Методические указания по выполнению лабораторной работы №1 по дисциплине «Источники питания для сварки»

 

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СВАРОЧНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ С ФАЗОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ТИПА ВДУ-504

 

Составители             к.т.н., доц. Евченко В.М.

д.т.н., проф. Стрижаков Е.Л.

             

Электронная версия лабораторной работы составлена на базе издания: Исследование работы сварочных выпрямителей: Метод. указания/ ДГТУ, Ростов н/Д, 2006. – 12 с.

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучить устройство сварочного выпрямителя универсального ВДУ-504 с падающей внешней характеристикой, и исследовать влияние изменения регулируемых параметров на форму внешних характеристик выпрямителя.

В процессе работы студент должен изучить конструкцию и принцип работы сварочного выпрямителя, а также отдельных его функциональных блоков.

Кроме того, он должен экспериментальным путем построить внешние и регулировочные характеристики и объяснить, чем обусловлены полученные формы характеристик и их расхождения. При этом студент должен использовать багаж теоретических знаний, заводскую техническую документацию, прилагаемую к выпрямителю, методические указания и натуральный образец выпрямителя.

Приступая к выполнению лабораторной работы, студент должен знать:

- устройство и принцип действия полупроводниковых неуправляемых вентилей (диодов) и управляемых вентилей (тиристоров);

- устройство и принцип работы однофазных однополупериодных и двухполупериодных схем выпрямления;

- устройство и принцип работы двухфазных однополупериодных и двухполупериодных схем выпрямления;

- устройство и принцип работы трехфазных схем выпрямления (простых, мостовых и комбинированных);

- устройство и принцип работы сварочных трансформаторов с нормальным и повышенным магнитным рассеянием;

- способы регулирования сварочных выпрямителей;

- устройство балластных реостатов.

Студент должен уметь:

- построить функциональную блок-схему источника питания, пользуясь его описанием и натуральным образцом оборудования;

- собирать электрические схемы;

- пользоваться измерительными приборами.

 

2. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

2.1. Основные элементы сварочных выпрямителей

 

Основными элементами сварочного выпрямителя являются: силовой трансформатор, выпрямительный блок, пусковое устройство, регулирующее устройство, блок фазового управления тиристорами, блок защиты и сигнализации. Силовой трансформатор любого сварочного выпрямителя – трехфазный, поэтому схемы всех выпрямительных блоков сварочных выпрямителей - трехфазные. Использование трехфазных схем выпрямителя необходимо для снижения глубины пульсации переменной составляющей выпрямительного напряжения. Используя различные схемы выпрямления трехфазного тока, можно значительно изменить глубину и частоту пульсации переменной составляющей.

Переход тока от одного вентиля к другому (коммутация тока) происходит в момент пересечения кривых фазных напряжений (точка а,б,в,г) (рис.1б). Выпрямленный ток проходит через нагрузку Rн непрерывно. Напряжение на выходе выпрямителя в любой момент времени равно мгновенному значению напряжения той вторичной обмотки, в которой вентиль проводит ток, и выпрямленное напряжение представляет собой кривую, огибающую верхушки синусоид фазных напряжений.

Анодный ток будет иметь форму прямоугольника с основанием 2π/3, ограниченную сверху отрезком синусоиды.

Выпрямленное напряжение содержит постоянную составляющую и наложенную на нее переменную составляющую, имеющую трехкратную частоту по отношению к частоте питающей сети, т.е. равную 3f.

Поочередное прохождение однонаправленных токов во вторичных обмотках трансформатора создает во всех трех сердечниках магнитный поток одного направления. Наличие этого потока вынужденного намагничивания приводит к необходимости увеличения сечения сердечника во избежание его насыщения, поэтому эти схемы выпрямления не используются в силовых выпрямителях.

Выпрямительный блок состоит из полупроводниковых элементов, собранных по определенной схеме. Форма внешних статических характеристик сварочных выпрямителей определяется формой характеристики силового блока переменного тока трансформатора или формируется за счет отрицательных обратных связей по сварочному току или напряжению дуги. При этом выпрямительный блок собран из управляемых вентилей, а в схему выпрямителя входит узел, содержащий систему управления вентилями, который формирует внешнюю характеристику выпрямителя.

 

2.2. Универсальный сварочный выпрямитель ВДУ-504

 

Универсальность выпрямителя заключается в том, что он может работать на естественных жестких и крутопадающих характеристиках, формируемых системой авторегулирования.

В силовом блоке выпрямителя ВДУ-504 используются две простые трехфазные схемы выпрямления, соединенные между собой через уравнительный реактор (дроссель Кюблера). Поэтому для облегчения понимания принципа работы силового блока выпрямителя, вначале разберем принцип работы простой трехфазной схемы выпрямления (рис.1).

 

 

Рис.1. Простая трехфазная электрическая схема выпрямления с нулевой точкой

 

Из временной диаграммы видно, что напряжения U2a,U2b,U2c сдвинуты по фазе на 2p/3(град) и в течение 1/3 периода напряжение одной фазы выше напряжения двух других. Ток через вентиль ia, связанную с ним вторичную обмотку и нагрузку будет проходить в течение той трети периода, когда напряжение на данной фазе больше, чем у двух других. Работающий вентиль прекращает проводить ток тогда, когда потенциал его анода становиться ниже общего потенциала катодов.

 

2.3. Устройство и принцип работы силового блока ВДУ-504

 

Силовой трансформатор нормального рассеяния имеет две группы вторичных обмоток (a,в,c и x,y,z), каждая из которых соединена в звезду; причем в первой группе нулевая точка звезды образована концами обмоток, а во второй группе – началами обмоток (рис.2).

В результате силовая схема ВДУ-504 представляет собой параллельное соединение двух звезд a,в,c и x,y,z, нулевые точки которых соединены через уравнительный реактор (дроссель ДР2). Наличие дросселя обеспечивает выравнивание мгновенных напряжений трехфазных групп и позволяет осуществлять параллельную работу последних. Инерционность плеч дросселя приводит к тому, что обе звезды работают полностью автономно в трехфазном режиме.

 

 

Рис. 2. Принцип работы силового блока ВДУ-504: а – принципиальная схема выпрямительного блока; б – диаграмма изменения напряжения; в - диаграмма изменения тока

 

Схема такого преобразования аналогична простой шестифазной. Нулевая точка одной звезды организована началами обмоток, а другая – концами. Это позволяет сдвинуть фазные напряжения звезд между собой на 60 электрических градусов. Поэтому частота пульсации выпрямленного напряжения также равна 6f. Существенное различие состоит в том, что в схеме с уравнительным реактором ток в нагрузку посылают одновременно два вентиля, по одному из каждой звезды, поэтому ток и напряжение нагрузки равны сумме токов и напряжений двух звезд. Это обстоятельство позволяет использовать вентили меньшей мощности.

Кроме того, отличие от простой трехфазной схемы выпрямления в схемах с уравнительным реактором (ВДУ-504) в течение рабочего интервала одновременно проходят токи во вторичных обмотках, расположенных на разных стержнях магнитной системы, при этом через две первичных обмотки, расположенных на тех же стержнях, также проходят токи. Намагничивающие силы от токов первичной и вторичной обмоток на каждом из стержней в этом случае уравновешиваются, и однонаправленный магнитный поток Ф0 не возникает.

Для улучшения динамических свойств выпрямителя в цепь выпрямленного тока включен дроссель индуктивности ДРТ (рис.3).

 

2.4. Принцип работы схемы управления тиристорами выпрямительного блока ВДУ-504

 

Упрощенная схема выпрямителя представлена на рис.3.

 

 

Рис. 3. Упрощенная схема выпрямителя ВДУ-504

 

Напряжение на выходе выпрямителя определяется углом открытия тиристоров выпрямительного блока, который обеспечивается схемой управления тиристорами (СУ), подающей отпирающие импульсы на управляющие электроды тиристоров выпрямительного блока.

Падающие внешние характеристики выпрямителя ВДУ-504 формируются за счет отрицательной обратной связи по сварочному току. В цепи обратной связи предусмотрено устройство для измерения сварочного тока, выполненное на магнитном усилителе МУ. Обмоткой управления МУ служит шина, по которой проходит сварочный ток. Рабочие обмотки МУ включены встречно-параллельно и питаются через понижающий трансформатор Т линейным напряжением сети. С выхода рабочих обмоток МУ снимается напряжение U_ост, пропорциональное сварочному току. Это напряжение выпрямляется, фильтруется в блоке БС сравнивается со стабилизированным напряжением U_э.т. установки по току. Разностный сигнал ΔU подается на усилитель постоянного тока, а затем на шестифазную схему управления СУ тиристорами выпрямительного блока. Поскольку напряжение обратной связи U_ост пропорционально силе сварочного тока, то выходное напряжение выпрямителя с увеличением сварочного тока будет уменьшаться и наоборот. Таким образом, обеспечивается падающая внешняя характеристика.

При холостом ходе U_ост = 0 (МУ – закрыт) и на вход СУ действует только напряжение установки по току U_з.т., поэтому угол открытия тиристоров – максимальный, и напряжение холостого хода выпрямителя определяется напряжением холостого хода трансформатора. При определенной величине сварочного тока угол отпирания тиристоров станет равным нулю и напряжение на выходе выпрямителя тоже станет равным нулю, что соответствует режиму короткого замыкания. Наклон внешней характеристики выпрямителя регулируют плавно – путем изменения коэффициента усилия транзисторного усилителя с помощью регулируемого резистора R_p.

Для получения жестких стабилизированных характеристик выпрямителя ВДУ-504 в нем используется отрицательная обратная связь по напряжению дуги. Напряжение обратной связи U_осн, пропорциональное напряжению дуги, снимается с делителя R₁-R₂ и подается в блок сравнения БС, где сравнивается с установкой требуемого напряжения дуги. Разностный сигнал (U_зн-U_осн) поступает на усилитель с регулируемым коэффициентом усиления. Регулирование напряжения дуги в цепи обратной связи плавное, аналогичное регулирование тока с помощью резистора.

Кроме плавной регулировки тока и напряжения выпрямителя имеется два диапазона ступенчатой регулировки путем переключения соединения витков первичной обмотки трансформатора звездой или треугольником.

Соединение первичных обмоток треугольником соответствует падающим внешним характеристикам и первому диапазону жестких внешних характеристик. Соединение первичных обмоток звездой соответствует второму диапазону регулирования жестких характеристик. Переключение выпрямителя для работы на падающих характеристиках или жестких осуществляется тумблером S_1.

Для работы на падающих характеристиках контакты этого тумблера S_1.1 замыкаются, включая в работу цепь магнитного усилителя, а контакты S_1.2 размыкаются, отключая цепь напряжения обратной связи U_осн и наоборот, для работы на жестких характеристиках флажок тумблера переводиться в противоположное положение. При этом его контакты S_1.1 размыкаются, а контакты S_1.2 замыкаются.

 

3. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

 

3.1. Составить функциональную блок-схему выпрямителя и дать краткое описание функциональных блоков.

3.2. Построить семейство внешних характеристик выпрямителя при различных положениях регулятора в соответствии с заданным вариантом.

3.3. Построить регулировочную характеристику-зависимость основного регулируемого параметра от положения регулятора для выпрямителя ВДУ-504 U_хх = φ(n) – только для жесткой характеристики, где n – количество делений на шкале регулятора, I_2k = f(n) – только для падающей характеристики.

Оборудование, приборы и материалы, необходимые для выполнения работы приведены в табл.1.

 

Таблица 1

 

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

4.1. Снять верхнюю крышку и боковые стенки выпрямителя.

4.2. Изучить конструкцию выпрямителя и схему электрических соединений, используя заводской паспорт на выпрямитель и методические указания.

4.3. Собрать электрическую схему для экспериментального исследования выпрямителя (рис.4).

 

 

Рис. 4. Электрическая схема для экспериментального исследования работы выпрямителя

 

4.4. Установить начальное положение регулятора в соответствии с заданным вариантом работы.

4.5. Представить преподавателю электрическую схему для проверки.

4.6. Установить на место верхнюю крышку и боковую стенку выпрямителя.

4.7. Установив соединение обмоток трансформатора в соответствии с заданным вариантом, приступить к эксперименту по снятию характеристик выпрямителя.

4.7.1. Для снятия внешней характеристики необходимо включить выпрямитель в сеть и записать показания приборов на холостом ходу (опыт холостого хода) – все секции балластного реостата выключены.

Затем изменением положения ножей балластного реостата, начиная со второго, последовательно увеличивать нагрузку вплоть до короткого замыкания для выпрямителей ТОЛЬКО С ПАДАЮЩЕЙ ВНЕШНЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ, либо – до максимального допустимого тока – для выпрямителей с жесткой характеристикой. Результаты измерений записать в табл.2.

 

Таблица 2: Результаты исследования внешней характеристики выпрямителя

 

4.7.2. Для снятия регулировочной характеристики необходимо, изменяя положение регулятора от минимума до максимума в 4-х точках, измерить и записать в табл. 3 значения тока короткого замыкания для выпрямителя ВДУ-504 в режиме работы на падающей внешней характеристике. При работе в режиме жесткой характеристики выпрямителя ВДУ-504 измеряется напряжение холостого хода выпрямителя в 4-х положениях регулятора, начиная от минимального до максимального значения.

 

Таблица 3. Результаты исследования регулировочной характеристики выпрямителя

 

Регулировочные характеристики снимаются для всех вариантов соединения обмоток трансформатора

По результатам измерений необходимо построить регулировочные характеристики и описать их в соответствии с рабочим заданием.

 

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

5.1. Наименование работы.

5.2. Цель работы.

5.3. Функциональная блок-схема выпрямителя с необходимым пояснительным текстом.

5.4. Электрическая схема для снятия внешних и регулировочных характеристик.

5.5. Таблицы экспериментальных данных

5.6. Графики внешних и регулировочных характеристик выпрямителей и их описание

5.7. Выводы по работе

 

6. ЛИТЕРАТУРА

 

1.     Ленивкин В.А., Евченко В.М., Стрижаков Е.Л. Источники питания для сварки: учеб. пособие – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2008. – 274 с.

2.     Ленивкин В.А. Милютин В.С. Петров П.И. Евченко В.М. Источники питания для сварки. Часть ІІ. Источники постоянного тока: Учеб. пособие. Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 1994. - 115 с.

3.     Закс М.И. Сварочные выпрямители – Л,: Энергоиздат, 1983. – 200 с.

 

7. ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ РАБОТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРКИ»

 

При работе в лаборатории источников питания сварочной дуги студентам приходится иметь дело с действующими электрическими установками и приборами, поэтому необходимо соблюдать меры предосторожности от возможного поражения электрическим током. Наиболее часто поражение током происходит либо при прикосновении к неизолированным частям электрооборудования, находящимся под напряжением, либо в результате отсутствия заземляющих устройств.

Все студенты должны обязательно соблюдать следующие правила техники безопасности:

1. Перед началом работы проверить надежность заземления корпусов источников питания.

2. Приступать к сборке электросхемы можно только при выключенном напряжении питающей сети. При этом защитные кожухи на борновых досках напряжения сети должны быть подняты, а рычаг кожуха должен нажимать на кнопку «стоп» магнитного пускателя. Об отсутствии напряжения можно судить по электролампе, установленной над магнитным пускателем. При выключенном пускателе лампа не горит.

3. Включение магнитного пускателя допускается только после проверки схемы руководителем и получения его разрешения.

4. При включенном оборудовании не прикасаться к его корпусу и клеммам, а также к клеммам измерительных приборов. Естественно никаких переключений производить нельзя.

5. Переключение регулирующих устройств трансформаторов можно производить только при отключенной питающей сети. Изменение положения регулировочных реостатов у сварочных генераторов, производится при работающих приводных электродвигателях, но обязательно на холостом ходу.

6. Не допускается включение и выключение оборудования под нагрузкой.

7. Разбирать электрическую схему необходимо при выключенном магнитном пускателе, но только после разрешения руководителя работ.