Материал: Модуляторы тока для импульсно-дуговой сварки. Зайцев А.И., Чуриков И.А
ходе источника, так и при горении дуги в любой момент времени и исключать или ограничивать до допустимого уровня раскачку напряжения за счет энергии, запасаемой в коммутирующем дросселе L1 от тока нагрузки.
С учетом изложенного на основе устройства для сварки разработан вариант модулятора сварочного тока, принципиальная схема которого приведена на рис. 3-8. Схема отличается наличием диода VD3, шунтирующего коммутирующий конденсатор С и часть
зарядного дросселя L3 в обратном направлении. На рис. 3-9 представлена схема с импульсно-регулируемым сопротивлением в сварочной цепи, а на рис. 3-10 временная диаграмма. Работа схемы происходит следующим образом.
Для запирания главного тиристора VS1 включается вспомогательный тиристор VS2. Конденсатор С перезаряжается по цепи VS2 - L1. Первый и второй этапы протекают также, как в предыдущей схеме. В конце второго этапа конденсатор сменит полярность напряжения на противоположную, плюс будет на нижней обкладке , а минус на верхней. На третьем этапе происходит перезаряд
конденсатора по цепи VD3 - L3 и одно-
временно по цепи (+) источника - VD2
- L3 - C - (-) источника. Напряжение на
нижней части зарядного дросселя L3, в пренебрежении активным сопротивлением цепи, равно напряжению на конденсаторе С и направлено встречно, пока через диод VD3 протекает ток. Таким образом, на третьем этапе заряд происходит только под действием на-
63
пряжения самого источника независимо от напряжения на конденсаторе. Третий этап заканчивается в момент времени, когда зарядный ток, потребляемый от источника, становится равным току в перезарядном контуре VS3 - L3 - C. В этот момент в цепи заряда конденсатора скачком появляется напряжение конденсатора, направленное встречно и большее по величине, поэтому на четвертом этапе ( интервал t6 - t7) дроссель L3 отдает свою энергию конденсатору, и на этом процесс заканчивается.
3.4. Исследование и расчет элементов коммутирующего
контура
Процессы в коммутирующем контуре протекают одинаково для обоих вариантов модуляторов независимо от формы внешней характеристики источника питания.
Рассмотрение процессов начнем со второго этапа. Процесс перезарядки конденсатора С через дроссель L1 описывается уравнением
|
di |
1 |
t |
(3-27) |
|
0 L1 dt |
R1i1 C |
i1 dt U C 0 . |
|||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
Решение этого уравнения при начальных условиях: Uco=Uc2(0), i1(0)=0 известно [90] и в случае колебательного процесса будет:
|
|
U C2 0 |
|
t |
|
|
i |
1 t |
|
Sinw |
1 te 1 , |
(3-28) |
|
1 L1 |
||||||
|
|
|
|
|
64
U L1 |
U C2 0 |
|
01 |
e |
1t Sin 1 t |
1 , |
(3-29) |
||
|
1 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
U C |
U C2 0 |
|
01 |
e 1 t Sin 1 t |
1 , |
(3-30) |
|||
1 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||
В этих выражениях
|
R1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
; |
|
2 |
|
2 |
; |
|
arcsin |
1 |
, |
||
1 |
2L1 |
01 |
|
|
|
1 |
01 |
1 |
|
1 |
||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
LC |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
01 |
|
|||
где - декремент затухания,
-угловая частота незатухающих колебаний,
-угловая частота затухающих колебаний,
- угол сдвига между током и напряжением, R1 - сопротивление потерь контура коммутации.
Поскольку контур коммутации обычно обладает высокой добротностью (Q1 = 10-20 ), то можно принять, что
. (3-31)
При таком допущении время перезаряда конденсатора равно полупериоду незатухающих колебаний контура коммутации
|
|
(3-32) |
|
t2 |
L1 C |
. |
|
Напряжение на коммутирующем конденсаторе в конце второго этапа, являющееся начальным для третьего этапа, определится при подстановке (3-31) и (3-32) в (3-30)
|
|
|
|
U C 2 k U C 3 0 e 2Q1 . |
(3-33) |
||
В режиме отключения тока нагрузки процесс перезаряда конденсатора С через дроссель L1 на втором этапе описывается
65
выражением (3-27), но имеется дополнительное начальное условие
i1 |
0 I CB |
U XX |
Ed |
, |
RЭ |
|
|||
|
|
|
|
где Iсв - ток нагрузки;
Uхх - напряжение холостого хода источника; Еd - пассивная противо-э.д.с. сварочной дуги; Rэ - суммарное сопротивление сварочной цепи.
Решением уравнения ( 3-27 ) в этом случае будет:
|
i |
t |
|
e 1 t |
|
UC2 0 |
|
ICB |
Sinw |
t |
I |
|
|
Cosw |
t |
; |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
CB |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
w1L1 |
2Q1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
U |
|
e |
1 t |
U |
|
0 |
|
|
ICB R1 |
|
|
01 |
|
Sin |
|
|
t |
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
L1 |
Cos |
|
|
t |
||||||||||||
L1 |
|
C2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
CB |
|
|
|
C |
|
|
1 |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
U |
|
e |
1 t |
U |
|
|
0 |
|
|
ICB R1 |
|
|
01 |
Sin |
|
t |
|
|
|
I |
|
|
|
|
L1 |
Cos |
|
t |
|
|
|||||||||||||
C |
|
C2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
1 |
|
CB |
|
|
C |
1 |
|
1 |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
(3-34)
(3-35)
1 ; (3-36)
. (3-37)
Продолжительность второго этапа определится из выражения (3-35) при условии i1=0.
tg |
1 t |
|
|
|
I CB |
|
|
|
I CB |
1 L1 . |
(3-38) |
|
2 |
|
U C2 |
0 |
|
I CB |
|
|
U C2 0 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
1 L1 |
2Q1 |
|
|
|
|
|
||
Поскольку tg 1t2 имеет отрицательное значение, угол w1t2 лежит во второй четверти и длительность второго этапа определится как
|
|
t 2 |
1 |
|
|
arctg |
|
1 |
, |
|
(3-39) |
||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
k i |
|
|||
где |
k i |
U C2 0 |
|
U C2 0 |
|
U C2 |
0 R Э |
. |
(3-40) |
||||
1 L1 I CB |
I CB 1 |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
U XX 1 |
|
|||||||||
66
Напряжение на конденсаторе в конце второго этапа, являющееся начальным для третьего этапа, в режиме нагрузки найдем, подставив (3-39) в (3-37)
|
U C 2 k |
U C 3 |
0 |
K 1H |
U C 2 0 Ki |
ICB |
|
L1 |
|
, |
(3-41) |
|||
|
C |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
arctg |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
где |
K 1H |
e |
|
K |
|
Sinarctg |
. |
|
|
|
|
(3-42) |
||
1 |
|
i |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
Ki |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Время, предоставляемое схемой для выключения силового тиристора, определится из выражения (3-36) с учетом (3-31) и при условии UL1=Uxx при работе модулятора с источником, обладающим жесткой характеристикой. При питании от источника с падающей внешней характеристикой время, предоставляемое схемой для выключения, определится при условии UC1=UL1. Напряжение UC1(0) в момент времени t=0 равно UC 1(0)= д, а затем возрастает. Однако время выключения силового тиристора на много
меньше времени заряда конденсаторов С1 |
и С, поэтому для ин- |
тервала выключения можно допустить, что |
|
UC1(tвыкл) = d . |
(3-43) |
Для доказательства правомерности такого допущения получим выражение для UC1(t) и построим кривые для реальных параметров схемы. Расчетная схема представлена на рис. 3-11. При выключении силового тиристора вводится сопротивление R.
Переходные процессы в схеме, возникающие в этот момент, описываются следуюшим выражением в операторной форме:
U XX |
RЭi1 p LИ pi1 p LИi1 0 |
d |
R i1 0 RЭi3 p LИ pi3 p , |
(3-44) |
|
|
|
||
P |
|
p |
|
|
67