої залежить від схеми випрямляння.

Специфіка технології мікроплазмового зварювання ставить до джере ла живлення такі основні вимоги: надійне збудження та горіння зварюва льної дуги як у безперервному, так і в імпульсному режимах на прямій та зворотній полярності в широкому діапазоні зварювальних струмів, почи наючи з 0,3...0,5 А, з регулюванням частоти та скважності. Джерела жив лення повинні мати гіперболічну або пологоспадну зовнішню характерис тику.

В ІЕЗ ім.Є.О.Патона розроблені універсальні джерела живлення для мікроплазмового зварювання з уніфікованих блоків. Структурні схеми цих джерел подібні до структурних схем джерел живлення для аргонодугового зварювання і відрізняються тільки вхідними та вихідними параметрами, а також габаритними розмірами та масою.

Джерело живлення МПА-80 універсального типу призначене для мік роплазмового зварювання як у режимі постійного струму, так і в імпульс ному режимі імпульсами прямої полярності виробів із корозійно-стійких сталей. Амплітуда та тривалість імпульсів встановлюється залежно від ви мог технології зварювального процесу. Для забезпечення імпульсного ре жиму джерело обладнане керованим тиристорним блоком, який зібраний за двопівперіодною схемою. Кожного півперіоду ввімкнутий один із тири сторів.

Джерело живлення МПУ-5 також універсальне. Його особливістю є можливість зварювання постійним струмом, в імпульсному режимі на прямій та зворотній полярності та змінним струмом, а також мікроплазмо вого зварювання легких сплавів постійним струмом імпульсами зворотної полярності. Для цього передбачені два тиристорних комутатори, які вми каються до роботи перемикачем прямої та зворотної полярності, розташо ваним на панелі керування. Джерело МПУ-5 має розширений діапазон зва рювального струму (2...100 А).

Дослідження встановили: найкращими зовнішніми статичними ВАХ джерела живлення для плазмового різання та напилення є крутоспадні або "штикові", адже при таких характеристиках при зміні напруги дуги не від бувається помітних коливань сили струму. Це значно підвищує стабіль ність технологічного процесу. Тому для живлення плазмотронів викорис товують джерела живлення, які повинні відповідати низці специфічних вимог, пов’язаних з їх динамічними властивостями.

По-перше, електромагнітна стала зварювального кола має бути доста тньою з тим, щоб усунути різкі стрибки струму, які виникають під час ко ливань напруги дуги. Одночасно електромагнітна стала кола керування повинна бути якнайменшою, щоб була можливість автоматичного регулю вання сили струму, наприклад, за будь-яким технологічним параметром.

По-друге, джерела живлення повинні забезпечувати плавне регульо ване з бігом часу наростання струму на початку процесу від мінімального до заданого та плавне зниження його в кінці.

По-третє, крім цих, специфічних, вимог ставляться й загальні: високі значення ККД та коефіцієнта потужності, найменші габарити, маса тощо.

Крутоспадні та "штикові" зовнішні ВАХ у випрямлячах для плазмо вих технологій формуються шляхом застосування таких же технічних рі шень, як і в джерелах для аргонодугового зварювання: використанням дро селів насичення, схем з тиристорними випрямними блоками, зворотних зв’язків за струмом, трансформаторів зі спадною зовнішньою характерис тикою та інших.

Для плазмового різання та напилення серійно випускаються в Україні та країнах СНД установки таких типів: АПР, ВПР, АВПР, ИПР, ВПТМ, "Україна-2" та подібні. Технічні характеристики деяких джерел наведено в дод.2 (див. табл.2.8).

Джерело живлення ИПР-120/600 (рис.7.11) являє собою випрямляч з дроселем насичення, призначений для плазмового різання металу. Стрижні дроселів L намагнічуються робочим струмом, який має один напрямок.

Дроселі насичення обладнані двома обмотками керування. Обмотка керу вання дроселя L2 живиться від незалежного джерела і підмагнічує дросель насичення. Обмотка L1, яка розмагнічує дросель, живиться від двох дже рел: випрямляча U, напруга якого пропорційна силі струму дуги, та випрямного моста VD1...VD6, напруга якого пропорційна напрузі дуги.

Обидва джерела ввімкнуті відповідно. Ампер-витки L2 більше за L1. Регу лятором струму є змінний резистор R1.

У початковий момент часу з ростом струму та падінням вихідної напруги джерела зменшується сила струму в обмотці L1 та збі льшується дія підмагнічу вання обмотки L2. Джере ло живлення в цю мить має жорстку характеристику, тобто величина напруги мало залежить від сили струму. При подальшому зростанні сили струму на пруга, що живить обмотку L1, зростає пропорційно силі струму дуги і дросель насичення розмагнічуєть ся, внаслідок чого зовніш ня характеристика джерела стає круто спадною. Дро Рис. 7.11. Спрощена принципова електрична сель у процесі розрізуван схема випрямляча ИПР 120/ ня металу постійно під тримує величину струму.

Параметрична стабілі зація випрямленого струму в діапазоні зміни напруги дуги використовуєть ся у випрямлячах ВПР-602, ВПР-403. Але для збільшення довжини круто спадної ділянки зовнішньої ВАХ у цих джерелах разом з обмоткою керу вання намотано декілька витків, що ввімкнуті в зварювальне коло та вико нують роль негативного зворотного зв’язку за струмом.

Загальним недоліком джерел з дроселями насичення є велика маса та низький коефіцієнт потужності. У тиристорних випрямлячах, наприклад ти пу ВПТМ, ці недоліки усунуті. Випрямляч (рис.7.12) складається з силового знижувального трансформатора Т з жорсткою ВАХ, двох випрямних мостів (головного, зібраного на тиристорах VS1...VS6, та допоміжного – на діодах VD1...VD6), згладжувального дроселя з діодом VD7, блока фазового керу вання тиристорами (БФК), блока зворотних зв’язків (БЗЗ) і блока підпалю вання плазмотрона (БП).

Рис. 7.12. Схема тиристорного випрявляча типу ВПТМ Допоміжна (чергова) дуга збуджується за допомогою осцилятора бло ка БП та живиться від допоміжного моста через резистор обмеження R1.

Допоміжна дуга, що горить між катодом К та соплом С, одразу ж переки дається до виробу, який обробляється, В і утворює "підкладку" головної робочої дуги. Ця дуга живиться від некерованого допоміжного моста через баластний резистор R2. При подальшому зростанні струму БФК відкриває тиристорний міст, який приймає на себе живлення робочої стисненої дуги.

Силу робочого струму визначає кут вмикання тиристорів. Зовнішні ВАХ джерела формує БЗЗ так само, як і в тиристорних зварювальних випрямля чах. За такою схемою побудовані тиристорні апарати, АПР-402, УПР-201, "Київ-2" та інші.

Для установок плазмового напилення типу "Україна-2" використову ється тиристорне джерело живлення з напругою холостого ходу 470 В та номінальною силою струму 320 А (рис.7.13,а).

У джерелі живлення застосовано універсальну блочну систему регу лювання, подібну до випрямлячів типу ВДУ. Блоки фазового керування тиристорами (БФК), регулятор струму (РС) та датчик струму (ДС) вико нують такі ж функції. Блок керування (БК) керує послідовністю робіт бло ків установки. Блоки регулювання виконані на мікросхемах. Для підви щення надійності роботи джерела живлення у схему введений блок захисту (БЗ).

Чергова дуга збуджується між катодом К (див. рис.7.13,а) та першим анодом А1, а робоча – між катодом К та другим анодом – А2 (соплом). Та ким чином, перший анод грає роль міжелектродної вставки, яка розтягує робочу дугу та підвищує напругу в ній.

Розглянемо принципову електричну схему пуску цього плазмотрона (рис.7.13,б). Після вмикання автоматичного вмикача QF та кіл керування натисканням пускової кнопки S1 замикається коло котушки контактора К1, який контактами К1:1підключає джерело живлення (ДЖ) до плазмотрона, а блок-контактами К1:2 шунтує кнопку S1. Кнопкою S2 ("Підпал") замика ється коло котушки контактора К2, який контактами К2:2 замикає коло чергової дуги. Контакти К2:3 вимикають вольтметр PV (з метою його за хисту від високочастотного розряду), К2:1 вмикають осцилятор паралель ного вмикання G.

Рис. 7.13. Функціональна схема тиристорного джерела живлення установки пла змового напилення "Україна-2" (а) та схема керування плазмотроном з двома анодами (б) Відбувається іскровий розряд 1 (див. рис.7.13,б) між катодом К та пер шим анодом А1, який збуджує чергову дугу 2, що живиться джерелом ДЖ, між катодом К та першим анодом А1. Силу струму чергової дуги обмежує резистор R. Чергова дуга 2 збуджує робочу (основну) 3, яка горить між ка тодом К та другим анодом А2.

Коли сила струму робочої дуги досягне величини спрацювання стру мового реле КА, останнє своїми контактами КА:1 розірве коло котушки контактора К2. Внаслідок цього вимикається осцилятор G, коло чергової дуги та вимикається вольтметр PV. З виходом на заданий режим роботи в плазмовий струмінь 4 подається порошок та розпочинається процес напи лення поверхні 5. Процес напилення припиняється натисканням кнопки S3, яка розриває коло котушки контактора К1. Перед натисканням кнопки S слід знизити силу струму дуги за допомогою регулятора струму.

Джерело живлення установки "Україна-2" захищене від розряду осци лятора дроселем L та конденсаторами С1, С2. Дросель L, крім того, змен шує стрибки струму під час перехідних режимів роботи.

Контрольні питання 1. Чим принципово відрізняються умови стійкої роботи енергетичної системи при електрошлаковому зварюванні від роботи системи при дуго вому зварюванні?

2. Як регулюються вихідні параметри джерел живлення для елект рошлакового зварювання?

3. З яких функціональних блоків складаються джерела живлення для зварювання струмом високої частоти?

4. За допомогою яких схемних рішень генерується струм високої частоти?

5. У чому полягають особливості джерел живлення для електронно променевого зварювання, плазмових технологій обробки металів?

Глава ІНВЕРТОРНІ ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ ДЛЯ ДУГОВОГО ЗВАРЮВАННЯ Інверторні джерела живлення для зварювання (ІДЖ) останнім часом використовуються достатньо широко у світовій зварювальній техніці. Малі розміри та маса, мала інерційність, поліпшені динамічні властивості ІДЖ вигідно відрізняють їх від традиційних технічних рішень джерел живлен ня. Поняття "інвертор" походить від латинського inverto – перевертаю, змінюю. Інвертори використовують у багатьох галузях техніки, у тому числі у різних радіо- та електротехнічних промислових установках та сис темах. Так, у радіотехніці інвертор – це електричне коло або електронний пристрій, на виході якого амплітуда, полярність або фаза електричних сиг налів протилежні вхідним (наприклад, фазоінвертор). В обчислювальній техніці інвертор – елемент ЕОМ, що реалізує логічну операцію заперечен ня (не "А"), або розвязувальний підсилювач, який виконує математичну операцію інвертування (множення на "–1"). Інвертор в електротехніці – це пристрій для перетворення постійного струму в змінний. Інвертори вико ристовують для живлення споживачів змінного струму в умовах, коли єдиним джерелом енергії є акумуляторна батарея (наприклад, бортові дже рела живлення);

у керованому електроприводі змінного струму з частот ним керуванням;

на електротранспорті (залізничний, метро);

для живлення різних технологічних установок, які споживають нестандартну частоту (електротермія, ультразвукова обробка, електромагнітне перемішування різних металів тощо). Їх застосовують також для перетворення постійного струму одного рівня у постійний струм іншого рівня. Зварювальні інвертори умовно належать до цієї групи перетворювачів.

Інверторні джерела живлення набули останнім часом широкого за стосування при дуговому зварюванні плавким та неплавким електродами, ультразвуковому та мікроплазмовому зварюванні, контактному зварюванні деталей малої та середньої товщини. У перспективі можливе використання джерел живлення на основі потужних високочастотних інверторних пере творювачів для електрошлакового зварювання та зварювання під флюсом.

8.1. Принцип роботи та схемні рішення інверторів струму і напруги Інвертором струму називається інвертор, пов’язаний з джерелом живлення через згладжувальний дросель так, що ключі інвертора переми кають струм. Як ключі в інверторах струму використовують тиристори або транзистори. Для комутації ключів-тиристорів паралельно навантаженню підключається комутуючий конденсатор. За способом підключення кон денсатора до навантаження такі інвертори називаються також паралельни ми.

На рис.8.1,а наведено схему однофазного мостового паралельного інвертора стуму. Через велику індуктивність згладжувального дроселя Ld вхідний струм інвертора id (струм джерела E) будемо вважати ідеально згладженим. При вмиканні тиристорів VS1 та VS4 за допомогою імпульсів від системи фазового керування, не показаної на рисунку, утворюється контур протікання струму Ed–Ld–VS1–Rн–VS4– -Ed. Спрямування струму і у діагоналі мосту показано на рисунку. При вмиканні VS2 і VS3 струм змінює своє спрямування. Вхідний струм інвертора іd завдяки періодичному перемиканню, що здійснюється тиристорами, перетво рюється в діагоналі мосту в змінний струм прямокутної форми (рис.8.1,б).

Рис. 8.1. Схема (а) та часові діаграми (б) однофазного паралельного мостового інвертора струму При активному характері навантаження Rн напруга на конденсаторі UС = Uн внаслідок постійності струму i = Id змінюється за експо ненціальним законом з постійною часу = RнC і в кінці інтервалу, коли ти ристори VS1 таVS4 відкриті, має полярність, вказану на рис.8.1,а. У мо мент t2 сигнал керування подається на керуючі електроди тиристорів VS та VS3.При їх відкритті комутуючий конденсатор С стає підключеним па ралельно до обох тиристорів VS1 та VS4, які раніше проводили струм. По лярність напруги на конденсаторі така, що напруга на вентилях при цьому стає зворотною, струм через VS1 та VS4 припиняється й тиристори відновлюють свої замикаючі властивості. При t > t3 напруга ua між анодом й катодом вентилів через перезарядку конденсатора знову стає позитив ною.

При t = t4 знову відбувається вмикання тиристорів VS1 та VS4 і ви микання VS2 та VS3. У даній схемі має місце одноступенева комутація струму, коли струм з одного силового тиристора одразу ж переводиться на другий.

Форма й величина вихідної напруги інвертора та час закриття тири сторів залежать від режиму інвертора, що визначається постійною часу.

Чим більше, тим повільніше змінюється напруга на навантаженні, закон її зміни наближається до лінійного, а форма напруги uн наближається до трикутної. Напруга ud на діагоналі мосту у будь-який момент часу дорівнює напрузі на закритому вентилі. Під час роботи вентиля VS2 ud дорівнює ua1, тобто напрузі на вентилі VS1, а при відкритому тиристорі VS4 ud = ua3.

Середнє значення ud, якщо знехтувати втратами в дроселі, дорівнює E. При збільшенні (наприклад, при зростанні Rн) збільшується від’ємна площадка кривої ua (штрихова лінія на рис.8.1,б) і, внаслідок того, що Ed = const, спостерігається зростання додатної площадки та збільшення на пруги uн на навантаженні. Тому зовнішня характеристика uн = f(Iн) інвертора струму є крутоспадною.

Сильна залежність напруги на навантаженні від навантаження є не доліком інверторів струму. Для стабілізації напруги на навантаженні викори стовують різні схемні рішення, серед яких найбільш поширена схема інвертора струму з так званим індуктивно-тиристорним регулятором (рис.8.2).

У схему однофазного мостового паралельного інвер тора струму додатково введе ний перетворювач, що регулює змінну напругу з індуктивним навантаженням (елементи VS5, VS6, L).

Якщо змінювати струм IL за допомогою системи керу вання тиристорами VS5 і VS Рис. 8.2. Інвертор струму з індуктивно таким чином, щоб кут зсуву тиристорним регулятором між струмом i та напругою uн залишався постійним, то на пруга на навантаженні Rн буде незмінною при зміні струму навантаження.

Інвертори струму з індуктивно-тиристорним регулятором широко ви користовуються у промисловості, вони забезпечують передачу потужності до сотні кіловат. Форма вихідної напруги близька до синусоїдальної, за вдяки чому їх можна використовувати без фільтрів на стороні змінного струму. При створенні інверторів струму зі змінною вихідною частотою виникають труднощі при роботі на низьких частотах тому, що зі знижен ням частоти необхідно збільшувати ємність комутуючих конденсаторів.

Для подолання цих труднощів розроблені модифіковані схеми інверторів струму, у яких комутація струму одного тиристора на інший відбувається у два етапи. З цією метою у схему вводяться допоміжні вентилі, але це ускладнює електричну схему інверторного перетворювача.

Проте більш прості рішення у цих випадках забезпечують інвертори напруги.

Інвертором напруги називається автономний перетворювач, у якому змінна напруга на навантаженні утворюється в результаті його періодичного підключення за допомогою ключів до джерела постійного струму, причому за допомогою ключів забезпечується полярність імпульсів напруги, що чергуються, на навантаженні. Інвертори напруги виконуються на повністю керованих приладах (транзисторах, двохопе раційних тиристорах, одноопераційних тиристорах, які обладнані колами комутації).

На рис.8.3,а наведено схему однофазного мостового інвертора на пруги, зібраного на повністю керованих вентилях (зверніть увагу на зо- браження тиристора, що запирається).

Рис. 8.3. Схема (а) та часові діаграми (б) однофазного мостового інвертора напруги При увімкнутих тиристорах VS1 і VS4 та вимкнутих VS2 і VS3 на вантаження підключається лівим кінцем до позитивної шини живлення, а правим – до негативної і струм ін тече, як показано на рисунку. Якщо VS та VS4 вимкнути, а VS2 та VS3 ввімкнути, то напруга й струм навантажен ня змінять напрям. При активному навантаженні (Lн = 0) струм наванта ження ін повторює за формою напругу на навантаженні uн. На рис.8.3,б штриховою лінією показані крива струму навантаження iн та вхідного струму інвертора і при Lн = 0. Струм iн та напруга uн мають прямокутну форму.

При активно-індуктивному навантаженні (Lн 0 ) струм навантажен L н ня ін змінюється за експоненціальним законом з постійною часу =.

R н При запиранні VS1 та VS4 у момент t2, незважаючи на потрапляння відпираючих імпульсів на VS2 та VS3, струм навантаження iн через при сутність індуктивності Lн прагне зберегти свій напрямок. Для того, щоб після запирання VS1 та VS4 відкрити шлях струму навантаження, тири стори шунтують діодами VD10...VD40. Тому струм навантаження iн при t2 < t < t3 тече через VD20 та VD30 і повертає частку енергії, яка запасена в індуктивності, назад у джерело Е.

У момент часу t = t3 струм навантаження iн стає рівним нулю, а при t > t3 починає текти у протилежному напрямі через VS2 та VS3, на керую чих електродах яких продовжують існувати сигнали відпирання. Подібно на інтервалі t0 < t < t1, тобто після запирання VS2 та VS3, струм наванта ження тече через VD10, VD40.

Вихідна напруга інвертора напруги через відносно малу тривалість процесу комутації (запирання вентилів, навіть з урахуванням процесів у комутаційних вузлах, якщо інвертор виконаний на одноопераційних тири сторах, триває не більше 200 мкс) за формою близька до прямокутної і не залежить від струму навантаження. У зв’язку з цим зовнішня характери стика інвертора напруги Uн = f(Iн) – жорстка, з малим кутом нахилу.

Вхідний струм інвертора i (рис.8.3,б) при Lн 0 стає знакозмінним, що говорить про періодичний енергообмін між колом навантаження та джерелом живлення інвертора: нагромаджування енергії в індуктивності навантаження під час роботи тиристорів та повернення енергії в джерело на інтервалі роботи зворотних діодів. Якщо джерело живлення Е являє со бою випрямляч (а саме це має місце у зварювальних інверторних джерелах живлення), то для утворення в ньому зворотної провідності, що дає змогу прийняти енергію з інвертора, його шунтують конденсатором С великої ємності, як показано на рис.8.3,а.

Для регулювання вихідної напруги інверторів напруги або змінюють ЕРС напруги живлення Е, або використовують так звані внутрішні засоби.

З цією метою у схемі на рис.8.3,а зсувають керуючі імпульси на VS3 та VS4 відносно керуючих імпульсів на VS1 та VS2 на кут керування (на часових діаграмах рис.8.4 наведені інтервали провідності усіх тиристорів та форма струму і напруги на навантаженні).

На інтервалі t0 < t < t1 відкриті тиристори VS1 та VS4, напруга на на вантаженні uн = E. У момент t1 тиристор VS1 запирається та подається ке руючий імпульс на VS2, в результаті чого струм iн замикається у контурі VS4–VD20–RнLн, а напруга на навантаженні, яке закорочене тиристором VS4 і діодом VD20, uн = 0. У момент t2 потрапляє відпираючий імпульс на тиристор VS3, VS4 припиняє роботу і навантаження підключається до джерела живлення: uн = –E. Внаслідок індуктивності навантаження деякий час на інтервалі t2…t3 струм iн тече в попередньому напрямі по контуру RнLн–VD30–E–VD20, потім після спаду струму до нуля при t = t3 він змінює свій напрям і тече у контурі E–VS3–RнLн–VS2. Таким чином, у кривій uн(t) з’являється керована пауза.

Рис. 8.4. Часові діаграми струму, напруги та інтервалу провідного стану вентилів у схемі на рис.8.3 при регулюванні вихідної напруги Резонансні інвертори використовуються для формування змінної на пруги частотою 0,5...10 кГц. Такі інвертори працюють, як правило, на од нофазне навантаження. Схему мостового однофазного резонансного інвертора наведено на рис.8.5,а. У коло навантаження RнLн послідовно ввімкнутий конденсатор С, тому такий інвертор називається послідовним.

Коло RнLнC являє собою послідовний коливальний контур з резонансною 1 частотою f0 =. Запирання одноопераційних тиристорів у такому 2 LнС інверторі відбувається при спаданні струму до нуля в коливальному контурі.

Рис. 8.5. Резонансний інвертор зі зворотними діодами (а) та часові діаграми струмів і напруги у режимі безперервного (б) та перервного (в) струмів У момент t1 (рис.8.5,б) подаються імпульси керування до тиристорів VS1 та VS4, напрямок струму iн у коливальному контурі показаний на ри сунку. Конденсатор С заряджається до напруги Umax, полярність якої пока зано на рис.8.5,а. У момент часу t2 струм ін контуру, що змінювався за си нусоїдальним законом, спадає до нуля, при цьому VS1 та VS4 запирають ся. Потім напрям струму ін змінюється на протилежний, цей струм починає текти по контуру –Е–VD40–RнLнC–VD10–+E, напруга на конденсаторі зменшується. На інтервалі t2...t3 до VS1 та VS4 докладена невелика зворот на напруга, яка дорівнює спаду напруги на діодах VD10 та VD40, що про водять струм. На цьому інтервалі відновлюються запираючі властивості тиристорів VS1 та VS4. Тривалість інтервалу t2...t3 має бути не менше часу вимикання тиристорів. Далі, у момент t3 подаються імпульси керування до тиристорів VS2 та VS3 й струм переходить з діодів на ці тиристори. На інтервалі t3...t4 струм iн тече по контуру +E–VS3–RнLнC–VS2– –E, напруга на конденсаторі змінює свій знак і досягає максимального значення у мо мент t4, коли струм iн зменшується до нуля. На інтервалі t4...t5 струм iн тече через VD20 та VD30, потім процес повторюється.

Найбільша потужність виділяється в навантаженні при частоті керу вання інвертора f, що максимально близька до резонансної частоти конту ру f0, але завжди повинна виконуватися нерівність f0 > f, бо якщо три валість інтервалів t2...t3 та t4...t5 буде меншою за мінімальну, необхідну для вимикання вентилів, то запирання тиристорів буде недостатньо надійним.

При зменшенні частоти імпульсів керування тиристорів, потужність, яка віддається у навантаження, знижується. При подальшому зменшенні час тоти f інтервали протікання струму через контур чергуються з безструмо вими паузами (режим перервного струму). Часові діаграми у цьому режимі наведено на рис.8.5,в. На інтервалі t1...t2 працюють тиристори VS1 та VS4, напрям струму вказано стрілкою на рис.8.5,а, потужність із джерела живлення передається до навантаження. У момент t2 струм у контурі змінює свій знак і тече через зворотні діоди по контуру –Е–VD40–RнLнC–VD10–+E. При цьому навантаження повертає частку енергії, нагромадженої в реактивних елементах, у джерело живлення. На пруга на конденсаторі uС зменшується, але через втрати в контурі вона не досягає нульового значення.

У момент t2 струм через діоди спадає до нуля. Безструмова пауза триває доти, поки у момент t3 не будуть подані імпульси керування на си лові тиристори VS2 та VS3. Під час безструмової паузи напруга на конден саторі незмінна. У момент t3 розпочинається формування другої половини періоду вихідної частоти інвертора. При такому режимі перервного струму потужність у навантаженні менше, а криві струму й напруги на наванта женні більше відрізняються від синусоїди, ніж у режимі безперервного струму. Тому режим перервного струму використовують рідко. Для того, щоб наблизити криву напруги на навантаженні до синусоїдальної, часто паралельно навантаженню вмикають конденсатор. Такий інвертор нази вається послідовно-паралельним.

Головним недоліком тиристорних інверторів є порівняно низька час тота перетворювання, яка залежить від часу вимикання тиристорів. Су часні швидкодіючі тиристори з мінімальним часом вимикання 20 мкс до- зволяють отримати граничну частоту лише 5 кГц. Інвертування на вищій частоті неможливе через ймовірність виникнення аварійного режиму, який називається перекиданням інвертора (коротке замикання на виході інверторного перетворювача). Робочу частоту тиристорного інвертора можна підвищити, якщо зробити його багатокільцевим. Але цей шлях не можна визнати ефективним, оскільки істотно ускладнюється схема інвертора і відповідно знижується його надійність. Тому на провідних світових фірмах, які випускають зварювальні джерела живлення, віддають перевагу більш швидкодіючим транзисторним інверторам.

Сучасні потужні транзистори в порівнянні з тиристорами мають вищі комутуючі властивості й можуть забезпечити частоту інвертуючої напруги й струму до 100 кГц. У табл.8.1 наведено порівняльну характери стику силових напівпровідникових приладів, які можуть бути використані як ключ і для інверторних джерел живлення.

Найкращі характеристики в цілому мають транзистори IGBT, що ви пускаються багатьма провідними фірмами світу. Їх широко застосовують в інверторній техніці завдяки легкості керування, здатності стійко працюва ти з піковими струмовими навантаженнями, широкій області безпечної ро боти, стійкості до перенапружень.

Таблиця 8.1 Основні параметри напівпровідникових приладів Транзистори Біполярний Польовий Біполярний з Параметри Тиристор ВJТ MOSFET ізольованим за твором IGBT Струм, А 400(4) 600(4) 100(3) 600(4) Робоча напруга, В 2500(4) 1200(4) 500(3) 1200(4) Час вимикання, мкс 20(3) 5(4) 0,3(5) 1(5) Легкість керування (3) (4) (5) (5) Примітка. У дужках наведені умовні оцінки характеристик за 5-бальною шкалою.

8.2. Схеми інверторних перетворювачів зварювальних джерел живлення Транзисторні інвертори як сучасні потужні перетворювачі струму в зварювальних джерелах живлення за принципом побудови розподіляються на однотактні та двотактні. В однотактних перетворювачах енергія з ме режі постійного струму передається навантаженню протягом одного з двох тактів його роботи. У двотактних схемах ця енергія потрапляє протягом обох тактів роботи перетворювача. У найпростішому вигляді однотактний інвертор являє собою послідовне з’єднання транзистора та навантаження (наприклад, первинна обмотка трансформатора). Транзистор працює у ре жимі перемикання з коефіцієнтом заповнення, який дорівнює відносній тривалості відкритого стану транзистора (звичайно = 0,5). При відкритому транзисторі до навантаження прикладено постійну напругу і в намагнічувальному контурі трансформатора нагромаджується реактивна енергія. Коли транзистор закритий, ця енергія передається навантаженню, формуючи імпульс напруги зворотної полярності. Головним недоліком од нотактних інверторів є несиметрична форма вихідної напруги і, як наслідок, підмагнічування трансформатора постійною складовою струму, що призводить до зростання його габаритних розмірів і підвищених втрат потужності в ньому. Тому область застосування однотактних схем обме жена малопотужними джерелами живлення (десятки ват).

У потужних зварювальних джерелах живлення застосовують дво тактні схеми інверторів. На рис. 8.6,а показано одну з поширених схем си лової частини інверторних джерел живлення з двотактним мостовим пере творювачем.

Рис.8.6. Джерело живлення на базі мостового інвертора (а) та часові діаграми напруги на виході інвертора і струму навантаження (б) Керування транзисторами VT1...VT4 здійснюється таким чином, що одночасно відкрита одна пара транзисторів, наприклад VT1 та VT4 або VT2 та VT3. При перемиканні цих пар (одна пара закривається, друга – відкривається зі зсувом за фазою на кут відносно першої пари – рис.8.6,б) відбувається зміна полярності на первинній обмотці трансфор матора. В кожній парі транзистори відкриті півперіоду. В результаті вихідна напруга інвертора має вигляд прямокутників з паузою на нульово му рівні тривалістю (1– ) (див. рис.8.6,б).

Якщо в інтервалі (0... ) відкриті транзистори VT1 та VT4, то на ділянці від 0 до н енергія, нагромаджена в попередньому періоді в на магнічувальному контурі трансформатора, повертається у джерело через діоди VD1, VD4, а на ділянці від н до струм iн змінює напрям і потра пляє із джерела постійної напруги на навантаження. У момент часу, коли =, відбувається вмикання транзисторів VT2, VT3 і утворюється коло, яке накоротко замикає вихідні виводи інвертора, що відповідає нульовому рівню напруги на виході інвертора (див. рис.8.6,б). Це коло складається з діода VD3 та транзистора VT1, який ще не закрився. Струм навантаження зменшується тому, що енергія, нагромаджена в індуктивності трансформа тора, витрачається на опорі контуру та на навантаження (дугу). У момент часу, коли 1 =, вмикаються транзистори VT2,VT3 та розпочинається другий півперіод, процеси якого подібні до розглянутих вище і відрізняються лише тим, що струм ін має зворотний знак. За формою струм ін більш схожий на синусоїду, ніж напруга, завдяки фільтруючій дії індуктивності трансформатора.

Півмостова схема з ємнісним подільником напруги та двома транзи сторами (рис.8.7,а) достатньо часто зустрічається в інверторних джерелах живлення. Спільна точка конденсаторів С1 і С2 у цій схемі утворює штуч ний вивід потенціалу вхідного випрямляча, що живить інвертор. У півперіод, коли відкритий транзистор VT1, відбувається заряд конденсато ра С2 і розряд С1. У другий півперіод, коли відкритий транзистор VT2, за ряджається С1 і розряджається С2. Таким чином, за допомогою ключів Uн VT1 та VT2 напруга кожної половини ємнісного подільника докла дається поперемінно з полярністю, що чергується, до первинної обмотки силового трансформатора.

Рис. 8.7. Схеми силового контуру напівмостового інвертора з ємнісним по дільником напруги (а) напівмостового інвертора з розподільним конденсатором (б) та джерела живлення на основі двотактного інвертора з нульовим виводом (в) У другому варіанті півмостової схеми (рис.8.7,б) застосований роз подільний конденсатор Ср, який заряджається, коли транзистор VT відкритий (VT2 – закритий), і розряджається протягом наступного півперіоду, коли відкритий транзистор VT2 (VT1 – закритий). Завдяки то му, що конденсатор пропускає лише змінну складову струму, до наванта ження (первинна обмотка трансформатора) докладається змінна напруга, а Uн на конденсаторі виділяється постійна складова напруги, яка дорівнює.

Отже, амплітуда змінної напруги на навантаженні, як і в інших Uн півмостових схемах, буде дорівнювати, а її форма наближатиметься до прямокутної.

Можливість об’єднання в спільну точку одного з виводів джерела, що живить інвертор, та одного із вхідних затискачів навантаження нале жить до особливостей схеми, наведеної на рис.8.7,б. Це дає змогу спрости ти монтаж пристрою. Таку ж позитивну властивість має й двотактна схема інвертора з нульовим виводом (рис.8.7,в), яка містить два транзистори (VT1 та VT2). У даному випадку колектор кожного транзистора підключений до відповідного виводу первинної обмотки трансформатора, а точка з’єднання емітерів – до негативного виводу випрямляча живлення.

При комутації транзисторів VT1 та VT2 по черзі постійна напруга докла дається відповідно то до однієї, то до другої половини первинної обмотки трансформатора і утворює в його магнітопроводі змінний магнітний потік.

Напруга, що докладається до закритого транзистора в цій схемі, дорівнює подвійній напрузі джерела, яке живить інвертор, а в інших розглянутих схемах – одинарному її значенню.

Книги, научные публикации

наверх