Назад: 2.6.2. Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием

2.6.3. Тиристорные трансформаторы [15]

Общее устройство тиристорных трансформаторов. Тиристорным трансформатором принято называть комбинацию собственно трансформатора и полупроводникового коммутатора с фазным управлением. Они относятся к последнему поколению сварочных трансформаторов. Промышленное использование их стало возможным вместе с широким внедрением силовых полупроводниковых элементов в сварочной технике. Блок-схема простейшего тиристорного трансформатора показана на рис.2.17 [4,14].

Собственно трансформатор служит для понижения сетевого напряжения, необходимого для сварки, а также может использоваться для получения необходимой формы внешней характеристики и настройки режима сварки.

Рис.2.17. Блок-схема тиристорного трансформатора

Две последние функции – формирование формы внешней характеристики и настройка параметров режима – могут выполняться полупроводниковым фазовым коммутатором. В качестве коммутирующих элементов используются силовые управляемые полупроводниковые вентили – тиристоры, соединенные встречно параллельно. Фазовый коммутатор может устанавливаться как в цепи вторичной обмотки трансформатора, так и в цепи первичной обмотки, как это показано на схеме тиристорного трансформатора с прерывистым питанием (рис.2.18). В состав коммутатора входят: блок задания (БЗ), с помощью которого устанавливается необходимое значение сварочного тока или напряжения; блок фазового управления (БФУ), формирующий сигнал для включения коммутирующих вентилей.

Рис.2.18. Схема тиристорного трансформатора с прерывистым питанием (а); осциллограмма электрических параметров нагрузки (б)

При больших коэффициентах усиления управляемых вентилей электрическое управление трансформатором выполняется с помощью блоков БЗ и БФУ, собранных на слаботочных полупроводниковых элементах. Это придаёт трансформатору множество ценных свойств. При электрическом способе задания параметров режима у трансформатора отсутствуют силовые подвижные части, сокращаются размеры регулирующих устройств, легко осуществляется дистанционное задание параметров режима и ввод программного управления ими, с помощью обратных связей формируется внешняя характеристика.

Задание параметров режима в тиристорном трансформаторе. Коммутатор обычно собирается из двух встречно параллельно включенных тиристоров VS1 – VS2 (рис.2.18,а) Один из тиристоров проводит ток в один полупериод, другой – во второй полупериод. По тиристорам проходит выпрямленный ток, а в цепи нагрузки – переменный (рис.2.18,б). Коммутатор вместе со схемой управления представляет собой фазовый регулятор. Управление током нагрузки основано на преобразовании синусоидального тока в знакопеременные импульсы, амплитуда и длительность которых определяется углом (фазой) включения тиристоров. Настройка величины тока осуществляется за счет изменения U_xx трансформатора, так как при изменении угла включения тиристоров изменяется действующее значение его выходного напряжения. При таком управлении трансформатора режим горения дуги прерывистый.

Фазовое управление обладает всеми достоинствами электрического управления (малые габариты, плавность регулирования, универсальность и т.д.), но имеет недостатки. Главный из них заключается в снижении устойчивости горения дуги переменного тока. В интервале времени t₀ – t₁ дуга не горит, и межэлектродный промежуток остывает. Это затрудняет повторное зажигание дуги. Чем больше угол a, тем устойчивость горения дуги ниже. Эти недостатки устраняются следующими способами: введением цепи подпитки дуги либо подачей импульса на дуговой промежуток в момент t₁ с помощью импульсного стабилизатора. В первом случае дуга имеет непрерывное питание и горит без перерывов, а во втором – питание дуги прерывистое, т.е. дуга горит с перерывами. Соответственно различают конструкции трансформаторов с подпиткой дуги либо с прерывистым питанием дуги. В трансформаторах с подпиткой дуги фазовый регулятор включен во вторичную цепь, но он может быть включен и в цепь первичной обмотки. Для заполнения бестоковых промежутков в интервале проводимости тиристоров использована специальная цепь, называемая цепью подпитки дуги, по которой проходит минимальный ток, необходимый для непрерывного горения дуги. В бестоковые интервалы тиристоров ток подпитки подбирается таким образом, чтобы при U_xx трансформатора, равном 70 В, ток подпитки для аргонодуговой и ручной дуговой сварки составлял 10...15 А, а для автоматической сварки под флюсом – 20...30 А.

Фазовый регулятор VS1-VS2 (рис.2.18,а) включен в цепь первичной обмотки. Принцип настройки режима этого трансформатора остается прежним. В бестоковые промежутки времени происходит быстрая деионизация дугового газа. Для надежного повторного зажигания дуги в конструкции трансформатора предусмотрено устройство, облегчающее повторное зажигание дуги – импульсный стабилизатор горения дуги. Он состоит из конденсатора С и дополнительной импульсной обмотки ИО, которая подключена к первичной сети и намотана сверху вторичной обмотки трансформатора. Её магнитный поток направлен согласно потоку первичной обмотки.

При включении любого из тиристоров конденсатор заряжается до амплитудного значения питающего напряжения. Время зарядки конденсатора близко к нулю, т.е. зарядный ток протекает практически мгновенно. Он проходит по импульсной обмотке, трансформируется во вторичную цепь силового трансформатора ТV и вызывает в дуговом промежутке импульс напряжения U_ис, необходимого для повторного зажигания дуги (рис.2.18). Время прохождения импульса 20...100 мкс. По окончании периода проводимости тиристора дуга гаснет, и конденсатор разряжается на первичную обмотку ТV. В следующий полупериод сетевого напряжения включается второй тиристор коммутатора, конденсатор заряжается противоположной полярностью. Его зарядный ток вызывает стабилизирующий импульс и обеспечивает повторное зажигание дуги в противоположном полупериоде. Параметры стабилизирующего импульса подбираются емкостью конденсатора и соотношением витков импульсной и вторичной обмотки ТV. Ёмкость конденсаторов для токов 1000...2000 А составляет 10 мкФ, а в трансформаторах для ручной дуговой сварки (РДС) на токи 300...500 А – 2 мкФ. По этому принципу построены трансформаторы типа ТДФЖ-1002 и ТДФЖ-2002 (прил.2).

Формирование внешних характеристик тиристорных трансформаторов. Падающие внешние характеристики формируются двумя способами. Наиболее просто они получаются при использовании трансформатора с увеличенным магнитным рассеянием. Наклон характеристик (тонкие линии) зависит от индуктивного сопротивления трансформатора Х_т, а U_xx определяется углом отпирания тиристора a (рис. 2.19).

Рис. 2.19. ВАХ тиристорного трансформатора с увеличенным магнитным рассеянием: Б, В, Г, Д – естественные внешние характеристики трансформатора при различных величинах U_хх, задаваемых соответствующими углами открытия тиристоров

Другой способ формирования падающих внешних характеристик заключается в использовании тиристорного коммутатора с отрицательной обратной связью по току (рис. 2.20). При этом трансформатор должен иметь жесткую характеристику. Датчик тока формирует сигнал, пропорциональный сварочному току U_ост = kI₂, который сравнивается с сигналом, пропорциональным заданному значению тока U_зт = kI_зт.

Рис. 2.20. Блок-схема тиристорного трансформатора с отрицательной обратной связью по току

Разность двух сигналов U_ост – U_зт = k(I₂ – I_зт) подается в блок фазового управления и изменяет угол поджигания a тиристоров. Это, в свою очередь, приводит к изменению напряжения нагрузки U₂. Например, при увеличении тока I₂ угол a возрастает, что приводит к уменьшению вторичного напряжения U₂:

I₂ Þ U_ост Þ (U_ост – U_эт ) Þ a Þ U₂¯.

На рис.2.21 показано, как из естественной характеристики собственного трансформатора формируется искусственная крутопадающая внешняя характеристика. При холостом ходе отсутствует ток I₂ (U_ост = 0), и обратная связь не действует.

Рис. 2.21. Формирование внешней характеристики тиристорного трансформатора с обратной связью по току: Б, В, Г, Д – естественные внешние характеристики трансформатора при различных величинах U_хх, задаваемых соответствующими углами открытия тиристоров; 1…4 – рабочие точки падающей характеристики

Угол зажигания тиристоров при этом минимален (a = 0), а напряжение U₂ максимально (точка 1 на рис.2.21). При появлении сварочного тока угол a увеличивается, например, a= 30°, и напряжение U₂ снижается (точка 2). При дальнейшем увеличении тока рабочая точка переходит в положение 3, 4.

При введении обратной связи по напряжению дуги U_д или по напряжению сети U₁ можно получить жесткие и к тому же стабилизированные (не зависящие от колебания напряжения сети) внешние характеристики.

Далее: 2.6.4. Трансформаторы для сварки трехфазной дугой