Трансформаторы для дуговой сварки и наплавки

Трансформаторы для дуговой сварки и наплавки
Классификация сварочных трансформаторов для
дуговой сварки
Трансформаторы
Ручная дуговая сварка
С нормальным рассеянием
магнитного поля
Тирристорные
трансформаторы
Секционированные
обмотки ( не для
промышленности)
С подвижным
шунтом ( не для
промышленности)
С подвижными
обмотками
С увеличенным рассеянием
магнитного поля
Сварка под флюсом
В
сварочных
трансформаторах
в
связи
с
необходимостью большого сдвига фаз напряжения и тока
для обеспечения устойчивого зажигания дуги переменного
тока при смене полярности требуется обеспечить
увеличенное индуктивное сопротивление вторичной цепи.
С ростом индуктивного сопротивления растет и наклон
ВСХ ИП на ее рабочем участке, что обеспечивает
получение падающих характеристик в соответствии с
требованиями общей устойчивости системы «источник
питания – дуга».
В конструкциях сварочных трансформаторов первой
половины 20-го века применялись трансформаторы с
нормальным рассеянием магнитного поля в сочетании с
отдельным или совмещенным дросселем. Регулирование
тока производилось изменением воздушного зазора в
магнитопроводе дросселя.
В современных сварочных трансформаторах, которые
выпускаются с 60-х годов 20-го века эти треборания
обеспечиваются за счет увеличения рассеяния магнитного
поля. Трансформатор как объект электротехники имеет
эквивалентную схему, содержащую активное и индуктивное
сопротивление.
Для сварочных трансформаторов, работающих в
режиме нагрузки, потребляемая мощность на порядок
больше, чем потери холостого хода, поэтому при работе под
нагрузкой потери холостого хода можно не учитывать. В
трансформаторах с увеличенным рассеянием магнитного
поля
. I
.
U 1  I ( jxT  R)
x  R
T
T,
и
Управление рассеянием магнитного поля производится
изменением геометрии воздушного промежутка между
первичной и вторичной обмотками (подвижные обмотки,
подвижный шунт), согласованным изменением числа
витков первичной и вторичной обмоток.
При рассмотрении упрощенной схемы трансформатора
с разнесенными обмотками можно получить зависимость
индукционного сопротивления от основных параметров
трансформатора
W2
X 
(   0 )  X 0
Rm
RM - cопротивление на
пути магнитного потока
рассеяния,
-относительное перемещение обмоток,
W-.число витков обмоток.
Тогда ток во вторичной цепи:
I
U 02  U 2 д
X

2
U 20
Uд
2
W2

(   0 )  X 0
RM
Диапазон плавного регулирования у современных
трансформаторов: 1:3; 1:4.
У
многих
сварочных
трансформаторов
есть
ступенчатое регулирование: - переключение и первичной и
вторичной обмотки на параллельное или последовательное
включение.
I 
K
W2
У современных трансформаторов для снижения веса и
стоимости на ступени больших токов сделано пониженное
до 60В напряжения холостого хода.
Трансформаторы с подвижными обмотками (ПО)
- плавное регулирование,
W-.ступенчатое регулирование.
Регулирование потока рассеяния магнитного поля в
данном случае происходит за счет изменения расстояния
между секциями первичной и вторичной обмоток
трансформатора. При увеличении расстояния увеличивается
рассеяние магнитного поля и индуктивное сопротивление
обмоток трансформатора, что приводит к уменьшению
сварочного тока.
Трансформаторы с ПО марки ТДМ серийно
выпускаются с номинальным сварочным током 160, 315,
400, 500 А при ПН=60%.
Такая схема используется и в сварочных выпрямителях
регулируемых трансформатором только там применяют не
однофазные и трехфазные трансформаторы.
Трансформаторы с подвижным шунтом (ПШ)
Такая схема используется в ИП бытового назначения и
в серийно выпускаемых сварочных выпрямителях
регулируемых трансформатором, только там применяют не
однофазные, а трехфазные трансформаторы.
RM
W- ступенчатое регулирование
плавное регулирование,
RM 
lM
S M 0
Регулирование потока рассеяния магнитного поля в
данном случае происходит за счет изменения длины и
сечения элементов магнитного пути между стержнями
магнитопровода. Т.к. магнитная проницаемость железа на 2
порядка больше, чем проницаемость воздуха, при движении
магнитного шунта меняется магнитное сопротивление
потока рассеяния, проходящего по воздуху. При полностью
введенном шунте поток рассеяния магнитного потока
трансформатора
максимальный,
что
приводит
к
максимальному индуктивному сопротивлению обмоток
трансформатора и, соответственно, к минимальному
сварочному току.
Трансформаторы с секционированными обмотками
(СО)
Такая схема используется в ИП бытового назначения и
в серийно выпускаемых сварочных выпрямителях
регулируемых трансформатором, только там применяют не
однофазные, а трехфазные трансформаторы.
W- ступенчатое регулирование
Обычно ступенчатое регулирование выполняется
переключение секций числа витков первичной обмотки
(изменением числа ее витков).
Кроме того, также ступенчато регулируют выходное
напряжение в трехфазных трансформаторах с жесткой ВСХ
для электрошлаковой сварки.
Тиристорные трансформаторы (ТТ)
Такие ИП марки ТДФЖ серийно выпускаются для
сварки под флюсом
Упрощенная схема силовой цепи трансформатора
марки ТДФЖ
Принцип регулирования напряжения и тока тиристорами
основан на фазовом сдвиге открытия тиристора в
полупериод прямой для него полярности. При этом
меняется среднее значение выпрямленного напряжения и,
соответственно, тока за полупериод.
Для обеспечения регулирования в однофазной сети
нужны 2 встречно включенных тиристора, причем
регулирование должно быть симметричным.
Тиристорные трансформаторы имеют близкую к жесткой
ВСХ, что обеспечивает эффективное саморегулирование
длины дуги.
Тиристоры удобны для регулирования напряжения и тока
в цепях переменного напряжения, поскольку их закрытие
происходит автоматически при смене полярности.
В
схемах
трансформаторов
ТДФЖ
тиристоры
устанавливаются в цепи первичной обмотки, потому что
потери на падение напряжения на открытых вентилях в
первичной цепи относительно рабочего напряжения меньше
в несколько раз и это обеспечивает более высокий КПД.
При
настройке
режима
сварки
тиристорных
трансформаторов с панели управления меняют время
задержки открывания тиристоров. Для уменьшения
сварочного тока время задержки открывания тиристоров
увеличивают от нуля до, обычно, 7-8 мс, что приводит к
снижению выходного напряжения и ВСХ ИП смещению
вниз ВСХ ИП.
Все
современные
трансформаторы
для
сварки
выполняются с алюминиевыми обмотками. Для надежности
электрического контакта на концах проводников приварены
холодной сваркой медные накладки.
С 80-х годов промышленные сварочные трансформаторы
выполняется с витым магнитопроводом из холоднокатаного
трансформаторного железа. Это обеспечивает в 1,5 раза
большую магнитную индукцию в сердечнике по сравнению с
горячекатаным трансформаторным железом, что дает
снижение веса магнитопровода и уменьшает в нем потери от
вихревых токов.
СВАРОЧНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
Регулируемые
трансформатором
ПО
ПШ
РДС
Регулируемые
тиристорами
СО
У
СП
СнэЗГ
СпэЗГ
СподФ
Классификация производится по второй из 3-х основных
функций источника
питания (устойчивое
горение,
регулирование, эффективное преобразование).
Обеспечение устойчивости горения для первой группы
обеспечивается характеристиками трансформаторов с ПО,
ПШ и СО. Выпрямители с ПО и ПШ имеют крутопадающие
ВСХ ИП и применяются для сварки покрытыми электродами
(РДС) и иногда для АрДС (СнэЗГ), а выпрямители с СО
имеют жесткие ВСХ ИП и применяются для сварки в СО2 и
аргоне плавящимся электродом (СпэЗГ).
В тиристорных универсальных выпрямителях за счет
применения электрических обратных связей получают все
виды ВСХ ИП от жесткой до штыковой, что позволяет их
применять для РДС, СнэЗГ, СпэЗГ и для сварки под флюсом
(СподФ).
В сварочном выпрямителе имеется силовой понижающий
трансформатор и блок выпрямителей. Трансформаторы,
применяемые в сварочных выпрямителях, по принципу
регулирования сварочного тока аналогичны рассмотренным
ранее сварочным трансформаторам, но имеют три стержня
магнитопровода и три группы обмоток. Это не только
обеспечивает равномерную нагрузку фаз питающей сети, но
и снижает пульсацию выпрямленного тока.
Ступенчатое
регулирование
осуществляется
переключением обмоток трансформатора звезда – звезда,
треугольник - треугольник, что приводит к изменению тока в
3 раза (больший ток при включении по схеме треугольник –
треугольник).
В отличие от сварочных трансформаторов даже самые
простые выпрямители содержат пускорегулирующую и
защитную аппаратуру для защиты полупроводниковых
выпрямителей (вентилей) от перегрузок по сварочному току,
по напряжению в закрытом состоянии и от нарушения
охлаждения (реле вентилятора или реле давления воды). Для
этого у источника питания должен быть силовой контактор,
который управляется кнопками ПУСК и СТОП и контактами
реле в схемах защиты от перегрузок.
В тиристорных сварочных выпрямителях и в
выпрямителях с секционированными обмотками (СО)
содержится еще силовой дроссель. Он находится в
электрической цепи выпрямленного тока и обеспечивает
получение непрерывного сварочного тока при регулировании
в тиристорных выпрямителях, регулирования скорости
нарастания тока короткого замыкания для уменьшения
разбрызгивания при сварке с периодическими короткими
замыканиями в среде защитных газов.
Выпрямительные
блоки
собираются
из
полупроводниковых диодов и тиристоров.
В отличие от проводников электрического тока, которые
одинаково хорошо проводят ток как в одном, так и в другом
направлении полупроводниковые элементы пропускают ток
только в одном направлении. Полупроводники с одним р—n
переходом называются диодами, а с тремя переходами тиристорами. Диоды имеют 2 силовых электрода, а
тиристоры еще и управляющий электрод. Тиристор
позволяет управлять задержкой его открывания от начала
полупериода прямой полярности, что обеспечивает
регулирование выпрямленного напряжения и тока.
Схема выпрямления переменного тока диодом (б) и
тиристором (в)
Примечание. Справа приведены обозначения проводника
а), диода б), тиристора в), применяемые в настоящее время в
электрических схемах.
ВАХ диода и тиристора
Пробой
обратным напряжением приводит к
лавинообразному нарастанию тока не основных носителей и
разрушению p-n перехода.
В прямом включении превышение Imax приводит к
перегреву и разрушению полупроводника.
Полупроводники имеют очень большой разброс
характеристик из-за технологии изготовления - технологии
внедрения примесей. Поэтому полупроводники одной
партии после изготовления разделяют на группы, чтобы их
характеристики были примерно одинаковыми.
Характеристики полупроводника сильно зависят от
температуры, с ростом которой уменьшается максимально
допустимый ток прямой проводимости и максимально
допустимое обратное напряжение при закрытом вентиле.
В
современном
сварочном
оборудовании
применяются силовые диоды, тиристоры, транзисторы с
полупроводниками на основе кремния. Максимальная
температура, которую выдерживают р-n переходы
кремниевого вентиля без разрушения, составляет 150 0С.
Поэтому силовые диоды и тиристоры устанавливают на
алюминиевые
радиаторы,
которые
принудительно
охлаждают потоком воздуха от вентилятора или пропуская
поток воды по каналам радиатора.
Конструктивно силовые вентили выпускают либо
таблеточные, либо штыревые.
В
маркировке
полупроводников
указывается
максимальный ток при номинальной температуре, класс и
группа проводника.
Класс = Uобрmax/100.
Группа- прямое падение напряжения с разбивкой
через 2 сотых вольта.
ТБ – 320 – 10 – 1.47, где
ТБ - тиристор быстродействующий;
320 - максимальный ток;
10 – класс (Uобрmax = 1000В);
1.47 – группа с напряжением на открытом вентиле
1.47В при максимальном токе.
Полупроводниковые
вентили
из-за
низкой
теплопроводности кремния (германия) выходят из строя
уже при небольших перегрузках, и поэтому должны иметь
защиту от перегрузок по прямому току. Обычно используют
электромагнитные автоматы защиты. Время срабатывания
сотые доли секунды.
В ИП с жесткой пологопадающей характеристикой,
где Iкз может быть в 3- 5 раз > Iном , вентили устанавливают
с запасом по максимальному току в 2-3 раза, и применяют
тепловые автоматы защиты. Время срабатывания обычно
несколько секунд.
Защита от обратных перенапряжений в цепях с
индуктивностью – установка интегрирующих цепочек R-C
между трансформатором и выпрямительным блоком.
Схема защиты полупроводника от ЭДС самоиндукции
В сварочных цепях благодаря ЭДС самоиндукции
возникают пики напряжения (перенапряжения), которые
могут вызвать пробой полупроводника в обратном
направлении. Для предупреждения этого полупроводники
шунтируются R - С цепью. При появлении на выводах
полупроводника повышенного напряжения происходит заряд
конденсатора, а затем его разряд через полупроводник в
прямом направлении.
Трехфазные схемы выпрямления
В сварочных выпрямителях обычно используют
трехфазные схемы выпрямления, которые обеспечивают
значительно меньшую пульсацию выпрямленного тока по
сравнению
с
однофазными
схемами.
Наибольшее
применение в сварочных выпрямителях получили мостовая и
кольцевая схемы выпрямления.
Трехфазная мостовая схема выпрямления (Ларионова)
В трехфазных выпрямителях блоки из диодов чаще
всего выполняют по мостовой схеме. В этом случае
пульсация выпрямленного напряжения составляет 300 Гц.
а
б
Трехфазная мостовая схема выпрямления а), фазное и
выпрямленное напряжение б)
При выпрямлении в анодной группе включаются
вентили с самым высоким потенциалом фазы, а в катодной
наоборот. В любой момент времени открыты вентили,
соединенные с фазами с наибольшим положительным и
наибольшим отрицательным потенциалами. Причем
каждый вентиль одной группы в течении трети периода
работает поочередно с двумя вентилями другой группы
Преимущества мостовой схемы:
1.В этой схеме наилучшее использование мощности
трансформатора.
2.Имеется возможность ступенчатого регулирования
тока по схеме звезда / звезда – треугольник / треугольник.
3.Наименьший коэффициент пульсаций выпрямленного
напряжения
Основной недостаток этой схемы выпрямления
удвоенное падение напряжения на двух вентилях в цепи
выпрямленного тока, что снижает КПД выпрямителя.
В сварочном оборудовании эта схема применяется
практически во всех выпрямителях для ручной РДС, СнеЗГ,
СподФ.
Кольцевая трехфазная схема выпрямления
В сварочном оборудовании эта схема применяется в
большинстве выпрямителей для СпеЗГ, и редко в других
сварочных выпрямителях.
Для ее реализации трансформатор выпрямителя должен
иметь две одинаковых группы вторичных обмоток,
соединенных в звезду, и включенных со сдвигом на половину
периода частоты сети. При этом пульсация выпрямленного
напряжения также составляет 300 Гц, но при такой схеме
невозможно ступенчатое регулирования тока по схеме звезда
/ звезда – треугольник / треугольник.
В этой схеме при переключении вентиля меняется и
одна из двух обмоток в цепи выпрямления. Причем каждая
обмотка одной группы в течении трети периода работает
поочередно с двумя обмотками другой группы.
Поскольку в цепи выпрямления только один вентиль,
а не два, то потери на выпрямлении в 2 раза меньше, чем в
предыдущей схеме. Поэтому такая схема применяется при
низких напряжениях нагрузки при сварке плавящимся
электродом в защитных газах, где напряжение на дуге
может быть 14В.
В отличие от предыдущей схемы каждый вентиль в
открытом состоянии работает 1/6 периода, а не 1/3 периода.
Поэтому такая схема применяется и в мощных
выпрямителях (1000А и более).
Основной недостаток этой схемы выпрямления – для
нее требуется более сложный и более дорогой
трансформатор с двумя вторичными обмотками, который
проектируется с учетом подмагничивания постоянной
составляющей тока.
Сглаживающие фильтры
Бывают фильтры емкостные и индуктивные.
Емкостные
фильтры
наиболее
целесообразно
применять при большом сопротивлении нагрузки и при
высоких рабочих частотах, или хотя бы если есть одно из
этих условий.
Индуктивный фильтр:
Для сварочных ИП с выпрямлением на промышленной
частоте по габаритам, весу и стоимости приемлемы только
индуктивные фильтры. Конструктивно это дроссели с
сердечником из трансформаторного железа и зазором в
сердечнике для уменьшения подмагничивания постоянной
составляющей выпрямленного тока.
Сварочные
трансформатором
выпрямители
регулируемые
В промышленности наибольшее распространение
получили сварочные выпрямители с ПО, чаще всего
встречается сварочный выпрямитель ВД-306 с ПО, но
есть и выпрямители ВД-306 и ПШ.
Такие выпрямители имеют силовой трансформатор с
подвижными катушками или шунтом, выпрямительный блок и
пускозащитную аппаратуру. Грубая регулировка тока
осуществляется одновременным переключением первичной и
вторичной обмоток по схеме звезда / звезда – треугольник /
треугольник, что приводит к увеличению тока в 3 раза.
В пределах каждой ступени плавное регулирование тока
производится изменением расстояния между первичной и
вторичной обмотками или перемещением шунта (подробнее
о работе таких трансформаторов смотри выше).
Выпрямительный блок ВД-306 собран на кремниевых
диодах, которые принудительно охлаждаются вентилятором.
Включение выпрямителя в работу и выключение
производятся магнитным пускателем. Защитная аппаратура
не позволяет включать выпрямитель, если на диоды не
поступает воздушный поток, а так же если вышел из строя
один из диодов или произошел пробой сетевого напряжения
на корпус. Описанная пускозащитная аппаратура является
традиционной для сварочных выпрямителей. Выпрямители
рассмотренного типа просты в изготовлении и эксплуатации.
Их недостатки - в отсутствии стабилизации режима при
изменении
напряжения
сети
и
невозможности
дистанционного управления.
Выпрямители с подвижным шунтом ВД-306 и ВД-313 не
позволяют плавно регулировать сварочный ток, так как шунт
должен быть закреплен неподвижно перед сваркой из-за
больших электромагнитных сил, которые на него действуют
в режиме работы на нагрузку.
Выпрямители для СпэЗГ (например марки ВС)
позволяют до сварки ступенчато регулировать выходное
напряжение переключением секций первичных обмоток
трансформатора и ступенчато регулировать число обмоток
дросселя для изменения скорости нарастания тока короткого
замыкания.
Сварочные
тиристорами
выпрямители,
регулируемые
Тиристорные выпрямители помимо трансформатора и
блока вентилей содержат в силовой цепи фильтр-дроссель, а
в системе управления датчики и электронные блоки.
Многопостовые сварочные выпрямители
Сварочные выпрямители с жесткими внешними
характеристиками используются для многопостовой сварки полуавтоматической и ручной. Для расчета числа постов,
питаемых от одного многопостового источника, вводится
коэффициент одновременности работы постов: К = 0,5...0,7 для ручной сварки и автоматической под флюсом; К =
0,7...0,9 - для сварки в защитных газах.
Число постов, которые можно подключить к
многопостовому выпрямителю, определяется из выражения
Jн
n
К  J нп
где Jн – номинальный ток
номинальный ток поста.
выпрямителя,
Jнп –
Упрощенная схема многопостового сварочного
выпрямителя содержит: Т - силовой трансформатор и БВ блок выпрямления. К нему параллельно подключается
несколько балластных реостатов: Rб1 , Rб2 и т.д.
Балластные реостаты выпускаются двух типов: РБ для ручной сварки и РБГ - для полуавтоматической сварки в
углекислом газе.
а
б
Схемы балластных реостатов типа РБ а) и РБГ б).
При подключении балластного реостата типа РБ на
сварочном посту обеспечивается крутопадающая ВСХ
необходимая для РДС, а при подключении балластного
реостата типа РБГ на сварочном посту обеспечивается полого
падающая ВСХ необходимая для СпэЗГ.
Регулирование сварочного тока реостатами ступенчатое и
возможно во время сварки, но не рекомендуется в связи с
уменьшением срока службы ножевых переключателей.
Наиболее распространены реостаты типа РБ-302 и РБ-306
на номинальный ток поста 315А. Реостат РБ-306 при этом
позволяет регулировать ток с шагом 5А.