Трансформаторы с фазовым управлением. Принципиальная схема и регулирование режима в тиристорном трансформаторе

 

Тиристорным трансформатором (рисунок 3.5) принято называть ком­бинацию собственно трансформатора Т и полупроводникового регуля­тора V1, V2 с системой управления. Трансформатор Т служит для по­нижения сетевого напряжения до необходимого при сварке, иногда также используется для получения необходимой внешней характеристики и регулирования режима. Но обычно две последние функции –формирование характеристики и настройка режима — выполняются тиристорным регулятором. Фазовое управление, отличающее тиристорный трансформатор от ранее рассмотренных трансформаторов с амплитудным регулированием, осуществляется именно полупровод­никовым регулятором.

Регулятор может устанавливаться как в первичной, так и во вторич­ной цепи трансформатора, поэтому его коммутирующие элементы V1 и V2 должны иметь достаточную мощность. В этом качестве чаще все­го используются силовые управляемые вентили—тиристоры. В состав регулятора входят также блок фазового управления (БФУ), формирую­щий импульсные сигналы для включения тиристоров, и блок задания (БЗ), с помощью которого настраивают необходимое значение тока или напряжения.

 

Рисунок 3.5 – Тиристорный трансформатор: принципиальная схема (а), осциллограммы для трансформатора с нормальным (б) и увеличенным (в) рассеянием

При высоком коэффициенте усиления тиристоров фазовое управле­ние трансформатором выполняется с помощью блоков БФУ и БЗ, со­бранных из слаботочных электрических элементов. Это придает источ­нику множество ценных свойств. При электрическом регулировании у трансформатора отсутствуют подвижные части, уменьшаются размеры регулировочных устройств, легко осуществляется дистанционное и про­граммное управление режимом, формируются любые внешние характе­ристики, обеспечивается снижение напряжения до безопасного при дли­тельном холостом ходе.

Принцип фазового управления проанализируем при работе транс­форматора с нормальным рассеянием на линейную активную нагрузку (см. рисунок 3.5). Здесь регулятор включен в цепь вторичной обмотки и имеет два встречно-параллельно соединенных тиристора. При таком соединении один из тиристоров проводит ток в одну сторону, другой — в другую. Поэтому, хотя по каждому тиристору идет выпрямленный ток, в цепи дуги он переменный (рисунок 3.5, б). Предположим, что в первом полупериоде ток может пропускать тиристор V1, анод которого соединен с нижним зажимом трансформатора. Однако тиристор начнет пропу­скать ток не с момента t₀, а с задержкой на электрический угол αв мо­мент t₁, когда на его управляющий электрод придет сигнал на отпирание от БФУ. Выключается тиристор только при исчезновении положитель­ного потенциала на его аноде, т.е. в момент t₂. Во втором полупериоде с такой же задержкой на угол αв момент t₃ включается тиристор V2,выключится он в момент t₄.

С увеличением угла управления αинтервал проводимости тиристо­ра λ, сократится, и вместе с ним уменьшится напряжение на выходе ти­ристорного трансформатора U_и и сварочный ток I₂:

 

 

Фазовое регулирование режима в тиристорном трансформаторе заключается в изменении угла включения тиристоров, в результа­те чего изменяется часть напряжения трансформатора, подаваемая на нагрузку.

Импульсная стабилизация (рисунок 3.7), как метод повышения устой­чивости горения дуги, наиболее распространена. Кроме основного транс­форматора Т1здесь имеется еще импульсный Т2с коэффициентом трансформации около 1. При включении любого из тиристоров V1 или V2по первичной цепи трансформатора Т2проходит кратковременный импульс зарядного тока конденсатора С1, который наводит во вторичной обмотке Т2стабилизирующий импульс тока i_и. Достаточный для надеж­ного повторного зажигания импульс напряжения при холостом ходе до­стигает 500 В, а при нагрузке может иметь амплитуду тока 100 А при длительности до 0,1 мс. Поскольку момент подачи импульса совпадает с моментом включения очередного тиристора, цепь импульсной стаби­лизации не нуждается в отдельной системе управления.

 

Рисунок 3.7 – Принципиальная схема (а) и осциллограммы (б) тиристорного трансформатора с импульсной стабилизацией

Искусственные внешние характеристики формируются за счет об­ратных связей по току и напряжению. Для получения крутопадающих внешних характеристик тиристорный трансформатор дополняют систе­мой автоматического регулирования с отрицательной обратной связью по току (рисунок 3.8). Датчик тока ДТ формирует сигнал, пропорциональный фактическому сварочному току U= kI. Этот сигнал сопоставляется в блоке сравнения БС с сигналом U_дт-U_зтблока БЗ, пропорциональным заданному значению тока. Разность двух сигналов подается в блок фазового управления БФУ и воздействует на угол управ­ления тиристоров а, а затем с помощью тиристорного блока ТБ и на на­пряжение источника. Например, при увеличении I₂ угол α возрастает, что приводит к уменьшению напряжения источника U_и:

 

 

Рисунок 3.8 – Блок-схема тиристорного трансформатора
с отрицательной обратной связью по току

Необходимые внешние характеристики формируются в тиристорном трансформаторе естественным образом — в зависимости от индуктивного сопротивления трансформатора, и искусственно — с помощью обратных связей по току и напряжению, вводимых в тиристорный регулятор.

Формирование внешних характеристик в тиристорном выпрямителе

Необходимые (жесткие или крутопадающие) внешние характери­стики в тиристорном выпрямителе могут быть сформированы как есте­ственным, так и искусственным способом.

Естественные внешние характеристики имеют наклон, зависящий от сопротивления трансформатора. На рисунок 2.23, б была показана осцил­лограмма напряжения тиристорного выпрямителя при малом сопротив­лении трансформатора. Перейдем теперь к более сложному случаю, когда сопротивление фазы трансформатора X≠0. В этом случае необходимо учитывать затянутую коммутацию, при анализе работы неуправляемых вентилей. На рисунок 2.23, в показана осциллограмма напряжения при затянутой коммутации вентилей. Как и на рисунок 2.23, б, в интервале Θ₀—Θ₂ в первой группе обмоток рабо­тает вентиль V5, потери напряжения и_z в интервале Θ₀—Θ₂ вызваны задержкой включения тиристора V1 на угол α. С момента Θ₂ включает­ся вентиль V1, но вентиль V5 в отличие от процессов, показанных на рисунок 2.23, б, не отключается, а продолжает работать благодаря энергии, запасенной в индуктивности обмотки С1. Поэтому в интервале у комму­тации от Θ₂—Θ₃ одновременно работают вентили V5 и VI, и на на­грузку от первой группы обмоток подается напряжение, равное полу­сумме потенциалов (u_с1+ u_а1)/2,а отнюдь не потенциал u_а1, как было показано на рисунок 2.23, б. Напомним, что во второй группе обмоток в те­чение всего интервала Θ₀—Θ₃ работает обмотка В2 с вентилем V6. Таким образом, в тиристорном выпрямителе, как и в диодном, возможен 2-й (двух- трехвентильный) режим работы, т.е. попеременная работа вентилей то по два (V5 и V6 в интервале Θ₀—Θ₂), то по три (V5, V6 и V1 в интервале Θ₂—Θ₃). При увеличении сварочного тока I_д, которое вызовет затяжку коммутации γ до 60°, выпрямитель перейдет в 3-й (трехвентильный) режим работы.

Итак, затянутая коммутация приводит к дополнительным потерям напряжения и_х (рисунок 2.23, е). При увеличении сварочного тока I_динтер­вал коммутации γ и потери U_x возрастают, а выпрямленное напряже­ние U_B снижается, как и в случае с диодным выпрямителем:

 

 

Следовательно, естественная внешняя характеристика тиристорно­го выпрямителя при X≠0 — падающая.

Необходимый тип естественной внешней характеристики ти­ристорного выпрямителя задается конструкцией трансформато­ра. Жесткие характеристики получаются при использовании трансформатора с нормальным рассеянием, кругопадающие — трансформатора с увеличенным рассеянием.

При нагрузке вступает в работу уравнительный дроссель участок 1. Поскольку реальный трансформатор с нормальным рассе­янием имеет небольшое, но все же заметное сопротивление фазы X≠0, то обычно выпрямитель работает во 2-м (двух-трехвентильном) режи­ме и имеет естественно пологопадающую характеристику 2 (рисунок 2.24, а).

 

Рисунок 2.24 – Естественные жесткие (а) и крутопадающие (б) внешние характеристики тиристорных выпрямителей

 

При большом сопротивлении трансформатора внешняя характеристика на участке 3получается крутопадающей (рисунок 2.24, б) при этом выпрямитель работает в 3-м режиме.

Искусственные внешние характеристики формируются за счет об­ратных связей. В этом случае выпрямитель нужно представить как зам­кнутую систему автоматического регулирования тока или напряжения (рисунок 2.25). На приведенной функциональной схеме толстой линией выделены элементы, обязательные для любого тиристорного выпрямителя. В силовой части схемы напряжение сети преобразуется трансформа­тором с нормальным рассеянием и после выпрямления тиристорным блоком и сглаживания фильтром подается на дугу. В слаботочной час­ти блок задания БЗ формирует сигнал задания тока U_зт или напряжения U_зн, а блок фазового управления БФУ передает его к тиристорному бло­ку, формируя импульсы управления. Для создания системы автомати­ческого регулирования с цепями обратных связей необходимы, кроме того, датчики выпрямленного напряжения и тока, датчик сетевого на­пряжения, а также блок сравнения БС сигнала задания с сигналом дат­чика. В конкретной конструкции может быть как одна из показанных пунктирной линией обратных связей, так и несколько.

ДНС – датчик напряжения сети; Т – трансформатор; ТБ – Тиристорный блок; ДН – датчик напряжения; ДТ – датчик тока; Ф – фильтр; БЗТ – Блок задания тока; БЗН – Блок задания напряжения; БС – Блок сравнения; БФУ – Блок фазового управления.

Рисунок 2.25 – Блок-схема тиристорного выпрямителя с обратными связями

 

Рассмотрим действие системы автоматического регулирования на­пряжения в выпрямителе с жесткими (пологопадающими) характери­стиками. Выпрямленное сварочное напряжение U_в сравнивается в БС с заданным U_зн, и их разность U_зн-U_ввоздействует через БФУ на угол управления α тиристоров. Если при снижении напряжения в сети или увеличении нагрузки выпрямленное напряжение понизится, то угол управления уменьшится, в результате чего выпрямленное напряжение возрастет почти до исходной величины:

 

Таким образом, выпрямленное напряжение стабилизируется, т.е. остается постоянным, независимым от колебаний нагрузки и напряже­ния сети. На рисунок 2.26, а тонкими линиями показаны естественные пологопадающие, а толстыми — полученные из них искусственные жест­кие внешние характеристики, положение которых зависит только от значений заданного напряжения U_зт. Иногда ограничиваются стабили­зацией только при колебаниях напряжения сети, в этом случае сигнал задания U_зн сопоставляется с сетевым напряжением U_с.

Для получения крутопадающей внешней характеристики использу­ют действие отрицательной обратной связи по току, когда сигнал зада­ния U_зт сопоставляется с напряжением U_дт датчика, пропорциональным сварочному току I_д. При введении отрицательной обратной связи с ро­стом тока угол управления тиристоров возрастает, что приводит к сни­жению выпрямленного напряжения:

 

На рисунок 2.26, б показано, как из естественных пологопадающих (тон­кие линии) формируются искусственные крутопадающие характеристи­ки (толстые линии).

 

Рисунок 2.26 – Внешние характеристики тиристорного выпрямителя, полученные за счет обратных связей

 

При введении положительной обратной связи по току можно полу­чить пологовозрастающие, так называемые оптимизированные, вне­шние характеристики (рисунок 2.26, в). Они полезны при механизированной сварке в углекислом газе, поскольку при любом режиме обеспечивают оптимальное соотношение между сварочным током и напряжением U_д=18+0,04I_д, соответствующее минимальному разбрызгиванию электродного металла.

Искусственные внешние характеристики в тиристорном выпрямителе получаются благодаря обратным связям по напряжению или току. Стабилизация напряжения при жестких внешних характеристиках достигается введением отрицательной обратной связи по сварочному или сетевому напряжению. Крутопадающую характеристику обеспечивает введение отрицательной обратной связи по току.