4.5. Универсальные выпрямители

Универсальные выпрямители применяют при ручной и автоматической сварке, сварке под флюсом и в защитных газах. Области применения этих выпрямителей обеспечиваются их внешними характеристиками, которые могут быть как крутопадающими, так и жесткими пологопадающими.

Первыми универсальными сварочными выпрямителями были выпрямители ВСУ-300 и ВСУ-500. В состав ВСУ-300 и ВСУ-500 входят сварочный трехфазный понижающий трансформатор Т₁, дроссель насыщения Дрн, выпрямительный блок V_С, магнитный усилитель Му, стабилизатор напряжения Сн, блоки управления БУ, вентилятор (рис. 4.52).

Трансформатор имеет неподвижные обмотки: первичную W₁ и вторичную, намотанные алюминиевым проводом W₂. Выпрямительный блок собран по трехфазной мостовой схеме на кремниевых вентилях В2-200.

Дроссель насыщения имеет следующие обмотки: шесть обмоток переменного тока Ln, обмотку смещениям Lcm, регулируемую обмотку Lp, сериесную обмотку Lc . При включении переключателя рода сварки (ПРС) в положение, соответствующее жесткой форме ВАХ, обеспечивается параллельное включение обмоток переменного тока Ln, каждой фазы дросселя Дрн с внутренним самоподмагничиванием. Разность между напряжением на выходе выпрямителя и стабилизированным напряжением, задаваемым от стабилизатора напряжения Сн, подается на обмотку управления Lу магнитного усилителя Mу, который питает обмотку регулирующую Lp дросселя насыщения. Магнитодвижущая сила обмотки регулирования (МДС) направлена согласно с МДС внутренней обратной связи дросселя насыщения и встречно с МДС обмотки смещения Lcm. Напряжение холостого хода намного превышает заданное напряжение сравнения. Ток в обмотке управления магнитного усилителя Му отсутствует. В начале сварки напряжение снижается до рабочего Uр. Если Up ниже напряжения сравнения, то отпирается цепь обмотки Ly магнитного усилителя.

Рис. 4.52. Принципиальная схема универсального выпрямителя ВСУ

Регулирование рабочего напряжения осуществляется автоматически. Установка на заданное рабочее напряжение осуществляется плавным изменением величины стабилизированного напряжения сравнения.

Для получения падающей формы ВАХ переключатель ПРС устанавливают в соответствующее положение. При этом обмотки Ln дросселя насыщения Дрн соединяются последовательно и вводится положительная связь по току. Получается дроссель со значительной индуктивностью и малым насыщением магнитопровода. Смещение ВАХ регулируется изменением МДС регулируемой обмотки Lp дросселя насыщения.

Следующей серией универсальных сварочных выпрямителей являются выпрямители ВДУ. Источники питания серии ВДУ обеспечивают плавное регулирование выходных тока и напряжения, стабилизацию напряжения при изменениях напряжения сети. Выпрямители серии ВДУ имеют однокорпусное исполнение, принудительное охлаждение и емкостный фильтр от помех радиоприему, создаваемых при сварке.

Упрощенная принципиальная схема выпрямителя ВДУ-504 представлена на рис. 4.53.

Рис. 4.53. Принципиальная схема выпрямителя ВДУ-504

Основой выпрямителя является понижающий трансформатор, имеющий одну первичную и две вторичные обмотки, соединенные в две обратные «звезды» через уравнительный реактор Др₁. Обмотки выполнены алюминиевым проводом АСПД. Фазы первичной обмотки в зависимости от требуемого режима соединяются с помощью пакетного переключателя В₂ либо «треугольником», либо «звездой». Соединение «треугольником» производят при работе с падающей ВАХ или для первой ступени регулирования при работе с жесткой ВАХ. Соединение «звездой» применяют при жесткой форме ВАХ для второй ступени регулирования. Выпрямительный блок собран по шестифазной схеме на тиристорах Т-160. Тиристоры последовательно соединены с фазами вторичных обмоток трансформатора. Катоды тиристоров соединены вместе и образуют положительный полюс выпрямителя. Отрицательный полюс – средняя точка уравнительного реактора Др₁.

В цепь выпрямленного тока встроен линейный дроссель Др₂ для сглаживания пульсации тока и уменьшения разбрызгивания. У дросселя имеются два вывода. Первый вывод соответствует большей индуктивности и его используют при работе с ВАХ падающей формы и в первом диапазоне жестких ВАХ; второй – во втором диапазоне жестких ВАХ.

В состав выпрямителя входит блок фазового управления тиристорами. В качестве датчика сварочного тока используется усилитель УМ на тороидальных сердечниках. Через окно сердечника проходит провод, по которому идет выпрямленный сварочный ток. Этот провод является обмоткой управления магнитного усилителя. Рабочие обмотки магнитного усилителя включены последовательно с однофазным выпрямительным мостом на вторичное напряжение вспомогательного трансформатора. Сигнал обратной связи, пропорциональный сварочному току, снимается с резистора, включенного на входе выпрямительного моста. Таково устройство блока обратной связи по току и напряжению (БОСТиН).

По аналогичной схеме работает также выпрямитель ВДУ-305.

Выпускаемый в настоящее время универсальный выпрямитель ВДУ-505 (рис. 4.54) имеет в своем составе автоматический выключатель QF, пускатель К, силовой трансформатор Т, уравнительный дроссель L1, силовой блок тиристоров V1, линейный дроссель L2, а также не показанные на схеме вентилятор и цепи управления.

а)

б) в)

Рис. 4.54. Выпрямитель ВДУ-505 У3: а – упрощенная принципиальная схема; б – падающие; в – жесткие внешние характеристики

Силовой понижающий трансформатор имеет нормальное рассеяние, что позволяет применять его при формировании как жестких, так и крутопадающих характеристик. Силовой выпрямительный блок собран из тиристоров Т-160-3 по шестифазной схеме с уравнительным дросселем, которая обеспечивает самую низкую токовую загрузку вентилей.

Линейный дроссель L2 предназначен для сглаживания выпрямленного тока, а при сварке в углекислом газе также для уменьшения разбрызгивания. При ручной сварке с крутопадающими характеристиками дроссель имеет максимальную индуктивность – 0,5 мГн. При механизированной сварке в углекислом газе с жесткими характеристиками его индуктивность меняется автоматически в зависимости от режима сварки следующим образом. При низких режимах наблюдается значительная пульсация выпрямленного тока, протекающего по рабочей обмотке ОР дросселя. Поэтому в обмотке управления ОУ индуктируются большие ЭДС и ток, замыкающийся по вентилям V2, V3 и дуге. Этот ток создает с помощью обмотки управления большой магнитный поток, сильно насыщающий железо дросселя. Поэтому при низких режимах дроссель имеет малую индуктивность, при высоких – большую индуктивность.

Дроссель с управляемой индуктивностью изменяет характер переходных процессов при сварке в углекислом газе, существенно снижая разбрызгивание электродного металла. Процесс короткого замыкания каплей корректируется на всех трех этапах. В начале короткого замыкания дроссель L2 имеет максимальную индуктивность (около 0,5 мГн), поэтому ток нарастает сравнительно медленно, не препятствуя слиянию капли с ванной. На втором этапе вступает в действие обмотка управления ОУ, в которой возникает большая ЭДС, индуктированная всплеском тока в рабочей обмотке ОР. При этом тиристор V3 открывается, а V2 – закрывается. Ток, протекающий по тиристору КЗ и обмотке ОУ, создает магнитный поток, насыщающий сердечник дросселя и резко снижающий его индуктивное сопротивление. Поэтому ток короткого замыкания на втором этапе нарастает быстрей, вызывая сбрасывание капли в ванну. Третий этап начинается со спада тока, который вызовет смену знака ЭДС обмотки ОУ. По этой причине закрывается тиристор V3, а V2 – открывается. При этом ЭДС обмотки ОУ будет подпитывать дугу, не допуская резкого провала сварочного тока после короткого замыкания, что способствует повышению устойчивости процесса, особенно при низких режимах.

Система управления выпрямителя, собранная на интегральных микросхемах, показана на функциональной схеме (см. рис. 4.16). Для получения крутопадающих характеристик (рис. 4.54, б) используется отрицательная обратная связь по току, одновременно с ней действует обратная связь по напряжению сети, что позволяет стабилизировать ток при колебаниях сетевого напряжения. При сварке с жесткими характеристиками (рис. 4.54, в) стабилизация напряжения обеспечивается обратными связями по сварочному и сетевому напряжению. Для получения небольшого заданного наклона характеристик используется также ослабленная обратная связь по току. При отсутствии сварочного тока обратная связь по сварочному напряжению отключена и тиристоры переходят к полнофазному включению (α = 0°), что обеспечивает высокое напряжение холостого хода при сварке на жестких характеристиках. В результате улучшается зажигание дуги и устойчивость при малых токах.

Другие выпрямители отличаются от ВДУ-505 конструктивным оформлением, схемой выпрямления, типом вентилей и способом сглаживания тока и напряжения. Принципиальная схема выпрямителей ВДУ-505, ВДУ-506, ВДУ-507, ВДУ-601 не отличается от основной, однако имеет некоторые отличия в конструктивном исполнении (рис. 4.55).

Рис. 4.55. Принципиальная схема выпрямителя ВДУ-601

В комплект этих выпрямителей входят также дополнительные блоки: сумматор БС, формирователь управляющего напряжения (БФУН), блок здания режима (БЗР).

Сумматор – устройство сравнения, вырабатывает сигнал управления, пропорциональный изменению напряжения сети и сигналу обратной связи по току и напряжению, в зависимости от технологических требований.

Блок задания режима предназначен для установки необходимого технологического режима. При этом сигнал на блок задания режима поступает от соответствующих блоков управления.

Сигналы с выхода сумматора и блока задания режима поступают на входы блока формирования управляющего напряжения, который формирует сигнал для блока фазового управления (БФУ) в зависимости от условий работы, способа сварки, изменения напряжения сети и от сигналов обратной связи по сварочному току и напряжению.

В выпрямителях ВДУ-1201 и ВДУ-1601 конструкция блока БОСТиН несколько изменена (рис. 4.56).

Блок БОСТиН состоит из трех однофазных трансформаторов ТА₁–ТА₃, которые служат датчиками сварочного тока, маломощного выпрямителя V₇–V₁₂ и резистора R – формирователя обратной связи по току. Обратная связь по напряжению снимается с клемм M, N. У этих выпрямителей отсутствуют блоки БЗР, сумматор, БФУН.

Рис. 4.56. Принципиальная схема выпрямителя ВДУ-1201

Для выпрямителей на токи более 1000 А рациональна установка ти-ристорного регулятора в первичной цепи трансформатора подобно тому, как это было выполнено в конструкции тиристорного трансформатора (разд. 3.3). При этом снижается коммутируемый тиристорами ток, что позволяет использовать маломощные массовые тиристоры без их параллельного соединения.

Рассмотрим конструкцию мощного выпрямителя ВДУ-1604 (рис. 4.57), предназначенного для механизированной сварки под флюсом и в углекислом газе. Первичные обмотки силового трансформатора Т соединены треугольником, в каждую фазу включено по два тиристора, соединенных встречно-параллельно. Тиристорный блок VS используется для регулирования режима и формирования необходимой внешней характеристики. Функция выпрямления тока передана диодному блоку VD, включенному в цепь вторичных обмоток по кольцевой схеме. Кремниевые диоды изготавливают на большие токи, и их использование в мощном выпрямителе не встречает затруднений. Кольцевая схема их соединения требует сравнительно простого и экономичного трансформатора. В цепи выпрямленного тока установлен сглаживающий дроссель L из четырех секций. В диапазоне малых токов используют две последовательно соединенные секции с общей индуктивностью 0,5 мГн, при большом сварочном токе используют три параллельно соединенных секции с общей индуктивностью 0,07 мГн.

Тип внешней характеристики зависит от положения переключателя S. При первом положении в блок сравнения БС проходит только сигнал отрицательной обратной связи по току ОСТ, в этом случае формируются крутопадающие характеристики с наклоном от -0,02 до -0,2 В/А. Во втором положении переключателя действуют оба сигнала обратной связи – по току ОСТ и напряжению ОСН, при этом пологопадающие внешние характеристики имеют наклон от -0,011 до -0,015 В/А. В третьем положении действует только обратная связь по напряжению, что приводит к формированию стабилизированных (жестких) характеристик с наклоном от -0,006 до -0,009 В/А. Схемой управления предусмотрено также форсирование режима в начале сварки. С этой целью зажигание дуги происходит при максимальном токе благодаря полнофазному включению тиристоров (α = 0). При появлении сварочного тока сигнал о начале сварки СНС с дросселя L поступает в блок сравнения БС, в результате чего форсирование прекращается.

Рис. 4.57. Упрощенная принципиальная схема выпрямителя ВДУ-1604 У3

В составе выпрямителя имеются также автоматический выключатель, вентилятор, приборы контроля и сигнализации. Схемой предусмотрена возможность параллельного соединения двух выпрямителей для получения тока до 3000 А с настройкой режима на одном из них.

Подобную конструкцию имеет и выпрямитель ВДУ-1202, однако в нем используется шестифазная нулевая схема соединения диодов и более простой сглаживающий дроссель.

Характеристики рассмотренных выпрямителей приведены в табл. 20, а внешний вид некоторых из них на рис. 4.58.

ВДУ-506C ВДУ-511 ВДУ-601С

ВДУ-630 ВДУ-800 ВДУ-1250

ВДУ-1202 ВДУ-1601

Рис. 4.58. Внешний вид универсальных выпрямителей

Таблица 20

Технические характеристики универсальных сварочных выпрямителей

Выпрямитель	Номинальный сварочный ток, А	Номинальное напряжение, В		Потребляемая мощность, кВ·А	Номинальный режим работы, ПВ/%	Масса, кг
		холостого хода	рабочее
ВСУ-300	300	65	35	26	60	320
ВСУ-500	500	68	40	38	60	420
ВДУ-305	315	70	33	23	60	240
ВДУ-505	500	80	46	40	60	350
ВДУ-506	500	80	46	40	60	310
ВДУ-507	500	70	50/46	–	60	260
ВДУ-511	500	85	50/46	40	60	250
ВДУ-601	630	92	52	60	60	320
ВДУ-630	630	60	44	40	100	320
ВДУ-800	800	55	44	50	100	370
ВДУ-1201	1200	100	66	120	100	850
ВДУ-1202	1250	85	56	120	100	500
ВДУ-1250	1250	85	56	102	100	520
ВДУ-1601	1600	100	66	155	100	950
ВДУ-1604	1600	85	56	–	100	850

Универсальный тиристорный выпрямитель ВДУЧ-301 У3 с последовательным резонансным инвертором (рис. 4.59) – одна из первых серийных отечественных конструкций.

Рис. 4.59. Упрощенная принципиальная схема выпрямителя ВДУЧ-301 У3

Сетевое напряжение выпрямляется блоком оптотиристоров VS1-VS3 и диодов V1–V3 и сглаживается фильтром L1, R1, R2, С1, С2. Инвертор собран по полумостовой схеме на конденсаторах С3, С4 и тиристорах VS4, VS5 с обратными диодами V4, V5. Нагрузкой инвертора является трансформатор Т, напряжение вторичных обмоток которого выпрямляется вентилями V6–V9 и сглаживается дросселем L4. Включение выпрямителя начинается с зарядки накопительных конденсаторов С1, С2 с помощью оптотиристора VS6 через балластный реостат R3, после чего через три секунды запускаются оптотиристоры VS1–VS3 сетевого выпрямителя. Если нарушается нормальная работа выпрямителя (снижение напряжения на конденсаторах С1, С2, пропадание фазы, чрезмерные броски тока в линейных проводах), система управления выключает оптотиристоры. Инвертор, собранный из высокочастотных тиристоров типа ТЧ, генерирует синусоидальные импульсы частотой от 1 до 4 кГц и может работать как в режиме прерывистого, так и непрерывного тока. Регулирование режима осуществляется изменением частоты инвертирования. Трансформатор Т имеет стержневой сердечник из ферритовых элементов, благодаря чему уменьшаются потери на перемагничивание и снижается шум. Оригинальная схема соединения обмоток позволяет обеспечить равномерное распределение токов в параллельно работающих диодах V6, V8 и V7, V9 и снижение магнитного рассеяния трансформатора. Выходной выпрямительный блок собран по нулевой двухполупериодной схеме из четырех высокочастотных диодов типа ДЧ.

Внешние характеристики инверторного выпрямителя ВДУЧ-301 приведены на рис. 4.60. Естественные характеристики – вогнутые падающие (1, 2). Система управления из естественных характеристик формирует огибающую характеристику, соответствующую безопасным режимам работы инвертора. При этом ограничивается сила тока короткого замыкания, исключается возможность работы инвертора на холостом ходу при максимальной частоте инвертирования, когда амплитудное напряжение на отдельных элементах инвертора приближается к 1000 В. За счет обратных связей по сварочному току и напряжению формируются крутопадающие (3, 4) характеристики для сварки покрытым электродом и жесткие (5, 6) для сварки в углекислом газе. Система управления обеспечивает форсирование тока при начальном зажигании дуги коротким замыканием благодаря задержке действия обратной связи по току. Предусмотрено форсирование режима при технологических коротких замыканиях при капельном переносе электродного металла.

Рис. 4.60. Внешние характеристики выпрямителя ВДУЧ-301 У3

Другие конструкции выпрямителей, как правило, также имеют тиристорный резонансный инвертор, собранный по симметричной полумостовой схеме. Выпрямитель ФЕБ-160 является универсальным источником, предназначенным для ручной и механизированной сварки в углекислом газе. Его схемой предусмотрена возможность питания привода шлангового аппарата, а также запуск двигателя внутреннего сгорания. Выпрямители ПИРС-160, ВДУЧ-161, ДС-250 У, ВДУЧ-315, ФЕБ-350 и ПИРС-500 также являются универсальными. Источник ТИР-МАГ-500 предназначен для сварки в углекислом газе.

Технические характеристики этих источников приведены в табл. 21.

Таблица 21

Технические характеристики источников с тиристорным резонансным инвертором

Выпрямитель	Номинальный сварочный ток, А	Номинальное напряжение, В		Пределы регулирования сварочного тока, А	Номинальный режим работы, ПВ/%	Масса, кг
		холостого хода	рабочее
ВДУЧ-161	160	–	–	10-160	35	20
ФЕБ-350	350	65-75	–	40-350	40	45
ВДУЧ-315	315	42	32	30-315	60	60
ВДУЧ-301	315	80	–	50-315	60	69
ПИРС-500	500	80	–	30-500	–	120
ТИР-МАГ-50	500	–	–	–	60	140

Высокой степенью совершенства обладают универсальные источники PS-2800 и PS-5000 финской фирмы «Кемппи». Они положены в основу так называемой мультисистемы, в которой на базе общего источника могут комплектоваться сварочные установки четырех разных типов. В простейшем случае один только источник используется для ручной дуговой сварки. Во втором варианте источник дополняется блоком цикла с осциллятором, а также газовой аппаратурой и горелкой для аргонно-дуговой сварки. В этом варианте, кроме постоянного тока, возможна также сварка алюминиевых сплавов знакопеременными прямоугольными импульсами регулируемой амплитуды и продолжительности. В третьем варианте установка комплектуется приводом подачи электродной проволоки и становится пригодной для механизированной сварки в защитном газе. Наконец, в четвертом варианте последняя установка дополняется блоком импульсов для сварки плавящимся электродом в инертном газе с управляемым переносом.

Последние разработки в области транзисторных инверторов представлены конструкцией выпрямителя LUC-500 фирмы «ЭСАБ». Он является универсальным, т.е. пригодным как для ручной дуговой сварки, так и механизированной в защитных газах, в том числе импульсно-дуговой. В нем используется инвертор с частотой 48 кГц на мощных МОП-транзисторах. Источник снабжен микропроцессорным устройством «Аристо», реализующим принцип синергетического управления, т.е. автоматической настройки режима по математической модели. Из предложенного устройством меню, сварщик выбирает тип переноса электродного металла (с короткими замыканиями каплей, струйный или управляемый импульсами), марку и диаметр проволоки и тип защитного газа, а микропроцессор по программе, заложенной в памяти, вычисляет и передает источнику заданные значения напряжения холостого хода, индуктивности, частоты, амплитуды и длительности импульсов и пауз. Предусмотрено, чтобы сварка всегда оканчивалась мощным импульсом, сбрасывающим последнюю каплю с электрода. Поэтому следующее зажигание происходит с тонкой проволокой без капли, что повышает надежность возбуждения дуги. Микропроцессор обеспечивает индикацию и хранение информации о режимах, так что параметры могут быть прочитаны и после сварки. При необходимости сварщик может вручную скорректировать параметры процесса, а подобранный режим (до 99 комбинаций) сохранить в памяти микропроцессора.

Выпрямитель TS-330 «Транссинергик» австрийской фирмы «Фрониус» с транзисторным инвертором на 60 кГц также является универсальным синергетическим источником. Установка режима выполняется с помощью регуляторов, на которых указаны марка свариваемого металла и диаметр электродной проволоки. В памяти машины содержатся 18 стандартных программ и до 32 подобранных сварщиком. Предоставлен и широкий выбор вариантов программного управления. Например, при четырехтактной циклограмме четырьмя последовательными нажатиями и отпусканиями кнопки на горелке можно реализовать три уровня сварочного тока: горячий пуск – сварка – заварка кратера.