трода. При больших значениях di Idt в этой зоне происходит местный перегрев и пробой структуры. Допустимые значения di/dt приведены в информационных материалах на тиристоры; например, для таблеточного тиристора Т2-320 {dildt)jnz\ = 40 А/мкс. В ТТ величина dijdt наиболее велика в режиме короткого замыкания сварочной цепи при угле включения i) = 7г/2:

(dildt)=sf2cjl , - 4,44/к.з • 10-" А/мкс,

где /к.з - действующее значение тока фазорегулятора в режиме короткого замьпсания.

В аварийном режиме амплитуды импульсов тока тиристора и соответственно di/dt в 5-10 раз вьпне, чем в номинальном режиме. В ТТ с цепью импульсной стабилизации величина di/dt определяется крутизной фронта стабилизирующего импульса, которая приблизительно на порядок вьпне крутизны фронта рабочего тока трансформатора. В ТДФЖ-1002 составляющая di/dt от стабилизирующего импульса равна 4,1 А/мкс, в то время как нарастание полуволны первичного тока трансформатора дает значение di/dt = 0,27 А/мкс.

3.5. СИСТЕМЫ ФАЗОВОГО УПРАВЛЕНИЯ И АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТИРИСТОРНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Система импупьсно-фазового управления (СФУ) тиристорных трансферматор<ш. СФУ содержит фазосдвигающее (ФУ) и выходное (ВУ) устройства. Фазосдвигающее устройство осуществляет привязку СФУ к сети переменного тока, от которой питается ТТ, и обеспечивает формирование управляющих импульсов и плавное изменение их фазы относительно напряжения сети. Для управления двумя противофазными тиристорами обычно используется одно ФУ. Импульсы с ФУ на силовые тиристоры поступают не непосредственно, а через выходное усилительное устройство, которое окончательно формирует импульсы с параметрами, обеспечивающими гарантированное включение любого тиристора данного типа в выбранной силовой схеме ТТ и в заданном диапазоне температур. При этом мощность потерь в цепи управления тиристора не должна превьпнать допустимого значения.

В целом СФУ должна бьггь помехоустойчивой, надежной, обладать высоким быстродействием, обеспечивать требуемый диапазон изменения фазы импульсов, их симметрию в оба полупериода, необходимые их параметры - амплитуду и длительность.

Примеры реализации элементов СФУ, нашедших широкое применение в отечественных ТТ, показаны на рис. 3.13. Специализированная СФУ отечественньк источников с прямоугольной формой тока на магнитных элементах будет рассмотрена в главе пятой.

Фазосдвигающее устройство. Принцип действия ФУ (рис. 3.13) основан на заряде конденсатора СЗ до определенного уровня с после-

1 2 3

R1 С2 R2 - --

о-С1>гЧК

mv. V.

т% VS3 R 2im Ol 1 CD-

т ф Is. VS2

Рис. 3.13. Система нмпульсно-фазового управления ТТ: а - фазосдвигающее устройство; б, в - выходные устройства

дующим его разрядом иа первичную обмотку импульсного трансформатора Т1. Зарядная цепь питается трапецеидальным вьшрялшенным напряжением, снимаемым со стабилитрона VD5, включенного на выходе выпрямительного моста VD1- VD4. На входе выпрямительного моста установлен полосовой фильтр (С/, С2, R1, R2), способствующий уменьшению влияния на ФУ искажений напряжения питающей сети.

Конденсатор СЗ заряжается коллекторным током транзистора VT2, включенного по схеме стабилизатора тока. Ток коллектора /к и напряжение f/j на конденсаторе СЗ равны:

c3--U.dt= -

где {/вх - сигнал управления на входе ФУ.

Заряд конденсатора СЗ происходит до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет значения из = t/j, где f/j - напряжение питания схемы, равное напряжению стабилизации стабилитрона vd5; = = 0,65 ... 0,9 - коэффициент переключения однопереходного транзистора vt1. После этого однопереходный транзистор vt1 открывается и конденсатор СЗ разряжается на первичную обмотку импульсного трансформатора т1. Образующиеся импульсы длительностью около 10 мкс поступают через вторичные обмотки трансформатора т1 иа выходное устройство (зажимы 1-4).

Зависимость угла включения (в радианах) от Uix.

является характеристикой управления ФУ. ЛиНейная зависимость этой характеристики от параметров схемы позволяет компенсировать влияние разброса параметров подстройкой резистора R4.

После разряда конденсатора СЗ происходит восстановление запирающей способности транзистора VT1 и повторный заряд конденсатора СЗ. Этот процесс образования пилообразного напряжения заканчивается в конце полупериода питающего напряжения при спаде трапецеидального напряжения стабилитрона VD5 до нуля и возобновляется в начале следующего полупериода. При нулевом значении питающего напряжения конденсатор СЗ полностью разряжается. Это обеспечивает синхронизацию работы ФУ с напряжением питающей сети и независимость момента начала его работы в каждый последующий полупериод от окончания ее в предыдущем полупериоде.

Выходное устройство. Для формирования и усиления импульсов управления силовыми тиристорами можбт быть использовано напряжение вспомогательного трансформатора [10] или анодное напряжение самих тиристоров.

Маломопдаый тиристор VS3 (VS4) (рис. 3.13,6) является коммутатором в цепи, состоящей из обмотки вспомогательного трансформатора Т2, токоограничивающего резистора R1 (R2) и управляющего перехода силового тиристора VS1 {VS2). Тиристоры VS3 и VS4 включены в противофазные цепи, и поэтому, несмотря на то, что импульсы на их включение с ФУ поступают в оба полупериода, каждый из них открьтается только в полупериод, когда анодное напряжение на нем положительно.

Схема ВУ с включением силовых тиристоров VS1 и VS2 от своего анодного напряжения приведена на рис. 3.13, е. Маломощный тиристор VS3 включен последовательно с токоограничивающим резистором в диагональ моста на диодах VD1-VD4. На управляющий электрод тиристора VS3 поступают импульсы с зажимов 1 и 2 ФУ. Силовой тиристор, например VS1, включается от своего анодного напряжения по цепи: стабилитрон VD6, диод VD2, тиристор VS3, резистор R, диод VD3. Включение силового тиристора VS1 (VS2) Происходит при наличии на нем положительного анодного напряжения в момент включения тиристора VS3 от импульса с ФУ. Включаясь, силовой тиристор VS1 (VS2) шунтирует мост VD1-VD4, и ток управления прекращается. Стабилитроны VD5 и VD6 ограничивают напряжения на управляющих электродах силовых тиристоров.

Работа СФУ с ВУ по схеме рис. 3.13, 6 иллюстрируется диаграммой напряжений, приведенной на рис. 3.14. Трапецеидальное напряжение питания канала «i формируется из синусоидального выпрямленного напряжения. Пилообразное напряжение «2 характеризует заряд конденсатора СЗ. Образованные при разряде конденсатора импульсы напряжения «3 на вторичных обмотках трансформатора ФУ управляют

Рис. 3.14. Диаграмма напряжений на элементах СФУ

моментами срабатывания (угол

маломощных тиристоров VS3 и VS4. Импульсы напряжения «4 и «5, управляющие противофазными силовыми тиристорами VS1 -л VS2, поступают с обмоток вспомогательного трансформатора Т2 через тиристоры VS3 и VS4.

Длительность импульсов управления в этой схеме равна iT-tfi. При использовании выходного устройства с питанием анодным напряжением (рис. 3.13, в) длительность импульсов определяется временем включения силовых тиристо- о п 2п wt

ров. Однако обе схемы исключают возникновение рассмотренного ранее "полуволнового эффекта : одна - из-за большэй длительности импульсов, другая - за счет наличия на выходе СФУ последовательности управляющих импульсов.

ВУ по схеме рис. 3.13,6 следует признать более помехоустойчивым и надежным вследствие того, что вспомогательные тиристоры VS3 и VS4 здесь работают при низких напряжениях. Однако вторая схема, требующая наличия вспомогательных стабилитронов и диодов (VD1-VD6), позволяет снизить потери в цепи управления силовых тиристоров. В настоящее время обе схемы находят применение в промышленных ТТ.

Элементы расчета СФУ тиристорных трансформаторов. При расчете СФУ особый интерес представляет подход к выбору диапазона регулирования фазы импульсов и параметров управляющих импульсов с учетом потерь в цепи управления тиристора.

Диапазон регулирования фазы импульсов непосредственно связан с техническими параметрами ТТ. Минимальный угол включения (ijj должен соответствовать работе ТТ при максимальных сварочном токе /22 и рабочем напряжении f/22 и пониженном на 15% напряжении сети. ТТ при этом должен работать в полнофазном режиме, а угол iijn должен быть равен углу сдвига между напряжением и током, которьш можно определить по известному соотношению

min = arccos

2s/2- 0,85 t/j,

Максимальный угол включения р должен соответствовать работе ТТ при коротком замьжании сварочной цепи в режиме минимальных 3 Зак.№ 953 65

тока III и напряжения £/21 и при повьпненном на 10% напряжении сети. В режиме короткого замьжания импульс тока нагрузки практически симметричен относительно нуля сетевого напряжения. Зная относительное значение тока короткого замьпсания и определив по кривой рис. 3.9, б величину min. можно вьиислить

Подход к расчету параметров управляющих импульсов покажем на примере трансформатора ТДФЖ-1002 с тиристорами Т2-320 и выходным устройством по схеме 3.13,6. Напряжение вторичных обмоток вспомогательного трансформатора 14 В, сопротивление балластного резистора Rq = 10 0м. Диапазон изменения фазы импульсов 60° эл. < <(;>< 120° эл. Характеристика управления тиристора Т2-320 приведена на рис. 3.15, а. В каталогах на тиристоры значения допустимой мощности потерь в цепи управления тиристором Рдоп приведены для прямоугольных импульсов при заданной скважности Q. Поэтому синусоидальный сигнал управления необходимо заменить эквивалентным прямоугольным сигналом той же мощности и длительности ty~п - p (рис. 3.15, б).

Амплитуда эквивалентного импульса [12]

где Q = 2я/ {п - ip) - скважность импульса управления. В нашем случае 6 = 3; г/; = 16 В.

Построим на рис. 3.15, а зону разброса параметров управления тиристором Т2-320 для температуры -10 °С. Она ограничена крайними вольт-амперными характеристиками / и 2, а также прямыми с координатами f/y = 7 В; /у = 0,5 А. Эти значения Uy и /у получены интерполяцией данных каталога. Линия нагрузки 3 соответствует амплитуде фронта управляющего импульса Uyip) = Uyip) = 0,86 f/, взятой при напряжении питающей сети, пониженном на 15%. Очевидно, что линия нагрузки 3 лежит в зоне гарантированного включения тиристора.

Линия нагрузки 4 соответствует амплитудному напряжению эквивалентного прямоугольного импульса, рассчитанному с учетом повышенного напряжения сети на 5%. Кривая допустимой мощности для Q = 3 (на рисунке обозначена штриховой линией), Роп (G) = 8,4 Вт не пересекает линию нагрузки 4, т. е. мощность импульсов управления не превьшиет допустимого значения.

В тех случаях, когда при заданной длительности импульсов управления трудно не превысить допустимую мощность, может быть использовано выходное устройство по схеме рис. 3.13, е.

Автоматическое регулирование в тиристорных трансформаторах. Если угол включения тиристоров в СФУ задавать вручную и не изменять в процессе нагрузки, то ТТ будет работать на естественных внешних характеристиках, приведенных на рис. 3.7. В реальных трансформаторах,

о 0,2 Qit 0,6 0,8 1,0 1,г 1,t 1,6 1,8 2,0 Ц.А Рис. 3.15. Характеристика управления тиристора Т2-320

предназначенных для определенных видов сварки, прибегают к формированию внеиших характеристик с требуемой крутизной. Например, при работе ТТ в составе сварочного автомата или с автоматической головкой для сварки под флюсом с независимой от дугового напряжения скоростью подачи электродной проволоки трансформатор должен иметь жесткую (пологопадающую) внешнюю характеристику. Многочисленными экспериментами установлена оптимальная крутизна характеристики (5 ... 10) • 10" В/А. При более жестких характеристиках увеличивается амплитуда колебаний сварочного тока, вызванных процессами саморегулирования дуги. Увеличение наклона характеристик затрудняет стабилизацию дугового напряжения. В установках, предназначенных для аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов неплавящимся электродом, для стабилизации сварочного тока требуются вертикальные, или "шгьжовые", внешние характеристики с крутизной 2-5 В/А. В трансформаторах для ручной дуговой сварки штучными электродами наклон внешних характеристик должен составлять 0,15-0,30 В/А.