Схема простейшего тиристорного трансформатора (ТТ) преры­вистого тока представлена на рис. 3.1,6. Основными элементами этой схемы являются фазорегулятор (ФР) на тиристорах VS1, VS2 и силовой трансформатор Т.

Способ фазового регулирования основан на преобразовании синусо­идального тока в знакопеременные импульсы, амплитуда и длитель­ность которых определяются углом включения тиристоров. До недав­него времени этот способ регулирования при дуговой сварке считался неприемлемым, поскольку в паузы между импульсами тока происходит быстрая деионизация дугового промежутка, затрудняющая повторные возбуждения дуги.

Особенно большие паузы имеют место в устройствах, близких к идеальным, где используется силовой трансформатор с минимальным рассеянием.

Процессы в идеальном ТТ. Форма напряжения на активной нагрузке при питании синусоидальным током для схемы рис. 3.1, б представлена на рис. 3.3, а. Заштрихованная часть напряжения и2 приложена к на­грузке, незашгрихованная - к запертым тиристорам. Среднее (за полу - период) и действующее значения напряжения на нагрузке определяются соотношениями [15]:

,, sfl - Ut. , гт (1 + cos уО

^н. ср — ~ ~ О + cos Ф) ^2ср "

Коэффициент формы

Активная мощность, вьзделяемая в нагрузке,

^ = ^2ср ^н. ср •

Расчетная мощность трансформатора (для данного угла регулиро­вания <р)

ГДЄ/2^ — t^H-дір lRH-

Основные расчетные соотношения, характеризующие работу схемы при фазовом регулировании, приведены в табл. 3.1. Величины UBm пр, UBm обр характеризуют амплитудные значения напряжения на вентиле в прямом и обратном направлении, /в. ср, /в>д и 1вт - среднее, дей­ствующее и амплитудное значения тока через вентиль.

На рис. 3.3, б представлена внешняя характеристика рассматри­ваемого идеального ТТ в относительных единицах в режиме стабилиза-

Рис. 3.3. Диаграмма напряжений (а) и внешняя характеристика трансформатора
в режиме стабилизации тока (б)

о	ин. ср	ип. ср	^н. д		^вшпр _ ^втобр 6^2 т	^в. ср	^В. д	Sr Р
^2ср	и,	V»	Л>т	/в. ср
0	1,0	0,9	1,0	1,11	0	0,318	1,57	1,23
30	0,93	0,84	0,985	1,17	0,5	0,297	1,65	1,39
60	0,75	0,676	0,9	1,33	0,865	0,239	1,87	1,97
90	0,5	0,45	0,707	1,57	1,0	0,159	2,22	3,49
120	0,25	0,226	0,445	1,97	1,0	0,082	2,78	8,82
150	0,067	0,06	0,17	2,82	1,0	0,0215	3,96	47

тора среднего значения тока нагрузки. На рис. 3.3,6еср = ия Ср/и2ср', Уср = hcp/hcpo, где /2сро = Uicp/Ra - Напомним, что такую характе­ристику обеспечивает идеальный дроссель насыщения, являющийся параметрическим стабилизатором среднего тока. Очевидно, что при рабочих сварочных режимах, когда еср = 0,4 ... 0,5, устройство будет работать при больших углах регулирования. При этом ток нагрузки имеет прерывистый характер с большими бестоковыми паузами; тирис­торы и трансформатор работают в неблагоприятных энергетических ре­жимах. Поэтому такие простейшие идеальные трансформаторы в чистом виде в дуговой сварке применения не нашли.

Работа реальных ТТ. В последние годы разработан ряд специальных схем и конструкций ТТ, простых и экономичных, обеспечивающих достаточно высокую стабильность горения дуги и позволяющих реали­зовать все преимущества тиристорного регулирования [3, 14]. Отличи­тельной особенностью этих устройств является наличие силового транс­форматора с развитым электромагнитным рассеянием или дополни­тельного дросселя в сварочной цепи.

Силовые схемы ТТ могут быть подразделены по двум основным признакам: способу обеспечения непрерывности процесса сварки и месту установки тиристорного фазорегулятора — в первичной или вторичной цепи.

По первому признаку ТТ делятся на две группы. В трансформа­торах одной группы сварочный ток /2 (рис. 3.4, а) прерывистый. Дли­тельность протекания тока в определяется углом включения силовых тиристоров і, который здесь является также углом сдвига между током і2 и напряжением холостого хода трансформатора и20. Для надежного повторного возбуждения применена импульсная стабилизация горения дуги. В момент і окончания бестоковой паузы на дугу накладывается стабилизирующий импульс тока. Тиристорный фазорегулятор совмещает функции управления значением тока и коммутирующего элемента импульсного стабилизатора горения дуги.

О)

ЛуІ

В трансформаторах другой группы стабильность процесса сварки обеспечена непрерывностью сварочного тока (рис. 3.4,б). Для запол­нения бестоковых пауз в интервалы непроводимости тиристоров ис­пользована специальная цепь, называемая цепью подпитки дуги, по которой проходит минимально необходимый для устойчивого процесса сварки ток (ток подпитки 120). Сдвиг между током і20 и напряжением и20 здесь определяется углом ф, зависящим от соотношения напряжений дуги и цепи подпитки:

где U'Xm - амплитудное значение напряжения цепи подпитки.

В промышленных сварочных установках наибольшее распростра­нение получили ТТ с прерывистым регулированием тока и импульсной стабилизацией, так как применение цепи подпитки связано с дополни­тельным расходом активных материалов, с применением дополнитель­ного коммутатора цепи подпитюі для снятия напряжения холостого хода, а относительно низкая скорость нарастания тока подпйтки при смене полярности обусловливает невысокие сварочные качества ис­точников.

Размещение тиристорного фазорегулятора в первичной или вто­ричной (сварочной) цепи трансформатора во многом определяет кон­струкцию ТТ. Во всех случаях, когда не требуется управлять значением постоянной составляющей сварочного тока, предпочтительнее включение тиристоров в сравнительно слаботочную цепь первичной обмотки транс­форматора. Кроме снижения габаритов регулятора и потерь в тирис­торах, такое решение позволяет уменьшить или исключить потери хо­лостого хода трансформатора, обеспечивает оперативные отключения его от питающей сети. Однако при включении тиристоров в первичную цепь трансформатора становится невозможным регулировать (компен­сировать) постоянную составляющую сварочного тока; в трансфор­маторах с цепью подпитки уменьшается диапазон регулирования

сварочного тока, повышаются требования к симметрии импульсов управления тиристорами, к надежности и электрической прочности цепей управления.

Трансформаторы с цепью подпитки■ По данным многочисленных экспери­ментов значение тока подпитки, достаточное для стабильного горения дуги, со­ставляет:

10-15 А для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом алюминиевых сплавов при наличии импульсного стабилизатора дуги и напряжения холостого хода источника питания около 70 В;

10-15 А для ручной дуговой сварки обмазанными электродами;

20-30 А для автоматической сварки под флюсом.

Поскольку при смене полярности электродов ток дуги равен току цепи под­питки, очевидно, что параметры последней целиком определяют надежность по­вторных возбуждений дуги. Малое значение тока подпитки позволяет использовать для повышения стабильности дуги методы, традиционно считающиеся невыгодны­ми по энергетическим или массо-габаритным характеристикам: увеличение напря­жения холостого хода источника, последовательный резонанс напряжений, фор­мирование прямоугольной волны тока подпитки и т. п.

На рис. 3.5, а, б, в представлены упрощенные схемы ТТ с цепь» подпитки и тиристорами в цепи вторичной обмотки трансформатора. В схеме рис. 3.5, в тиристоры шунтированы дросселем, реактивное сопротивление которого соЬг на порядок выше сопротивления рассеяния ц>L, силового трансформатора ТІ.

Схемы ТТ, приведенные на рис. 3.5, б, в, позволяют повысить напряжение холостого хода источника без заметного увеличения его установленной мощности. В цепь подпитки введена дополнительная обмотка силового трансформатора 77. В схеме рис. 3.5, б дополнительная обмотка включена последовательно и согласно с основной вторичной обмоткой ТІ. В схеме рис. 3.5, в дополнительная обмотка и дроссель подпитки включены параллельно нагрузке источника.

Напряжение цепи параллельной подпитки UM выше напряжения (/,„, что исключает возможность включения тиристоров на холостом ходу;, во время свар­ки основная и подпиточная цепи развязаны дуговым падением напряжения.

Дополнительная обмотка и дроссель в схемах рис. 3.5, б, в могут быть заме­нены отдельным трансформатором с напряжением холостого хода U„ и требу­емым реактивным сопротивлением или обмоткой силового трансформатора, имеющей слабую магнитную связь с первичной обмоткой трансформатора (напри­мер, намотанной на дальнее ярмо).

На рис. 3.5, г, д представлены схемы ТТ с подпиткой и тиристорным фазо­регулятором в цепи первичной обмотки силового трансформатора.

Непосредственное шунтирование тиристоров дросселем (или резистором в трансформаторе малой моїдаости) снижает напряжение на первичной обмотке сварочного трансформатора в интервалы непроводимости тиристоров, что отри­цательно влияет на устойчивость горения дуги. Для устранения этого явления может быть использован вспомогательный трансформатор или автотрансформа­торная схема с дросселем (рис. 3.5, г, д).

Трансформаторы с прерывистым питанием дуги. На рис. 3.5, е, ж, з приведены схемы ТТ, в которых цепь подпитки исключена и ток дуги прерывистый [6]. В ТТ по схеме рис. 3.5, е параллельно первичной обмотке силового трансформатора включена цепь, состоящая из кон­денсатора и дополнительной импульсной обмотки трансформатора,

Рис. 3.5. Схемы трансформаторов с Цепью подпитки (а-д) и импульсной стабилиза­цией (е-з)

причем дополнительная обмотка расположена в зоне вторичной обмотки силового трансформатора, например намотана поверх нее с тем, чтобы обеспечить достаточную магнитную связь между этими двумя обмот­ками. При включении любого из тиристоров конденсатор заряжается до текущего значения сетевого напряжения. Зарядный ток конденса­тора проходит по дополнительной обмотке, трансформируется во вторич­ную цепь силового трансформатора и вызывает в дуговом промежутке импульс напряжения, достаточный для повторного возбуждения дуги. По окончании периода проводимости тиристора дуга гаснет, конден­сатор разряжается на первичную обмотку силового трансформатора.

В следующий полупериод сетевого напряжения включается второй тиристор фазорегулятора, конденсатор заряжается в обратном направ­лении, его зарядный ток вызывает стабилизирующий импульс в меж­электродном промежутке и повторное возбуждение дуги.

Параметры стабилизирующего импульса определяются подбором соотношения витков импульсной и вторичной обмоток и емкостью конденсатора. Амплитуда импульса зависит от угла включения тиристо­ров, однако незначительно, поскольку в реальных ТТ с кратностью регулирования сварочного тока около двух угол включения тиристоров изменяется в пределах 60-120° эл., что соответствует колебаниям амплитуды импульса приблизительно на 14% от максимального зна­чения. В тех же пределах колеблется относительно максимального значения и скорость нарастания сварочного тока при смене полярности:

где U20 т — амплитуда напряжения холостого хода вторичной обмотки сварочного трансформатора; — индуктивность сварочного контура.

Таким образом, скорость нарастания тока при фазовом регули­ровании без подпитки в отличие от амплитудного регулирования прак­тически не убывает при снижении значения тока.

В тех случаях, когда выполнение дополнительной импульсной об­мотки почему-либо нежелательно, может быть использован отдельный импульсный трансформатор (рис. 3.5,яг), вторичная обмотка которого включена через разделительный конденсатор параллельно вторичной обмотке сварочного трансформатора.

Экспериментально установлено, что оптимальный коэффициент трансформации цепи стабилизирующего импульса равен единице; ем­кость конденсатора в трансформаторах для автоматической сварки под флюсом на 1000 и 2000 А, выполненных по схеме рис. 3.5, е, состав­ляет ЮмкФ, а в трансформаторах для ручной сварки на 315-500 А может быть снижена до 2 мкФ. В схеме по рис. 3.5, ж - для получения тех же параметров импульса емкость конденсатора должна быть удвоена. Длительность стабилизирующего импульса т в зависимости от емкости и режима сварки изменяется в пределах 20—100 мс.

Число витков w и сечение s (в метрах квадратных) магнитопро - вода импульсного трансформатора можно приближенно определить по формуле

Д - £/,т

где t/j - напряжение сети, В; т — длительность импульса, с; Вт = 1,5 Тл.

Для подавления высокочастотных колебаний в цепь импульсной стабилизации необходимо включить резистор с сопротивлением 1—2 Ом.

Рис. 3.6. Осциллограмма стабилизирующего
импульса трансформатора ТДФЖ-1002

На рис. 3.6 представлена осцилло­грамма стабилизирующего импульса трансформатора ТДФЖ-1002, выпол­ненного по схеме рис. 3.5, е.

Принцип импульсной стабили- зации дуги прерывистого перемен­ного тока может быть реализован и при установке тиристорного фазо­регулятора во вторичной цепи сва­рочного трансформатора. На рис. 3.5, з дана схема ТТ с устройством гене­рации высоковольтных импульсов, обеспечивающих первоначальное зажигание и повторное возбуждение дуги. В момент включения тиристора зарядный ток конденсатора С наводит во вторичной обмотке высоковольтного трансформатора Т2 импульс высокого напряжения, достаточный для пробоя межэлектрод­ного промежутка. Конденсатор фильтра Сф защищает источник питания от перенапряжений.

На рис. 3.7 приведены внешние характеристики тиристорных транс­форматоров с цепью подпитки (о) и без нее (б) для углов включения ф от 0 до 120° эл. Кривая 1 является внешней характеристикой щепи подпитки.

Расчетные соотношения для токов, напряжений и мощности дуги при фазовом регулировании. Приведенные ниже расчетные соотношения позволяют произвести электрические расчеты силового трансформа­тора, выбор тиристоров фазорегулятора и оценить технологические возможности ТТ применительно к конкретным видам сварки. Вывод

Рис. 3.7. Внешние характеристики трансформаторов с цепью подпитки (а) и им-
пульсной стабилизацией (б)

расчетных соотношений произведен сначала для режима прерывистых сварочных токов.

Анализ осциллограмм сварочного тока ТТ разной мощности и на­значения (рис. 3.8) свидетельствует о практической синусоидальности импульсов сварочного тока. Тогда для среднего за полупериод и дей­ствующего значений сварочного тока с учетом его прерывистого харак­тера справедливы соотношения:

где/2ш - амплитудное значение импульса тока.

Коэффициент тг/0 характеризует скважность импульсов сварочного тока. Введя коэффициент л = / її/6 , получим

2 1

1 г ср = ^2т > JJ ^2т > — 1 >Па >

эта у/2 а

где кф - коэффициент формы тока.

Для практических расчетов целесообразно представить все расчетные параметры через действующие значения напряжения и тока дуги, выра­женные в относительных единицах. За базовые величины приняты дей­ствующие значения вторичного напряжения холостого хода трансформа­тора и вторичного тока при коротком замыкании:

^20 > І б ^2 К. З ^20^X2,

где х2 — приведенное ко вторичной цепи индуктивное сопротивление трансформатора.

Относительные значения напряжения и тока дуги:

Расчеты, проведенные на ЭВМ, и эксперименты показали, что при поддержании постоянства действующего значения тока /2 = const дли­тельность его протекания, амплитуда и коэффициент формы остаются практически постоянными при изменении напряжения дуги Ua в широ­ких пределах. На рис. 3.9, а приведены расчетные зависимости, показыва­ющие постоянство угла проводимости в при изменении Єд при различных значениях 7Д. Это обстоятельство позволяет построить кривые изме­нения основных параметров ТТ с прерывистым током (а, в, уср = 'срДб. ут = /2т//б) в функции Уд без учета значения напряжения ед (рис. 3.9, б) . Пользуясь зависимостью а = /(уд), легко по действующему значению напряжения дуги определить его амплитуду Ея = а С/д, которая пред­полагается постоянной в течение всего времени горения дуги.

Ниже даны примеры использования приведенных соотношений.

Пример 3.1. Тиристорный трансформатор для ручной дуговой сварки на номи­нальный ток 315 А имеет два диапазона регулирования с Токами короткого замы­кания /1к.3 = 480 А и /2к.3 = 240 А. Сварка производится током /д = 120 А. Определить амплитуду и длительность импульсов тока в случае работы на первом и втором диапазонах тока.

Решение. По графику (рис. 3.9, б) находим для 7Д = 0,25 значение в = 95 0 ал.; hm = 0,5/2к. з = 240 А. Для второго диапазона: 7 = 0,5; в = 133° эл.; Iim = = 0,85/2к.3 = 204 А.

Пример 3.2. Трансформатор ТДФЖ-2002 использован для автоматической сварки на режиме /д = 675 A; UR = 32 В. Оператор ошибочно выбрал диапазон больших токов (/к. з = 4500 А). Определить амплитуду дугового напряжения Ец.

Решение. По графику (рИс. 3.9, б) для 7Д = 675/4500 = 0,15 находим а = 1,54, тогда Еа = 49 В. При использовании диапазона малых токов с /к 3 = 1800 А дуга будет значительно короче: Ец = 40 В.

В ТТ с цепью подпитки ток дуги практически синусоидален при полностью открытых и закрытых тиристорах. В промежуточных режимах кф зависит как от относительной продолжительности включения тиристоров в/п, так и от соотноше­ния токов короткого замыкания вспомогательной и основной цепей п = /к. э/2к. з-

Для определения кф для ТТ с цепью подпитки получена эмпирическая формула

п+ (в/п)2

И+(9/л)5/2’

Зависимость коэффициента формы тока дуги с подпиткой от относительной продолжительности включения тиристоров кф = / (0/7г) для ряда значений л приве­дена на рис. 3.10, в. На рис. 3.10, б изображена экспериментальная зависимость кф = / (уд) тиристорного трансформатора, выполненного по схеме рис. 3.5, в с со­отношением токов короткого замыкания основной и подпиточной цепей п = 0,037.

Мощность дуги. Активная мощность дуги переменного тока зависит от амплитуды дугового напряжения и среднего тока:

Р - J ір, (Оия (J)dt Ел~ I

V о о, .,

При поддержании постоянства длины дуги (Ея = const) и действу­ющего значения тока мощность дуги с ростом коэффициента формы тока падает: Р =£'д/д/Лф.

При поддержании постоянства действующих значений дугового напряжения и тока мощность дуги не зависит от коэффициента формы тока: Р = аС/д/дДф = 0,91/д/д, поскольку снижение среднего значения тока компенсируется ростом амплитуды дугового напряжения.

Для дуги с подпиткой (особенно при сварке неплавящимся элек­тродом) действующее значение напряжения дуги практически не зависит от коэффициента формы тока: 1/я Ея, соответственно Р = U^I^/кф..

Коэффициент мощности тиристорного трансформатора убывает пропорционально росту коэффициента формы тока в тех случаях, когда поддерживается постоянство длины дуги:

Р Е

COS —

(без учета активных потерь в источнике питания).

При поддержании постоянства действующего значения напряжения дуги, например при автоматической сварке под флюсом, коэффициент мощности трансформатора при фазовом и амплитудном регулировании тока выражается одинаково:

Ujr

cos ip = 0,9 — .

Ut P

Технологические особенности TT. Технологические особенности ТТ изучены недостаточно. Есть сведения [30], что повышение плотности тока в электроде при сварке от ТТ и более резкое нарастание тока способствуют мелкокапельному переносу металла, при этом умень­шаются выгорание примесей и перегрев изделия.

Исследование микроструктуры и механических свойств швов пока­зали, что при сварке знакопеременными импульсами в 1,5—2 раза сокра­щается зона термического влияния, уменьшается зернистость, повыша­ются прочность и пластичность шва.

Однако рост коэффициента формы сварочного тока при увеличении глубины регулирования неблагоприятно отражается на стойкости обмаз­ки штучного электрода и износостойкости вольфрамового электрода: дуга равной мощности при повышенном кф требует большего диаметра электрода.

При автоматической сварке под флюсом на стандартных режимах из-за повышенной длины дуги появляется тенденция к парообразованию в швах, что вынуждает выполнять трансформаторы с разбивкой полного диапазона регулирования тока на ступени, рекомендовать сварку на пониженных на 10—15% значениях действующего напряжения дуги. Установлено, что сварка плавящимся электродом дает удовлетворитель­ные результаты при коэффициенте формы тока, не превышающем 1,4. 56

В ТТ с прерывистым регулированием для того, чтобы выполнялось условие Агф < 1,4, диапазон плавного'регулирования не должен быть более 2. Если учесть, что максимальный ток дуги примерно равен 0,7/к.3 (Тдшах = 0.7). пределы регулирования1 тбка дуги составляют уя — = 0,35 ... 0,7. В ТТ с цепью подпитки диапазон плавного регулирования значительно шире. Так, цепь подпитки с п = 0,1 позволяет плавно регу­лировать ток 7Д = 0,1 ... 0,7 с коэффициентом формы не выше 1,45 (рис. 3.10,а).

Силовой трансформатор. Существенное достоинство ТТ — простота и надежность силового трансформатора. Отсутствие подвижных частей и стальных шунтов, требующих высокого качества сборки и подвержен­ных вибрации, позволило сделать этот важнейший узел источника пита­ния простым в изготовлении и долговечным в эксплуатации.

В ТТ получила распространение традиционная двухстержневая конструкция трансформатора с фиксированным повышенным магнит­ным рассеянием (рис. 3.11). Первичная 1 и вторичная 2 обмотки состоят из двух катушек. На каждом стержне катушки и изоляционные колодки образуют слоеный набор, зажатый между нижними швеллерами и шпиль­ками с опорой в верхних швеллерах. Расстояние между первичной и вторичной обмотками составляет 2—4 см.

Индуктивное сопротивление х такого трансформатора может быть рассчитано по приведенным ранее формулам. Для приближенных рас­четов может быть рекомендована эмпирическая формула

где Лок, сок — высота и ширина окна, см; Ъ — толщина набора, см.

Для создания диапазона малых токов применена реакторная дис­ковая обмотка 3, установленная в окне трансформатора в плоскости, параллельной его стержням. Реакторная обмотка включается после­довательно и согласно с первичной обмоткой или последовательно и встречно со вторичной обмоткой трансформатора. Обратное вклю­чение реакторной обмотки, например согласно со вторичной обмоткой трансформатора, вызывает увеличение тока короткого замыкания.

Если высота реакторной обмотки в окне трансформатора незначительно 7

отличается от суммарной высоты сило­вых катушек, то число ее витков для рассматриваемой конструкции может быть определено по формуле

72к. з =72к. з/(0,5лг + 0,75и + 1),

Рис. 3.11. Силовой трансформатор с реакторной,
обмоткой

•. "А

где І'гк. з» ^2к. з — токи короткого замьїкашія трансформатора с реактор­ной обмоткой и без нее; п — отношение чисел витков реакторной и пер­вичной или вторичной силовой обмотки.