Главная | Обратная связь

Вентили, используемые в сварочных выпрямителях

Используют преимущественно кремниевые силовые вентили: неуправляемые (диоды), неполностью управляемые (тиристоры) и управляемые (транзисторы).

Принцип работы диода рассмотрим на примере простейшей схемы однополупериодного выпрямления (рис. 4.3). В положительном полупериоде синусоидального напряжения питающей сети диод V оказывается включенным в прямом направлении (рис. 4.3,а). Поскольку при этом его сопротивление мало, прямой ток i_пр (рис. 4.3,в) сравнительно велик. Практически все напряжение сети приложено к нагрузке R_н (u_Rпр = u_~), а падение напряжения на диоде и_пр, не превышает 1-2 В. В отрицательном полупериоде (рис. 4.3,б) диод включен в обратном направлении, его сопротивление резко возрастает, а ток i_обр снижается почти до нуля (рис. 4.3,в). На нагрузку напряжение почти не подается (u_Rобр = 0), поскольку практически все напряжение сети приложено к разрыву цепи, образованному закрытым диодом (u_обр = u_~)

Рис. 4.3. Диод в цепи переменного тока: а — прямое включение, б — обратное включение, в — осциллограммы тока и напряжения, г — динамическая вольт-амперная характеристика

Таким образом, если пренебречь незначительным обратным током i_обр, по нагрузке идет прерывистый ток одного направления — выпрямленный ток i_д = i_пр. Его усредненное за полный период значение I_пр.

По осциллограммам (рис. 4.3,в) можно получить динамическую вольт-амперную характеристику диода (рис. 4.3,г). На прямой ветви характеристики видно, что прямое падение напряжения на вентиле u_пр невелико. Главным параметром, по которому из справочников выбирается диод, является его предельный ток I_пред. Это максимально допустимое среднее за период значение длительно протекающего тока синусои­дальной формы при частоте 50 Гц и однополупериодном выпрямлении. В сварочных выпрямителях используются диоды с предельным током 200, 320, 400, 500 А. Другой важной характеристикой диода является прямое падение напряжения U_пр на вентиле при амплитудном значении pI_пред предельного тока. Прямое падение характеризует потери мощности на нагрев вентилей, от него зависит КПД выпрямителя.

На обратной ветви отметим довольно высокое пробивное напряжение U_проб измеряемое сотнями вольт, при котором происходит необратимое разрушение полупроводниковой структуры вентиля. Еще один справочный параметр вентиля — повторяющееся напряжение U_повт. Это наибольшее мгновенное напряжение, прикладываемое к диоду в обратном направлении. При этом имеется в виду не только амплитудное значение синусоидального напряжения U_т (рис. 4.3,в), но также и часто повторяющиеся броски напряжения при переходных процессах. Повторяющееся напряжение должно быть ниже пробивного не менее чем в 2 раза. В сварочных выпрямителях используются вентили 2-8-го классов (U_повт от 200 до 800 В). Допустимое обратное напряжение вентиля U_доп должно быть в 1,5 раза ниже повторяющегося U_повт.

При выборе вентилей необходимо учитывать кратковременные, но довольно значительные перегрузки по току, сопровождающие работу сварочного выпрямителя. При технологических перегрузках, например, из-за короткого замыкания электродом на изделие при зажигании дуги, допускается перегрев кремниевого диода от нормальной температуры 140°С кратковременно до 160°С. Из паспортной перегрузочной характеристики диода (рис. 4.4,а) можно установить, что такая 4-кратная перегрузка по току может длиться не более 1 с. Из этой же характеристики следует, что аварийная 8-кратная перегрузка, вызванная, например, коротким замыканием внутри выпрямителя, допустима при длительности не более 0,03 с, т. е. времени, за которое должен срабатывать быстродействующий автоматический выключатель. Если предельный ток I_предвентиля ниже необходимого, применяют параллельное соединение 2, 3 и более одинаковых вентилей. Последовательное соединение кремниевых вентилей не принято, поскольку для сварочных выпрямителей удается выбрать вентили с любым достаточно высоким повторяющимся напряжением U_повт.

Рис. 4.4. Защита вентилей от перегрузок: а — ампер-секундная характеристика вентиля с I_пред — 320 А, б — обратное напряжение вентиля при включении защитной цепи RС

Перегрузки по напряжению возникают на вентилях в переходных процессах — при переходе от прямого включения вентиля к обратному, при коммутации тока с одного вентиля на другой, при переходе выпрямителя от режима нагрузки к холостому ходу. Гораздо более опасное перенапряжение наблюдается при переходе от режима короткого замыкания к холостому ходу, поскольку при этом в цепях трансформатора возникает самая большая ЭДС самоиндукции, вызванная спадом тока. Это перена­пряжение может достигать U_обр ⁼ (1,5—2)U_х. Для снижения перенапряжений параллельно вентилю подключают конденсатор (рис. 4.4,б). Импульс ЭДС самоиндукции вызывает появление тока через конденсатор. Поскольку сопротивление конденсатора импульсному току невелико, то и падение напряжения на таком шунтирующем конденсаторе меньше, чем на вентиле без конденсатора. В результате и на вентиле импульс напряжения в обратном направлении также снижается на 20-30 %. Для ограничения тока в цепи конденсатора последовательно с ним соединяется резистор. Такие RC-цепочки включают параллельно каждому плечу выпрямительного блока, а иногда и параллельно вторичным обмоткам трансформатора.

Подобным образом рассмотрим работу тиристора (рис. 4.5).

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 моменту подачи импульса управления i_у. Следовательно, среднее значение выпрямленного тока I_пр, 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 переменного 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.

Силовые транзисторы разработаны сравнительно недавно. Однако ожидается их широкое внедрение благодаря уникальным возможностям регулирования, которые они предоставляют. В сварочных выпрямителях первоначально использовались биполярные транзисторы со структурой р-п-р, включаемые по схеме с общим эмиттером ОЭ (рис. 4.6,о). В ней транзистор используется для управления уже выпрямленным током. На вольт-амперной характеристике (рис. 4.6,б) видно, что с ростом тока базы I_Бувеличивается и коллекторный ток I_пр, подаваемый на нагрузку R_н. Усиление тока характеризуется коэффициентом передачи по току k_ут = I_пр / I_Б, который у силовых транзисторов имеет порядок 10-100.

Однако, в сварочных выпрямителях транзистор в режиме усиления (т. В) в настоящее время не используется. Дело в том, что в эмитторно-коллекторном переходе выделяется большое количество тепла, приводящее его к перегреву, увеличению статических потерь энергии и снижению КПД. Поэтому в современных силовых преобразователях при подаче импульса управления на базу I_{б max} транзистор из исходного состояния отсечки (т. А) быстро переключается в состояние насыщения (т. С), такой режим называется ключевым.