По конструкции силовой части выпрямители можно разделить на шесть групп . Более ранняя и простая конструкция у выпрямителя, регулируемого трансформатором . Его силовая часть состоит из трансформатора T, выпрямительного блока VD на неуправляемых вентилях и сглаживающего дросселя L. Трансформатор в такой схеме используется для понижения напряжения, фоpмиpования необходимой внешней хаpактеpистики и pегулиpования режима. Некоторое применение нашел выпрямитель с дросселем насыщения . Дроссель насыщения LS применяют для формирования внешней характеристики и регулирования режима. Более совершенны и распространены тиристорные выпрямители . Тиристорный выпрямительный блок VS за счет фазового управления моментом включения тиристоров обеспечивает регулирование режима, а при введении обратных связей по току и напряжению — также и формирование любых внешних характеристик. Иногда тиристорный регулятор VS устанавливают в цепи первичной обмотки трансформатора T , тогда выпрямительный блок VD может быть собран из неуправляемых вентилей— диодов. Транзисторный регулятор VT, наоборот,устанавливают в цепи сварочного тока, с его помощью легко реализовать программное управление процессом сварки. Оригинальна схема инверторного выпрямителя . Инвертор UZ преобразует постоянное напряжение выпрямительного блока VD1 в высокочастотное переменное, которое затем понижается трансформатором Т и выпрямляется блоком VD2. Воздействуя на параметры инвертора, регулируют режим и формируют внешние характеристики выпрямителя. В состав любого выпрямителя входят также вентилятор, пуско регулирующая и контрольная аппаратура. Тиристорные, транзисторные и инверторные выпрямители имеют более сложные схемы управления с цепями формирования управляющих сигналов и обратных связей.
Выпрямители классифицируют также по типу внешних характеристик. При механизированной сварке в углекислом газе и под флюсом для комплектования аппаратов, действующих по принципу саморегулирования дуги, применяют однопостовые выпрямители с жесткими,а также с пологопадающими и пологовозрастающими характеристиками. Эти выпрямители имеют, как правило, трансформатор с нормальным рассеянием.Регулятор выпрямителя используется для настройки сварочного напряжения. В настоящее время используются следующие способы регулирования напряжения: витковое (выпрямитель с трансформатором с секционированными обмотками),магнитное (выпрямитель с трансформатором с магнитной коммутацией, выпрямитель с дросселем насыщения), фазовое (тиристорный выпрямитель), а также импульсное(частотное, шиpотное и амплитудное в тpанзистоpном и инвеpтоpном выпpямителе).
Для ручной сварки предназначены выпрямители с крутопадающими характеристиками. Требования к таким выпрямителям изложены в ГОСТ 13821-77 «Выпрямители однопостовые с падающими внешними характеристиками для дуговой сварки».
При сопоставлении с трансформаторами главными достоинствами сварочных выпрямителей как источников питания постоянного тока считают высокие надежность зажигания и устойчивость горения дуги. По сравнению с вращающимися источниками(преобразователями и агрегатами) выпрямители обладают следующими преимуществами: более высокий КПД, малые масса и габариты , отсутствие вращающихся частей, высокая надежность.
Конструкции трансформаторов в составе сварочных выпрямителей
В выпрямителе трансформатор выполняет функции понижения напряжения, а иногда еще формирования необходимой внешней характеристики и регулирования режима. Поэтому трансформаторы сварочных выпрямителей имеют такое же устройство и принцип действия, как и трансформаторы. Однофазные трансформаторы используют в выпрямителях сравнительно редко.
Рис.1 Конструкции трёхфазных трансформаторов с нормальным (а) и
увеличеным (б,в)рассеянием
На каждом из трех стержней магнитопровода 3 обычно размещается по одной первичной 1 и одной вторичной 2 обмотке соответствующей фазы. Трансформатор с нормальным магнитным рассеянием (рис. 1,а) имеет жесткую внешнюю характеристику. При размещении первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга получают трансформатор с увеличенным рассеянием и падающей внешней характеристикой (рис.1,б).
Магнитопроводы, изображенные на рис. 1,а и б, называют несимметричными. Действительно, магнитное сопротивление на пути потока, создаваемого обмотками фазы В, меньше, чем для фаз A и C, поэтому ток в фазе В выше, чем в фазах А и С, а в кривой выпрямленного тока появляется гармоническая составляющая. Симметричный магнитопровод (рис. 1,в) имеет более сложное устройство, дороже в изготовлении.
Вентили, используемые в сварочных выпрямителях
Используют преимущественно кремниевые силовые вентили: неуправляемые (диоды), не полностью управляемые (тиристоры) и управляемые (транзисторы).
Принцип работы диода рассмотрим на примере простейшей схемы однополупериодного выпрямления (рис. 2). В положительном полупериоде синусоидального напряжения питающей сети диод V оказывается включенным в прямом направлении (рис. 2,а). Поскольку при этом его сопротивление мало, прямой ток iпр (рис. 2,б) сравнительно велик.
Рис. 2. Осцилограммы (б) и работа диода при прямом (а) и обратном (в)
включении в цепи переменного тока
Практически все напряжение сети приложено к нагрузке Rн , а падение напряжения на диоде uпр не превышает 1—2 В. В отрицательном полупериоде (рис. 2,в) диод включен в обратном направлении, его сопротивление резко возрастает, а ток iобр снижается почти до нуля. На нагрузку напряжение почти не подается , поскольку практически все напряжение сети приложено к разрыву цепи, образованному закрытым диодом . Таким образом, если пренебречь незначительным обратным током iобр, по нагрузке идет прерывистый ток одного направления — выпрямленный ток iд = iпр. Его усредненное за полный период значение — Iпр .
Рассмотрим работу тиристора (рис. 3,а). Для отпирания тиристора необходимо выполнить два условия. Во-первых, его следует включить в прямом направлении, т.е. потенциал его анода А должен быть выше потенциала катода К. Во-вторых, на его управляющий электрод УЭ необходимо подать положительный относительно катода импульс напряжения. Поэтому в положительном полупериоде тиристор отопрется с задержкой на электрический угол a, соответствующий подаче импульса управления. Следовательно, среднее значение выпрямленного тока Iпр , пропорциональное заштрихованной площади, для тиристора меньше, чем для диода, и к тому же снижается при увеличении задержки включения.
Запирание обычного тиристора снятием импульса управления невозможно, он выключается только в конце полупериода при снижении пеpеменного напряжения до нуля. Поэтому тиристор называют неполностью управляемым вентилем. В течение отрицательного полупериода тиристор заперт. Таким образом, тиристор можно использовать не только для выпрямления, но и для регулирования тока.
Рис. 3. Тиристор (а) и транзистор (б) в цепи переменного тока
Силовые транзисторы разработаны сравнительно недавно. Хотя они еще ненадежны и дороги, ожидается их широкое внедрение благодаря уникальным возможностям регулирования, которые они предоставляют. В сварочных выпрямителях перспективна схема с общим эмиттером ОЭ (рис. 3,б). Обычно транзистор используется в качестве ключа. В положительном полупериоде, пока в режиме отсечки до момента a1 на базу Б не подан ток iб, практически отсутствует и прямой ток iпр коллектора К, а значит, и ток в нагрузке. При подаче достаточно большого тока базы iб транзистор в момент a1 перейдет сразу в режим насыщения, в котором прямой ток коллектора iпр резко возрастает до значения, ограниченного только напряжением питающей сети U~ и сопротивлением нагрузки Rн . При снятии тока базы в момент a2 резко снизится и прямой ток.
