- Зварювальні трансформатори з ланцюгом підживлення
- Зварювальні трансформатори з переривчастим харчуванням дуги
- Технологічні особливості ТТ
- Силовий зварювальний трансформатор
- Режими роботи тиристорів в фазорегулятор
- Система імпульсно-фазового управління (СФУ) тиристорних зварювальних трансформаторів
- Робота тиристорного зварювального трансформатора на несиметричну навантаження
Наша сеть партнеров Banwar
Тиристорні трансформатори (ТТ) - порівняно нова група джерел живлення дуги змінного струму, в основу якої покладено спосіб фазового регулювання струму. Основним вузлом ТТ є тиристорний фазорегулятор (ФР), що працює в комплекті з силовим трансформатором. Фазорегулятор складається з двох зустрічно-паралельно з'єднаних тиристорів і системи управління фазою їх включення.
Спосіб фазового регулювання змінного струму заснований на перетворенні синусоїдального струму в знакозмінні імпульси, амплітуда і тривалість яких визначаються кутом (фазою) включення тиристорів. Цей спосіб, широко використовуваний в машинах контактної і шлакової зварювання, для дугового зварювання вважався неприйнятним, оскільки в паузи між імпульсами струму відбувається швидка деионизация дугового проміжку, що утрудняє повторні порушення дуги.
В останні роки розроблено ряд конструкцій ТТ, які забезпечують досить високу стабільність горіння дуги і дозволяють реалізувати переваги фазового регулювання струму: знизити масу і спростити конструкцію силового трансформатора і всього джерела в цілому, сформувати зовнішні характеристики необхідного виду, стабілізувати режим зварювання при різних збуреннях, управляти постійної складової зварювального струму, забезпечити можливість автоматизації, програмування і модуляції режиму зварювання, забезпечити зниження вихідного го напруги при холостому ході.
Принципові силові схеми тиристорних зварювальних трансформаторів. Силові схеми ТТ можуть бути поділені за двома основними ознаками: способом забезпечення безперервності процесу зварювання і місця установки тиристорного фазорегулятора в первинній або вторинної ланцюга.
За першою ознакою тиристорні трансформатори діляться на дві групи.
У трансформаторах однієї групи зварювальний струм 1 (рис 15, а) переривчастий. Тривалість протікання струму е визначається кутом запалювання силових тиристорів ф, який тут є також кутом зсуву між струмом і напругою холостого ходу трансформатора та для надійного повторного порушення застосована імпульсна стабілізація горіння дуги. У момент ф закінчення бестоковой паузи на дугу накладається стабілізуючий імпульс струму. Тиристорний фазорегулятор поєднує функції управління струмом і комутуючого елемента імпульсного стабілізатора горіння дуги.
Рис 15. Лінійні діаграми напруги і струмів зварювальних трансформаторів з імпульсною стабілізацією (а) і ланцюгом підживлення {б)
У трансформаторах іншої групи стабільність процесу зварювання забезпечена безперервністю зварювального струму. Для заповнення безструмової пауз в інтервали непроводімості тиристорів використана спеціальна ланцюг, яка називається ланцюгом підживлення дуги, по якій проходить мінімально необхідний для стійкого процесу зварювання струм.
У промислових зварювальних установках найбільшого поширення набули ТТ з переривчастим регулюванням струму і імпульсної стабілізацією, так як застосування ланцюга підживлення пов'язано з додатковою витратою активних матеріалів, із застосуванням додаткового комутатора в ланцюзі підживлення для зняття напруги холостого ходу, а відносно низька швидкість наростання струму підживлення при зміні полярності обумовлює невисокі зварювальні якості джерел.
Розміщення тиристорного фазорегулятора в первинній або вторинної (зварювальної) ланцюга трансформатора багато в чому визначає конструкцію ТТ. У всіх випадках, коли не потрібно управління постійної складової зварювального струму, переважно включати тиристори в порівняно слабкострумову ланцюг первинної обмотки трансформатора. Крім зменшення габаритів регулятора і втрат в тиристорах, таке рішення дозволяє знизити або виключити втрати холостого ходу трансформатора, забезпечує оперативні відключення його від мережі живлення. Однак при включенні тиристорів в первинну ланцюг трансформатора неможливо регулювати (компенсувати) постійну складову зварювального струму, в трансформаторах з ланцюгом підживлення зменшується діапазон регулювання зварювального струму, підвищуються вимоги до симетрії імпульсів управління тиристорами, до надійності і електричної міцності ланцюгів управління.
↑ наверх
Зварювальні трансформатори з ланцюгом підживлення
За даними численних експериментів значення струму підживлення, достатню для стабільного горіння дуги, становить: 10 - 15 А - для аргонодугового зварювання неплавким електродом алюмінієвих сплавів при наявності імпульсного стабілізатора дуги і напрузі холостого ходу джерела живлення близько 70 В; 10 - 15 А - для ручного дугового зварювання обмазали електродами; 20 - 30 А - для автоматичного зварювання під флюсом.
Оскільки при зміні полярності електродів струм дуги дорівнює току ланцюга підживлення, очевидно, що параметри останньої цілком визначають надійність повторних збуджень дуги. Мале значення струму підживлення дозволяє використовувати для підвищення стабільності горіння дуги методи, що традиційно вважаються невигідними з енергетичних або масогабаритні характеристики: збільшення напруги холостого ходу джерела, послідовний резонанс напруг, формування прямокутної хвилі струму підживлення і т. П.
На рис 16, а, б представлені спрощені схеми ТТ з ланцюгом підживлення і тиристорами в колі вторинної обмотки трансформатора. У схемі рис 16, а тиристори шунтовані дроселем, реактивний опір якого на порядок вище опору розсіювання (іь силового трансформатора Т1.
Рис 16. Схеми зварювальних трансформаторів з ланцюгом підживлення (а, б, в, г, д) і імпульсної стабілізацією (е, ж, з)
Схеми ТТ, наведені на рис 16, б, в, дозволяють підвищити напругу холостого ходу джерела без помітного збільшення його встановленої потужності. У ланцюг живлення введена додаткова обмотка силового трансформатора Т1. У схемі рис 16, б додаткова обмотка включена послідовно і відповідно до провідною вторинною обмоткою Т1. У схемі рис 16, б додаткова обмотка і дросель підживлення включені паралельно навантаженні джерела. Напруга паралельно включеної ланцюга підживлення вище напруги, що виключає можливість включення тиристорів на холостому ходу; під час зварювання основна і підживлювальних ланцюга розв'язані дуговим падінням напруги.
Додаткова обмотка і дросель в схемах рис 16, б, в можуть бути замінені окремим трансформатором з напругою холостого ходу і необхідним реактивним опором або обмоткою силового трансформатора, що має слабку магнітну зв'язок з первинною обмоткою (наприклад, намотаною на далеке ярмо).
На рис 16, г, д представлені схеми ТТ з ланцюгом підживлення і тиристорним фазорегулятор в ланцюзі первинної обмотки силового трансформатора. Безпосереднє шунтування тиристорів дроселем (або резистором в транс-. Форматори малої потужності) знижує напругу первинної обмотки зварювального трансформатора в інтервали непроводімості тиристорів, що негативно впливає на стійкість горіння дуги. Для усунення цього явища може бути використаний [5] допоміжний трансформатор Т2 (рис 16, г) або АВТОТРАНСФОРМАТОРНЕ схема з дроселем (рис 16, д).
↑ наверх
Зварювальні трансформатори з переривчастим харчуванням дуги
На рис 16, е, ж, 3 наведені схеми ТТ, в яких ланцюг живлення виключена і режим горіння дуги переривчастий [19]. В ТТ за схемою рис 16, е паралельно первинній обмотці силового трансформатора включена ланцюг, що складається з конденсатора і додаткової імпульсної обмотки трансформатора, причому додаткова обмотка розташована в зоні вторинної обмотки силового трансформатора, наприклад намотана поверх неї, щоб забезпечити достатню магнітну зв'язок між цими двома обмотками . При включенні будь-якого з тиристорів конденсатор заряджається до поточного значення напруги. Зарядний струм конденсатора проходить по додатковій обмотці, трансформується у вторинну ланцюг силового трансформатора і викликає в дуговому проміжку імпульс напруги, достатній для повторного порушення дуги. Після закінчення періоду провідності тиристора дуга гасне, конденсатор розряджається на первинну обмотку силового трансформатора.
Наступний напівперіод мережевої напруги включається другий тиристор фазорегулятора, конденсатор заряджається в зворотному напрямку, його зарядний струм викликає стабілізуючий імпульс в міжелектродному проміжку і повторне порушення дуги.
Параметри стабілізуючого імпульсу визначаються підбором співвідношення витків імпульсної і вторинної обмоток і ємністю конденсатора. Амплітуда імпульсу залежить від фази включення тиристорів, однак, трохи, оскільки в реальних ТТ з кратністю регулювання зварювального струму близько двох фаза включення тиристорів змінюється в межах 60 - 120 °, що відповідає коливанням амплітуди імпульсу приблизно на 14% від максимального значення. У тих же межах коливається щодо максимального значення і швидкість наростання зварювального струму при зміні полярності!
Експериментально встановлено, що оптимальний коефіцієнт трансформації ланцюга стабілізуючого імпульсу дорівнює одиниці; ємність конденсатора в трансформаторах для автоматичного зварювання під флюсом на струми 1000 і 2000 А, виконаних за схемою рис 16, е, становить 10 мкФ, а в трансформаторах для ручного зварювання на струми 315 - 500 А може бути знижена до 2 мкФ. У схемі рис 16, ж для отримання тих же параметрів імпульсу ємність конденсатора повинна бути подвоєна. Тривалість стабілізуючого імпульсу т в залежності від ємності конденсатора і режиму зварювання змінюється в межах 20 - 100 мс.
Принцип імпульсної стабілізації дуги переривчастого змінного струму може бути реалізований і при установці тиристорного фазорегулятора у вторинному ланцюзі зварювального трансформатора. На рис 16, з дана схема ТТ з пристроєм генерації високовольтних імпульсів, що забезпечують первинне запалення і повторне порушення дуги. У момент включення тиристора зарядний струм конденсатора С наводить у вторинній обмотці високовольтного трансформатора Т2 імпульс високої напруги, достатній для пробою міжелектродного проміжку. Конденсатор Сф захищає джерело живлення від перенапруг.
На рис 18 наведені зовнішні характеристики тиристорних зварювальних трансформаторів з ланцюгом підживлення (а) і без неї (б) для кутів запалювання φ від Про до 120 °. Крива є зовнішньою характеристикою ланцюга підживлення.
Рис 17. Осцилограма стабілізуючого імпульсу трансформатора ТДФЖ-1002
Мал. 18, Зовнішні характеристики зварювальних трансформаторів з ланцюгом підживлення (а) і імпульсної стабілізацією (б)
↑ наверх
Технологічні особливості ТТ
Технологічні особливості ТТ вивчені недостатньо. Є відомості [22, 42], що підвищення щільності струму в електроді при зварюванні від ТТ, його різке наростання сприяють дрібнокраплинного переносу металу, при цьому зменшується вигоряння домішок і перегрів вироби. Дослідження мікроструктури і механічних властивостей швів показало, що при зварюванні знакозмінними імпульсами в 1,5 - 2 рази скорочується зона термічного впливу, зменшується зернистість, підвищується міцність і пластичність шва. Однак зростання коефіцієнта форми зварювального струму при збільшенні глибини регулювання несприятливо відбивається на стійкості обмазки штучного електрода і зносостійкості вольфрамового електрода: при дузі рівною потужності при підвищеному потрібно електрод більшого діаметра.
При автоматичному зварюванні під флюсом в стандартних режимах через підвищену довжини дуги з'являється тенденція до пороутворення в швах, що змушує виконувати трансформатори з розбивкою повного діапазону регулювання струму на ступені, рекомендувати зварювання на знижених на 10 - 15% значеннях чинного напруги дуги. Встановлено, що зварювання плавиться дає задовільні результати при коефіцієнті форми струму, що не перевищує 1,4.
↑ наверх
Силовий зварювальний трансформатор
Істотне гідність ТТ - простота і надійність силового трансформатора. Відсутність рухомих частин і сталевих шунтів, які потребують високої якості збірки і схильних до вібрації, дозволило зробити цей найважливіший вузол джерела живлення простим у виготовленні і довговічним в експлуатації.
В ТТ набула поширення традиційна двох-стрижнева конструкція трансформатора з фіксованим підвищеним магнітним розсіюванням (рис 22). Первинна і вторинна 2 обмотки складаються з двох котушок. На кожному стрижні котушки і ізоляційні колодки утворюють багатошаровий набір, затиснутий між нижніми швелерами і шпильками з опорою в верхніх швелерах. Відстань між первинною і вторинною обмотками становить 2 - 4 см.
Рис 22. Силовий трансформатор з реакторної обмоткою
Для створення діапазону малих струмів застосована повітряна дискова обмотка 3 (рис 22), встановлена у вікні трансформатора в площині, паралельній його стержнів. Реакторна обмотка включається послідовно і відповідно до з первинної або послідовно і зустрічно з вторинною обмоткою трансформатора. Зворотне включення реакторної обмотки, наприклад згідно з вторинною обмоткою трансформатора, викликає збільшення струму короткого замикання.
↑ наверх
Режими роботи тиристорів в фазорегулятор
Основною умовою багаторічної безаварійної роботи ТТ є правильний вибір силових тиристорів. При цьому повинні бути враховані теплові навантаження тиристорів в номінальному і максимальному режимах роботи, технологічні та аварійні перевантаження, циклічні навантаження, швидкості наростання напруги і струму, особливості управління тиристорами. У всіх режимах роботи тиристорного фазорегулятора, крім аварійного, температура тиристора не повинна перевищувати максимального значення Тmax = 125 ° С.
У процесі зварювання тиристори відчувають короткочасні технологічні перевантаження. Наприклад, при короткому замиканні зварювального кола в момент порушення дуги струм фазорегулятора збільшується в 1,3 - 2 рази в порівнянні з номінальним.
Найбільшому нагріванню тиристори піддаються в аварійному режимі. Для ТТ з фазорегулятор в ланцюзі первинної обмотки силового трансформатора аварійний режим настає при втраті управління одним з тиристорів. При цьому відбувається насичення муздрамтеатру трансформатора постійним струмом тиристора, який зберіг управління, і різке наростання .Цього струму. На рис 23 приведена осцилограма струму тиристора в аварійному режимі роботи трансформатора ТДФЖ-2002 - струму тиристора від моменту відключення ланцюга управління другим тиристором фазорегулятора до спрацьовування електромагнітного расщепителя захисного автоматичного вимикача. Установка по струму спрацьовування автоматичного вимикача 4000 А.
Аварійний режим може виникнути і під час перехідних процесів в трансформаторі, наприклад при порушенні дуги, якщо тривалість імпульсів управління тиристорами недостатня: при тривалості інтервалу провідності одного тиристора другий тиристор не може включитися до закінчення напівхвилі струму першого тиристора (полуволновой ефект). Розрахунок температури тиристора в аварійному режимі вимагає наявності осциллограмм аварійного струму.
↑ наверх
Система імпульсно-фазового управління (СФУ) тиристорних зварювальних трансформаторів
Ця система містить фазосдвігающій (ФУ) і вихідний (ВУ) пристрої. Фазосдвигающие устрою здійснює прив'язку СФУ до мережі змінного струму, від якої живиться ТТ, і забезпечує формування керуючих імпульсів і плавне зміна їх фази щодо напруги мережі. Для управління двома протифазні тиристорами зазвичай використовується одне ФУ. Імпульси з ФУ на силові тиристори надходять не безпосередньо, а через підсилювальний ВУ, яке остаточно формує імпульси з параметрами, що забезпечують гарантоване включення будь-якого тиристора даного типу в обраній силовій схемі ТТ і в заданому діапазоні температур. При цьому потужність втрат в ланцюзі управління тиристора не повинна перевищувати допустимого значення.
Рис 24. Система імпульсно-фазового управління ТТ; а - фазосдвигающие устрою; б, в - вихідні пристрої
В цілому СФУ повинна бути перешкодостійкою, надійної, володіти високою швидкодією, забезпечувати необхідний діапазон зміни фази імпульсів, їх симетрію в обидва напівперіоду, необхідні їх параметри - амплітуду і тривалість.
Приклади реалізації елементів СФУ, що знайшли широке застосування у вітчизняних ТТ, показані на рис 24.
↑ наверх
Робота тиристорного зварювального трансформатора на несиметричну навантаження
У ряді випадків зварювання плавиться, існує значна різниця напруг дуги прямої і зворотної полярності, що викликає в зварювального ланцюга складову постійного струму.
Дослідження ТТ з фазорегулятор в колі вторинної обмотки зварювального трансформатора показали, що при харчуванні дуги несиметричним напругою, наприклад при зварюванні алюмінієвих сплавів в середовищі аргону, постійна складова зварювального струму дорівнює 10 - 12% діючого значення струму, що багато нижче, ніж в джерелах з амплітудним регулюванням зварювального струму не оснащених спеціальними пристроями придушення постійної складової. Це явище відзначено в усіх режимах зварювання, крім близьких до полнофазному. Фізично невелика постійна складова струму пояснюється наявністю в зварювального ланцюга фазорегулятора, середнє (за період) напруга на якому може бути відмінно від нуля.
↑ наверх
зварювальні трансформатори з механічним регулюванням :: зварювальні трансформатори регульовані підмагнічуванням :: тиристорні трансформатори :: серійні трансформатори :: підключення і налагодження зварювальних трансформаторів