Что такое динамические свойства сварочных источников питания
Лабораторная работа №3
Тема: Изучение источников питания сварочной дуги
3.1. Цель: Получить представление об источниках питания электрической сварочной дуги, их классификации, принципах действия, устройстве и технических характеристиках.
3.2. Задание:
3.2.1. Снять внешнюю характеристику источника питания.
3.2.2. Определить коэффициент добротности (D) источника питания дуги.
2.2.3. Выполнить регулировку сварочного тока на источнике питания для сварки электродом заданной марки и диаметра.
3.3. Исходная информация:
3.3.1. Источники питания сварочной дуги классифицируют по следующим признакам:
▪ по количеству обслуживаемых сварочных постов – однопостовые и многопостовые;
▪ по условиям применения – стационарные и передвижные;
▪ по ряду тока – источники постоянного и переменного тока;
▪ по виду внешней характеристики источника питания (ВнХИП) – источники с крутопадающей, полого падающей, жёсткой и возрастающей характеристиками;
▪ по компоновке – однокорпусные и двухкорпусные.
3.3.2. Требования к источникам питания дуги:
1) Источник питания должен обеспечивать лёгкое, надёжное возбуждение и устойчивое горение дуги, а также регулирование сварочного тока (Iсв, А) и напряжения (Uд, В) на дуге, определяющих мощность дуги. Для возбуждения дуги требуется напряжение холостого хода источника питания в 2 – 3 раза больше напряжения стабильного горения дуги. По условиям безопасности напряжение холостого хода не может быть больше: для источника переменного тока – 80 В, источника постоянного тока – 90 В.
2) Время восстановления напряжения от короткого замыкания до напряжения зажигания дуги должно быть не более 0,02 – 0,04 с. Техническая пригодность данного источника для питания сварочной дуги оценивается динамической характеристикой дуги – зависимостью между мгновенными значениями Iсв и Uд.
3) Источник питания должен выдерживать продолжительное короткое замыкание в сварочной цепи. Степень ограничения тока короткого замыкания (Iк.з, А) характеризуется коэффициентом добротности 
, например, для источников с крутопадающей характеристикойD=1,1 … 1,5.
4) Форма ВнХИП должна соответствовать заданной форме определённого участка статической вольтамперной характеристики дуги при данном способе сварки.
5) Источники питания должны обладать хорошими технико-экономическими показателями, к которым относятся: к.п.д., коэффициент мощности (cosφ), габаритные размеры, масса, стоимость, надёжность и ряд других.
3.3.3. Источники питания переменного тока представляют собой понижающие однофазные трансформаторы, у которых во вторичной цепи имеется регулируемое индуктивное сопротивление, позволяющее создавать крутопадающую ВнХИП, регулировать сварочный ток и ограничивать ток короткого замыкания. Индуктивное сопротивление также позволяет сдвинуть синусоиду напряжения на угол φ по отношению к синусоиде тока. Недостатки трансформаторов первых поколений – малая устойчивость горения дуги и невозможность управления полярностью. В последние годы разработаны тиристорные трансформаторы, в которых первый недостаток устранён.
Промышленностью выпускаются сварочные трансформаторы двух принципиальных электромагнитных схем:
▪ трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием;
▪ трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием.
К первой схеме относятся: однокорпусные трансформаторы с реактивной обмоткой (отдельной или магнитно-связанной на общем магнитопроводе). Ко второй – однокорпусные трансформаторы: с подвижными обмотками, с подвижным шунтом, с подмагничиванием неподвижного шунта постоянным током, трансформаторы с тиристорным управлением.
Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием в настоящее время промышленностью не выпускаются, но для понимания физической сущности их работы и логики дальнейшего развития трансформаторов приведём их краткую характеристику. Такой источник питания (рис. 3.1) состоит из первичной обмотки 1, вторичной обмотки 2, магнитопровода 3, реактивной обмотки 4 и подвижного пакета магнитопровода 5. Крутопадающая ВнХИП создаётся за счёт падения напряжения на индуктивном сопротивлении реактивной обмотки, то есть за счёт того, что э. д. с. реактивной обмотки направлена против основной э. д. с.
|
| Рис. 3.1. Электромагнитная схема сварочного трансформатора с нормальным магнитным рассеянием: Фр – магнитный поток реактивной обмотки; Фт – основной магнитный поток трансформатора; а – воздушный зазор магнитопровода реактивной обмотки |
Напряжение на дуге и сварочный ток при нагрузке характеризуются следующими зависимостями
| и |
| (3.1) |
,где Uх.х– напряжение холостого хода трансформатора, В;
Xр– индуктивное сопротивление реактивной обмотки, Ом.
Плавное регулирование сварочного тока производится путём изменения воздушного зазора а в магнитопроводе реактивной катушки; ступенчатое регулирование – за счёт изменения числа ампер-витков трансформатора. При увеличении воздушного зазора а индуктивное сопротивление реактивной обмотки уменьшается, а сварочный ток увеличивается и наоборот.
В трансформаторах с увеличенным магнитным рассеянием индуктивное сопротивление в сварочной цепи обеспечивается за счёт увеличения потоков рассеяния, достигаемого путём разнесения вдоль магнитопровода на большое расстояние первичной и вторичной обмоток, а также за счёт ответвления части магнитных потоков по шунту (пакету из трансформаторного железа).
Общий принцип работы трансформаторов с подвижными обмотками, с подвижным магнитным шунтом и с подмагничиванием неподвижного шунта одинаков: крутопадающая ВнХИП создается за счёт падения напряжения на индуктивном сопротивлении потоков рассеяния. Плавное регулирование тока осуществляется путём изменения индуктивного сопротивления плавным перемещением подвижной обмотки или магнитного шунта. Ступенчатое регулирование – путём переключения обмоток трансформатора.
| |
| |
| Рисунок 2.2 – Электромагнитная схема трансформатора с увеличенным магниитным рассеянием. |
Рассмотрим режим работы трансформатора с увеличенным магнитным рассеянием на примере трансформаторов типа ТД (рис. 3.2) с подвижной вторичной обмоткой.
| |
| Рисунок 2.15 – Электромагнитная схема трансформатора с увеличенным магниитным рассеянием. |
|
|
|
| Рис. 3.2. Электромагнитная схема трансформатора с увеличенным магнитным рассеянием: а) схема электрическая принципиальная; б) схема регулирования ВнХИП |
Потоки рассеяния индуктируют в первичной (I) и вторичной (II) обмотках трансформатора э. д. с. рассеяния, направленную против основной э. д. с., то есть носят реактивный характер, уменьшая напряжение в этих обмотках.
Падение напряжения в первичной обмотке компенсируется из сети. Во вторичной обмотке влияние э. д. с. рассеяния ничем не компенсируется и используется для создания крутопадающей внешней характеристики.
| |
| и |
| (3.2) | |
.| |
| |
| Рис. 3.3. Упрощенная электрическая схема тиристорного сварочного трансформатора (а) и схема импульсной стабилизации дуги (б) |
Силовой трансформатор состоит из магнитопровода, разнесённых первичной 1 и вторичной 2 обмоток, и дополнительной реактивной обмотки 3 для ступенчатого регулирования сварочного тока. Между секциями вторичной обмотки вставлены секции импульсной обмотки 4. Основным узлом трансформатора является тиристорный фазорегулятор (ФР), снабжённый системой импульсно-фазового управления (СФУ), которая в совокупности с другими элементами обеспечивает регулирование и стабилизацию рабочего напряжения, а также импульсную стабилизацию дуги. Импульсная стабилизация дуги (см. рис. 3.3, б) осуществляется в момент включения любого из транзисторов (V1 и V2), определяемый углом α. При этом конденсатор С разряжается до текущего значения сетевого напряжения. Зарядный ток конденсатора С проходит по дополнительной обмотке 4, трансформируется во вторичную (сварочную) цепь и вызывает в дуговом промежутке импульс напряжения, достаточного для возбуждения дуги. Отпирающие импульсы V1 и V2 поступают на вход системы СФУ с элемента сравнения как разность сигналов с блока задания регулируемой величины напряжения.
Достоинствами тиристорных трансформаторов являются:
▪ простота и надёжность силового трансформатора;
▪ отсутствие подвижных частей и стальных шунтов;
▪ меньшая масса;
▪ устойчивое горение дуги;
▪ лучшее регулирование и стабилизация режимов сварки.
3.3.4. Источники питания постоянного тока включают:
▪ вращающиеся преобразователи (сварочные генераторы);
▪ выпрямители (универсальные, одно- и многопостовые).
И те, и другие позволяют выполнять сварку на любой полярности и обеспечивают устойчивость горения дуги на малых токах.
Сварочные генераторы применяют как для ручной, так и для механизированной и автоматической сварки. Их принципиальные электрические схемы показаны на рис. 3.4. Наиболее простой из этих схем обладают генераторы с независимым возбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой возбуждения, позволяющей получить крутопадающую ВнХИП (рис. 3.4, а).
|
|
|
|
| Рис. 3.4. Принципиальные электрические схемы генераторов с независимым возбуждением (а), с самовозбуждением (б) и жёсткой ВнХИП (в) |
В режиме нагрузки напряжение на генераторе и на дуге определяется по формуле:
| , | (3.3) |
где С– постоянная генератора;
–сумма магнитных сопротивлений на пути потоков, создаваемых независимой и размагничивающей обмотками, Ом;
iн– сила тока возбуждения в цепи независимой обмотки;
Wни Wр– число витков намагничивающей и размагничивающей обмоток возбуждения.
Регулирование Iсв производится двумя способами:
▪ плавное – изменением силы тока iн с помощью реостата R;
▪ ступенчатое – изменением числа витков последовательной размагничивающей обмотки возбуждения Wр.
Сварочные генераторы с крутопадающей ВнХИП и с самовозбуждением (рис. 3.4, б) также имеют две обмотки возбуждения – намагничивающую параллельную и размагничивающую последовательную.
Сварочные генераторы с жёсткой ВнХИП применяются для сварки в защитных газах и порошковой проволокой. Принципиальная электрическая схема генератора с двумя обмотками самовозбуждения и разнонасыщенной магнитной системой показана на рис. 3.4, в. Для регулирования напряжения генератора в цепь обмотки Н1 (ненасыщенная магнитная система) включен реостат R. Если реостат R полностью введён, напряжение холостого хода обеспечивается обмоткой Н2 (насыщенная магнитная система), а магнитодвижущая сила обмотки Н1 ограничена большим сопротивлением реостата. Сопротивление RП в цепи обмотки Н2 выполняет роль подстроечного сопротивления. По мере уменьшения сопротивления в обмотке Н1 (реостат выводится), напряжение генератора от насыщенной пары полюсов увеличивается, принимая значение:
| . | (3.4) |
Напряжение генератора UГ всегда остаётся постоянным, так как оба магнитных потока ФН1 и ФН2 не зависят от сварочного тока, а реакция якоря практически не влияет на напряжение. ВнХИП генератора будет иметь минимальное напряжении при полностью введённом сопротивлении реостата R, и максимальное напряжение – при выведенном сопротивлении реостата R.
Сварочные выпрямители представляют собой преобразователи энергии трёхфазной сети переменного тока в энергию выпрямленного тока для сварки. Сварочный выпрямитель состоит из трёхфазного сварочного трансформатора и силового выпрямительного блока с системой управления и защиты. Основой силового выпрямительного блока являются полупроводниковые приборы (диоды, тиристоры, транзисторы и др.) – электрические устройства, выполненные из полупроводниковых материалов (кремния, селена или германия), обладающих вентильными свойствами и способные выполнять функции управления. В сварочных выпрямителях используются три схемы выпрямления: трёхфазная мостовая, шестифазная с уравнительным дросселем и шестифазная кольцевая.
Применяется несколько видов сварочных выпрямителей:
▪ однопостовые с крутопадающей ВнХИП для ручной сварки и механизированной сварки под флюсом;
▪ однопостовые с жёсткой (или пологопадающей) ВнХИП для сварки в защитных газах, порошковой проволокой и под флюсом;
▪ однопостовые универсальные тиристорные с крутопадающей и жёсткой ВнХИП для ручной и механизированной сварки;
▪ многопостовые с реостатной регулировкой режима на постах для ручной и механизированной сварки в углекислом газе;
▪ многопостовые универсальные тиристорные с безреостатным регулированием режима сварки на постах;
▪ специализированные сварочные выпрямители для импульсной сварки, сварки сжатой дугой неплавящимися электродами и др.
По сравнению со сварочными генераторами сварочные выпрямители обладают следующими достоинствами:
▫ лучшие динамические свойства;
▫ устойчивость дуги на малых токах;
▫ меньшее разбрызгивание металла;
▫ малое энергопотребление при холостом ходе;
▫ несколько больший коэффициент полезного действия;
▫ меньшие габариты и масса;
▫ простота конструкции и технического обслуживания.
Недостатком выпрямителей является чувствительность к циклическим тепловым перегрузкам, что требует применения системы воздушного охлаждения. У многопостовых выпрямителей имеют место большие потери электроэнергии в балластных реостатах.
Упрощенная схема выпрямителей с крутопадающей ВнХИП показана на рис. 3.5, а.
| | |
| Рис. 3.5. Упрощенные схемы выпрямителей типа ВД (а) и ВС (б): I– понижающий трёхфазный трансформатор (ТС); II – устройство для регулирования внешней характеристики; III – блок полупроводниковых выпрямителей (вентили V1 – V6); L – стабилизирующий линейный дроссель |
Выпрямители типа ВД выполнены по наиболее распространённой трёхфазной мостовой схеме выпрямления тока на кремниевых диодах. Трёхфазный трансформатор ТС с увеличенным магнитным рассеянием и с подвижными обмотками соединён с выпрямительным мостом V, который содержит две группы вентилей: катодную (нечётную) – вентили V1, V3 и V5, у которой все катоды электрически соединены и образуют положительный полюс выпрямителя и анодную (чётную) – вентили V2, V4, V6, у которых все аноды также электрически соединены и образуют отрицательный полюс выпрямителя. Регулирование тока ступенчато-плавное: при соединении обмоток трансформатора звездой получают малые токи, треугольником – большие токи. Плавная регулировка достигается изменением расстояния между обмотками.
Выпрямители типа ВД (рис. 3.5, а) выпускаются также по трёхфазной мостовой схеме, но с трансформатором с нормальным магнитным рассеянием. Они снабжены дросселями насыщения, создающими крутопадающую внешнюю характеристику и обеспечивающими плавную регулировку сварочного тока.
Выпрямители типа ВС (рис. 3.5, б) выполнены по трёхфазной мостовой схеме на селеновых диодах. Они имеют трёхфазный трансформатор ТС с нормальным магнитным рассеянием и стабилизирующий линейный дроссель L. Пологопадающая ВнХИП выпрямителя является его естественной характеристикой. Регулирование выходного напряжения осуществляется за счёт переключения числа витков первичной обмотки трансформатора.
К недостаткам выпрямителей типа ВС относятся следующие:
▫ отсутствует стабилизирующее напряжение;
▫ регулировка напряжения возможна только при холостом ходе;
▫ не предусмотрена защита от перегрузок.
Кроме выпрямителей, упрощенные схемы которых показаны на рис. 3.5, выпускаются сварочные выпрямители типа ВДГ с управлением от дросселя насыщения или с тиристорным управлением. Функциональные схемы этих выпрямителей показаны на рис. 3.6.
|
|
| Рисунок 2.6 – Функциональные блок-схемы сварочных выпрямителей типа ВДГ: а – с дросселем насыщения: ТС – силовой трансформатор; СН – стабилизатор напряжения; ДН – дроссель насыщения; V7 и V8 – выпрямительные блоки; V – выпрямительный мост; L – стабилизирующий дроссель. б – с тиристорным управлением (б): ТВ – вспомогательный трансформатор; БФУ – блок фазового управления; V – тиристорный блок; L – линейный дроссель. |
|
| Рис.3.6. Функциональные блок-схемы сварочных выпрямителей типа ВДГ: а – с дросселем насыщения: ТС – силовой трансформатор; СН – стабилизатор напряжения; ДН – дроссель насыщения; V7 и V8 – выпрямительные блоки; V – выпрямительный мост; L – стабилизирующий дроссель. б – с тиристорным управлением (б): ТВ – вспомогательный трансформатор; БФУ – блок фазового управления; V – тиристорный блок; L – линейный дроссель |
В условиях концентрации сварочных работ в цехах целесообразно переходить к централизованным многопостовым сварочным системам, то есть к совокупности источников питания, сварочных постов и электрических сетей, соединяющих отдельные посты.
Система может состоять и из одного многопостового источника, используемого автономно с питанием постов через шинопровод (рис. 3.7). Такая схема имеет следующие достоинства:
▫ обеспечивает увеличение коэффициента использования и коэффициента мощности (cosφ) сварочного оборудования;
▫ обеспечивает экономию производственных площадей;
▫ уменьшаются затраты на приобретение оборудования, его ремонт и техническое обслуживание.
| |
| |
| Рис. 3.7. Принципиальная схема подключений трёхфазного многопостового сварочного выпрямителя: I – понижающий трёхфазный трансформатор; II – блок полупроводниковых выпрямителей (вентилей) |
При использовании многопостовых выпрямителей сварочные посты оснащаются балластными реостатами (РБ) для создания крутопадающей ВнХИП и ступенчатого регулирования Iсв.
Уравнение характеристики на посту имеет вид:
| , | (3.5) |
где Uх.х – напряжение на шинопроводе, В;
RБ – сопротивление балластного реостата, Ом;
IсвRБ – падение напряжения на реостате, В.
Количество постов n многопостовой системы, обслуживаемой одним источником питания, определяется формулой:
|
| (3.6) |
,где Ри– мощность источника питания, А,∙Вт;
Рп– мощность, используемая постомРп=IсвUд, А∙Вт;
K– коэффициент одновременности работы постов: для ручной сваркиK=0,5…0,6, для механизированнойK=0,7…0,9.
3.3.4. Инверторные источники питания в настоящее время получили большую популярность. Функциональная схема инверторного источника сварочного тока показана на рис. 3.8.
Напряжение сети промышленной частоты (в примере – трёхфазной, 380 В) преобразуется входным выпрямителем в постоянное порядка 500 В. Это напряжение, в свою очередь, преобразуется с помощью инвертора в переменное повышенной частоты (до нескольких десятков кГц), которое затем поступает на понижающий высокочастотный трансформатор. Вторичная обмотка трансформатора нагружена на диодный выпрямитель, к выходу которого через сглаживающий дроссель подключены электрод и изделие.
| |
| Рис. 3.8. Функциональная схема инверторного источника сварочного тока: 1 – (сетевой) выпрямитель; 2 – инвертор; 3 – трансформатор; 4 – выходной выпрямитель; 5 – дроссель |
Питание трансформатора напряжением высокой частоты позволяет существенно снизить расход материалов, идущих на его изготовление. Так, при частоте питающего напряжения 10 кГц по сравнению с частотой 50 Гц масса трансформатора и его габаритные размеры уменьшаются примерно в 3 раза. А при частоте 50 кГц – уже в 15 – 17 раз. Например, расчётная масса трансформатора мощностью 20 кВ·А при питании напряжением частотой 50 Гц составляет 120 кг, а при 50 кГц – 7 кг. Такое уменьшение массы активных материалов способствует значительному снижению (в 25 раз) потерь мощности, а значит, росту КПД.
3.4. Методические рекомендации и последовательность выполнения работы.
3.4.1. Перед началом выполнения работы целесообразно разделить учебную группу на две бригады по 5 – 7 человек. Одна бригада будет выполнять работу с использованием сварочного поста переменного тока, а вторая – постоянного тока.
3.4.2. К выполнению лабораторной работы допускаются только студенты, прослушавшие ранее инструктаж по технике безопасности и о правилах поведения в лаборатории сварки и расписавшиеся в журнале инструктажа.
3.4.3. В производстве опытов участвуют все члены бригады: один выполняет работы в сварочной кабине, второй переключает рычаги балластного реостата, двое ведут записи результатов и наблюдение за током и напряжением по приборам и т. д. Распределение функций в бригаде студенты выполняют самостоятельно или под руководством преподавателя.
3.4.4. Все студенты бригады должны ознакомиться с исходной информацией (см. п. 3.3), электрической схемой и технической характеристикой источника питания дуги (по паспорту), по форме табл. 3.1 подготовить форму-бланк для записи результатов опытов.
Таблица 3.1
studfiles.net
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
СВАРОЧНЫЕ РАБОТЫ
Качественного сварного шва невозможно добиться без обеспечения стабильного горения сварочной дуги, т. е. без устойчивого протекания сварочного процесса. В значительной степени это зависит от источника питания дуги, которая загорается при коротком замыкании — в момент контакта электрода с изделием. Это сопровождается выделением теплоты и быстрым повышением температуры в зоне контакта.
Для начала сварочного процесса требуется повышенное напряжение сварочного тока, но потом в результате эмиссии электронов с катода и развития объемной ионизации газов в сварочной дуге наблюдаются снижение сопротивления дугового промежутка и, как следствие, падение напряжения до того минимума, который необходим для устойчивого горения сварочной дуги.
Сварочная цепь переживает многократные и частые короткие замыкания, которыми сопровождается переход капель металла электрода в сварочную ванну. И в каждый такой момент напряжение достигает нулевой отметки. Одновременно с этим колеблется длина сварочной дуги. Чтобы она восстановилась, надо, чтобы напряжение поднялось до рабочего, т. е. до 25-30 В, причем в минимальный промежуток времени, иначе поддерживать горение сварочной дуги будет невозможно. Кроме того, надо иметь в виду, что при коротких замыканиях возникают большие токи, которые могут привести к перегреву проводки и обмотки источников тока. Таковы в общих чертах сварочный процесс и явления, которые ему сопутствуют.
Итак, электрическая сварочная дуга, по сравнению с другими потребителями электроэнергии, имеет ряд отличительных черт:
— необходимость более высокого напряжения для возбуждения сварочной дуги по сравнению с тем, которое требуется для ее поддержания;
— наличие в процессе горения сварочной дуги особого состоянии электрической цепи, которая претерпевает разрыв или короткое замыкание;
— колебания напряжения сварочной дуги и, соответственно, силы сварочного тока в связи с изменением длины дуги;
— падение напряжения между электродом и свариваемым изделиями до нуля при коротком замыкании, в момент которого происходит возбуждение сварочной дуги.
Специфическими особенностями сварочной дуги при ручной дуговой сварке (при других видах дуговой сварки они могут быть иными) обусловлены те требования, которые предъявляются к источникам питания, в частности:
— для возбуждения сварочной дуги нужно, чтобы напряжение холостого хода превосходило напряжение сварочной дуги в 2-3 раза (максимум напряжения холостого хода должен быть не более 80 и 90 В для источников питания постоянного и переменного тока соответственно), но при этом оставалось безопасным для сварщика (разумеется, при соблюдении им техники безопасности);
— изменение напряжения устойчивого горения дуги (рабочее напряжение), наблюдающееся при изменении ее длины (при увеличении последней напряжение должно возрастать, а при уменьшении — быстро снижаться), не должно приводить к большим изменениям силы сварочного тока и связанного с этим теплового режима сварки;
— в момент короткого замыкания сила тока должна быть ограничена определенным пределом, предотвращающим возгорание проводов. Достаточно, чтобы ток короткого замыкания превышал сварочный примерно в 1,1-1,5 раза, т. е. не более чем на 40-50%. Источник тока должен быть рассчитан и выдерживать длительные короткие замыкания, иначе он не сможет защищать обмотку от перегрева и разрушения;
— промежуток, в течение которого напряжение после короткого замыкания восстанавливается, не должен быть длительным. Необходимо, чтобы после каждого короткого замыкания, т. е. при переносе капель расплавленного металла электрода на свариваемое изделие, на подъем напряжения от нуля до рабочего (25 В) затрачивалось не более 0,05 секунды, более длительный промежуток негативно сказывается на устойчивости сварочной дуги;
— источник тока должен быть мощным, чтобы обеспечивать выполнение сварочных работ и иметь соответствующую внешнюю характеристику;
— источник питания дуги должен быть оснащен устройством, регулирующим сварочный ток (предел регулирования должен составлять приблизительно 30-130% от номинального сварочного тока), тем более что это требуется для осуществления сварки электродами различного диаметра.
Источники питания отличаются своими свойствами, для описания которых введены следующие параметры:
1. Внешняя статическая характеристика. Это зависимость между напряжением на выходных зажимах источника питания и величиной сварочного тока. Различаются несколько типов внешних вольт-амперных характеристик источников питания (рис. 17), в частности:
— крутопадающая;
— пологопадающая;
— жесткая;
— возрастающая.
Каждому способу сварки должен соответствовать тип внешней характеристики. Для ручной дуговой сварки подходят источники с крутопадающей внешней характеристикой, поскольку у них при коротком замыкании напряжение падает до нуля, благодаря чему сила тока короткого замыкания не растет. Но при возбуждении сварочной дуги, когда ток
| Рис. 17. Типы внешних вольт-амперных характеристик: 1 — крутопадающая; 2 — пологопадающая; 3 — жесткая; 4 — возрастающая |
минимален, мгновенно возникает повышенное напряжение. Источники питания с такой внешней характеристикой позволяет удлинять дугу, не опасаясь при этом, что она быстро оборвется, и сокращать ее без риска значительного увеличения тока.
Оставшиеся типы внешней характеристики источников питания (пологопадающая, жесткая и возрастающая) позволяют обеспечить существенное изменение величины сварочного тока при изменении длины дуги, что приводит к быстрому возрастанию или снижению скорости плавления электродной проволоки.
Источники питания с пологопадающей вольт-амперной характеристикой предназначаются для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом, а с жесткой и возрастающей внешней характеристикой — для сварки в среде защитных газов.
Необходимая характеристика источника питания задается при его изготовлении и обеспечивается конструкцией, а при сварке ее тип не изменяется.
Велико значение и динамических свойств источника питания, а именно быстрота, с которой напряжение при коротком замыкании восстанавливается с нулевой отметки до напряжения повторного возбуждения сварочной дуги. Это определяется индуктивностью источника питания: чем она больше, тем выше динамические свойства, при которых происходят равномерный перенос капель электродного металла и незначительное разбрызгивание.
2. Напряжение холостого хода. Так называется напряжение на выходных клеммах, когда нагрузка в сварочной цепи отсутствует, т. е. при разомкнутой сварочной цепи. Напряжение холостого хода источника питания с падающей вольт-амперной характеристикой всегда выше рабочего напряжения дуги, поэтому облегчаются возбуждение и повторное зажигание сварочной дуги. Если номинальное рабочее напряжение составляет 30 В, то напряжение холостого хода не должно быть более 75 В (чем оно выше, тем легче загорается сварочная дуга, но одновременно возрастает риск поражения сварщика током). Напряжение зажигания различно для источников постоянного и переменного тока и составляет не менее 30-35 В для первых и 50-55 В для вторых. В ГОСТе 7012-77 Е указано, что для трансформаторов, которые рассчитаны и выдерживают сварочный ток силой 2000 А, напряжение холостого хода не должно быть более 80 В. Увеличение напряжения холостого хода источника переменного тока влечет за собой снижение cos ср (напомним формулу мощности переменного тока: Р = U х | х cos ф), т. е. снижение КПД источника питания.
3. Относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения в прерывистом режиме (ПВ). Источник питания сварочной дуги функционирует в таком режиме, когда включения периодически сменяются выключениями, которые необходимы для удаления шлака со сварного шва, замены электрода и пр. Можно сказать, что данные показатели характеризуют повторнократковременный режим работы источника питания сварочной дуги. Разница между ПР и ПВ заключается в том, что при ПР источник питания в момент паузы не отключается от сети и продолжает функционировать в холостом режиме при разомкнутой цепи, а при ПВ источник питания во время паузы отключается от сети.
Величины ПР и ПВ выражаются в процентах и определяют возможную степень эксплуатации источника сварочной дуги:
rfletCB — время сварки, т. е. работы под нагрузкой; txx — время холостого хода; tn — время паузы.
Для расчетов условно принимается время сварки (tee), равное 3 минутам, паузы (tn) — 2 минутам. Подставив значения в формулу, можно установить, что оптимальная величина ПР составляет 60%. Если ПР равняется 20%, то время сварки составит 1 минуту, а продолжительность паузы — 4 минуты.
Современная промышленность изготавливает различные источники питания для дуговой сварки и наплавки.
1. Источник питания, работающий от переменного тока и предназначенный для ручной дуговой сварки, автоматической сварки под флюсом и электрошлаковой сварки, называется сварочным трансформатором. Это устройство представляет собой статический электромагнитный аппарат, основная функция которого — преобразование имеющегося в электрической цепи напряжения (220 или 380 В) в более низкое напряжение вторичной электрической цепи, необходимое для возбуждения сварочной дуги и обеспечения ее горения. Энергия в трансформаторе преобразуется за счет переменного магнитного поля и использования необходимого количества витков в первичной и вторичной обмотках, расположенных на магнитопроводе. Так называется сердечник, выполненный из трансформаторной стали (из нее изготавливаются различные электрические изделия, которые в процессе эксплуатации попеременно на - и размагничиваются), которая является тонколистовой, низкоуглеродистой и отличается повышенным содержанием кремния (не более 4%) и малым количеством вредных примесей — фосфора и серы (не более 0,02%). Ее магнитопроницаемость определяет и вес устройства. Если магнитные свойства стали максимальны и магнитный поток протекает через нее с наименьшими потерями, то количество стали, необходимое для аппарата, значительно снижается.
В основе действия всех трансформаторов, применяемых для сварочных работ, лежит принцип электромагнитной индукции, т. е. переменный по направлению (с частотой тока) магнитный поток на магнитопроводе, образовавшийся от действия переменного тока первичной обмотки, пересекает витки вторичной обмотки трансформатора, после чего согласно закону электромагнитной индукции возбуждает в ней напряжение (ЭДС). Пока вторичная (сварочная) цепь не будет замкнута, тока в ней (кроме напряжения) не будет.
Сварочный ток регулируется благодаря изменению величины либо индуктивного сопротивления, либо вторичного напряжения холостого хода трансформатора, что осуществляется посредством секционирования числа витков первичной или вторичной обмотки. Это обеспечивает ступенчатое регулирование тока.
Главный минус всех сварочных трансформаторов — низкий коэффициент мощности cos ф, что объясняется конструкцией трансформатора, в котором падающая вольт-амперная характеристика порождается высокой индуктивностью сварочной цепи. Для стабильного возбуждения сварочной дуги требуется напряжение холостого хода трансформатора на уровне 65 В, в то время как напряжение сварочной цепи составляет 20-30 В. Вследствие возникшего индуктивного сопротивления потери мощности возрастают. Поэтому коэффициент мощности cos ф сварочных трансформаторов должен состалвять 0,4-0,5.
Сварочные трансформаторы на основании различных показателей классифицируются следующим образом:
1) по количеству обслуживаемых рабочих мест на:
— однопостовые, рассчитанные на одно рабочее место, поэтому обладают соответствующей вольт-амперной характеристикой;
— многопостовые, предназначенные для одновременного обслуживания нескольких рабочих мест. Они имеютжесткую характеристику, но благодаря включению в электрическую цепь дросселя создается падающая внешняя характеристика, обеспечивающая стабильное горение сварочной дуги;
2) по фазности на:
— однофазные.
— трехфазные.
3) по конструкции на устройства:
а) с нормальным магнитным рассеянием и отдельной реактивной (дроссельной) обмоткой, которая последовательно включается в сварочную цепь. Дроссель может заключаться в отдельный корпус или выполняться на общем сердечнике (рис. 18).
Падающая характеристика и регулировка сварочного тока происходят за счет электродвижущей силы (ЭДС) самоиндукции, которая возникает в обмотке дросселя исключи-
| Q О Рис. 18. Электрическая схема трансформатора с дросселем: а — в отдельном корпусе; 1 — реактивная катушка; 2 — зазор в регуляторе |
| Рис. 18 (продолжение). Электрическая схема трансформатора с дросселем: б — на общем сердечнике; 1 — реактивная катушка; 2 — зазор в регуляторе |
тельно при наличии в ней сварочного тока. Составная часть магнитопровода дроссельной катушки — подвижной пакет, который, в свою очередь, является частью магнитопровода дросселя. От величины зазора в магнитном пакете зависит величина магнитного потока в данном магнитопроводе: он тем больше, чем меньше зазор, и наоборот. Величина магнитного потока определяет величину индуктированной ЭДС самоиндукции. Последняя постоянно направлена навстречу движению сварочного тока в цепи, который бывает тем меньше, чем больше ЭДС. Максимальная же величина ЭДС самоиндукции наблюдается при минимальном зазоре в подвижном пакете магнитопровода. Если зазор большой, то магнитный поток и ЭДС будут наименьшими, поэтому сварочный ток будет максимальным, ведь при прохождении по проводнику на его пути нет препятствий.
Благодаря описанным явлениям величина тока плавно регулируется, что и обеспечивает падающую характеристику источника тока и точно настроенный режим сварки.
Подобная схема была распространена приблизительно до 1967 года и хорошо работала, хотя не была лишена недостатков: трансформаторы, например, весили достаточно много, вследствие потерь отмечалось падение КПД, а также увеличивался расход цветных металлов.
Сейчас трансформаторы с дросселем в отдельном корпусе сняты с производства и заменены устройствами в однокорпусном варианте, например трансформаторы типа ТСД и СТН (рис. 19) с аналогичным принципом действия;
б) с развитым магнитным рассеянием. При увеличенных магнитных потоках во вторичной обмотке трансформатора возникает реактивная ЭДС. Трансформаторы данной группы неоднородны и подразделяются на конструкции:
— с магнитными шунтами, например СТАН-0, ОСТА - 350 и др. Несмотря на то что они надежны и удобны в применении, они уже не выпускаются, так как весьма неэкономичны (приводят к повышенному расходованию металла и электроэнергии);
| 3 1 2 Рис. 19. Электрическая схема трансформатора типа СТН: 1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка; 3 — обмотка дросселя; 4 — подвижной пакет магнитопровода; 5 — рукоятка; 6 — магнитопровод |
— с подвижной катушкой (марок ТД, ТДМ и др.) (рис. 20), производство которых поставлено на поток. Они отличаются хорошей динамикой, плавным регулированием и способностью удерживать ток на заданном уровне.
| Рис. 20. Электрическая схема трансформатора с подвижными катушками: 1 — магнитопровод; 2 — вторичная обмотка; 3 — первичная обмотка; 4 — конденсатор |
Данные трансформаторы бывают однофазными, стержневого типа, отличаются увеличенной индуктивностью рассеяния. Конструктивно они устроены следующим образом: катушки первичной обмотки зафиксированы, а катушки вторичной обмотки, напротив, являются подвижными. Регулирование сварочного тока осуществляется путем изменения промежутка (для этого предназначается рукоятка) между обмотками: при минимальном расстоянии ток возрастает (рукоятка поворачивается по часовой стрелке), а при максимальном расстоянии он снижается. У трансформатора имеется специальный конденсатор (фильтр), который устраняет радиопомехи, неизбежные при сварочных работах. Сварочный трансформатор типа ТСК-500 показан на рис. 21;
| Рис. 21. Схема сварочного трансформатора ТСК-500: а — конструктивная; б — электрическая; 1 — зажимы для сетевых проводов; 2 — магнитопровод; 3 — рукоятка регулировки тока; 4 — зажимы для сварочных проводов; 5 — ходовой винт; 6 — катушка вторичной обмотки; 7 — катушка первичной обмотки; 8 — конденсатор |
в) с жесткой характеристикой. Такие трансформаторы используются при электрошлаковой сварки (при ней дугового процесса практически нет, а сварка возможна за счет высокой температуры расплавленного шлака, которая доходит до 2000° С, и прохождения через него тока) и рассчитаны на ток 1000-3000 А. Модели бывают одно- (ТШС-1000-1, ТШС-3000-1) и трехфазными (ТШС-1000-3, ТШС-3000-3, ТШС-600-3). Для регулирования напряжения во вторичной электрической цепи предназначаются секционные первичные и вторичные обмотки. С помощью контроллера, работающего от электродвигателя и управляющегося дистанционно, осуществляется переключение витков первичной обмотки, за которым следует изменение вторичного напряжения в сварочной цепи. Для переключения витков вторичной обмотки производится перестановка перемычек.
Для сравнения трансформаторы различных марок представлены в табл. 11.
| Та блица 11 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ РАЗЛИЧНЫХ МАРОК
|
| Таблица 11( п р о дол же н и е)
|
Для автоматической сварки под флюсом применяются трансформаторы марокТДФ-1001 и ТДФ-1601, характеристика параметров одного из которых представлена в табл. 12.
| Табл и ца 12 ТЕХНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СВАРОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ТДФ-1001
|
| Таблица 12 (продолжение)
|
Для обеспечения эффективной и бесперебойной работы трансформаторов их необходимо правильно эксплуатировать. Перед этим надо внимательно осмотреть и заземлить устройство, проконтролировать обмотки на предмет обрыва и проверить изоляцию обмоток от корпуса, а при обнаружении механических повреждений устранить их.
Если предполагается вести работы на открытом воздухе, следует позаботиться о защите трансформатора от осадков, поскольку отсыревшая изоляция может быть пробита. Тогда замыкания между витками не избежать.
Во время работы нельзя допускать перегрева трансформатора, что негативно отразится на состоянии изоляции обмоток. Для недопущения этого не следует размещать трансформатор рядом с источниками тепла. Кроме того, надо регулярно очищать контакты от грязи, которая может препятствовать охлаждению рабочих частей устройства.
2. От источников постоянного тока работают сварочные преобразователи, составляющими которых являются сварочный генератор и привод (электродвигатель), смонтированные на одном валу. Электрическая энергия, вырабатываемая двигателем (на них обычно устанавливают асинхронные трехфазные двигатели), преобразуется в механическую, под воздействием которой якорь генератора вращается и вырабатывает сварочный ток с соответствующими параметрами. Сварочные преобразователи бывают стационарными и мобильными.
Если вместо электродвигателя устанавливают двигатель внутреннего сгорания (ДВС), тогда такой преобразователь называется агрегатом. При этом двигатель должен иметь мощность, как минимум, 30 л. с. В среднем для осуществления сварки требуется 5-6 кг горючего в час.
Сварочные агрегаты используются для работы в полевых условиях или в том случае, когда в электрической сети наблюдаются резкие колебания напряжения. Генератор и ДВС монтируются на общей раме (например, ПАС-400-VIII), которая может снабжаться снабжается колесами. Его можно установить, например, в кузове машины, на тракторе (например, сварочный агрегат СДУ-2). Ток, полученный от сварочного генератора, обходится дороже (например, расход электроэнергии при ручной дуговой сварке от сварочного преобразователя или агрегата составляет 7-8 кВт/ч на 1 кг наплавленного металла, а КПД в среднем равен 0,4-0,5% из-за значительных потерь на холостом ходу; расход энергии у сварочных трансформаторов — 3,5-4,25 кВт на 1 кг наплавленного металла, а КПД — 0,6-0,7%), чем тот, что дают сварочные трансформаторы, выпрямители. Поэтому целесообразно и экономически более выгодно применять агрегат в тех случаях, когда нет электрической сети. Именно поэтому до сих пор разработчики совершенствуют бензиновые (АДБ) и дизельные (АДД) сварочные агрегаты.
Преобразовали и агрегаты имеют конструктивно схожие генераторы. Сварочный генератор — это прибор, вырабатывающий за счет собственной внешней характеристики (для этого в зависимости от сварочного тока в генераторе меняется магнитный поток) постоянный ток, необходимый для стабильного горения сварочной дуги. Чаще всего встречаются генераторы с падающей внешней характеристикой, которые применяются для ручной дуговой сварки и автоматической сварки под флюсом. Для регулировки сварочного тока генератор оснащается специальным устройством.
В основу конструкции сварочных генераторов положена одна из двух систем (ранее было большое количество конструктивно различных электромагнитных систем) (рис. 22):
— с независимым возбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой в сварочной цепи. Независимая обмотка работает от сети переменного тока и подключена через понижающий трансформатор. Благодаря выпрямителю возникает магнитный поток, который возбуждает требующееся для загорания сварочной дуги напряжение на щетках. Регулировка тока осуществляется путем переключения перемычки числа витков обмотки. В пределах диапазонов малых и больших токов сварочный ток корректируется реостатом. Представленная на рис. 22 схема реализовывалась в генераторе ГС0-500, который устанавливался на преобразователе ПС0-500. В последнее время генераторы данной конструкции почти не производятся;
— с самовозбуждением с намагничивающей параллельной и размагничивающей последовательной обмотками, например ПС0-300 М, С-300-1 и др. На полюсах генератора находятся две обмотки — намагничивающая и размагничивающая. В первой ток создает генератор с помощью третьей щетки (на рис. 22 она обозначена цифрой 6), которая устанавливается на коллекторе между основными щетками (цифры 5 и 7). Падающая внешняя характеристика возникает благодаря встречному включению обмоток. Для регулировки тока используется реостат со ступенчатым переключателем.
Основные технические данные преобразователей различных типов представлены в табл. 13.
Как и за трансформаторами, за сварочными преобразователями необходимо правильно ухаживать, чтобы продлить срок их службы. Их следует защищать от атмосферных осадков, но при этом следить за тем, чтобы охлаждение устройства не страдало, иначе не избежать перегрева обмоток. Особое внимание уделяют таким его частям, как коллектор, щетки, щеткодержатели и подшипники. Их содержат в чистоте, систематически удаляют нагар и осматривают, а изношенные детали заменяют.
| Рис. 22. Электрическая схема генератора: а — с независимым возбуждением: 1 — сеть; 2 — стабилизатор напряжения; 3 — понижающий трансформатор; 4 — селеновый выпрямитель; 5 — реостат; 6 — намагничивающий магнитный поток; 7 — диапазон больших токов; 8 — диапазон малых токов; 9 — перемычка; б — с самовозбуждением: 1 — намагничивающий магнитный поток; 2 — размагничивающий магнитный поток; 3 — ток намагничивающей обмотки; 4 — реостат; 5,6, 7 — щетки на коллекторе якоря генератора; 8 — перемычка |
| Табл и ца 13 ТЕХНИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НЕКОТОРЫХ ТИПОВ
|
3. Сварочные преобразователи в последние годы были потеснены более совершенными устройствами — сварочными выпрямителями. Эти приборы преобразуют переменный ток в постоянный и применяются в качестве источника питания сварочной дуги. Они комплектуются понижающим трансформатором с регулирующим ток устройством, выпрямительным блоком с полупроводниковыми вентилями и вентилятором для охлаждения. Как правило, для выпрямителей применяют селеновые и кремниевые вентили. В некоторых случаях такое устройство оснащают дросселем, который подключают в цепь постоянного тока, чтобы получить падающую внешнюю характеристику.
Существуют две типовые схемы выпрямления (рис. 23):
— однофазная мостовая схема двухполупериодного выпрямления;
— трехфазная мостовая схема.
Чаще всего используется трехфазная мостовая схема, поскольку она обладает рядом преимуществ, в частности обе-
| Рис. 23. Электрическая схема сварочного выпрямителя: а — однофазная мостовая; б — трехфазная мостовая; 1-6 — полупроводниковые вентили |
спечивает меньшие колебания напряжения, оптимизирует применения трансформатора и равномерно загружает трехфазную сеть.
| Рис. 24. Полупроводниковый вентиль: 1 — основание; 2 — селен; 3 — селенистый кадмий; 4 — электрод |
Полупроводниковые вентили пропускают ток лишь в одном направлении и преобразуют переменный ток в пульсирующий постоянный. Материалом для них служат кремний, германий и селен, причем последний предпочтительнее. Селеновый вентиль (рис. 24) представляет собой тонкое металлическое основание с нанесенным на него слоем кристаллического селена, на котором находится электрод из специального сплава. Между селеном и электродом образуется тонкий запирающий слой из селенистого кадмия, который и выполняет выпрямляющие функции.
4
3 2
1
Селеновые вентили используют для выпрямителей с падающей и жесткой внешней характеристикой, кремниевые — в основном в устройствах с падающей внешней характеристикой. Поскольку кремниевые вентили нуждаются в активном охлаждении, с этой целью в выпрямитель вставляют вентилятор. Технические параметры выпрямителей разных типов представлены в табл. 14.
Выпрямители бывают как одно-, так и многопостовыми. Поскольку каждый отдельный пост должен работать независимо от других, источник питания имеет жесткую внешнюю характеристику. Хорошо показали себя многопостовые выпрямители серий ВКСМ и ВДМ. Параметры одного из них представлены в табл. 15.
| Та блица 14 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ СВАРОЧНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ
|
| Та блица 15 ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОГОПОСТОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ ВДМ-1201
|
| Таблица 15 (продолжение)
|
4. Самые современные и конструктивно сложные источники сварочного тока — это сварочные инверторы (рис. 25).
| Рис. 25. Принципиальная схема сварочного инвертора: 1 — питающая сеть; 2 — сетевой выпрямитель; 3 — сетевой фильтр; 4 — преобразователь частоты; 5 — сварочный трансформатор; 6 — силовой выпрямитель; 7 — блок управления; 8 — сварочная дуга |
Если сравнивать его устройство с классическими преобразователями, оно гораздо сложнее. Прежде всего у инвертора нет силового трансформатора. Его работа основана на принципе инверсии (фазового сдвига) напряжения, для реализации которого прибор оснащен электронной микропроцессорной схемой с покаскадным усилением тока. Это позволяет расширить спектр внешних (вольт-амперных) характеристик — от крутопадающей до возрастающей, при этом отклонения тока доведены до уровня десятых долей процента, т. е. практически отсутствуют, благодаря чему качество сварки значительно улучшилось.
Инвертор работает на больших токах, высоких частотах и напряжениях, причем входное напряжение проходит два этапа преобразования: во-первых, переменное напряжение сети 220 В преобразуется в постоянное, во-вторых, постоянное трансформируется в высокочастотное переменное (частота достигает 200 кГц, что позволило уменьшить вес и габариты инвертора), которое опять выпрямляется и доставляется в сварочную дугу. Для преобразования и регулирования электрической энергии предусмотрен широтно-импульсный модулятор, основой которого являются либо биполярный транзистор с изолированным затвором (модуль IGBT), либо полевой транзистор на основе перехода «металл — оксид — полупроводник» (модуль M0SFET). Работу всей электроники, контроль параметров, обратную связь с дугой координирует микропроцессор.
Наличие высокочастотного генератора дает возможность применять инвертор для любого способа дуговой сварки и плазменной резки.
Разумеется, сложная и дорогостоящая электроника, установленная на инвертор и нуждающаяся в специальных условиях охлаждения, увеличивает стоимость данного источника питания, но достоинства, которыми обладает такой аппарат, и перспективы, открывающиеся благодаря его применению, делают его выгодным приобретением. Ниже перечислены основные преимущества инвертора:
— по сравнению с трансформаторами и выпрямителями инвертор потребляет примерно в 2 раза меньше электроэнергии, а в режиме холостого хода — приблизительно в 10 раз (это возможно за счет того, что нет внутренних индуктивных потерь). Поэтому он может работать от бытовой электросети и генератора;
— КПД инвертора составляет более 90%, т. е. коэффициент мощности cos ф = 1, благодаря чему вся энергия, которую потребляет аппарат, идет на возбуждение и поддержание горения сварочной дуги;
— постоянный ток, который дает инвертор, имеет такие внешние характеристики, которые являются идеальными для сварки, тем более что их можно подстроить под каждый вид сварки плавлением (под ручную дуговую, аргонно-дуговую, полуавтоматическую) и тип сварного соединения;
— инвертор, обладающий плавной регулировкой тока с точностью до 10-15 А, позволяет варить все металлы (углеродистые и легированные стали, чугун, цветные металлы) и электродом любой марки, в том числе и диаметром 1,6 мм;
— инвертор экономно расходует не только энергию, но и электроды, поскольку разбрызгивание электродного металла довольно незначительное;
— благодаря микропроцессорному управлению инвертор постоянно отслеживает ситуацию на дуге и, опережая сварщика, вносит необходимые коррективы, например отключает напряжение на дуге через 0,5 секунды после короткого замыкания, поэтому электрод не прилипает, а аппарат не перегревается; при незначительных локальных коротких замыканиях инвертор вырабатывает серию коротких мощных импульсов тока, разрушающих перемычки жидкого металла, что имеет большое значение при сварке короткой дугой;
— высокочастотная составляющая обеспечивает высокое качество сварного шва, поскольку осуществляются обжатие и стабилизация сварочной дуги, а также предупреждается возникновение магнитного дутья;
— данный источник питания весит в 5-10 раз меньше (10-12 кг), чем обычные сварочные аппараты такой же мощности. Инвертор снабжен ремнем, поэтому его можно повесить на плечо и работать на любом участке (при сварке особо ответственных конструкций из разных материалов, труб и сварных соединений, когда из-за условий работы нельзя подвести громоздкое промышленное оборудование).
При эксплуатации инвертора необходимо иметь представление о некоторых особенностях, в частности:
— надо четко различать условия производства и обычные бытовые и не пытаться применять инвертор для работ, на которые он не рассчитан, например перерезать рельсы,— модуль IGBT просто выйдет из строя (это самая дорогая деталь аппарата);
— исключается небрежное обращение с инвертором и его эксплуатация при наличии явных неисправностей;
— инвертор нуждается в защите от проникновения пыли, поэтому следует обеспечить ему хорошие условия содержания и хранения;
— не стоит доверять такого рода технику некомпетентным людям.
Любой сварочный аппарат это электрический прибор, который получая ток из сети, преобразует его до нужных параметров и выдает электрическую дугу постоянного тока с высокой его силой (сто – двести ампер). …
Сварочные работы могут стать причиной пожара, если не выполняются элементарные требования противопожарной защиты. Причиной пожара могут стать искры и капли расплавленного металла, небрежное обращение с огнем сварочной горелки, наличие на …
Суть кислородной резки заключается в сгорании разрезаемого металла под воздействием струи кислорода и удалении из разреза шлаков, образованием которых неизбежно сопровождается этот процесс (рис. 95). Рис. 95. Схема выполнения газовой …
msd.com.ua
Источники питания сварочной дуги
ОСНОВЫ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Устойчивость горения дуги зависит от соответствия формы внешней характеристики ИП статической характеристике дуги.
Внешние характеристики ИП могут быть следующих видов (рис. 2.6): 1 - возрастающая, 2 - жесткая, 3 - полого падающая, 5 - круто падающая.
ИП необходимо подбирать по соответствию его характеристики принятому способу сварки. Для питания дуги на участке II (рис. 2.3) применяют источники с круто падающей характеристикой. Рассмотрим работу ИП с пологой и круто падающей характеристиками. Устойчивое горение дуги при сварке возможно при условии пересечения статической характеристики 4 дуги с внешней характеристикой ИП в рабочей точке (точки «А» или «Б»). Во время горения дуги и переноса электродного металла на заготовки длина дуги изменяется. Вольт - амперная характеристика так же изменяет свое положение дуги (кривые Цд1 и Цд2). Вследствие этого изменяются значения напряжения дуги (Цд) и сварочного тока (,/св). Устойчивое горение дуги будет только тогда, когда при случайных отклонениях рабочего режима (точки А1, А2, Б1, Б2) режим сварки быстро восстановится, и колебания сварочного тока будут относительно малыми. Поэтому, чем более круто падает внешняя характеристика источника тока, тем стабильнее горит дуга и выше качество сварки.
Точка «В» соответствует режиму холостого хода в работе ИП в период, когда дуга не горит и сварочная цепь разомкнута. Для облегчения зажигания дуги, режим холостого хода должен характеризоваться повышенным напряжением (в 2.3 раза выше напряжения дуги). Одновременно, это напряжение должно быть безопасным для сварщика (не более 80 В для источников переменного тока и не боле 90 В - для постоянного). Точка Г соответствуют короткому замыканию при зажигании дуги и ее замыканию каплями жидкого электродного металла. Для того чтобы не допустить перегрева токопроводящих проводов ИП должен иметь характеристику, ограничивающую ток короткого замыкания (1к). Отношение тока короткого зажигания к сварочному току должно находиться в интервале 1,1. 1,5. Время восстановления напряжения от короткого замыкания до зажигания дуги должно составлять сотые доли секунды.
Для ручной дуговой сварки и сварки под флюсом с автоматическим регулированием напряжения дуги (рис. 2.3, участок II) внешняя характеристика ИП должна быть круто падающей (рис. 2.6, кривая 4). Чем больше крутизна характеристики, тем меньше колебания тока при изменении длины дуги. При автоматической сварке с саморегулированием дуги внешняя характеристика ИП должна быть полого падающей (рис. 2.6, кривая 3), что обеспечивает интенсивность саморегулирования. При сварке в среде защитных газов на постоянном токе, в случаях, когда применяют большие плотности тока, характеристика дуги возрастающая (рис. 2.3, участок III), внешняя характеристика ИП должна быть жесткой или возрастающей (рис. 2.6, кривые 2 и 1).
Каждый ИП дуги рассчитан на определенную нагрузку (номинальные рабочие ток и напряжения), при которой он работает, не перегреваясь выше допустимых норм. Режим работы при дуговой сварке
характеризуется отношением длительности сварки к сумме длительности сварки и длительности холостого хода, выраженном в процентах и обозначаемом ПВ (повторное включение):
t
ПВ = 100—
t + t
св п
где: tсв - время сварки; tn - время пауз. Длительность рабочего цикла tсв+tп =5 мин. Для промышленного сварочного оборудования принимается ПВ=(60. 80)%, для бытового - (20. 35)%.
Для питания дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и источники постоянного тока (сварочные выпрямители и генераторы).
Сварочные трансформаторы более распространены, так как они: проще в эксплуатации, долговечнее; имеют высокий КПД. Однако для работы трансформатора необходима линия электропередачи. Кроме того, постоянный ток более технологичен, так как дуга более устойчива (особенно при сварке на малых токах), улучшаются условия сварки в различных пространственных положениях, можно вести сварку на прямой и обратной полярности.
Рассмотрим несколько схем сварочных трансформаторов.
Сварочный трансформатор серии СТЭ (рис. 2.7) состоит из двух частей: понижающего трансформатора Тр. и дросселя Др. соединенных в последовательную цепь. На П - образном сердечнике 1 трансформатора намотаны первичная 2 и вторичная 3 обмотки. На П - образном разомкнутом сердечнике 5 дросселя намотана компенсирующая обмотка 4. Трансформатор понижает сетевое напряжение до 60.70 В. Дроссель служит для получения крутопадающей характеристики и регулирования сварочного тока в цепи « Тр.- Др. - электрод 7 - дуга 8 - заготовки 9». При прохождении электрического тока через компенсирующую обмотку дросселя в ней возникает ЭДС самоиндукции, направленная противоположно основному потоку. В результате падения напряжения в дросселе трансформатор получает крутопадающую характеристику. Перемещение ярма 6 сердечника дросселя приводит к изменению зазора 5. Чем больше зазор, тем больше ЭДС самоиндукции компенсирующей обмотки, тем больше сварочный ток.
Более совершенной является конструкция сварочного трансформатора серии ТД (рис. 2.8). Первичная 2 и вторичная 3 обмотки каждая намотаны на противоположных ветвях замкнутого П - образного сердечника 1. Вторичная обмотка установлена с возможностью перемещения относительно первичной обмотки за счет винтового механизма 4. Сварочный ток регулируется за счет изменения расстояния между первичной и вторичной обмотками. При сближении обмоток магнитный поток рассеяния и индуктивное сопротивление уменьшаются, и сварочный ток увеличивается.
Устойчивость горения дуги переменного тока можно повысить питанием сварочной цепи токами высокой частоты и высокого напряжения. Такое питание обеспечивается включением в сварочную цепь осциллятора. Осциллятор представляет собой колебательный контур (искровой разрядник и L-C контур). Осциллятор подключается к сети переменного тока через повышающий трансформатор и сетевые фильтры. Со сварочной цепью осциллятор соединен через согласующую обмотку высокочастотного трансформатора и защитные конденсаторы. Мощность осциллятора составляет 100.250 Вт, частота тока подводимого к дуге - 150.260 кГц, напряжение 2.3 кВ.
В состав серийных выпрямителей входят понижающий сварочный трансформатор с регулируемым магнитным рассеиванием и выпрямительный блок, собранный по мостовой схеме с использованием кремниевых силовых вентилей. При использовании однофазного тока, применение мостовой схемы не дает существенного эффекта, так как все равно 100 раз в секунду напряжение будет падать ниже напряжения зажигания. Применение дополнительного L—C фильтра позволяет сгладить напряжение. Однако лучшие результаты дает применение трехфазного тока, трехфазного трансформатора и трехфазной мостовой схемы выпрямления (рис. 2.9). Применение трехфазной схемы позволяет обеспечить: малую пульсацию выпрямленного напряжения, так как выпрямленные полуволны каждой фазы складываются со сдвигом фаз; более равномерную загрузку силовой сети переменного тока.
Для дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитных газов применяют трехфазные сварочные выпрямители с жесткой внешней характеристикой с последовательным включением в сварочную цепь дросселя.
Дроссель обеспечивает необходимую скорость нарастания тока короткого замыкания, что облегчает зажигание дуги и уменьшает разбрызгивание металла. Регулирование напряжение производят ступенчатым переключением числа витков в первичной обмотке каждой фазы трансформатора.
Широкое применение нашли универсальные выпрямители, состоящие из трансформатора и управляемого тиристорного выпрямителя и инверторные выпрямители. Введение в выпрямительный блок обратной связи по сварочному току позволяет получать различные вольт - амперные характеристики. Отрицательная обратная связь обеспечивает крутопадающую характеристику, положительная - жесткую. Особенность инверторных выпрямителей заключена в том, что с помощью управляемого тиристорного инвертора сетевое напряжение преобразуется в высокочастотное (до 60 кГ ц). Далее это напряжение выпрямляется малогабаритным трансформатором, и подается в сварочную сеть. Эта схема позволяет получать любую вольт - амперную характеристику, а сами трансформаторы в 8.10 раз легче обычных. На основе инверторных выпрямителей разработаны импульсные источники сварочного тока. Применение импульсного сварочного то-
ка (различной формы, длительности и частоты) позволяет существенно снизить тепловые вложения при сварке, а значит, сваривать без опасности прожогов заготовки малой толщины.
Сварочные выпрямительные установки имеют высокие динамические свойства вследствие меньшей электромагнитной инерции. Ток и напряжение в переходных процессах изменяются практически мгновенно. Отсутствие вращающихся частей делает их более надежными и долговечными по сравнению с генераторами постоянного тока. Основными их недостатками являются: зависимость от сети переменного тока и необходимость принудительного охлаждения полупроводниковых элементов (воздушного или водяного).
Сварочные генераторы постоянного тока подразделяются: по числу питаемых постов (однопостовые - для питания одной сварочной дуги) и многопостовые (для питания нескольких сварочных дуг); по способу установки (стационарные и передвижные); по форме внешней вольт - амперной характеристики; по виду привода (с электрическим приводом, с приводом от двигателя внутреннего сгорания); по способу исполнения (однокорпусные - генератор и двигатель выполнены на одном валу, в одном корпусе; раздельные - генератор и двигатель выполнены на общей раме, а их валы соединены муфтой).
Сварочный генератор с независимым возбуждение и размагничивающей последовательной обмоткой показан на рис. 2.10. Генератор имеет две обмотки возбуждения. Намагничивающая обмотка Wn (обмотка независимого возбуждения) создает мощный поток Фн возбуждения. Эта обмотка питается от сети переменного тока через селеновый выпрямитель СВ приводного электродвигателя ЭД. Сила тока в цепи независимого возбуждения регулируется реостатом R. Вторая обмотка возбуждения WF включена последовательно в сварочную цепь и величина ее магнитного потока Фр зависит от силы сварочного тока. Магнитные потоки Фн и Фр направлены навстречу друг другу.
При холостом ходе, когда сварочная цепь разомкнута, действует только магнитный поток Фн. ЭДС генератора равна Е=СФн, где С - постоянная генератора. При сварке, когда сварочный ток проходит через обмотку Wp, ЭДС генератора будет равна Е=С(Фн - Фр), т. е. напряжение на зажимах генератора упадет. Ступенчатое регулирование сварочного тока осуществляется переключателем П. В положении 1 подключено полное число витков обмотки Wp что позволяет, получить силу сварочного тока от 30 до 60 А. В положении 2 обмотка Wp подключена частично, и сварочный ток повышается (50. 120 А). В пределах каждой ступени, сварочный ток плавно регулируется реостатом R.
Отличие сварочного генератора с самовозбуждением от генератора с независимым возбуждением заключается в подключении намагничивающей обмотки к основной, т. е. намагничивающая обмотка является самовозбуждающейся. Регулирование режимов сварки комбинированное, такое же, как и в предыдущей схеме.
Приведенные схемы генераторов используются для ручной дуговой сварки, для автоматической и полуавтоматической сварки под слоем флюса. В тех случаях, когда отключена последовательная размагничивающая обмотка, генераторы имеют жесткую характеристику и используются для механизированной сварки в среде защитных газов с саморегулированием дуги.
Многопостовые сварочные генераторы применяются в серийном производстве с большим количеством компактно расположенных сварочных постов. Эти источники питания позволяют: снизить эксплуатационные расходы; уменьшить стоимость сварочного оборудования; использовать сварку с большими токами. Схема многопостового сварочного генератора и подключение постов показаны на рис. 2.11. В генераторе применяется смешанное возбуждение. При этом магнитные потоки параллельной или шунтовой обмотки Wm и последова-
тельной обмотки Wn складываются Ф^=Фш+Фп. При нагрузке напряжение на клеммах генератора остается практически неизменным, поскольку магнитный поток последовательной обмотки несколько под - магничивает генератор. Для изменения напряжения в цепь обмотки параллельного возбуждения включены реостат R. Сварочный посты подключаются параллельно через балластные реостаты R6, что позволяет получить линейно падающую характеристику.
Г азовая сварка выполняется ацетиленокислородным, нормальным пламенем с использованием флюса АФ-4А. Пламя должно быть «мягким» и не оказывать сильного давления на металл. Величину расхода газа устанавливают в зависимости от толщины …
Наиболее высокое качество сварных соединений получают при аргонно-дуговой сварке с использованием неплавящегося вольфрамового электрода марки ВА-1А. Диаметр электрода выбирают в зависимости от силы сварочного тока (для автомобильных деталей применяют электроды …
Газовая сварка чугуна является одним из старейших способов восстановления деталей (наращивание обломанных частей ушков, за - плавки изношенных отверстий в некорпусных деталях и пр.) При за- варке трещин газовую сварку …
msd.com.ua
