Простые выпрямительные устройства

Дата: 2015-04-26 16:30
 

Сварочные аппараты постоянного тока состоят из уже хорошо нам известного сварочного трансформатора и устройства, преобразующего переменный ток в постоянный. Причем переделан может быть любой СТ, поэтому их конструкции мы более рассматривать не будем. Займемся тем, что позволяет получить постоянный (а также регулируемый) сварочный ток.

Самый простой способ получить сварочный аппарат постоянного тока — подключить к выводам вторичной обмотки СТ мостовой выпрямитель (рис. 59).

Мостовой выпрямитель в составе простого сварочного аппарата

Рис. 59. Мостовой выпрямитель в составе простого сварочного аппарата:
SA1 — сетевой выключатель питания; FU1 — предохранитель 10—16 А; Т1 — сварочный трансформатор; U2 — выходное переменное напряжение сварочного трансформатора; VD1—VD4 — выпрямительный мост (диоды В200, ВД161 и т. п.)

Выпрямительный мост в любительских схемах чаще всего выполнен на основе мощных диодов типа Д161-200, Д161-320, В200. Эти диоды имеют внушительные размеры, а их корпус посажен на алюминиевые радиаторы. Причем корпус диода, а значит, и крупный радиатор находятся под напряжением, поэтому диоды с радиаторами должны крепиться так, чтобы не касаться токопроводящих частей корпуса аппарата. При этом должны использоваться две группы разнополярных диодов: одна пара с катодом на резьбовом выводе и пара, у которой на резьбовом выводе анод1.

1. В обозначениях силовых выпрямительных диодов, выпускающихся в соответствии с ГОСТ-20859, для маркировки диодов с обратной полярностью введен специальный символ «X». Например, Д161-200Х-8. Это расшифровывается так: диод силовой, выпрямительный, первой модификации, со штыревой конструкцией корпуса и гибким выводом, размер шестигранника под ключ 32 мм, максимальный выпрямленный ток 200 А, максимальное повторяющееся обратное напряжение 800 В, обратной полярности («-» — катодом является основание). Диод того же типа, но без символа «X» в маркировке: Д161-200-8 — то же, прямой полярности («+» — анодом является основание). Подавляющее большинство силовых выпрямительных диодов выпускают как в прямой, так и в обратной полярности.

Благодаря этой особенности пары радиаторов в каждой из двух групп диодов можно не изолировать друг от друга. Но радиаторы групп между собой ни в коем случае не должны иметь контакт. Как показано на рис. 60, пары радиаторов соединены между собой шпильками диаметром 8 мм. Резьбовые концы этих же шпилек одновременно являются выходными клеммами выпрямителя: «+» и «-». Между двумя группами радиаторов при сборке установлена изолирующая прокладка из резины толщиной 5 мм.

Конструкция выпрямительного блока

Рис. 60. Конструкция выпрямительного блока:
1 — выводы переменного напряжения; 2 — плита (фанера или текстолит S = 10 мм); 3 — диоды; 4 — охлаждающие радиаторы; 5 — изолирующая прокладка (резина, S = 5 мм); 6 — стягивающие шпильки М8 (выводы постоянного напряжения)

После монтажа на корпус СП верхнею часть выпрямителя — гибкие выводы диодов — лучше закрыть П-образной крышкой. Однако такой выпрямитель можно собрать и как самостоятельное изделие, подключая к трансформатору лишь тогда, когда нужна сварка постоянным током. Тогда его следует заключить в собственный корпус. Весит такой выпрямитель не более 5 кг.

Если ваш сварочный аппарат не развивает высокую мощность и сварочные работы планируются от случая к случаю, покупать мощные, тяжелые и дорогие диоды не обязательно. Можно приобрести интегрированные в одном корпусе диодные мосты импортного производства. Размер одного такого интегрального выпрямителя сопоставим с размерами спичечного коробка или одного диода В-200 без радиатора. Он выдерживает максимальный ток 30—50 А. Если такие мосты соединить параллельно (рис. 61), то вместе они смогут выдерживать более значительные токи. Строго говоря, суммарный ток объединенного выпрямителя не равняется сумме максимальных токов входящих в него диодных мостов. Ведь они не могут обладать абсолютно одинаковыми параметрами, а значит, каждый пропускает через себя различающиеся по величине токи. Поэтому не исключен пробой диодов сборки при ударном импульсе тока, возникающем при зажигании дуги.

Схема составного выпрямительного моста из четырех диодных сборок

Рис. 61. Схема составного выпрямительного моста из четырех диодных сборок

Однако если собрать эту схему с некоторым запасом по мощности, учитывая ток короткого замыкания, то можно добиться не только существенной экономии, но и более компактных размеров, чем в случае с В-200 и другими мощными диодами. Дело в том, что корпуса диодных мостиков не находятся под напряжением. Их можно прикрепить к одному общему радиатору и разместить в любом удобном месте внутри корпуса сварочного аппарата.

Для такого составного выпрямителя обычно используют 4—6 интегрированных диодных мостиков, обязательно одной и той же марки. Как показывает практика, они не сильно греются и даже без проблем могут выдерживать кратковременные перегрузки, притом, что сварочный аппарат большей частью вообще работает в кратковременном режиме. Например, соединив параллельно шесть диодных сборок КВРС5010, каждая из которых рассчитана на ток 50 А, получаем один диодный мост, рассчитанный на ток 300 А. Для охлаждения подойдет алюминиевый радиатор площадью примерно 800 см2, на которой равномерно размещают сборки и закрепляют болтами М6, под которые в центре корпуса имеются отверстия.

Для улучшения теплоотдачи желательно использовать теплопроводную пасту КПТ-8. После этого схему распаивают медной шиной сечением 10 мм2, а для подключения всего выпрямителя к источнику тока и для выхода сварочного тока — 20 мм2. Не забудьте обработать все места пайки лаком.

Радиатор такого диодного моста при токе сварки 100 А в интенсивном режиме (непрерывная работа электродом диаметром 3 мм в течение 10 мин) должен нагреваться до температуры не выше 50—60 °С.

Если же планируется использовать более мощные токи, можно увеличить количество сборок. Кроме того, выпрямителю не повредит обдув вентилятором. Если принудительное охлаждение применяется для СТ, то имеет смысл разместить радиатор выпрямителя так, чтобы он тоже находился в потоке воздуха.

!!! Обязательно припаивайте шины к выводам диодных мостов. Если вы соедините мосты только с помощью клемм, то концы выводов мостов будут очень сильно греться.

Сразу следует оговорить, что оснащение СТ диодным мостом еще не позволяет считать сварочный аппарат завершенным. Дело в том, что на диодных мостах происходит неизбежное падение напряжения, поэтому на выходе источника питания постоянного тока напряжение будет где-то на 4—5 В меньше, чем напряжение холостого хода трансформатора. При этом напряжение на выходе не будет строго постоянным — его форма будет пульсирующей (рис. 62, б), а эффективное значение постоянного пульсирующего напряжения в корень из 2 раз меньше напряжения пиков максимумов амплитуды переменного тока. Из-за этого на вторичной обмотке приходилось бы поддерживать заведомо завышенное напряжение, доходящее до 80 В 1, хотя для поддержки горения дуги и наплавления металла в зоне сварки достаточно 25—36 В.

1. Напряжение на выходе сварочного источника не должно превышать 80 В по требованиям электробезопасности согласно ГОСТ 95-77Е.

Сглаживание пульсаций выпрямленного тока

Рис. 62. Сглаживание пульсаций выпрямленного тока:
а — переменный ток на выходе СТ; 6 — пульсирующее напряжение после диодного моста; в — крутопадающая характеристика СА при сглаживании пульсаций конденсатором; г — сглаживание пульсаций дросселем; д — сглаживание пульсаций конденсатором

Разумеется, лишние вольты отразились бы в виде непомерно большой массы и габаритов СА, повышенного расходования электроэнергии. Снизив же напряжение, трансформируемое во вторичную цепь, до 36 В, можно в 5—6 раз облегчить вес устройства и уменьшить его размеры до приемлемых для переноски с одновременным улучшением остальных эксплуатационных характеристик. Но как при низковольтной обмотке зажечь дугу?

Для сглаживания пульсаций напряжения один из выводов выпрямителя подсоединяют к держателю электродов через дроссель (рис. 62, г 2).

2 Здесь показано подключение СА для сварки тонколистового металла на «обратной» полярности: «+» на электроде, «-» — на свариваемой детали.

Он представляет собой катушку из 10— 15 витков медной шины сечением 25—35 мм2, намотанной на любом сердечнике, например от магнитного пускателя.

Но кардинальным решением проблемы стал ввод конденсатора большой емкости во вторичную цепь диодного моста. В результате напряжение на выходе увеличивается почти в 1,5 раза, а характеристика СА также получается крутопадающей (рис. 62, в).

Создаваемое конденсатором начальное повышенное напряжение облегчает зажигание дуги. А когда потенциал на сварочном электроде упадет до напряжения вторичной обмотки трансформатора (рабочая точка «А»), возникнет процесс устойчивого горения дуги с наплавлением металла в зоне сварки. Чтобы создать такое «энергетическое чудо», требуется конденсатор емкостью 5000—10000 мкф. В этом случае он на холостом ходу будет заряжаться до уровня максимального по амплитуде напряжения.

Особенно рекомендуется ставить конденсатор в том случае, если источник питания имеет низкое выходное напряжение (меньше 40 В) и возникают трудности в момент зажигания сварочной дуги. При этом конденсатор лучше включить через сопротивление 0,5—1,5 Ом (рис. 62, д). Присутствие резистора обусловлено тем, что в момент зажигания дуги происходит касание конца электрода о металл изделия, т. е. короткое замыкание. Если сопротивления в цепи конденсатора нет, то происходит мгновенный разряд конденсатора большой емкости, импульс высокого тока сопровождается громким щелчком, а часто и разрушением кончика электрода или его мгновенным привариванием к металлу изделия. Работать с таким источником весьма неудобно, треск разрядов действует на нервы. Дополнительный же резистор ограничивает ток, сглаживает разряд конденсатора, делая зажигание дуги легче и мягче.