Назад: 3.1. Устройство и классификация сварочных выпрямителей

3.2. Схемы выпрямления

Рассмотрим несколько силовых диодных схем, используемых в сварочных выпрямителях: однофазную мостовую, шестифазную с выведенным нулем,

шестифазную с уравнительным реактором, кольцевую, а также трехфазную мостовую при их работе на активную линейную нагрузку (резистор). Общее правило анализа схем следующее: в любой момент времени открывается тот вентиль, к аноду которого приложен максимальный положительный потенциал или к катоду которого приложен максимальный отрицательный потенциал.

Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 3.6) работает следующим образом. В первом полупериоде (при положительной полярности левой клеммы вторичной обмотки трансформатора) ток пропускают вентили VD1 и VD2 (путь тока показан пунктирной линией), во втором – вентили VD3 и VD4. В результате ток i_н в нагрузке остается постоянным по направлению (рис.3.6,г). Форма кривой выпрямленного напряжения U_в (рис.3.6,в) – пульсирующая от 0 до U_m, т.е. малопригодная для сварки.

Рис. 3.6. Однофазная мостовая схема выпрямления: а – принципиальная схема; б – вторичное напряжение на трансформаторе; в – выпрямленное напряжение; г – выпрямленный ток

Шестифазная схема с выведенным нулем (рис. 3.7) ранее использовалась в многопостовых выпрямителях. Как видно, трансформатор имеет две группы вторичных обмоток (А1, B1, C1 и А2, В2, C2), каждая из которых соединена в звезду. Нулевые точки обеих звезд соединены и выведены к нагрузке. В цепи каждой обмотки установлен вентиль. Поскольку катоды всех вентилей соединены и, следовательно, имеют одинаковый потенциал, то в любой момент работает только один вентиль с максимальным положительным потенциалом на аноде.

Рис.3.7. Шестифазная нулевая схема выпрямления: а – принципиальная схема; б – вторичные фазные и выпрямленное напряжения; в – выпрямленный ток

Как следует из рис.3.7,б, с момента t₁ работает вентиль VD1, соединенный с обмоткой A1 (рис.3.7,а). Путь тока в этом интервале времени показан пунктирной линией. Остальные вентили заперты, так как к их катодам через VD1 подан максимальный положительный потенциал. С момента t₂ вентиль VD1 отключается, а в работу вступает вентиль VD2, соединенный с обмоткой С2, и далее – другие вентили по порядку номеров. Выпрямленное напряжение u_в, показанное утолщенной линией на рис. 3.7,б, меняется по огибающей фазных напряжений отдельных обмоток. Его среднее значение U_в можно вычислить на участке от t₁ = π/3 до t₂ = 2π/3 при U_в = U_a1:

(3.1)

где Q – угловая часть синусоиды, при которой ток проходит через проводящий диод.

Выпрямленное напряжение U_в (рис.3.7,б) колеблется вблизи средней величины U_в менее значительно, чем в однофазной мостовой схеме, поэтому и выпрямленный ток меняется незначительно и дуга при сварке более устойчива. Частота колебаний выпрямленного напряжения в шесть раз больше исходной, т.е. равна 300 Гц.

Определим величину максимального обратного напряжения на неработающем вентиле. Например, в интервале t₁…t₂ сопротивление проводящего вентиля VD1 близко к нулю, поэтому к катоду вентиля VD4 приложен максимальный положительный потенциал обмотки A1. В то же время к аноду этого вентиля VD4 приложен максимальный отрицательный потенциал обмотки А2. Следовательно, к неработающему вентилю VD4 приложено в обратном направлении напряжение двух обмоток A1 и А2, а его амплитудное значение:

. (3.2)

С учетом соотношения (3.I)

. (3.3)

Из рис. 3.7,в следует, что каждый вентиль работает 1/6 часть периода, поэтому средний ток вентиля

. (3.4)

Небольшая токовая загрузка вентилей дает значительные выгоды. Недостатком схемы является то, что расчетная мощность трансформатора в шестифазной схеме S_т = 1,55×I_нU_в, т.е. почти в полтора раза выше потребляемой мощности. Для устранения вынужденного намагничивания железа трансформатора его первичные обмотки можно соединять только треугольником.

Рис. 3.8. Шестифазная схема выпрямления с уравнительным реактором: а – принципиальная схема; б – вторичные фазные и выпрямленное напряжение; в – выпрямленный ток

Шестифазная схема с уравнительным реактором-дросселем L (рис.3.8) обеспечивает лучшее использование вентилей. В этой схеме в любой момент параллельно работают два вентиля и две обмотки - по одной из каждой трехфазной группы (A1, B1, С1 и А2, В2, С2). Например, с момента t₁ в работу вступает вентиль VD1, на аноде которого появился максимальный в первой группе положительный потенциал обмотки А1 (показано пунктирной линией на рис. 3.8,а). Но в этот момент продолжает работать и вентиль VD6, на аноде которого остается максимальный во второй группе потенциал обмотки B2 (показано пунктирной линией). Выпрямленное напряжение равно половине сумме напряжений работающих фаз. В интервале t₁…t₂:

,

или ,

или .

Из уравнений видно, что напряжение u_L реактора L (на рис.3.8,б показано штриховкой) добавляется к напряжению фазы А1 и вычитается из напряжения фазы В2. Благодаря этому в цепи вентилей VS1 и VS6 действует одинаковое напряжение и, следовательно, работа вентиля VS6 не препятствует отпиранию VS1.

Таким образом, назначение реактора заключается в выравнивании напряжения коммутируемых фаз из разных групп обмоток, что приводит к вовлечению в одновременную параллельную работу двух вентилей.

Ток по любому вентилю идет одну треть периода (рис.3.8,в), но поскольку по каждому вентилю идет лишь половина выпрямленного тока, то среднее значение тока вентиля так же, как в шестифазной нулевой схеме, I_v = 0,17×I_н. В отличие от шестифазной нулевой схемы (в сравнении с рис. 3.7,в) ток вентиля более равномерно распределен по периоду и, следовательно, его действующее значение меньше, что обеспечивает лучшее использование вентиля.

Выпрямленное напряжение U_в меняется по огибающей полусумме напряжений коммутирующих фаз (рис. 3.8,б), поэтому среднее значение выпрямленного напряжения U_в = 1,17U₂ несколько ниже, чем в шестифазной нулевой схеме. Максимальные обратные напряжения у них совпадают: U_обр = 2,1U_в. Расчетная мощность трансформатора S_т = 1,26×I_нU_в и реактора S_L = 0,071×I_нU_в, т.е. ниже, чем в шестифазной нулевой схеме.

Из всех рассматриваемых схем шестифазная с уравнительным реактором требует наименее мощных вентилей, она нашла применение в конструкции выпрямителей на управляемых вентилях.

Кольцевая схема (рис.3.9) считается также разновидностью шестифазной.

Рис. 3.9. Кольцевая схема выпрямления

Трансформатор имеет две группы вторичных обмоток (Al, B1, C1 и A2, B2, С2), каждая из которых соединена в звезду. С нулевых точек каждой звезды напряжение подается на нагрузку. Блок вентилей как бы образует кольцо, что и объясняет название схемы. В любой момент работают две обмотки и один вентиль. На рис.3.9 показано, например, что ток идет по вентилю VD1 через обмотку А1 с наибольшим положительным потенциалом и через обмотку В2 – с наибольшим отрицательным потенциалом. Затем ток пойдет по вентилю VD2 через обмотки A1 и С2 и т.д. Следовательно, выпрямленное напряжение меняется по огибающей кривой линейных напряжений, его среднее значение U_в = 2,34×U₂. По любому вентилю ток идет 1/6 часть периода, его среднее значение I_в = 0,17×I_н. Обратное напряжение на вентиле U_обр = 2,1×U_в. Трансформатор в этом случае используется эффективнее, чем в любой из шестифазных схем, его расчетная мощность S_т = 1,26×I_нU_в. Кольцевая схема, дающая наибольшую экономию на стоимости трансформатора при относительно дешевом выпрямленном блоке, широко используется в конструкции мощных многопостовых выпрямителей.

Трехфазная мостовая схема (рис. 3.10) получила наибольшее распространение. В ней вентили VD1, VD3 и VD5, у которых соединены катоды, образуют катодную, а вентили VD2, VD4 и VD6 – анодную группы. Так как катоды вентилей в катодной группе имеют одинаковый потенциал, то в любой момент времени будет работать вентиль с максимальным положительным потенциалом анода. В момент t₀ – это вентиль VD6 в фазе С. В анодной группе открыт вентиль с максимальным отрицательным потенциалом катода. В момент t₀ – это вентиль VD6 в фазе В. Путь тока в этот момент показан на рис. 3.10,а пунктиром. Все остальные вентили заперты, на анодах потенциал ниже, чем на катодах. С момента t₁ в катодной группе вместо вентиля VD5 начинает работать вентиль VD1, а с момента t₂ в анодной группе вместо VD6 – вентиль VD2 и т.д. Очередность вступления в работу вентилей соответствует их номерам (рис.3.10,г).

Рис. 3.10. Трехфазная мостовая схема выпрямления: а – принципиальная

схема; б – вторичные фазные напряжения; в – вторичные линейные

и выпрямленные напряжения; г – выпрямленный ток

Потенциал общих катодов схемы изменяется по верхней огибающей кривых фазных напряжений (u_2c, u_2a…), а потенциал общих анодов – по нижней огибающей (u_2в, u_2с….). Выпрямленное напряжение u_в в интервале t₀…t₁ представляет собой разность напряжений фаз С и В, а именно: u_в = u_2c – u_2в = u_cв (заштриховано на рис. 3.10, б и в), а с момента t₁ – разность напряжений фаз А и В, а именно: u_в = u_2а – u_2в = u_ав. Следовательно, выпрямленное напряжение u_в меняется по огибающей линейных напряжений u_cв, u_ав (показано толстой линией). Среднее значение выпрямленного напряжения U_в можно вычислить на участке между –π/6 и +π/6 (рис.3.10,в).

(3.5)

Выпрямленное напряжение u_в колеблется вблизи средней величины U_в незначительно, что способствует устойчивому горению дуги

Определим величину максимального обратного напряжения U_обр на неработающем вентиле. Например, в момент t₀ потенциал катода вентиля VD3 тот же, что и у открытого вентиля VD5, следовательно, совпадает с фазным напряжением u_2с. В этот же момент на анод VD3 подано отрицательное напряжение u_2в. Следовательно, к закрытому вентилю VD3 приложено вторичное напряжение u_св = u_2с – u_2в, амплитудное значение:

. (3.6)

Из уравнений (3.5) и (3.6):

. (3.7)

На рис. 3.10,г видно, что каждый вентиль работает 1/3 периода, поэтому средний ток вентиля

(3.8)

выше, чем в шестифазных схемах, но ниже, чем в однофазной мостовой.

Расчетная мощность трансформатора в трехфазной мостовой схеме S_т = 1,05×I_нU_в. Как видно, она незначительно отличается от мощности потребителя S_н = I_нU_в. Это свидетельствует о хорошем использовании трансформатора, к тому же трансформатор имеет наиболее простую конструкцию среди всех рассмотренных многофазных схем выпрямления. Так как затраты на трансформатор всегда преобладают в общей стоимости выпрямителя, то, несмотря на небольшой проигрыш в стоимости выпрямительного блока, трехфазная мостовая схема нашла широкое применение в конструкции серийных выпрямителей на неуправляемых вентилях.

Далее: 3.3.1. Выпрямители с секционированными обмотками