Текст
В. С. МИЛЮТИН, М. П. ШАЛИМОВ, С. М. ШАНЧУРОВ
источники
ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРКИ
В. С. МИЛЮТИН, М. П, ШАЛИМОВ, С. М. ШАНЧУРОВ источники ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРКИ
Высшее образование
Допущено УМО вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов
150200 «Машиностроительные технологии и оборудование», специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства»
Содержание
Условные обозначения............................................ 4
Предисловие .................................................... 6
Раздел 1. Общие сведения об источниках питания.................. 7
1.1. Назначение и основные типы источников...................... 7
1.2. История развития, современное состояние и перспективы развития источников...................................................... 8
Раздел 2. Свойства и характеристики источников питания......... 11
2.1. Электрические характеристики дуги и источника............. 11
2.2. Сварочные свойства источников............................. 28
2.3. Основные требования к источникам общепромышленного назначения. 76
2.4. Классификация и технические характеристики источников..... 85
Раздел 3. Сварочные трансформаторы............................. 89
3.1. Общие сведения о сварочных трансформаторах................ 89
3.2. Трансформаторы с нормальным рассеянием....................109
3.3. Трансформаторы с увеличенным рассеянием...................122
3.4. Трансформаторы с фазовым управлением......................154
Раздел 4, Сварочные выпрямители................................164
4.1. Общие сведения о сварочных выпрямителях...................164
4.2. Выпрямители, управляемые трансформатором..................182
4.3. Тиристорные и транзисторные выпрямители...................204
4.4. Выпрямители с дросселем насыщения ........................223
4.5. Инверторные источники.....................................229
4.6. Многопостовые выпрямительные системы......................255
Раздел 5. Сварочные генераторы ................................263
5.1. Общие сведения о генераторах, преобразователях, агрегатах.263
5.2. Коллекторные генераторы...................................265
5.3. Вентильные генераторы.....................................274
Раздел 6. Специализированные источники.........................289
6.1. Источники для сварки неплавящимся электродом в инертном газе.... 289
6.2. Источники питания сжатой дуги.............................312
6.3. Источники для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом . . 323
6.4. Источники для электрошлаковой сварки......................335
Раздел 7. Основные правила эксплуатации источников.............343
7.1. Производство и испытание источников.......................343
7.2. Выбор, монтаж и пуск источников...........................354
7.3. Обслуживание и ремонт источников..........................365
7.4. Безопасная эксплуатация источников........................370
Список литературы..............................................378
Условные обозначения
С — электрическая емкость с?э и dK — диаметр электрода и капли е и Е — мгновенное и действующее значение электродвижущей силы
Ei,E2, — ЭД С первичной, вторичной обмотки, дросселя, генера-
El.Et тора
f и /и — частота переменного тока и импульсного тока
F — магнитодвижущая сила
i и I — мгновенное и действующее (среднее, амплитудное) значение тока
h Л 2 , /1, — мгновенное, действующее и амплитудное значение пер-12, limy 12т вичного и вторичного тока трансформатора
id и Id — мгновенное и среднее значение сварочного тока
/Ном и С/ном — номинальные ток и напряжение источника
/к и UK — ток и напряжение короткого замыкания
/х и Ux — ток и напряжение холостого хода
/у и /но — ток управления и ток намагничивающей обмотки
/3 и U3 — ток и напряжение зажигания дуги
1Ш и 17ш — ток и напряжение при электрошлаковой сварке
JCT и Jq — плотность тока в столбе дуги и электроде fey — коэффициент устойчивости 1д — длина дуги
L — индуктивность
Pi, />2? Pd — активная мощность первичная, вторичная, дуги 7?^,7?и,7?б — активное сопротивление дуги, источника, балластного реостата
7?м — магнитное сопротивление t — время
txу tку td — длительность холостого хода, короткого замыкания, горения дуги
Т и Тц — длительность периода и цикла
Ud и Ud — мгновенное и среднее значение напряжения дуги
Ur,Ul,Uc — падение напряжения на резисторе, катушке индуктивности, конденсаторе
ui, ^2, С/i, — мгновенное, действующее и амплитудное значение пер-
^2у Uimy U2m вичного и вторичного напряжения
С7Г, С7В, ии — напряжение генератора, выпрямителя, источника
С7р — напряжение условной рабочей нагрузки
U3T и U3H — напряжение задания тока и напряжения
Vn и УПл — скорость подачи и плавления электрода
и>1, — число витков обмотки первичной, вторичной, управле-
wy9 Wl ния, дросселя
и 1ГР — число витков намагничивающей и размагничивающей обмотки
Хт и — индуктивное сопротивление трансформатора и дросселя — полное сопротивление источника а — угол управления (регулирования) £ — градиент потенциала
рд и ри — дифференциальное сопротивление дуги и источника со — угловая частота переменного тока
0 — фазовый угол
Ф1, Ф2, Фт — основной магнитный поток обмотки первичной, вторичной, трансформатора
Ф1п и Ф2п — полный магнитный поток первичной и вторичной обмотки
Фе — суммарный магнитный поток
Фх — основной поток холостого хода трансформатора
Фн и Фр — поток намагничивающей и размагничивающей обмотки
ПН и ПВ — относительная продолжительность нагрузки и включения
Английские аббревиатуры
ММА — Manual Metal Arc welding (ручная дуговая сварка покрытым электродом)
MIG — Metal Inert Gas welding (сварка в инертном газе плавящимся электродом)
MAG — Metal Active Gas welding (сварка в активном газе плавящимся электродом)
SAW — Submerged Arc Welding (дуговая сварка под флюсом)
TIG — Tungsten Inert Gas welding (сварка неплавящимся электродом в инертном газе)
АС —Alternating Current (переменный ток)
DC — Direct Current (постоянный ток)
Предисловие
Учебник «Источники питания для сварки» по содержанию и методике изложения соответствует учебной дисциплине того же названия, входящей в состав Государственного образовательного стандарта ГОС-2000 для специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства». Методические основы преподавания этой дисциплины были заложены в учебнике 1958 г. И. Я. Рабиновича, а затем развиты в учебнике 1982 г. О. Н. Братковой. Научные основы конструирования источников были сформулированы в монографии 1966 г. Б. Е. Патона и В. К. Лебедева, а затем дополнены в трудах Института электросварки им. Е.О. Патона и Всесоюзного научно-исследовательского института электросварочного оборудования. В последние годы крупный вклад в разработку теории и проектирования источников внесли В. В. Андреев, Е. Н. Верещаго, В. С. Гвоздецкий, Э.А. Гладков, С.-А. А. Диржис, В. В. Дыменко, Н.Г. Дюргеров, М.А. Закс, И. И. Заруба, Б. А. Каган-ский, А. Е. Коротынский, А. И. Лаужадис, В. А. Ленивкин, Г. И. Лесков, И. В. Пентегов, А. Г. Потапьевский, А. Л. Рывкин, Ю.Н. Сараев, В. В. Смирнов, В. А. Троицкий. В учебнике отражены также итоги научных и технических разработок, выполненных на передовых отечественных предприятиях и иностранных фирмах, а также результаты собственных исследований авторов. Примеры типового сварочного оборудования выбраны из номенклатуры российских и украинских заводов-изготовителей, а в случае отсутствия качественных отечественных аналогов приняты лучшие источники ведущих иностранных фирм.
В учебнике отражен более чем 40-летний опыт преподавания этой дисциплины в Уральском государственном техническом университете, а методикой изложения предусматривается опора на изучение студентами дисциплины «Электротехника и электроника» по современным учебникам. Разделы, точно соответствующие типовой программе дисциплины, напечатаны основным шрифтом. Разделы, напечатанные мелким шрифтом, рекомендуются для углубленного изучения теории и практики использования источников питания в ходе самостоятельной работы студентов, например, при выполнении домашних заданий, а также в последующих специальных дисциплинах. Эти разделы могут быть полезны при разработке магистерских диссертаций, а также при получении квалификации Европейского инженера-сварщика
Авторы благодарят инженеров и научных работников, оказавших помощь в сборе и первичной обработке материалов книги: Катаева Р. Ф., КропотухинаС. Ю., ОстанковаП. И., Сивоплясова А. Г., ШолоховаМ. А., Ярова В. М.
Раздел 1
Общие сведения об источниках питания
1.1. Назначение и основные типы источников
Источник питания входит в состав любой установки для дуговой и электрошлаковой сварки. Он снабжает дугу или электрошлаковый процесс электрической энергией необходимых параметров. При дуговой сварке применяются токи от 1 до 3000 А при напряжении 40-141 В. Сварка может выполняться на постоянном и переменном токе, как при непрерывной, так и при импульсной подаче энергии. В зависимости от вида энергии и характера ее преобразования различают следующие типы источников питания.
Трансформатор понижает переменное напряжение сети до необходимого при сварке.
Выпрямитель преобразует энергию сетевого переменного тока в энергию постоянного сварочного тока.
Генератор преобразует механическую энергию вращения его вала в электрическую энергию постоянного тока.
Преобразователь является комбинацией трехфазного асинхронного двигателя переменного тока и сварочного генератора и, следовательно, преобразует сетевую энергию в используемую для сварки энергию постоянного тока.
Агрегат состоит из двигателя внутреннего сгорания и генератора постоянного тока, в нем для получения сварочного тока используется химическая энергия сгорания жидкого топлива.
Различают источники общепромышленного и специального назначения. К общепромышленным относятся источники для ручной сварки покрытыми электродами и механизированной сварки плавящимся электродом в защитном газе и под флюсом, они предназначены в основном для сварки углеродистых и легированных сталей средней толщины. Специализированные источники предназначены для обслуживания более слож-
ных технологических процессов, связанных с изготовлением тонколистовых конструкций, а также изделий из высоколегированных сталей и цветных металлов. Некоторые из процессов, родственных дуговой сварке — наплавка, напыление, резка, а также электрошлаковая сварка — тоже нуждаются в специализированном источнике. Эти источники отличаются относительной сложностью, насыщены элементами автоматики, обладают высокими сварочными свойствами.
1.2. История развития, современное состояние и перспективы развития источников
Широкое применение дуговой сварки с момента ее изобретения сдерживалось именно отсутствием мощных специальных источников. Обычно для сварки приспосабливали источники постоянного тока несварочного назначения. Так, Н. Н. Бенардос с 1882 г. использовал для сварки мощную батарею свинцово-кислотных аккумуляторов. Н. Г. Славянов в 1888 г. применил генератор постоянного тока, а для улучшения условий горения дуги включил последовательно в сварочную цепь балластный реостат. Впоследствии были созданы специальные генераторы для сварки, у которых напряжение существенно снижается с ростом тока. Первый такой генератор поперечного поля разработан австрийским инженером Розенбергом в 1905 году. Несколько позже появились трансформаторы с отдельным дросселем.
В России серийное производство источников питания для сварки началось с 1924 г., когда на Санкт-Петербургском заводе «Электрик» под руководством В. П. Никитина был создан первый отечественный генератор СМ-1, а затем и сварочный трансформатор СТН в комбинации с реактивной обмоткой. Дальнейшее развитие электросварочного машиностроения связано, главным образом, с созданием новых способов и разновидностей сварки. С начала 40-х гг. с появлением автоматической сварки под флюсом были изготовлены мощные трансформаторы с дистанционным управлением. В 50-е гг. для механизированной сварки в углекислом газе были разработаны источники с жесткими характеристиками и улучшенными динамическими свойствами. Позднее для управления переносом электродного металла были созданы источники для импульснодуговой сварки. Разработка способа сварки непдавящимся электродом в инертном газе привела к созданию специализированных источников с устройствами для стимулирования начального и повторного зажигания, питания дуги пульсирующим током, заварки кратера и т. д. Сварка и резка сжатой (плазменной) дугой потребовала разработки выпрямителей с
1.2. История развития, современное состояние и перспективы развития источников 9 повышенным напряжением и устройствами для питания дежурной дуги. Для электрошлаковой сварки понадобились мощные трансформаторы с малым сопротивлением и регулируемым напряжением.
Другое направление качественного совершенствования источников связано с появлением новой элементной базы. Успехи в развитии полупроводниковой техники позволили перейти в начале 50-х гг. к выпуску сварочных выпрямителей взамен генераторов. С появлением силовых управляемых вентилей — тиристоров — с 60-х гг. стали выпускаться универсальные выпрямители, а позднее трансформаторы с электрическим фазовым управлением. С начала 80-х гг. в сварочных источниках стали использоваться силовые транзисторы, они предоставляют возможности существенного улучшения таких сварочных свойств, как характер переноса электродного металла, настройка и стабильность параметров режима. На базе управляемых вентилей (тиристоров и транзисторов) созданы выпрямители с промежуточным высокочастотным звеном — инвертором, что позволило существенно уменьшить их массу и габариты и улучшить динамические свойства источника.
Последние годы характеризуются существенным усложнением электрических схем источников и широким внедрением устройств автоматики, обеспечивающих универсальность источников, стабилизацию режима, программное и дистанционное управление, защиту от перегрузок. С 80-х гг. источники стали комплектоваться микропроцессорными системами, в том числе синергетического управления по математическим моделям, которые непосредственно связывают параметры режима с размерами сварного шва, что существенно упрощает работу оператора при настройке режима.
Мировое производство оборудования для дуговой сварки к началу нового столетия оценивается в сумму 2,5 млрд долл., а по прогнозу на 2006 г. — около 3 млрд долл. При этом доля оборудования для ручной сварки составляет около 20%, для сварки в защитных газах — 68%, для сварки под флюсом — 8%, для специальных способов — 4%. Если считать, что в стоимости установки на источник приходится большая часть, то общий объем продаж источников в мире составляет не менее 2 млрд долл. Долю отдельных типов источников в общем выпуске удается установить только для развитых стран с организованной статистической отчетностью. Так, в Японии в 2000 г. при общем объеме производства источников 112 тыс.шт. доля трансформаторов составила 23%, выпрямителей — 43% , вращающихся машин (генераторов и агрегатов) — 25% и специализированных источников — 9% .
Основным направлением развития источников является не количественный рост, а качественное совершенствование. В структуре выпус-
ка наблюдаются следующие изменения. Прекращен выпуск преобразователей, но в большом количестве производятся агрегаты с двигателями внутреннего сгорания. Снижается доля трансформаторов, особенно в сфере промышленного использования, хотя они находят спрос в строительстве и в быту. Увеличивается доля выпрямителей, причем наибольший относительный рост производства у самых прогрессивных разновидностей — универсальных выпрямителей и инверторных источников. Значительно увеличивается номенклатура и объем выпуска специализированных источников. Традиционным направлением совершенствования источников является снижение затрат при их изготовлении и эксплуатации. Это достигается, в частности, использованием более совершенных материалов — тонкой трансформаторной стали, мощных циклоустойчивых вентилей, стойкой кремнийорганической изоляции. Перспективные конструкции, использующие дорогие комплектующие, такие, как транзисторные модули и синергетические системы управления, или воплощающие в себе результат трудоемких технологических исследований, также находят своего покупателя, если позволяют поднять качество сварных конструкций на ранее недостижимый уровень. С этой целью непрерывно ведется работа по совершенствованию сварочных свойств источников. Успешно решаются вопросы улучшения возбуждения дуги, уменьшения разбрызгивания металла, управления переносом электродного металла и формированием шва.
Раздел 2
Свойства и характеристики источников питания
2.1. Электрические характеристики дуги и источника
2.1.1. Электрические процессы в дуге
Сварочная дуга (рис. 2.1) представляет собой один из видов устойчивого электрического разряда через газовый промежуток, в котором находится смесь нейтральных атомов, электронов и ионов. Этот разряд характеризуется высокими плотностью тока и температурой. Ток протекает через газ, находящийся между двумя электродами, присоединенными к источнику электрической энергии. Электрод, соединенный с отрицательным зажимом источника, называется катодом, а электрод, соединенный с положительным зажимом — анодом. Под действием напряжения, имеющегося между электродами, электроны и отрицательно заряженные ионы перемещаются к аноду, а положительно заряженные ионы — к катоду. В дуговом разряде наблюдается неравномерное распределение электрического поля в межэлектродном пространстве, состоящем из трех областей: катодной, анодной и столба дуги. Такая структура связана с тем, что столб дуги не может граничить непосредственно с металлом электродов, так как в большинстве случаев точка кипения последних значительно ниже температуры столба. В приэлектродных областях, соединяющих столб дуги с электродами, происходит постепенное снижение температуры и степени термической ионизации газа. На поверхности электродов часто наблюдаются пятна — катодное и анодное, на границе которых с соответствующими областями дуги наблюдаются скачки потенциалов. Поэтому процессы образования заряженных частиц и переноса тока в этих областях существенно отличаются от соответствующих процессов в столбе, причем основные свойства столба мало зависят от процессов в катодной и
анодной областях. В связи с этим отдельно рассмотрим явления в столбе дуги и пограничных областях.
Рис. 2.1. Модель сварочной дуги и распределение потенциала по ее длине
Катодная область. Большую роль в обеспечении проводимости дугового промежутка играет поток эмитированных катодом электронов. Этот процесс обеспечивается как за счет нагрева поверхности катода (термоэлектронная эмиссия), так и за счет создания у его поверхности электрического поля высокой напряженности (автоэлектронная эмиссия). При термоэлектронной эмиссии электроны за счет нагрева приобретают необходимый запас кинетической энергии для преодоления потенциального барьера, ограждающего поверхность катода. Эту энергию характеризуют работой выхода электрона ?7ВЫХ, величина которой для разных металлов составляет от 2 до 5 В. При автоэлектронной эмиссии энергия, необходимая для вырывания электронов из катода, сообщается внешним электрическим полем, которое вытягивает их за пределы воздействия электростатического поля металла. Определенный вклад вносит и бомбардировка катода движущимися частицами. Электроны, которые не могут преодолеть барьер, возвращаются в металл, а имеющие достаточную кинетическую энергию эмитируются в дуговой промежуток. Электроны, прошедшие барьер, ускоряются в поле катодного потенциала в сторону столба дуги и, отдавая свою кинетическую энергию в столкновениях с
нейтральными атомами, поддерживают ионизацию и нагрев газа на границе между столбом дуги и катодной областью. Внешнее электрическое поле положительных ионов, скопившихся в катодной области, уменьшает работу выхода электронов ?7ВЫХ на 1-2 В. Данное явление называется эффектом Шоттки. Поскольку реальная работа выхода электронов С7ВЬ1хр и катодное падение напряжения ?7кат имеют разные знаки, то в общем случае потенциальный барьер для выхода электронов уменьшается, что может быть выражено так: ?7Кат~^выхр- При малых размерах катодной области экспериментально можно определить именно эту величину, которая и принимается за катодное падение напряжения. Протяженность /кат катодной области электрической дуги очень мала и составляет 10-4-10-3 мм. Величина катодного падения напряжения ?7кат лежит в пределах 5-20 В. Тогда градиент падения напряжения (?7Кат/^кат) равен 104-105 В/мм. Исследования показывают, что в катодной области доля электронного тока составляет около 60% от полного тока 1$, а плотность тока на стальном катоде близка к 25 А/мм2.
Анодная область. Анод не эмитирует положительно заряженных ионов, поэтому анодный ток обусловлен переносом к нему отрицательно заряженных частиц — электронов и ионов. В связи с этим вблизи анода образуется избыток отрицательных зарядов, в результате чего у поверхности анода возникает дополнительный потенциальный барьер, величина напряжения которого равна работе выхода электронов ивых. Электроны не могут выйти из анода и за счет энергии теплового движения, так как анодное падение напряжения С/ан создает для них непреодолимый барьер. Общее значение потенциала в анодной области равно Z7aH + UBbLX. Электроны, выходящие из плазмы столба дуги и попадающие в анодную область, ускоряются в поле анодного падения потенциала и приобретают дополнительную энергию, которой оказывается достаточно для ионизации атомов, сталкивающихся с электронами. Появившиеся ионы также ускоряются под действием анодного падения напряжения в сторону столба дуги и отдают плазме свою избыточную энергию посредством деионизации и соударений. Протяженность анодной области сопоставима с длиной свободного пробега электрона и составляет около 10~3 мм. В общем случае в зависимости от материала анода и типа ионизирующих присадок Z7aH лежит в пределах 2-10 В. Градиент напряжения имеет порядок 104 В/мм, т. е. ниже, чем в катодной области. Доля ионного тока в анодной области составляет около 20% от общего тока 1^, а плотность тока для стальных электродов в анодной области приблизительно равна 15 А/мм2.
Столб дуги. Эта часть дуги расположена между катодной и анодной областями и имеет длину, на несколько порядков превышающую размеры указанных областей, /Ст = 1_40 мм. Заряженные частицы поступают в
столб дуги из катодной и анодной областей, а также возникают в нем за счет термической ионизации нейтральных частиц. Последний процесс играет подчиненную роль. Так, степень диссоциации в парах железа у сварочных дуг не превышает 4%, что свидетельствует о слабой ионизации плазмы столба дуги. В столбе электронная составляющая тока намного больше ионной. Падение напряжения в столбе UCT достигает 40 В, что обеспечивает градиент напряжения ест = 1-4 В/мм. При этом падение напряжения прямо пропорционально длине столба 1СТ. Плотность тока в столбе дуги со стальными электродами достигает 20 А/мм2.
Поскольку протяженность приэлектродных областей мала по сравнению с длиной столба, то длину дуги считают равной длине столба:
1д ~ ^кат ^ан ^ст ^ст* (2*1)
Распределение потенциала в дуге имеет вид, показанный на рис. 2.1. Из приведенного графика следует, что падение напряжения на дуге для точных расчетов можно записать так:
Uq ~ ^кат — ^выхр + UCT + Uан ^вых*
При использовании экспериментальных данных указанная зависимость упрощается:
Ud ~ UKaT + С7ан + UCT. (2.2)
Из принципа термического равновесия между катодной областью и столбом дуги следует: сколько тепла приходит из катодной области в столб дуги, столько же приходит из столба в катодную область. Поэтому вся мощность, выделяемая в катодной области Ркат = 1д(Цкат — 1/выхр), идет в катод на плавление, испарение и теплоотвод. Аналогично для анодной области: энергия, возвращающаяся в плазму столба дуги с ионами и излучением анода, полностью покрывает потери энергии из столба дуги с уходящими электронами и излучением плазмы в сторону анода. Мощность тепловыделения на аноде вычисляется по соотношению Pan = IdtUsM + С/вых)- Знание соотношения мощностей, выделяемых на катоде и аноде, необходимо для выбора полярности дуги при сварке на постоянном токе. Для большинства покрытых электродов Ран больше Ркат в 1,3-1,5 раза. Поэтому при ручной дуговой сварке для увеличения скорости плавления электрода используют обратную полярность (+ на электроде). Такая же полярность используется при механизированной сварке плавящимся электродом. При сварке неплавящимся вольфрамовым электродом для уменьшения его перегрева и износа применяют прямую полярность (—на электроде).
2.1.2. Статическая вольт-амперная характеристика дуги
Статическая характеристика (СВАХ) представляет собой зависимость напряжения дуги от ее тока Ug = f(Ig) (рис. 2.2). Ее строят по экспериментальным данным при плавном изменении тока, так чтобы всегда поддерживалось равновесие между подачей и отводом энергии. Кроме того, на протяжении всего эксперимента должны сохраняться неизменными физические условия ее горения. В частности, должны оставаться постоянными диаметр электрода dd, длина дуги 1д, материал электрода и состав газа. Дуга имеет криволинейную статическую характеристику (2.2) и, следовательно, является нелинейным элементом электрической цепи, т. е. таким, у которого активное сопротивление не постоянно, а меняется с изменением тока. На характеристике выделяют три участка: падающий I, жесткий II и возрастающий III.
Рис. 2.2. Статическая характеристика дуги
Наклон характеристики принято оценивать величиной дифференциального сопротивления р^, которое представляет собой производную напряжения дуги по току в данной точке А характеристики, т. е. предел
отношения приращения напряжения к соответствующему приращению
тока:
dUg r MJg
Ра = -тг = 11т
dig &1д
(2.3)
В геометрическом смысле дифференциальное сопротивление рад соответствует тангенсу угла между касательной, проведенной к статической характеристике в точке А, и осью тока. На прямолинейных участках характеристики символом предела lim можно пренебречь и вычислять дифференциальное сопротивление по упрощенному соотношению
Ра
АС/<?
Видно, что на падающем участке р<з < 0, на жестком — ра = 0, на возрастающем — р^ > 0. Такая сложная связь напряжения и тока дуги
определяется в основном свойствами столба дуги. Поэтому выведем уравнение, связывающее напряжение столба с другими параметрами дуги. Очевидна зависимость напряжения столба от его сопротивления и силы тока:
UCT = IgRCT. (2.4)
Известно, что напряжение UCT зависит от площади сечения столба SCT, поэтому удобно вместо тока оперировать величиной плотности тока
Лт = (2.5)
Ост
Сопротивление столба дуги цилиндрической формы с удельной проводимостью уст представим в виде зависимости
7?ст = -^-. (2.6)
Уст^ст
При подстановке значений (2.5) и (2.6) в уравнение (2.4) получаем зависимость
<2-7>
ОстУст 'ст
с помощью которой и оценим закономерности формирования СВАХ дуги (рис. 2.2).
В маломощных дугах (участок I) с ростом тока 1д резко увеличивается площадь сечения столба SCT, что приводит к снижению плотности JCT и по соотношению (2.7) к уменьшению UCT, а следовательно, по (2.2) и общего напряжения дуги Ug. Такая падающая характеристика наблюдается при сварке неплавящимся электродом и ручной сварке покрытым электродом.
При дальнейшем росте тока пропорционально увеличивается и площадь столба. Следовательно, плотность тока остается приблизительно постоянной, поэтому и напряжение дуги не меняется с ростом тока. Характеристика на участке II жесткая, она наблюдается при сварке покрытым электродом и механизированной сварке под флюсом.
Возрастающий участок III наблюдается при таком токе, когда дуг^ уже заняла весь торец стержневого электрода (dKaT ~ <^э)> и дальнейшее увеличение площади SCT затруднено. Поэтому с ростом тока 1д пропорционально увеличивается его плотность JCT и напряжение UCT, а вместе с ним и напряжение дуги Ug. Возрастающая характеристика наблюдается при механизированной сварке под флюсом, и особенно при сварке в защитном газе. Граница между I и II участками при различных способах и условиях дуговой сварки приходится приблизительно на 50-100 А. Поскольку положение границы между II и III участками существенно
зависит от площади сечения столба (и электрода), то ее правильней характеризовать плотностью тока в электроде. Граница приблизительно соответствует е7э = 100 А/мм2.
Рассмотрим, как зависит положение статической характеристики от длины дуги 1$ и диаметра электрода (рис. 2.3). Изменение длины дуги сказывается на величине падения напряжения в столбе и, следовательно, на общем напряжении дуги:
ид = и
кат и +
(2.8)
При увеличении длины дуги СВАХ смещается вверх. Изменение диаметра электрода отражается на положении границы между жестким и возрастающим участками характеристики. Чем больше диаметр, тем при большем токе произойдет заполнение торца электрода катодным пятном, при этом возрастающий участок сместится вправо (на рис. 2.3 показано пунктирной линией).
Рис. 2.3. Зависимость СВАХ дуги от ее длины и диаметра электрода
Экспериментально СВАХ при относительном постоянстве длины дуги во всем диапазоне изменения тока удается получить только при сварке неплавящимся электродом. В реальных условиях сварки плавящимся электродом трудно обеспечить четкую фиксацию и длительное постоянство длины дуги, поэтому график на рис. 2.2 следует считать идеализированной или обобщенной СВАХ.
2.1.3. Динамическая вольт-амперная характеристика дуги
В медленном переходном процессе связь между током и напряжением определяется статической вольт-амперной характеристикой (СВАХ) дуги (рис. 2.2). При быстром изменении тока (на скорости более 10 кА/с)
сопротивление дуги меняется медленнее, чем ток, и равновесие между подачей и отводом энергии в дуге наступает с опозданием. Поэтому поведение дуги в динамике принято иллюстрировать графиками переходных процессов ig = f(t) и uq = /(f), а также динамической вольт-амперной характеристикой (ДВАХ) uq = f(id) (рис. 2.4). Как и при экспериментальном снятии СВАХ, остальные параметры энергетической системы «источник-дуга» для ДВАХ стремятся сохранить постоянными (длина дуги, диаметр и материал электрода, состав газовой среды и т. д.).
Рис. 2.4. Динамическая характеристика дуги (а) и переходные процессы по току (б) и напряжению (в)
Рассмотрим случай, когда при резком увеличении ЭД С источника ток получит малое отклонение от значения Iqi до 1э2 (рис. 2.4,а). Если исходный режим отражается точкой 1 на СВАХ дуги, то напряжение дуги по (2.2) и (2.4)
= (7Кат ^ан + ЯСТ1^1.
При скачкообразном увеличении тока до значения 1$2 катодное и анодное напряжения практически не изменяются, также не успевает измениться и сопротивление столба, поэтому напряжение дуги скачком достигнет в
точке 3 значения
ид3 = икат ^ан -^ст1^д2 •
Следовательно, ДВАХ дуги на участке 1-3 представляет собой отрезок прямой линии, проходящей через точку 0 с координатами (7# = О, Ud = 77кат + £7ан) и имеющей наклон, соответствующий постоянному значению сопротивления 7?CTi.
Затем система «источник-дуга» двинется к равновесному состоянию, которое будет достигнуто только на статической характеристике дуги, т. е. в точке 2, где напряжение дуги снизится с Ugs до 77^2, а ток останется равным 7^2 • Таким образом, на участке 3-2 динамическая вольт-амперная характеристика представляет собой вертикаль. При этом сопротивление столба снизится до Т?ст2, что возможно при увеличении температуры и поперечного сечения столба. Естественно, этот процесс растянут во времени, в чем и проявляется тепловая инерция дуги. В целом ДВАХ представляет собой ломаную линию 1-3-2.
Рассмотренный в примере скачок тока в реальном процессе невозможен, поскольку скорость изменения тока ограничивается индуктивностью в сварочной цепи. Если изменение тока длится более 10~2-10~3 с, то дуга в любой момент находится в энергетическом равновесии с источником, а ДВАХ на участке 1-2 совпадает со СВАХ. При более высокой, но реально встречающейся скорости изменения тока ДВАХ располагается между линиями 1-2 и 1-3-2. Следовательно, при построении ДВАХ необходимо указывать скорость изменения тока. Отдельно рассматривают ДВАХ дуги переменного тока, ДВАХ импульсной дуги, ДВАХ при сварке с короткими замыканиями и т. д.
Математическая модель дуги в динамике дает аналитическое описание переходных процессов в столбе дуги. Напомним, что строчными буквами и, I, г принято изображать текущие значения напряжения, тока и сопротивления в отличие от прописных 77,7,7?, которые используются для изображения постоянных значений. Текущее значение сопротивления столба может быть вычислено по соотношению:
ГСт == Uq/Iq,
причем напряжение столба и$ и ток 1$ определяются по СВАХ, т. е. являются условными параметрами, необходимыми только для расчета реального сопротивления гст. Заметим, что в переходном процессе ток ie, названный током состояния, зависит от сварочного тока Ig, но не равен ему. Текущее значение падения напряжения в столбе
1^ст ГU^ig/tQ,
Выясним связь названных параметров в переходном процессе, показанном на рис. 2.4. В энергетической системе «источник-дуга» баланс мощностей при
изменении ЭДС источника выглядит так:
dQ/dt = Ри- Ре
(2.9)
Видно, что внутренняя энергия Q столба дуги (теплосодержание) возросла, поскольку подводимая к столбу мощность источника Ри стала больше отводимой от столба PQ. Подводимая мощность зависит от сварочного тока Z^:
П = Г J2 ги • ст^д
(2.10)
а отводимая мощность зависит от тока состояния Z©:
Ре = rCTil.
(2.11)
При подстановке в (2.9) уравнений (2.10) и (2.11) получаем соотношение
( dQ \ f _ <2 >2
I j-2 / I 1 ~ \rCTdi^ J \at J
(2.12)
в котором первая дробь имеет размерность времени, поэтому названа постоянной времени дуги Tg. Эта величина характеризует тепловую и в целом энергетическую инерционность дуги и имеет порядок 10“3-10~5 с. Она зависит от состава газовой среды и степени ее ионизации, увеличивается с ростом объема и температуры дуговой плазмы.
Окончательно основное уравнение математической модели динамической дуги имеет вид
Td^ = ii 2d-il. (2.13)
Продолжим анализ переходных процессов по рис. 2.4. Если задаться скачкообразным увеличением тока от Idi до I$2 и принять начальный ток состояния длят. 1 на СВАХ foi = I^i, а конечный сварочный ток длят. 2 io2 = 1^2, то решение дифференциального уравнения (2.13) имеет вид:
i2e =42-(^-4i)
(2.14)
Чтобы не задаваться относительно сложным аналитическим выражением и$ = f(h) из СВАХ, дальнейший анализ переходных процессов выполним графически следующим образом. На рис. 2.4,6 покажем график сварочного тока id — скачок от Igi до 1д2 при t = 0 и постоянное значение 1д2 при t > 0. Затем для нескольких моментов времени (t = 0, Tg, 2Tg,...) рассчитаем значения тока состояния 1$ по уравнению (2.14) и построим экспоненциальную зависимость для тока состояния = f(t) на рис. 2.4,6. Для этих же моментов вертикальными стрелками перенесем координаты Ze на рис. 2.4,а. Таким образом, на СВАХ дуги будут показаны рабочие точки от начала (т. 1) к концу (т. 2) переходного процесса. Соединив эти точки с т. 0, получаем наклонные лучи, определяющие сопротивление столба дуги гст в данный момент. Отрезок 1-3 левого луча, как уже отмечалось, представляет собой первый участок ДВАХ,
возникающий при скачке сварочного тока. Отсюда следует, что при скачке тока Мд = 1д2 — Idi наблюдается скачок напряжения, определяемый по соотношению = U$3 — Udi = гстМд- Остальные лучи также заканчиваются при токе id = 1д2, и таким образом дальнейший переходный процесс изменения напряжения идет от т. 3 к т. 2 при постоянном токе 1д2 • Следовательно, второй участок ДВАХ представляет собой вертикаль 3-2. Последняя т. 2 совпадает со СВАХ и характеризует установившийся режим после завершения переходного процесса. Наконец, горизонтальными стрелками переносим координаты напряжения uq от линии 3-2 на рис. 2.1 ,в и, совместив их с соответствующей временной шкалой (t = 0, То, 2Tg,...), получаем график переходного процесса ug = f(t). Как видно, на нем отражен скачок напряжения от Ugi до Uds в момент скачка тока, а затем спад до значения Ug2- Условно принято считать, что длительность переходного процесса £Пер = ЗТ^.
2.1.4. Статические характеристики источников
Внешняя статическая характеристика источника представляет собой зависимость С7И = которую в общем виде получим из анализа схемы энергетической системы «источник-дуга» (рис. 2.5,а). В ней источник имеет постоянную электродвижущую силу ЕИ и внутреннее сопротивление ZH, состоящее из активной и индуктивной ХИ составляющих (£и = 7?и + или ZH = + Х^). На внешних зажимах источника
имеем напряжение ии. В последовательно соединенной цепи «источник-дуга» идет сварочный ток 1$, одинаковый для дуги и источника. Нагрузкой источника является дуга с активным сопротивлением Rd, падение напряжения на ней U() = IdRd-
Рис. 2.5. Схема системы «источник-дуга» (а) и ее векторная диаграмма (б)
В соответствии со вторым правилом Кирхгофа
-Ёи = (2.15)
что отвечает векторной диаграмме (рис. 2.5,6). Энергия, забираемая с внешних зажимов источника, если не учитывать потерь в проводах, полностью отдается дуге, поэтому
ии = ид = 1дЯд. (2.16)
Подставив (2.16) в (2.15), получим уравнение для напряжения на внешних зажимах источника:
(7И ~ ” Ъ(ЛИ “I” Л^и) ~ —
Источник может работать в одном из трех режимов: холостой ход, нагрузка, короткое замыкание. При холостом ходе дуга не горит, ток отсутствует (Id = 0). В этом случае напряжение источника, называемое напряжением холостого хода, имеет максимальное значение
ии = их = Еи.
При нагрузке по дуге и источнику идет ток Id, а напряжение С7И ниже, чем при холостом ходе, на величину падения напряжения внутри источника:
и* = их-1дги. (2.17)
Соотношение (2.17) представляет собой уравнение внешней статической характеристики источника в общем виде.
При коротком замыкании Ud = 0, поэтому и напряжение источника ии = 0. Ток короткого замыкания из (2.17)
1« = их/ги. (2.18)
Экспериментально внешняя характеристика источника снимается измерением напряжения 17и и тока Ig при неизменных значениях Ux, /?и, Хи и плавном изменении сопротивления нагрузки Rd, при этом дуга обычно имитируется линейным активным сопротивлением — балластным реостатом.
При расчетном способе построения внешней характеристики в качестве постоянных величин также принимают Ux, /?и, %и> а сопротивлением нагрузки Rd задаются в широком диапазоне от ос (холостой ход) до 0 (короткое замыкание). Для расчета силы тока пользуются уравнением, полученным из векторной диаграммы (рис. 2.5,6),
Id = Ux -----------г (2.19)
y/{Rd + R^+Xl
а напряжение источника определяют по соотношению
ии = U$ = IdRd =
____U yfid__ y/(Rd + Ra)^+X^
(2.20)
Графическое представление полученной зависимости С7И = f(Ig) и есть внешняя статическая характеристика источника (рис. 2.6). Видно, что при уменьшении сопротивления нагрузки R# увеличивается ток и снижается напряжение источника С7И. Таким образом, в общем случае внешняя статическая характеристика источника — падающая. Т. 1 характеризует режим холостого хода, т. 2 — режим нагрузки, т. 3 — режим
короткого замыкания.
I Ас А)
—•----------а---
4, о
Лд 00
Рис. 2.6. Внешние вольт-амперная и ватт-амперная характеристики источника
Типы внешних статических вольт-амперных характеристик современных источников чрезвычайно разнообразны (рис. 2.7), используются как жесткие, так и падающие характеристики. В общем случае эти характеристики являются нелинейными, поэтому полезно ввести понятие дифференциального сопротивления источника, соответствующего tgaH (рис. 2.7,6):
= <2-21)
У нелинейных внешних характеристик ри — величина переменная, в этом случае ее следует отличать от внутреннего (интегрального) сопротивления ZH. В частном случае линейной падающей характеристики (рис. 2.7,а) значения внутреннего и дифференциального сопротивлений совпадают по модулю £и = |ри|. Стандартом ГОСТ Р МЭК 60974-1-2004
Рис. 2.7. Типичные внешние вольт-амперные характеристики источников
принято деление характеристик на жесткие (ри = +0,1... — 0,07 В/A) и падающие (ри < —0,07 В/A). В обыденной практике используют также понятия возрастающей, пологопадающей и крутопадающей характеристик. Последние термины нестрогие, поэтому в сомнительных случаях приведенные названия не используют, а источники характеризуют непосредственно значениями ри.
Внешняя ватт-амперная характеристика РИ = f(Id) (рис. 2.6), построенная при тех же условиях, что и С7И = f(Id), показывает, как при изменении сопротивления нагрузки R() (и тока 1^) будет меняться полезная активная мощность Ри, т. е. мощность, отдаваемая источником нагрузке. Из (2.19) и (2.20)
г т2 р
Ри = ид1д = I*RS = (2.22)
+ Ли) +
Зависимость РИ = /(!<?) экстремальная. Максимум полезной мощности достигается при равенстве сопротивления нагрузки и источника (Ro = Zn). Такой режим называют согласованным. Это обстоятельство позволяет сделать более строгое разделение типов вольт-амперных характеристик. Если номинальный режим работы источника находится левее точки согласования (ZH < Rd), то его внешнюю характеристику называют жесткой. Падающей называют характеристику источника, у которого внутреннее сопротивление больше сопротивления нагрузки (ZH > Я,?).
Оценим энергетическую эффективность различных источников и режимов их работы. Источник, рассчитанный для работы в согласованном режиме, наименее материалоемок, т. е. наиболее экономичен при изготовлении. Однако это не значит, что он также наиболее экономичен при эксплуатации. Для пояснения этой проблемы выведем уравнение для оценки коэффициента полезного действия источника ц, который представляет собой отношение полезной мощности Ри = I%Rd ко всей активной мощности, потребляемой источником из сети, т. е. с учетом потерь на
внутреннем активном сопротивлении источника РПот = 1|яи. Тогда
П = = Rd _
1 Ри+Рпот I2dRd + ljR^ Rd + RK' 1 ’
Очевидно, что для повышения коэффициента полезного действия, т.е. повышения эффективности расходования энергии, следует уменьшать внутреннее сопротивление источника /?и и увеличивать сопротивление нагрузки R$. Самый высокий коэффициент, близкий к 1, получается при самых малых сварочных токах, когда R# приближается к бесконечности. В согласованном режиме коэффициент существенно ниже. Например, для источника постоянного тока, у которого Хи = 0, а2и = йи, в согласованном режиме R$ = /?и, и поэтому коэффициент полезного действия по (2.23) составляет 0,5.
Рассмотрим также зависимость коэффициента мощности cos (р от параметров системы. Коэффициент мощности источника представляет собой отношение всей активной мощности Ри + Рпот к полной (или кажущейся), в которой нужно учесть еще и реактивную мощность потерь QnOT ~ на индуктивном сопротивлении Хи источника:
У(Ри + Лют)2 + Q2OT тШ + Яи)2+^2
Это же соотношение можно получить и по векторной диаграмме (рис. 2.5,6). Из уравнения (2.24)следует, что для увеличения cos <р следует снижать индуктивное сопротивление источника.
2.1.5. Динамические свойства источника
Переходные процессы в системе «источник постоянного тока-линейное активное сопротивление» рассмотрим прежде, чем в системе с дугой, поскольку это облегчает анализ динамических свойств источника. Проанализируем осциллограмму тока при переходе такой системы, показанной на рис. 2.5, от режима холостого хода к короткому замыканию, а затем к режиму нагрузки (рис. 2.8). В интервалах I, III и V энергетическая система находится в установившемся состоянии, характеризующемся относительным постоянством тока (и напряжения). В переходных процессах II и IV происходит изменение параметров.
В апериодическом (неколебательном) переходном процессе II от холостого хода к короткому замыканию ток изменяется по экспоненте /к = /к (1 — Амплитудное значение тока 1к в конце переходно-
го процесса совпадает с установившимся током короткого замыкания в
Рис. 2.8. Переходные процессы в системе «ис-точник-линейное сопротивление»
III интервале, оно зависит от напряжения холостого хода Ux и активного сопротивления источника Ли: 1К = Ux/Rn. Постоянная времени Ти характеризует инерционность переходного процесса и зависит от величины активного сопротивления источника и величины индуктивности L в его цепи: Ти = L/R^. Таким образом, переходный процесс от холостого хода к короткому замыканию изображается экспоненциальной зависимостью
гт ( Ви А
= £ 1-е’ь( . (2.25)
Гьн \ /
Время переходного процесса от холостого хода к короткому замыканию tx—К ~ ЗТи*
Переходный процесс IV от короткого замыкания к нагрузке происходит со снижением тока:
ТТ / Ви + Rd '
i I 1 । —-т-t
д Ли+яД1 я/
Здесь установившееся значение тока 1$ = UyJ(Ra + Rg) соответствует току в V интервале, а постоянная времени системы Тс = £/(Яи + Rd)- Время переходного процесса от короткого замыкания к нагрузке tK_H « ЗТС. Для сварочных источников диапазон изменения постоянной времени от 10 2 до КГ3 с, что на два порядка выше, чем у дуги. Поэтому длительность электрических переходных процессов в сварочных цепях зависит главным образом от параметров источника, и в меньшей степени — от тепловой инерции дуги. В многокомпонентных и разветвленных энергетических системах в отличие от приведенной на рис. 2.5,а переходный процесс имеет более сложный колебательный характер.
Переходные процессы в реальной системе «источник-дуга» чрезвычайно динамичны. Интервалы установившегося состояния длятся не более нескольких секунд. Реальная осциллограмма сварочного тока вы
являет непрерывную череду переходных процессов, редко завершающихся до конца, а зачастую накладывающихся друг на друга. Переходные процессы возникают как в результате целесообразных управляющих, так и вредных возмущающих воздействий. Управляющие воздействия со стороны сварщика вызывают переход от режима холостого хода к короткому замыканию и далее к режиму нагрузки, плавное снижение тока при удлинении дуги в конце сварки и т. д. Возмущающие воздействия могут быть внешними, такими, как колебания напряжения сети, или внутренними, возникающими, например, при капельном переносе электродного металла. Импульсные воздействия могут генерироваться источником для управления переносом электродного металла (рис. 2.9,а) и формированием шва (рис. 2.9,6). При высокой частоте импульсов (более 1 кГц) заметно повышается устойчивость горения дуги. Но чаще пульсирующий характер питающего напряжения считается недостатком, такое напряжение имеют, например, трехфазные сварочные выпрямители (рис. 2.9,в) и особенно однофазные выпрямители без сглаживающего фильтра (рис. 2.9,г). В режиме непрерывного переходного процесса идет сварка дугой переменного тока (рис. 2.9,6). В этой связи возникает вопрос о правомерности понятия внешней статической характеристики применительно к источникам переменного и выпрямленного несглаженного тока. Однако доказано, что если статическая характеристика такого источника построена для действующих (или средних) значений тока и напряжения, то почти все выводы, полученные для источника постоянного тока, с известной точностью распространяются и на нее.
Способы управления динамическими свойствами будут обобщенно рассмотрены в разделе 2.2, а затем индивидуализированы в последующих разделах применительно к конкретным типам источников. А здесь
Рис. 2.9. Осциллограммы напряжения типичных источников
укажем только общие принципы управления динамикой, укладывающиеся в три классификационных подразделения.
В простейших источниках необходимый уровень динамических свойств обеспечивался подбором таких параметров источника, как напряжение холостого хода С7Х, внутреннее сопротивление Яи, а также индуктивность сварочной цепи L. Различные переходные процессы предъявляют к перечисленным параметрам различные, зачастую противоречивые требования, поэтому принятые при конструировании или настройке режима, но не меняющиеся в процессе сварки параметры обычно удовлетворяют не всем требованиям. Этот принцип управления динамикой назван параметрическим.
Другой принцип (координатный) заключается в программном управлении, т. е. изменении тока и напряжения во времени в соответствии с жестким алгоритмом. Быстродействие таких систем связано с частотой срабатывания силовых элементов источника. Так, тиристорные выпрямители работают с частотой включения вентилей не более 300 Гц, поэтому продолжительность любого интервала программы не может быть меньше 1/300 « 0,003 с. Такое быстродействие удовлетворяет требованиям систем управления формой шва, но не всегда достаточно при управлении переносом электродного металла. Лучшим быстродействием обладают инверторные источники, у которых на промежуточной стадии преобразования энергии частота достигает 1-100 кГц.
Развиваются также источники с обратными связями. В них с помощью датчиков тока и напряжения контролируется фактическое значение характеристик переходного процесса (пикового тока, длительности короткого замыкания и т.д.), а после сопоставления их с регламентированными значениями система управления воздействует на источник, приводя эти характеристики в норму. Этот принцип управления динамическими свойствами назван компенсационным.
Разумеется, в конкретном источнике могут сочетаться несколько принципов управления, что и будет продемонстрировано ниже.
2.2. Сварочные свойства источников
2.2.1. Общее понятие о сварочных свойствах
В технологическом процессе дуговой сварки источник, воздействуя на дугу, выполняет следующие основные функции:
— обеспечивает зажигание,
— поддерживает устойчивое горение дуги,
— используется для настройки (регулирования) режима.
Кроме того, источник, опосредованно через дугу воздействуя на технологический процесс, выполняет дополнительные функции:
— способствует благоприятному характеру переноса электродного металла,
— способствует качественному формированию шва.
В зависимости от устройства и электрических характеристик источника перечисленные функции будут им выполняться хорошо или плохо. Поэтому при разработке и выборе источника важно знать, хорошо ли он выполняет перечисленные функции, как влияет на качество сварки — иначе, какими он обладает сварочными свойствами. При этом следует учитывать, что кроме источника на качество сварки оказывают влияние квалификация сварщика, свойства сварочных материалов, параметры дуги и технологического процесса в целом, а также внешние условия сварки. Поэтому испытания и оценку сварочных свойств следует выполнять при прочих благоприятных или четко регламентированных стандартом условиях.
Сварочное свойство источника — это определяемое его электрическими характеристиками качество выполнения одной из функций, связанных с обеспечением заданной технологии сварки.
Назовем сварочные свойства в порядке перечисления соответствующих им функций источника.
Надежность зажигания дуги является важным свойством источника, поскольку влияет на качество начального участка шва, а при сварке короткими швами — и на производительность.
Устойчивость процесса сварки и стабильность режима оказывают непосредственное влияние на качество шва. Устойчивость оценивается в несколько этапов. Прежде всего, имеет значение принципиальная устойчивость энергетической системы «источник-дуга», т. е. способность источника поддерживать непрерывное горение дуги при малых возмущающих воздействиях. Если обеспечена устойчивость «в малом», оценивают устойчивость «в большом», т. е. при значительных колебаниях длины дуги и напряжения сети. При сварке плавящимся электродом рассматривают устойчивость процесса при коротких замыканиях каплями электродного металла. При испытаниях сварочных трансформаторов оценивают устойчивость дуги переменного тока. И только если обеспечена устойчивость системы, переходят к анализу стабильности режима, т. е. к оценке отклонения параметров режима от заданных значений.
Эффективность регулирования (настройки) параметров режима характеризует источник потому, что его регулятором настраиваются
обычно сила тока или напряжение дуги, оказывающие влияние на производительность и качество сварки.
Характер переноса электродного металла в той степени, в которой зависит от источника, определяется параметрами режима, но особенно связан с величиной и скоростью изменения тока при технологических коротких замыканиях каплями электродного металла с поверхностью сварочной ванны. Желателен струйный или мелкокапельный перенос без чрезмерного разбрызгивания электродного металла.
Качество формирования шва от источника зависит косвенно и особенно связано с устойчивостью и стабильностью процесса сварки. Если процесс неустойчив, то в результате частых обрывов дуги получается неровный шов. В случае устойчивого, но нестабильного (по величине тока и напряжения) процесса также наблюдается непостоянство размеров шва, хотя и в меньшей степени, чем при неустойчивом процессе.
В табл. 2.1 систематизированы сварочные свойства с некоторыми из критериев их оценки. Критерии могут быть непосредственными и косвенными. Если оценка производится по качественным и количественным характеристикам дуги или шва, то критерий называется непосредственным или технологическим. Так, например, характер переноса электродного металла оценивают по величине коэффициента потерь на разбрызгивание. Но иногда источник оценивают по его собственным электрическим параметрам, существенно влияющим на качество сварки. В этом случае
Таблица 2.1
Сварочные свойства источников питания
Функция источника Сварочное свойство Непосредственный критерий Косвенный критерий
Зажигание дуги Надежность начального зажигания Доля успешных попыток; количество попыток до первой успешной; предельная начальная длина дуги Z<?H, мм Напряжение холостого хода 17х, В; ток 1гп, А и время £гп, с горячего пуска
Поддержание горения дуги Принципиальная устойчивость системы «источник-дуга» Частота обрывов дуги, раз/электрод Коэффициент устойчивости ky > 0
Устойчивость при зна- чительном удлинении дуги Разрывная длина дуги Ц, мм Напряжение холостого хода UX9 В
Окончание табл. 2.1
Функция источника Сварочное свойство Непосредственный критерий Косвенный критерий
Устойчивость при частых коротких замыканиях Частота /кк и длительность £Кк коротких замыканий каплей; скорость нарастания тока короткого замыкания каплей di^/dt, кА/с Напряжение холостого хода С7Х, В; индуктивность дросселя L, мГн
Устойчивость при переменном токе Время повторного зажигания t3, мс; скорость восстановления проводимости межэлектродного промежутка В3, См/с Скорость нарастания тока короткого замыкания трансформатора diK/dt, кА/с; напряжение импульсного стабилизатора горения дуги 17ис, В; индуктивность дросселя L, мГн
Стабильность параметров режима Относительные отклонения тока и напряжения, %; коэффициенты вариации тока kvi, % и напряжения kvu, % Наклон внешней характеристики источника ри? В/А; коэффициент пульсации выпрямленного тока р/ и напряжения рс/
Регулирование режима Эффективность регулирования тока и напряжения Диапазон настройки ТОКа Л? min “"Л? max И напряжения L^min-CA?max; кратность регулирования тока kj и напряжения ku Количество ступеней; интервал изменения напряжения холостого хода £7Х, В и сопротивления источника ZH, Ом
Воздействие на перенос Характер переноса электродного металла Коэффициент потерь на разбрызгивание /?р, %; скорость нарастания тока короткого замыкания каплей diK/dt, кА/с Индуктивность дросселя L, мГн; частота /и, Гц и амплитуда 1и, А пиковых импульсов тока
Воздействие на шов Качество формирования шва Глубина проплавления, ширина шва и высота усиления, мм Ток 1и, 1п> А и длительность £и, tnj с импульсов и пауз
говорят о косвенных критериях. К ним относится, например, скорость нарастания тока короткого замыкания у источника переменного тока, от которой зависит скорость нарастания сварочного тока при повторном зажигании дуги.
Различают объективный и субъективный методы оценки. Объективный метод предполагает количественную оценку свойства, не зависящую
от квалификации и мнения сварщика. Например, разрывная длина дуги, измеряемая в миллиметрах, может использоваться для оценки устойчивости процесса при значительных колебаниях длины дуги. Субъективный метод предполагает качественную оценку каждого свойства, в лучшем случае — в баллах, которые выставляет сварщик-эксперт по результатам опытной сварки или наплавки.
Оценка сварочных свойств источников выполняется в соответствии с ГОСТ 25616-83 «Источники питания для дуговой сварки. Методы испытания сварочных свойств» (см. табл. 2.2 и 2.3). При испытании источников для ручной дуговой сварки принята методика субъективной оценки по непосредственным критериям. В этом случае сварщик на нескольких режимах выполняет наплавку валика в нижнем или вертикальном положении на пластину из низкоуглеродистой стали электродами с основным или рутиловым покрытием. В процессе наплавки или по ее результатам сварщик с помощью табл. 2.2 выставляет оценку в баллах по каждому из пяти свойств: надежность зажигания, стабильность (и устойчивость) процесса, эластичность дуги (устойчивость при значительном удлинении), разбрызгивание металла (характер переноса электродного металла) и качество формирования шва. Испытания источников для механизированной сварки в углекислом газе по ГОСТ 25616-83 осуществляются с использованием в основном объективной оценки, т. е. с количественной характеристикой большинства свойств (табл. 2.3).
Стандартом предусмотрено, что комплексная оценка источника получается суммированием баллов. Так, максимальная комплексная оценка источника для ручной дуговой сварки может быть не более 25 баллов. Но этот подход не учитывает того факта, что в конкретных условиях сварки значимость того или иного сварочного свойства оказывается различной. Например, при монтаже металлоконструкций здания большое значение имеют надежное зажигание и эластичность дуги, тогда как на повышенное разбрызгивание почти не обращают внимания. А при сварке высокопрочных сталей высокие требования предъявляют к качеству и форме шва. Поэтому правильней оценивать источники по обобщенному показателю уип, вычисляемому как произведение взвешенных отношений [Зп численных характеристик сварочных свойств с учетом значимости е/? каждого из п свойств:
N
Уип = •
п=1
Отношение [Зп получается делением численного значения показателя данного свойства на его максимальное (идеальное) значение. В случае субъективной оценки, например, по табл. 2.2 для источников ручной ду-
Таблица 2.2
Оценка сварочных свойств источников для ручной сварки
Сварочное свойство Критерий оценки Балл Оценка свойства Качественная и количественная характеристики свойства
Надежность зажигания Количество попыток до первой успешной 1 2 3 4 5 Плохая Низкая Удовлетворительная Хорошая Высокая Редкое зажигание или отсутствие зажигания Зажигание после многократных соприкосновений электрода с изделием и привариваний электрода Зажигание после 3-4 соприкосновений Зажигание после легкого движения по металлу Зажигание сразу после прикосновения электрода к изделию
Устойчивость и ста- бильность процесса сварки Частота обрывов, вибрация дуги, звуковой эффект 1 2 3 4 5 Плохая Низкая Удовлетворительная Хорошая Высокая Неустойчивое горение дуги с частыми обрывами Неравномерно горящая, вибрирующая дуга с редкими обрывами Неравномерно горящая, вибрирующая дуга без обрывов Равномерно горящая дуга с незначительной вибрацией и хрустящим шумом (треск) Спокойно, равномерно горящая дуга без вибраций (мягкое шипение)
Устойчивость при значительном удлинении дуги Разрывная длина дуги, реакция на растяжение дуги 1 2 3 4 Плохая Низкая Удовлетворительная Хорошая При попытке удлинения дуга сразу обрывается Приходится постоянно поддерживать короткую дугу, при незначительном удлинении дуга обрывается Дуга удлиняется до двойного диаметра стержня электрода при заметном изменении интенсивности расплавления электрода Дуга удлиняется до тройного диаметра стержня при небольшом изменении интенсивности расплавления электрода
Окончание табл. 2.2
Сварочное свойство Критерий оценки Балл Оценка свойства Качественная и количественная характеристики свойства
5 Высокая Дуга удлиняется до тройного (или более) диаметра стержня электрода при практически неизменной интенсивности расплавления электрода
Характер переноса электродного металла Разбрызгивание металла, размер и количество капель 1 2 3 4 5 Плохая Низкая Удовлетворительная Хорошая Высокая Очень много крупных, трудно-удаляемых брызг вблизи шва Много крупных, трудно удаляемых брызг вблизи шва Умеренное количество крупных и мелких, легко удаляемых брызг вблизи шва Мелкие брызги, равномерно распределенные вблизи шва Мало мелких брызг на поверхности образца
Качество формирования шва Равномерность валика по ширине и высоте, че-шуйчатость, наличие шлаковых включений и пор 1 2 3 4 5 Плохая Низкая Удовлетворительная Хорошая Высокая Валик неравномерный по ширине и высоте, крупночешуйчатый, с видимыми шлаковыми включениями и порами Валик неравномерный по ширине и высоте, крупночешуйчатый Валик крупночешуйчатый с отдельными неровностями по высоте и превышениями по кромке шва Валик мелкочешуйчатый с редкими небольшими неровностями по высоте и небольшими превышениями по кромкам Валик равномерный, гладкий или мелкочешуйчатый, с плавным переходом к основному металлу
говой сварки, делят фактический балл Бп на идеальный — рп = Бп/5. Весовой фактор (значимость) гп каждого свойства назначается в зависимости от условий сварки. Например, при ручной сварке в цеховых условиях листовых конструкций покрытыми электродами можно принять значимость надежности зажигания 0,3; устойчивости процесса — 0,1; эластичности дуги — 0,05; характера переноса — 0,3 и формирования шва — 0,25.
Таблица 2.3
Оценка сварочных свойств источников для механизированной сварки в углекислом газе
Сварочное свойство Критерий оценки Балл Оценка свойства Качественная и количественная характеристики свойства
Надежность зажигания (надежность установления процесса) Число коротких замыканий до установления стабильного процесса 2 3 Неудовлетворительная Удовлетворительная Число коротких замыканий более 3 Число коротких замыканий меньше или равно 3
Характер переноса электродного металла (потери металла) Коэффициент потерь на угар и разбрызгивание Мп-мн k = ~~f—-100%, Мр где Мр и Мн — масса расплавленного и наплавленного электродного металла 2 3 Неудовлетворительная Удовлетворительная Коэффициент потерь для конкретного режима превышает 5-12% Коэффициент потерь для конкретного режима не превышает 5-12%
Качество формирования шва Отношение высоты валика к его ширине, чешуйчатость, наличие пор, подрезов и прожогов 2 3 4 Неудовлетворительная Удовлетворительная Хорошая Отношение более 0,6. Поверхность валика неровная, крупночешуйчатая с подрезами и прожогами Отношение 0,3-0,6. Отдельные подрезы (до 3 штук на 250 мм валика) длиной до 1 мм Отношение менее 0,3. Валик гладкий или мелкочешуйчатый, без пор, подрезов и прожогов
2.2.2. Начальное зажигание дуги
Под начальным зажиганием дуги понимают процесс возбуждения дуги в начале сварки. От него нужно отличать повторное зажигание после случайных обрывов дуги, которое выполняется теми же способами, что и
начальное, но происходит в более благоприятных условиях при уже разогретых электродах. Практическое применение при дуговой сварке нашли два способа начального зажигания: высоковольтным искровым разрядом и разрывом цепи короткого замыкания электрода на изделие.
Зажигание дуги высоковольтным разрядом иллюстрирует рис. 2.10. При этом параллельно основному источнику подключается вспомогательный высоковольтный источник малой мощности. По соображениям безопасности он выполняется импульсным или высокочастотным (частота f > 100 кГц). Назначение высоковольтного источника — пробить искрой, т. е. ионизировать межэлектродный промежуток, по которому затем пойдет сварочный ток.
Рис. 2.10. Схема процесса (а) и осциллограммы напряжения (б>) и тока (в) при зажигании дуги высоковольтным разрядом
Механизм высоковольтного пробоя газового промежутка можно представить следующим образом. Высоковольтный источник создает между электродами мощное электрическое поле напряжением в несколько тысяч вольт. При любой температуре в межэлектродном промежутке имеется небольшое количество свободных электронов. Такой электрон разгоняется полем и при столкновении с нейтральными частицами ионизирует их. При этом образуется лавина электронов, быстро несущихся к аноду, и облако положительных ионов, медленно движущихся к катоду. Другие свободные электроны, а также электроны, образованные фотоионизацией от возбужденных атомов, вызывают новые короткие лавины, вливающиеся в первую. В результате образуется стример — плазменный
канал, состоящий из заряженных частиц. Головка стримера, состоящая из положительно заряженных ионов, постепенно прорастает по направлению к катоду, из которого в результате вырывается рой электронов. Рой многократно усиливает ионизацию в стримере и увеличивает его проводимость. Происходит пробой газового промежутка, между электродами образуется ионизированный плазменный мостик, по которому начинает протекать ток от основного источника.
Под действием тока основного и вспомогательного источников происходит разогрев электродов и развитие термоэлектронной эмиссии с катода. Если ток и напряжение основного источника достаточны для существования самостоятельного дугового разряда, вспомогательный источник отключают.
Проанализируем условия надежного зажигания дуги высоковольтным разрядом. На первой стадии зажигания необходимо обеспечить пробой газового промежутка. Для того чтобы свободный электрон обеспечил образование лавины, необходимо, чтобы он на длине свободного пробега между соударениями набрал энергию, достаточную для ионизации нейтрального атома:
где еви — напряженность поля, ке — длина свободного пробега электрона, Ui — потенциал ионизации газа, е — заряд электрона.
Для однородного поля
£ви = иви/1д,
где иви — напряжение высоковольтного источника.
Тогда условие надежного зажигания
£ви ^i/^e ИЛИ Uви ^7'ild/^е*
Отсюда следует, что для повышения надежности зажигания нужно увеличивать напряжение высоковольтного источника 17ви или снижать длину дуги 1$. Напряженность поля, достаточная для пробоя высокочастотным разрядом воздуха между электродами при комнатной температуре и атмосферном давлении, составляет около 1-3 кВ/мм. При распространенных длинах дуги 2-5 мм напряжение высоковольтного высокочастотного источника — осциллятора — должно составлять не менее 2000-5000 В. Как видно, пробивное напряжение зависит также от потенциала ионизации газа Ui и длины свободного пробега электрона в нем, т.е. от состава газового промежутка. Например, в аргоне пробивное напряжение почти вдвое ниже, чем в воздухе и других двухатомных газах.
На второй стадии зажигания необходимо обеспечить развитие самостоятельного дугового разряда с питанием от основного источника
(рис. 2.10,6» и в). Для этого напряжение источника 17и должно быть не ниже напряжения дуги
Ud — UKaT + С7ан + &ст1д-
Напряжение Uq зависит от длины дуги. Максимальное напряжение источника, т. е. его напряжение холостого хода С7Х, на практике назначается в 1,5-3 раза выше среднего напряжения дуги Uо и составляет для сварочных источников общепромышленного назначения 40-141 В. Считается, что самостоятельный дуговой разряд существует при мощности не менее 200-300 Вт на 1 см длины дуги, поэтому основной источник при различных условиях сварки должен обеспечивать ток 1$ не менее 1-10 А.
Зажигание дуги разрывом цепи короткого замыкания внешне выглядит довольно просто (рис. 2.11). При замыкании электрода на изделие сопротивление нагрузки составляет всего 0,01-0,2 Ом, поэтому ток короткого замыкания достигает сотен ампер. С начала короткого замыкания (т. 1) напряжение источника резко уменьшается до сравнительно низкой величины ?7ик = 2-5 В, включающей в себя падения напряжения в контакте, на вылете электрода и в проводах. Ток короткого замыкания быстро возрастает до установившегося значения /к. Разрыв цепи короткого
Рис. 2.11. Стадии процесса (а) и осциллограммы напряжения (б) и тока (в) при зажигании дуги разрывом цепи короткого замыкания
замыкания (т. 2) происходит через tK = 0,01-1 с после начала процесса в результате отвода электрода или разрушения перемычек между электродом и изделием. Дело в том, что площадь таких перемычек сравнительно мала, поэтому плотность тока в них настолько велика, что наблюдается их мгновенное расплавление и даже испарение.
После разрыва цепи короткого замыкания (т. 2) наступает стадия развития дугового разряда. Напряжение источника скачком увеличивается до значения [/^н, равного сумме приэлектродных падений напряжения (U(hi = [/Кат + [/ан)» & затем более плавно в течение времени = 0,05-0,2 с по мере отвода электрода достигает установившегося значения [/и = [/^, соответствующего начальной длине 1$н (т. 3). Ток после короткого замыкания резко снижается и достигает установившегося значения 1$. На стадии дугового разряда ток создается движением первичных носителей (электронов и ионов), возникших в результате разрыва цепи короткого замыкания. Источником первичных электронов может служить автоэлектронная эмиссия с катода. Установлено, что на ранней стадии разведения электродов при расстоянии между ними около 10-9 мм даже относительно низкое напряжение источника обеспечивает высокую напряженность электрического поля около 1011 В/мм, достаточную для вырывания электронов из катода. Возможным источником первичных электронов является и термоэлектронная эмиссия с катода, поскольку при плавлении и испарении перемычки металл на поверхности электрода достигает температуры 2000-6000 К. Наконец, пар металла, образовавшийся между электродами при такой температуре, достаточно электропроводен благодаря частичной ионизации. При последующем увеличении числа носителей возникает самостоятельный дуговой разряд.
Оценим условия надежного зажигания. На первой стадии необходимо обеспечить энергичный разрыв цепи короткого замыкания. При недостаточной плотности тока в электроде (менее 20 А/мм2) жидкие перемычки между электродом и изделием не взрываются, а, наоборот, застывают. «Примерзание» или «прилипание» электрода можно предотвратить его резким отводом или кратковременным изменением тока. Заметный эффект от увеличения тока, горячий пуск, наблюдается л ишь при/к > 1,5/д. Результат дает и прием противоположного смысла, холодный пуск, т. е. начальное снижение тока до 0,1-0,3 от установленного значения. В этом случае металл в перемычках вообще не плавится, и поэтому прилипания не наблюдается. Естественное превышение тока короткого замыкания над сварочным в несколько раз, наблюдающееся при механизированной сварки плавящимся электродом, также гарантирует отсутствие прилипания.
На второй стадии важно, чтобы напряжение источника было достаточным для питания дуги (С7И > Ug). У малоинерционных источников, таких как диодные выпрямители, восстановление (7И происходит практически мгновенно. Поэтому для них справедливо соотношение, полученное из статических характеристик источника (2.17) и дуги (2.8),
— IgZ^ Uкат 4- U+ £ст^д>
из которого следует, что для надежного зажигания следует увеличивать напряжение холостого хода источника Ux и снижать его сопротивление 2И. Длину дуги 1д с этой же целью снижают. Действительно, при чрезмерном удлинении возникшая дуга может оборваться.
Проблема осложняется для источников с большой электромагнитной инерцией — тиристорных выпрямителей с обратными связями, и особенно генераторов. У таких источников восстановление ЭДС после короткого замыкания идет сравнительно медленно, что может привести к опасному провалу тока до /^mjn и даже обрыву дуги. Приемы повышения надежности зажигания у генераторов будут рассмотрены в 5 разделе.
При субъективной оценке по ГОСТ 25616-83 у источников для ручной сварки покрытым электродом непосредственным критерием надежности начального зажигания принято считать количество попыток до первой успешной. Близким смыслом обладает критерий в виде доли успешных попыток. В качестве объективного критерия надежности начального зажигания можно принять предельную начальную длину дуги 1дн. Это расстояние, до которого удается отвести электрод от детали при начальном зажигании без обрыва дуги. У большинства источников для ручной сварки покрытым электродом lgH = (2-5)d3, она увеличивается с ростом напряжения холостого хода и установленного тока. При оценке источника по этому критерию следует иметь в виду, что 1дн зависит также от свойств электрода. Поэтому при испытании источника постоянного тока рекомендуется использовать электроды с основным покрытием, например марки УОНИ-13/55. Источники же переменного тока испытывают при сварке электродами с рутиловым покрытием, обеспечивающим более легкое зажигание.
2.2.3. Принципиальная устойчивость системы «источник-дуга»
Дуговой разряд называется устойчивым, если он существует непрерывно в течение длительного времени без обрывов и коротких замыканий. Поэтому в качестве непосредственного критерия для оценки устойчивости можно принять частоту обрывов дуги или количество обрывов
при полном расплавлении одного электрода. Устойчивость зависит как от технологических, так и электрических характеристик процесса.
Понятие принципиальной устойчивости поясним на основе анализа электрических процессов в системе «источник-дуга» в случае малого возмущения по длине дуги Д/^ = 1^2 — hi (рис. 2.12). Рассмотрим процессы при сварке неплавящимся электродом от источника постоянного тока без обратных связей с индуктивностью L в цепи. Это облегчает анализ, поскольку при сварке неплавящимся электродом отсутствуют саморегулирование по плавлению электрода и капельный перенос. Будем также пренебрегать динамическими свойствами дуги и источника, что позволяет при анализе электрических процессов воспользоваться статическими характеристиками дуги U$ = f(Io) и источника 17И = f(Ig) (рис. 2.13,а). Система «источник-дуга» равновесна в точках А и В пересечения характеристик. Действительно, в этих точках наблюдается равенство токов и напряжений дуги и источника, а следовательно, и равенство энергии, выделяемой источником и потребляемой дугой. Следует выяснить, устойчиво ли это равновесие, например, в точке В.
Рис. 2.12. Система «источник-дуга» при малом возмущении по длине дуги
При резком, но малом удлинении дуги Д/^ (рис. 2.13,а) также скачком увеличится напряжение дуги в соответствии с уравнением (2.7):
ДС7^ естД/^,
а характеристика дуги сместится вверх на AUa в положение ДС/^2 = /Ud). В этот момент состояние дуги отражается точкой Bi, а источника — по-прежнему точкой В, т. е. равновесие в системе нарушилось. Как видно, напряжение дуги UoBr для этого случая выше, чем напряжение источника иив* Увеличение напряжения дуги вызвано увеличением ее сопротивления В,?, что должно привести к снижению сварочного тока 7^.
Рис. 2.13. К оценке устойчивости при малом возмущении по длине дуги: а — > 0; б — Mg < 0
Пренебрегая динамическими свойствами дуги и источника, можно считать, что точка, соответствующая параметрам дуги, станет перемещаться из положения Si в В2, а точка, соответствующая параметрам источника, — из В в В2 (показано стрелками). В результате система в целом приходит в новое равновесное состояние в положении В2. Очевидно, что малое удлинение дуги Д/д > 0 привело лишь к малым отклонениям напряжения AU# и тока Д/д, не нарушив характера дугового разряда. Можно доказать, что укорочение дуги Al# < 0 система отработает так же успешно (рис. 2.13,6). Все это позволяет считать, что система в точке В устойчива.
Подобным образом проанализируем процессы в точке А. После возмущения по длине дуги Д/д > 0 (рис. 2.13,а) состояние дуги будет отражаться точкой Ai, а источника — по-прежнему точкой А. Поскольку и в этом случае UgAr > то ток будет снижаться, и параметры дуги будут изменяться по ее характеристике от точки А± влево, а параметры источника — по его характеристике от точки А влево. Но поскольку слева от точки А характеристики не пересекаются, то снижение тока будет проходить до нуля, т. е. до обрыва дуги. С другой стороны, малое укорочение дуги Д/д < 0 (рис. 2.13,6) привело бы систему из точки А к длительному непрерывному движению с увеличением тока вплоть до прихода в равновесие в точке В2- Следовательно, система в точке А неустойчива.
Сформулируем понятие принципиальной устойчивости энергетической системы «источник питания-дуга».
Система «источник—дуга» принципиально устойчива, если в результате отработки малых возмущений она приходит в установившееся состояние, характеризующееся равенством подаваемой и потребляемой энергии и малыми отклонениями тока и напряжения от исходного состояния.
С помощью рис. 2.13 попытаемся выяснить причину наличия устойчивости системы в точке В и отсутствия устойчивости в точке А. Очевидно, она заключается в том, что движение системы при отработке возмущения вблизи точки В всегда приводит ее в новое равновесное состояние В2, а вблизи точки А не приводит. А это в свою очередь объясняется тем, что в отличие от точки А наклон характеристики источника в точке В круче, чем у дуги. Как известно, наклон характеристик источника и дуги принято оценивать величиной дифференциальных сопротивлений ри = dU^/dld и Pd = dUg/dlg. Приведем примеры типичных численных соотношений ри и pa в точках А и В. Пусть в точке В для крутопадающей внешней характеристики источника рив = — 0,2 В/А, а для пологопадающей характеристики дуги рдв = —0,05 В/A, т. е. для точки устойчивого равновесия В р£ > ри. Напротив, для точки неустойчивого равновесия А, где, например, пересекаются пологопадающая характеристика источника с РиА = —0,1 В/А и крутопадающая характеристика дуги с р^д = — 0,3 В/А, соотношение дифференциальных сопротивлений иное, а именно р# < ри.
Нетрудно доказать, что и при других сочетаниях характеристик источника и дуги устойчивость обеспечивается только при выполнении неравенства рд > ри- Поэтому в качестве косвенного критерия принципиальной устойчивости системы принята разность дифференциальных сопротивлений дуги и источника, и условие устойчивости имеет вид
~ Рд Ри > 0, (2.26)
где ky — коэффициент (критерий) устойчивости.
Для повышения запаса устойчивости системы, т. е. для увеличения ky, следует увеличивать дифференциальное сопротивление дуги р^ и уменьшать дифференциальное сопротивление источника ри.
Система «источник—дуга» устойчива при малых возмущениях, если разность дифференциальных сопротивлений дуги и источника в точке пересечения их характеристик положительна.
Пример оценки принципиальной устойчивости приведен на рис. 2.14. Покажем, какие внешние характеристики должны иметь источники для того, чтобы обеспечить принципиальную устойчивость при питании дуг с различным наклоном характеристик. При использовании дуги на падающем участке ее характеристики в точке В, где дифференциальное сопротивление дуги отрицательно (р^ < 0), характеристика источ-
Рис. 2.14. К выбору характеристики источника в зависимости от характеристики дуги
ника 1 должна быть еще более крутопадающей (ри <С 0) для получения положительного значения коэффициента устойчивости ky.
При использовании дуги на жестком участке ее характеристики (рд ~ 0) в точке С характеристика источника может быть и крутой 2, и пологой 3, но непременно падающей (ри < 0).
Если дуга имеет возрастающую характеристику в точке D (р# > 0), то для обеспечения устойчивости источник может иметь падающую 4 (ри < 0), жесткую 5 (ри = 0) и даже пологовозрастающую 6 (ри > 0) характеристику, если Рд > ри - Наибольшим запасом устойчивости в точке В обладает, естественно, система с источником, имеющим характеристику 4, поскольку при этом ky максимальный.
Вывод уравнения принципиальной устойчивости можно выполнить и более строго. Для этого рассмотрим движение системы вблизи точки В (рис. 2.13,а) после появления возмущения Д(7д, вызванного резким удлинением дуги Alg. Как было показано выше, параметры источника будут меняться от точки В к В2, а параметры дуги от точки Bi к В2. При этом сила тока изменится от исходного значения IgB на величину текущего отклонения i (напомним, что строчными буквами обозначаются текущие значения: тока — id, напряжения — пи, ug, иь)-Тогда текущее значение тока будет ig = 1дв + i-
Для анализа движения системы по графикам статических характеристик нелинейные функции иИ = f(i, t) вблизи точки В и ид2 = f(i, t) вблизи точки Bi разложим в ряд Тейлора по степеням отклонения тока, отбрасывая все члены ряда второй и более высоких степеней. Тогда для источника вблизи точки В
иИ = ииВ+(^} i = UxB + p„i, (2.27)
\ “Id J в
fdUи А пт, т->
где I —=— = ри — дифференциальное сопротивление источника в точке В.
\ dig J в
Для дуги вблизи точки Bi наклон характеристики такой же, как вблизи точки В, следовательно,
dUd dld
Bi
=n dId)B Рд
Поэтому для дуги разложение в ряд Тейлора имеет вид
Ud2 — UdB + ( i + &Uд — Uqb + pdi + А^.
Необходимо также учесть процессы в индуктивности:
UL = Ldk = Ld(IdB + i) = Ldi
L dt dt dt
По рис. 2.12 в соответствии со вторым правилом Кирхгофа
— UQ2 + UL.
(2.28)
(2.29)
(2.30)
В уравнение (2.30) подставляем значения составляющих из (2.27)-(2.29):
^ив + Ри* = Uqb + Pdi + kUd
После преобразования с учетом равенства С7ив = UdB имеем линейное дифференциальное уравнение
L^ + (pd-pK)i = -Xud. (2.31)
Его решение i(t) получим как сумму свободной iCB(t) и установившейся густ(0 составляющих тока:
КО ^св(0 + ^уст(^)*
Свободная составляющая находится общим решением однородного уравнения (2.31) без правой части (AUd = 0):
di + i =0.
dt L
Его можно решить разделением переменных:
di=yd-pn d
i L
последующим интегрированием:
In I =-------t + С,
и, наконец, потенцированием:
Рд — Ри
iCB(O = ec-e“ L (2.32)
Установившуюся составляющую получаем как частное решение уравнения (2.31) при di/dt = 0: ~
(Ра - Ри)* = ~^Ud, откуда
= (2.33)
Ра Ри
Тогда общая величина отклонения тока из (2.32) и (2.33)
_ Ра ~ Ри А ГЛ)
*(0 = *св(0 + iycT(t) = есе L - --—.
Ра — Ри
Постоянную интегрирования С (или коэффициент ес) найдем из начальных условий. Поскольку при t = 0 отклонение тока i = 0, следовательно,
сс_ А^а ра ~ ри
И окончательно уравнение для отклонения тока имеет вид
дту / р<? - ри \
U L -1 • (2.34)
ра Ри \ /
С помощью уравнения (2.34) проанализируем характер переходного процесса на рис. 2.15. В показателе степени при е величины L и t могут быть только положительными. В зависимости от знака разности (р^ - ри) меняется характер переходного процесса.
Рис. 2.15. Переходный процесс при возмущении по длине Дуги
При ky = (рд — ри) > 0 процесс сходящийся, т. к. при t —> оо
*св(0 п п С L ра - ри
стремится к нулю, и все отклонение i(t) сводится к постоянной величине
АТ -
д Рд - Ри ’
(2.35)
т. е. ток устанавливается на постоянном уровне. Это означает, что система из неравновесного состояния, отражаемого на рис. 2.13,аточкамиВиВ1, приходит в новое равновесное состояние В2, мало отличающееся от равновесного состояния В в случае малого возмущения A(7<?.
При ky = (р<? — ри) < 0 процесс расходящийся, поскольку отрицательное отклонение тока /Св(0 со временем нарастает до полного обрыва дуги, в этом случае система неустойчива.
Таким образом, подтверждается выбор разности ky = (р<? — ри) в качестве критерия устойчивости системы «источник-дуга» (2.26).
Аналитическое решение задачи устойчивости с учетом динамических свойств источника и дуги может быть получено с помощью системы уравнений:
Ux = Raid 4“ Lw(di,()/dt) 4" Uq',
Ud ~ (.UQ/ie)id -Ь UK8lt 4- UaH*, uq = (UdB ~~ Пкат — UM/IdB) 9 T9(dil/dt) = ig - i%.
Здесь первое уравнение представляет собой баланс по второму правилу Кирхгофа (2.15) мгновенных значений напряжения для цепи источника, имеющего напряжение холостого хода Ux и сопротивление Ви, с индуктивностью Ви и дугой. Второе уравнение представляет сумму составляющих напряжения дуги также для мгновенных значений — столба, катодной и анодной областей (2.2). Третье уравнение — это аппроксимация экспериментально полученной СВАХ дуги с измеренными для точки В значениями 17Кат, Пан, т. е. приближенное
выражение СВАХ в виде степенной функции с показателем п. Для сварочной дуги п принимают от -1/3 для падающего участка СВАХ до 0 — для жесткого участка. Четвертое уравнение — это математическая модель столба дуги в динамике (2.13).
На рис. 2.16 приведены результаты такого анализа. Толстыми линиями показаны СВАХ дуги и источника, пересекающиеся в точках А и В равновесия энергетической системы «источник-дуга». Тонкими линиями изображены ДВАХ системы «источник-дуга» на стадии завершения переходного процесса, начинающиеся из различных точек координатного пространства Ug-Id» Видно, что сначала траектория движения рабочей точки приходит на линию, проходящую между СВАХ дуги и СВАХ источника — сепаратрису АВ, а затем по ней — к точке В. Качественно эти данные повторяют результат упрощенного анализа устойчивости по рис. 2.13. Видно, что и в случае более точного анализа система «источник-дуга» устойчива, поскольку переходный процесс завершается в точке устойчивого равновесия В, для которой справедливо соотношение ky = (ра - ри) > о. Точка А, для которой ky = (р^ - ри) < 0, является точкой неустойчивого равновесия, поскольку рабочая точка проходит через нее и уходит к точке В.
Рис. 2.16. К анализу устойчивости с учетом динамических свойств источника и дуги
2.2.4. Устойчивость при значительных возмущениях
Выполнение условия принципиальной устойчивости системы «источник-дуга» необходимо, но не достаточно для обеспечения устойчивого горения дуги в реальных условиях сварки. После рассмотрения устойчивости «в малом» переходим к анализу устойчивости «в большом». При дуговой сварке наиболее значительными возмущениями являются колебания длины дуги. Чем больше удается удлинить дугу без ее обрыва, тем устойчивей процесс. Способность дуги к значительному удлинению называют эластичностью. Как будет показано далее, она зависит не только от свойств дуги, но и от характеристик источника.
Разрывная длина дуги для оценки эластичности обычно определяется в следующем эксперименте. Электрод зажимается в штативе, после чего возбуждается дуга. По мере плавления или медленного подъема электрода дуга непрерывно удлиняется вплоть до обрыва. Разрывная длина дуги Z^p, т. е. длина в момент, предшествующий обрыву, и принята в качестве непосредственного критерия устойчивости дуги при значительных ее колебаниях. Для анализа устойчивости «в большом» воспользуемся статическими характеристиками дуги U$ = f(Id) и источника С7И = f(Id) (рис. 2.17,а). В начале процесса длина дуги мала (1$ 0), поэтому ха-
рактеристика дуги занимает крайнее нижнее положение. Точка В на пересечении характеристик дуги и источника отвечает параметрам дуги с минимальным напряжением Z7^min ~ Е/кат + t/ан и максимальным током
Рис. 2.17. К оценке устойчивости при значительном удлинении дуги
Id max- По мере удлинения дуги ее статическая характеристика смещается вверх, так что точка, отражающая режим ее горения, перемещается по характеристике источника из положения В в С.
Поясним физическую природу обрыва дуги при удлинении. С этой целью на том же рисунке приведем график ватт-амперной характеристики Ри = По мере удлинения дуги мощность источника Ри сначала нарастает справа до точки 2), а затем снижается слева от 2), в то время, как мощность, необходимая для поддержания удлиняющейся дуги, должна бы монотонно возрастать. Слева от точки D даже незначительное удлинение дуги, например в момент отрыва капли от электрода, приведет к дальнейшему снижению мощности Ри, нарушению термодинамического равновесия между поступлением и расходованием энергии в дуге и, как следствие, к ее обрыву. Таким образом, обрыв дуги совпадает с максимумом функции Ри =
Выполним математический анализ устойчивости при значительном удлинении дуги. Потребление энергии дугой перед обрывом характеризуется величинами /ф и (7^р, причем из (2.8)
Uдр ~ С^кат + U ан + (2.36)
Далее будет показано, что напряжение дуги в момент, предшествующий обрыву, пропорционально связано с напряжением холостого хода и может быть выражено обобщенной формулой
U др = kdpUx*
где kdp — коэффициент, зависящий от типа внешней характеристики, точнее, от ее наклона.
Тогда уравнение для оценки величины разрывной длины дуги из (2.36) имеет вид:
= ^кат “I” ^ан “I”
откуда
Z^p — (kfipUx — С/кат “ ^ан)/£ст« (2.37)
Приемы повышения эластичности проанализируем по этому уравнению. Как видно, для увеличения разрывной длины дуги с целью повышения устойчивости следует увеличивать напряжение холостого хода Ux. Колебания напряжения сети являются распространенным возмущающим воздействием, оказывающим влияние на устойчивость. У некоторых источников (трансформаторов и выпрямителей) напряжение холостого хода пропорционально напряжению сети. При падении напряжения сети снижается и напряжение холостого хода источника UX9 а следовательно, по (2.37) уменьшается разрывная длина дуги 2^р. Поэтому эффективной мерой повышения устойчивости системы является стабилизация напряжения холостого хода.
Технологические приемы воздействия на эластичность более разнообразны, но все они направлены на уменьшение катодного 17кат и анодного Z7aH падений напряжения, а также градиента потенциала ест, которые зависят от материала электрода, состава электродного покрытия и газовой среды, а также от условий сварки. С целью повышения эластичности в электродное покрытие вводят легкоионизируемые компоненты, ограничивают теплоотвод газовыми потоками.
Выше оценивалась эластичность дуги при ее сравнительно плавном и медленном удлинении. В реальном же процессе могут наблюдаться и скачкообразные изменения длины дуги, вызванные как вертикальными, так и горизонтальными движениями электрода. В этом случае необходимо также учитывать и динамические свойства источника, в частности, значение индуктивности L в его цепи.
На рис. 2.18 показаны осциллограммы тока и напряжения, полученные в эксперименте по оценке эластичности дуги с плавящимся электродом. Как видно, на монотонные кривые снижения тока и возрастания напряжения накладываются всплески, вызванные переносом капель электродного металла. Действительно, после отрыва капли от электрода длина дуги скачком увеличивается, что приводит к резкому увеличению напряжения и снижению тока. На рис. 2.18 видно, что обрыв дуги происходит именно в момент очередного переноса капли. Таким образом, капельный перенос снижает эластичность дуги. Интересно отметить, что иногда при скачкообразном увеличении длины дуги она не обрывается, даже если ее напряжение U$ оказывается выше напряжения холостого
Рис. 2.18. Переходный процесс при значительном удлинении дуги
хода источника Ux. Это происходит потому, что при кратковременном удлинении дуги ток некоторое время поддерживается за счет энергии, накопленной в индуктивности. Таким образом, увеличение индуктивности L в цепи источника повышает устойчивость системы при резком возмущении по длине дуги.
Зависимость эластичности от типа внешней характеристики источника проанализируем отдельно. Выделение энергии источником иллюстрируется ватт-амперной характеристикой Ри = /(1^)(рис. 2.17,а), а зависимость полезной мощности источника от сопротивления нагрузки описано уравнением (2.22). Анализ уравнения на экстремум при dP^/dRo = 0 показывает, что Ри имеет максимум при достижении сопротивлением дуги Rd величины полного сопротивления источника £и:
2И = y/Rl + Xl = Rd. (2.38)
Баланс напряжений для системы «источник-дуга» перед обрывом дуги из (2.19) имеет вид
йдр-их-1дргИ. (2.39)
Проанализируем зависимость Uop от напряжения холостого хода Ux для различных источников. При использовании источника с жесткой характеристикой (рис. 2.17,6, линия 1), у которого = О
идр = их.
Для источника с одним только индуктивным сопротивлением (Ии = Хи), у которого внешняя характеристика имеет выпуклую форму, как четверть эллипса (рис. 2.17,6, линия 2),сучетом векторной диаграммы на рис. 2.5,6
идр = y/uf - (1дрХИ)2.
Поскольку уравнение (2.38) в этом случае имеет вид ХИ = Rd, то
К = - ^р, откуда идр = = 0,7Ux.
Для источника с одним только активным сопротивлением, имеющим прямолинейную падающую характеристику (рис. 2.17,d, линия 3), у которого £и = ВИ1 из (2.39) получаем
U др = Ux IdpRn*
Поскольку уравнение (2.38) в этом случае имеет вид = Rd, то
Uдр ~ Ux — IdpRd Ux Uдр, откуда
^р = 0,5Пх.
Очевидно, что при учете как активного, так и индуктивного сопротивления источника
^р = (0,5-0,7)Пх.
Таким образом, влияние на эластичность типа внешней характеристики можно учесть с помощью коэффициента kdp в обобщенной зависимости Uдр = kdpUx. Эластичность зависит от наклона внешней характеристики следующим образом (рис. 2.17,0). При прочих равных условиях, например, если Ux одинаково у сравниваемых источников, по уравнению (2.37) наибольшая разрывная дуга получается у источника с абсолютно жесткой характеристикой (£и = 0, kdp = 1). Источник с выпуклой падающей характеристикой (£и = Хи, kdp = 0,7) занимает промежуточное положение. Еще ниже разрывная длина у источника с прямолинейной падающей характеристикой (£и = /?и, kdp = 0,5).
2.2.5. Устойчивость при сварке с короткими замыканиями
При сварке плавящимся электродом возмущения вызываются капельным переносом электродного металла. Особые требования предъявляются к динамическим свойствам источника, если перенос сопровождается короткими замыканиями капли на изделие.
Характеристики переноса при естественных технологических коротких замыканиях иллюстрируются на рис. 2.19. Такие замыкания характерны для механизированной сварки в защитном газе от источника с низким напряжением. На стадии дугового разряда (1) происходит плавление электрода и образование капли. По мере роста капли при непрерывной подаче электрода длина дуги сокращается, а напряжение падает. Стадия дугового разряда продолжается в течение времени to = 5-100 мс. Затем капля касается ванны расплавленного металла, при этом дуга гаснет, напряжение резко снижается, а ток возрастает — наступает стадия короткого замыкания. Ее длительность £кк = 1-10 мс. В начале стадии короткого замыкания (2) капля касается ванны на очень небольшой площади. Искривление линий тока, проходящих через жидкую перемычку между каплей и ванной, вызывает появление электродинамических сил,
Рис. 2.19. Перенос капли с коротким замыканием (а) и осциллограммы напряжения (б) и тока (в)
сжимающих перемычку и препятствующих переходу капли в ванну. Но при благоприятном ходе процесса переноса капля сливается с ванной и перетекает в нее (3). Это приводит к образованию тонкой перемычки уже между каплей и электродом. Окончательное разрушение перемычки происходит под действием сжимающих электродинамических сил, а также благодаря перегреву и взрывному испарению металла перемычки при возрастании плотности тока в ней (4). После разрыва цепи короткого замыкания дуга повторно зажигается (5), при этом напряжение источника быстро восстанавливается до значения Ug, а ток снижается до 1д. Описанные явления регулярно повторяются.
Такой процесс, несмотря на резкие изменения параметров, обеспечивает практически равномерное плавление электродного и основного металла и образование сплошного ровного шва, что позволяет говорить о технологической устойчивости процесса, не смешивая его с классическим понятием устойчивости как длительной неизменности характера электрических процессов.
Условием технологической устойчивости процесса с естественными короткими замыканиями следует считать регулярную смену стадий дугового разряда и короткого замыкания. Поэтому в качестве непосредственного критерия оценки устойчивости можно принять частоту циклических изменений тока и напряжения. Например, при механизированной сварке в углекислом газе процесс устойчив при частоте /кк = 10-150 Гц.
При этом длительность коротких замыканий tKK не должна превышав 10 мс, иначе при непрерывной подаче проволоки она чрезмерно прибли зится или даже погрузится в ванну, что затруднит последующее повтор ное зажигание дуги. Нежелательна и затяжка стадии дугового разряд* to более 100 мс, т. к. это приведет к чрезмерному росту капли, что мо жет затруднить ее перенос в ванну. Абсолютно недопустимы длительные обрывы дуги, т. е. переход к стадии холостого хода источника.
Характер переноса капли интересует нас еще и потому, что он влияет на разбрызгивание электродного металла за пределы сварочной ванны, приводящее к значительным потерям металла и повышению трудовыз затрат на зачистку сварного изделия от налипших брызг.
Приемы повышения технологической устойчивости и сниженияраз-брызгивания рассмотрим параллельно (рис. 2.19). Критическим для обеспечения непрерывности процесса является момент начала короткого замыкания (2). При слишком большом токе капля не сливается с ванной, s иногда даже отбрасывается за ее пределы. Например, сварка в углекислом газе проволокой диаметром 2 мм с короткими замыканиями не рекомендуется при токе 300-400 А именно по этой причине в связи с многократными задержками в переносе капли и чрезмерным разбрызгиванием. Еще один критический момент приходится на окончание стадии короткого замыкания (3). Для надежного прерывания короткого замыкания необходимо интенсивное разрушение перемычки между каплей и электродом, что обеспечивается при достаточно большом значении тока короткого замыкания. Так, при сварке на токах от 50 до 300 А проволокой диаметром 0,5-1,4 мм необходим ток с пиковым значением /кп = 300-500 А. Принято также оценивать надежность по скорости нарастания тока короткого замыкания diK/dt, она для тех же проволок должна быть выше 70 кА/с. При меньших значениях тока короткого замыкания и его скорости нарастания перемычка между каплей и электродом не разрушается, и стадия короткого замыкания затягивается, что приводит к погружению электрода в ванну. При этом дуга может не возобновиться, в результате непрерывность процесса нарушится. Однако и чрезмерно завышать силу тока короткого замыкания и его скорость не рекомендуется, поскольку при скорости более 180 кА/с наблюдается повышенное разбрызгивание электродного металла.
Рассмотрим способы воздействия на ток короткого замыкания. Если учесть кроме сопротивления источника 7?и еще и сопротивление вылета RB электродной проволоки, то амплитудное значение тока короткого замыкания из (2.18)
7кп ^х/С^И Rb)
а скорость его нарастания из (2.25)
TJ + Дв di^/dt = -^е l
Отсюда видно, что для увеличения пикового значения тока короткого замыкания следует увеличивать напряжение холостого хода Ux источника и снижать его внутреннее сопротивление 7?и. Для увеличения скорости нарастания тока короткого замыкания необходимо, кроме того, снижать индуктивность L. Перечисленные приемы, решая проблему надежного разрыва цепи короткого замыкания (момент 3 на рис. 2.19), обеспечивают выполнение главного условия технологической устойчивости. Но эти же приемы затрудняют слияние капли с ванной (2), играющее хоть и второстепенную, но заметную роль в обеспечении устойчивого процесса.
Очевидно, что для снижения разбрызгивания электродного металла на обоих критических участках стадии короткого замыкания следует снижать ток короткого замыкания и скорость его нарастания. В частности, полезно увеличение индуктивности. С этой целью в сварочных выпрямителях используют сглаживающий дроссель. Особенно эффективен управляемый дроссель. В начале короткого замыкания он имеет большую индуктивность и, следовательно, сильно ограничивает ток, что способствует слиянию капли с ванной. В конце короткого замыкания его индуктивность резко снижают, и ток возрастает, что обеспечивает сбрасывание капли с электрода.
Последний критический момент (4) связан с необходимостью повторного зажигания дуги после короткого замыкания. При механизированной сварке в защитном газе повторное зажигание происходит, как правило, надежно. Этому способствуют как быстрое восстановление напряжения источника, так и подпитывающее действие индуктивности в его цепи. И лишь при чрезмерно малых значениях Ux и L в кривой тока i$ наблюдается провал до /^min (показано пунктиром на рис. 2.19,в), что в сочетании с другими неблагоприятными факторами (затянувшееся короткое замыкание, большой вылет электрода) может привести к обрыву дуги.
Как видно, требования к электрическим характеристикам источника для обеспечения устойчивости и снижения разбрызгивания на различных стадиях процесса разнообразны и противоречивы. Так, увеличение индуктивности L способствует снижению разбрызгивания, надежному повторному зажиганию дуги и слиянию капли с ванной, но препятствует надежному разрыву цепи короткого замыкания. Поэтому в простейших конструкциях источников их электрические параметры назначаются на основе компромисса между отдельными требованиями. В современных
же конструкциях с обратными связями и программным управлением возможно полное удовлетворение всех требований на основе управляемого переноса металла (см. раздел 2.2.9).
2.2.6. Стабильность параметров режима сварки
Если в системе «источник-дуга» обеспечена устойчивость в широком диапазоне возмущений, имеет смысл оценивать стабильность параметров режима — тока и напряжения. Отклонения тока от заданного сказываются на глубине проплавления. При увеличении тока глубина проплавления возрастает, что может привести к прожогам, при уменьшении тока возможен непровар корня шва. Отклонения напряжения дуги вызывают пропорциональные изменения ширины шва.
Возмущения, нарушающие стабильность параметров режима, могут иметь периодический, импульсный и скачкообразный характер (рис. 2.20). Так, периодические флуктуации проводимости дуги, вызванные хаотическим движением катодного и анодного пятен по поверхности электрода и детали, приводят к высокочастотным (200-2000 Гц) колебаниям тока (кривая 7), практически не оказывающим влияние на формирование шва, но влияющим на звучание дуги. Периодические колебания напряжения источника с частотой сети 50 Гц (или кратной ей частотой 100,150,300 Гц) вызывают пропорциональные колебания тока (кривая 2) с малой амплитудой, также не отражающиеся на форме шва. Импульсные всплески тока с частотой 10-150 Гц (кривая 3) при технологических коротких замыканиях также не вызывают изменения глубины проплавления из-за высокой тепловой инерционности ванны, но, разумеется, капельный перенос оказывает влияние на чешуйчатость шва. Экспериментально установлено, что глубина проплавления изменяется только при
3
4
к 0,001с
t < 0,01с
t < 0,1с
t> 1с
Рис. 2.20. Осциллограмма тока при сварке с типичными возмущениями
периодических отклонениях тока частотой менее 1 Гц и импульсных отклонениях длительностью более 1 с. Разумеется, глубина проплавления изменяется при скачкообразном отклонении тока (кривая 4), имеющем длительный характер, если возмущение не отрабатывается системой.
Стабильность параметров режима принято оценивать величиной среднеквадратичного отклонения тока (или напряжения), вычисленного по следующему соотношению:
О/=
- W2/(« - 1),
где id — текущее значение тока в i-й момент, /^ср — среднее значение тока зап измерений.
Для сопоставления различных источников и режимов по их стабильности удобней пользоваться коэффициентом вариации параметра, т. е. относительной величиной
kvI = • 100%.
Ldcp
Например, у лучших источников для механизированной сварки в углекислом газе коэффициент вариации тока kvj не превышает 35%, а коэффициент вариации напряжения kuy — менее 30%.
Приемы стабилизации режима рассмотрим на примерах (рис. 2.21). Наибольшую опасность представляют скачкообразные изменения параметров, имеющие длительный характер, их оценивают абсолютным отклонением Ыд = 1д2 ~ Idi или относительной величиной Ыэ/1э\. Такие отклонения параметра вызываются отклонениями длины дуги или напряжения сети. Так, при возмущении по длине дуги меняется ее напряжение, а следовательно, и ток дуги (рис. 2.21,а). Из уравнений (2.2)
Рис. 2.21. К оценке стабильности режима при колебаниях длины дуги (а) и напряжения сети (б)
и (2.7) следует, что установившееся отклонение напряжения дуги АС7^ пропорционально возмущению по длине дуги AZ^:
АС7^ — ZcqAld,
и, следовательно, для стабилизации напряжения дуги достаточно ограничивать колебания ее длины. Отклонение тока зависит еще и от дифференциального сопротивления источника ри. В пренебрежении величиной ра из (2.35)
Поэтому для стабилизации силы тока рекомендуется использовать источник с падающей внешней характеристикой (с большим отрицательным дифференциальным сопротивлением ри).
Стабильность параметров режима зависит также от колебаний напряжения электрической сети. У простейших трансформаторов и выпрямителей пропорционально изменениям напряжения сети меняется и напряжение холостого хода 17х, что приводит к нарушению стабильности режима (рис. 2.21,6). Для устранения этого недостатка источники дополняются системами стабилизации с устройствами обратной связи по току или напряжению (см. раздел 2.2.8).
Кроме источников с обратными связями, полезно для повышения стабильности режима использовать так называемые параметрические источники тока или напряжения, которые благодаря наличию в своей силовой цепи специальных устройств обеспечивают постоянство либо тока, либо напряжения. Известно, например, что ток в коллекторной цепи транзистора не зависит от напряжения нагрузки, а определяется только током базы. Если установить транзистор последовательно в цепь источника, то внешняя характеристика такого источника тока становится вертикальнопадающей и обеспечивает абсолютную стабильность тока. По аналогии параметрическим источником напряжения можно считать источник с малым внутренним сопротивлением £и, у которого характеристика жесткая.
2.2.7. Регулирование (настройка) режима сварки
Общий принцип настройки режима любых источников без обратных связей может быть изложен безотносительно к их устройству и принципу действия. Энергетические параметры режима сварки — сила тока 1$ и напряжение дуги U$ — обычно настраиваются перед началом сварки с помощью регуляторов, имеющихся в составе источника, воздействием
на напряжение холостого хода источника (7Х или его внутреннее сопротивление ZH. Поскольку в статическом режиме напряжение источника равно напряжению дуги:
йа = йа = йх - idza,
то выражение для настройки силы тока имеет вид
4 =
йх-ид
(2.40)
Из него следует, что для увеличения силы тока нужно увеличить напряжение холостого хода Ux или снизить сопротивление источника ZH.
В общем случае и дуга, и источник являются нелинейными электрическими элементами, поэтому параметры режима определяют графически — по пересечению статических характеристик источника и дуги. Поскольку из технологических соображений напряжение дуги с ростом тока обычно увеличивают, то характеристику дуги заменяют возрастающим графиком условной рабочей нагрузки J7P = f(Id) (рис. 2.22). На пересечении этого графика с крайними внешними характеристиками источника получают минимально допустимый Z^mjn и максимально допустимый Z^max токи. Источник можно характеризовать диапазоном регулирования тока 1дтт~1дтах ИЛИ КраТНОСТЬЮ регулирования тока Idmax/Idmin-
Рис. 2.22. Настройка сварочного тока изменением напряжения холостого хода (а) и сопротивления (б) источника
Большинство серийных источников обеспечивает плавное регулирование, но иногда регулятор позволяет изменять Ux или ZH только дискретно. Например, число витков при витковом регулировании может быть только целым. В данном случае регулирование получается ступенчатым,
при этом разрыв между смежными значениями токов не должен превышать 7,5% от большего из этих значений. Для увеличения кратности регулирования плавное регулирование иногда дополняют ступенчатым на 2-3 ступени, при этом диапазоны плавного регулирования соседних ступеней должны перекрываться.
Режим работы источника, как иногда называют характер изменения нагрузки во времени, учитывается при конструировании и эксплуатации источника, в частности по условиям нагрева его изоляционных и токоведущих элементов. При прохождении тока по обмоткам, вентилям, проводам источника в нем выделяется теплота q = f Как видно, степень нагрева проводников и изоляции источника зависит не только от величины тока, но и характера его изменения во времени Поэтому различают продолжительный, повторно-кратковременный и перемежающийся режимы работы источников.
При продолжительном режиме нагрузка считается постоянной и длительной (рис. 2.23,а). Температуру нагрева Тн внутренних элементов источника можно определить по соотношению
тн = т0 + |^(1-е-^),
ОС^о \ /
Рис. 2.23. Нагрузка и температура источника при продолжительном (а) и повторно-кратковременном (б) режимах
где То — температура внешней среды, град; S — площадь теплоотдачи, см4; т — постоянная времени нагрева, зависящая от массы, теплоемкости и теплопроводности нагреваемых элементов, с; ат — коэффициент теплоотдачи, Вт/(см2 • град).
Очевидно, что с ростом тока увеличивается и температура нагрева источника (рис. 2.23,а). Если при токе I2 температура нагрева обмоток равна допустимой Тд0П, назначенной по соображениям обеспечения достаточной стойкости их изоляции, то источник можно эксплуатировать при токе не выше I2, который называется номинальным /Ном- При большем токе Ii источник будет перегреваться и вскоре выйдет из строя из-за повреждения изоляции. При меньшем токе /3 источник используется не на полную мощность.
При повторно-кратковременном режиме в течение цикла продолжительностью Тц = tg + tOT периоды горения дуги длительностью £#, когда источник нагревается, сменяются периодами его отключения от сети длительностью £от, в течение которых он остывает (рис. 2.23,6). Если при таком режиме температура проводников не достигает установившегося значения, то в качестве номинального тока 1Ном может быть принят ток Л, существенно превышающий номинальный ток продолжительного режима/2- Повторно-кратковременный режим характеризуют относительной продолжительностью включения
ПВ = з— 100% = 100%. (2.41)
' *от 1 ц
При перемежающемся режиме периоды горения дуги tg чередуются с периодами работы на холостом ходу tX9 когда источник также остывает. Такой режим принято характеризовать относительной продолжительностью нагрузки
ПН = • 100% = • 100% . (2.42)
Номинальное значение тока — это главный параметр источника. Он устанавливается изготовителем и является предельно допустимым по условиям термически стабилизированного состояния для принятой ПВ или ПН.
Источники, предназначенные для ручной дуговой сварки, работают в перемежающемся режиме. Их обычно рассчитывают на работу при номинальной относительной продолжительности нагрузки ПНном = 60% при полном времени цикла Тцн = 5 мин. Это означает, что источник при номинальном токе 1ном не будет перегреваться, если в течение 5-минутного цикла дуга будет гореть не более 3 мин. При любом другом режиме источник не будет перегреваться, если тепловыделение в источнике с внутренним
сопротивлением 7?и за время цикла не будет превышать тепловыделения при номинальном режиме:
I^R^itd Iном-^И^дном
Разделив обе части уравнения на Тцн, после преобразований имеем соотношение
Т^ПН /номПНном.
По этому соотношению можно вычислить допустимую силу тока при ПН, отличной от номинальной:
Id Ляом \/ПНном/ПН.
Можно также определить ПН, допустимую при токе 2^, отличающемся от номинального:
пн < пнН0М-.
2.2.8. Автоматическое регулирование параметров режима
Автоматическое регулирование — процесс, при котором обеспечивается поддержание заданного значения регулируемого параметра с помощью специального регулятора благодаря действию обратных связей. Автоматические регуляторы в составе источников обычно предназначены для стабилизации их тока или напряжения.
Стабилизированный источник с обратной связью по току показан на рис. 2.24,а. С датчика тока, например шунта RS, снимается сигнал обратной связи в виде напряжения С7ДТ, пропорционального силе тока (17дт = I^Rrs)- Этот сигнал сопоставляется в устройстве сравнения УС с сигналом задания (7ЗТ, пропорциональным необходимому току, и разность двух сигналов воздействует на напряжение холостого хода Ux или сопротивление источника £и, а поэтому и на фактическое значение силы тока Id- Например, при уменьшении сетевого напряжения естественное снижение напряжения холостого хода Ux должно привести к пропорциональному уменьшению силы тока/^. Однако при этом вступает в действие отрицательная обратная связь по току, т. е. снижается сигнал датчика 17дт и увеличивается разностный сигнал 17зт — 17дт регулятора источника, что приведет к увеличению напряжения холостого хода и тока, точнее, к их восстановлению на заданном уровне:
t/c t/x Id Чдт (JIзт t/дт) Ux Id Id Const.
Рис. 2.24. Блок-схема (а) и внешние характеристики источников со стабилизацией тока (б) и напряжения (в)
Ток стабилизируется и при других возмущениях, например колебаниях длины дуги или сопротивления источника. Таким образом, из естественных, подверженных колебаниям внешних характеристик источника, можно получить почти вертикальные стабилизированные характеристики (рис. 2.24,6). Подобным образом при введении обратной связи по напряжению можно получить жесткие характеристики (рис. 2.24,в).
Стабилизация электрических параметров режима — тока и напряжения — может осуществляться не только в источнике, но и с помощью систем автоматического регулирования дуги, реализованных в приводах подачи электрода. Их основное назначение — поддержание непрерывного горения дуги, но это как раз достигается благодаря стабилизации тока и напряжения. Наибольшее применение нашли система саморегулирования (АРДС) и система автоматического регулирования напряжения дуги (АРНД). Здесь эти системы рассмотрены только для формулирования требований к источнику, входящему в их состав.
Система саморегулирования (рис. 2.25) имеет привод с двигателем М, редуктором Р и роликом ПР для подачи электродной проволоки с постоянной скоростью (Vn = const). В установившемся режиме скорость плавления УПл проволоки самопроизвольно устанавливается на уровне скорости подачи:
Упл = Va. (2.43)
Явление саморегулирования связано с зависимостью скорости плавления от тока и напряжения:
Рцл = kcsUg, (2.44)
где Act — коэффициент саморегулирования по току, зависящий от диаметра и материала электрода, см/(с A); kCH — коэффициент саморегулирования по напряжению, см/(с • В).
Рис. 2.25. Система саморегулирования дуги (АРДС)
Рассмотрим реакцию системы АРДС при возмущении по длине дуги, например, при внезапном ее удлинении на В этом случае резко увеличится напряжение дуги U$, что при падающей характеристике источника приведет к уменьшению тока 1$. В соответствии с (2.44) уменьшится скорость плавления Упл электрода, что при постоянной скорости ее подачи Vn приведет к укорочению дуги, точнее — восстановлению ее длины 1$:
I'd Ud Id ^пл Id •
Саморегулирование повышает запас устойчивости системы «источник-дуга», а при возмущении по длине дуги делает систему астатической, т. е. гарантирует после отработки возмущения полное восстановление длины дуги, а также ее напряжения и тока.
Успешно, хотя и со статической ошибкой, отрабатываются и другие возмущения — по напряжению сети, по скорости подачи проволоки и т. д. В системе АРДС отсутствует автоматический регулятор, но и сварщик в отличие от ручной сварки не может оказать корректирующее воздействие на процесс при появлении возмущения. Следовательно, поддержание непрерывного горения дуги обеспечивается за счет специфических свойств элементов, входящих в систему — источника, сварочного аппарата, плавящегося электрода и дуги.
Саморегулирование — это способность энергетической системы «ис-точник-аппарат-дуга» без специального регулятора восстанавливать дуговой промежуток вследствие изменения скорости плавления электрода, т. е. поддерживать устойчивое горение дуги при умеренных возмущениях.
Из соотношений (2.43) и (2.44) получаем уравнение статической вольт-амперной характеристики системы АРДС
л, - £ + тгио- <2-45’
Л'СТ
Его график (рис. 2.26,а) представляет собой геометрическое место точек устойчивых режимов горения дуги при саморегулировании. Первый член уравнения зависит от скорости подачи проволоки и представляет собой как бы заданное значение тока /зт = Уп/^ст- Второй член уравнения относительно мал, поэтому характеристика АРДС близка к вертикали, и, следовательно, система саморегулирования является системой стабилизации сварочного тока.
Рис. 2.26. Статические характеристики системы АРДС при настройке напряжения (а) и тока (б)
Полезно оценить также быстродействие системы, т.е. скорость восстановления дугового промежутка dla/dt. Очевидно, что эта скорость зависит от переменной скорости плавления УПл и постоянной скорости подачи Vn:
did/dt = Рпл — Vn.
При малых возмущениях это же уравнение с учетом (2.44), и полагая kCH = 0, можно представить в отклонениях:
dl^/dt ДРцд йСтАЪ,
а если учесть зависимости (2.7) и (2.35) Д/г) от характеристик переходного процесса, то получим уравнение для анализа приемов повышения быстродействия
dld/dt=^^_, (2.46)
Ри
Для увеличения скорости восстановления дугового промежутка следует увеличивать /?Ст и снижать |ри|. Коэффициент саморегулирования по току /?ст можно увеличить, уменьшая диаметр электрода, влияние которого на быстродействие легко объяснимо. Более внимательно следует подойти ко второй рекомендации — относительно наклона внешней характеристики источника |ри|. Дело в том, что при снижении |ри| одновременно с увеличением быстродействия снижается устойчивость системы
3-6955
(2.26). Поэтому в системе АРДС используют источники с жесткими, точнее, пологопадающими внешними характеристиками, что является компромиссом между двумя противоречивыми требованиями (2.26) и (2.46).
Сила тока в системе АРДС настраивается не с помощью источника, а изменением скорости подачи проволоки (рис. 2.26,6). Действительно, при увеличении скорости подачи (РП2 > Уп1) длина дуги и ее напряжение установятся на более низком уровне, что при пологопадающей характеристике источника приведет к значительному увеличению тока (1<?2 > 1д1)‘
vn id иэ id t.
Поэтому регулятор источника используется для настройки другого параметра режима — напряжения дуги. Например, при увеличении напряжения холостого хода увеличится напряжение дуги (рис. 2.26,а), то же произойдет и при уменьшении сопротивления источника.
Система автоматического регулирования напряжения с воздействием на скорость подачи электродной проволоки показана на рис. 2.27. Здесь напряжение дуги Ug с помощью устройства сравнения УС сопоставляется с заданным напряжением С7ЗН, сформированным в задатчике напряжения ЗН. Разность Ug — 17зн через усилитель У подается на якорь двигателя исполнительного механизма ИМ, который с помощью редуктора Р и подающего ролика перемещает проволоку со скоростью подачи
Уп = Лрн(Па - Пзн), (2.47)
где fepH — коэффициент усиления регулятора, см/(с • В).
Рис. 2.27. Система автоматического регулирования напряжения дуги (АРНД)
Проанализируем принцип действия системы АРНД при возмущении по длине дуги Klg. Например, при укорочении дуги снизится ее напряжение Ug, что по соотношению (2.47) приведет к снижению скорости подачи
проволоки Vn и, следовательно, удлинению дуги, т. е. восстановлению дугового промежутка:
Id д Fn Т •
Система автоматического регулирования напряжения дуги обеспечивает устойчивое ее горение при умеренных возмущениях благодаря изменению скорости подачи электрода с целью восстановления дугового промежутка.
Поскольку в установившемся режиме Vn = Упл, то решая совместно уравнения (2.44) и (2.47), получаем уравнение статической характеристики системы АРНД
и к 4- к ™ к 4- к и ™рн ’ «'СН ™рн “ Л'СН
Поскольку fepH » /?Сн, то пренебрегая последним, упростим уравнение: ь
ид = изн + ^-1д. (2.48)
«рн
График статической вольт-амперной характеристики системы АРНД (рис. 2.28,а) имеет вид, близкий к горизонтали, т. е. это система стабилизации напряжения дуги. Ее быстродействие довольно высокое, переходные процессы обычно завершаются быстрее 1 с. Поэтому наклон внешней характеристики источника можно назначать только по соображениям обеспечения высокой стабильности тока, т. е. использовать крутопадающую характеристику. Настройка напряжения дуги в системе АРНД выполняется изменением С7ЗН с помощью задатчика ЗН (рис. 2.28,6):
иза (Цд - изи) va id ПЛ.
Рис. 2.28. Статические характеристики системы АРНД при настройке тока (а) и напряжения (6)
А настройка силы тока выполняется регулятором источника, изменяющим напряжение холостого хода [7Х или сопротивление источника 7И (рис. 2.28,а):
Ux 1д t, 7И •
2.2.9. Управление переносом электродного металла
Механизм переноса электродного металла показан на рис. 2.29,а. Капля расплавленного металла на электроде находится под действием нескольких сил. Сила тяжести FT направлена вниз, она зависит от диаметра капли dK. Сила реактивного давления Fp паров электродного металла отбрасывает каплю от ванны. Сила поверхностного натяжения Fn стремится уменьшить поверхность капли и поэтому препятствует ее отделению. Электродинамическая сила F3 вызвана искривлением линий токаи пропорциональна квадрату силы тока, ее радиальная составляющая РЭр стремится пережать шейку капли, а осевая составляющая F30 отбрасывает каплю к детали.
Рис. 2.29. Перенос электродного металла: а — силы, действующие на каплю; б — зависимость частоты переноса и размеров капли от силы тока; в — осциллограмма тока при импульсно-дуговой сварке
Проанализируем зависимость характера переноса без коротких замыканий от силы тока при сварке плавящимся электродом (рис. 2.29,6). При малом токе электродинамическая сила Fd невелика, и капля переносится под действием силы тяжести FT при достижении достаточно большого размера dK. Такой крупнокапельный перенос, как правило, имеет нерегулярный характер, отрицательно влияет на устойчивость процесса сварки, приводит к плохому формированию шва. При увеличении тока возрастает влияние электродинамической силы на перенос, что приводит к более раннему отрыву капли и, следовательно, снижению размеров капли. Перенос называется мелкокапельным, если dK < dd. При еще более значительном увеличении тока, активное пятно дуги охватывает не только торец, но и боковую поверхность электрода, которая также оплавляется. В результате конец электрода приобретает форму конуса, с вершины которого жидкий металл стекает мелкими частицами, образующими непрерывную струю. При мелкокапельном и струйном процессе перенос становится направленным вдоль оси электрода в сторону детали, разбрызгивание уменьшается, а формирование шва улучшается, особенно в вертикальном и потолочном положении. Ток, характеризующий переход к струйному переносу, назван критическим Ткр.
Разработано несколько технологических приемов для улучшения характера переноса. В тех случаях, когда нельзя увеличивать ток выше JKp, можно обеспечить спокойный перенос крупных капель, переходя к обратной полярности дуги для уменьшения силы реактивного давления паров, используя электроды с основным или рутиловым покрытием. Другая группа приемов обеспечивает снижение /кр, с тем чтобы перенос имел струйный характер. С этой целью на поверхность электрода наносят поверхностно-активные вещества или добавляют кислород в защитные газы для снижения сил поверхностного натяжения. Наконец, измельчению капель способствуют импульсные магнитные и механические воздействия, например, вибрация электрода. Ниже рассмотрены электротехнические приемы воздействия на перенос благодаря программному управлению силой сварочного тока с помощью источника.
Импульсно-дуговая сварка плавящимся электродом в аргоне выполняется при подаче мощных пиковых импульсов тока (рис. 2.29,в). В результате резкого возрастания электродинамической силы происходит сбрасывание капли с диаметром dK, существенно меньшим диаметра электрода 6Э- Ток импульса 1и для надежного сбрасывания капли вместе с базовым током 1$ должен превышать критический ток /кр. Базовый ток /б назначается в зависимости от толщины свариваемого металла и положения шва в пространстве. Частоту подачи импульсов /и = 1/Т и их
длительность £и подбирают так, чтобы каждым импульсом сбрасывать одну каплю.
Управление переносом при наличии технологических коротких замыканий каплями на ванну, которые наблюдаются при сварке покрытыми электродами и механизированной сварке в углекислом газе, наталкивается на серьезные технические трудности. В этом случае процесс плавления электрода имеет не столь регулярный характер, а капля, как правило, несоосна электроду, так что импульс тока может привести к выбрасыванию ее за пределы ванны. В разделе 2.2.5 были перечислены приемы снижения разбрызгивания при сварке в защитном газе (снижение Ux, увеличение Ьи и |ри|), причем некоторые из этих приемов ухудшают устойчивость процесса. Однако с появлением быстродействующих силовых транзисторов возникла возможность управления процессом переноса, оптимально удовлетворяющего как требованиям снижения разбрызгивания, так и обеспечения устойчивости.
Рис. 2.30. Управление переносом электродного металла при сварке с технологическими короткими замыканиями: а — кинограмма процесса, б — осциллограмма тока
Рассмотрим поэтапно один из примеров такого процесса (рис. 2.30)< На стадии дугового разряда образуется крупная капля сбоку от оси элек-^ трода, а ванна давлением дуги оттесняется из-под электрода. В конце этой стадии предусмотрено снижение тока (пауза) на время tn = 3-4 мс, при? этом реактивное давление паров на каплю снижается, а сама капля приближается к ванне. В начале короткого замыкания в течение £Ki около
1 мс ток резко снижают, что гарантирует слияние капли с ванной, затем напряжение источника восстанавливают, что приводит к нарастанию тока короткого замыкания в течение tK2 = 2-4 мс и перетеканию капли в ванну. В конце стадии короткого замыкания в течение £кз = 1 мс ток снова снижают, что обеспечивает разрыв перемычки между каплей и электродом без газодинамического удара. Вслед за этим напряжение источника восстанавливают или даже кратковременно повышают для надежного повторного зажигания дуги. Такое управление переносом при сварке в углекислом газе позволяет существенно снизить разбрызгивание при высокой устойчивости процесса.
2.2.10. Управление формированием сварного шва
При дуговой сварке для управления размерами шва — глубиной проплавления, шириной валика, высотой усиления — настраивают силу тока, напряжение дуги и скорость сварки. Дополнительно при ручном ведении процесса с этой же целью используют манипуляции электродом. Как показано в разделе 2.2.7, с помощью источника можно настроить только один из энергетических параметров режима — ток или напряжение. При увеличении тока пропорционально возрастает глубина проплавления, существенно увеличиваются доля участия электродного металла в шве и высота усиления. При увеличении напряжения растет ширина шва. От источника зависят также и некоторые качественные характеристики шва. При низких надежности зажигания и устойчивости процесса дуга горит с частыми и длительными перерывами, в результате образуется неровный шов с непроварами, перетяжками и включениями оксидов и шлака. Например, при сварке электродами с фтористо-кальциевым покрытием обрыв дуги длительностью более 0,3 с уже приводит к образованию пор в шве. При устойчивом, но нестабильном процессе дефекты формы не столь значительны, но все же заметны. Они обнаруживаются при отклонении тока и напряжения длительностью более 1 с. Приемы повышения устойчивости и стабильности режимов сварки рассмотрены ранее в разделах 2.2.3-2.2.6, поэтому в данном разделе подробно решается как раз противоположная проблема — программного изменения параметров режцма с целью управления размерами шва.
Программное управление отдельными стадиями процесса сварки (рис. 2.31) предполагает задание длительности нарастания тока £Нар в начале и длительности спада £спад в конце сварки. Плавное нарастание тока в начале бывает полезно при механизированной сварке тонкого металла, чтобы предотвратить начальный прожог при медленном разгоне
сварочного аппарата. Но иногда, наоборот, выполняют горячий пуск на повышенном токе для интенсификации плавления электродного и основного металла, чтобы получить полноценный шов с самого начала сварки. Плавное снижение тока в конце сварки используется особенно широко с целью постепенного заполнения кратера шва при механизированной сварке. Иногда в источнике заранее настраивают два (1^1, 1д2) или более различных режимов, с тем чтобы в процессе сварки быстро перейти от одного из них к другому. Такая необходимость возникает при изготовлении изделий из заготовок разных толщин и сварке в различных пространственных положениях. Иногда циклограмму, т. е. график программного управления, наносят непосредственно на пульте источника, как это и показано на рис. 2.31, располагая регуляторы тока и времени вблизи от соответствующих участков циклограммы, что существенно облегчает настройку.
Сварка пульсирующей дугой рекомендуется для соединения деталей малой толщины при использовании покрытых и неплавящихся электродов. В отличие от импульсно-дутовой сварки с управляемым переносом, здесь импульсы имеют вид, позволяющий управлять формированием шва, например, на весу (рис. 2.32,6). За время импульса на изделии образуется круглая ванночка небольших размеров, металл которой в течение паузы успевает закристаллизоваться. Параметры импульса подбираются так, чтобы обеспечить полное проплавление без прожога изделия, а параметры паузы так, чтобы гарантировать перекрытие ванночек для получения сплошного шва (рис. 2.32,а).
Кроме сварки тонкого металла, пульсирующая дуга используется также при выполнении вертикальных и потолочных швов, где четкое дозирование энергии предотвращает стекание сварочной ванны.
Рис. 2.32. Формирование шва (а) и ток (б) при сварке пульсирующей дугой
2.2.11. Системы управления сварочными источниками
Системы управления изменялись по мере совершенствования их элементной базы, а также в связи с появлением управляемых силовых элементов (тиристоров, транзисторов) и прошли в своем развитии несколько этапов (рис. 2.33).
Простейшие источники — трансформаторы типа ТДМ (рис. 2.33,а) имеют только ручное регулирование — плавное и ступенчатое. Преобразователи типа ПД (рис. 2.33,6) принято комплектовать реостатом для регулирования тока, пакетным выключателем для пуска двигателя и амперметром. Уже первые выпрямители на диодах снабжались более совершенными пусковыми устройствами — автоматическим выключателем и магнитным пускателем, которые выполняли еще и функции защиты от перегрузок. В состав выпрямителя также входит вентилятор с цепями пуска и контроля и измерительные приборы. Но настройка режима в них выполняется ручными регуляторами, как и у трансформаторов.
Ко второму поколению следует отнести тиристорные выпрямители типа ВДУ и установки типа УДГ с электрическим управлением. Сначала их блоки управления выполнялись методом индивидуального монтажа из дискретных элементов — резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов, а впоследствии были заменены печатными платами (рис. 2.33,в) и интегральными микросхемами ИМС (рис. 2.33,г). Эти блоки выполняют функции настройки режима, формирования внешних характеристик за счет обратных связей, защиты от перегрузок. Такие источники часто снабжаются пультами дистанционного управления (рис. 2.33,в). Они могут иметь программное управление (рис. 2.33,г) последовательностью и
Рис. 2.33. Эволюция систем управления сварочными источниками
продолжительностью отдельных этапов цикла сварки (газ до сварки, cnaj тока при заварке кратера, газ после сварки и т. д.).
Возникающее третье поколение источников будет иметь компьютер ное управление. Например, установка для автоматической сварки в за щитном газе типа АДГ (рис. 2.33,5) может иметь жидкокристаллически! дисплей, отражающий параметры сварки как в режиме настройки па раметров (Set), так и при выборе их рациональных сочетаний из менк (Sei), и при измерении их в процессе сварки (Меа). Как видно, при на стройке на экране могут высвечиваться исходные условия, выбранные при перелистывании меню (Menu). Подобранные сочетания параметро!
могут храниться в памяти (Мет) и многократно воспроизводиться (Rem), например, при работе неквалифицированного сварщика.
Рассмотрим архитектуру микропроцессорной системы, т. е. ее устройство, как оно воспринимается пользователем (рис. 2.34). Основой системы служит микропроцессор МП, в его состав, кроме арифметико-логического устройства АЛУ, входят постоянное ПЗУ и оперативное ОЗУ запоминающие устройства. Микропроцессор оперирует информацией в цифровой (дискретной) форме в двоичной системе исчисления (единица-нуль). В то же время регулятор источника может воспринимать команды только в виде непрерывного сигнала переменной величины (аналоговая форма). Поэтому система нуждается в цифро-аналоговом преобразователе ЦАП для передачи информации от МП к источнику и в аналого-цифровом преобразователе АЦП — для передачи сигналов обратной связи от источника к МП.
Рис. 2.34. Микропроцессорная система управления источником
Если МП встраивается в корпус источника, целесообразно использовать недорогие МП-контроллеры с малым объемом памяти. Однако рационально снабжать МП-управлением не отдельный источник, а комплектную установку для сварки, включающую в себя источник ИП, механизм подачи проволоки ПМ и газовый клапан ГК. Следующим логичным шагом является объединение в одну систему еще и управление роботом, дополнив установку манипулятором сварочной головки, а также манипу
лятором изделия. В последнем случае рационально использовать специализированные управляющие МП-системы с высоким быстродействием и большим объемом памяти. Иногда такие системы снабжают еще видеотерминалом ВТ для визуального контроля информации и алфавитно-цифровым печатающим устройством АЦПУ для документирования процесса сварки.
2.3. Основные требования к источникам общепромышленного назначения
2.3.1. Источники для ручной сварки покрытыми электродами
Охарактеризуем условия сварки, оказывающие влияние на выбор источника. Ручная сварка производится покрытыми электродами диаметром от 2 до 6 мм на токах от 50 до 350 А при напряжении от 20 до 40 В. Зажигание дуги выполняется разрывом цепи короткого замыкания — «клевком» или «чирканьем», сварку сопровождают значительные колебания длины дуги. Статическая характеристика дуги при ручной сварке имеет падающий и жесткий участки (рис .2.2). На падающем участке дифференциальное сопротивление дуги достигает = —0,1В/А, на основном (жестком) р<э « 0. Характеристика условной рабочей нагрузки, согласно ГОСТ Р МЭК 60974-1-2004, соответствует уравнению 17р = 20 + 0,041^. и обеспечивает рациональное с точки зрения качественного формирования шва соотношение между током и напряжением.
Для простейшего источника минимальный набор требований сводится к выбору наклона внешней характеристики, напряжения холостого хода, тока короткого замыкания и диапазона регулирования сварочного тока. Внешняя характеристика источника для ручной сварки должна быть падающей. В простейших источниках формирование такой характеристики выполняется подбором всего двух параметров — напряжения холостого хода Ux и внутреннего сопротивления источника (рис. 2.35,а). Напряжение Ux назначается в диапазоне от 40 до 113 В, снизу этот диапазон ограничен требованиями обеспечения надежного зажигания и эластичности дуги, а сверху — соображениями безопасности. Сопротивление 2И устанавливают в интервале от 0,05 до 3 Ом в зависимости от необходимого тока. Получаемый при такой выпуклой характеристике наклон ри от —0,1 до —5 В/А заведомо обеспечивает устойчивость энергетической системы «источник-дуга», поскольку коэффициент устойчивости йу = Рд — ри > 0- Требование к величине тока короткого замыкания,
например по отношению к установленному значению сварочного тока 1к/1ду = 1,2-2, при такой внешней характеристике, как правило, удовлетворяется автоматически. Снизу это значение ограничено условиями качественного переноса электродного металла, сверху — опасностью осыпания электродного покрытия из-за перегрева стержня. Кратность регулирования сварочного тока /этах/Ъшт должна быть не ниже 2, но в источниках общепромышленного назначения может достигать 10.
Рис. 2.35. Характеристики источника для ручной дуговой сварки
У современного источника внешняя характеристика может состоять из четырех участков (рис. 2.35,6). Такая комбинированная характеристика на каждом из своих участков выполняет специфические требования к отдельным показателям или стадиям сварочного процесса. Участок 1 обычно формируется специальной цепью высоковольтной подпитки с напряжением холостого хода 80-100 В и током короткого замыкания 10-50 А, он предназначен для заполнения пауз в токе основной силовой цепи источника и этим повышает устойчивость процесса сварки. Пологопадающий участок 2 формируется основной силовой цепью и имеет напряжение холостого хода от 40 до 60 В и наклон ри от 0 до —0,05 В/A. Его параметры принимаются на основе компромисса между требованиями экономичности и удовлетворения сварочных свойств. Чем меньше напряжение, тем легче и дешевле силовой трансформатор и источник в целом. Чем больше напряжение, тем выше надежность зажигания и эластичность дуги. Основной крутопадающий участок 3 обеспечивает поддержание устойчивого дугового разряда при настроенном значении сварочного тока, поскольку в точке В его пересечения с характеристикой нагрузки удовлетворяется условие fey = ра — ри > 0. Дифференциальное сопротивление источника на этом участке ри должен быть ниже —0,07 В/A. Значения от -0,07 до —1 В/A рекомендуются при сварке вертикального шва, посколь
ку при таком наклоне удлинение дуги сварщиком приводит к значительному снижению тока и устранению стекания жидкого металла ванны. Значения от -1 до -оо (практически достаточно —5 В/А) используются при сварке в нижнем положении, поскольку гарантируют высокую стабильность тока, и, следовательно, постоянство глубины проплавления. Настройка сварочного тока осуществляется смещением этого участка 3 влево-вправо. На его пересечении с характеристикой условной рабочей нагрузки получаем точку В, соответствующую настроенному сварочному току 7ду. Крайние точки пересечений указывают пределы регулирования тока /dmin“Jdmax- Пологопадающий участок форсирования 4 предназначен для независимой от сварочного тока настройки тока короткого замыкания в интервале от 1^у до 2/^у. Его основное назначение — управление переносом капель электродного металла. Кроме того, с его помощью можно настраивать ток короткого замыкания при зажигании.
Современные источники обладают также специальными функциями, расширяющими возможности совершенствования сварочных свойств (рис. 2.36). Функция «ограничение напряжения холостого хода» повышает безопасность труда и является обязательной при эксплуатации источника в особо тяжелых условиях — на открытом воздухе при вероятном воздействии атмосферной влаги, при работе внутри металлических сосудов и т. д. Перед сваркой напряжение холостого хода Uox поддерживается на безопасном уровне не выше 12 В, но с момента касания электродом изделия ЭДС источника быстро восстанавливается до необходимого для устойчивого горения дуги, а по окончании сварки быстрее 1 с снижается до исходного уровня. Функция «горячий пуск» (hot start) обеспе-
Рис. 2.36. Осциллограмма источника для ручной дуговой сварки
2.3. Основные требования к источникам общепромышленного назначения 79 чивает кратковременное (на 0,5-3 с) начальное увеличение тока до значения /гп = (1,5-2)/^у с целью облегчения зажигания, а также улучшения качества начального участка шва. Функция « защита от прилипания » (antistick) предусматривает ограничение длительности короткого замыкания и снижение тока до более низкого уровня /Ок, если начальное зажигание дуги затягивается более 0,5-1 с. Сам факт прилипания при этом не всегда устраняется, но прочность прилипания существенно снижается. Функция «форсирование дуги» (arc force) предназначена для управления переносом электродного металла. Как уже отмечалось, она может быть реализована выбором параметров участка 4 внешней характеристики, но в современных источниках необходимый ток форсирования 1$ при коротком замыкании каждой каплей может быть сформирован системой управления. Больший ток 7Ф1 назначается для электродов с крупнокапельным характером переноса, а меньший ток 1Ф2 — для электродов с мелкокапельным переносом. Разумеется, параметры функций «горячий пуск» и «форсирование дуги» следует согласовать друг с другом.
2.3.2. Источники для механизированной сварки плавящимся электродом в защитном газе
Сварка в углекислом газе, аргоне и их смесях с кислородом и другими газами ведется на постоянном токе с использованием проволоки диаметром от 0,5 до 2,4 мм (в аргоне — до 5 мм) на токе от 50 до 600 А при напряжении от 15 до 44 В. Благодаря высокой плотности тока (J9 > ЮО А/мм2) статическая характеристика дуги возрастающая — ри от +0,01 до +0,1 В/А. Характеристика условной рабочей нагрузки соответствует уравнению С7Р = 14 + 0,05/^.
Зажигание дуги коротким замыканием происходит при непрерывной подаче проволоки без отвода от детали и поэтому затруднено (рис. 2.37). С начала короткого замыкания (позиция 1) вылет проволоки увеличивается, а сама она деформируется (2). Наиболее интенсивно проволока нагревается вблизи токоподвода, здесь она и перегорает (3). Но при большой длине перегоревшего участка дуга, как правило, обрывается (4). Далее процесс повторяется (5), но новое перегорание происходит на ранее уже подогретом вылете, поэтому дуга зажигается при более короткой длине (6). Обычно дуга надежно возбуждается после 2-3 перегораний проволоки, но в неблагоприятных случаях этот процесс затягивается до 1 с и более. Установление процесса сварки облегчается при малой скорости подачи проволоки, при горячем пуске, при использовании осциллятора.
Устойчивое горение дуги достигается благодаря использованию саморегулирования, поскольку при сварке в защитных газах в подавляющем
Рис. 2.37. Установление процесса при сварке в защитном газе
большинстве случаев применяются аппараты с постоянной скоростью подачи проволоки. Для сварки в углекислом газе характерно значительное разбрызгивание электродного металла. Выделяют следующие разновидности процесса, оказывающие влияние на выбор источника: сварка в углекислом газе короткой дугой с частыми технологическими короткими замыканиями, сварка в углекислом газе и аргоне длинной дугой с крупнокапельным переносом, сварка в аргоне со струйным переносом, импульсно-дуговая сварка в аргоне.
При сварке в углекислом газе ддя простейшего источника минимальный набор требований сводится к выбору наклона внешней характеристики, напряжения холостого хода, индуктивности и диапазона регулирования сварочного напряжения. Внешняя характеристика такого источника состоит из двух участков — подпитки 1 и жесткого основного 2, а иногда всего только из участка 2 (рис. 2.38,а). Наклон участка 2 настраивается так, чтобы, с одной стороны, обеспечить устойчивость систе-
Рис. 2.38. Характеристики источника для механизированной сварки в защитном газе
2.3. Основные требования к источникам общепромышленного назначения 81 мы «источник-дуга», что требует крутого наклона, а с другой стороны, достичь высокого быстродействия системы АРДС, что вынуждает к использованию пологого наклона. Поэтому обычно наклон назначается на основе компромисса между двумя этими требованиями. Так, при сварке в углекислом газе проволоками диаметром 0,8-1,4 мм наклон должен быть от +0,04 до —0,07 В/A. Все характеристики с такими наклонами по рубрикации ГОСТ Р МЭК 60974-1-2004 относятся к жестким. У простейшего источника без подпитки при таком наклоне напряжение холостого хода незначительно отличается от настроенного сварочного, поэтому установление процесса затруднено и происходит только после многочисленных обрывов и коротких замыканий. Ток короткого замыкания при таком наклоне очень велик и превышает сварочный в 2-5 раз, что способствует энергичному перегоранию вылета электродной проволоки и, следовательно, быстрому установлению процесса сварки. И поскольку ток короткого замыкания ограничен сопротивлением вылета, а его длительность не превышает 1 с, то источник вполне выдерживает такую перегрузку. Заметно улучшается установление процесса и при введении подпитки с напряжением холостого хода 80-100 В для участка /. Управление переносом электродного металла с целью уменьшения его разбрызгивания в таких упрощенных конструкциях обычно ограничивается выбором индуктивности сглаживающего дросселя. В лучшем случае это управляемый дроссель с индуктивностью от 0,1 до 1 мГн, которая увеличивается с возрастанием тока и диаметра электрода, но иногда ограничиваются грубым регулированием на 2-3 ступени и даже постоянной величиной, например 0,4 мГн. Сварочное напряжение настраивается в интервале 15-44 В смещением участка 2. Как известно, наилучшее соотношение между током 1ду и напряжением С7^у, принятое по соображениям качественного формирования шва и приемлемого разбрызгивания, задает характеристика условной рабочей нагрузки Up = 14 + 0,05/^. Напомним, что сварочный ток настраивается не в источнике, а в механизме подачи проволоки изменением скорости Vn. От этой скорости и зависит положение статической характеристики АРДС, на пересечении которой с участком 2 получаем точку В, характеризующую сварочный режим.
У современного источника для механизированной сварки плавящимся электродом внешняя характеристика имеет четыре участка (рис. 2.38,6), но при большом сходстве с рис. 2.35,6 параметры и назначение участков, кроме 1, не совпадают с приведенными в разделе 2.3.1. Участок подпитки 2, как и при ручной сварке, имеет напряжение холостого хода 80-100 В и ток короткого замыкания 10-50 А и предназначен для заполнения пауз в кривой сварочного тока. Жесткий основной участок 2 обычно формируется системой автоматической стабилизации, со-
82 " Раздел 2. Свойства и характеристики источников питания держащей в своем составе полупроводниковый регулятор напряжения. С помощью этого регулятора участок 2 смещается по вертикали, а напряжение настраивается в интервале 15-44 В. Участок отсечки 3 ограни- : чивает предельное значение сварочного тока, благодаря чему защищает источник от перегрева. Если предусмотреть настройку тока отсечки, например величиной 1,5/ду, то данное ограничение может служить и для предотвращения прожога тонкой детали. Участок форсирования 4 необходим для независимой настройки тока короткого замыкания. Это может оказаться полезным для управления переносом электродного металла с короткими замыканиями каплями или для управления начальным зажиганием.
Специальные функции улучшают динамические свойства источника при установлении процесса сварки и переносе электродного металла. Управление установлением процесса заключается в кратковременном начальном изменении напряжения холостого хода, индуктивности сварочной цепи и скорости подачи проволоки. Начальное значение напряжения холостого хода для основного участка 2 должно в 1,5-2 раза превышать сварочное, чтобы в течение 10-20 мс обеспечить горячий пуск для ускоренного разогрева контакта «электрод-деталь». Индуктивность от настроенного для сварки значения 0,1-1 мГн в начале процесса уменьшается ниже 0,05 мГн с тем, чтобы не препятствовать быстрому нарастанию тока. Скорость подачи проволоки должна плавно увеличиваться от 0 до 1-20 м/мин в течение до 3 с, чтобы не допустить утыкания электрода в деталь. В таких благоприятных условиях сварочный процесс устанавливается следующим образом. При медленном сближении электрода с деталью до расстояния около 10“4 мм происходит электрический пробой, а в случае соприкосновения — быстрое перегорание микровыступов на поверхности электрода и детали. Несмотря на продолжающуюся подачу проволоки межэлектродное пространство из-за выплеска металла несколько увеличивается, и в нем развивается дуговой разряд. Благодаря высокому напряжению и низкой индуктивности ток нарастает быстрее 100 кА/с. В результате скорость плавления проволоки выравнивается со скоростью ее подачи и по мере роста последней также увеличивается, что приводит к успешному установлению дугового процесса. Заканчивать сварку рекомендуется мощным импульсом тока, сбрасывающим последнюю каплю. В этом случае новое зажигание будет происходить на тонком электроде, и поэтому более надежно.
Управление переносом электродного металла может быть параметрическим (как у простейшего источника) или программным. В первом случае благоприятные характеристики переноса (частота, длительность интервалов дугового разряда и короткого замыкания, разбрызгивание) по-
2.3. Основные требования к источникам общепромышленного назначения 83 лучаются подбором тока, напряжения и индуктивности. При сварке в углекислом газе с технологическими короткими замыканиями более рационально гибкое программное управление, запускаемое только с момента касания каплей ванны и обеспечивающее сложный алгоритм изменения тока (см., например, рис. 2.30).
При аргоно-дуговой сварке плавящимся электродом дуга значительноустойчивей, крупнокапельный перенос при низких токах идет гораздо спокойней, а более благоприятный струйный перенос достигается простыми технологическими приемами (увеличением плотности тока, нанесением активирующих покрытий на проволоку). Поэтому при сварке тонкой проволокой аппаратом системы АРДС используют источники с жесткой и даже пологопадающей характеристикой (ри от —0,04 до —0,2 В/А) со сравнительно низкой скоростью нарастания тока короткого замыкания 10-30 кА/с. При сварке проволокой большого диаметра (более 3-4 мм) рекомендуется использовать аппарат системы АРНД в сочетании с источником, имеющим крутопадающую характеристику.
Требования к источникам для импульсно-дуговой сварки в аргоне будут изложены в разделе 6.3.
2.3.3. Источники для механизированной сварки под флюсом
Сварка под флюсом выполняется проволокой диаметром от 1 до 6 мм на токе от 150 до 2000 А при напряжении от 22 до 44 В. Зажигание дуги осуществляется разрывом цепи короткого замыкания при отдергивании или перегорании электрода. Расплавленный шлак шунтирует дугу, что несколько ухудшает зажигание дуги и снижает ее устойчивость. Статическая характеристика дуги жесткая или возрастающая (р<э от 0 до +0,05 В/A). График условной рабочей нагрузки (рис. 2.39) по требованию стандарта соответствует соотношению Up = 20 + 0,047а, а при токе более 600 А — 44 В. Для поддержания непрерывного горения дуги при сварке электродом до 4-5 мм используют эффект саморегулирования, при большем диаметре применяется автоматическое регулирование напряжения дуги. Требования к источнику существенно различаются в зависимости от способа поддержания дуги.
При сварке аппаратом с постоянной скоростью подачи проволоки, работающим по принципу саморегулирования, источник должен иметь жесткую или пологопадающую характеристику с ри от —0,01 до —0,1В/А (рис. 2.39,а). При этом обеспечивается достаточная устойчивость системы «источник-дуга» и высокое быстродействие процесса саморегулирования. Из-за шунтирующего действия расплавленного шлака напряжение
б
Рис. 2.39. Характеристики источника для механизированной сварки под флюсом
холостого хода приходится увеличивать до {7Х = 80-141 В, а поскольку это ухудшает безопасность труда, снабжать источник устройством для его выключения сразу после прекращения сварки. При жесткой или пологопадающей характеристике ток короткого замыкания сравнительно большой — IK = (l,5-3)Jd, это повышает надежность зажигания. Сварочный ток настраивается с помощью регулятора скорости подачи проволоки, а регулятор источника используется для настройки напряжения дуги. На рис. 2.39,а показано, как это делается за счет изменения напряжения холостого хода, но часто для этих целей меняют и сопротивление источника, т. е. наклон его характеристики.
При сварке аппаратом с автоматическим регулированием напряжения дуги источник должен иметь падающую характеристику с ри от —0,07 до -0,3 В/A (рис. 2.39,6). При этом обеспечивается устойчивость системы «источник-дуга» и высокая стабильность тока, тогда как автоматический регулятор обеспечивает высокое быстродействие и стабилизацию напряжения дуги. Напряжение холостого хода источника должно быть высоким — Ux = 80-141 В, а сила тока короткого замыкания сравнительно небольшой — IK = (1,5-2)1,?, поскольку зажигание выполняется с отводом электрода от изделия. Напряжение дуги задается автоматическим регулятором (Ug « (7ЗН), поэтому регулятор источника используется для настройки тока. На рис. 2.39,6 показано, как сила тока меняется при изменении сопротивления источника, но иногда с этой целью меняют и напряжение холостого хода.
2.4. Классификация и технические характеристики источников
2.4.1. Единая система обозначения и классификация источников
Единая система обозначения изделий электротехнической промышленности, распространяемая и на источники, содержит в себе и элементы классификации. Приведем пример расшифровки обозначения, например, трансформатора марки ТДФЖ-1002 УЗ:
Т — тип источника (трансформатор);
Д — вид сварки (дуговая);
Ф — способ сварки (под флюсом);
Ж — тип внешней характеристики (жесткая);
10 — номинальный ток в сотнях А (на 1000 А);
02 — регистрационный номер разработки;
У — климатическое исполнение (для стран с умеренным климатом);
3 — категория размещения (для работы в помещениях).
Таким образом, источники классифицируются:
1) по типу (первая буква в обозначении): трансформатор (Т), генератор (Г), преобразователь (П), агрегат (А), выпрямитель (В), специализированный источник — установка (У);
2) по виду сварки (вторая буква): для дуговой (Д), для плазменной (П) сварки;
3) по способу сварки: в защитном газе (Г), под флюсом (Ф), универсальный (У), покрытым электродом (без обозначения);
4) по виду внешней характеристики: жесткая (Ж), падающая (П);
5) по количеству обслуживаемых постов: многопостовой (М), однопостовой (без обозначения);
6) по величине номинального тока (одна или две первые цифры означают округленную величину тока в десятках или сотнях ампер);
7) по климатическому исполнению (последняя буква): для стран с холодным (ХЛ), умеренным (У) или тропическим (Т) климатом;
8) по категории размещения (последняя цифра): для работы на открытом воздухе (1), под навесом (2), в помещении (3), в отапливаемом помещении (4).
Источники могут также классифицироваться по принципу действия и конструктивному оформлению. Поскольку эти принципы зависят от типа источника, такая классификация будет выполнена отдельно для каждого типа в соответствующих разделах.
2.4.2. Технические характеристики источников
Техническая характеристика конкретного источника приводится в документации, прилагаемой к нему. Часть параметров регламентирована стандартом на соответствующий тип источника, остальные получаются при испытании его сварочных и технико-экономических свойств. Перечислим наиболее важные параметры источников.
Номинальный ток 1ном — главный параметр, на который рассчитывается источник, выбирают из рекомендованного ряда номинальных токов по ГОСТ 10594-80: 50, 80, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 2500, 3150, 4000 и 5000 А. Перечисленные значения даются как среднеарифметические для постоянного тока и как действующие (среднеквадратичные) — для переменного тока.
Номинальное напряжение (7Н0М, например, при ручной дуговой сварке вычисляется по соотношению С7Н0М = 20 + 0,04/Ном*
Пределы регулирования тока включают минимально допустимое ^dmin и максимально допустимое Гдтах значения тока, получаемые при крайних положениях регулировочных устройств и условной рабочей нагрузке. Например, трансформатор марки ТДМ-317 с номинальным током 315 А имеет пределы регулирования тока от 60 до 370 А.
Пределы регулирования напряжения указываются у источников, предназначенных для механизированной сварки в защитном газе. Например, выпрямитель марки ВДГ-303-3 с номинальным напряжением 40 В имеет пределы регулирования рабочего напряжения от 16 до 40 В.
Номинальное напряжение холостого хода Ux, например, для работы в среде без повышенной опасности поражения электрическим током, при ручной дуговой сварке на переменном токе не должно превышать 80 В, на постоянном токе — 113 В, при механизированной сварке под флюсом — 141В.
Номинальное напряжение питания источника U\ соответствует напряжению сети и принимается 220 или 380 В.
Относительная продолжительность нагрузки ПН (%) указывается для источников ручной сварки, работающих в перемежающемся режиме, его номинальное значение обычно равно 60% при времени цикла 5 мин, но для переносных источников монтажного и бытового назначения может быть 20 и 25% .
Относительная продолжительность включения ПВ (%) указывается у источников для механизированной сварки, работающих в повторнократковременном режиме, и обычно составляет 60% при времени цикла 10 мин.
Коэффициент полезного действия т| приводится обычно для номинального режима.
Коэффициент мощности cos <р обязательно указывается для трансформаторов (с первичной стороны).
Масса приводится в кг.
Габаритные размеры обычно указываются в порядке: длина х ширина х высота в мм.
Некоторые из технических характеристик указывают на табличке источника. Она крепится на видном месте на корпусе для информирования пользователя при выборе и подключении источника. Пример на рис. 2.40 используем для пояснения содержания отдельных записей:
2^.
ЗАО^УРАЛГЕРМПСВАР ГЕЛ. Й43] 376 ДНО Ж55 212В4-5В212Н4-5Я
Выпрямитель ВД-306 А УЗ
-17
№712 24.06.2005
3—-}-•
4
16
140КГ
50А/22В - 350АП4В -
ПН, % 50 60 100
Л1Г JJo= 54-64В 350 315 250
u2,B 34 32,6 30
3^ 50 Гц
14
llmax=38A lleff=25A
{Jl=380B
IP 22
Рис. 2.40. Табличка источника
9 10 11
1
6
7
1 — изготовитель, его адрес, торговая марка, сведения о сертификации изделия;
2 — название изделия и его марка;
3 — символ типа источника — трехфазный диодный выпрямитель (трансформатор, генератор, агрегат, установка);
4 — род сварочного тока — постоянный (переменный, импульсный);
5 — способ сварки — ручная дуговая покрытым электродом (механизированная в защитном газе, под флюсом, аргоно-дуговая неплавящимся электродом);
6 — напряжение холостого хода;
7 — символ источника, пригодного для работы в среде с повышенной электрической опасностью;
8 — символ подвода энергии — трехфазная сеть (однофазная сеть, двигатель внутреннего сгорания, ременная передача);
9 — степень защиты источника;
10 — напряжение питающей сети;
11 — класс защиты сварщика;
12 — максимальный ток питающей сети;
13 — действующий ток питающей сети;
14 — допустимая загрузка источника при разных ПН;
15 — минимальный и максимальный режимы сварки;
16 — масса источника;
17 — заводской номер и дата изготовления.
Другие формы табличек используются: для универсальных источников — с отдельными записями для каждого способа сварки, для вращающихся машин — с указанием частоты вращения и мощности приводного двигателя. Если в составе источника имеются вспомогательные устройства (дополнительный генератор для питания электроинструмента и освещения, устройство снижения напряжения холостого хода и др.), то табличку дополняют сведениями о нем.
Раздел 3
Сварочные трансформаторы
3.1. Общие сведения о сварочных трансформаторах
3.1.1. Назначение, классификация, достоинства и недостатки
Сварочный трансформатор преобразует сетевое напряжение 220 или 380 В частотой 50 или 60 Гц в пониженное (меньше 141 В), необходимое для сварки. Вращающиеся машины — генераторы переменного тока, в том числе и повышенной до 500 Гц частоты, почти никакими преимуществами в сравнении с трансформаторами при сварке не обладают, зато существенно сложней и дороже последних. Поэтому в настоящее время, кроме как в составе машин постоянного тока, они не используются.
В массовом порядке выпускаются только однопостовые трансформаторы, предназначенные для ручной дуговой сварки покрытыми электродами и для механизированной сварки под флюсом. Требования к их конструкции и техническим характеристикам изложены в ГОСТ 95-77 «Трансформаторы однофазные однопостовые для ручной дуговой сварки » и ГОСТ 7012-77 «Трансформаторы однофазные однопостовые для автоматической дуговой сварки под флюсом». Регламентируемые стандартами технические характеристики трансформаторов приведены в табл. 3.1 и3.2.
Трансформаторы должны обеспечивать легкое зажигание и устойчивое горение дуги при использовании электродов с высокими стабилизирующими свойствами, предназначенных специально для сварки на переменном токе. Если использовать другие электроды, например, с фтористо-кальциевым покрытием, то сварочные свойства трансформатора становятся неудовлетворительными, особенно при токе ниже 100 А. Вообще низкая устойчивость горения дуги переменного тока является типичным недостатком сварочных трансформаторов. Другой важный недостаток
Таблица 3.1
Основные параметры однопостовых трансформаторов для ручной дуговой сварки (ГОСТ 95-77)
Номинальный сварочный ток, А Номинальное рабочее напряжение, В Минимальный сварочный ток, А Минимальное рабочее напряжение, В Номинальная продолжительность нагрузки ПН, %
Переносные трансформаторы
125 25 30 20 не менее 20
160 26,4 60 22,4 >»
200 28 70 22,8 >>
250 30 100 24
Передвижные трансформаторы
250 30 50 22 50
315 32,6 60 22,4 60
400 36 80 23,2 60
500 40 100 24 60
Таблица 3.2
Основные параметры однофазных однопостовых трансформаторов для автоматической дуговой сварки под флюсом (ГОСТ 7012-77)
Номинальный сварочный ток, А Номинальное рабочее напряжение, В Пределы регулирования сварочного тока, А Пределы регулирования рабочего напряжения, В Номинальная продолжительность включения ПВ, %
нижний верхний нижний верхний
630 48 200 750 26 48 100
1000 56 300 1200 30 56 100
1600 68 400 1800 32 68 100
2000 76 600 2200 32 76 100
простейших трансформаторов — низкая стабильность режима, обусловленная зависимостью от колебаний напряжения сети.
Главным достоинством трансформаторов является низкая стоимость их изготовления, они в 2-4 раза дешевле выпрямителей и в 6-10 раз дешевле агрегатов одинаковой мощности. Они дешевле и в эксплуатации, имеют сравнительно высокий коэффициент полезного действия (около 0,7-0,9) и низкий удельный расход электроэнергии (около 2-4 кВт • ч на 1 кг расплавленного электродного металла). Трансформаторы проще в эксплуатации, легко поддаются ремонту.
В зависимости от электромагнитной схемы и способа регулирования различают следующие конструкции.
1. Трансформаторы амплитудного регулирования с нормальным рас
сеянием:
а) с дросселем с воздушным зазором,
б) с дросселем насыщения.
2. Трансформаторы амплитудного регулирования с увеличенным рассеянием:
а) с подвижными обмотками,
б) с подвижным магнитным шунтом,
в) с подмагничиваемым шунтом,
г) с реактивной обмоткой,
д) с разнесенными обмотками,
е) с конденсатором,
ж) с импульсным стабилизатором.
3. Трансформаторы фазового регулирования (тиристорные):
а) с импульсной стабилизацией,
б) с подпиткой.
У трансформаторов амплитудного регулирования режим настраивается изменением напряжения холостого хода или сопротивления трансформатора без искажения синусоидальной формы тока. В тиристорных трансформаторах режим настраивается за счет фазовой отсечки части синусоиды переменного напряжения.
3.1.2. Особенности сварочной дуги переменного тока
Устойчивость горения дуги при сварке на переменном токе ниже, чем на постоянном. Действительно, при частоте переменного напряжения сети 50 Гц сварочный ток 100 раз в секунду снижается до нуля и меняет направление на обратное, причем после каждого такого обрыва дуга должна возбуждаться снова. Таким образом, при сварке на переменном токе источник должен обладать специфическим свойством — обеспечивать многократное повторное зажигание дуги.
Процесс повторного зажигания дуги при переходе тока через нуль рассмотрим по осциллограммам (рис. 3.1,а). В конце предыдущего полупериода с момента ti напряжение трансформатора становится недостаточным для питания дуги, в результате дуга угасает, а ток резко снижается. С момента угасания t\ температура межэлектродного промежутка Тмэ падает, а его сопротивление 2?мэ резко возрастает (рис. 3.1,б).
После перехода тока через нуль в момент to анод и катод меняются местами, т. е. направление тока изменяется на обратное. Дуговой разряд мгновенно в момент to восстановиться не может, для этого мало напряжение источника. Небольшой преддуговой ток, существующий при этом, создается за счет остаточной плазмы межэлектродного промежутка
Рис. 3.1. Типичные осциллограммы дуги переменного тока: а — сварочные ток ig и напряжение ug, б — температура ТМэ и сопротивление /?мэ межэлектродного промежутка
(не более 0,1 мс после угасания дуги) и термоэлектронной эмиссии с не остывшего еще катода (в течение 1-10 мс). Таким образом, электрический разряд в переходном периоде 11—^2 не является дуговым, поскольку не обеспечивает генерирования заряженных частиц в количестве, достаточном для самостоятельного существования дуги. По мере нарастания напряжения источника растет и преддуговой ток, но скорость его увеличения did/dt, вплоть до момента t2, существенно ниже, чем скорость снижения в момент времени В переходном периоде идут два встречных процесса: с одной стороны, ионизация межэлектродного газа и его нагрев нарастающим током, с другой стороны, деионизация и охлаждение за счет теплоизлучения и теплоотвода в электрод и изделие. Рассмотрим три варианта развития процессов в зависимости от условий сварки.
При достаточно благоприятных условиях (большой объем и высокая степень ионизации остаточной плазмы, мощная термоэлектронная эмиссия с горячих неплавящихся электродов) из двух процессов существенно преобладает ионизация, поэтому при достижении напряжением источника величины Ud дуговой разряд легко восстанавливается. Менее благоприятные условия повторного зажигания (рис. 3.1) наблюдаются в боль
шинстве случаев сварки (покрытыми электродами, под флюсом и т. д.). Термоэлектронная эмиссия со сравнительно холодных плавящихся электродов не обеспечивает необходимого количества заряженных частиц. Поэтому дуга возобновляется только в момент при достижении напряжением источника довольно высокой величины напряжения повторного зажигания U3, достаточной для развития автоэлектронной эмиссии. Наконец, в неблагоприятных условиях (малая мощность дуги, большая ее длина, обдув газовыми потоками) из двух процессов преобладает деионизация, при этом температура Тмэ межэлектродного промежутка резко снижается, а его сопротивление /?мэ также резко возрастает, как показано пунктиром на рис. 3.1,6, и дуга обрывается.
После зажигания напряжение на дуге снижается от U3 до приблизительно постоянной величины Ug и сохраняется на этом уровне до следующего угасания в момент Ток после зажигания резко возрастает и далее меняется по кривой, близкой к синусоиде, достигая максимума в момент £3. Оценивая осциллограммы (рис. 3.1,а) в целом, заметим, что кривые тока и напряжения дуги отличаются от синусоидальных. Как показано выше, это объясняется нелинейностью нагрузки, т. е. непостоянством активного сопротивления дуги, а также непостоянством характера разряда.
Динамическая волып-амперная характеристика дуги и$ = отражающая связь мгновенных значений напряжения и тока при их быстром изменении, характерном для сварки на переменном токе частотой 50 Гц, показана на рис. 3.2. Ее можно построить по данным осциллограммы (рис. 3.1,а) или получить на осциллографе, подавая на горизонтальную развертку сигнал, пропорциональный току, а на вертикальную — напряжение дуги. Номера характерных точек на рис. 3.2 совпадают с индексами точек осциллограммы (рис. 3.1,а). Здесь на участке 1-0 изображен процесс угасания дуги в полупериоде обратной полярности, 0-2 — процесс зажигания в полупериоде прямой полярности, 2-3 — дуговой разряд при нарастании тока, 3-4 — дуговой разряд при спаде тока, 4-0 — угасание дуги и т. д.
На динамической характеристике легко фиксируются напряжение U3 и ток 13 повторного зажигания. Обращает на себя внимание большой пик напряжения зажигания обратной полярности С7зобр- Дело в том, что в этот момент катодом является сравнительно холодная сварочная ванна с невысокой эмиссионной способностью. Заметно также, что максимальное значение тока в полупериоде прямой полярности выше, а напряжение ниже соответствующих величин для полупериода обратной полярности. Следовательно, дуга частично выпрямляет ток, наблюдается так называемый вентильный эффект. Динамическая характеристика на участке 2-3
Рис. 3.2. Динамическая характеристика дуги переменного тока
нарастания тока проходит выше, чем на участке спада 3-4. Таким образом, при частоте 50 Гц проявляется инерционность тепловых процессов в дуге. На участке 2-3 температура столба дуги ниже, чем на участке 3-4 (рис. 3.1,6), поэтому сопротивление дуги больше и напряжение дуги также выше.
Статическая вольт-амперная характеристика дуги переменного тока Ud = f(Id) строится не для мгновенных, а для действующих, т. е. среднеквадратичных значений. По рис. 3.1,а
ud =
t§
f u2d dt
to
^5
dt
to
t$ — to’
N *5 ~ to
В эксперименте такая характеристика получается при использовании приборов электромагнитной системы — вольтметра и амперметра. Характеристика Ud = f(Id) подобна той, что была ранее описана для дуги постоянного тока (рис. 2.2). Поэтому для обеспечения устойчивого процесса последовательно со вторичной обмоткой трансформатора должен быть включен элемент, формирующий падающую характеристику источника — резистор, катушка индуктивности или конденсатор.
3.1.3. Дуга переменного тока в цепи с резистором
Рассмотрим работу источника переменного тока — трансформатора с резистором в цепи дуги (рис. 3.3,а). Трансформатор снижает сетевое напряжение до необходимого при сварке, резистор формирует падающую внешнюю характеристику и используется для настройки тока.
Рис. 3.3. Дуга в цепи с резистором: а — электрическая схема, б — осциллограммы тока и напряжения
Поскольку электрическая цепь содержит нелинейный элемент — дугу, ведем анализ для мгновенных значений и$, и%, i%. По второму правилу Кирхгофа для мгновенных значений напряжений имеем:
U2 = Ud + Ur, (3.1)
т. е. вторичное напряжение трансформатора уравновешивается падениями напряжения на дуге и резисторе.
На рис. 3.3,6 приведены осциллограммы тока и напряжения для вторичной цепи с учетом следующих ограничений и упрощений.
Напряжение дуги и$ от момента зажигания t3 до момента угасания ty считаем постоянным:
и@ Ud,
а в момент зажигания t3 изображаем кратковременным импульсом:
и@ U3.
В интервалах 0-t3 и £у-л дуги нет.
Вторичное напряжение и% зависит от амплитудного значения U2m и фазы его циклического изменения с частотой со = 2л/:
U2 = U2т sin cot.
Сварочный ток = ia, если не учитывать преддуговой ток, получим из (3.1):
12 = (и2 - Ud)/R.
Его кривая имеет вид отрезка синусоиды.
Длительность повторного зажигания t3 можно определить, если считать, что до момента зажигания дуги Z2 = 0 и ur = 0, т. е. все напряжение трансформатора приложено к межэлектродному промежутку (112 = ug):
U2т Sin COt? = U3,
откуда
t3 = (arcsin-^-) 1 = (arcsiny^-) ^7. (3.2)
\ U2m J \ U2m / 2ТС/
Как видно на рис. 3.3,6, сварочный ток 12 появляется в момент t3 при достижении напряжением 112 значения напряжения повторного зажигания U39 после чего напряжение дуги устанавливается на постоянном уровне Uд, а ток изменяется по синусоидальному закону до момента угасания ty при снижении 112 до U$. В следующем интервале длительностью со£п> начинающимся в момент ty и заканчивающимся в следующем полупериоде при новом зажигании, сварочного тока нет, если не считать незначительного преддугового тока. Во втором полупериоде описанные процессы повторяются. Наличие бестоковой паузы со£п затрудняет повторное зажигание дуги и снижает общую устойчивость процесса. Поэтому в современной сварочной технологии трансформатор с резистором не используется.
3.1.4. Дуга переменного тока в цепи с катушкой индуктивности
Если включить в цепь дуги и вторичной обмотки трансформатора катушку индуктивности L (рис. 3.4), она будет выполнять несколько функций. Обладая значительным реактивным сопротивлением Xr = coL, она обеспечивает получение падающей внешней характеристики. По этой же причине ее используют для регулирования режима. Наконец, как будет показано ниже, она способствует повышению устойчивости горения дуги переменного тока.
Уравнения напряжений и тока для сварочной цепи проанализируем с учетом второго правила Кирхгофа. Вторичное напряжение уравновешивается падениями напряжения в дуге и на катушке:
Рис. 3.4. Дуга в цепи с катушкой индуктивности: а — электрическая схема, б — осциллограммы напряжений, в — осциллограммы токов
На рис. 3.4,6, в приведены осциллограммы напряжений и токов при горении дуги. Начало координат (t = 0) совместим с моментом перехода тока через нуль.
Вторичное напряжение благодаря введению индуктивности по фазе опережает ток на угол ср:
и2 = U2m sin(co£ + ф). (3.4)
Напряжение дуги на участке от 0 до я примем постоянным:
ид = Ud, (3.5)
а случай начального пика зажигания, когда и$ = U3, учтем позже.
Напряжение на катушке индуктивности на этом же интервале равно разности и2 и ug (показано на рис. 3.4,6стрелками), оно пропорционально скорости изменения тока и величине индуктивности:
uL = u2-ud = L^, (3.6)
Выведем уравнение для тока в предположении его непрерывности, т.е. снижении до нуля в моменты со£ = 0 и со£ = л, но без перерывов. Для
4-6955
этого в уравнение (3.3) подставим значения входящих в него величин из (3.4)-(3.6):
и2т sin(art + ф) = ид +
и проинтегрируем его:
12 = -Д- [ [U2m sin(cot + ф) - CZa] d(ort)+С = - -Д- J72/n cos(cot + ф) - +С.
СО-L J С02-/ СО1л
Постоянную интегрирования С найдем из начального условия, обеспечивающего непрерывность тока, т. е. в предположении что 12 = 0 при t = О (а не позже):
с= ~£U2m совф, тогда
12 = [cos Ф - cos(ort + ф)] - (3.7)
Как уже отмечалось, непрерывность тока будет обеспечена, если ток перейдет через нуль также при art = л (а не раньше). Приняв в уравнении (3.7) = 0 при (М = л, имеем
[cos ф — (— cos ф)] — = 0.
(йЬ v со!
откуда
созф=^-. (3.8)
2т
При подстановке (3.8) в (3.7) получаем уравнение для тока:
Видно, что сварочный ток имеет две составляющие: = /син + £Пл (рис. 3.4,в). Синусоидальная составляющая /Син равна току короткого замыкания вторичной цепи с амплитудой t/g/n/coL, она отстает от вторичного напряжения на л/2. Пилообразная составляющая injl с амплитудой Uo/toL учитывает наличие во вторичной цепи нелинейного сопротивления дуги. В целом кривая представляет собой искаженную синусои-
ду. В интервале О-a ток нарастает медленно, а в интервале a-л снижается быстро.
Переходные процессы при повторном зажигании дуги в цепи с катушкой индуктивности (рис. 3.4,6, в) отличаются от процессов для цепи с резистором (рис. 3.3,6). Действительно, поскольку катушка обеспечивает сдвиг фазы тока 12 относительно фазы напряжения U2 , то повторное зажигание дуги идет в более благоприятных условиях. Оно начинается
не при переходе напряжения и% через нуль, а в более поздний момент t = 0, когда напряжение трансформатора достигло напряжения дуги 17$ или даже U3. В этот момент напряжение на катушке индуктивности ul скачком снижается почти до нуля и не препятствует повторному зажиганию, поскольку ид = ^2, что следует из уравнения (3.3). Выведем условие надежного повторного зажигания, приняв, что при cot = 0 из (3.4) напряжение U2 = U2т sin ср достигло напряжения повторного зажигания U3, а
= 0:
L^sincp U3 или sin ср U3/U2m = U3/V2U2. (3.10)
Переходные процессы при угасании дуги в цепи с катушкой также отличаются от процессов в цепи с резистором. Благодаря подпитывающему действию катушки индуктивности снижение тока 12 до нуля происходит в момент л, а не ранее, как это было в цепи с резистором. На рис. 3.4,6 видно, что в интервале 0-а катушка индуктивности, являясь, как и дуга, нагрузкой, запасается электромагнитной энергией (падение напряжения на ней Ul показано стрелками вверх). Напротив, в интервале ос-л, когда напряжение трансформатора U2 становится ниже необходимого для горения дуги значения 17$, катушка возвращает энергию, подпитывая дугу (ее ЭДС = ul показана стрелками вниз).
Очевидно, что условием непрерывного горения дуги до момента, когда 0)t = п, является выведенное ранее соотношение (3.8):
cos ср = Ду- или cos ср = - . (3.11)
ZU2m 2х/2С72
Катушка индуктивности благодаря подпитывающему действию ЭДС самоиндукции способствует непрерывному горению дуги переменного тока, обеспечивая быстрое восстановление дуги на стадии повторного зажигания и длительное поддержание дуги на стадии угасания.
Требования к параметрам источника переменного тока должны ограничивать величины U2, Uq, L для обеспечения достаточной устойчивости процесса за счет поддержания непрерывного тока.
Вторичное напряжение U 2 назначают по условию обеспечения надежного повторного зажигания дуги (3.10) и условию длительного горения дуги перед угасанием (3.11).
Совмещение двух условий (3.10) и (3.11) достигается при удовлетворении очевидного соотношения sin2 (р + cos2 (р = 1, т. е.
£1 + ^.1
2Ui 8Ul
la L
Отсюда получаем уравнение для определения напряжения трансфор
матора
+К2и%
U 2 > \ ----
(3.12)
Для обеспечения устойчивого горения дуги переменного тока напряжение трансформатора назначают тем больше, чем больше напряжение дуги и напряжение повторного зажигания.
Рассчитаем необходимое напряжение трансформатора для ручной сварки. При использовании электродов марки АНО-4 с рутиловым покрытием, обладающим высокими стабилизирующими свойствами, U3 почти равно Ud- Пусть U$ = U3 = 30 В, тогда из (3.12) U2 40 В. При использовании электродов УОНИ-13/55 с фтористо-кальциевым покрытием с низкими стабилизирующими свойствами при = 30 В напряжение повторного зажигания в три раза выше — U3 = 90 В, тогда U2 72 В.
Напряжение дуги Ug, допустимое при заданном напряжении трансформатора U2, определим из (3.12), введя коэффициент т = U3/Uo 1 превышения напряжения повторного зажигания над напряжением дуги:
ид^
I 8
V 4ап2 + л2
(3.13)
Из уравнения следует, что для электродов с рутиловым покрытием, у которых коэффициент т = 1, предельное напряжение дуги Ug должно быть не выше 0,761/2. Для электродов с основным (фтористо-кальциевым) покрытием, приняв т = 3, получаем предельное напряжение Ug не выше 0,401/2.
Индуктивность L, достаточная для эффективного сдвига фаз U2 и 1%, может быть принята по условию гарантированного повторного зажигания. В момент t = 0 напряжение на катушке индуктивности, как следует из рис. 3.4,6, скачком меняется от U3+Ua до U3 — Ua, а в среднем составляет
uL = U3.
(3.14)
Если пренебречь искажением кривой тока 12 и считать ее по рис. 3.4,в синусоидой вида 12 = l2m sin col, то ul из (3.6) имеет вид:
UL = L^- = (дЫ2т COS COl,
at
а при 1 = 0 напряжение на катушке имеет максимум:
UL Uьт (дЫ2т*
(3.15)
Приравняв иь из (3.14) и (3.15), имеем для момента повторного зажигания
Ubm U3
(3.16)
Для надежного повторного зажигания необходимо, чтобы амплитуда синусоидального напряжения на катушке индуктивности была не ниже напряжения повторного зажигания.
Из соотношений (3.15) и (3.16) можно определить достаточную для повторного зажигания индуктивность
т U3 т и3 L —— или L ——------.
2V2ltfI2
(3.17)
Разумеется, в практике проектирования индуктивность L (или индуктивное сопротивление катушки Xl) принимают по условию обеспечения настройки сварочного тока, поэтому соотношение (3.17) ограничивает только минимальное значение L, с тем чтобы во всем диапазоне токов гарантировать надежное повторное зажигание и устойчивое горение дуги.
3.1.5. Дуга переменного тока в цепи с катушкой индуктивности и конденсатором
В разделе 3.1.4 было установлено, что устойчивое горение дуги переменного тока повышается при использовании катушки. Как будет показано ниже, еще более эффективно вводить в сварочную цепь катушку индуктивности и конденсатор одновременно (рис. 3.5,а). При этом вторичное напряжение трансформатора и2 уравновешивается падением напряжения на дуге иа, катушке ul и конденсаторе wq:
^2 = ид + UL + иО
(3.18)
Уравнения для напряжений и токов выведем сначала без учета искажения синусоиды тока, т.е. при нагружении источника на линейное сопротивление. Если начало координат совместить с переходом тока через нуль,то
*2 = l2m sinco£, и2 = [72znSin(cot + ф), uL = L^- = ($LI2m cos art = ULm sin (art + ,
Uc = f i2dt = cos at = UCm sin (co* -
Кривые напряжения показаны на рис. 3.5,6. Если индуктивное сопротивление Xl = coL больше емкостного сопротивления Хс = 1/о>С, ток i2
(3.19)
Рис. 3.5. Дуга в цепи с катушкой индуктивности и конденсатором: а — электрическая схема, б — осциллограммы тока и напряжения при работе на линейную нагрузку, в — осциллограммы тока и напряжения при сварке
отстает от напряжения U2 на угол (р. Напряжение на катушке индуктивности ul опережает ток по фазе на л/2, а напряжение на конденсаторе ис отстает от тока также на угол л/2.
Переходные процессы при повторном зажигании рассмотрим уже с учетом искажений, вызванных нагружением источника на дугу (рис. 3.5,в). Кривые и% и ис практически не искажаются, поэтому их разность U2 — ис представляет собой синусоиду. Напряжение дуги, как и в разделах 3.1.3 и 3.1.4 полагаем постоянным и$ = за исключением момента повторного зажигания, где и$ = U3. Наиболее искажена кривая ul, в момент повторного зажигания она от величины U3 + U$ резко снижается почти до нуля, а затем возрастает до значения U3 - U$.
Полагая в момент повторного зажигания ид = 0, из (3.18) получим
и2-ис = ид,
а с учетом соотношений (3.19)
и 2т sin ф + и Ст > U3. (3.20)
Если сопоставить последнюю зависимость с уравнением (3.10) для цепи с одной катушкой индуктивности, видим, что подпитывающее действие конденсатора существенно повышает надежность повторного зажигания. Анализ показывает, что для высокотехнологичных электродов с рутиловым покрытием, у которых U3 = U$, напряжение дуги в цепи с катушкой индуктивности и конденсатором может достигать 1,16172, тогда как в цепи с одной катушкой оно должно быть не выше 0,76172.
Устойчивость горения дуги при использовании трансформатора с катушкой индуктивности и конденсатором высокая, поскольку повторное зажигание происходит при совместном питании дуги от трансформатора и конденсатора.
С другой стороны, подключение конденсатора позволяет уменьшить напряжение трансформатора U2 без снижения устойчивости, а это в свою очередь приводит к снижению габаритов и массы трансформатора.
3.1.6. Дуга при использовании импульсного стабилизатора
Импульсный стабилизатор горения дуги (ИСГД) представляет собой маломощный источник высокого напряжения, питающий дугу параллельно основному источнику — трансформатору (рис. 3.6,а). Его основными элементами являются конденсатор С и переключающий контакт S.
До начала переходного периода в дуге конденсатор заряжается током i3ap. В момент перехода тока дуги, создаваемого вторичной обмоткой трансформатора, через нуль контакт переключается, и конденсатор разряжается на межэлектродный промежуток током ip. Для надежного повторного зажигания дуги необходимо, чтобы напряжение заряда конденсатора Ucm было не ниже напряжения повторного зажигания дуги U3 (рис. 3.6,6). Ток разряда конденсатора скачком достигает величины Лпах = ^Стп/ймэ, зависящей от сопротивления межэлектродного промежутка Ямэ, а затем снижается:
Ucm ~~р с
= ——е ямэс .
Рис. 3.6. Импульсный стабилизатор: а — электрическая схема, б — осциллограмма напряжений, в — осциллограмма токов
Одновременно нарастают напряжение U2 и ток 12 основного источника — трансформатора. Важно, чтобы к моменту t2 достижения трансформатором напряжения U2 = U$ суммарный ток разряд а конденсатора и основного источника не упал ниже необходимого значения преддугового тока 13.
Для надежного повторного зажигания импульсный стабилизатор должен иметь мощность, достаточную для поддержания дуги до момента, когда основной источник разовьет мощность до уровня, необходимого для обеспечения самостоятельного дугового разряда.
Если подавать сигнал на разряд точно в момент перехода тока через нуль, то конденсатор может разрядиться раньше, чем основной источник сумеет взять на себя функцию питания дуги. Поэтому рационально задержать разряд примерно на 0,1 мс. Еще эффективней будет работать импульсный стабилизатор, если в цепи трансформатора имеется катушка индуктивности.
3.1.7. Критерии устойчивости дуги переменного тока
В качестве непосредственного критерия устойчивости можно принять частоту обрывов дуги. Поскольку устойчивость дуги переменного тока определяется надежностью повторного зажигания, то в качестве косвенных критериев обычно принимают напряжение U3, ток 13 и время t3 повторного зажигания. При испытании трансформатора для их определения записывают начальный участок осциллограмм тока и напряжения (рис. 3.7). Типичные характеристики повторного зажигания при сварке покрытыми стальными электродами следующие. Напряжение повторного зажигания U3 = 15-90 В, максимальный преддуговой ток 13 = 2-30 А, время зажигания t3 составляет от 0,1 до 3 мс. Устойчивость повышается с увеличением преддугового тока 13 и снижением напряжения U3 и времени t3.
Рис. 3.7. Начальные участки осциллограмм напряжения и тока дуги (электрод ОЗС-4, 3 мм, 100 А, трансформатор ТДМ-401)
Время повторного зажигания t3, чаще других принимаемое в качестве косвенного критерия устойчивости, зависит от параметров дуги и источника. Для цепи с резистором (рис. 3.3,6) время t3 определяется из (3.2). Для цепи с катушкой индуктивности (рис. 3.4,6) необходимо в этом уравнении учесть еще и угол ф сдвига фаз между напряжением U2 и током /2 •
t3 = ( arcsin — ф ) /(2л/).
Угол ф зависит от величины сопротивления дуги R$, а также индуктивного = со£ и активного R сопротивления в цепи дуги:
. XL . 2nfL (су
‘s (3'21)
Тогда из (3.2) и (3.21)
t3 = farcsin - arctg ) /(2л/). (3.22)
\ U2т R + “д J /
Приемы повышения устойчивости проанализируем с помощью уравнения (3.22). Чем меньше время зажигания, тем меньше охлаждение межэлектродного промежутка и тем вероятней повторное зажигание. Как уже отмечалось, в переходном периоде идут два встречных процесса — охлаждение и нагрев межэлектродного промежутка. Уменьшить t3, т.е. повысить устойчивость, можно либо технологическими приемами — замедляя охлаждение и деионизацию межэлектродного промежутка, либо электротехническими приемами — ускоряя нагрев благодаря увеличению скорости нарастания напряжения и тока дуги.
Все технологические приемы так или иначе направлены на снижение напряжения зажигания U3. С этой целью для замедления охлаждения межэлектродного промежутка увеличивают температуру и массу нагретых электродов, увеличивают ток, снижают теплопроводность электродов, ограничивают теплоотвод газовыми потоками. Для увеличения эмиссионной способности электродов рекомендуется использовать непла-вящиеся электроды с высокой температурой нагрева (вольфрамовые и угольные). Для увеличения ионизации остаточной плазмы вводят легко ионизируемые вещества, содержащие К, Na, Са, в состав покрытий и флюсов. Снижается напряжение зажигания и при уменьшении длины Дуги.
Из электротехнических приемов простейшим является увеличение напряжения трансформатора U2m (или его напряжения холостого хода Ux), хотя он связан с ухудшением безопасности труда. Устойчивость повышается и при увеличении частоты f переменного тока. Однако заметный эффект достигается лишь при увеличении частоты выше 300-500 Гц. Поскольку увеличение частоты связано с существенным усложнением конструкции источника, такой прием на практике применяется редко. Таким образом, самым эффективным приемом является включение в цепь дуги катушки индуктивности (см. раздел 3.1.4). Устойчивость дуги повышается при увеличении индуктивности L и снижении величины активного сопротивления R в цепи дуги, приводящих к увеличению угла сдвига ф фазы сварочного тока относительно напряжения трансформатора. Полезно также последовательное включение конденсатора (см.
раздел 3.1.5) или параллельное включение импульсного стабилизатора (см. раздел 3.1.6).
Скорость нарастания проводимости межэлектродного промежутка в преддуговом периоде
в3 = (3.23)
— это комплексный критерий устойчивости, учитывающий как значения времени t3, так и напряжения U3 и тока 13 повторного зажигания, которые можно получить в эксперименте по начальным участкам осциллограмм (рис. 3.7). Единица измерения этого критерия — сименс в секунду (См/с = тг--—). Критерий обладает ясным физическим смыслом — Ом * с
понятно, что при высокой скорости восстановления проводимости В3 выше и вероятность повторного зажигания. Так, у электродов с фтористо-кальциевым покрытием, известных низкой устойчивостью горения дуги, В3 = 40-3000 См/с, а у электродов с рутиловым покрытием, предназначенных для сварки на переменном токе, В3 = 700-8000 См/с. Обнаружено также, что при сварке покрытыми электродами скорость В3 в полупериоде прямой полярности в 4-5 раз выше, чем при обратной полярности. Поэтому и обрыв дуги переменного тока, как правило, происходит в начале полупериода обратной полярности. По этой же причине сварка вольфрамовым электродом алюминия, как правило, невозможна без импульсной стабилизации в полу периоде обратной полярности (раздел 6.1.1).
Скорость нарастания тока (di2/dt)3 в интервале повторного зажигания также принимают в качестве критерия устойчивости. Ее можно вычислить по осциллограммам (рис. 3.7):
(с?12/с?£)з 1з1^з*
Но более эффективно ее экспериментальное определение по осциллографической записи фазовой характеристики diz/dt = ffe), которая получается, если подать на горизонтальный вход осциллографа сигнал тока /г с шунта в сварочной цепи, а на вертикальный вход — сигнал di2 /dt с дифференцирующей 7?С-цепочки, подключенной к этому же шунту (рис. 3.8). Видно, что непосредственно перед переходом тока через нуль наблюдается пик скорости, соответствующий резкому спаду тока при угасании (di2/dt)y, а после перехода — провал до значения, соответствующего скорости нарастания тока (di2/dt)3 в интервале повторного зажигания. Такой характер изменения тока при переходе через нуль отмечался ранее на осциллограммах (рис. 3.1 и 3.4). Типичные значения скоростей 15-150 кА/с. Чем выше скорость (di2/dt)3, тем надежней повторное зажигание и выше устойчивость процесса сварки. Разработан ряд специфических приемов, направленных на увеличение этой скорости. С этой целью
Рис. 3.8. Фазовая характеристика di2/dt = f(i2) (электрод ОЗС-4, 5 мм, 200 А, трансформатор ТДМ-401)
снижают вихревые токи в магнитопроводе и кожухе трансформатора, не допускают насыщения железа магнитопровода. Иногда в цепь дуги включают дроссель насыщения, увеличивающий эту скорость в 2-4 раза и ограничивающий амплитуду тока, так что кривая сварочного тока вместо синусоидальной приобретает форму трапецеидальных импульсов. Но самым эффективным приемом увеличения скорости является использование импульсного стабилизатора, подающего на дугу кратковременные импульсы тока после его перехода через нуль.
Для сравнения трансформаторов различной мощности удобно характеризовать их не абсолютной, а относительной скоростью
(di2/dt)3/(di2/dt\,
которую желательно приближать к 1. У большинства сварочных транс форматоров эта величина находится в интервале 0,3-0,8. Используется также комплексный критерий для оценки трансформаторов
v =тт (di2/dt)3
3 \di2/dt)y'
(3.
который учитывает полезное влияние на устойчивость как увеличен] напряжения холостого хода С7Х, так и увеличения скорости (di2/dt)3.
трансформаторов промышленного назначения F3 = 20-60 В, у бытовых трансформаторов — 17-35 В.
3.2. Трансформаторы с нормальным рассеянием
3.2.1. Общее устройство трансформатора
Однофазный сварочный трансформатор (рис. 3.9,а) обычно имеет стержневой магнитопровод 3, цилиндрические первичную 1 и вторичную 2 обмотки, каждая из которых состоит из двух одинаковых катушек. Электрическая энергия сети подается на первичную обмотку и преобразуется в ней в энергию магнитного потока, которая по магнитопроводу передается вторичной обмотке, где снова преобразуется в электрическую и подается на сварочную дугу. Число витков вторичной обмотки меньше, чем у первичной, следовательно, трансформатор понижает сетевое напряжение до необходимого при сварке. Вторичные катушки концентрически надеты на первичные, поэтому почти весь поток, создаваемый первичной обмоткой, сцепляется и с вторичной. Поток рассеяния, создаваемый одной обмоткой, но не сцепляющийся с другой, очень мал. Поэтому такая конструкция и называется трансформатором с нормальным рассеянием.
У обеих обмоток две катушки можно соединить как последовательно, так и параллельно. Например, во вторичной обмотке для последовательного соединения (рис. 3.9,6) к концу первой катушки К2.1 подключают
Рис. 3.9. Трансформатор с нормальным рассеянием: а — конструктивная схема, б — последовательное соединение катушек, в — параллельное соединение катушек
начало второй катушки Н2.2 (показано жирной точкой), так что ЭДС обеих катушек совпадают по направлению и поэтому складываются. Для параллельного соединения (рис. 3.9,в) начала обеих катушек, например, для вторичной обмотки Н2.1 и Н2.2, объединяются в одну точку, а концы, в этом случае К2.1 и К2.2 — в другую. При этом ЭДС обеих катушек направлены в одну сторону, а складываются уже их токи. Возможны и другие сочетания соединения катушек обеих обмоток, но во всех случаях направления ЭДС двух соединяемых катушек должны совпадать.
3.2.2. Основные соотношения в трансформаторе с нормальным рассеянием
Для ознакомления с принципом действия трансформатора обратимся к его идеализированной схеме (рис. 3.10). Для облегчения анализа на ней приведено по одной катушке первичной и вторичной обмотки, активные сопротивления обмоток приняты равными нулю, рассеяние магнитного потока за пределы магнитопровода не учитывается. Отдельно рассмотрим работу трансформатора при холостом ходе и при нагрузке1.
Режим холостого хода возникает при разомкнутой цепи вторичной обмотки после подачи напряжения сети U\ на первичную обмотку (рис. 3.10,а). При этом появляется ток холостого хода Jix, который, протекая по виткам первичной обмотки, создает магнитодвижущую силу (МДС) Fix, а она вызывает появление магнитного потока Фх. Магнитный поток создает ЭДС Е\ в первичной обмотке и Е2 — во вторичной. Описанный ход преобразования энергии от первичного напряжения U\ к напряжению холостого хода вторичной обмотки U2Х показан также на мнемонической (удобной для запоминания) схеме (рис. 3.10,6) в виде цепочки символов.
хДля анализа принципа действия электрических машин переменного тока (трансформатор, дроссель) зададимся условно положительными направлениями тока, падения напряжения, электродвижущей силы, магнитодвижущей силы и магнитного потока, имея в виду, что они отвечают истинному направлению только в течение одного полупериода. Приняв один из зажимов трансформатора положительным, показываем направление тока I в цепи нагрузки от положительного (+) зажима источника к отрицательному (-). Падения напряжения Ur в активных сопротивлениях направляем в ту же сторону. Направление магнитного потока Ф, а также магнитодвижущей силы F в индуктивной катушке определяем в зависимости от направления тока по правилу правого винта. Но в отличие от традиционно принятого в электротехнике подхода (однако в соответствии с законом Ленца) направление ЭДС индукции Е определяем в зависимости от направления создающего ее магнитного потока по правилу левого винта. По этой же причине закон электромагнитной индукции для катушки с числом витков w и индуктивностью L будем записывать с/Ф т di
в виде еь = w~~r~ или eL = L-— без знака «минус» в правой части уравнения.
а б
г*
I
Лх
Фх /X L/h£2
I ^2х
Рис. 3.10. Работа трансформатора с нормальным рассеянием при холостом ходе: а — электромагнитные процессы, б — мнемоническая схема
Выведем основные соотношения между действующими значениями перечисленных выше величин.
МДС первичной обмотки
^1х = .
(3.25)
Магнитный поток в соответствии с законом Ома для магнитной цепи
Фх \/2£1х//?м
(3.26)
Его принято характеризовать не действующим, а амплитудным значением, отсюда коэффициент л/2. Магнитное сопротивление 2?м на пути потока по магнитопроводу при отсутствии его насыщения можно считать для данного трансформатора постоянной величиной, оно зависит от средней длины силовых магнитных линий /м, площади сечения магнитопровода SM и удельной магнитной проницаемости железа цм:
7? = м HmSm-
Согласно закону электромагнитной индукции Максвелла мгновенные значения ЭДС и в2 пропорциональны числу витков первичной и вторичной W2 обмоток, а также скорости изменения магнитного потока Фх:
ЙФХ ЙФХ
*1 = ^1^- и e2 = w2 —,
а их действующие значения при циклической частоте /:
Ег = 4,4Afu>i<t>x (3.27)
и
Е2 = 4,44/о?2Фх. (3.28)
По второму правилу Кирхгофа для замкнутого контура первичной обмотки
= С/1, (3.29)
т.е. в идеализированном трансформаторе напряжение сети Ui тратится только на уравновешивание ЭДС Е\.
Из уравнений (3.2 7) и (3.29) получим зависимость, характеризующую поток холостого хода:
По второму правилу Кирхгофа для контура вторичной обмотки
Е2 = U2x, (3.31)
т.е. вся ЭДС Е2 подается на внешние зажимы трансформатора в виде напряжения холостого хода U2x. Разделив (3.27) на (3.28), получаем соотношения для определения коэффициента трансформации напряжения
n = ivi/w2 = Ei/E2 = Ui/U2x, (3.32)
а также для вычисления напряжения холостого хода
<3-33)
Поскольку в сварочном трансформаторе w2 < Wi, то напряжение вторичной обмотки U2 всегда ниже напряжения сети U\.
Сварочный трансформатор понижает напряжение от первичного (сетевого) до вторичного, необходимого для сварки.
Режим нагрузки возникает после замыкания цепи вторичной обмотки (рис. 3.11,а). Как и при холостом ходе, выведем основные соотношения между действующими значениями (U, Е, I). Это корректно, если их мгновенные значения (u, е, i) имеют синусоидальный вид, например, при работе на линейное (постоянное) сопротивление — балластный реостат. Особенности процессов при работе на нелинейную нагрузку — дугу — рассмотрим позднее.
Во вторичной обмотке возникает ток 12, который создает МДС F2. При взаимодействии МДС F± и F2 возникает магнитный поток Фт, замыкающийся только по магнитопроводу. Поток индуцирует в первичной
поэтому из (3.36) и (3.38) магнитный поток трансформатора при нагрузке
В контуре же вторичной обмотки у идеализированного трансформатора вся вторичная ЭДС Е2 расходуется на нагрузке: I
E2 = U2. (3.40) |
Электрическая энергия сети посредством магнитного потока передается из первичной обмотки во вторичную, не имеющую непосредственной электрической связи с сетью.
Сопоставление режимов холостого хода и нагрузки начнем со сравнения магнитных потоков Фх и Фт по уравнениям (3.30) и (3.39). Видно, что они равны друг другу. Более того, при изменении сопротивления нагрузки и вторичного тока поток идеализированного трансформатора также не меняется:
Фх = Фт = const, (3.41)
Но из (3.26), (3.35) и (3.41) следует, что и МДС при холостом ходе и нагрузке также равны:
Fix = Ft = const.
Приравняв правые части уравнений (3.25) и (3.34), получим уравнение магнитного состояния трансформатора
11x^1 = ~ (3.42)
Из него следует, что вторичная обмотка при появлении и увеличении в ней тока 12 стремится размагнитить магнитопровод, на что первичная обмотка отвечает увеличением МДС и первичного тока 1±, чтобы сохранить общую МДС и поток на том же уровне, что и при холостом ходе.
Трансформатор обладает своеобразным свойством саморегулирования, заключающимся в том, что для поддержания неизменным магнитного потока с ростом вторичного тока увеличивается и первичный.
Это, кстати, соответствует и закону сохранения энергии, поскольку увеличение тока 12 и потребления энергии нагрузкой приводит к увеличению тока Ii и поступления энергии из сети.
Из (3.42) следует, что
IiWi = Iixivi +I2w2 или Fi = Fix + F2- (3.43)
т.е. МДС Fi первичной обмотки при нагрузке расходуется на намагничивание магнитопровода Fix и на компенсацию размагничивающего действия вторичной обмотки F2. МДС первичной обмотки при холостом ходе
Fix существенно ниже, чем при нагрузке Fi, поэтому и ток холостого хода 11Х намного меньше номинального значения тока /1НОМ первичной обмотки: /1Х = (0,05-0,1)/1ном-
Если в уравнении (3.43)пренебречь МДС Fix, то получим соотношение
/1//2 = ^2/^1 = 1М,
характеризующее трансформацию тока, а соотношение (3.32) будет иметь ВИД
п = wr/w2 = Ur/U2 = 12Д1. (3.44)
Внешняя характеристика трансформатора представляет собой зависимость вторичного напряжения от вторичного тока U2 = f(I2).’Экспериментально она строится для действующих значений U2 и 12, снимаемых с приборов электромагнитной системы, при нагружении на балластный реостат. Ранее было показано (3.41), что в идеализированном трансформаторе магнитный поток при нагрузке не меняется, а поэтому и вторичное напряжение остается постоянным
U2 = U2x = const. (3.45)
Идеализированный трансформатор имеет жесткую внешнюю характеристику, поскольку магнитный поток, пронизывающий вторичную обмотку, и вторичное напряжение не меняются при изменении нагрузки.
В реальном трансформаторе с нормальным рассеянием имеются небольшие потери напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях обмоток, причем с ростом вторичного тока эти потери растут. Но даже при номинальном вторичном токе 12ном потери вторичного напряжения не превышают 5 % от напряжения холостого хода U2x, поэтому при незначительном наклоне характеристики U2 = /V2) ее все равно называют жесткой (рис. 3.14).
3.2.3. Дроссель с воздушным зазором
Как было показано выше, трансформатор с нормальным рассеянием имеет жесткую характеристику, и поэтому не пригоден для ручной дуговой сварки. Его обычно дополняют реактивной катушкой — дросселем с воздушным зазором в магнитной цепи (рис. 3.12,а). Дроссель имеет магнитопровод 1, обмотку 2 и подвижный магнитный пакет 3. Обмотка L включается последовательно в цепь вторичной обмотки трансформатора (рис. 3.12,в), она обладает большим индуктивным сопротивлением. Это,
Рис. 3.12. Дроссель с воздушным зазором
как будет показано ниже, и способствует получению падающей характеристики. Магнитный пакет может перемещаться с помощью привода 4, что вызывает изменение индуктивного сопротивления обмотки и, следовательно, тока. Кроме того, дроссель сдвигает фазы тока и напряжения источника, что повышает устойчивость дуги переменного тока.
Формирование падающей внешней характеристики с помощью дросселя рассмотрим в режиме нагрузки. При протекании сварочного тока12 по обмотке дросселя создается магнитный поток Ф^, зависящий от числа витков его обмотки wl и магнитного сопротивления на пути потока
Фь = ^2-L. (3.46)
Этот поток в свою очередь наводит в обмотке дросселя ЭДС самоиндукции
El = 4,44/wLOL. (3.47)
При подстановке (3.46) в (3.47) получим
4,44y/2fivjl2 2nfu>L
El =-----б------= ~Б----J2-
Если учесть связь угловой частоты с циклической (со = 2nf), то
coir?
El = (3.48)
Из (3.48) следует, что ЭДС дросселя пропорциональна току I2, поэтому действие ЭДС Еl можно считать эквивалентным падению напряжения на индуктивном сопротивлении Xl-
El=XlI2,
где
(0U>?
^mL
(3.49)
В соответствии co вторым правилом Кирхгофа напряжение на внешних зажимах комплектного источника, состоящего из трансформатора и дросселя, по рис. 3.12,в
U^U2-EL==U2-jXLI2.
(3.50)
Если учтем соотношение (3.45), то получим уравнение внешней характеристики источника в векторной форме
Un = U2,-jxLi2.
(3.51)
По уравнению (3.51) изобразим векторную диаграмму (рис. 3.13) источника. При этом учтем, что напряжение источника 17и подается на активную нагрузку с напряжением Ug, и поэтому направление вектора (7И совпадает с вектором тока 12, а напряжение на дросселе XlI2 опережает ток на 90°. Из диаграммы следует, что скалярная форма уравнения внешней характеристики имеет вид
Рис. 3.13. Векторная диаграмма трансформатора с дросселем
Рис. 3.14. Внешняя характеристика трансформатора с дросселем
Графическое представление уравнения (3.52) приведено на рис. 3.14. Видно, что внешняя характеристика собственно трансформатора U2 = = f(I2) почти жесткая. Благодаря значительному индуктивному сопротивлению Xl дросселя с ростом тока 12 существенно увеличивается падение
напряжения на его обмотке X1J2 и уменьшается напряжение [7И на выходе комплектного источника, состоящего из трансформатора и дросселя. Внешняя характеристика 11и = /(I2) не просто падающая, а именно крутопадающая (выпуклая), что особенно полезно при ручной сварке.
Дадим и более точное физическое пояснение формирования падающей характеристики, опираясь на анализ электромагнитных процессов в дросселе по рис. 3.12. С ростом тока, например, вызванным укорочением дуги, по соотношению (3.46) возрастает магнитный поток дросселя Ф^, что по уравнению (3.47) вызовет увеличение ЭДС дросселя El. Поскольку для трансформатора ЭДС дросселя эквивалентна потерям напряжения, то на выходе источника напряжение С/и по (3.50) снижается:
I2EL ии;.
Падающая характеристика при использовании трансформатора с нормальным рассеянием получается благодаря включению в цепь его вторичной обмотки дросселя — реактивной катушки с большим индуктивным сопротивлением.
Регулирование режима в трансформаторе с дросселем рассмотрим, решив уравнение (3.51) относительно тока /2» положив напряжение источника ии равным напряжению нагрузки — дуги Uq\
т &2х EFд (п гл\
h,x;- (3'53)
Из уравнения (3.53) следует, что для увеличения силы тока нужно либо увеличивать напряжение холостого хода трансформатора Щх, либо уменьшать индуктивное сопротивление дросселя Xl-
Основной способ регулирования заключается в изменении Xl за счет изменения воздушного зазора в магнитной цепи дросселя. Магнитное сопротивление Rml на пути потока Ф^, судя по рис. 3.12,а, складывается из двух составляющих: сопротивлений магнитопровода (железа) и воздушного зазора, из которых второе преобладает:
RmL = -^МЖ + ^мв ~ f^MB ~ ~ • (3.54)
Таким образом, сопротивление Rml зависит от величины воздушного зазора ZB, магнитной проницаемости воздуха цв и площади сечения потока в зазоре SB. При увеличении воздушного зазора 1В по (3.54) возрастет магнитное сопротивление Rml> в соответствии с (3.49) уменьшится индуктивное сопротивление XL, а это по соотношению (3.53) приведет к увеличению тока /2- Приведем и развернутое пояснение, опирающееся
на подробный анализ электромагнитных процессов в дросселе. При увеличении зазора 1В и магнитного сопротивления Rml поток по (3.46) уменьшится, что приведет по (3.47) к снижению ЭДС El дросселя. Поскольку, как уже отмечалось, ЭДС дросселя можно рассматривать как потери напряжения, в результате по (3.50) увеличится напряжение на выходе источника [7И. А это при постоянном сопротивлении нагрузки должно привести в соответствии с законом Ома к увеличению тока 12-
1в t=> RmL t=> Ф-L El ии I2 “f •
Описанный способ требует установки ручного или механического (обычно винтового) привода перемещения магнитного пакета для обеспечения плавного регулирования режима. Кратность такого регулирования, как правило, достигает 5-7 раз, дальнейшее увеличение кратности требует непропорционально большого увеличения хода магнитного пакета и габаритов дросселя.
Возможно также ступенчатое регулирование режима за счет изменения числа витков первичной wi или вторичной и>2 обмоток трансформатора. Например, при увеличении ivi в соответствии с (3.33) уменьшится напряжение холостого хода U2x> а следовательно, по соотношению (3.53) снизится и ток 12- При увеличении W2 ток соответственно увеличится:
^1^2х h и>2и2^ t=> I21 •
Витковое регулирование тока I2 одновременно приводит к изменению напряжения холостого хода (Тях- Поскольку диапазон изменения ^2х ограничен, с одной стороны, соображениями безопасности труда, а с другой, устойчивостью горения и надежностью возбуждения дуги, то кратность его изменения не превышает 2, и поэтому витковое регулирование трансформатора используется редко. Еще реже используют витковое регулирование дросселя, т. е. изменение числа витков его обмотки wl-
Плавное регулирование сварочного тока в трансформаторе с дросселем осуществляется изменением индуктивного сопротивления дросселя за счет изменения воздушного зазора в его магнитной цепи, иногда оно дополняется ступенчатым витковым регулированием первичной или вторичной обмотки трансформатора.
3.2.4. Дроссель насыщения
Индуктивное сопротивление дросселя можно регулировать не только механическим, но и электрическим путем. Этот принцип реализован
в конструкции дросселя насыщения (рис. 3.15). Он имеет броневой магнитопровод 4, обмотку управления 3, питающуюся от вспомогательного источника постоянного тока, и две последовательно соединенные рабочие обмотки 1 и 2, включенные в цепь дуги переменного тока. Принцип
Рис. 3.15. Дроссель насыщения
работы дросселя насыщения основан на взаимодействии магнитных по- ! токов обмотки управления и рабочих обмоток. При включении обмотки i управления в цепь постоянного тока в магнитопроводе появится постоянный поток управления Фу, зависящий от тока 1У и числа витков обмотки управления wy:
Фу = ^. (3.55)
В режиме нагрузки переменный ток I2, протекая по рабочим обмоткам дросселя с числом витков wl, создает два переменных потока
Фы - ФЬ2 - ^4.
(3.56)
Рабочие обмотки дросселя насыщения намотаны на крайних стержнях таким образом, чтобы их потоки в среднем стержне были направлены встречно. Поэтому в среднем стержне практически отсутствует переменный поток, и в обмотке управления не наводится переменная ЭДС основной частоты, что облегчает ее работу.
Переменная составляющая магнитного потока в крайних стержнях наводит в рабочих обмотках ЭДС Ец = подобно тому, как это происходит в дросселе с воздушным зазором. Следовательно, дроссель насы
щения обладает значительным индуктивным сопротивлением Xl и может использоваться с трансформатором с нормальным рассеянием для формирования падающей внешней характеристики. При ручной сварке дроссель насыщения работает в режиме с компенсированными магнитодвижущими силами, когда/у1Гу = I2^l- Таким образом, уравнение внешней характеристики имеет вид
-
ywL’
(3.57)
не зависящий от напряжения, т. е. внешняя характеристика получает-ся вертикально падающей. Следовательно, трансформатор с дросселем насыщения, работающим в режиме с компенсированными магнитодвижущими силами, является параметрическим источником тока.
Для плавного регулирования режима с помощью дросселя насыщения меняют ток в обмотке управления (3.57), витковое регулирование изменением шу и wl обычно не используется. Дадим и подробное физическое пояснение способа плавного регулирования. Например, увеличение тока 7У приводит по (3.55) к увеличению потока Фу. При этом железо магнитопровода приближается к насыщению, т.е. возрастает его магнитное сопротивление Rml> что приводит по (3.56) к снижению переменной составляющей потока Ф/д и Ф^2- А это в свою очередь вызовет снижение ЭДС дросселя Eli и El2 и по (3.50) увеличение напряжения источника ии и сварочного тока
/у Фу R^l <t>L El ии 12 t.
Электрическое регулирование сварочного тока обладает важными достоинствами: плавность, компактность регулятора, возможность дистанционного и программного управления, отсутствие подвижных частей, что повышает надежность и долговечность источника. Его недостатком является перерасход активных материалов — трансформаторного железа и обмоточных проводов, а также относительная сложность конструкции.
Если не принять специальных мер, то кривая сварочного тока в цепи с дросселем насыщения принимает искаженную форму с низкой скоростью нарастания тока при переходе через нуль, что снижает устойчивость горения дуги переменного тока. Если же в цепь обмотки управления ввести большую индуктивность, то можно не только исправить кривую сварочного тока, но и придать ей прямоугольную форму, даже более благоприятную в сравнении с синусоидой. Это может стать еще одним достоинством дросселя насыщения.
3.2.5. Конструкции трансформаторов с нормальным рассеянием
Длительное время выпускались трансформаторы для ручной сварки покрытыми электродами в двухкорпусном исполнении — собственно трансформатор типа СТЭ и отдельный дроссель с воздушным зазором типа РСТЭ, конструкция которых приведена на рис. 3.9 и 3.12. Более совершенны трансформаторы со встроенной реактивной обмоткой в однокорпусном исполнении серии СТН ТСД, у которых магнитопроводы трансформатора и дросселя объединены в одно целое. Трансформаторы типа СТН предназначались для ручной сварки. Трансформаторы типа ТСД использовались для механизированной сварки под флюсом, имели моторный привод подвижного пакета и допускали дистанционное управление пуском и регулированием тока. Трансформаторы с дросселем с воздушным зазором по массо-габаритным характеристикам и сварочным свойствам уступают трансформаторам с увеличенным рассеянием, поэтому в настоящее время не производятся.
Дроссели насыщения типа ДН конструкции, представленной на рис. 3.15, выпускались для комплектования установок аргоно-дуговой сварки алюминиевых сплавов. Трансформаторы со встроенными дросселями насыщения в большом количестве выпускались за рубежом, но в настоящее время также сняты с производства.
3.3. Трансформаторы с увеличенным рассеянием
3.3.1. Электромагнитная схема трансформатора
В отличие от силовых трансформаторов несварочного назначения, у которых потери магнитных потоков стремятся уменьшить, большая часть сварочных трансформаторов специально разработана с увеличенным магнитным рассеянием. Это достигается размещением первичной и вторичной обмотки на значительном расстоянии друг от друга. Проще всего пояснить принцип увеличения магнитного рассеяния на примере трансформатора, у которого первичная и вторичная обмотки разнесены на разные стержни (рис. 3.16). Обычно такой трансформатор имеет цилиндрические (реже дисковые) первичную 1 и вторичную 2 обмотки и стержневой магнитопровод 3. При такой конструкции кроме основного потока трансформатора Фт, замыкающегося по магнитопроводу, следует учитывать еще и потоки рассеяния, сцепляющиеся только с одной обмоткой. Силовые линии этих потоков замыкаются внутри окна Ф1ОК, Ф2ок> через ярмо Ф1яр, Ф2яр и через лобовые (наружные) поверхности обмоток Ф1лб> ®2лб и могут сцепляться только с частью витков обмоток. Поэтому
Рис. 3.16. Трансформатор с увеличенным рассеянием
в расчетных методиках приходится пользоваться интегральной характеристикой — потокосцеплением рассеяния урас = Yhwt®t* Здесь же для упрощения анализа будет использоваться понятие потока рассеяния обмотки Фрае, который можно представить как некоторый эквивалентный поток, сцепленный со всеми витками данной обмотки:
Ф1рас Vlpac/^l и Ф2рас V2pac/^2*
Потоком рассеяния соответствующей обмотки будем называть такую часть полного потока, которая данной обмоткой создается, но с другой обмоткой не сцепляется. Поток рассеяния в собственной обмотке наводит ЭДС самоиндукции, а другой обмотке энергию не передает. Как будет показано далее, усиление потоков рассеяния позволяет сформировать падающую характеристику и регулировать режим в самом трансформаторе, не прибегая к помощи дополнительных устройств — резистора, дросселя и др.
3.3.2. Основные соотношения в трансформаторе с увеличенным рассеянием
Режим холостого хода полезно сначала проанализировать по мнемонической схеме (рис. 3.17,6), как это было выполнено для трансформатора с нормальным рассеянием. Затем в том же порядке выведем основные соотношения, связывающие действующие значения U, Е, I друг с другом (рис. 3.17,а).
*ix
* \ Фхрас Фх
#1рас Е%
IZ I
^2х
Рис. 3.17. Работа трансформатора с увеличенным рассеянием при холостом ходе: а — электромагнитные процессы, б — мнемоническая схема
При подаче напряжения сети Ц\ в первичной обмотке возникает ток холостого хода Zix, он создаст МДС F^x = Zixzri, а она вызовет появление в магнитопроводе полного потока холостого хода
Фхп = ^/2/1ХгГ1/2?м. (3.58)
Вне первичной обмотки поток разветвляется. При этом большая его часть замыкается по магнитопроводу и сцепляется с вторичной обмоткой, эту часть называют основным потоком холостого хода Фх. Меньшая же часть замыкается главным образом по воздуху, она не сцепляется с вторичной обмоткой, ее называют потоком рассеяния холостого хода Фх рас. Очевидно соотношение
Фхп = Фх "I” Фхрас* (3.59)
Магнитное сопротивление на пути потока рассеяния Фх рас по воздуху значительно больше, чем на пути основного потока Фх по железу, поэтому Фхрас намного ниже Фх.
В первичной обмотке основным потоком Фх создается основная ЭДС 2?1, а потоком рассеяния Фх рас — ЭДС рассеяния Е\ рас. Вторичная обмотка сцепляется только с потоком Фх, в ней индуцируется ЭДС £2:
Ех = 4,44/и;1Фх, (3.60)
Е\рас = 4,44/и?1Фх рас, (3.61)
Е2 = 4,44/и?2Фх. (3.62)
По второму правилу Кирхгофа составим баланс напряжений и ЭДС для первичной и вторичной цепей
{71 = Bi +£ipac + 7?1Лх, (3.63)
^2х = &2*
(3.64)
Видно, что первичное напряжение U\ используется на уравновешивание полезной ЭДС Ei, связанной с передачей магнитного потока, и потерь Eipac и Rilix- Потери составляют от 5 до 15% L7i, поэтому напряжение холостого хода трансформатора с увеличенным рассеянием
1/2х = (0,85-0,95)?7ilp2/lpi,
(3.65)
т.е. несколько ниже, чем у трансформатора с нормальным рассеянием (3.33).
Режим нагрузки проанализируем по рис. 3.18,а в порядке следования процессов по мнемонической схеме (рис. 3.18,6).
Рис. 3.18. Работа трансформатора с увеличенным рассеянием при нагрузке: а — электромагнитные процессы, б — мнемоническая схема
б
^1 ^2
При замыкании цепи нагрузки во вторичной обмотке возникает ток J2, на что первичная обмотка ответит увеличением тока 1±. Эти токи создают соответствующиеМДСF2 = I2iv2 иFi = IiWi.
Основной поток трансформатора Ф? создается совместным действием МДС первичной и вторичной обмоток. Кроме того, возникнут большие потоки рассеяния
Ф1 рас = рас» (3.66)
Ф2рас = ^2^2//?м2рас, (3.67)
зависящие ОТ магнитных сопротивлений /?м1рас и i?M2pac на пути потоков рассеяния Ф1 рас и Ф2 рас соответственно.
Основной поток наводит в обмотках основные ЭДС
Е± = 4,4Wi<DT, (3.68)
Е2 = 4,44/^2Фт, (3.69)
а потоки рассеяния создают в обмотках ЭДС рассеяния
^1рас = 4,44/к?1Ф1 рас, (3.70)
-®2рас = 4,44/7^2^2 рас, (3*71)
Нетрудно доказать с помощью соотношений (3.66), (3.67), (3.70), (3.71), что ЭДС рассеяния пропорциональны соответствующим токам:
£1рас=Х111, (3.72)
^2рас=^2^2, (3.73)
Таким образом, действие ЭДС рассеяния может учитываться как падение напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния первичной Х± и вторичной Х2 обмотки.
По второму правилу Кирхгофа составим баланс напряжений и ЭДС для первичной и вторичной цепи:
Ul = Е\ + i?iPac + (3.74)
U2=E2-E2^-R2l2, (3.75)
Основные уравнения трансформатора представляют собой уравнения электрического состояния первичной (3.76) и вторичной (3.77) обмотки, а также уравнение магнитного состояния трансформатора (3.78):
U^Er+jXi'li+Rih, (3.76)
• U2 = Е2 - ]Х212 ~ R2I2, (3.77)
ii^i = iix^i + i2w2, (3.78)
На рис. 3.19 приведена векторная диаграмма реального сварочного трансформатора, работающего уже не на линейную нагрузку, а на дугу. Проанализируем одновременно с векторной диаграммой уравнения (3.76)-(3.78) для уяснения соотношений электрических величин в таком трансформаторе.
Уравнение электрического состояния (3.76) первичной обмотки показывает, что сетевое напряжение Ui используется в основном для создания магнитного потока трансформатора и частично уравновешивается первичной ЭДС Ei, которая пропорциональна потоку Фт. Меньшая часть Ui
20В
Рис. 3.19. Векторная диаграмма сварочного трансформатора с увеличенным рассеянием (/2ном = 315 А, и2иом = 32 В)
тратится на покрытие потерь в индуктивном сопротивлении рас = Xili, которые отражают затраты энергии на создание потока рассеяния Ф1 рас. Незначительную часть представляют потери на активном сопротивлении первичной обмотки которые вызывают нагрев этой обмотки.
Уравнение электрического состояния вторичной обмотки (3.77) показывает, что напряжение U2, передаваемое трансформатором дуге, получается за счет вторичной ЭДС Е2, создаваемой основным потоком трансформатора Фт. Из нее вычитаются потери на индуктивном сопротивлении £2 рас = ^2^2, вызванные действием потока рассеяния Ф2рас- Незначительные потери на активном сопротивлении вторичной обмотки R2I2 также вызывают нагрев этой обмотки.
Уравнение магнитного состояния (3.78) показывает, что МДС первичной обмотки в режиме нагрузки затрачивается на намагничивание трансформатора на уровне режима холостого хода /ixu>i, но в большей степени на преодоление размагничивающего действия вторичной обмотки 12^2-
3.3.3. Формирование падающей внешней характеристики в трансформаторе с увеличенным рассеянием
Вывод уравнения внешней характеристики U2 = /V2) проведем с помощью упрощенной схемы замещения трансформатора (рис. 3.20). В ней,
Рис. 3.20. Схема замещения трансформатора
как известно, магнитная связь обмоток заменяется электрической. Без изменения оставим параметры вторичной обмотки, поскольку именно к ней подключена дуга. Число витков в обеих обмотках полагаем одинаковым, поэтому параметры первичной обмотки придется пересчитать через коэффициент трансформации п = wi/w% по формулам приведения:
E^Ei/n; и'х = иг/п‘, I'1=I1n', X'^Xi/n2; R!1=Rl/n2. (3.79)
С учетом формул приведения основные уравнения трансформатора (3.76)-(3.78) будут иметь вид:
U'x = E[ + y'X'j'i +
Ё2 = U2 + /Х272 + ^2^2 > Д = ?1х + /2.
По этим уравнениям и составлена схема замещения (рис. 3.20). Для нее выполним баланс напряжений по второму правилу Кирхгофа:
и 2 = й; - jx'j^ - - jx2i2 - R2I2.
Из (3.65) и (3.79), если пренебречь коэффициентом (0,85-0,95), U'x « J72x. А из (3.68) и (3.69) с учетом формул приведения (3.79) Е'г = £2. Пренебрегая намагничивающей составляющей первичного тока, из (3.78) и (3.79) получим J* = 72. Тогда
и 2 = й2х - [дх;+х2) + (я; + в2)] i2.
Обычно сумму индуктивных сопротивлений рассеяния обмоток Х'г и Х2 называют индуктивным сопротивлением трансформатора Х^:
Хт = Xi +Х2,
а активными сопротивлениями R^ и R2 пренебрегают за малостью.
Тогда уравнение внешней характеристики трансформатора с увеличенным рассеянием имеет вид
U2 = U2x-jXTi2. (3.80)
Построим векторную диаграмму трансформатора (рис. 3.21,а). Вектор напряжения дуги U$ как активной нагрузки совпадает с вектором тока, а падение напряжения Хт/2 как на чисто индуктивной нагрузке опережает ток на 90°. Отсюда в скалярной форме уравнение внешней характеристики имеет вид
и2 = у/и22х - (ХГ12)2. (3.81)
Рис. 3.21. Векторная диаграмма (а) и внешняя характеристика (б) трансформатора с увеличенным рассеянием
Графическое представление этого уравнения приведено на рис. 3.21,6. Видно, что внешняя характеристика трансформатора с увеличенным магнитным рассеянием падающая, если его сопротивление Хр достаточно велико. Действительно, при увеличении 12 (например, в результате изменения сопротивления дуги) напряжение на вторичных зажимах трансформатора U2 (и на дуге U$) уменьшается.
Физическое пояснение способа формирования падающей характеристики сделаем, проанализировав изменение магнитного потока на пути от первичной обмотки к вторичной по рис. 3.18,а. В левом стержне поток Фхь сцепляющийся с первичной обмоткой, обусловлен неизменным напряжением сети (3.30), поэтому при нагрузке остается почти таким же, как и при холостом ходе Фхп:
Фы = Фт + Ф1 рас = Фхп. (3.82)
В ярме действует только основная часть потока трансформатора
Фт = Фхп - Ф1 рас (3.83)
5-6955
В правом стержне поток Ф^2, сцепляющийся со вторичной обмоткой, еще меньше:
Фе2 = Фт “' Ф2рас ~ Фхп ~ Ф1рас ~ Ф2рас* (3.84)
Как видно, на пути от первичной обмотки к вторичной магнитный поток непрерывно снижается. С ростом сварочного тока I2 этот поток снижается сильнее, в типичных условиях сварки — в 2-4 раза, а при коротком замыкании — почти до нуля. Иначе говоря, с ростом нагрузки поток вытесняется из магнитопровода в воздух.
Вышеизложенное позволяет пояснить принцип формирования падающей внешней характеристики. Так, при увеличении вторичного тока^, например, при укорочении дуги, и пропорциональном увеличении первичного тока Zi по соотношениям (3.66) и (3.67) увеличиваются и создаваемые ими потоки рассеяния Ф1рас и Фярас- Поэтому по (3.84) снизится суммарный поток Ф12, сцепляющийся со вторичной обмоткой, и создаваемое им вторичное напряжение U2-
I2 Ф2рас 11
4 7 => Ф£2 U2 •
11 t=> Ф1рас Т J
Изыскивая главную причину получения падающей характеристики у трансформатора с разнесенными обмотками, отличающую его от трансформатора с нормальным рассеянием, обнаруживаем, что принципиальным моментом, отличающим приведенную здесь цепь зависимостей от простой зависимости U2 = Щх = const для трансформатора с нормальным рассеянием, является учет потоков рассеяния.
При размещении первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга в трансформаторе возникают большие потоки магнитного рассеяния, в результате чего с увеличением тока нагрузки снижаются поток, сцепляющийся с вторичной обмоткой, и вторичное напряжение, что и объясняет получение падающей внешней характеристики.
3.3.4. Регулирование режима в трансформаторе с увеличенным рассеянием
Общий принцип регулирования поясним, решив уравнение (3.80) относительно тока I2 с учетом равенства U2 =: Ud-
i2 = (3.85)
Из этого соотношения следует, что при неизменном напряжении дуги U$ принципиально возможны всего два варианта регулирования тока — изменением напряжения холостого хода U2x и собственного сопротивления трансформатора Хт.
Для того чтобы разобраться в физических принципах регулирования режима, выведем зависимость Ху от параметров трансформатора. Напомним, что Хт = X* + Х2, а индуктивные сопротивления обмоток Xi и Х2 по соотношениям Е± рас = /1X1, и Е2 рас = I2X2 служат эквивалентом действию противо-ЭДС Е\ рас и Е2 рас, вызванных потоками рассеяния Ф1 рас и Фграс- При подстановке в уравнение для£1рас (3.70) значения Ф1рас (3.66) получаем
л/2/i и)л юиЯ
Е1рас = 4,44^1 X"
1 рас 1 рас
При сопоставлении уравнения (3.72) с приведенной выше зависимостью получаем уравнение
cow?
Xt = (3.86)
рас
Подобным же образом из (3.67) и (3.71) получаем величину E2pac и Х2:
Я2рас = 4,44^2^^ =
^м2 рас ^м2 рас
Х2 = (3.87)
-™м2 рас
С учетом известных соотношений приведения параметров трансформатора к вторичной стороне (3.79)
, 9 (OU>? Ю9 <0109
х; = Хх/и2 = —1-----| = =—U (3.88)
-Гьм1 рас W । ^м1 рас
Сложив составляющие Хт из (3.87) и (3.88), получим
Хт = (awl (. (3.89)
у-П'м! рас ^м2 рас /
Большинство способов регулирования режима основано на изменении магнитного сопротивления на пути потоков рассеяния. Например, при уменьшении магнитного сопротивления 7?м рас по соотношению (3.89) увеличивается индуктивное сопротивление трансформатора Хт, а это по (3.85) приведет к уменьшению тока /2-
Дополнительно следует учитывать, что при уменьшении магнитного сопротивления на пути потоков рассеяния кроме увеличения индуктивного сопротивления Хт происходит еще и снижение ЭДС Е2 и напряжения
холостого хода U2X- Например, при уменьшении 7?мрас в 4 раза напряжение холостого хода снизится на 10%, поэтому ток снизится не в 4, а в 4,5 раза. Уменьшение же /?мрас в 8 раз приведет к снижению U2X на 20%, что заметно снизит надежность зажигания и устойчивость процесса, при этом ток снизится в 10 раз.
Для большинства из распространенных способов регулирования ниже приведено также физическое пояснение. Рассмотрим практические приемы регулирования режима.
Изменение числа витков первичной или вторичной обмотки (рис. 3.22). От части витков сделаны отпайки, так что при переключении проводов, соединяющих трансформатор с сетью и нагрузкой, фактически меняется число витков, участвующих в работе. При изменении числа витков первичной обмотки по соотношению (3.65) меняется напряжение холостого хода U2X и пропорционально ему вторичный ток I2 по (3.85). Например, при увеличении ток I2 уменьшается:
^1 U2x Щ •
Так же как у трансформатора с нормальным рассеянием (раздел 3.2.3), кратность изменения напряжения холостого хода не может превышать 2, поэтому и кратность регулирования тока лишь несколько более 2 (рис. 3.22,6).
Рис. 3.22. Витковое регулирование трансформаторов с увеличенным рассеянием
Еще менее эффективно изменение числа витков вторичной обмотки 1V2, поскольку оно оказывает на ток /2 два противоположных воздействия. С одной стороны, увеличение 1V2 приводит по (3.65) к увеличению U2X и должно бы способствовать увеличению тока /2- Но с другой стороны, по соотношению (3.89) возрастет индуктивное сопротивление Ху, что должно привести к снижению тока /2- Даже при удачном сочетании внешних характеристик трансформатора и нагрузки кратность регулирования тока не превышает 1,5 (рис. 3.22,в). При регулировании изменением числа
витков первичной обмотки приходится завышать сечение магнитопровода, а при регулировании по вторичной стороне — сечение обмоточного провода. Поэтому витковое регулирование используется редко и только в дополнение к другим способам.
Перемещение магнитного шунта (рис. 3.23,а). На пути потоков рассеяния Ф1 рас и Ф2 рас устанавливается пакет трансформаторного железа, который играет роль магнитного шунта 4, т. е. участка магнитной цепи, параллельного основному магнитопроводу 3. Магнитный шунт может перемещаться. Например, при выдвижении шунта из магнитопровода уменьшается площадь шунта 5Ш, по которой замыкаются потоки рассеяния, и возрастает магнитное сопротивление 4?мрас на их пути. Поэтому потоки Ф1 рас и Ф2Рас снижаются, зато возрастает поток Ф^2, сцепляющийся со вторичной обмоткой, что приводит к увеличению вторичного напряжения U2 и сварочного тока/2’
Зш Вмрас t РаС В => Ф^2 U2 I2 t .
[ Ф2 рас Ф J
Подмагничивание магнитного шунта (рис. 3.23,6). Магнитный шунт 4 может быть и неподвижным. В этом случае его сопротивление йМрас изменяется благодаря обмотке 5, питаемой постоянным током через регулировочный реостат. При увеличении тока управления возрастает и поток Фу, что приближает железо шунта к насыщению, т. е. приводит к увеличению его магнитного сопротивления 4?мрас. А это, как уже было показано выше, вызовет увеличение сварочного тока/2*
Изменение степени разнесения обмоток (рис. 3.23,в). Здесь катушка 2а вторичной обмотки находится на том же стержне, что и первичная обмотка 1, между ними установлена нормальная магнитная связь. Две другие катушки 26 и 2в разнесены с первичной обмоткой на разные стержни, их магнитная связь с первичной обмоткой ослаблена. Ступень малых токов получают при использовании последовательно соединенных катушек 26 и 2в. В другом варианте используют катушки с числом витков 2а и 26. При этом потоки рассеяния существенно снижаются, что приводит к увеличению сварочного тока.
Использование реактивной обмотки (рис. 3.23,г). Такая дополнительная обмотка 6 устанавливается на пути потоков рассеяния, в режиме нагрузки в этой обмотке наводится ЭДС
Дцоп = 4,44/п?дОП(Ф1рас +Ф2рас)*
При последовательном согласном соединении реактивной обмотки с вторичной, которое показано на рис. 3.23,г, их ЭДС складываются, что дает
а
д
Рис. 3.23. Магнитное регулирование трансформаторов с увеличенным рассеянием
ступень большого тока. При последовательном встречном включении их ЭДС вычитаются, в результате имеем ступень малого тока.
Перемещение обмоток (рис. 3.23,5). Первичная и вторичная обмотки могут находиться на одном стержне, но на значительном расстоянии друг от друга, в результате чего появляются большие потоки рассеяния <J>i рас и ®2pac- Регулирование режима в этом случае осуществляется изменением расстояния между обмотками. Например, при увеличении расстояния 10q увеличатся потоки рассеяния <3>i рас и Ф2рас, что в известном уже порядке вызовет уменьшение сварочного тока:
^об t (z" d?PaC ф£2 I2± .
(=> Ф2рас I J
Изменение соединения катушек первичной и вторичной обмоток (рис. 3.23,е). Если первичная и вторичная обмотки содержат каждая по две катушки, открывается еще одна возможность ступенчатого регулирования. В варианте I используется половина обмоток трансформатора — одна первичная и одна вторичная катушка, в этом случае сопротивление трансформатора Xti = Х[ + Х2. В варианте II две катушки первичной обмотки соединяются последовательно, две катушки вторичной обмотки соединены также последовательно. При этом индуктивные сопротивления двух половин трансформатора складываются, поэтому сопротивление трансформатора
Хт2 = 2Х; + 2Х2 = 2ХТ1
вдвое выше, чем в первом варианте, а ток — соответственно ниже. В варианте III катушки первичной обмотки соединены параллельно, также параллельно соединены и катушки вторичной обмотки. При параллельном соединении складываются уже не сопротивления, а проводимости двух половин
г = 1 = 2
Т3 Хтз Xi+X2'
Поэтому индуктивное сопротивление трансформатора
XT3 = (Xi+X2)/2 = XT1/2
вдвое ниже, чем в первом варианте, а ток — соответственно выше. При таком регулировании напряжение холостого хода не меняется. Общая кратность регулирования/2max//2min « ХТ2/ХТЗ = 4.
3.3.5. Трансформатор с подвижными обмотками
Принцип действия такого трансформатора иллюстрирует рис. 3.24. Наибольшее распространение получила конструктивная схема трансформатора со стержневым магнитопроводом 3, цилиндрическими первичной 1 и вторичной 2 обмотками, разбитыми каждая на две катушки. Подвижная обмотка (обычно вторичная) перемещается винтовым приводом 4. Основной поток трансформатора Фт замыкается по магнитопроводу, а потоки рассеяния Ф1рас и Ф2Рас — по воздуху в пространстве между первичной и вторичной обмотками.
Рис. 3.24. Конструктивная схема трансформатора с подвижными обмотками
Падающая внешняя характеристика у трансформатора с подвижными обмотками получается благодаря увеличенному магнитному рассеянию, вызванному размещением первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга.
Плавное регулирование режима, как уже отмечалось, производится благодаря перемещению подвижных обмоток. Ступенчатое увеличение тока осуществляется переключением катушек первичных и вторичных обмоток с последовательного на параллельное соединение. При кратности такого регулирования, равной 4, для стыковки двух диапазонов ступенчатого регулирования необходимо, чтобы и кратность плавного регулирования была равна 4. Тогда общая кратность регулирования составляет около 16. Упрощенное соотношение для расчета индуктивного сопротивления трансформатора при параллельном соединении катушек имеет вид:
Алпо = 2 • 1O-6ZZ>2 [ 1,6 + -£- ) (^1об + ^2об + ^об)«
\ ^ок /
В этом уравнении все геометрические размеры по рис. 3.24 приведены в сантиметрах. Видно, что зависимость сопротивления трансформатора от расстояния между обмотками линейная.
Регулирование тока у трансформатора с подвижными обмотками осуществляется за счет изменения его индуктивного сопротивления: плавно — перемещением обмоток, ступенчато — переключением соединения катушек параллельно или последовательно.
Трансформатор марки ТДМ-401 (У рал термосвар) является типичным примером серийной конструкции с подвижными обмотками (рис. 3.25). Он имеет стержневой магнитопровод 2, первичную 6 и вторичную 4 обмотки, переключатель диапазонов тока 12, регулятор тока 1, раму 8, колеса 7 и не показанный на рисунке кожух. Магнитопровод набран из холоднокатаной электротехнической стали марки 2412 толщиной 0,5 мм. Первичная и вторичная обмотки имеют по две катушки, расположенные попарно на стержнях магнитопровода. Цилиндрические катушки первичной обмотки намотаны алюминиевым проводом марки АПСД со стекловолокнистой изоляцией, пропитаны электротехническим лаком, неподвижно закреплены у нижнего ярма. Катушки вторичной обмотки намотаны «на ребро» алюминиевой шиной марки АДО, изолированы стекло лентой и также пропитаны лаком, они скреплены друг с другом с помощью пластмассовой обоймы 3. Перечисленные обмоточные и изоляционные материалы относятся к классу F, т. е. обеспечивают работоспособность при температуре их нагрева до 155°С. В обойму впрессована гайка, которая при вращении ходового винта обеспечивает перемещение всего пакета вторичных катушек, т. е. плавное регулирование сварочного тока. К обойме прикреплен также токоуказатель 5, перемещающийся по прорези шкалы на кожухе трансформатора. Ножевым переключателем изменяют соединение друг с другом катушек как первичной,
Рис. 3.25. Конструкция трансформатора Т ДМ-401
так и вторичной обмоток, получая два диапазона регулирования тока. На раме трансформатора имеются два байонетных разъема 9 для подключения сварочных проводов, сетевой штепсельный разъем 11 и болт заземления 10.
Рис. 3.26. Принципиальная схема (а) и внешние характеристики (б) трансформатора Т ДМ-401
Принципиальная электрическая схема трансформатора приведена на рис. 3.26,а. Для снижения помех радиоприему трансформатор снабжен емкостным фильтром из конденсаторов С1 и С2. На каждом стержне размещено по одной катушке первичной и вторичной обмотки. Каждая первичная катушка состоит из двух секций, например, Т.Н и Т.12 или Т.13 и Т.14. С помощью переключателя можно выполнить последовательное или параллельное соединение катушек как первичной, так и вторичной обмотки. Переключатель S показан в положении, обеспечивающем параллельное соединение катушки первичной обмотки Т.Н, Т.12 с катушкой Т.13, Т.14, а также параллельное соединение катушек Т.21 и Т.22 вторичной обмотки, что соответствует диапазону больших токов. Крайние внешние характеристики (рис. 3.26,6) для этого диапазона показаны сплошными линиями, левая соответствует верхнему положению вторичной обмотки, правая — нижнему ее положению, т. е. предельному сближению с первичной обмоткой. При другом положении переключателя попарнопоследовательно соединяются катушки первичной и вторичной обмотки — секция Т.Н катушки первичной обмотки соединяется последовательно с секцией Т. 13, а катушка вторичной обмотки Т.21 последовательно соединяется с катушкой Т.22, что обеспечивает диапазон малых токов. Внешние характеристики для этого случая изображены пунктиром на рис. 3.26,6. При таком соединении отключаются секции Т.12 и Т.14 первичных катушек, в результате чего напряжение холостого хода повышается, что благоприятно отражается на устойчивости процесса сварки при малых токах. Естественно, кратность ступенчатого регулирования при отключении секций Т.12 и Т.14 несколько снижается — с 4 (для схемы на рис. 3.23,е) приблизительно до 2,5. Поэтому и кратность плавного регулирования, достаточная для перекрытия диапазона ступенчатого регулирования, снижается приблизительно до 2,5-3, а это позволяет уменьшить ход подвижных обмоток и габариты трансформатора. Общая кратность регулиро
вания тока при этом около 7, что вполне достаточно по условиям сварки покрытыми электродами. На рис. 3.27 приведена регулировочная характеристика трансформатора и соответствующая ей зависимость сопротивления трансформатора от расстояния между обмотками Хт = /(/об)* Видно, что шкала регулятора 1г = ft/об) получается неравномерной.
Рис. 3.27. Регулировочные характеристики трансформатора Т ДМ-401
Разновидности трансформаторов. Современные трансформаторы с подвижными обмотками предназначаются только для ручной сварки покрытыми электродами (ММА). В соответствии с ГОСТ 95-77 при номинальном токе 125-250 А их делают переносными, а при токе 250-500 А — передвижными. Обычно используется стержневой магнитопровод, поскольку трансформатор с броневым сердечником получается тяжелее и дороже. Некоторые конструкции дополняются устройствами снижения напряжения холостого хода для работы в условиях повышенной электрической опасности, возбудителями или стабилизаторами дуги переменного тока (ИСГД) — для повышения надежности зажигания и устойчивости процесса, конденсаторной батареей — для повышения коэффициента мощности, вентилятором — для работы в тяжелых условиях при повышенной ПН. Если трансформатор предназначен для работы на монтаже или в быту, принимаются меры по снижению массы и стоимости, с этой целью используют витой ленточный магнитопровод и алюминиевые обмотки, снижают напряжение холостого хода до 45-60 В, уменьшают ПН до 20-25 %.
Сварочные свойства серийных трансформаторов промышленного назначения сравнительно высокие. Так, при испытании трансформатора марки ТДМ-401 при сварке электродами марки ОЗС-4 диаметром от 3 до 6 мм получены следующие результаты. Начальная длина дуги при зажигании достигает 5-15 мм, что гарантирует возбуждение дуги после 1-4 касаний. Обрывов дуги при сварке этими электродами практически не наблюдается. Перенос электродного металла смешанный (крупно-мелкокапельный) с частотой коротких замыканий каплями от 1 до 5 Гц. Коэффициент разбрызгивания электродного металла от 2 до 7 %. Разрывная длина дуги очень высокая — от 20 до 35 мм. Эта характеристика заметно лучше, чем у трансформатора с дросселем, где она составляет всего 10-15 мм.
Приведем также и косвенные характеристики сварочных свойств, получаемые при осциллографировании тока и напряжения (рис. 3.28), и особенно начальные участки этих осциллограмм (рис. 3.7). Видно, что кривая тока близка к синусоидальной. Скорость нарастания сварочного тока при переходе через нуль составляет 30-150 кА/с, а относительная скорость (di2/dt)3/(di2/dt)y = 0,6-0,8. Эти значения в 2-3 раза выше, чем у трансформатора с дросселем. Длительность повторного зажигания составляет всего 0,1-0,4 мс, тогда как у трансформатора с дросселем достигает 1-2 мс. Поэтому скорость восстановления проводимости межэлектродного промежутка в начале полупериода обратной полярности составляет 1000-6000 См/с (сименс в секунду), а для прямой полярности еще выше — 2000-8000 См/с.
Рис. 3.28. Осциллограммы тока и напряжения трансформатора ТДМ-401 при сварке электродами ОЗС-4: а — 0 3 мм, 100 А, 23 В; б — 0 5 мм, 200 А, 26 В
Улучшению сварочных свойств современных трансформаторов способствует отсутствие насыщения железа и снижение вихревых токов в магнитопроводе и арматуре трансформатора.
Технике-экономические показатели трансформатора ТДМ-401 приведены на рис. 3.29. Коэффициент полезного действия при номинальном режиме составляет 0,83, а при половинном токе достигает максимума — около 0,9. Таким образом, из всех типов источников трансформатор — самый экономичный. Коэффициент полезного действия исчисляется по соотношению
Рд = Рд.
Pl Рд Роб + Рст + Ркож
Полезную мощность, потребляемую дугой, можно определить по уравнению
Рд = Udl2^d, где искажение формы кривых тока и особенно напряжения учитывается с помощью коэффициента мощности дуги Xg = 0,85-0,95. Активная мощность Pi, потребляемая из сети, измеряется ваттметром. Она представляет собой сумму
Рис. 3.29. Технико-экономические показатели трансформатора ТДМ-401
полезной мощности Pg и потерь на нагрев обмоток Роб (около 6 %), на нагрев сердечника из-за вихревых токов и перемагничивания РСт (8 %), а также на нагрев кожуха из-за вихревых токов, индуктируемых в нем потоками рассеяния, Ркож (3%).
Коэффициент мощности для первичной стороны трансформатора представляет собой отношение активной и полной мощности
cos(p = Pi/Si =Pi/(/il71).
Коэффициент мощности можно вычислить и теоретически. При работе на линейную нагрузку и напряжении Ur = U2 составляющие этого уравнения можно определить следующим образом:
Р2 = UrI2, Р1=Р2ЛЪ Л = Ui = U2Xn,
поэтому
Ur cos <р = ——.
U2xl\
При нагрузке на дугу это значение умножим на коэффициент мощности дуги Хд и получим коэффициент мощности трансформатора
Видно, что cos (р не зависит от сварочного тока и пропорционален напряжению дуги. У трансформатора ТДМ-401 в номинальном режиме cos (р = 0,56 (рис. 3.29), это самый низкий коэффициент мощности среди основных типов источников, но вполне типичный для трансформаторов. Качество потребления энергии из сети можно улучшить, если параллельно первичной обмотке трансформатора подключить конденсаторную батарею.
Удельный расход электроэнергии, отнесенный к 1 кг расплавленного металла, составляет от 3 до 4 кВт • ч. Это очень низкий расход энергии, что положительно характеризует трансформаторы с подвижными обмотками.
Достоинства и недостатки трансформаторов связаны с особенностями их конструкции и электрических характеристик. Недостатком трансформаторов с подвижными обмотками является сильная вибрация подвижных частей — обоймы с обмотками и винтового привода, что ограничивает срок их службы. Кроме того, при механическом регулировании трудно обеспечить дистанционное и программное управление режимом сварки, невозможна стабилизация тока и напряжения. Однако несмотря на перечисленные недостатки эти трансформаторы получили самое широкое распространение в нашей стране как основной источник питания для ручной дуговой сварки из-за малого расхода активных материалов, неплохих сварочных свойств и технико-экономических показателей, простоты и дешевизны.
3.3.6. Трансформатор с подвижным магнитным шунтом
Принцип действия такого трансформатора рассмотрим по рис. 3.30. Он имеет неподвижные первичную 1 и вторичную 2 обмотки, стержневой магнитопровод 3 и подвижный магнитный шунт 4. Каждая обмотка имеет по две катушки, размещенные на разных стержнях. Потоки рассеяния Ф1 рас и Ф2 рас замыкаются через магнитный шунт.
Рис. 3.30. Конструктивная схема трансформатора с подвижным магнитным шунтом
Падающая характеристика у трансформатора с магнитным шунтом получается благодаря увеличенному рассеянию, вызванному размещением первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга и наличием магнитного шунта.
Магнитный шунт состоит из двух половин, сближающихся и удаляющихся друг от друга при работе винтового привода 5. При увеличении расстояния 1Ш между половинами шунта снижается площадь 8Ш, по которой замыкаются потоки рассеяния. В результате уменьшаются потоки рассеяния и индуктивное
сопротивление, что приводит к увеличению тока. Использование шунта из двух частей ускоряет настройку режима и снижает вибрацию подвижных частей, поскольку электродинамические силы, воздействующие на половины шунта с частотой 100 Гц, уравновешиваются друг другом. Индуктивное сопротивление трансформатора с магнитным шунтом при параллельном соединении катушек
Zu О
Первая составляющая уравнения соответствует минимальному сопротивлению трансформатора при полностью выдвинутом шунте (£ш = 0). Оно может быть определено так же, как у трансформатора с подвижными обмотками (см. раздел 3.3.5), но завышено приблизительно на 25 %, поскольку даже по выдвинутому шунту замыкается небольшой поток рассеяния. Вторая составляющая учитывает зависимость индуктивного сопротивления от магнитного сопротивления на пути потоков рассеяния через шунт. Магнитное сопротивление зависит от величины воздушного зазора 8 и площади перекрытия 5Ш магнитопровода шунтом:
Ступенчатое регулирование может выполняться переключением катушек первичной и вторичной обмоток на последовательное и параллельное соединение (рис. 3.23,е).
Регулирование режима в трансформаторе с магнитным шунтом осуществляется: плавно — перемещением магнитного шунта, ступенчато — переключением обмоток и изменением степени разнесения обмоток по стержням.
Конструкции трансформаторов с магнитным шунтом весьма многочисленны и разнообразны. Трансформатор марки СТШ-500 (ПАТОН, Киев) имеет конструктивную схему, приведенную на рис. 3.30. Ступенчатое регулирование тока в нем выполняется с помощью перемычек, установленных на доске зажимов вторичной обмотки. В диапазоне малых токов работает одна катушка вторичной обмотки, в диапазоне больших токов — две катушки, соединенные параллельно, что дает двукратное изменение тока. Вместе с плавным регулированием общая кратность получается около 5.
В конструкции, представленной на рис. 3.31,а, шунт имеет клиновую форму, при его перемещении меняется не только площадь Sm, но и зазор 8, что обеспечивает более равномерное регулирование тока. За рубежом выпускались трансформаторы с поворотным шунтом. Иногда шунт не имеет привода, а перемещается вручную, после чего фиксируется. Такая упрощенная конструкция уместна в трансформаторах монтажного или бытового назначения.
На рис. 3.31,6 показан трансформатор, имеющий броневой магнитопровод и по одной катушке первичной и вторичной обмотки. Шунт здесь состоит из двух клиновидных пакетов.
Известны конструкции (рис. 3.31,в), в которых ступенчатое регулирование выполняется изменением степени разнесения обмоток по стержням. В диапазоне больших токов используются секции 2а и 26 вторичной обмотки, а для получения диапазона малых токов — секции 26 и 2в. Такая конструкция позволяет снизить массу магнитопровода у трансформатора с широким диапазоном
Рис. 3.31. Разновидности трансформаторов с подвижным магнитным
шунтом (нумерация частей как на рис. 3.30)
регулирования. Здесь шунт монолитный, т. е. вдвигается в окно только с одной стороны. Это проще, но менее эффективно в сравнении с конструкцией, приведенной на рис. 3.30.
Трансформаторы с магнитным шунтом практически не уступают трансформаторам с подвижными обмотками ни по сварочным свойствам, ни по массо-габаритным характеристикам, ни по технико-экономическим показателям.
3.3.7. Трансформатор с подмагничиваемым шунтом
Такой трансформатор, предназначенный для механизированной сварки под флюсом (рис. 3.32), имеет стержневой магнитопровод 3 и неподвижный шунт 4 также стержневого типа. Магнитное сопротивление шунта регулируется с помощью обмотки управления 5, питаемой постоянным током. Первичная обмотка 1, состоящая из двух параллельно соединенных катушек, закреплена у верхнего ярма. Вторичная обмотка 2 состоит из трех частей, по две параллельно соединенных катушки в каждой: катушки 2а расположены рядом с первичной обмоткой, а катушки 26 и 2в отделены от первичной обмотки магнитным шунтом. Поэтому потоки рассеяния весьма велики.
Падающая характеристика у трансформатора с подмагничиваемым шунтом получается благодаря увеличенному рассеянию, вызванному размещением первичной и вторичной обмоток (или части последней) на значительном расстоянии друг от друга и наличием магнитного шунта.
Рис. 3.32. Конструктивная (а) и электрическая (б) схемы трансформатора с подмагничиваемым шунтом
б
Основной способ регулирования режима заключается в изменении индуктивного сопротивления трансформатора при изменении магнитного сопротивления шунта. Например, увеличение тока управления /у приведет к увеличению магнитного сопротивления шунта, а это, как было показано выше, вызовет уменьшение индуктивного сопротивления трансформатора и увеличение сварочного тока.
Ступенчатое регулирование обеспечивается переключением отдельных частей вторичной обмотки. Возможны два варианта соединения катушек: в первом варианте используются части 2а и 26, когда нагрузка подключается к выводам XI и Х2, во втором — используются части 26 и 2в, для чего нагрузку подключают к выводам Х2 и ХЗ. Заменяемые части вторичных обмоток 2а и 2в одинаковы по числу витков, поэтому напряжение холостого хода трансформатора при переключении почти не меняется. Зато существенно меняется индуктивное сопротивление трансформатора, поскольку Х2а Х2В. Таким образом, при переходе ко второму варианту ток снижается приблизительно в 2 раза. Обмотка управления у трансформатора для механизированной сварки под флюсом обычно питается от регулятора, позволяющего плавно регулировать сварочный ток, стабилизировать его при колебаниях напряжения сети, осуществлять как местное, так и дистанционное управление, в том числе в процессе сварки.
Трансформаторы с подмагничиваемым шунтом входят также в состав установок для аргоно-дуговой сварки вольфрамовым электродом. В этом случае для ступенчатого регулирования переключают обмотки на последовательное и параллельное соединение, предусмотрено также плавное снижение тока в конце сварки для заварки кратера.
Регулирование режима в трансформаторе с подмагничиваемым шунтом выполняется: плавно — изменением тока в обмотке управления шунта, ступен
чато — изменением соединения частей разнесенных обмоток и переключением на последовательное и параллельное соединение.
Главное достоинство трансформатора с подмагничиваемым шунтом в сравнении с описанным ранее трансформатором с механическим регулированием шунта — отсутствие подвижных частей и, следовательно, более высокая надежность. Он обладает и всеми другими достоинствами электрического регулирования — малая инерционность, простота программного и дистанционного управления, стабилизация режима и т. д.
3.3.8. Трансформатор с реактивной обмоткой
Иногда возникает необходимость в дешевом трансформаторе с низкой ПН и узким диапазоном регулирования, например, при сварке на монтаже или в быту. Такой простейший трансформатор (рис. 3.33) имеет стержневой магнитопровод 3, первичную 1 и вторичную 2 обмотки, разнесенные на разные стержни. Поэтому потоки рассеяния замыкаются не только по лобовым поверхностям и в окне магнитопровода, но еще и по воздуху между верхним и нижним ярмами (Ф1яр и Ф2яр)« Такую конструкцию называют трансформатором с ярмовым рассеянием.
Рис. 3.33. Конструктивная (а) и электрическая (б) схемы трансформатора с реактивной обмоткой
Трансформатор с обмотками, размещенными на разных стержнях, имеет падающую внешнюю характеристику благодаря увеличенному магнитному рассеянию в окнах и через ярма магнитопровода.
Для регулирования режима используют реактивную обмотку 4, сцепляющуюся с потоками ярмового рассеяния. На рис. 3.33,6 показано, что с помощью переключателя S эта обмотка последовательно соединена с вторичной. В режиме холостого хода потоки рассеяния невелики, поэтому реактивная обмотка не
влияет на напряжение холостого хода (Ux = £2)* В режиме нагрузки потоки ярмового рассеяния наводят в реактивной обмотке дополнительную ЭДС
-^доп = 4,44/1/?дОП(Ф1Яр + Ф2яр)*
В зависимости от положения переключателя ЭДС вторичной и дополнительной обмотки будут складываться или вычитаться. Таким образом, с помощью переключателя S можно установить три ступени регулирования: в положении I получается ступень большого тока при согласном соединении вторичной и реактивной обмоток, в положении II — ступень малого тока при встречном соединении, в положении III — ступень среднего тока при отключенной реактивной обмотке. При секционировании реактивной обмотки число ступеней увеличивается. Индуктивное сопротивление трансформатора с реактивной обмоткой зависит от числа витков и>доп реактивной обмотки и варианта ее включения:
Хтро = (wf ± 0,751г2Шдоп + 0,5»дОП) .
Реактивная обмотка может также включаться последовательно с первичной, в этом случае при их согласном соединении сварочный ток уменьшается.
По схеме на рис. 3.33 изготовляется монтажный трансформатор ТСМ-250. Кроме трех ступеней грубого регулирования, он имеет еще и плавное регулирование навивкой сварочного кабеля 5 в ту или иную сторону до четырех витков вокруг кожуха трансформатора. Разумеется, реактивная обмотка может устанавливаться и на пути потоков рассеяния в окне магнитопровода (рис. 3.23,г) или наматываться на магнитный шунт.
Регулирование режима в трансформаторе с реактивной обмоткой выполняется ступенчато изменением ее соединения с первичной или вторичной обмоткой, а также за счет ее секционирования.
3.3.9. Трансформатор с разнесенными обмотками
Простейший трансформатор с разнесенными на разные стержни обмотками может регулироваться и за счет изменения числа витков первичной или вторичной обмотки. К сожалению, при этом одновременно меняется и напряжение холостого хода. Как было показано в разделе 3.3.4, кратность такого регулирования не превышает 2. Поэтому витковое регулирование только за счет изменения числа витков обмоток в серийных конструкциях не применяется. Заметный эффект достигается при совмещении виткового регулирования с изменением степени разнесения обмоток по стержням.
На рис. 3.34 показан трансформатор, у которого вторичная обмотка разнесена на разные стержни, тогда как первичная расположена только на левом стержне. Магнитная связь первичной обмотки с левой катушкой вторичной обмотки хорошая, а с правой — слабая. С помощью переключателя S изменяется степень разнесения работающих частей вторичной обмотки по стержням. При верхнем положении переключателя в работе участвует вся левая катушка 2а и только часть правой катушки. При нижнем положении работает только правая
Рис. 3.34. Конструктивная схема трансформатора с витковым регулированием
катушка 26. При этом потоки рассеяния трансформатора увеличиваются, что приводит к увеличению его индуктивного сопротивления и снижению тока.
Заметим, что при таком регулировании тока уменьшение числа участвующих в работе витков левой катушки сопровождается увеличением числа витков правой катушки, поэтому напряжение холостого хода почти не меняется.
По схеме (рис. 3.34) изготовляется трансформатор марки ТСБ-145 (Искра) на три ступени регулирования, он снабжен вентилятором и втычным переключателем ступеней.
3.3.10. Резонансный источник
Как показано в разделе 3.1.4, в благоприятных условиях сварки трансформатор с увеличенным рассеянием при достаточной индуктивности обеспечивает непрерывное горение дуги при Uq < 0,76172. Еще лучший результат достигается при последовательном включении с таким трансформатором конденсаторной батареи (см. раздел 3.1.5). При близости значений индуктивного Xl == со£ и емкостного сопротивлений Хс = 1 /соС наблюдается явление резонанса напряжений, в результате амплитудные значения напряжений ULm и Ucm могут оказаться даже выше, чем амплитуда напряжения холостого хода трансформатора (рис. 3.5). А это приведет к существенному повышению устойчивости, поскольку, как выведено в разделе 3.4, для гарантированного повторного зажигания дуги должно быть ULm > U3. Правда, при резонансе сопротивление Xl — Хс = О, и, следовательно, такой резонансный источник имеет жесткую внешнюю характеристику, что неприемлемо для большинства способов сварки. Как показывает анализ, наибольший эффект с точки зрения повторного зажигания наблюдается при соотношении Xl/Xc = 0,75, т.е. вблизи резонанса, но с преобладанием емкостного сопротивления. В этом случае непрерывное горение достигается при Uq < 1,161/2, т.е. сварочном напряжении в 1,5 раза большем, чем при использовании только трансформатора с увеличенным рассеянием. А при неизменном
напряжении дуги Uq это позволяет в 1,5 раза снизить напряжение холостого хода трансформатора и почти во столько же раз его размеры и стоимость.
При установке мощной конденсаторной батареи во вторичную цепь трансформатора с увеличенным рассеянием внешняя характеристика такого источника имеет вид
и2 = и2. - Д2(ХТ - Хс), а регулирование режима определяется соотношением
и может выполняться как изменением индуктивности, так и емкости.
Резонансный источник марки РСИ-153 (ЭПИС, Киев) предназначен для работы в бытовых или ремонтно-монтажных условиях и имеет в своем составе трансформатор Т и батарею конденсаторов С1-С20 (рис. 3.35). Понижающий трансформатор Т выполнен с повышенным ярмовым рассеянием, с этой целью первичная и вторичная обмотки размещены на разных стержнях. Благодаря секционированию первичной обмотки с помощью переключателя S1 получены два диапазона регулирования тока. Используются конденсаторы с оксидным диэлектриком (старое название — электролитические) марки К50 — 20-2000 мкФ — 50 В. Для надежной работы в цепи переменного тока такие полярные конденсаторы приходится соединять попарно встречно-последовательно (плюс к плюсу), но в результате емкость такой пары снижается вдвое — до 1000 мкФ. Конденсаторная батарея состоит из трех частей: постоянно включенной секции С1-С12, подключаемой с помощью переключателя S2 секции С13-С16, а также подключаемой переключателем S3 секции Cl 7-020, так что общая емкость батареи составляет 10 000 мкФ. При подключении большего количества секций емкость батареи увеличивается, поэтому ток растет.
Сетевое напряжение подается от зажимов XI и Х2 через плавкий предохранитель F и переключатель S1 на трансформатор Т. Двигатель М служит для вращения вентилятора. Зеленый светодиод VDH1 сигнализирует о включении источника в сеть, а красный светодиод VDH2 загорается при сварке, т.е. подтверждает нормальную работу конденсаторной батареи. Защита конденсаторов выполнена с помощью резисторов /?3-В8.
Внешние характеристики источника (рис. 3.35,#) сняты для четырех ступеней, полученных при таких сочетаниях включения SI, S2 и S3, которые обеспечивают согласование друг с другом сопротивлений Хт и Хс- Видно, что напряжение холостого хода составляет всего 34-42 В, но в резонансном источнике этого вполне достаточно для обеспечения устойчивого процесса сварки электродами диаметром от 2 до 4 мм с рутиловым покрытием. Наклон характеристик невелик, поэтому относительные отклонения тока при сварке достигают 20 %, а ток короткого замыкания превышает сварочный в 1,5-1,8 раза, что приводит к чрезмерной интенсивности процессов при зажигании дуги и при крупнокапельном переносе электродного металла.
Осциллограммы тока и напряжения при сварке (рис. 3.35,в, г) имеют своеобразный вид. В кривой тока обнаруживается начальный пик, объясняющийся
Рис. 3.35. Резонансный источник РСИ-153: а — принципиальная схема; б — внешние характеристики; в — осциллограммы тока и напряжения (электрод ОЗС-12, 0 2 мм, 80 А, 21 В); г — осциллограммы тока и напряжения (электрод ОЗС-4, 0 4 мм, 120 А, 22 В)
разрядом конденсаторов на дугу и облегчающий повторное зажигание. На кривой напряжения иногда обнаруживаются пики напряжения повторного зажигания. Они возникают либо при сварке на заниженном токе (120 А вместо 160 А для электрода диаметром 4 мм, как показано на рис. 3.35,г), либо при чрезмерном удлинении дуги (до 2-3 диаметров электрода). Но и при таких неблагоприятных режимах высокая устойчивость обеспечивается именно подпиткой дуги от конденсаторной батареи. Высокая эластичность дуги — важное достоинство резонансного источника РСИ-153. У него разрывная длина дуги составляет от 7 до 12 мм, что достаточно много для бытового источника.
Отметим и другие специфические свойства резонансного источника. При нагрузке сильно насыщается тот стержень магнитопровода, на котором располагается вторичная обмотка. Это ограничивает верхний предел регулирования тока и несколько ухудшает условия повторного зажигания. Но есть в этом явлении и полезный эффект, поскольку особенно усиливается насыщение в режиме короткого замыкания. При этом первичный ток резко снижается и оказывается даже ниже номинального первичного — Дк = (0,5-0,7)IiHOm, тогда как у обычных сварочных трансформаторов первичный ток короткого замыкания значительно больше номинального — /1К = (1,1-2,0)/1ном- Поэтому полезно использование резонансного источника в цепях ограниченной мощности, и в частности при эксплуатации неопытным сварщиком.
Основными достоинствами резонансных источников считают их малые массу, размеры и стоимость, а также высокое качество потребления энергии (высокие КПД и коэффициент мощности). Оценивая экономичность резонансных источников в целом, следует учитывать, что выигрыш на стоимости трансформатора сопровождается проигрышем на конденсаторной батарее. Пока экономически оправдано использование батареи емкостью не более 20 000 мкФ в источниках на ток не более 200 А. К их основным недостаткам следует отнести ограниченную мощность и относительно низкую надежность. Например, источник может выйти из строя, если переключать конденсаторную батарею под нагрузкой. Кроме того, конденсаторы с оксидным диэлектриком имеют ограниченную работоспособность при низких температурах.
Другие разновидности трансформаторов с конденсаторной батареей отличаются номинальным током (не более 300 А), количеством ступеней регулирования. Иногда они дополняются параллельной цепью подпитки или обеспечиваются фазовым управлением (см. раздел 3.4). Известны конструкции с включением конденсаторов в цепь первичной обмотки трансформатора. Ранее широко использовались схемы с преобладанием не емкостного, а индуктивного сопротивления.
3.3.11. Трансформатор с импульсным стабилизатором
Импульсный стабилизатор горения дуги (ИСГД) представляет собой генератор пиковых импульсов высокого напряжения, подаваемых на дугу в момент перехода тока через нуль. Благодаря этому обеспечивается надежное повторное зажигание дуги, что и гарантирует высокую устойчивость горения дуги переменного тока.
Стабилизатор дуги марки СД-3 (ПАТОН, Киев) подключается к дуге параллельно основному источнику — трансформатору G (рис. 3.36). Его основными частями являются трансформатор питания Г, коммутирующий конденсатор С и тиристорный коммутатор FS1, VS2 с системой управления А. Сначала проанализируем его работу при холостом ходе сварочного трансформатора. В начале полупериода открывается тиристор VS1, в результате по цепи, показанной тонкой линией, пройдет импульс тока. При этом согласно действующие ЭДС трансформатора Т и источника G создают на конденсаторе заряд с полярностью, указанной
б е г б
с1
Рис. 3.36. Трансформатор с импульсным стабилизатором горения дуги
на рисунке. Ток зарядки конденсатора нарастает до тех пор, пока напряжение на нем не сравняется с суммарным напряжением трансформатора Т и источника G. После этого ток начинает спадать, что вызовет появление в цепи ЭДС самоиндукции, стремящейся сохранить ток неизменным. Поэтому зарядка конденсатора С будет продолжаться и далее, пока напряжение на конденсаторе не достигнет двойного напряжения питания. Напряжение заряда конденсатора, приложенное к KS1 в обратном направлении, закроет тиристор. Во втором полупериоде открывается тиристор VS2, и импульсный ток пойдет в противоположном направлении. В этом случае импульс будет уже мощнее, поскольку он вызывается согласным действием ЭДС трансформаторов Т и G, а также напряжения заряда конденсатора С. В результате произойдет перезарядка конденсатора до еще более высокого уровня. Такой резонансный характер перезарядки позволяет получить на межэлектродном промежутке стабилизирующие импульсы напряжения с амплитудой около 200 В при сравнительно низком напряжении трансформатора питания около 40 В (рис. 3.36,6). Частота генерирования импульсов 100 Гц. На межэлектродный промежуток подается также напряжение от основного источника (рис. 3.36,г). При указанной на рис. 3.36,а фазировке трансформаторов Т и G полярности напряжений, подаваемых на межэлектродный промежуток от основного источника (показано пунктирной линией) и от стабилизатора (тонкая линия), противоположны. Такое включение стабилизатора названо встречным. На рис. 3.36,в показано напряжение на межэлектродном промежутке при совместном действии стабилизатора и основного источника.
Если сменить фазировку основного трансформатора G или стабилизатора, то полярности напряжений на дуге от основного источника и от стабилизатора будут совпадать (рис. 3.36,д). Такое соединение называется согласным, оно используется в конструкции других стабилизаторов. Повторное зажигание происходит в момент подачи стабилизирующего импульса, обычно время зажигания не превышает 0,1 мс.
При встречном включении стабилизирующий импульс, хоть и не совпадает по направлению с напряжением трансформатора G, также способствует повторному зажиганию (рис. 3.36,в). В то же время на рис. 3.36,а видно, что часть импульсного тока, проходящая по вторичной обмотке G (тонкая линия), совпадает с собственным током этой обмотки (пунктирная линия) и поэтому не препятствует быстрому нарастанию ее тока до необходимой для повторного зажигания величины. Размеры и масса стабилизатора со встречным*включением меньше, а диапазон стабилизируемого сварочного тока шире в сравнении со стабилизатором согласного включения.
В режиме нагрузки рассмотренные процессы будут иметь такой же характер, но амплитуда импульсов напряжения несколько снизится. Для эффективной работы стабилизатора большое значение имеет синхронизация его запуска с моментом перехода сварочного тока через нуль. В системе управления А с этой целью используется обратная связь по напряжению дуги U$. После перехода напряжения через нуль стабилизатор с небольшой заданной задержкой подаст импульс на дугу.
Стабилизатор СД-3 может быть использован как при ручной сварке покрытым электродом, так и при сварке алюминия неплавящимся электродом. Система управления запускает стабилизатор только после зажигания дуги. После обрыва дуги он работает не более 1 с, что повышает безопасность труда.
Описанный автономный стабилизатор может использоваться в комплекте с любым трансформатором для ручной сварки с напряжением холостого хода не ниже 60 В, при этом устойчивость дуги повышается настолько, что становится возможна сварка на переменном токе электродами с фтористо-кальциевым покрытием, у которого стабилизирующие свойства считаются низкими.
Более эффективно использование стабилизаторов, встроенных в корпус источника. Благодаря использованию импульсного стабилизатора стало возможным снижение напряжения холостого хода трансформаторов до 45 В. А это в свою очередь резко снизило потребляемый из сети ток и массу трансформаторов. В отличие от автономных встроенный стабилизатор запускается с помощью двойного управления — не только за счет обратной связи по напряжению, но еще и по току. Это повышает надежность его работы, в частности предотвращает ложные срабатывания при коротких замыканиях каплями электродного металла.
3.4. Трансформаторы с фазовым управлением
3.4.1. Принципиальная схема тиристорного трансформатора
Тиристорным трансформатором (рис. 3.37) принято называть комбинацию собственно трансформатора Т и полупроводникового регулятора VI, V2 с системой управления. Трансформатор служит для понижения сетевого напряжения до необходимого при сварке, иногда также используется для получения необходимой внешней характеристики и регулирования тока или напряжения. Но обычно две последние функции — формирование характеристики и настройка режима — выполняются полупроводниковым регулятором. Фазовое управление, отличающее тиристорный трансформатор от ранее рассмотренных трансформаторов с амплитудным регулированием, осуществляется именно этим регулятором.
Рис. 3.37. Тиристорный трансформатор: электрическая схема (а), осциллограммы для трансформатора с нормальным (б) и увеличенным (в) рассеянием
Регулятор может устанавливаться как в первичной, так и во вторичной цепи трансформатора, поэтому его коммутирующие элементы V1 и V2 должны быть рассчитаны на большой ток. Для этого чаще всего используются силовые управляемые вентили — тиристоры. В состав регулятора входят также блок фазового управления (БФУ), формирующий импульсные сигналы для включения тиристоров, и блок задания (БЗ), с помощью
которого настраивают необходимое значение тока или напряжения. При высоком коэффициенте усиления тиристоров фазовое управление трансформатором выполняется с помощью блоков БФУ и БЗ, собранных из слаботочных элементов. Это придает источнику много ценных свойств. При электрическом регулировании у трансформатора отсутствуют подвижные части, уменьшаются размеры регулировочных устройств, легко осуществляется дистанционное и программное управление режимом, формируются любые внешние характеристики, обеспечивается снижение напряжения до безопасного при длительном холостом ходе.
3.4.2. Регулирование режима в тиристорном трансформаторе
Принцип фазового управления проанализируем при работе трансформатора с нормальным рассеянием на линейную активную нагрузку (рис. 3.37). Здесь регулятор включен в цепь вторичной обмотки и имеет два встречно-параллельно соединенных тиристора. При таком соединении один из тиристоров проводит ток в одну сторону, другой — в другую. Поэтому, хотя по каждому тиристору идет выпрямленный ток, в цепи дуги он переменный (рис. 3.37,6). Предположим, что в первом полупериоде на нижнем зажиме вторичной обмотки трансформатора имеется положительный потенциал, тогда ток может пропускать тиристор VI, анод которого соединен с этим зажимом. Однако тиристор начнет пропускать ток не с момента t$, а с задержкой на угол а в момент ti, когда на его управляющий электрод придет сигнал на отпирание от БФУ. Выключается тиристор только при исчезновении положительного потенциала на его аноде, т. е. в момент t2- Во втором полупериоде с такой же задержкой на угол а в момент включается тиристор V2, выключится он в момент t±. На рис. 3.37,6 толстой линией показана кривая иИ = f(t) тиристорного трансформатора, отличающаяся от синусоиды вторичного напряжения U2 = f(t) собственно трансформатора Т.
Среднее напряжение тиристорного трансформатора удобно вычислить за полупериод:
л
ии = У U2m sino)td(cot) = -^^(1 + cos а), а
С увеличением угла управления а интервал проводимости тиристора X сократится, и вместе с ним уменьшится напряжение на выходе тиристорного трансформатора 1/И и сварочный ток I2'
a t=> X ии I2 4- •
Фазовое регулирование режима в тиристорном трансформаторе заключается в изменении угла включения тиристоров, в результате чего изменяется напряжение трансформатора, подаваемое на нагрузку.
Поскольку кратность фазового регулирования тока обычно не превышает 2, его дополняют ступенчатым по любому из ранее описанных вариантов (рис. 3.22 и 3.23).
Фазовое регулирование, обладая всеми достоинствами электрического регулирования, имеет и недостатки. Один из них заключается в том, что для коммутирования сварочного тока приходится использовать дорогие мощные тиристоры или увеличивать их число для установки на параллельную работу. Этот недостаток устраняется включением тиристоров в первичную цепь трансформатора (рис. 3.39,а). Главный же недостаток заключается в снижении устойчивости горения дуги переменного тока. Действительно, в интервале £o~£i (рис. 3.37,6), длительность которого может достичь 10 мс, межэлектродный промежуток остывает даже более значительно, чем у ранее рассмотренных трансформаторов с амплитудным регулированием, где время повторного зажигания 0,1-3 мс. Это сильно затрудняет повторное зажигание, особенно при больших углах а. Для устранения этого недостатка используют трансформаторы с увеличенным рассеянием, применяют цепи подпитки, устанавливают параллельно трансформатору импульсный стабилизатор.
Трансформатор с увеличенным рассеянием предпочтителен в конструкции тиристорного трансформатора, что иллюстрируется осциллограммой (рис. 3.37,в). Дело в том, что при значительной индуктивности трансформатора (Хт 7^ 0)ток хотя и нарастает с момента t\ сравнительно плавно, но сохраняется и после перехода напряжения через нуль. В результате снижается бестоковая пауза и увеличивается интервал проводимости тиристора X, т. е. кривая тока приближается по форме к синусоиде, и устойчивость горения дуги повышается.
Цепь подпитки (рис. 3.38) обеспечивает непрерывный сварочный ток и устойчивое горение дуги благодаря заполнению бестоковой паузы £о_^1 с помощью маломощного вспомогательного источника. Для этой цели кроме основной вторичной обмотки Т.21 может использоваться дополнительная вторичная обмотка Т.22 с относительно высоким напряжением и большим индуктивным сопротивлением, вызванным большим магнитным рассеянием или включением дросселя L в ее цепь (рис. 3.38,а). При большой индуктивности цепи подпитки кривая ее тока £Пп сдвинута относительно и 2 на угол фп, сила тока подпитки должна составлять Inn = Ю-30 А (рис. 3.38,6). Возможна подпитка за счет шунтирования тиристоров дросселем, индуктивное сопротивление которого в 5-10 раз выше сопротивления трансформатора. Если тиристорный регулятор уста-
Рис. 3.38. Электрическая схема (а) и осциллограммы (б) тиристорного трансформатора с цепью подпитки
новлен в цепи первичной обмотки, то подпитка выполняется вспомогательным трансформатором.
Импульсная стабилизация (рис. 3.39) как метод повышения устойчивости горения дуги наиболее распространена. Кроме основного трансформатора Т1 здесь имеется еще импульсный Т2 с коэффициентом трансформации около 1. При включении любого из тиристоров VI или У2 по первичной цепи трансформатора Т2 проходит кратковременный импульс зарядного тока конденсатора С1, который наводит во вторичной обмотке Т2 стабилизирующий импульс тока /и. Достаточный для надежного повторного зажигания импульс напряжения при холостом ходе достигает 500 В, а при нагрузке может иметь амплитуду тока 100 А при длительности до 0,1 мс. Поскольку момент подачи импульса совпадает с моментом включения очередного тиристора, цепь импульсной стабилизации не
Рис. 3.39. Электрическая схема (а) и осциллограммы (б) тиристорного трансформатора с импульсной стабилизацией
нуждается в отдельной системе управления. Импульсная стабилизация возможна и при установке тиристоров в цепи вторичной обмотки, хотя и требует более сложного схемного решения.
3.4.3. Формирование внешних характеристик в тиристорном трансформаторе
У тиристорного трансформатора различают естественные и искусственные внешние характеристики.
Естественные падающие характеристики получаются при использовании трансформатора с увеличенным (обычно нерегулируемым) рассеянием. Как было показано выше, такой трансформатор способствует и более устойчивому горению дуги. Семейство внешних характеристик такого трансформатора представлено на рис. 3.40 тонкими линиями. При этом наклон характеристик зависит от индуктивного сопротивления трансформатора и поэтому у всех характеристик одинаков, а напряжение холостого хода определяется углом регулирования а. Цепь подпитки обычно имеет нерегулируемую крутопадающую характеристику с напряжением холостого хода, более высоким, чем у основного трансформатора (показано пунктиром). В режиме холостого хода и при малом сварочном токе характеристика источника определяется цепью подпитки и только при более высоком токе — цепью с тиристорным регулятором. В целом же внешняя характеристика имеет вид ломаной кривой, показанной на рис. 3.40 толстой линией.
Рис. 3.40. Естественные внешние характеристики тиристорного трансформатора с увеличенным рассеянием и цепью подпитки
Искусственные внешние характеристики формируются за счет обратных связей по току и напряжению. Для получения падающих внешних характеристик систему автоматического регулирования тиристорного трансформатора дополняют отрицательной обратной связью по току (рис. 3.41). Датчик тока ДТ формирует сигнал, пропорциональный фактическому сварочному току {7ДТ = kl 2- Этот сигнал сопоставляется в блоке сравнения БС с сигналом U3T = kI3T блока БЗ, пропорциональным заданному значению тока. Разность двух сигналов С7ДТ — U3T = k(l2 — 1ЗТ) подается в блок фазового управления БФУ и воздействует на угол управления тиристоров а, а затем с помощью тиристорного блока ТБ и на напряжение ии источника. Например, при увеличении I2 угол а возрастает, что приводит к уменьшению напряжения источника (7И:
I2 t=^ С/дт (t/дт — ^зт) Т=^’ •
Рис. 3.41. Блок-схема (а) и внешние характеристики (б) тиристорного трансформатора с отрицательной обратной связью по току
На рис. 3.41,6 показано, как из естественных жестких характеристик собственно трансформатора формируется искусственная падающая внешняя характеристика. При холостом ходе отсутствует ток I2, и поэтому не действует обратная связь, следовательно, напряжение источника в точке 1 максимально (U2 = Ux). С ростом тока угол а постепенно увеличивается, и рабочая точка последовательно переходит в положения 2, 3, 4 и далее на все более низкие естественные характеристики.
При введении обратной связи по напряжению дуги или напряжению сети можно получить жесткие и к тому же стабилизированные (не зависящие от колебаний напряжения сети) внешние характеристики.
Необходимые внешние характеристики формируются в тиристорном трансформаторе: естественным образом — в зависимости от индуктивного сопротивления трансформатора, и искусственно — с помощью обратных связей по току и напряжению, вводимых в тиристорный регулятор.
3.4.4. Трансформатор с импульсной стабилизацией
Трансформаторы марки ТДФЖ-1002 и ТДФЖ-2002 (VELGA, Литва) (рис. 3.42) предназначены для механизированной сварки под флюсом. Они состоят из понижающего силового трансформатора Г, блока силовых тиристоров VI, V2, автоматического выключателя QF1, вентиляторам, блоков управления тиристорами А1 и А2, а также пускорегулирующей и защитной аппаратуры. В корпусе трансформатора предусмотрен отсек для встраивания аппаратуры управления сварочным аппаратом.
Трансформатор Т (рис. 3.42 Л) выполнен на стержневом магнитопроводе из электротехнической стали. Обмотки изготовлены из алюминиевого провода в трансформаторе ТДФЖ-1002 и медного — в трансформаторе ТДФЖ-2002. Катушки первичной 1а, 16 и вторичной 2а и 26 обмоток намотаны «на ребро» и установлены на стержнях на значительном расстоянии друг от друга. Поэтому естественные характеристики трансформатора — падающие. Реактивная обмотка состоит из двух катушек За и 36 и установлена между стержнями трансформатора на пути потоков рассеяния. При ее согласном последовательном включении с первичной обмоткой с помощью пластинчатого переключателя X получают диапазон малых токов.
Регулирование сварочного напряжения и формирование искусственной жесткой характеристики выполняется с помощью пары встречно-параллельно соединенных тиристоров VI и V2, Угол управления тиристоров (и напряжение на первичной обмотке трансформатора) задается блоком фазового управления А1 и блоком элементов А2 с цепями задания и обратной связи. С помощью регулировочного реостата R формируется напряжение задания 17зн. Кроме того, в блок элементов А2 поступает сигнал обратной связи по сварочному напряжению Uо. Разность между напряжениями задания и обратной связи (U3H — U$) подается на вход блока фазового управления А1. Блок предназначен для преобразования непрерывного сигнала в импульсы, синхронизированные с напряжением сети и отстающие от начала полупериода на необходимый угол. Увеличивая с помощью реостата R напряжение задания, уменьшают угол управления тиристоров и тем самым увеличивают сварочное напряжение.
Благодаря действию обратной связи при снижении сварочного напряжения разность ([7ЗН — Uо) возрастает, и, следовательно, угол управления уменьшается, а сварочное напряжение увеличивается, точнее, восстанавливается. Благодаря этому и получаются жесткие искусственные характеристики с оптимальным ри от —0,005 до —0,01 В/A из падающих естественных (рис. 3.42,в).
Для повышения устойчивости горения дуги введена цепь импульсной стабилизации, состоящая из дополнительных обмоток трансформатора 4а, 46 и конденсатора С. В момент включения тиристора У1 или V2 зарядный ток конденсатора С проходит по обмоткам 4а и 46 и наводит во вторичных обмотках 2а и 26
Рис. 3.42. Принципиальная схема (а), конструкция (б) и внешние характеристики (в) трансформатора ТДФЖ-1002
трансформатора импульс напряжения, достаточный для уверенного повторного зажигания дуги.
На лицевой панели трансформатора расположены автоматический выключатель цепей управления QF2, кнопки «пуск» S1 и «стоп» S2 вентилятора, тумблер S3 включения трансформатора, тумблер переключения управления с мест-
6-6955
ного на дистанционное, вольтметр PV, амперметр РА, подключенный к трансформатору тока ТА, сигнальная лампа и регулировочный реостат R. Для пуска трансформатора включают автоматические выключатели QF1 и QF2. При нажатии на кнопку «пуск» S1 с помощью магнитного пускателя К2 запускается двигатель вентилятора М. После включения тумблера S3 с помощью пускателя КЗ подается напряжение на блоки А1 и А2, в результате включаются тиристоры VI и V2 и появляется сварочное напряжение. По окончании сварки напряжение холостого хода удерживается не более 1 с. При неудовлетворительной вентиляции ветровое реле К1 отключит пускатель К2 и с его помощью снимет питание с цепей управления.
Сварочные свойства у тиристорных трансформаторов, если не принять специальных мер, оказываются хуже, чем у трансформаторов с амплитудным регулированием. Однако с помощью импульсной стабилизации удается получить вполне приемлемые показатели сварочных свойств. Например, при сварке покрытыми электродами марок МР-3 и АНО-4 вероятность начального зажигания составляет 70-80 %, разрывная длина дуги — 20-30 мм, а коэффициент разбрызгивания — 7-12 %. При сочетании ступенчатого и фазового регулирования в тиристорном трансформаторе один и тот же режим удается настроить в двух вариантах. Например, в первом варианте можно установить ступень малых токов и малый угол управления тиристоров, во втором — такой же ток получить на ступени высоких токов при большом угле управления. На рис. 3.43 приведены осциллограммы тока и напряжения при питании дуги под флюсом от трансформатора ТДФЖ-1002 во втором варианте настройки режима. Как видно, ток в этом случае носит неблагоприятный пульсирующий характер. Технологическими исследованиями установлено, что интервал проводимости тиристоров для устойчивого горения дуги должен быть не менее 120°. Это достигается, если угол управления установлен не более 90°. По этой причине кратность плавного регулирования напряжения должна быть не более 2.
Рис. 3.43. Осциллограммы тока и напряжения трансформатора ТДФЖ-1002
3.4.5. Трансформатор с подпиткой
Считается, что трансформаторы с подпиткой менее экономичны в сравнении с трансформатором с импульсной стабилизацией, поскольку требуют установки
дополнительных обмоток или дросселя. Поэтому они изготовляются только на малые токи. Кроме того, сварочные свойства у них несколько хуже из-за сравнительно низкой скорости нарастания тока подпитки. Правда, устойчивость процесса здесь не так сильно зависит от угла управления тиристоров. Поэтому кратность регулирования тока в таком трансформаторе может достигать 6-7.
Трансформатор марки ТДЭ-254 (рис. 3.44) выполнен как переносный. Тиристорный регулятор VI, V2 установлен в цепи первичной обмотки, состоящей из двух катушек. Параллельно коммутатору установлен дроссель L, его назначение, кроме подпитки, заключается еще и в формировании падающей характеристики. Действительно, при выключенных тиристорах первичная обмотка питается через дроссель с большим индуктивным сопротивлением, подобно тому как работает трансформатор с дросселем в цепи с вторичной обмоткой (раздел 3.2.3). При этом формируется крутопадающая характеристика 1 (рис. 3.44,0. При работающем тиристорном регуляторе большая часть первичного тока идет по нему, поэтому одновременно с увеличением напряжения холостого хода наблюдается уменьшение наклона характеристики 2. В этом случае ток по дросселю идет только в интервале до включения тиристоров, т. е. подпитывает основную дугу. Трансформатор может работать при напряжении питающей сети 220 и 380 В, с этой целью обе катушки его первичной обмотки секционированы.
Рис. 3.44. Принципиальная схема (а) и внешние характеристики (б) трансформатора ТДЭ-254
Известны трансформаторы с включением тиристорного регулятора в цепь вторичной обмотки. Иногда естественные характеристики формируются за счет неподвижных магнитных шунтов.
Раздел 4
Сварочные выпрямители
4.1. Общие сведения о сварочных выпрямителях
4.1.1. Устройство, классификация, достоинства
По конструкции силовой части выпрямители можно разделить на шесть групп (рис .4.1). Более ранняя и простая конструкция у выпрямителя, регулируемого трансформатором (рис. 4.1,а). Его силовая часть состоит из трансформатора Т, выпрямительного блока VD на неуправляемых вентилях и сглаживающего дросселя L. Трансформатор в такой схеме используется для понижения напряжения, формирования необходимой внешней характеристики и регулирования режима. Некоторое применение нашел выпрямитель с дросселем насыщения (рис. 4.1,6). Дроссель насыщения LS применяют для формирования внешней характеристики и регулирования режима. Более совершенны и распространены тиристорные выпрямители (рис. 4.1,в). Тиристорный выпрямительный блок VS за счет фазового управления моментом включения тиристоров обеспечивает
Рис. 4.1. Блок-схемы сварочных выпрямителей
регулирование режима, а при введении обратных связей по току и напряжению — также и формирование любых внешних характеристик. Иногда тиристорный регулятор KS устанавливают в цепи первичной обмотки трансформатора Т (рис. 4.1,г), тогда выпрямительный блок VD может быть собран из неуправляемых вентилей — диодов. Транзисторный регулятор VT, наоборот, устанавливают в цепи сварочного тока (рис. 4.1,3), с его помощью легко реализовать программное управление процессом сварки. Оригинальна схема инверторного источника (рис. 4.1 ,е). Инвертор UZ преобразует постоянное напряжение выпрямительного блока KD1 в высокочастотное переменное, которое затем понижается трансформатором Т и выпрямляется блоком VD2. Воздействуя на параметры инвертора, регулируют режим и формируют внешние характеристики выпрямителя. В состав любого выпрямителя входят также вентилятор, пускорегулирующая и контрольная аппаратура. Тиристорные, транзисторные и инверторные выпрямители имеют более сложные схемы управления с цепями формирования управляющих сигналов и обратных связей.
Выпрямители классифицируют также по типу внешних характеристик. При механизированной сварке в защитном газе и под флюсом для комплектования аппаратов, действующих по принципу саморегулирования дуги, применяют однопостовые выпрямители с жесткими характеристиками. Эти выпрямители имеют, как правило, трансформатор с нормальным рассеянием. Регулятор выпрямителя используется для настройки сварочного напряжения. В настоящее время используются следующие способы регулирования напряжения: витковое (выпрямитель с трансформатором с секционированными обмотками), магнитное (выпрямитель с трансформатором с магнитной коммутацией, выпрямитель с дросселем насыщения), фазовое (тиристорный выпрямитель), а также импульсное (частотное, широтное и амплитудное в выпрямителе с транзисторным регулятором и инверторном источнике).
Для ручной сварки предназначены выпрямители с падающими характеристиками. В современных отечественных конструкциях приняты такие способы формирования характеристик: увеличение сопротивления трансформатора (выпрямитель с трансформатором с подвижными обмотками, с магнитным шунтом или с разнесенными обмотками), использование обратной связи по току (тиристорный, транзисторный и инверторный источники). Требования к таким выпрямителям изложены в ГОСТ 13821-77 «Выпрямители однопостовые с падающими внешними характеристиками для дуговой сварки». Некоторые их параметры приведены в табл. 4.1 и 4.2.
Широко применяются также и универсальные выпрямители, обеспечивающие как жесткие, так и падающие характеристики.
Таблица 4.1
Технические характеристики выпрямителей для ручной дуговой сварки (по ГОСТ 13821-77)
Номинальный сварочный ток, А Номинальное рабочее напряжение, В Минимальный сварочный ток, А Минимальное рабочее напряжение, В Номинальная продолжительность нагрузки ПН, % Время цикла, мин
125 25 25 21
160 26 30 21
200 28 40 22 20, 35,60
250 30 45 22 5
315 32 50 22
400 36 80 23 60
500 40 100 24
Таблица 4.2
Технические характеристики выпрямителей для автоматической сварки под флюсом (по ГОСТ 13821-77)
Номинальный сварочный ток, А Номинальное рабочее напряжение, В Минимальный сварочный ток, А Минимальное рабочее напряжение, В Номинальная продолжительность включения ПВ, % Время цикла, мин
500 46 100 24 60 10
630 52 125 25
1000 56 300 26
1250 60 300 26 100
1600 66 600 30
2000 66 800 34
При сопоставлении с трансформаторами главными достоинствами сварочных выпрямителей как источников питания постоянного тока считают высокие надежность зажигания и устойчивость горения дуги. По сравнению с вращающимися источниками (преобразователями и агрегатами) выпрямители обладают следующими преимуществами: более высокий КПД, малые масса и габариты, отсутствие вращающихся частей, высокая надежность.
4.1.2. Конструкции трансформаторов в составе сварочных выпрямителей
В выпрямителе трансформатор выполняет функции понижения напряжения, а иногда еще формирования необходимой внешней характеристики и регулирования режима. Поэтому трансформаторы сварочных
выпрямителей имеют такое же устройство и принцип действия, как и трансформаторы, описанные в разделе 3. Однако однофазные трансформаторы используются в выпрямителях сравнительно редко.
Рассмотрим более подробно конструкции трехфазных трансформаторов (рис. 4.2). На каждом из трех стержней магнитопровода 3 обычно размещается по одной первичной 1 и одной вторичной 2 обмотке соответствующей фазы. Магнитопровод шихтуется (набирается) из отдельных П- или Ш-образных пластин толщиной 0,35 или 0,5 мм, изолированных лаком для уменьшения вихревых токов (рис. 4.2,а). Современные электротехнические стали допускают увеличение магнитной индукции до 1,6 Тл без насыщения вблизи стыков пластин. Находят также при
Рис. 4.2. Конструкции трехфазных трансформаторов с нормальным (а, б) и увеличенным (в, г) рассеянием
менение витые ленточные магнитопроводы (рис. 4.2,6), которые после навивки и скрепления лаком распиливают пополам, что существенно облегчает сборку и ремонт трансформатора. Лента из электротехнической стали позволяет увеличивать индукцию до 1,8 Тл, но магнитная связь трех магнитопроводов За, 36 и Зв из-за больших зазоров хуже, чем в шихтованном магнитопроводе, поэтому выигрыша на массе железа ленточный магнитопровод не дает. Цилиндрические первичные и вторичные обмотки навиваются обычно из алюминиевого изолированного провода, реже — из медного. Если вторичную обмотку концентрично разместить на первичной, то трансформатор имеет малое магнитное рассеяние и формирует жесткую внешнюю характеристику (рис. 4.2,а, 6). При размещении первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии друг от друга получают трансформатор с увеличенным рассеянием и падающей внешней характеристикой (рис. 4.2,в).
Магнитопроводы, изображенные на рис. 4.2,а, б, в, называют несимметричными. Действительно, магнитное сопротивление на пути потока, создаваемого обмотками фазы В, меньше, чем для фаз А и С, поэтому ток в фазе В выше остальных, а в кривой выпрямленного тока появляется гармоническая составляющая с частотой 100 Гц, накладывающаяся на основную с частотой 300 Гц. Симметричный магнитопровод (рис. 4.2,г) имеет более сложное устройство, дороже в изготовлении и поэтому не нашел широкого распространения.
4.1.3. 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 /Пр (рис. 4.3,в) сравнительно велик. Практически все напряжение сети приложено к нагрузке /?н (цяПр ~ и^), а падение напряжения на диоде ипр не превышает 1-2 В. В отрицательном полупериоде (рис. 4.3,6) диод включен в обратном направлении, его сопротивление резко возрастает, а ток /обр снижается почти до нуля (рис. 4.3,в). На нагрузку напряжение почти не подается (ur06p ~ 0), поскольку практически все напряжение сети приложено к разрыву цепи, образованному закрытым диодом (иобР « и~). Таким образом, если
Рис. 4.3. Диод в цепи переменного тока: а — прямое включение, б — обратное включение, в — осциллограммы тока и напряжения, г — динамическая вольт-амперная характеристика
пренебречь незначительным обратным током j06P, по нагрузке идет прерывистый ток одного направления — выпрямленный ток io = inp. Его усредненное за полный период значение /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 ипр невелико. Главным параметром, по которому из справочников выбирается диод, является его предельный ток 1Пред- Это максимально допустимое среднее за период значение длительно протекающего тока синусоидальной формы при частоте 50 Гц и однополу период ном выпрямлении. В сварочных выпрямителях используются диоды с предельным током 200, 320, 400, 500 А. Другой важной характеристикой диода является прямое падение напряжения (7Пр на вентиле при амплитудном значении л/Пред предельного тока. Прямое падение характеризует потери мощности на нагрев вентилей, от него зависит КПД выпрямителя.
На обратной ветви отметим довольно высокое пробивное напряжение £7Проб> измеряемое сотнями вольт, при котором происходит необратимое разрушение полупроводниковой структуры вентиля. Еще один справочный параметр вентиля — повторяющееся напряжение (7Повт- Это наибольшее мгновенное напряжение, прикладываемое к диоду в обратном направлении. При этом имеется в виду не только амплитудное значение
синусоидального напряжения Um (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 (С7ПОвт от 200 до 800 В). Допустимое обратное напряжение вентиля {7ДОп должно быть в 1,5 раза ниже повторяющегося {7ПОвт-
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 /пред вентиля 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 С7Повт«
5000
4000
3000
2000
1000
0,01 0,03 0,1 1 с
Рис. 4.4. Защита вентилей от перегрузок: а — ампер-секундная характеристика вентиля с 1Пред 320 А, б — обратное напряжение вентиля при включении защитной цепи RC
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 170бР = (1,5—2)С7Х. Для снижения перенапряжений параллельно вентилю подключают конденсатор (рис. 4.4,6). 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 ЯС-цепочки включают параллельно каждому плечу выпрямительного блока, а иногда и параллельно вторичным обмоткам трансформатора (рис. 4.19, 4.21, 4.61).
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 а, соответствующий моменту подачи импульса управления /у. Следовательно, среднее значение выпрямленного тока /Пр, пропорциональное заштрихованной площади, для тиристора меньше, чем для диода, и к тому же снижается при увеличении задержки включения:
ос /Пр Ф •
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,а). В ней транзистор используется для управления уже выпрямленным током. На вольт-амперной характеристике (рис. 4.6,6) видно, что с ростом тока базы Ig увеличивается и коллекторный ток 1Пр> подаваемый на нагрузку /?н. Усиление тока характеризуется коэффициентом передачи по току /?ут = /ПрДб, который у силовых транзисторов имеет порядок 10-
Рис. 4.5. Тиристор в цепи переменного тока: а — прямое включение, б — осциллограммы тока и напряжения, в — динамическая вольт-амперная характеристика
100. Интересно, что ток в нагрузке 7Пр почти не зависит от напряжения питания С7==, что ранее использовалось для параметрической стабилизации сварочного тока 1Пр- Однако в сварочных выпрямителях транзистор в режиме усиления (т. В) в настоящее время не используется. Дело в том, что при этом в эмиттерно-коллекторном переходе выделяется большое количество тепла, приводящее к его перегреву, увеличению статических потерь энергии и снижению КПД. Поэтому в современных силовых преобразователях при подаче импульса управления на базу /б max транзистор из исходного состояния отсечки (т. А) быстро переключается в состоя-
Рис. 4.6. Транзистор в цепи постоянного тока: а — прямое включение, б — регулировочная характеристика
ние насыщения (т. С), такой режим называется ключевым. Современные силовые транзисторы описаны в разделе 4.5.2.
В сварочных выпрямителях нашли применение вентили штыревого и таблеточного исполнения. У штыревого диода и тиристора (рис. 4.7,а) один вывод (анод или катод) выполнен в виде медного основания 1 с резьбой для присоединения к охладителю. Другой силовой вывод имеет форму гибкого медного провода 7 с наконечником. К основанию припаян вентильный элемент 2, представляющий собой пластинку монокристал-
Рис. 4.7. Устройство тиристора штыревого (а) и таблеточного (б) исполнения
ла кремния, спаянную с двумя вольфрамовыми термокомпенсирующими пластинами. С помощью металлокерамической крышки 5 и фторопластовой прокладки 3 вентильный элемент герметизируется. Внутренний силовой вывод 4 припаивается к вентильному элементу и центральному стержню 6 крышки, а уже в этот стержень запрессовывается гибкий вывод.
Конструкция тиристора в штыревом исполнении отличается от диода только наличием управляющего электрода 8. Вентили таблеточного исполнения (рис. 4.7,6) существенно компактней и легче, две плоские поверхности таблетки представляют собой анодный и катодный выводы и предназначены для присоединения к двустороннему охладителю. Охладитель представляет собой ребристую алюминиевую деталь, интенсивно отдающую тепло воздуху. Искусственное воздушное охлаждение с помощью вентилятора при скорости воздушного потока не менее 6 м/с позволяет увеличить токовую нагрузку на вентиль в 3 раза. Водяные охладители имеют отверстия для прохода проточной воды, с их помощью токовую нагрузку удается увеличить в 5 раз.
Приведем технические характеристики нескольких вентилей, используемых в сварочных выпрямителях. Кремниевый диод Д171-400-3 УХЛ2 — штыревого исполнения с гибким выводом катода на предельный ток 400 А и повторяющееся напряжение 300 В. Кремниевый диод Д143-800-6 УХЛ2 — таблеточного исполнения на предельный ток 800 А и повторяющееся напряжение 600 В. Кремниевый тиристор Т161-160-7-12 УХЛ2 — штыревого исполнения с гибким выводом катода на предельный ток 160 А и повторяющееся напряжение 700 В.
В последнее время кроме отдельных вентилей поставляются и готовые полупроводниковые блоки, состоящие из надежных вентилей малой мощности массового производства. Например, полупроводниковый выпрямительный блок БПВ29-В6-80/100-360 (360 А, ~ 80 В, = 100 В) с трехфазной мостовой схемой, собранный на 9 алюминиевых пластинах из 36 серийных диодов Д204. Каждый диод подключается гибким выводом ограниченного сечения, так что при выходе из строя отдельного диода вывод как плавкий предохранитель перегорает, а выпрямительный блок сохраняет работоспособность, хотя и при меньшей мощности.
4.1.4. Схемы выпрямления
Сравним несколько силовых диодных схем, используемых в сварочных выпрямителях: однофазную мостовую, шестифазную с выведенным нулем, шестифазную с уравнительным дросселем, кольцевую, а также
ла кремния, спаянную с двумя вольфрамовыми термокомпенсирующими пластинами. С помощью металлокерамической крышки 5 и фторопластовой прокладки 3 вентильный элемент герметизируется. Внутренний силовой вывод 4 припаивается к вентильному элементу и центральному стержню 6 крышки, а уже в этот стержень запрессовывается гибкий вывод.
Конструкция тиристора в штыревом исполнении отличается от диода только наличием управляющего электрода 8. Вентили таблеточного исполнения (рис. 4.7,6) существенно компактней и легче, две плоские поверхности таблетки представляют собой анодный и катодный выводы и предназначены для присоединения к двустороннему охладителю. Охладитель представляет собой ребристую алюминиевую деталь, интенсивно отдающую тепло воздуху. Искусственное воздушное охлаждение с помощью вентилятора при скорости воздушного потока не менее 6 м/с позволяет увеличить токовую нагрузку на вентиль в 3 раза. Водяные охладители имеют отверстия для прохода проточной воды, с их помощью токовую нагрузку удается увеличить в 5 раз.
Приведем технические характеристики нескольких вентилей, используемых в сварочных выпрямителях. Кремниевый диод Д171-400-3 УХЛ2 — штыревого исполнения с гибким выводом катода на предельный ток 400 А и повторяющееся напряжение 300 В. Кремниевый диод Д143-800-6 УХЛ2 — таблеточного исполнения на предельный ток 800 А и повторяющееся напряжение 600 В. Кремниевый тиристор Т161-160-7-12 УХЛ2 — штыревого исполнения с гибким выводом катода на предельный ток 160 А и повторяющееся напряжение 700 В.
В последнее время кроме отдельных вентилей поставляются и готовые полупроводниковые блоки, состоящие из надежных вентилей малой мощности массового производства. Например, полупроводниковый выпрямительный блок БПВ29-В6-80/100-360 (360 А, ~ 80 В, = 100 В) с трехфазной мостовой схемой, собранный на 9 алюминиевых пластинах из 36 серийных диодов Д204. Каждый диод подключается гибким выводом ограниченного сечения, так что при выходе из строя отдельного диода вывод как плавкий предохранитель перегорает, а выпрямительный блок сохраняет работоспособность, хотя и при меньшей мощности.
4.1.4. Схемы выпрямления
Сравним несколько силовых диодных схем, используемых в сварочных выпрямителях: однофазную мостовую, шестифазную с выведенным нулем, шестифазную с уравнительным дросселем, кольцевую, а также
трехфазную мостовую при их питании от трансформатора с нормальным рассеянием, т. е. с малым сопротивлением, и работе на активную линейную нагрузку (резистор). Общее правило анализа схем таково: вентиль пропускает ток в тот момент, когда потенциал его анода выше потенциала катода. Из нескольких вентилей, соединенных друг с другом катодами, ток пропускает тот, к аноду которого приложен максимальный положительный потенциал. Из нескольких вентилей, соединенных друг с другом анодами, ток пропускает тот, к катоду которого приложен максимальный отрицательный потенциал.
Однофазная мостовая схема (рис. 4.8) работает следующим образом. В первом полупериоде (при положительной полярности левого зажима вторичной обмотки трансформатора) ток пропускают вентили VI и V2 (путь тока показан пунктиром), во втором — УЗ и V4. В результате ток 1$ в нагрузке остается постоянным по направлению (рис. 4.8,г), форма кривой выпрямленного напряжения ив (рис. 4.8,в) — пульсирующая от 0 до Um, т. е. мало пригодная для сварки. Коэффициент пульсации напряжения, вычисляемый по соотношению
о _ Uml ~ р ив 9
оказывается равным 0,67. Здесь Umi — амплитудное значение напряжения первой гармоники выпрямленного напряжения, a UB — его среднее значение.
Шестифазная схема с выведенным нулем (рис. 4.9) ранее использовалась в многопостовых выпрямителях. Как видно, трансформатор имеет две группы вторичных обмоток (Al, Bl, С1 и А2, В2, С2), каждая из групп соединена в звезду. Нулевые точки двух звезд соединены и выведены к нагрузке. В цепи каждой обмотки установлен вентиль. Как следует из рис. 4.9,6, с момента ©i работает вентиль VI с максимальным потенциалом на аноде, соединенный с обмоткой А1. На рис. 4.9,а путь тока в этом интервале времени показан пунктирной линией. Остальные вентили заперты, поскольку к их катодам через вентиль VI подан максимальный положительный потенциал. С момента ©2 вентиль VI отключается, а в работу вступает вентиль V2, соединенный с обмоткой С2, и далее другие вентили по порядку номеров.
Выпрямленное напряжение ив, показанное толстой линией на рис. 4.9,6, меняется по огибающей фазных напряжений отдельных обмоток. Его среднее значение UB можно вычислить на участке от ©i = л/3 до ©2 = 2л/3, где ив = иа1:
Рис. 4.8. Однофазная мостовая схема выпрямления
Рис. 4.9. Шестифазная нулевая схема выпрямления
2л/3 2л/3
и^(2п/3-я/3) / “““«М /
71/3 л/3
= = ^t/2 = l,35t/2. (4.1)
Выпрямленное напряжение ив (рис. 4.9,£) колеблется вблизи средней величины UB менее значительно, чем в однофазной мостовой схеме, поэтому и выпрямленный ток меняется незначительно, и дуга при сварке более устойчива. Коэффициент пульсации напряжения, как и у всех последующих схем, около 0,06. Частота колебаний выпрямленного напряжения в шесть раз больше исходной, т. е.равна 300 Гц.
Определим величину максимального обратного напряжения на неработающем вентиле. Например, в интервале ©i-©2 сопротивление проводящего вентиля VI близко к нулю, поэтому на катод вентиля V4 подан максимальный положительный потенциал обмотки А1. Следовательно, к неработающему вентилю V4 приложено в обратном направлении напряжение двух обмоток А1 и А2, а его амплитудное значение
t/обр = 2Um = 2y/2U2. (4.2)
С учетом соотношения (4.1)
= = 2,ШВ. (4.3)
3^2
Из рис. 4.9,в следует, что каждый вентиль работает 1 /6 часть периода, поэтому средний ток вентиля
Iv = ±1д = 0,17^. (4.4)
Незначительная токовая загрузка вентилей дает заметные выгоды.
Расчетная мощность трансформатора в шестифазной схеме
ST = 1,551^17в,
т. е. почти в полтора раза выше потребляемой мощности, что является недостатком схемы. Для устранения вынужденного намагничивания железа трансформатора его первичные обмотки можно соединять только треугольником.
Шестифазная схема с уравнительным дросселем L (рис. 4.10) обеспечивает еще лучшее использование вентилей. Здесь в любой момент одновременно работают два вентиля и две обмотки — по одной из каждой трехфазной группы (Al, Bl, С1 и А2, В2, С2). Например, с момента ©i в работу вступает вентиль VI, на аноде которого максимальный в первой группе положительный потенциал обмотки А1 (путь тока показан пунктиром на рис. 4.10,а). Но в этот момент продолжает работать и вентиль V6, на аноде которого максимальный во второй группе потенциал обмотки В2 (показано тонкой линией).
Выпрямленное напряжение равно полусумме напряжений работающих фаз. В интервале ©i-©2
_ + Uai
ИЛИ
Ub2 ~ Ugl
2
ul
-Ub2-^
^Ь2
„ _ 7/ I иЬ2 ~ Ual UL
Ub ~ Ual +---------Ual + ~2*
При анализе уравнений обнаруживаем, что половина напряжения дросселя L (показанного на рис. 4.10,6 штриховкой) добавляется к напряжению фазы А1, а другая половина вычитается из напряжения фазы В2. Благодаря этому в цепи вентилей VI и V6 действует одинаковое напряжение, и, следовательно, работа вентиля V6 не препятствует отпиранию У1. Таким образом, назначение дросселя заключается в выравнивании напряжения коммутируемых фаз из разных трехфазных групп обмоток, что приводит к вовлечению в одновременную параллельную работу двух вентилей.
Ток по любому вентилю идет одну треть периода (рис. 4.10,в), но поскольку по каждому вентилю идет лишь половина выпрямленного тока, то среднее значение тока вентиля, так же как и в шестифазной нулевой схеме, 1у = 0,171^. Но в отличие от шестифазной нулевой схемы (сравни с рис. 4.9,в) ток вентиля более равномерно распределен по периоду, и, следовательно, его действующее значение меньше, что и обеспечивает лучшее использование вентиля.
Выпрямленное напряжение меняется по огибающей полусумм напряжений коммутируемых фаз, как показано толстой линией на рис. 4.10,6. Поэтому среднее значение выпрямленного напряжения UB = 1,17172 несколько ниже, чем в шестифазной нулевой схеме. Максимальные обратные напряжения у них совпадают, ?70бР = 2,1С7В. Расчетная мощность трансформатора St = 1,26I^C7B и дросселя Sl = 0,077^17в, т. е. ниже, чем в шестифазной нулевой схеме.
Из всех рассматриваемых схем шестифазная с уравнительным дросселем требует наименее мощных вентилей, поэтому она и нашла применение в конструкции выпрямителей на управляемых вентилях.
Кольцевая схема (рис. 4.11) считается разновидностью шестифазной. Трансформатор имеет две группы вторичных обмоток (Al, Bl, С1 и А2, В2, С2), каждая из групп соединена в звезду. С нулевых точек каждой звезды напряжение подается на нагрузку. Блок вентилей как бы образует кольцо, что и объясняет название схемы. В любой момент работают две обмотки и один вентиль. На рис. 4.11,а и б показано, например, что в интервале времени от ©i до ©2 ток идет по вентилю VI через обмотку А1 с наибольшим положительным потенциалом и обмотку В2 с наибольшим отрицательным потенциалом. С момента ©2 ток пойдет по вентилю V2 через обмотки А1 и С2 и т. д. Следовательно, выпрямленное напряжение ив меняется по огибающей линейных напряжений иаь, иас и т.д. (рис. 4.11,в), его среднее значение UB = 2,34172- Обратное напряжение на вентиле ?70бр = 2,1Z7B. По любому вентилю ток идет 1/6 часть периода (рис. 4.11,г), его среднее значение 1у = 0,171 о- Трансформатор
Рис. 4.10. Шестифазная схема выпрямления с уравнительным дросселем
Рис. 4.11. Шестифазная коль цевая схема выпрямления
здесь используется эффективней, чем в любой из шестифазных схем, его расчетная мощность St = 1,26I^Z7B- Кольцевая схема, дающая наибольшую из шестифазных схем экономию на стоимости трансформатора при
180 Раздел 4. Сварочные выпрямители относительно дешевом выпрямительном блоке, широко используется в конструкции мощных выпрямителей.
Трехфазная мостовая схема (рис. 4.12) получила наибольшее распространение. В ней вентили VI, V3 и У5, у которых соединены катоды, образуют катодную группу, а вентили У2, У4 и Уб — анодную группу. Так как катоды вентилей в катодной группе имеют одинаковый потенциал, то здесь в любой момент будет работать вентиль с максимальным положительным потенциалом анода, в момент ©о — это вентиль V5 в фазе С. В анодной группе открыт вентиль с максимальным отрицательным потенциалом катода, в момент ©о — это вентиль V6 в фазе В. Путь тока в этот момент показан на рис. 4.12,а пунктиром. Все остальные вентили заперты, на их анодах потенциал ниже, чем на катодах. С момента ©i в катодной группе вместо вентиля У 5 начинает работать вентиль VI, а с момента ©2 в анодной группе вместо Уб — вентиль У 2 и т. д. Очередность вступления в работу вентилей соответствует их номерам (рис. 4.12,г).
Рис. 4.12. Трехфазная мостовая схема выпрямления
Потенциал общих катодов схемы изменяется по верхней огибающей кривых фазных напряжений (u2C,U2a•••), а потенциал общих анодов — по нижней огибающей (U2&, U2C--.)» Выпрямленное напряжение ив в интервале ©о~©1 представляет собой разность напряжений фаз С и В (uB = U2c — U2b = Ucb> заштриховано на рис. 4.12,6 и в), а с момента 01 — разность напряжений фаз А и В (uB = U2a — = Uab)- Следова-
тельно, выпрямленное напряжение ив меняется по огибающей линейных напряжений ucb, uab... (показано толстой линией). Среднее значение выпрямленного напряжения UB можно вычислить на участке между — тс/6 и л/6 (рис. 4.12,в): л п
6 6
ив =---------- [ ucbdQ = I f V3Um cos QdQ =
n _ ( ] J n J
6 V 6/ я _л
6 6
= ^Um = 3^U2 = 2,34C72. (4.5)
Выпрямленное напряжение uB колеблется вблизи средней величины UB незначительно, что способствует устойчивому горению дуги.
Определим величину максимального обратного напряжения £70бР на неработающем вентиле. Например, в момент ©о потенциал катода вентиля V3 тот же, что и у открытого вентиля У5, и, следовательно, совпадает с фазным напряжением U2C- В этот же момент на анод V3 подано отрицательное напряжение U2b- Следовательно, к закрытому вентилю V3 приложено линейное вторичное напряжение ucb = U2C ~ и^ь, его амплитудное значение
С/обр = V3Um = л/6(72 = 2,45С72. (4.6)
Из уравнений (4.5) и (4.6)
J706P = ^UB = 1,05/7в. (4.7)
За/6
На рис. 4.12,г видно, что каждый вентиль работает 1/3 периода, поэтому средний ток вентиля
Iv = ±1д = 0,33^ (4.8)
выше, чем в шестифазных схемах, но ниже, чем в однофазной мостовой.
Расчетная мощность трансформатора в трехфазной мостовой схеме St = 1,05/^17в. Как видно, она незначительно отличается от мощности потребителя SH = IdUB- Это свидетельствует о хорошем использовании
трансформатора. К тому же трансформатор имеет наиболее простую конструкцию среди всех рассмотренных многофазных схем выпрямления. Поскольку затраты на трансформатор всегда преобладают в общей стоимости выпрямителя, трехфазная мостовая схема находит широкое применение в конструкции серийных выпрямителей на неуправляемых вентилях, несмотря на небольшой проигрыш в стоимости выпрямительного блока.
Сравнение различных схем выпрямления выполнено в табл. 4.3.
4.2. Выпрямители, управляемые трансформатором
4.2.1. Формирование внешних характеристик выпрямителя с помощью трансформатора
Рассмотрим работу выпрямителя с трехфазной мостовой схемой выпрямления на дугу (рис .4.13). При этом учтем сопротивление фазы трансформатора X = Х^ 4- Х2 (где Х\ — приведенное к вторичной стороне сопротивление первичной обмотки, а Х2 — сопротивление вторичной обмотки). При холостом ходе такой выпрямитель работает так же, как и
Таблица 4.3
Технические данные схем выпрямления
Схема Число Коэффи- Средний ток Действую- Амплиту- Расчетная
выпрямления вен- циент вентиля щий ток да обрат- мощность
тилей пульсации напряжения (Ulm - UB) ип J ivdt ! Т / д вентиля ного на-Изяжения Ннтиля С/обр/С/в трансформатора St/(^C7b)
Однофазная мостовая 4 0,67 0,5 0,71 1,57 1,23
Шестифазная нулевая 6 0,06 0,17 0,41 2,1 1,55
Шестифазная с уравнительным дросселем 6 0,06 0,17 0,29 2,1 1,26 + 0,07
Шестифазная кольцевая 6 0,06 0,17 0,41 2,1 1,26
Трехфазная мостовая 6 0,06 0,33 0,58 1,05 1,05
рассмотренный в разделе 4.1.4, поэтому из (4.5) напряжение холостого хода Ux = 2,34(72- При нагрузке возможны три различных режима работы.
3-й режим a y=tc/3
Рис. 4.13. Осциллограммы выпрямителя с трехфазной мостовой схемой и трансформатором с увеличенным рассеянием при работе на дугу
В 1 -м режиме при очень высоком напряжении дуги ее горение происходит только в те интервалы времени, когда текущее значение напряжения источника выше напряжения дуги (uB > Ug). Как видно (рис. 4.13,а), ток протекает по двум вентилям в интервале 01-02 или вовсе отсутствует. Колебания тока при этом значительны. Двухвентильный 1-й режим наблюдается при Ug = (0,95-1){7х и поэтому при сварке почти не встречается.
Во 2-йрежим выпрямитель переходит при снижении напряжения дуги, когда Ug = (0,7-0,95)J7x, и соответствующем увеличении тока. Рассмотрим этот режим более подробно. Если бы обмотки трансформатора не обладали индуктивностью рассеяния, то в момент 01 (рис. 4.13,6и в) ток с фазы С мгновенно перешел бы на фазу А, имеющую более высокий потенциал, а вентиль V5 заперся бы, как только открылся вентиль VI. Однако трансформатор имеет некоторую индуктивность (X 0), и поэтому ток не может мгновенно нарасти в фазе А и исчезнуть в фазе С. Следовательно, в интервале 0i~02 будут одновременно работать вентили У1 и У5. При этом в вентиле V5 ток i2C будет спадать от ig до 0, а в вентиле VI ток i2a будет нарастать от 0 до ig (рис. 4.13,в). Такой процесс называется затянутой коммутацией, а угол у = 02 — 01 считается углом коммутации. Всего в интервале 01 — 02 работают три вентиля (У5, VI и Уб), после чего работают только два вентиля (У1 и Уб). Таким образом, 2-й режим характерен попеременной двух-трехвентильной работой выпрямителя.
В интервале коммутации 01 — 02 потенциал положительного полюса U2a + Ы2с выпрямительного блока имеет среднее значение------между потен-
циалами фаз А и С. Поэтому выпрямленное напряжение при затянутой коммутации получается меньшим, чем при мгновенной, на величину uY, которая показана штриховкой на рис. 4.13,6. Потери напряжения Uy вызваны появлением ЭДС рассеяния в2 рас в коммутируемых вторичных обмотках, когда ток в них нарастает. Эти потери особенно велики при значительном индуктивном сопротивлении фаз трансформатора. Например, в интервале 0i~02 = ^2арас = Ldi2a/dQ. С ростом среднего значения
выпрямленного тока 1д увеличивается интервал коммутации у и среднее значение потерь напряжения Uy, а выпрямленное напряжение UB снижается. Поэтому внешняя характеристика во 2-м режиме падающая:
Id Т=> у Т=> Uyt=> UB± .
Уравнение внешней характеристики выпрямителя во 2-м режиме: ив = Ux - %1дХ. (4.9)
В 3-й режим выпрямитель переходит при дальнейшем снижении напряжения дуги, когда Ug = (0-0,7)Ux. При этом угол у достигает величи
ны я/3 и затем остается постоянным, но при этом задерживается начало коммутации на угол а (рис. 4.13,г), и вентиль VI начинает пропускать ток не в момент ©i, как это было во 2-м режиме, а в момент ©2. Объясняется это тем, что до момента ©2 еще идет коммутация в анодной группе с вентиля V4 на вентиль Уб. По этой причине потенциал анода VI, равный потенциалу катода вентиля У4 (вентили подключены к одной фазе), меняется не по кривой фазного напряжения U2a> а по кривой (Ц2а + П2ь)/2. Следовательно, потенциал анода VI в интервале ©i~©2 ниже, чем потенциал анода вентиля V5 (кривая П2С), и коммутация тока с вентиля V5 на 71 невозможна. Коммутация с V5 на VI начинается только после окончания коммутации в анодной группе с V4 на Уб в момент ©2 и заканчивается в момент ©з. Поэтому момент начала коммутации в одной группе стыкуется с концом коммутации в другой. Такое попеременное чередование при шести коммутациях за период возможно только в том случае, если угол коммутации равен я/3. Поэтому в 3-м режиме возможна только трехвентильная работа выпрямителя.
Уравнение внешней характеристики выпрямителя в 3-м режиме /"/ \ 2 / о /о \ 2
ив = J . (4.10)
Падающая характеристика получается у выпрямителя благодаря значительным потерям напряжения при затянутой коммутации, вызванным большим индуктивным сопротивлением трансформатора.
Обобщенная внешняя характеристика выпрямителя показана на рис. 4.14 линией I. Кривая II изображает внешнюю характеристику с учетом падения напряжения на вентилях. Как видно, во 2-м режиме наклон характеристики меньше, чем в 3-м. Поэтому выпрямители для механизированной сварки в углекислом газе, где нужны жесткие внешние
Рис. 4.14. Внешняя характеристика выпрямителя
характеристики, комплектуются трансформатором с нормальным рассеянием и работают во 2-м режиме. Напротив, выпрямители для ручной дуговой сварки с целью получения падающих характеристик комплектуются трансформатором с увеличенным рассеянием и работают в основном в 3-м режиме.
4.2.2. Выпрямитель, управляемый трансформатором с секционированными обмотками
Такой простейший выпрямитель предназначен для механизированной сварки в защитном газе и, следовательно, должен иметь жесткую (пологопадающую) внешнюю характеристику. Он состоит (рис. 4.15) из понижающего трансформатора Т с нормальным рассеянием, переключателей ступеней S, силового выпрямительного блока VD на неуправляемых вентилях и сглаживающего дросселя L. Первичные обмотки трансформатора имеют выведенные наружу отпайки для регулирования режима.
б
в
Рис. 4.15. Выпрямители, управляемые трансформатором с секционированными обмотками
В трехфазных выпрямителях вентильный блок обычно собирается по трехфазной мостовой схеме (рис. 4.15,а), однако находит применение и шестифазная с уравнительным дросселем L1 (рис. 4.15Л). Дроссель L включают для уменьшения разбрызгивания при сварке.
Напряжение холостого хода выпрямителя с трехфазной мостовой схемой из (4.5)
_ 3\/б172 _ Зл/бП2л _ Зл/б тт W2 _ 1 октг (л 1-i \
л лУЗ л>/3 1л^ ’ 1Лц,1‘ ’
При нагрузке выпрямитель работает в основном во 2-м режиме, поэтому его внешняя характеристика описывается из (4.9) уравнением
ив = их - fldX.
Сопротивление X фазы трансформатора невелико. Поэтому в реальных конструкциях, даже если учитывать еще небольшое сопротивление выпрямительного блока, характеристика имеет небольшой наклон от 0 до —0,03 В/A. Такую характеристику называют жесткой или естественно пологопадающей.
Выпрямитель с трансформатором с секционированными обмотками имеет жесткую внешнюю характеристику благодаря малому сопротивлению трансформатора и выпрямительного блока.
Выпрямленное напряжение в соответствии с (4.11) регулируется изменением числа витков первичных обмоток W\ с помощью переключателей S (рис. 4.15,а) или трехфазных контакторов К (рис. 4.15,6):
UB 4- •
Таких переключателей может быть несколько, тогда общее число ступеней регулирования определяется как произведение числа ступеней отдельных переключателей. Реже применяют секционирование вторичной обмотки.
Регулирование напряжения холостого хода и рабочего напряжения осуществляется благодаря секционированию первичной и вторичной обмоток трансформатора.
Трехфазный выпрямитель марки ВС-300Б (СЭЛМА) имеет схему, упрощенно изображенную на рис. 4.15,а. Переключатели S1 и52 обеспечивают 20 ступеней регулирования напряжения холостого хода от 18 до 35 В с шагом 0,5-1 В. На некоторых ступенях число работающих витков в трех обмотках немного отличается, но такая асимметрия приводит лишь к небольшим пульсациям сварочного тока и не отражается на качестве сварки. Комплектный трехфазный мостовой блок VD на 400 А собран на алюминиевых охлаждающих пластинах из 30 серийных диодов Д204. Сглаживающий дроссель L имеет отпайки для ступенчатого регулирования индуктивности. На схеме не показаны магнитный пускатель, вентиляторы, сигнальные лампы, а также аппаратура питания полуавтомата (двигателя, подогревателя газа и др.). Предусмотрена также возможность питания привода полуавтомата сварочным напряжением.
Однофазный выпрямитель изготавливают только на малые токи (до 160 А) для использования в ремонтных работах и обычно встраивают в корпус шлангового полуавтомата. Он может иметь схему двухполупериодного выпрямления с нулевой точкой (рис. 4.15,в), при этом достигается экономия на вентилях, но несколько усложняется конструкция трансформатора. Количество ступеней обычно ограничивается 3-6. Такой выпрямитель требует фильтра в виде дросселя L и конденсатора С. В однофазной схеме трудно удовлетворить одновременно требования хорошего сглаживания тока при горении дуги (L > 0,8 мГн) и обеспечения энергичного переноса капель при коротком замыкании (L < 0,3 мГн). Для решения проблемы используют цепи подпитки (см. раздел 4.2.5), комбинированную схему включения секционированного дросселя и конденсаторов, которые по-разному работают на стадиях дугового разряда и короткого замыкания каплей, а также нелинейный дроссель, у которого индуктивность автоматически меняется на разных стадиях процесса сварки (см. раздел 4.3.3).
Сварочные свойства трехфазного выпрямителя при механизированной сварке в углекислом газе изучены достаточно подробно. При низких напряже
ниях дуги перенос электродного металла происходит с короткими замыканиями (рис. 4.16). При этом скорость нарастания тока короткого замыкания достигает 750 кА/с, а коэффициент разбрызгивания электродного металла — 20 %. Скорость снижают следующими способами: используют схемы с низкой пульсацией выпрямленного напряжения (трехфазную мостовую или шестифазные), увеличивают наклон внешней характеристики, вводят большую индуктивность в цепь выпрямленного тока. Обычно используется дроссель с индуктивностью 0,2-0,5 мГн. Благодаря этим мерам удается снизить разбрызгивание до 5-10 %. Напряжение холостого хода у таких выпрямителей, близкое к рабочему напряжению, невелико. Поэтому начальное зажигание дуги, особенно при большой скорости подачи проволоки, затруднено, время достижения устойчивого режима составляет 0,2-1 с (рис. 4.16). По этой же причине сравнительно мала разрывная длина дуги. При напряжении холостого хода Ux = 30 В она не превышает 1др = 7 мм, хотя при Ux = 60 В достигает 20 мм.
холостой установление ход процесса
сварка с короткими замыканиями
Рис. 4.16. Осциллограммы тока и напряжения при сварке в углекислом газе короткой дугой
К недостаткам такого выпрямителя относят отсутствие стабилизации выпрямленного напряжения и перерасход обмоточных материалов, т. к. на высших ступенях регулирования часть витков первичной обмотки не используется. Главные его достоинства — простота и надежность.
4.2.3. Выпрямитель, управляемый трансформатором с магнитной коммутацией
Выпрямитель этого типа (рис. 4.17) также предназначен для механизированной сварки в защитном газе. Он имеет оригинальную конструкцию трансформатора. В нижних окнах магнитопровода находятся первичные обмотки Т, 1 с числом витков wi и нерегулируемые части Т. 21 вторичных обмоток с числом витков м?2н« Стержни трансформатора соединены внизу неуправляемыми ярма-ми с. Имеются также управляемые верхние а и средние Ъ ярма, подмагничиваемые обмотками постоянного тока Г.31 и Т.32. В верхних окнах находятся
Рис. 4.17. Выпрямитель, управляемый трансформатором с магнитной коммутацией: а — принципиальная схема; б — конструкция трансформатора
регулируемые части Т.22 вторичных обмоток с числом витков ^2Р. Части Г.21 и Т.22 каждой вторичной обмотки соединены последовательно согласно.
Разберемся в принципе регулирования сварочного напряжения. Ток в обмотках управления регулируется потенциометром R так, что при увеличении тока в обмотке Г.31 снижается ток в обмотке Т.32. При максимальном токе Iyi в обмотке Г. 31 происходит насыщение верхнего ярма а постоянным потоком Фу1, и почти весь переменный поток замыкается по среднему ярму (Ф& « Ф(; Фа « 0). Во вторичной обмотке Т.22 ЭДС при этом не наводится (С7зр = 0), и поэтому на выпрямительный блок подается минимальное напряжение U2 = При увеличении тока 1У2 в обмотке Т.32 насыщается уже среднее ярмо Ь. Поэтому поток трансформатора Ф( отклоняется в верхнее ярмо, т. е. пронизывает уже обе вторичные обмотки. В результате напряжение холостого хода выпрямителя увеличивается:
/у2 Фу2 Т=> {ф^} => ^2Р U2 t=> Ux f .
Как видно, коэффициент магнитной связи = Фа/Фс первичной и вторичной регулируемой обмоток может плавно меняться от 0 до 1. Также плавно меняется и напряжение холостого хода выпрямителя:
Ux = 1,35171л
/?1ЛР + ^2н Ы?1
(4.12)
Регулирование напряжения выпрямителя осуществляется за счет магнитной коммутации, обеспечивающей изменение потока в регулируемой вторичной обмотке.
Естественные внешние характеристики выпрямителя — жесткие с несколько большим наклоном, чем у конструкции, рассматриваемой в разделе 4.2.2 (ри от -0,03 до -0,06 В/A). Дело в том, что при значительном удалении регулируемой вторичной обмотки от первичной увеличиваются магнитное рассеяние и индуктивное сопротивление трансформатора.
С помощью маломощных обмоток управления легко ввести обратную связь по выпрямленному напряжению ОСН (показано пунктиром на рис. 4.17,а). При снижении напряжения сети U\ и, следовательно, выпрямленного напряжения UB система управления перераспределит токи в обмотках управления и увеличит, точнее, восстановит напряжение:
М ^у2
Такая стабилизация напряжения проявляется и при изменении нагрузки, т. е. формирует жесткую внешнюю характеристику.
Жесткая внешняя характеристика выпрямителя получается благодаря малому рассеянию трансформатора с магнитной коммутацией, а также за счет обратной связи по напряжению.
От выпрямителя, управляемого трансформатором с секционированными обмотками, рассмотренная конструкция выгодно отличается плавным регулированием и стабилизацией напряжения, однако имеет более сложный и дорогой трансформатор.
щ U2 ив
=> ^2р t=> UB = const.
4.2.4. Выпрямитель, управляемый трансформатором с увеличенным рассеянием
Принцип действия выпрямителя с трансформатором с подвижными обмотками, предназначенного для ручной сварки, иллюстрирует рис. 4.18. В состав выпрямителя входят трехфазный понижающий трансформатор Т и выпрямительный блок V, собранный по трехфазной мостовой схеме. У трансформатора (рис. 4.18,в) три подвижные обмотки 1 (обычно первичные) установлены в обойме и перемещаются по вертикали. Три неподвижные обмотки 2 (вторичные) жестко закреплены на магнитопроводе 3.
Благодаря большому расстоянию между первичными и вторичными обмотками трансформатор имеет увеличенное рассеяние, что и обеспечивает получение падающей внешней характеристики выпрямителя.
Уравнение внешней характеристики для 3-го режима (4.10), в котором преимущественно работает выпрямитель
ив
Рис. 4.18. Выпрямитель, управляемый трансформатором с увеличенным рассеянием: ау б — принципиальные схемы; в, г — конструкции трансформатора
Отсюда сварочный ток
(4.13)
Из уравнения (4.13) следует, что возможно регулирование тока воздействием на напряжение холостого хода выпрямителя [7Х. Этот способ не нашел распространения. Основным способом регулирования является изменение индуктивного сопротивления фазы трансформатора X перемещением подвижных обмоток. При увеличении расстояния /Об между обмотками увеличивается рассеяние и сопротивление X, поэтому ток уменьшается:
^об X Т UB 4'=^‘ 4- •
Кратность такого регулирования Iqmax/Ъmin достигает 3-3,5. Для получения большей кратности приходится значительно увеличивать ход /Об подвижных обмоток, что приводит к увеличению высоты Н и перерасходу железа трансформатора.
Поэтому плавное регулирование дополняется ступенчатым за счет переключения обмоток со схемы А/А на схему А/А с помощью перемычек 81 —84. Для получения диапазона малых токов устанавливаются перемычки 81,82, при этом как первичные, так и вторичные обмотки соединяются в звезду (рис. 4.18,а).
Диапазон больших токов получается при установке перемычек S3, S4, обеспечивающих соединение обмоток в треугольник (рис. 4.18,6). Заметим, что при обеих схемах напряжение холостого хода выпрямителя (7Х одинаково. Действительно, вторичное линейное напряжение трансформатора для схемы А/А
ul = ^2фл/3 = С71ф^л/3 =
(4.14)
а для схемы Д/Д такое же, поскольку
и1 = и2ф = и1ф^ = и1л^.
(4.15)
Следовательно, при переходе от схемы А/А к схеме Д/Д переменное напряжение, подаваемое на выпрямительный блок, не меняется (17^л = U^), а поэтому не меняется и выпрямленное напряжение холостого хода, значение которого было получено ранее (4.11):
их = 1,35С/1Л^.
В то же время следует отметить, что общее сопротивление выпрямителя и величина выпрямленного тока при переходе от схемы А/А к схеме Д/Д меняются. Это можно показать на примере трехфазного короткого замыкания вторичных обмоток трансформатора (зигзаги на рис. 4.18,а и 6). При соединении А/А (рис. 4.18,а) с учетом (4.14) ток короткого замыкания
А _ т _ ^2ф _ ^2л _ ^1л ^2
2лк 2фк х
а при соединении Д/Д (рис. 4.18,6) с учетом (4.15)
-Д _ г^т _ У^^2ф _ л/ЗП2л _ л/3(71л
2лк У<Я2фк v v v ‘ Юл
(4.16)
(4.17)
Как видно, отношение Т^лк/^к = 3, а поэтому и сварочный ток при переходе к схеме Д/Д увеличивается приблизительно в 3 раза.
Поэтому имеет смысл ввести понятие эквивалентного сопротивления трансформатора, зависящего от схемы соединения трехфазных цепей. Эквивалентное сопротивление, приходящееся на одну фазу, для соединения звездой можно полагать равным сопротивлению отдельной фазы трансформатора
= Х,
э
тогда эквивалентное сопротивление для соединения треугольником втрое меньше.
о
Регулирование тока выпрямителя осуществляется изменением индуктивного сопротивления трансформатора за счет перемещения его трехфазных обмоток, а также изменения их соединения.
Общая кратность плавного и ступенчатого регулирования достигает 8-9. Поэтому другие способы настройки режима (секционирование обмоток, переключение на схемы А/Д и Д/А) не используются как менее эффективные.
Выпрямитель марки ВД-306 (VELGA, Литва), типичный представитель выше описанной схемы, показан на рис. 4.19. На тележке! установлен трехфазный трансформатор 3 с алюминиевыми обмотками. Первичные обмотки для плавно-
Рис. 4.19. Выпрямитель ВД-306: а — конструкция: б — принципиальная схема: в — внешние характеристики
7-6955
го регулирования тока перемещаются с помощью ручного винтового привода 8, С помощью переключателя диапазонов 9 ток регулируется ступенчато. Выпрямительный блок 2 охлаждается вентилятором 4. На лицевой панели выпрямителя установлены амперметр 5, сигнальная лампа 6, кнопки 7 «пуск» и «стоп». В нижней части выпрямителя имеются штепсельный разъем 10 для подключения к сети, болт заземления 11 и токовые разъемы 12 сварочной цепи.
По принципиальной схеме (рис. 4.19,6) изучим работу выпрямителя. При подаче сетевого напряжения срабатывает сигнальная лампа Н. Для пуска выпрямителя предназначена кнопка 82, при нажатии на нее срабатывает контактор КМ, силовые контакты которого подают питание на двигатель вентилятора М и силовой трансформатор Т. При правильном направлении потока воздуха ветровое реле SF1 срабатывает и блокирует кнопку 82. Для выключения выпрямителя предусмотрена кнопка 81. Первичные и вторичные обмотки трансформатора могут быть соединены переключателем 83 звездой или треугольником. В переключатель встроен микровыключатель SF2, разрывающий цепь катушки контактора при переключении, поскольку под нагрузкой переключать соединение обмоток нельзя. Выпрямительный блок V представляет собой комплектный модуль с двумя охладителями и запрессованными в них диодами. Трехфазная мостовая схема выпрямителя содержит 10 диодов Д204 в каждом плече. Каждый диод снабжен предохранительной перемычкой, перегорающей при выходе из строя вентиля, выпрямитель продолжает работать даже после выхода из строя нескольких диодов. Амперметр РА подключен к шунту RS. Защита выпрямителя от перегрузок по току осуществляется тепловым реле KMF контактора КМ, цепи управления защищены плавкими предохранителями F1-F3. Для защиты выпрямительного блока от коммутационных перенапряжений служит фильтр R2-R3-C, Внешние характеристики выпрямителя приведены на рис. 4.19,в.
Сварочные свойства выпрямителей, управляемых трансформатором с подвижными обмотками, изучены достаточно подробно. У выпрямителя ВД-306 зажигание дуги при напряжении холостого хода 60-70 В и токе короткого замыкания, в 1,2-1,5 раза превышающем сварочный, происходит, как правило, с первого касания электродом детали. При этом предельная начальная длина дуги для электродов маркиУОНИ-13/55 составляет 12-13 мм. Эластичность дуги высокая, причем разрывная длина дуги для этих электродов достигает 13-15 мм, а для электродов марки ЦЛ-11 — даже 20-25 мм. Устойчивость процесса сварки хорошая, сварка в нижнем положении шва идет практически без обрывов. Этому способствует, в частности, хорошая сглаженность выпрямленного сварочного тока, при которой коэффициент пульсации не превышает 20 %. При сварке вертикального и потолочного шва при пониженном на 15-40 % в сравнении с нижним положением токе обрывы иногда случаются, обычно им предшествует прилипание капли к ванне, что говорит о недостаточности тока короткого замыкания, особенно его пикового значения, составляющего всего 1,3-1,9 от сварочного. Благодаря наличию крутопадающей характеристики ток при колебаниях длины дуги достаточно стабилен. Однако при колебаниях напряжения сети в пределах ±10 % сила тока меняется до ±15 %. Перенос электродного металла при сварке электродами с основным покрытием марки УОНИ-13/55 имеет
регулярный крупнокапельный характер и сопровождается короткими замыканиями капли на ванну с частотой 1-4 Гц и длительностью 10-16 мс.
Технико-экономические показатели таких выпрямителей достаточно высокие, хотя и хуже, чем у трансформаторов. Так, в номинальном режиме КПД составляет 0,6-0,75, коэффициент мощности — 0,5-0,7, поэтому удельный расход электроэнергии достигает 4-6 кВт • ч на 1 кг расплавленного электродного металла.
Другие конструкции с подвижными обмотками имеют похожее устройство, отличаясь лишь номинальным током и конструктивным оформлением. При трехфазном питании другие схемы выпрямления, кроме трехфазной мостовой, встречаются редко. Грубое регулирование на 2-3 ступени только на одной из сторон (первичной или вторичной) осуществляется изменением соединения обмоток (треугольник, звезда, часть звезды и т. д.). При редко используемом однофазном питании применяют мостовую схему выпрямления, но она вынуждает к установке в сварочной цепи сглаживающего дросселя. К достоинствам такой схемы, кроме упрощения конструкции, относится еще возможность сварки на переменном токе, например, при выходе из строя вентильного блока.
Выпрямитель марки ВД-313, управляемый трансформатором с магнитным шунтом (ЭТА, С.-Петербург), имеет вполне типичную схему (рис. 4.20): электромагнитный контактор К, трехфазный понижающий трансформатор Т с соединением обмоток Л/Д, трехфазный мостовой диодный блок VD, вентилятор с двигателем М, а также кнопки «пуск» S1 и «стоп» S2 вентилятора и лампа «сеть» HL. В некоторых модификациях выпрямителя имеется амперметр РА с измерительным шунтом RS. В отличие от других выпрямителей магнитный шунт здесь перемещается вручную и фиксируется враспор между стержнями магнитопровода поворотом винта с рукояткой (рис. 4.20,6). Шкала регулятора тока нанесена непосредственно на магнитном шунте. Отсутствие привода шунта позволило существенно уменьшить габариты и массу, снизить вибрацию и шум, повысить надежность и ремонтопригодность выпрямителя.
Сварочные свойства выпрямителя ВД-313 близки к описанным выше для ВД-306. Но характерной особенностью трехфазных трансформаторов с магнитным шунтом является повышенная пульсация выпрямленного тока. Она вызвана асимметрией магнитных потоков среднего и крайних стержней (рис. 4.18,г), усугубляющейся при введении шунта 4 внутрь магнитопровода. В результате на типичные для трехфазного выпрямителя небольшие колебания тока с частотой 300 Гц накладываются еще и колебания с частотой 100 Гц (рис. 4.20,в). Последние увеличиваются при вдвижении шунта, так что при малых токах коэффициент пульсации р достигает 75 %, и при настроенном токе 65 А его значение в провале снижается до 15 А. Это приводит к небольшому снижению надежности зажигания, эластичности дуги и устойчивости процесса. Но перенос электродного металла становится более энергичным, что может оказаться полезным при сварке вертикального и потолочного швов.
Другие конструкции обычно имеют винтовой привод перемещения шунта, что обеспечивает более плавную и точную настройку тока, в некоторых выпрямителях предусмотрено расширение диапазона настройки тока за счет ступенчатого изменения соединения обмоток (звезда, треугольник и т. д.). Преимуществен-
Рис. 4.20. Выпрямитель ВД-313: а — принципиальная схема; б — конструкция магнитного шунта; в — осциллограммы сварочного тока
но используются трехфазные трансформаторы с мостовой схемой выпрямления. Однофазное питание применяют для маломощных выпрямителей, такие конструкции дополняются сглаживающим фильтром и часто имеют выводы для сварки на переменном токе (аппараты системы AC/DC).
Выпрямитель марки ВД-121 «Универсал», управляемый трансформатором с витковым регулированием, (Искра) является типичным представителем бытовых источников (рис. 4.21). К таким источникам предъявляются требования снижения массы и габаритов, простоты в эксплуатации и обслуживании, а главное, возможности подключения к бытовой осветительной сети с ограничением длительного тока 16 А, реже — 25 А. В выпрямителе ВД-121 однофазное сетевое напряжение 220 В с разъемов XI через автоматический выключатель QF на 16 А и фильтр С1 подается на трансформатор Т, где понижается, затем выпрямляется диодным блоком VD1, VD2, сглаживается фильтром СЗ-С6, L, RU и подается на нагрузку через разъемы Х2, ХЗ. Большая вторичная обмотка Т.21 трансформатора размещена на одном стержне с первичной обмоткой Т.Н. Малая вторичная обмотка Т. 22 установлена на другом стержне, чем и обеспечивается увеличенное магнитное рассеяние и формирование крутопадающей внешней
50 100 150 200
Рис. 4.21. ВыпрямительВД-121 «Универсал»: а — принципиальная схема; б — внешние характеристики
характеристики (рис. 4.21,6)- При перестановке втычного переключателя S из положения 125 последовательно в положения 80, 60 и 40 постепенно уменьшается число используемых витков большой обмотки Т.21 и увеличивается число витков малой обмотки Т.22. В результате возрастают магнитное рассеяние и индуктивное сопротивление трансформатора, и, следовательно, снижается выпрямленный ток. Чтобы компенсировать негативное влияние снижения тока на сварочные свойства, одновременно повышается напряжение холостого хода, что обеспечивает приемлемое качество зажигания и горения дуги. Напротив, при настройке на большие токи напряжение холостого хода снижается до малых, но допустимых по обеспечению сварочных свойств значений. Поскольку в последнем случае увеличивается коэффициент трансформации п = Wn/(w2i + ^22), то ограничивается и первичный ток до уровня, допустимого для бытовых сетей. Вентильный блок собран из 16 диодов по 10 А на пластинчатых алюминиевых радиаторах и охлаждается вентилятором с двигателем М. Небольшой дроссель L вместе с другими элементами фильтра СЗ-С6, L, RU поддерживает ток в провалах не ниже 4 А.
Выпрямитель можно использовать также для зарядки аккумуляторных батарей и пуска двигателя легкового автомобиля. Пуск производится при питании стартера током до 200 А от разъемов Х2 и Х4 после установки переключателя S в положение П. При этом же положении переключателя выполняется и зарядка аккумулятора.
Сварочные свойства выпрямителя ВД-121 удовлетворительные, отнюдь не высокие. Дело в том, что у бытового источника технические характеристики принимаются на основе компромисса между требованиями ограничения первичного тока и обеспечения сварочных свойств. Лучшие результаты достигаются при использовании электродов диаметром 2-3 мм с покрытием рутилового типа, например марок АНО-4, МР-3 или ОЗС-12. Сварка электродами диаметром 4 мм, и особенно с основным покрытием, возможна только при высокой квалификации сварщика.
Другие конструкции бытовых и монтажных выпрямителей с витковым регулированием трансформаторов также проектируются на питание от однофазной сети 220 В, реже — 380 В, переключение может выполняться и на стороне первичного напряжения, некоторые из них охлаждаются естественной конвекцией без вентилятора. Известны конструкции, использующие трансформатор с реактивной обмоткой (см. раздел 3.3.8).
Важными достоинствами выпрямителей, управляемых трансформаторами с увеличенным рассеянием, являются простота, дешевизна и высокие сварочные свойства. Основные их недостатки — зависимость режима от колебаний напряжения сети и отсутствие дистанционного управления.
4.2.5. Выпрямитель с подпиткой
В подпитке, как правило, нуждаются однофазные выпрямители (рис. 4.22). Как видно, выпрямитель имеет однофазный трансформатор Т с двумя вторичными обмотками Т. 21 и Т. 22 и соответственно им два диодных блока VD1 и VD2, за что иногда называется двухмостовым. Вентильные блоки соединены друг с другом параллельно, так что сварочный ток id = ivdi + ivD2-
Основная цепь выпрямителя, образованная силовой обмоткой Г.21 и силовым блоком VD1, имеет сравнительно низкое напряжение холостого хода
Рис. 4.22. Выпрямитель с подпиткой: а — принципиальная схема, б — внешние характеристики
Uvdi = 30-50 В и небольшое индуктивное сопротивление. Поэтому в установившемся режиме именно основная цепь обеспечивает преимущественное питание дуги сварочным током ig = ivoi- Вспомогательная обмотка Т.22 и маломощный блок VD2 образуют цепь подпитки, у которой сопротивление на порядок выше. Поэтому в установившемся режиме роль подпитки сводится в основном к обеспечению тока iVD2 в интервалах провалов тока Ivdi, создаваемого основной цепью. Для обеспечения устойчивого процесса сварки покрытым электродом с током в провалах не-ниже 5-10 А синусоида тока подпитки ivD2 должна отставать от синусоиды основного тока не менее, чем на 10-20°. Напротив, при зажигании дугу поддерживает главным образом цепь подпитки, поэтому ее напряжение холостого хода Uvd2 должно в 1,5-2,5 раза превышать напряжение холостого хода основной цепи Uvdi-
Типичная внешняя характеристика такого выпрямителя состоит из двух участков (рис. 4.22,6). Участок подпитки 1 образуется совместным действием вспомогательной и основной цепей. Крутопадающая характеристика участка 1 может быть получена при размещении обмоток Т.Н и Т.22 на разных стержнях, а также при последовательном включении в цепь подпитки балластного реостата, но лучше — небольшого дросселя в цепь обмотки Т.22. Участок 2 формируется преимущественно основной цепью и назначается по условию обеспечения режима, отвечающего при ручной сварке соотношению Up = 20 + 0,041^. Видно, что при пологопадающей характеристике участка 2 ток короткого замыкания превышает сварочный более чем в 1,5 раза. Поэтому снижается опасность прилипания электрода при зажигании и капли при сварке в вертикальном и потолочном положениях, правда, при чрезмерно интенсивном переносе капель увеличивается разбрызгивание металла.
Кроме повышения надежности зажигания и устойчивости процесса сварки подпитка позволяет еще снизить габариты и массу выпрямителя. Дело в том, что площадь поперечного сечения магнитопровода пропорционально связана с напряжением холостого хода основной цепи. Кроме того, при снижении напряжения холостого хода уменьшается число витков основной вторичной обмотки Т.21, а также первичный ток, что позволяет уменьшить сечение провода первичной обмотки Т.Н. Подпитка также устраняет необходимость в сглаживающем дросселе в основной цепи, обычно обязательном при однофазном выпрямлении. С учетом выше перечисленных факторов достигается снижение массы однофазного двухмостового выпрямителя на 30-60 % в сравнении с одномостовым.
Наиболее часто схема с подпиткой применяется в маломощных бытовых или монтажных выпрямителях, поскольку здесь оптимально удовлетворяются требования снижения массы и ограничения тока, потребляемого из сети, а также однофазного питания. Выполнение требований к сварочным свойствам зависит от соотношения характеристик основной и вспомогательной цепей. Например, у источника на 160 А, предназначенного для сварки электродами диаметром до 4 мм, рациональны следующие характеристики: напряжения вспомогательной и основной цепей соответственно Uvd2 = 80 Ви Uvdi = 30 В, ток короткого замыкания вспомогательной цепи 1куш = 5-10 А. В этом случае при сварке электродами марки УОНИ-13/55 одновременно достигаются приемлемые ха
рактеристики сварочных свойств (например, разрывная длина дуги 7-10 мм) и щадящая загрузка сети (длительный первичный ток 16 А при ПН = 60 %).
Выпрямитель марки ВД-405 (У рал термосвар), предназначенный для эксплуатации в тяжелых производственных условиях, представляет пример подпитки, целью которой является не снижение массы и первичного тока, а улучшение сварочных свойств (рис. 4.23). В его основу положен надежный, хорошо зарекомендовавший себя в промышленности и строительстве однофазный трансформатор Т1 марки ТДМ-401 (см. раздел 3.3.5) с подвижными обмотками и переключателем для ступенчатого регулирования тока SI. С помощью электромагнитного контактора К к двум фазам сети через разъем XI подключается основной трансформатор П, а к третьей фазе и нулевому проводу — трансфор-
Рис. 4.23. Выпрямитель ВД-405: а — принципиальная схема; б — внешние характеристики
матор подпитки Т2, поэтому вторичное напряжение подпитки сдвинуто на 90° по отношению к основному вторичному напряжению, что и обеспечивает эффективное заполнение провалов основного тока током подпитки. Обмотка Т2.21 трансформатора Т2, выполняющая функцию низковольтной подпитки, расположена на одном стержне с первичной обмоткой Т2.1. Она имеет напряжение 12 В и пологопадающую внешнюю характеристику с током короткого замыкания 150 А. Обмотка Т2.22 размещена на другом стержне и при относительно высоком напряжении 60 В и крутопадающей внешней характеристике обеспечивает ток 20 А и играет роль высоковольтной подпитки. Вентильный блок имеет четыре мощных плеча VD1-VD4 (в каждом плече по 8 диодов на 32 А), выпрямляющих основной ток, четыре плеча средней мощности VD5-VDS (по 4 диода в плече) для выпрямления тока низковольтной подпитки и два маломощных плеча VD9-VD10, вместе с плечами VD7-VDS выпрямляющих ток высоковольтной подпитки. Низковольтная подпитка может отключаться тумблером S2, Постоянный сварочный ток снимается с зажимов Х2 и ХЗ и контролируется амперметром РА с шунтом RS. Возможна также эксплуатация источника на переменном сварочном токе при подключении нагрузки к зажимам Х4 и Х5. Выпрямитель охлаждается вентилятором с двигателем М, который запускается при нажатии на кнопку SB 1 и срабатывании контактораХ, а останавливается после нажатия на кнопку SB2. Предусмотрены защита силовой части выпрямителя тепловыми элементами в составе контактора К и контроль нагрева цепи низковольтной подпитки с помощью термореле ВК, установленного на резисторе RB. Имеются также контроль вентиляции с помощью ветрового реле ВР, защита цепи двигателя плавкими вставками Р1-РЗ и сигнализация наличия сетевого напряжения с помощью лампы HL,
На основе подобной схемы разрабатывают выпрямительные приставки к однофазным сварочным трансформаторам любой конструкции. В их составе имеется маломощный трансформатор подпитки (не более 0,5 кВА) и двухтрехмостовой блок.
Внешняя характеристика выпрямителя ВД-405 складывается из трех участков (рис. 4.23,6). Участок 1 формируется при совместном действии основной цепи и высоковольтной подпитки. Участок 2 обеспечивается главным образом основной цепью, но в провалах ток не опускается ниже 15 А, что и гарантирует устойчивое горение дуги в установившемся режиме. Участок 3 с током короткого замыкания 1К = (1,3-2)/^ формируется при совместном действии основной цепи и низковольтной подпитки. Этот участок при зажигании дуги предотвращает прилипание электрода, а в установившемся режиме проявляется только при коротком замыкании каплей, где его назначение заключается в форсировании дуги для интенсификации процесса переноса.
Сварочные свойства выпрямителя ВД-405 лучше, чем у других однофазных, апо показателям переноса — даже в сравнении с трехфазными выпрямителями. Высокое качество зажигания, эластичности и устойчивости объясняется именно действием высоковольтной подпитки, поскольку при ее включении начальная длина дуги при зажигании увеличивается с 2-4 мм до 10-16 мм, а сварка электродами с основным покрытием при несглаженном однофазном выпрямлении без подпитки невозможна из-за частых обрывов дуги. Перенос электродного ме
талла при сварке электродами марки УОНИ-13/55 регулярный крупнокапельный с короткими замыканиями частотой 2-6 Гц и длительностью 7-11 мс. Такой энергичный перенос объясняется сравнительно высокой кратностью пикового тока короткого замыкания 1пк/1о = 1,8-2, что полезно при сварке на пониженном токе, и особенно, в вертикальном и потолочном положениях. При сварке в нижнем положении полезно отключить низковольтную подпитку с помощью тумблера S2, в результате кратность пикового тока снизится до 1,5-1,6, а длительность короткого замыкания каплями возрастет до 10-15 мс, что приведет к снижению разбрызгивания.
4.2.6. Выпрямитель с умножителем напряжения
Временное увеличение напряжения в однофазном выпрямителе может быть обеспечено также за счет конденсаторного умножителя (удвоителя) напряжения, включенного последовательно или параллельно с основной силовой цепью.
На рис. 4.24 показана схема выпрямителя с последовательным удвоением напряжения. В первом полупериоде вторичная обмотка трансформатора Т имеет полярность, показанную знаками «+» и «-». При этом через диод VD1 идет ток, направление которого показано тонкой линией. Он заряжает конденсатор С1 до амплитудного напряжения вторичной обмотки Uci = \l2U^ Во втором полупериоде через конденсатор С 2 идет ток, показанный пунктирной линией, создаваемый совместным действием напряжения вторичной обмотки и конденсатора С1. При этом их полярность показана знаками «(+)» и «(—)», и, следовательно, их напряжения суммируются: Uc2 = ^2 + ^ci- Поэтому конденсатор С 2 заряжается до удвоенного амплитудного напряжения вторичной обмотки, которое и является напряжением холостого хода выпрямителя:
С/х = С/С2 = 2x/2LZ2 = 2,8С72.
Рис. 4.24. Выпрямитель с удвоением напряжения
Высокое значение напряжения холостого хода способствует надежному зажиганию дуги. При нагрузке напряжение выпрямителя 17в снижается, но в каждом из нечетных полупериодов оно частично восстанавливается благодаря периодической подзарядке конденсатора С1. Провалы в кривой сварочного тока
также частично заполняются благодаря разрядке конденсатора С2 на дугу, что повышает устойчивость ее горения.
Если принять максимальное напряжение холостого хода 100 В, то действующее напряжение вторичной обмотки составит всего U2 = Ux/2,8 = 100/2,8 = = 35 В. При таком низком напряжении существенно снижаются габариты, масса и стоимость трансформатора. Кроме того, при высоком коэффициенте трансформации n = (7i/(7x = 6,3 выпрямитель на ток 160 А при ПН = 40 % может быть подключен даже к бытовой сети 220 В, 16 А.
Выпрямитель марки Дуга 318М (Электроприбор, Новомосковск) с параллельным умножением напряжения показан на рис. 4.25. Он может подключаться как к однофазной сети 220 В зажимами XI и Х2, так и к двухфазной сети 380 В зажимами XI и ХЗ. Сетевое напряжение через автоматический выключатель QF поступает на трансформатор Т с переключателем SA, после чего пониженное напряжение подается на вентильный блок VD1-VD4, а также на умножитель напряжения Cl, С2. Выпрямленное напряжение сглаживается дросселем L2 и подается на дугу.
Рис. 4.25. Выпрямитель Дуга 318М: а — принципиальная схема, б — внешние характеристики
Однофазный трансформатор Т — с тороидальным магнитопроводом и секционированной вторичной обмоткой. Контакты переключателя SA перемещаются по оголенным проточенным виткам вторичной обмотки, за счет чего и регулируется ток. Вентильный блок собран по мостовой схеме из четырех диодов
VD1-VD4. Умножитель напряжения работает следующим образом. В одном из полупериодов по цепи X8-VD3-C1-L1-X7 идет зарядка конденсаторной батареи С1 из 16 параллельно соединенных конденсаторов, каждый на 2200 мкФ. В другом полупериоде по цепи X7-L1-C2-VD4-XS идет зарядка такой же конденсаторной батареи С2. При холостом ходе суммарное напряжение умножителя составляет 60 В, поэтому при общей емкости 17 600 мкФ в нем запасается энергия CU2/2 = 30 Дж, что вполне достаточно для начального зажигания дуги при ручной сварке. Внешние характеристики выпрямителя приведены на рис. 4.25,6, при этом начальный крутопадающий участок сформирован умножителем. При нагрузке дугу питает основная силовая цепь Т, VD1-VD4 с относительно невысоким напряжением холостого хода 15-35 В и пологопадающей внешней характеристикой. Диапазон регулирования тока при витковом регулировании переключателем SA составляет 50-200 А.
У трехфазного двигателя вентилятора две обмотки получают питание непосредственно от сети, а третья — со сдвигом фазы за счет конденсаторов СЗ, С4. Светодиод VDH получает питание от вспомогательной обмотки трансформатора через резистор R и сигнализирует о наличии напряжения сети.
Другие конструкции выпрямителей могут иметь комбинированные схемы последовательного и параллельного умножения, а также трехфазную схему выпрямления.
Сварочные свойства таких выпрямителей зависят от параметров цепи умножителя. Надежное зажигание дуги электродом с рутиловым покрытием у источника на 160 А обеспечивается уже при емкости 1000-2000 мкФ, но для электродов с основным покрытием, например марки УОНИ-13/55, потребуется более значительная емкость, а также сглаживающий дроссель с индуктивностью не менее 0,3 мГн. К недостаткам таких выпрямителей следует отнести слишком пологий наклон внешних характеристик на основном участке, что приводит к снижению точности настройки и стабильности тока, к тому же большой пиковый ток короткого замыкания 1Пк = (2,5-3,5)7^ вызывает перегрев электрода и чрезмерную интенсивность переноса капель с сильным разбрызгиванием электродного металла.
4.3. Тиристорные и транзисторные выпрямители
4.3.1. Фазовое регулирование режима в тиристорном выпрямителе
Принцип фазового управления рассмотрим на примере шестифазной схемы выпрямления с уравнительным дросселем (рис. 4.26). Проанализируем сначала простейший случай работы на линейное активное сопротивление при малом сопротивлении фазы трансформатора (X = 0). В начальный момент ©о ток пропускают вентили V5 и V6 (показано на рис. 4.26,а тонкими линиями). Это объясняется тем, что анод У5 соединен с обмоткой
АВС
Рис. 4.26. Принципиальная схема (а) и осциллограммы тиристорного выпрямителя при использовании трансформатора с нормальным (б, в, г, д, ж) и увеличенным (е) рассеянием
С1, имеющей сейчас наибольший положительный потенциал из обмоток первой группы Al, Bl, С1 (рис. 4.26,6), а анод Уб соединен с обмоткой В2, у которой наибольший положительный потенциал из обмоток второй группы А2, В2, С2 (рис. 4.26,в). Остальные вентили ток не пропускают. Как было показано на рис. 4.10, в диодном выпрямителе коммутация тока с вентиля У5 на У1 произошла бы при ©i = 30°, когда напряжение обмотки А1 становится выше, чем у обмотки С1 (иа\ > ис\). Но для тиристорного выпрямителя в этот момент выполняется только первое условие отпирания вентиля VI — потенциал его анода стал наибольшим в первой группе обмоток. Отпирание же вентиля VI произойдет позже — лишь при выполнении второго условия, т. е. в момент подачи сигнала на управляющий электрод тиристора. А до этих пор в первой группе будет работать обмотка С1 и соединенный с ней вентиль V5, хотя йотенциал его анода ниже, чем у вентиля VI.
Пусть в момент ©2 на управляющий электрод тиристора VI будет, наконец, подан управляющий импульс. В результате вентиль VI откроется, и на нагрузку станет подаваться потенциал обмотки А1 (показано пунктирной линией на рис. 4.26,а). При этом вентиль V5 закроется. Момент пересечения фазных напряжений, соответствующий коммутации диодов (©1 = 30°), называют моментом естественной коммутации и от него отсчитывают угол управления тиристоров (а = ©2 — ©i). Со сдвигом в 60° от момента ©2 произойдет коммутация во второй группе обмоток (рис. 4.26,в), и в работу вступит вентиль У2, соединенный с обмоткой С2, на которой к этому моменту будет максимальный положительный потенциал среди обмоток второй группы. Таким образом, вентили включаются в работу через 60° в порядке их нумерации: У1-У2-УЗ — и т. д., каждый с одинаковым углом задержки а относительно точки естественной коммутации. В любой момент одновременно работают два тиристора — сначала V5 и Уб, затем V6 и VI ит. д. благодаря действию дросселя L, уравнивающего напряжения в цепи двух тиристоров и поэтому вовлекающего их в параллельную работу (см. раздел 4.1.4). На рис. 4.26,6 и в толстой линией показано напряжение, подаваемое соответствующей группой обмоток на нагрузку. Выпрямленное напряжение пв в каждый момент равно полусумме напряжений двух работающих обмоток из разных групп (рис. 4.26,г). Как видно, в интервале ©i-©2 это напряжение меньше, чем у диодного выпрямителя. Поэтому и среднее значение напряжения тиристорного выпрямителя С7В меньше, чем у диодного, на величину Uа/2, пропорциональную площади заштрихованного участка на рис. 4.26,6. При углах управления а от 0 до 60° кривая выпрямленного напряжения непрерывна, его среднее значение можно вычислить по формуле
ив = 1,17С71л^ COS а.
С увеличением угла управления а потери Ua увеличиваются, а само выпрямленное напряжение снижается:
ос Ua UB .
Фазовое регулирование заключается в изменении угла управления тиристоров, приводящем к изменению части напряжения трансформатора, подаваемого тиристорным выпрямительным блоком на нагрузку.
Фазовое регулирование обладает всеми достоинствами электрического регулирования: компактность и высокая надежность бесконтактных органов управления, плавность и высокая кратность регулирования напряжения, простота дистанционного и программного управления.
Главный недостаток фазового регулирования заключается в значительной пульсации выпрямленного напряжения. При а > 60° в кривой выпрямленного напряжения появляются разрывы (рис. 4.26,ж). Более того, даже в интервале 0 < а < 60° несмотря на непрерывность кривой ив кривая сварочного тока id прерывиста (рис. 4.26,5), если напряжение дуги достаточно велико. Разрывы в кривой тока возникают в интервалах, когда ив < Ud.
Приемы снижения пульсации напряжения и тока приведены на схемах, используемых в серийных тиристорных выпрямителях (рис. 4.27). Обычно с этой целью устанавливают сглаживающий дроссель L, иногда
Рис. 4.27. Схемы тиристорных выпрямителей: а — с трехфазной мостовой, б — с шестифазной с уравнительным дросселем, в — с кольцевой схемой выпрямления
с обратным диодом VD (рис. 4.27,а). В те моменты, когда мгновенное значение выпрямленного напряжения уменьшается, сварочный ток поддерживается энергией, запасенной дросселем в предыдущий промежуток времени. Обратный диод особенно полезен при глубоком регулировании (а > 60°), поскольку позволяет дросселю поддерживать ток i$2 в моменты, когда тиристоры не пропускают ток 1^1 • В результате кривая тока сглаживается (рис. 4.26,5). Для практически полного сглаживания тока во всем интервале регулирования а от 0 до 90° необходимо, чтобы сопротивление дросселя XL = было существенно выше сопротивления нагрузки — дуги (Xl > 5Rg). Такой мощный дроссель слишком дорог и велик, к тому же чрезмерно замедляет переходные процессы при зажигании дуги и переносе электродного металла. Поэтому индуктивность назначают на уровне L = 0,2-1 мГн только из соображения уменьшения разбрызгивания, не стремясь к полному сглаживанию кривой тока. Обычно применяется дроссель с воздушным зазором на 2-3 ступени (рис. 4.27,6).
Для снижения пульсации напряжения разумно также ограничивать глубину фазового регулирования, например, до а = 60°. Чтобы кратность регулирования напряжения при этом не снизилась, фазовое регулирование дополняют ступенчатым, например, изменяя соединение обмоток трансформатора. На рис. 4.27,6 переключатель S показан в положении, обеспечивающем соединение первичных обмоток в звезду, что дает низший диапазон регулирования сварочного напряжения. При другом положении переключателя обмотки соединяются треугольником, и выпрямленное напряжение увеличивается в 1,73 раза.
Наконец, устойчивое горение дуги при глубоком фазовом регулировании достигается введением блока подпитки (рис. 4.27,в). Блок представляет собой вспомогательный маломощный выпрямитель, состоящий из трансформатора Т2 с увеличенным рассеянием и блока неуправляемых вентилей VD. Его ток заполняет паузы в кривой тока основного источника.
4.3.2. Формирование внешних характеристик в тиристорном выпрямителе
Необходимые (жесткие или падающие) внешние характеристики в тиристорном выпрямителе могут быть сформированы как естественным, так и искусственным способом.
Естественные внешние характеристики имеют наклон, зависящий от сопротивления трансформатора. На рис .4.26,6 была показана осциллограмма напряжения тиристорного выпрямителя при малом сопротивлении трансформатора. Перейдем теперь к более сложному случаю, когда
сопротивление фазы трансформатора X 0. В этом случае необходимо учитывать затянутую коммутацию, как это было сделано в разделе 4.2.1 при анализе работы неуправляемых вентилей. На рис. 4.26,е показана осциллограмма напряжения при затянутой коммутации вентилей. Как и на рис. 4.26,6, в интервале ©o~0i в первой группе обмоток работает вентиль 75, потери напряжения иа в интервале 0i~02 вызваны задержкой включения тиристора VI на угол а. С момента 02 включается вентиль 71, но вентиль V5 в отличие от процессов, показанных на рис. 4.26,6, не отключается, а продолжает работать благодаря энергии, запасенной в индуктивности обмотки С1. Поэтому в интервале у коммутации от ©2 до 0з одновременно работают вентили V5 и VI, и на нагрузку от первой группы обмоток подается напряжение, равное полусумме потенциалов (uci + uai)/2, аотнюдь не потенциал иа\, как было показано на рис. 4.26,6. Напомним, что во второй группе обмоток в течение всего интервала ©о~ 0з работает обмотка В2 с вентилем V6. Таким образом, в тиристорном выпрямителе, как и в диодном, возможен 2-й (двух-трехвентильный) режим работы, т.е. попеременная работа вентилей то по два (75 и V6 в интервале 0о~©2), то по три (75, V6 и VI в интервале 02~0з)« При увеличении сварочного тока которое вызовет затяжку коммутации у до 60°, выпрямитель перейдет в 3-й (трехвентильный) режим работы.
Итак, затянутая коммутация приводит к дополнительным потерям напряжения (рис. 4.26,е). При увеличении сварочного тока/# интервал коммутации у и потери возрастают, а выпрямленное напряжение UB снижается, как и в случае с диодным выпрямителем:
Следовательно, естественная внешняя характеристика тиристорного выпрямителя при X 0 — падающая.
Необходимый тип естественной внешней характеристики тиристорного выпрямителя задается конструкцией трансформатора. Жесткие характеристики получаются при использовании трансформатора с нормальным рассеянием, падающие — трансформатора с увеличенным рассеянием.
Естественные внешние характеристики тиристорных выпрямителей приведены на рис. 4.28. В режиме холостого хода напряжение
C7x = l,35C7u^cosa. (4.18)
При нагрузке вступает в работу уравнительный дроссель, поэтому напряжение скачком снижается до значения UB = l,17l7^(u>2/u>i)cosa (участок 1). Поскольку реальный трансформатор с нормальным рассеянием
Рис. 4.28. Естественные жесткие (а) и падающие (б) внешние характеристики тиристорных выпрямителей
имеет небольшое, но все же заметное сопротивление фазы X 0, то обычно выпрямитель работает во 2-м (двух-трехвентильном) режиме и имеет естественно пологопадающую характеристику 2 (рис. 4.28,а).
Уравнение внешней характеристики имеет вид
С7в = 1,17171л^сова-|Л>Х.
Потери Ua напряжения за счет задержки включения тиристоров на угол а отражает множитель cos а в первом члене уравнения, потери Uy за счет затянутой коммутации при X 0 отражены вторым членом. Каждому углу управления а соответствует своя внешняя характеристика, с увеличением а характеристика смещается вниз.
При большом сопротивлении трансформатора внешняя характеристика на участке 3 получается крутопадающей (рис. 4.28,£), при этом выпрямитель работает в 3-м режиме.
Искусственные внешние характеристики формируются за счет обратных связей. В этом случае выпрямитель нужно представить как замкнутую систему автоматического регулирования тока или напряжения (рис. 4.29). На приведенной функциональной схеме толстой линией выделены элементы, обязательные для любого тиристорного выпрямителя. В силовой части схемы напряжение сети преобразуется трансформатором с нормальным рассеянием и после выпрямления тиристорным блоком и сглаживания фильтром подается на дугу. В слаботочной части блок задания БЗ формирует сигнал задания тока С7ЗТ или напряжения f73H, а блок фазового управления БФУ передает его к тиристорному блоку, формируя импульсы управления. Для создания системы автоматического регулирования с цепями обратных связей необходимы, кроме того, датчики выпрямленного напряжения и тока, датчик сетевого напряжения, а также блок сравнения БС сигнала задания с сигналом датчика. В конкретной
Рис. 4.29. Блок-схема тиристорного выпрямителя с обратными связями
конструкции может быть как одна из показанных пунктирной линией обратных связей, так и несколько.
Рассмотрим действие системы автоматического регулирования напряжения в выпрямителе с жесткими характеристиками. Выпрямленное сварочное напряжение UB сравнивается в БС с заданным [7ЗН, и их разность U3H — UB воздействует через БФУ на угол управления а тиристоров. Если при снижении напряжения в сети или увеличении нагрузки выпрямленное напряжение понизится, то угол управления уменьшится, в результате чего выпрямленное напряжение возрастет почти до исходной величины:
Uc Ub (Uзн Uв) ос UB UB const.
Таким образом, выпрямленное напряжение стабилизируется, т.е. остается постоянным, независимым от колебаний нагрузки и напряжения сети. На рис. 4.30,а тонкими линиями показаны естественные пологопадающие, а толстыми — полученные из них искусственные жесткие внешние характеристики, положение которых зависит только от значений заданного напряжения [7ЗН. Иногда ограничиваются стабилизацией только при колебаниях напряжения сети, в этом случае сигнал задания (7ЗН сопоставляется с сетевым напряжением Uc.
Для получения падающей внешней характеристики используют действие отрицательной обратной связи по току, когда сигнал задания U3T сопоставляется с напряжением С7ДТ датчика, пропорциональным сварочному току Ig. При введении отрицательной обратной связи с ростом тока
Рис. 4.30. Внешние характеристики тиристорного выпрямителя, полученные за счет обратных связей
угол управления тиристоров возрастает, что приводит к снижению выпрямленного напряжения:
Id ^дт (^зт Пдт) Ф •
На рис. 4.30,6 показано, как из естественных пологопадающих (тонкие линии) формируются искусственные крутопадающие характеристики (толстые линии).
При введении положительной обратной связи по току можно получить возрастающие, так называемые оптимизированные, внешние характеристики (рис. 4.30,в). Они полезны при механизированной сварке в углекислом газе, поскольку при любом режиме обеспечивают оптимальное соотношение между сварочным током и напряжением
Пр = 14 + 0,051^, соответствующее минимальному разбрызгиванию электродного металла и качественному формированию шва.
Искусственные внешние характеристики в тиристорном выпрямителе получаются благодаря обратным связям по напряжению или току. Стабилизация напряжения при жестких внешних характеристиках достигается введением отрицательной обратной связи по сварочному или сетевому напряжению. Падающую характеристику обеспечивает введение отрицательной обратной связи по току.
4.3.3. Выпрямитель с тиристорным выпрямительным блоком
Выше было показано, что на основе одной и той же силовой части тиристорного выпрямителя с помощью слаботочных цепей управления можно сформиро
вать и жесткие, и падающие характеристики. Поэтому большинство тиристорных выпрямителей разработаны как универсальные.
Универсальный выпрямитель марки ВДУ-505-2 (Электрик) (рис. 4.31) имеет в своем составе автоматический выключатель QF, силовой трансформатор Т, уравнительный дроссель Ы, силовой блок тиристоров VI, дроссель L2, а также не показанные на схеме вентилятор и блоки управления. Силовой понижающий трансформатор имеет нормальное рассеяние, что позволяет применять его при формировании как жестких, так и падающих характеристик. Силовой выпрямительный блок собран из тиристоров Т161-160-7-12 по шестифазной схеме с уравнительным дросселем, которая обеспечивает самую низкую токовую загрузку вентилей.
Рис. 4.31. Выпрямитель ВДУ-505-2: а — принципиальная схема; б — падающие; в — жесткие внешние характеристики
Дроссель L2 броневого типа предназначен для сглаживания выпрямленного тока, а при сварке в углекислом газе также для уменьшения разбрызгивания. При ручной сварке с падающими характеристиками дроссель имеет максимальную индуктивность — 0,5 мГн. При механизированной сварке в углекислом газе с жесткими характеристиками его индуктивность меняется автоматически в зависимости от режима сварки следующим образом. При низких режимах наблюдается значительная пульсация выпрямленного тока, протекающего по рабочей обмотке ОР дросселя. Поэтому в обмотке управления ОУ индуктируются большие ЭДС и ток, замыкающийся по вентилям V2, V3 и дуге. Этот ток создает с помощью обмотки управления большой магнитный поток, насыщающий железо
дросселя. Поэтому при низких режимах дроссель имеет малую индуктивность, при высоких — большую индуктивность.
Дроссель с управляемой индуктивностью изменяет и характер переходных процессов при сварке в углекислом газе, существенно снижая разбрызгивание электродного металла, а также повышая стабильность горения дуги при сварке на малых токах. Процесс короткого замыкания каплей корректируется на всех трех этапах. В начале короткого замыкания дроссель L2 имеет максимальную индуктивность (около 0,5 мГн), поэтому ток нарастает сравнительно медленно, не препятствуя слиянию капли с ванной. На втором этапе вступает в действие обмотка управления ОУ, в которой возникает большая ЭДС, индуцированная всплеском тока в рабочей обмотке ОР. При этом диод V3 открывается, a V2 — закрывается. Ток, протекающий по диоду УЗ и обмотке ОУ, создает магнитный поток, насыщающий сердечник дросселя и резко снижающий его индуктивное сопротивление. Поэтому ток короткого замыкания на втором этапе нарастает быстрей, вызывая сбрасывание капли в ванну. Третий этап начинается со спада тока, который вызовет смену знака ЭДС обмотки ОУ. По этой причине закрывается диод УЗ, a V2 — открывается. При этом ЭДС обмотки ОУ будет подпитывать дугу, не допуская резкого провала сварочного тока после короткого замыкания, что способствует повышению устойчивости процесса, особенно при низких режимах.
Система управления выпрямителя, собранная на интегральных микросхемах, показана на функциональной схеме (рис. 4.29). Для получения падающих характеристик (рис. 4.31,6) используется отрицательная обратная связь по току, одновременно с ней действует обратная связь по напряжению сети, что позволяет стабилизировать ток при колебаниях сетевого напряжения. При сварке с жесткими характеристиками (рис. 4.31,в) стабилизация напряжения обеспечивается обратными связями по сварочному и сетевому напряжению. Для получения небольшого заданного наклона характеристик используется также ослабленная обратная связь по току. При отсутствии сварочного тока обратная связь по сварочному напряжению может быть отключена, и тиристоры переходят к полнофазному включению (а = 0°), что обеспечивает высокое напряжение холостого хода при сварке на жестких характеристиках. В результате улучшается зажигание дуги и устойчивость при малых токах. Наклон характеристики может изменяться в пяти вариантах от 0 до —0,1 В/A. Так, при сварке с длинными проводами и при увеличенном вылете электродной проволоки наклон уменьшается, что гарантирует стабильность настроенного напряжения.
Выпрямитель марки ВДУ-506МТ (Уралтермосвар) предназначен для ручной сварки покрытым электродом, механизированной сварки сплошной и порошковой проволокой и аргоно-дуговой сварки неплавящимся электродом (рис. 4.32). В основной силовой цепи энергия сети подается через контактор КМ1 на понижающий трансформатор Т, затем на тиристорный блок VS, далее на дроссель L и, наконец, в дугу. Параллельно основной цепи подключена цепь высоковольтной подпитки, состоящая из контактора КМ2, выпрямительного блока на неуправляемых вентилях VD и балластного резистора R.
Автоматический регулятор имеет в качестве основы микроконтроллер А1 марки PIC1SF452 (Micro Chip Incorporated, США). Он представляет собой большую ИМС, выполняющую функции пропорционально-интегрально-дифферен-
Рис. 4.32. Блок-схема универсального выпрямителя ВДУ-506 МТ
циального (ПИД) регулятора, который действует в соответствии с алгоритмом, составленным при проектировании источника и учитывающим различные ситуации и условия сварочного процесса. Внешнее программирование регулятора при его настройке на заводе-изготовителе осуществляется от компьютера через порт АЗ. В процессе эксплуатации задание сварочного тока, напряжения и других параметров производится с панели управления и индикации А2 на передней стенке выпрямителя, или с цифрового пульта дистанционного управления А4, или с аналогового пульта дистанционного управления А5. Запуск на сварку выполняется прикосновением электрода к детали или нажатием на кнопку А6 на горелке. Сигнал обратной связи по току снимается с шунта RS и преобразуется усилителем А16. Сигнал обратной связи по напряжению понижается делителем А17. После сравнения сигнала задания с сигналами обратной связи регулятор А1 вырабатывает сигнал управления, который через широтно-импульсный модулятор (ШИМ) А12 и формирователь импульсов А13 подается на управляющие электроды тиристоров KS. В регулятор также подаются сигнал ветрового релеАЮ, контролирующего работу вентиляторам, и сигналы от термодатчиков
А14, измеряющих температуру тиристоров. В случае любого нарушения регулятор через оптоэлектронную развязку А9 отключает пускатель КМ1. С помощью еще двух развязок АН и А15 регулятор управляет включением пускателя КМ2 высоковольтной подпитки и обмотки управления дросселя L. С помощью развязок А7 и AS регулятор может управлять работой газового клапана и привода подачи проволоки сварочного полуавтомата.
При ручной сварке покрытым электродом выпрямитель имеет комбинированную внешнюю характеристику (рис. 4.33,а), состоящую из четырех постоянных участков и четырех, возникающих в зависимости от ситуации. Участок 1 подпитки (85 В, 20 А) необходим для заполнения пауз между включениями тиристоров. Пологопадающий участок 2 представляет собой естественную характеристику выпрямителя при полнофазном включении тиристоров (55 В, 0,03 В/A). На крутопадающем участке 3 наклон 0,4-2 В/A может настраиваться в зависимости от пространственного положения шва. Основной вертикальный участок 4 используется для настройки сварочного тока в диапазоне 20-500 А. Для выполнения специальных функций, например при сварке электродом диаметром 4 мм с установленным сварочным током Ig = 150 А, настраиваются положения еще четырех участков, обеспечивающих ток ограничения длительного короткого замыкания 1ку (участок 7), ток горячего пуска (старта) 1ст (участок 6), ток форсирования при капельном переносе /ф (участок 5), а также напряжение ограничения длительного холостого хода UXH (точка 5). При аргоно-дуговой сварке характеристика (рис. 4.33,6) имеет три постоянных участка и участок 4, ограничивающий длительный ток короткого замыкания. В качестве примера показана настройка при сварке вольфрамовым электродом диаметром 3 мм при токе Id = 150 А. При механизированной сварке в углекислом газе характеристика (рис. 4.33,в) имеет два постоянных и два временных участка. Как и при других способах сварки, имеется участок 1 подпитки, но основной участок 2 выполнен жестким, его перемещением настраивается сварочное напряжение в интервале 15-40 В. Предусмотрена также возможность увеличения напряжения до уровня естественной характеристики 3, например, для горячего пуска с полнофазным включением тиристоров. Имеется еще и участок отсечки 4, ограничивающий ток при длительном коротком замыкании и предотвращающий прожог тонких деталей. В качестве примера приведена настройка режима при сварке в углекислом газе проволокой диаметром 1 мм со скоростью подачи 400 м/ч при оптимальном соотношении тока Ig = 150 А и напряжения Ug = 22 В.
При любом способе сварки предусмотрено хранение и воспроизведение заранее установленных режимов, в том числе подобранных сварщиком. В отличие от аналогового регулятора, микропроцессорный не нуждается для придания ему новых функций и свойств в изменении структуры или введении новых элементов. Изменение алгоритма его функционирования, как правило, требует всего нескольких минут работы квалифицированного программиста. Режимы сварки, подобранные и сохраненные в одном выпрямителе, легко тиражируются и переносятся на другие с помощью накопителей на магнитных дисках.
Сварочные свойства тиристорных выпрямителей предопределены самим принципом фазового управления. С одной стороны, оно приводит к сильным пульсациям сварочного тока, с другой же, предоставляет возможность программного управления и быстрого реагирования на отклонения параметров
Рис. 4.33. Внешние характеристики выпрямителя ВДУ-506 МТ: а — при ручной сварке; б — при аргоно-дуговой сварке; в — при механизированной сварке в защитном газе
режима от установленных значений. Сварочные свойства выпрямителя ВДУ-506МТ достаточно высоки именно благодаря отработанному алгоритму и высокому быстродействию МП-регулятора. При ручной сварке возможности выпрямителя иллюстрируют осциллограммы тока и напряжения (рис. 4.34,а), полученные при зажигании и устойчивом горении даже экстремально длинной дуги в 10 мм. Из режима ожидания (при (7ХН = 12 В) выпрямитель за 20 мс переходит в режим горячего пуска с током короткого замыкания 1к = 1ст. После короткого замыкания напряжение скачком достигает значения 18 В, т. е. суммы катодного и анодного падений напряжения (7ка, а затем более плавно в течение времени tdy — величины Udn = 40 В. Горячий пуск (старт) с током 1ст = 1,51^ при настроенном времени tCT = 0,5 с продолжается и при установлении дугового процесса, после чего МП-регулятор переходит в режим стабилизации настроенного тока 1о = 100 А. Защита от прилипания в этом случае не сработала, поскольку время короткого замыкания tK = 0,2 с не превысило допустимого значения 0,5 с.
Рис. 4.34. Осциллограммы выпрямителя ВДУ-506 МТ: а — зажигание и установившийся процесс при ручной сварке (электрод УОНИ-13/55, 0 3 мм, 100 А); б — установившийся процесс при механизированной сварке в углекислом газе (проволока Св-08Г2С, 0 1,2 мм, 200 А, 24 В)
Абсолютные значения критериев сварочных свойств при использовании электродов марки УОНИ-13/55 диаметром от 2,5 до 5 мм следующие. Предельная начальная длина дуги при зажигании 11-16 мм, разрывная длина — 12-17 мм. Обрывов не обнаружено ни при сварке в нижнем, ни в вертикальном положениях. Минимальный ток устойчивого горения дуги для указанных электродов соответственно 17-40 А. Стабильность режима характеризуется относительными отклонениями тока всего 1-4 %. Перенос электродного металла с использованием форсирования при токе 1ф = (1,2-1,5)1^ регулярный крупнокапельный с частотой коротких замыканий 10,3-2,1 Гц и длительностью 4,3-10 мс для указанных электродов соответственно. При этом коэффициент разбрызгивания электродного металла составил около 2 %.
Сварочные свойства при механизированной сварке в углекислом газе проволокой марки Св-08Г2С диаметром от 0,8 до 1,6 мм оценивались объективным методом по требованиям ГОСТ 25616-83. Надежность установления процесса характеризуется средним количеством обрывов при зажигании 0,8-2 при норме 3, чему способствует горячий пуск — полнофазное (или близкое к нему) включение тиристоров в течение 10 мс. Устойчивый процесс сварки с регулярным чередованием этапов дугового разряда и короткого замыкания каплей иллюстрирует рис. 4.33,# со следующими характеристиками: частота 28 ± 4 Гц, длительность дугового разряда t# = 31 ± 5 мс, длительность короткого замыкания tKK = 4,6 ± 1,2 мс, пиковое значение тока 1кп = 370 ± 50 А и скорость его нарастания 68± 20 кА/с. Такая высокая регулярность достигается благодаря стабилизации напряжения МП-регулятором с точностью 2,5 %, поэтому и разбрызгивание электродного металла составляет всего 1,4-5,5 % при норме от 7 до 12 %. При наплавке получается ровный мелкочешуйчатый валик с отношением высоты к ширине от 0,24 до 0,35 при норме не более 0,6.
Технико-экономические показатели тиристорных выпрямителей лучше, чем у диодных. Так, коэффициент полезного действия при номинальном режиме составляет около 0,7-0,85, а коэффициент мощности — 0,6-0,65. При жестких характеристиках оба показателя выше, чем при падающих. Удельный расход электроэнергии при ручной дуговой сварке составляет 4-5,5 кВт • ч на 1 кг расплавленного металла.
4.3.4. Выпрямитель с тиристорным регулятором в первичной цепи
Для выпрямителей на токи более 1000 А рациональна установка тиристорного регулятора в первичной цепи трансформатора подобно тому, как это было выполнено в конструкции тиристорного трансформатора (раздел 3.4.4). При этом снижается коммутируемый тиристорами ток, что позволяет использовать маломощные серийные тиристоры без их параллельного соединения.
Мощный выпрямитель марки ВДУ-1202 (Электрик) предназначен для механизированной сварки под флюсом и в защитном газе (рис. 4.35). Первичные обмотки силового трансформатора Т соединены треугольником, в каждую фазу включено по два тиристора марки Т161-160-10-12, соединенных встречнопараллельно. Тиристорный блок KS используется для регулирования режима и формирования необходимой внешней характеристики. Функция выпрямления тока передана диодному блоку VD, включенному в цепь вторичных обмоток по кольцевой схеме. Кремниевые диоды изготавливают на большие токи (в данном случае марки Д171-400-3), и их использование в мощном выпрямителе не встречает затруднений. Кольцевая схема их соединения требует сравнительно простого и экономичного трансформатора. В цепи выпрямленного тока установлены сглаживающие дроссели L1 и L2, состоящие из четырех секций. В диапазоне малых токов дроссели соединяются последовательно с помощью перемычки S1, а при большом сварочном токе — параллельно с помощью двух перемычек S2.
Тип внешней характеристики зависит от положения переключателя S3. При первом положении в блок сравнения ВС проходит только сигнал отрицательной
Рис. 4.35. Принципиальная схема выпрямителя ВДУ-1202
обратной связи по току ОСТ с шунта RS, в этом случае формируются падающие характеристики с наклоном от —0,08 до —0,1 В/A и с кратностью тока короткого замыкания 1к/1д = 1,6-1,9, используемые при механизированной сварке под флюсом аппаратом системы АРНД. Во втором положении переключателя действуют оба сигнала обратной связи — по току ОСТ и напряжению ОСН, причем действие ОСН преобладает, что и приводит к формированию пологопадающих характеристик, а более слабый сигнал ОСТ необходим только для придания характеристике небольшого наклона от -0,011 до —0,015 В/A. Такие характеристики полезны при сварке под флюсом аппаратами системы АРДС. В третьем положении действует только обратная связь по напряжению, что приводит к формированию стабилизированных (жестких) характеристик с наклоном от -0,006 до —0,009 В/A. Такой наклон необходим при сварке в защитных газах. Схемой управления предусмотрено также форсирование режима в начале сварки. С этой целью зажигание дуги происходит при максимальном токе благодаря полнофазному включению тиристоров (а = 0). При появлении сварочного тока сигнал о начале сварки поступает в блок сравнения ВС, в результате чего форсирование прекращается.
В составе выпрямителя имеются также автоматический выключатель QF, вентилятор, приборы контроля и сигнализации. Схемой предусмотрена возможность параллельного соединения двух выпрямителей для получения тока до 2500 А с настройкой режима на одном из них.
4.3.5. Выпрямитель с транзисторным регулятором
Транзисторный преобразователь, как правило, устанавливается в цепи постоянного сварочного тока и может использоваться как для понижения, так и повышения напряжения. Обычно основой такого преобразователя является силовой транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером и работающий в ключевом режиме (рис. 4.6). При недостаточной мощности одиночного транзистора
на параллельную работу соединяют несколько транзисторов или транзисторнодиодных модулей — чопперов (см. раздел 4.5.2).
Понижающий транзисторный преобразователь (рис. 4.36) обычно подключается к выходу неуправляемого выпрямителя, состоящего из понижающего трансформатора Т и диодного блока VD1. В начальный момент ti (рис. 4.36,6), при подаче от системы управления сигнала на базу транзистор VT быстро приходит в состояние насыщения, и по нагрузке идет ток, направление которого показано на рис. 4.36,а тонкой линией. Скорость нарастания тока ограничивается индуктивностью дросселя L. После выключения транзистора с момента t2 ток в нагрузке протекает по цепи обратного диода VD2, показанной пунктиром, т.е. поддерживается за счет энергии, запасенной в дросселе L. При достаточно высокой частоте (более 1 кГц) пульсации напряжения источника ии не превышают 0,2-0,5 В. Его среднее значение
UK = u£ = UB—£—. (4.19)
7 Гт "Г Гдд
Рис. 4.36. Понижающий транзисторный преобразователь: а — принципиальная схема, б — осциллограммы напряжения при частотном регулировании, в — при широтном регулировании
Регулирование напряжения выполняется частотно-импульсным (рис. 4.36,6) и широтно-импульсным (рис. 4.36,в) способами. Если при постоянной длительности включенного состояния транзистора tT увеличить частоту его включений (рис. 4.36,6), это вызовет сокращение интервала работы дросселя на разрядку £од и, следовательно, по (4.19) увеличение среднего напряжения на выходе источника С7И:
f ^од тt/и t.
При широтном регулировании частота включения транзистора Л так же как и период следования импульсов Т = 1/f, остается постоянной. В этом случае при увеличении длительности включенного состояния транзистора £т напряжение источника ии возрастает (рис. 4.36,в):
^од t .
Частотное регулирование технически проще осуществимо, при широтном регулировании меньше пульсации тока и выше быстродействие системы управления.
Источник, состоящий из выпрямителя и транзисторного преобразователя, иногда упрощенно называют по его характерной части — чоппер.- Такой источник сложней и дороже собственно выпрямителя, но обладает существенно более высокими сварочными свойствами. Формирование внешних характеристик выполняется с помощью обратных связей: падающей для ручной сварки покрытым электродом — при отрицательной связи по току; жесткой или комбинированной, предназначенной для механизированной сварки в защитном газе — при отрицательной связи по напряжению. Высокое быстродействие транзисторного преобразователя позволяет придать источнику специальные функции: при ручной сварке — горячий старт, защита от прилипания, форсирование дуги; при механизированной сварке в защитных газах — управляемый перенос электродного металла и др.
Повышающий транзисторный преобразователь (рис. 4.37) обычно подключается к источнику низкого постоянного напряжения 12-24 В, например, аккумуляторной батарее GB. С момента ti включается транзистор VT и по цепи, показанной тонкой линией, идет ток, в результате чего дроссель L запасается энергией, отбираемой у аккумуляторной батареи GB. Напряжение на выходе источника С7И и сварочный ток, показанный также тонкой линией, в этом интервале £1-^2 создаются благодаря разряду конденсатора С, ранее запасшегося энергией. При выключении транзистора с момента t2 ток в нагрузке, показанный пунктирной линией, создается при совместном действии ЭДС аккумулятора и дросселя, т.е. при напряжении С7И, существенно превышающем напряжение одного только аккумулятора [/аб (рис. 4.37,6). В этом же интервале t2~t% дополнительно подзаряжается конденсатор С, готовясь к питанию дуги после момента £3. Колебания напряжения ии обычно не превышают 0,5 В, его среднее значение можно вычислить по соотношению
иа = ияЛ = 17аб^^, (4.20)
tb *L
из которого следует, что этот преобразователь именно повышает напряжение до необходимого сварочного. Рисунок 4.37,6 иллюстрирует широтный способ регу
Рис. 4.37. Повышающий транзисторный преобразователь: а — принципиальная схема, 6 — осциллограммы напряжения при широтном регулировании
лирования напряжения. Если при постоянной длительности периода Т уменьшить время разрядки дросселя , одновременно увеличив время питания дуги от конденсатора tc, то напряжение источника возрастет. Возможно, конечно, и частотное регулирование режима. Как и в случае с понижающим преобразователем, повышающий рационально строить на основе комплектных полупроводниковых модулей, но в этом случае уже диодно-транзисторных чопперов. Управление сварочным процессом выполняется так же, как у понижающего преобразователя, поэтому он обладает такими же высокими сварочными свойствами.
На основе повышающего транзисторного преобразователя создается новый тип источников питания — аккумуляторный, который может быть рекомендован в качестве автономного, не зависящего от наличия электрической сети. Однако емкости аккумуляторной батареи 100 А - ч достаточно лишь для расплавления не более 1 кг стальных электродов, например, 60 электродов диаметром 3 мм. Поэтому автомобильные аккумуляторы на 12 или 24 В следует снабжать зарядным (можно автомобильным же) генератором G (рис. 4.37,а), а относительную продолжительность нагрузки ПН снизить до уровня, достаточного для возобновления заряда аккумулятора в паузах между сварками. Кроме того, необходимо обеспечить защиту генератора G от коротких замыканий, сопровождающих сварочный процесс.
4.4. Выпрямители с дросселем насыщения
4.4.1. Регулирование режима с помощью дросселя насыщения
Общий принцип действия дросселя в цепи переменного тока был рассмотрен в разделе 3.2.4. Остановимся на работе дросселя в цепи сварочного выпрямителя. Простейший дроссель насыщения (рис. 4.38) имеет стержневой или тороидальный магнитопровод, обмотку управления ОУ, питаемую постоянным током, и рабочую обмотку ОР переменного тока, подключенную в цепь нагрузки RH через диод VD. На рис. 4.38,6 приведена идеализированная кривая намагничивания железа магнитопровода Ф = Рассмотрим работу дросселя насыщения в тот полупериод переменного тока, когда потоки, создаваемые обмоткой управления Фу и рабочей обмоткой Фр, совпадают по направлению. Постоянная магнитодвижущая сила обмотки управления Iywy приводит магнитопровод в состояние, отражаемое точкой D на ненасыщенном участке кривой намагничивания. Под действием переменного тока рабочей обмотки создается переменная магнитодвижущая сила в течение полупериода переме-
щающая рабочую точку по пути DEFED (тонкая линия на рис. 4.38,6).
Рис. 4.38. Дроссель насыщения: электромагнитная схема (а), кривая намагничивания (б) и осциллограммы магнитного потока (в), напряжения (г) и тока (б)
При этом рост АФ суммарного магнитного потока Ф = Фу + Фр происходит только на ненасыщенном участке DE. Изменение потока во времени показано на рис. 4.38,в в интервале O-(Xi сплошной линией. Этот переменный поток индуцирует в рабочей обмотке противо-ЭДС (рис. 4.38,г), почти равную напряжению питания ис. Поэтому на нагрузку /?н напряжение почти не подается, ток нагрузки показанный сплошной линией, очень мал (рис. 4.38,5). Таким образом, в интервале 0—oci рабочая обмотка обладает большим индуктивным сопротивлением. Начиная с момента ось рабочая точка перемещается по насыщенному участку кривой намагничивания EF. При этом поток в интервале ai-л не меняется, противо-ЭДС в
рабочей обмотке не наводится, все напряжение питания прикладывается к нагрузке, поэтому по ней идет большой ток. Как видно, осциллограмма тока подобна той, которая получается в цепи переменного тока с тиристором (рис. 4.5). Следовательно, дроссель насыщения в цепи с неуправляемым вентилем — диодом VD можно использовать подобно тиристору для фазового регулирования режима. Действительно, если увеличить ток управления 1У, то начальная точка на кривой намагничивания сдвинется в положение D\. При этом насыщение магнитопровода наступит раньше, и ток нагрузки станет нарастать раньше — в момент «2 (пунктирные линии на рис. 4.38), следовательно, средний за полупериод ток нагрузки увеличится:
Iy АФ а El >> 1д f .
Регулирование режима с помощью дросселя насыщения заключается в изменении задержки включения тока нагрузки в пределах полупериода при изменении начального намагничивания сердечника.
Исходя из соотношения (3.57)
wN
следовательно, коэффициент усиления дросселя по току йут = ivy/ivp зависит от соотношения чисел витков обмотки управления wy и рабочей обмотки wp. Для простейшего дросселя коэффициент усиления равен 10-30. Если же ввести положительную обратную связь по току, т. е. дополнительной обмоткой намагничивать магнитопровод с помощью тока нагрузки, то коэффициент усиления удается довести до 100-200.
Падающие внешние характеристики формируются с помощью дросселя насыщения, работающего в режиме с компенсированными намагничивающими силами. Но такой выпрямитель имеет большую массу и стоимость, поэтому после появления тиристорных выпрямителей он уже не выпускается. Наилучшим образом дроссель насыщения раскрыл свои возможности при работе в режиме с самоподмагничиванием, в котором формируются комбинированные характеристики с жестким рабочим участком и высоким напряжением холостого хода.
4.4.2. Выпрямитель, управляемый дросселем насыщения с самоподмагничиванием
Принцип действия такого выпрямителя иллюстрирует рис. 4.39. Трехфазный трансформатор Т с нормальным рассеянием понижает напряжение. Дроссель насыщения L имеет шесть сердечников, на каждом из которых намотано по
8-6955
Рис. 4.39. Выпрямитель, управляемый дросселем насыщения с самоподмагничи-ванием: а — упрощенная принципиальная схема; б — кривая намагничивания магнитопровода дросселя; в — внешняя характеристика
одной рабочей обмотке ОР. Обмотки управления ОУ и смещения ОСМ охватывают все шесть стержней. В цепи обмотки управления имеется регулировочный реостат R. В цепи каждой рабочей обмотки установлено по вентилю силового выпрямительного блока V, поэтому по обмоткам идет ток только одного направления, так что магнитодвижущие силы рабочих обмоток и обмотки управления всегда совпадают. Такая конструкция называется дросселем с самонасыщением или самоподмагничиванием.
Для понимания принципа работы выпрямителя достаточно рассмотреть магнитные процессы только в одном сердечнике, на рабочую обмотку которого подано максимальное напряжение трансформатора (рис. 4.39,#). Обмотка управления создает небольшую магнитодвижущую силу Iywy, соответствующую точке В, так что при холостом ходе выпрямителя сердечник не насыщен. При нагрузке магнитодвижущие силы обмоток ОУ и ОР складываются, процессы в дросселе различаются при малых и больших значениях сварочного тока.
При малом токе магнитодвижущая сила рабочей обмотки мала. Следовательно, рабочая точка, соответствующая суммарной магнитодвижущей силе iw = Iywy + idWp, перемещаясь по траектории DED, остается левее точки Е.
Поскольку сердечник при малом токе не насыщен, то при периодическом изменении рабочего тока существенно меняется магнитный поток в сердечнике, а в рабочей обмотке наводится значительная противо-ЭДС Среднее значение противо-ЭДС El резко увеличивается с ростом сварочного тока. Следовательно, внешняя характеристика выпрямителя на участке В'Е' — крутопадающая (рис. 4.39,в).
При большом сварочном токе сердечник дросселя приходит в насыщенное состояние правее точки Е. При периодическом изменении сварочного тока рабочая точка перемещается по траектории DEFED. При различных значениях тока положение точки F смещается, но изменение потока ДФтах и величина противо-ЭДС дросселя -El max остаются постоянными, так же как и выпрямленное напряжение UB = Ux—El max. Таким образом, внешняя характеристика на участке E'F1 получается жесткой (рис. 4.39,в). Состоящая из двух участков комбинированная характеристика особой формы D’E'F' благоприятна для механизированной сварки в углекислом газе, поскольку жесткий участок способствует саморегулированию дуги, а повышенное напряжение холостого хода необходимо для надежного зажигания.
Жесткая внешняя характеристика с повышенным напряжением холостого хода получается у выпрямителя благодаря использованию дросселя насыщения с самоподмагничиванием, потери напряжения у которого при больших токах не зависят от нагрузки.
Разберемся теперь в регулировании режима. При увеличении тока управления 1У точка D (рис. 4.39,6) смещается в положение Z>i, поэтому уменьшается АФтах И El max, увеличивается L7B, а внешняя характеристика смещается в положение Е^Ер
1у ДФщах max ив t.
Выпрямленное напряжение плавно регулируется изменением тока обмотки управления.
Благодаря самоподмагничиванию коэффициент усиления дросселя по току получается очень высоким — около 200. На рис. 4.40 приведена регулировочная характеристика UB = Видно, что самоподмагничивание приводит к насыщению сердечника даже при малом токе управления 1у (рис. 4.40,а), что сильно сокращает диапазон регулирования напряжения. Для получения малых напряжений пришлось бы менять направление тока в обмотке управления, что сопряжено с известными трудностями. Этот недостаток можно устранить (рис. 4.40,6) с помощью нерегулируемой обмотки смещения ОСМ с магнитодвижущей силой Дм^см, которая создает в сердечнике поток, направленный встречно потокам обмоток ОР и ОУ.
Выпрямитель марки ВДГ-303-3 (СЭЛМА) представлен электрической схемой (рис. 4.41). В выпрямителе предусмотрено комбинированное регулирование напряжения: ступенчатое — переключением первичных обмоток трансформатора Т и плавное — реостатом в цепи обмотки управления ОУ дросселя насыщения. Пакетно-кулачковый переключатель S обеспечивает три диапазона выпрямленного напряжения. В первом диапазоне части первичных обмоток соединяются треугольником, это обеспечивает максимальное выпрямленное напряжение. Во втором диапазоне треугольником соединяются уже полные пер-
Рис. 4.40. Регулировочная характеристика дросселя насыщения с самопод-магничиванием без обмотки смещения (а) и с ней (б)
Рис. 4.41. Принципиальная схема выпрямителя ВДГ-303-3
вичные обмотки. В третьем диапазоне при соединении обмоток звездой получают минимальное напряжение. Дроссель насыщения L1-L6 выполнен на шести витых разрезных сердечниках, на каждом из которых намотано по одной рабочей обмотке. Три последовательно соединенных катушки обмотки управления ОУ охватывают каждая по два сердечника. Так же выполнена и обмотка смещения ОСМ. Обмотка управления питается от блока управления А стабилизированным напряжением через регулировочный реостат R1. Обмотка смещения питается от вторичных обмоток силового трансформатора через выпрямительный блок V2 и нерегулируемый резистор R2. Силовой выпрямительный блок V3 собран по трехфазной мостовой схеме. Последовательно с диодами включены рабочие обмотки ОР дросселя насыщения, что и обеспечивает формирование характеристик особой формы, причем на жестком участке наклон около —0,04 В/А. Сглаживающий дроссель L7 снижает разбрызгивание электродного металла и повышает стабильность сварочного процесса, его индуктивность плавно и авто
матически регулируется в зависимости от режима сварки. Его работа описана в разделе 4.3.3. Выпрямитель снабжен магнитным пускателем К, приборами PV и РА, а также не показанными на схеме вентилятором, пусковой аппаратурой и аппаратурой питания приводов полуавтомата для механизированной сварки в углекислом газе.
Сварочные свойства выпрямителя с дросселем насыщения достаточно высоки. Повышенное напряжение холостого хода, в 1,5-3 раза превышающее сварочное, способствует надежному начальному зажиганию. Устойчивое горение дуги наблюдается во всем диапазоне регулирования напряжения за исключением самого низкого напряжения. Здесь, как и при фазовом регулировании, наблюдается режим прерывистого тока. Для устранения этого дефекта глубину плавного регулирования снижают, дополняя его ступенчатым. Кроме того, устойчивости процесса способствует и специальный сглаживающий дроссель, который ликвидирует провалы в кривой сварочного тока после короткого замыкания. Индуктивность дросселя, достигающая 0,5 мГн при высоких сварочных режимах, автоматически снижается при низких режимах. Это позволяет уменьшать разбрызгивание во всем диапазоне регулирования. Кратность плавно-ступенчатого регулирования сварочного напряжения превышает 2,5, что вполне отвечает технологическим требованиям.
4.5. Инверторные источники
4.5.1. Принцип действия выпрямителя с инвертором
Схема выпрямителя с двухтактным транзисторным инвертором (рис. 4.42) наиболее удобна для объяснения процесса инвертирования. Входной выпрямительный блок VI преобразует переменное напряжение сети в постоянное, которое сглаживается с помощью низкочастотного фильтра £1, 01. Затем выпрямленное напряжение ивс преобразуется в однофазное переменное ui высокой частоты с помощью инвертора на двух транзисторах VT1 и VT2. Далее напряжение понижается трансформатором Т до U2, выпрямляется блоком вентилей V2, проходит через высокочастотный фильтр L2, С2 и подается на дугу в виде сглаженного напряжения ив.
Подробнее рассмотрим процесс инвертирования. При подаче сигнала на базу транзистора VT1 отпирается его коллекторная цепь, и по первичной обмотке трансформатора Т в интервале времени протекает ток в направлении, показанном тонкой линией. При снятии сигнала с базы этот ток прекращается. С некоторой задержкой отпирается транзистор VT2, при этом в интервале времени t2 ток по трансформатору идет уже в другом направлении, показанном пунктиром. Таким образом, по первичной обмотке трансформатора идет переменный ток. Длительность его
матически регулируется в зависимости от режима сварки. Его работа описана в разделе 4.3.3. Выпрямитель снабжен магнитным пускателем К, приборами PV и РА, а также не показанными на схеме вентилятором, пусковой аппаратурой и аппаратурой питания приводов полуавтомата для механизированной сварки в углекислом газе.
Сварочные свойства выпрямителя с дросселем насыщения достаточно высоки. Повышенное напряжение холостого хода, в 1,5-3 раза превышающее сварочное, способствует надежному начальному зажиганию. Устойчивое горение дуги наблюдается во всем диапазоне регулирования напряжения за исключением самого низкого напряжения. Здесь, как и при фазовом регулировании, наблюдается режим прерывистого тока. Для устранения этого дефекта глубину плавного регулирования снижают, дополняя его ступенчатым. Кроме того, устойчивости процесса способствует и специальный сглаживающий дроссель, который ликвидирует провалы в кривой сварочного тока после короткого замыкания. Индуктивность дросселя, достигающая 0,5 мГн при высоких сварочных режимах, автоматически снижается при низких режимах. Это позволяет уменьшать разбрызгивание во всем диапазоне регулирования. Кратность плавно-ступенчатого регулирования сварочного напряжения превышает 2,5, что вполне отвечает технологическим требованиям.
4.5. Инверторные источники
4.5.1. Принцип действия выпрямителя с инвертором
Схема выпрямителя с двухтактным транзисторным инвертором (рис. 4.42) наиболее удобна для объяснения процесса инвертирования. Входной выпрямительный блок VI преобразует переменное напряжение сети в постоянное, которое сглаживается с помощью низкочастотного фильтра LI, С1. Затем выпрямленное напряжение ивс преобразуется в однофазное переменное и± высокой частоты с помощью инвертора на двух транзисторах VT1 и VT2. Далее напряжение понижается трансформатором Т до U2, выпрямляется блоком вентилей И2, проходит через высокочастотный фильтр L2, С2 и подается на дугу в виде сглаженного напряжения ив.
Подробнее рассмотрим процесс инвертирования. При подаче сигнала на базу транзистора VT1 отпирается его коллекторная цепь, и по первичной обмотке трансформатора Т в интервале времени ti протекает ток в направлении, показанном тонкой линией. При снятии сигнала с базы этот ток прекращается. С некоторой задержкой отпирается транзистор VT2, при этом в интервале времени t2 ток по трансформатору идет уже в другом направлении, показанном пунктиром. Таким образом, по первичной обмотке трансформатора идет переменный ток. Длительность его
Рис. 4.42. Выпрямитель с транзисторным инвертором
периода Т и частота переменного тока f = 1/Т зависят от частоты запуска транзисторов, определяемой системой управления. Обычно частота устанавливается на уровне 1-100 кГц. Поскольку эта частота не зависит от частоты сети, такой инвертор называют автономным. Иногда инвертор конструктивно объединяют с трансформатором Т, выпрямительным блоком V2 и фильтром L2-C2. Такое устройство называют конвертором, у него на выходе, как и на входе, постоянное напряжение, но меньшей величины.
Если на входе инвертора установлен мощный накопительный конденсатор С1, то напряжение инвертора и\ имеет прямоугольную форму, как показано на рис. 4.42,6. Такую конструкцию называют автономным инвертором напряжения (АИН). Напротив, если на входе инвертора установить мощный дроссель Ы, а обмотку трансформатора Т шунтировать конденсатором, то сглажен будет уже входной ток. Такой преобразователь называется инвертором тока (АИТ). Наконец, возможна конструкция, в которой благодаря наличию последовательно соединенных индуктивности и емкости образуется колебательный контур с синусоидальным током, она названа резонансным инвертором (АИР).
Инвертор — это устройство, преобразующее постоянное напряжение в высокочастотное переменное. Конвертор — устройство для понижения или увеличения постоянного напряжения, иногда с промежуточным высокочастотным звеном.
С появлением инверторных источников более простые неинверторные стали называть конвенциональными, т. е. традиционными.
Регулирование режима сварки осуществляется несколькими способами. Например, если входной выпрямительный блок выполнить тиристорным, то при увеличении напряжения UBC увеличивается и амплитуда
высокочастотного напряжения [72 и среднее значение UB выпрямленного напряжения (рис. 4.43,а):
иж С/i f=> U2 t=> UB f .
Возможно также регулирование изменением частоты импульсов (рис. 4.43,6):
ГТ=> С7В Т •
Но наибольшее распространение получил способ широтно-импульсного регулирования (рис. 4.43,в):
t UB f,
поскольку при постоянной частоте облегчается выбор параметров выходного фильтра, а также снижается спектр электромагнитных помех, которые легче устранить входным фильтром.
а и
в
ив
I ддм" I ддт
б и
Рис. 4.43. Осциллограммы при регулировании напряжения изменением амплитуды (а), частоты (б) и ширины (в) импульсов
В выпрямителе с инвертором используется амплитудное, частотное и широтное регулирование режима.
Внешние характеристики выпрямителя с инвертором зависят главным образом от конструктивных особенностей инвертора и трансформатора (рис. 4.44,а). Естественная внешняя характеристика собственно инвертора АИН почти жесткая (линия 1). Но поскольку индуктивное сопротивление трансформатора Х?, пропорциональное частоте инвертирования f, велико даже при небольшом магнитном рассеянии, то характеристика выпрямителя в целом получается падающей (линия 3). Обычно же внешние характеристики формируются искусственно с помощью системы управления. Например, для получения крутопадающих характеристик вводится отрицательная обратная связь по току, при которой с увеличением сварочного тока частота инвертирования снижается, что приводит к уменьшению выпрямленного напряжения (линия 2):
Рис. 4.44. Внешние характеристики выпрямителей с инвертором
Подобным же образом для получения жестких характеристик вводится обратная связь по выпрямленному напряжению:
В выпрямителе с инвертором сравнительно легко получить комбинированную внешнюю характеристику (рис. 4.44,6), сформированную из нескольких участков. Крутопадающий участок 1 необходим для задания сравнительно высокого напряжения холостого хода, что полезно при зажигании дуги. Пологопадающий основной участок 2 обеспечивает эффективное саморегулирование при механизированной сварке в углекислом газе. Вертикальный участок 3 ограничивает сварочный ток, что предотвратит прожог при сварке тонкого металла. Последний участок 4 задает величину тока короткого замыкания. Разумеется, положение каждого участка настраивается с помощью отдельных регуляторов. Так, при сварке в углекислом газе перемещением по вертикали участка 2 регу- ? лируется сварочное напряжение, а при сварке покрытыми электродами । перемещением участка 3 устанавливается сила тока.
Естественные внешние характеристики выпрямителя зависят от конструкции инвертора и трансформатора. Искусственные характеристики формируются с помощью обратных связей по току и напряжению.
Сварочные свойства выпрямителей с инвертором, как правило, луч- ? ше, чем у конвенциональных источников, и объясняется это высоким быстродействием инвертора. Если у неинверторного однофазного выпрямителя длительность переходного процесса составляет не менее полупериода стандартного переменного тока, т. е. около 0,01 с, то у выпрямителя с инвертором быстродействие характеризуется значениями 0,0005 с и меньше. При механизированной сварке в углекислом газе та
кой выпрямитель способен обеспечить сложный алгоритм изменения тока (рис. 2.30) с целью управления переносом электродного металла при длительности отдельных этапов цикла около 1 мс. Высокие динамические свойства выпрямителя с инвертором проявляются и в случае программного управления процессом ручной дуговой сварки, например по циклограмме (рис. 2.31). В этом случае легко обеспечивается горячий пуск в начале сварки, быстрый переход от одного из заранее настроенных режимов к другому при попеременной сварке то нижних, то вертикальных швов, сварка пульсирующей дугой с регулируемой формой импульса ИТ.Д.
Достоинства и недостатки выпрямителя с инвертором тесно связаны друг с другом. Здесь энергия претерпевает по крайней мере четыре ступени преобразования. Тем не менее, такой выпрямитель экономичен и весьма перспективен. Дело в том, что сердечник высокочастотного трансформатора имеет очень малые сечение и массу. Поскольку масса связана с частотой соотношением т = 1Д/Д то обычно сердечник весит в десятки раз меньше, чем сердечник трансформатора на 50 Гц. В целом выпрямитель также имеет замечательные массо-энергетические характеристики: 0,02-0,1 кг на 1 А сварочного тока и 1-4 кг на 1 кВт потребляемой мощности, т. е. весит в 5-15 раз меньше других выпрямителей. И все же выпрямитель с инвертором дороже конвенциональных источников, поэтому его рекомендуют использовать в тех случаях, где имеют значение малые масса и габариты — при сварке на монтаже, в быту, на ремонтных работах. В эксплуатации такой источник чрезвычайно экономичен. Его коэффициент мощности близок к 1, КПД не ниже 0,7, а иногда достигает 0,9. Главный недостаток выпрямителя с инвертором заключается в чрезмерной сложности устройства и связанных с этим низких надежности и ремонтопригодности. Специфическим недостатком является также повышенный шум, издаваемый высокочастотным трансформатором, выходным фильтром и дугой. Радикальный способ борьбы с шумом заключается в повышении рабочей частоты сверх 20 кГц, что выводит акустический эффект за пределы слышимого звука.
4.5.2. Элементная база выпрямителей с инвертором
Силовые элементы выпрямителей с инвертором существенно отличаются от конвенциональных прежде всего малыми габаритами и массой, что связано с высокой частотой преобразования энергии. Миниатюризации не подвергаются только входной выпрямительный блок и его фильтр.
Понижающий трансформатор, как уже отмечалось, дает самый большой выигрыш в массе. Например, при мощности трансформатора 20 кВА
увеличение частоты с 50 Гц до 50 кГц приводит к снижению его массы со 120 до 7 кг. Пропорционально снижается и масса сглаживающего дросселя. Магнитопроводы из электротехнической стали используют только при частотах до 10 кГц, при большей частоте рационально применение ферритов, т.е. спеченных порошков из смеси оксидов железа и других металлов, у которых потери на перемагничивание меньше, чем у стали. При высокой частоте в обмоточном проводе усугубляется поверхностный эффект — вытеснение тока к периферии, что вынуждает к увеличению сечения провода. Поэтому для уменьшения потерь в обмотках используют литцендрат — многожильный провод из изолированных жил. Конденсаторы, входящие в состав резонансных инверторов, как правило, с оксидным диэлектриком (полярные электролитические) на несколько тысяч мкФ, при частотах более 20 кГц — с органическим или керамическим диэлектриком.
Наиболее ответственными и уязвимыми элементами выпрямителя с инвертором являются силовые переключающие полупроводниковые приборы. Здесь используются мощные высокочастотные биполярные транзисторы, полевые транзисторы, в последнее время также биполярные транзисторы с изолированным затвором. Ранее в этих же целях использовались высокочастотные тиристоры.
Описанный в разделе 4.1.3 силовой биполярный транзистор (ВРТ — Bipolar Power Transistor) отличается от других типов переключающих приборов лучшей технологичностью и малыми потерями, но при высоком напряжении (более 350 В) подвержен пробою при выключении. Кроме того, он имеет сравнительно низкий коэффициент передачи по току feyT, поэтому для питания тока базы нуждается в специальном устройстве — драйвере, выполняющем предварительное усиление сигнала системы управления, а также плавное включение и выключение транзистора с соблюдением безопасного для полупроводниковой структуры соотношения /пр и икэ.
Более перспективны силовые полевые МОП-транзисторы с изолированным затвором, имеющие структуру «металл-оксид-полупроводник» (MOSFET — Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) (рис. 4.45,а). Затвор 3 не имеет электрической связи с силовой цепью «исток И-сток С», поэтому мощность управления транзистором ничтожно мала. Эти транзисторы имеют очень малое время включения и выключения, что позволяет использовать их при частотах до 100 кГц, притом с низкими динамическими потерями. Но пока еще полевые транзисторы уступают биполярным по величине рабочего тока и напряжения. Один МОП-транзистор способен передавать мощность не более 3 кВт. Кроме того, в открытом состоянии он имеет сравнительно большое сопротивление
Рис. 4.45. Современные переключающие приборы: МОП-транзистор (а); биполярный транзистор с изолированным затвором (б); транзисторнодиодный модуль — чоппер (в); разумный силовой модуль (г)
и поэтому уступает биполярному транзистору по величине статических потерь.
Самым последним и наиболее перспективным силовым переключающим прибором является биполярный транзистор с изолированным затвором {IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistor) (рис. 4.45,6), удачно сочетающий достоинства биполярных и полевых транзисторов — низкое выходное и высокое входное сопротивления. Он может работать при частоте до 75 кГц, передавая одним прибором мощность до 10 кВт. Разрабатываются все более совершенные сверхбыстрые транзисторы со временем переключения 0,2-1 мкс.
Для передачи большей мощности транзисторы соединяют параллельно, при этом важно обеспечить равномерное распределение тока между приборами, что достигается, например, тщательным подбором приборов с одинаковыми характеристиками. Рационально использование комплектных транзисторно-диодных модулей — чопперов {chopper — прерыватель) (рис. 4.45,в). В них уже при изготовлении подобраны на одинаковые токи и напряжения транзистор VT {IGBT или MOSFET) и высокочастотный рекуперационный диод VD1, а также на меньший ток — защитный диод VD2. Тенденция к объединению в одном корпусе силовых переключающих приборов, схем их управления, запуска, защиты, регулирования и диагностики проявилась в разработке и внедрении разумных силовых модулей (IPM — Intelligent Power Module) (рис. 4.45,г).
Тиристоры как переключающие приборы сварочных инверторных источников применяются с 80-х годов, т. е. раньше транзисторов. Они обла
дают высокой мощностью и надежностью, и в отличие от транзисторов допускают значительные перегрузки по току, но как неполностью управляемым вентилям им присущ очень важный недостаток — их невозможно выключить простым снятием сигнала с управляющего электрода. Поэтому их схему приходится дополнять мощным конденсатором, включаемым последовательно или параллельно с тиристором. В последовательном инверторе отпирание тиристора происходит при подаче сигнала на управляющий электрод, а запирание — в результате полной зарядки конденсатора. Такие инверторы работают с частотой не более 20 кГц. С появлением надежных транзисторов они повсеместно вытеснены как менее эффективные. Однако разработка специальных запираемых тиристоров может вернуть им эту область применения.
Приведем несколько примеров силовых переключающих приборов, используемых в сварочных инверторных источниках. Биполярный транзистор (ВРТ) марки КТ-847А (Россия) на ток 15 А и допустимое напряжение коллектора 650 В с временем коммутации не более 5 мкс. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) марки IRGPH50K (International Rectifier, США) на ток 45 А и допустимое напряжение 1200 В с частотой переключения 10-75 кГц. Транзисторно-диодный модуль (чоппер) марки МТКИД100-12 (Россия) на ток 2 х 100 А и допустимое напряжение 1200В. Разумный силовой модуль PM15RSH120(Mitsubishi, Япония) на ток 14 А мощностью 2,2 кВт.
4.5.3. Схемы высокочастотных преобразователей
Принципиальные отличия, предопределяющие возможности и свойства выпрямителей с инвертором, относятся в основном к стадии преобразования высокого постоянного напряжения в низкое постоянное с промежуточным звеном высокой частоты, т. е. к конструкции конвертора, включающего в себя инвертор, трансформатор и выходной выпрямительный блок. В сварочных выпрямителях нашли применение такие высокочастотные преобразователи (конверторы): однотактные с прямым и обратным включением выходного диода, мостовой и полумостовой двухтактные, а также все они с резонансным инвертором.
Однотактный преобразователь с прямым включением диода VD3 в составе выходного выпрямительного блока показан на рис .4.46. Он имеет половинное количество транзисторов в сравнении с мостовым двухтактным преобразователем. С момента ti при отпирании транзисторов VT1 и VT2 по первичной обмотке трансформатора идет импульс тока, показанный тонкой линией (рис. 4.46,а). Затем следует пауза после чего в
Рис. 4.46. Однотактный преобразователь с прямым включением диода
этом же направлении проходит такой же импульс тока. Таким образом, в однотактном инверторе ток оказывается переменным только по величине, но не по направлению. Недостатком такой схемы являются значительные перенапряжения на транзисторах в момент их выключения. Этот дефект устраняется при установке рекуперационных (обратных) диодов VDl, KD2, благодаря которым с момента t2 выключения транзисторов энергия, запасенная в индуктивности первичной цепи, возвращается во входной фильтр. При этом по первичной обмотке через диоды по пути, показанному пунктирной линией, идет ток, постепенно снижаясь к моменту ^з. Перспективно использование в такой схеме комплектного ключевого элемента — чоппера (рис. 4.45,в), в котором VD1 играет роль рекуперационного диода, а диод VD2 защищает транзистор VT от перенапряжений.
Теперь обратимся к процессам в сварочной цепи. Импульс тока, трансформированный во вторичной обмотке с момента ti, передается нагрузке через диод VD3 по пути, показанному тонкой линией. С момента t2 ток в нагрузке поддерживается в основном за счет энергии, запасенной в индуктивности L. С этой целью используется обратный диод VD4, ток по которому показан пунктиром. При достаточно большой индуктивности L выпрямленное напряжение UB может быть сглаженным до уровня, приемлемого по условиям технологического процесса (рис. 4.46,в).
Регулирование выходного напряжения UB осуществляется изменением интервала включенного состояния транзисторов tT по соотношению
ив = ивс
1»2
1Г1 т9
(4.21)
так что с увеличением tT возрастает и 17в:
tT 1ут t=> UB f .
Достоинствами однотактного преобразователя с прямым включением диода являются относительная простота схемы и малое число полупроводниковых элементов, а в сравнении с другими однотактными преобразователями также довольно большая мощность. Существенным недостатком схемы следует считать сравнительно большие размеры магнитопровода и обмоток у трансформатора. Дело в том, что в этой конструкции магнитный поток трансформатора не меняет направления, поэтому размах колебаний магнитной индукции не превышает 20-30 % от индукции насыщения ВНас, что вынуждает к существенному увеличению сечения магнитопровода и размеров обмоток. Также с целью уменьшения насыщения магнитопровода ограничивают коэффициент заполнения импульсов tT/T величиной менее 0,5, а в конструкции магнитопровода предусматривают немагнитный зазор.
Рис. 4.47. Однотактный преобразователь с обратным включением Диода
Однотактный преобразователь с обратным включением диода VD3 показан на рис. 4.47. В момент t\ при отпирании транзисторов VT1 и VT2 по первичной обмотке трансформатора идет ток, направление которого показано тонкой линией. Но по вторичной обмотке ток не идет, поскольку с этого момента диод VD3 оказывается включенным в обратном направлении. Поэтому ток в нагрузке с момента ti поддерживается энергией ранее заряженного конденсатора С (показано тонкой линией). В интервале т. после выключения транзисторов, электромагнитная энергия, запасенная в магнитопроводе, вызывает появление тока, показанного пунктирной линией, во вторичной обмотке через диод VD3 в
нагрузку. В этом же интервале идет подзарядка конденсатора С. В первичной обмотке идет ток, также показанный пунктирной линией, по диодам VD1 и VD2, возвращающий с момента £2 часть энергии в фильтр входного выпрямительного блока, за счет чего снижаются перенапряжения на транзисторах. В момент £4 снова включаются транзисторы VT1 и VT2, и процессы повторяются.
Такой «обратноходовой» преобразователь имеет вдвое меньшую мощность в сравнении с «прямоходовым» при одинаковых допустимых токах транзисторов, однако у него есть и достоинства. Как правило, такой источник лучше защищен от перегрузок по напряжению и току. В силу указанных и других недостатков в сварочных выпрямителях «обратноходовой» преобразователь используется реже, чем «прямоходовой».
Двухтактный мостовой преобразователь (рис. 4.48) применяется в конструкции более мощных выпрямителей. Транзисторы VT1 и VT2 включаются системой управления на интервал Т/2, т. е. неразрывно друг за другом (рис. 4.48,6), тогда как транзисторы VT3 и VT4 работают в интервале £т, меньшем Т/2 (рис. 4.48,в). В первом такте одновременно в момент £1 включаются транзисторы VT1 и VT3, и от первичного источника — входного выпрямительного блока с напряжением UBC по первичной обмотке трансформатора Т идет ток, показанный тонкой линией. Ток прекращается в момент £2 при выключении транзистора VT3 (рис. 4.48,г). Верхняя часть вторичной обмотки в интервале £1-£г питает нагрузку через диод VD1, направление этого тока также показано тонкой линией. Во втором такте в интервале £д-£4 в цепи первичной обмотки работают
Рис. 4.48. Двухтактный мостовой преобразователь
транзисторы VT2 и УТ4, а нагрузка питается от нижней части вторичной обмотки через диод VD2, путь тока при этом показан пунктирной линией. Новый цикл из следующих двух тактов начинается с момента t$, полная длительность цикла Т = — t\. Кривая выпрямленного напряжения ив
на выходе преобразователя имеет трапециевидную форму (рис. 4.48,д), его среднее значение UB регулируется изменением интервала tT:
UB = UBC^. (4.22)
Двухтактный полумостовой преобразователь (рис. 4.49) имеет половинное количество транзисторов, поскольку в двух его плечах установлены конденсаторы. В первом такте при включении транзистора VT1 ток идет через первичную обмотку трансформатора Т и конденсатор С1, который одновременно подзаряжается (путь тока показан тонкой линией). Параллельно отдает энергию трансформатору ранее заряженный конденсатор С2 (путь тока показан пунктирной линией). Во втором такте включается транзистор VT2, и ток по первичной обмотке идет в обратном направлении. Вторичная обмотка и выходной выпрямитель VD1, VD2 работают так же, как у мостового преобразователя (рис. 4.48).
Рис. 4.49. Двухтактный полумостовой преобразователь
Главным достоинством двухтактных преобразователей является симметрия переменного тока на выходе инвертора. В этом случае размах изменения индукции от +ВНас Д° —Внас составляет АВ = 2Внас, что приводит к существенному уменьшению сечения магнитопровода и обмоток трансформатора в сравнении с однотактным преобразователем. По этой же причине и токи в элементах инвертора значительно ниже, что позволяет использовать менее мощные транзисторы, особенно в мостовой схеме. Поэтому двухтактные преобразователи находят применение в выпрямителях средней и большой мощности.
Основной недостаток двухтактных преобразователей — это возможность протекания через два последовательно включенных транзистора, например VT2 и VT3 на рис. 4.48, сквозного тока, фактически короткого замыкания, которое может вывести из строя транзисторы и первичный источник. Сквозной ток может возникнуть из-за большой инерционности при запирании ранее работавшего транзистора. С этим борются с помощью автоматической или фиксированной задержки включения транзисторов на время гарантированной паузы что, разумеется, снижает рабочую частоту инвертора. Другой важный недостаток двухтактного преобразователя — это опасность несимметричного режима перемагничивания. Если трансформатор спроектирован на большой размах индукции АВ « 2Внас, то несимметричный режим приведет к насыщению магнитопровода, резкому увеличению первичного тока и выходу из строя элементов инвертора и трансформатора.
Резонансный преобразователь является дальнейшим усовершенствованием мощных конверторов. Резонансным может быть любой из ранее описанных преобразователей. На рис. 4.50 показана схема резонансного двухтактного мостового преобразователя с последовательным включением в цепь первичной обмотки трансформатора двух новых элементов — дросселяВ и конденсатора С. Обмен электрической энергией между этими элементами и вызывает явление резонанса и придает току синусоидальную форму. Поясним это явление. В первом такте с момента t\ включаются транзисторы VT1 и УТЗ, и в первичной обмотке трансформатора появится ток, направление которого показано тонкой линией. Ток нарастает постепенно благодаря наличию в его цепи инерционного элемента — дросселя L. Этим же током заряжается другой инерционный элемент —
Рис. 4.50. Резонансный двухтактный мостовой преобразователь
конденсатор С — полярностью, показанной на схеме знаками «+» и « —». По мере зарядки конденсатора ток снижается и к моменту t2 прекращается. При этом конденсатор заряжается до напряжения Uc, почти вдвое превышающего напряжение первичного источника UBC. Поэтому в интервале t2~ts ток в первичной обмотке, показанный пунктирной линией, меняет направление благодаря разрядке конденсатора через обратные диоды VD1 и VD3 с возвращением (рекуперацией) части энергии в фильтр входного выпрямительного блока. Во втором такте с момента t% включаются транзисторы VT2 и FT4, а с момента t± — обратные диоды VD2 и VD4, и процессы повторяются. Работа выходного выпрямительного блока VD5, VD6 идет, как и в выше описанных двухтактных схемах. Частотное регулирование режима выполняется воздействием на длительность такта Т (или на обратную ей величину — частоту инвертирования), широтное регулирование — воздействием на ширину импульсов.
Общая кривая первичного тока имеет характер, близкий к синусоидальному. В этом случае передача энергии трансформатором идет с минимальными потерями. Кроме того, и коммутация тока в транзисторах происходит при отсутствии тока, что снижает динамические потери и нагрев и позволяет увеличить частоту инвертирования, а также снижает уровень электромагнитных помех. В этом и заключаются основные достоинства резонансных преобразователей. К тому же благодаря большому емкостному сопротивлению конденсаторов обеспечивается параметрическое ограничение тока короткого замыкания, и естественным образом получается падающая внешняя характеристика, необходимая при ручной сварке покрытым электродом. Основной недостаток резонансного преобразователя — менее эффективное, чем при прямоугольной форме тока, использование транзисторов и диодов.
4.5.4. Выпрямитель с однотактным транзисторным преобразователем
Выпрямитель марки ДС.250.33 (Технотрон, Чебоксары), предназначен для ручной сварки покрытым электродом (рис. 4.51). В состав выпрямителя входят автоматический выключатель QF, фильтр защиты от радиопомех А1, входной выпрямительный блокА2, сглаживающий фильтр АЗ, инвертор А4, трансформатор Т и выходной выпрямительный блок А5. На схеме не показаны вентилятор, плата управления, плата драйвера и приборы управления и контроля.
Входной фильтр А1 защиты от радиопомех имеет П-образную конструкцию из конденсаторов С1-С8 и дросселей L1-L3 и обеспечивает электромагнитную совместимость источника с чувствительными к помехам производственными системами автоматизации. Входной выпрямительный блок А2 представляет собой комплектную схему трехфазного выпрямления из шести диодов VZ)1-KD6.
Л4
Л5
L6
Г£?8 i I I I
zsA ртзт
ТО11
VD7
ФИ
ФН
ТО12
1
2
.¥5
8S
VT5 VT6 VT7 VTB
¥1 ¥2¥3¥4
Рис. 4.51. Выпрямитель ДС.250.33
Сглаживающий фильтр L4, L5, 09, С10 обеспечивает качественное питание инвертора, запуск последнего с помощью тиристора VS выполняют только после полной зарядки конденсаторов 09, С10 через балластный реостат R. Инвертор собран из восьми транзисторов FT1-VT8 (IGBT) на 40 А каждый и двух высокочастотных диодов VD7, VD8 на 30 А. Транзисторы образуют два плеча по четыре штуки в каждом: VT1-VT4 и VT5-VT8. Такт работы инвертора начинается с включения транзисторов. После выключения транзисторов частичное размагничивание магнитопровода обеспечивается сбросом (рекуперированием) части энергии первичной обмотки через обратные диоды VD7, VD8 в фильтр 09, С10. Понижающий трансформатор Т выполнен на сердечнике из аморфного железа. Выходной выпрямительный блок также представляет собой набор из пяти высокочастотных диодов VD9-VD13 со сглаживающим дросселем L6. Таким образом, конвертор, состоящий из элементов АЗ, А4, Т,А5, представляет собой однотактный преобразователь высокого постоянного напряжения в низкое постоянное с прямым включением диодов VD9, VD10 в выходном выпрямительном блоке. Чтобы слабым сигналом системы управления запускать мощные транзисторы 7T1-VT8 используется драйвер, выполняющий функцию промежуточного усиления. Он к тому же гарантирует равномерную загрузку транзисторов и безопас
ную траекторию их переключения, т. е. плавное изменение тока при включении и выключении транзисторов.
Микропроцессорная система управления обеспечивает широтное регулирование инвертора с постоянной частотой 30 кГц, плавно, в том числе дистанционно, настраивает сварочный ток в широком диапазоне от 25 до 250 А, формирует крутопадающие внешние характеристики с регулируемым наклоном от 0,4 до 1,4 В/А с использованием обратных связей по напряжению с зажимов Xl, Х2 и по току — с зажимов ХЗ, Х4. Его схемой предусмотрены также специальные функции:
— ограничение начального напряжения холостого хода величиной 12 В;
— горячий старт с возможностью его отключения;
— защита от прилипания электрода;
— форсирование дуги, настраиваемое в зависимости от типа электродного покрытия;
— возможность работы от дизель-генераторных установок ограниченной мощности;
— стабилизация тока при колебаниях напряжения сети и использовании кабеля длиной до 50 м;
— автоматическое выключение при перегреве, понижении сетевого напряжения на 15 % и отсутствии одной из фаз;
— укомплектование при необходимости блоком импульсного режима для сварки пульсирующей дугой;
— пригодность для аргоно-дуговой сварки неплавящимся электродом.
По результатам практических испытаний, в том числе с оценкой сварочных свойств по ГОСТ 25616-83, выпрямитель ДС.250.33 признан пригодным для сварки магистральных трубопроводов.
Выпрямитель марки ДС.400.3 предназначен для полуавтоматической сварки в защитном газе. Его силовая часть представляет собой два инверторных модуля, одинаковых с конструкцией ДС.250.33. Но его система управления формирует жесткие характеристики, кроме того, предусмотрен импульсный режим для управления переносом электродного металла.
Выпрямитель марки Caddy Аге 150 (ESAB, Швеция) (рис. 4.52) продолжает линию портативных источников бытового и монтажного назначения Caddy, которые производятся фирмой с 1984 г. и выпуск которых к 2000 г. достиг 100 тыс. Сетевое напряжение 230 В с помощью автоматического выключателя QF подается на диодный вентильный блок VD1, а после выпрямления через фильтр VD2, С1 на инвертор. Последний собран из комплектных модулей (чопперов) — транзисторно-диодного А1 и диодно-транзисторного А2. Затем напряжение понижается трансформатором, выпрямляется блоком VD3, VD4 и сглаживается дросселем L2. Выпрямитель может использоваться как при ручной сварке покрытым электродом (ММА), так и при аргоно-дуговой сварке неплавящимся электродом (TIG). Поскольку выпрямитель предназначен для профессионального использования, при ручной сварке он имеет настраиваемые специальные функции: горячий старт и форсирование дуги. В отличие от более ранних конструкций он дополнен элементами LI, С2, VD5, которые обеспечивают подпитку дуги (функция Arc plus) при спаде тока ниже 50 А, в частности после переноса
Рис. 4.52. Выпрямитель Caddy Аге 150
капли электродного металла, что повышает устойчивость процесса. С другой стороны, при отключении этой функции облегчается процесс прерывистой сварки, поскольку при удлинении дуги она обрывается резко.
Модель Origo Arc 150 предназначена для бытового использования неопытным сварщиком, поэтому названные функции настраиваются автоматически — «зашиты» в системе управления.
Из иностранных конструкций представителями этого типа источников являются также серии маломощных компактных выпрямителей Invertec (Lincoln Electric, США), Master (Kemppi, Финляндия), Transpocket (Fronius, Австрия). Они характеризуются малой массой (4-12 кг) и простотой эксплуатации.
Сварочные свойства инверторных источников, как правило, хорошие или высокие, хотя зачастую требования миниатюризации вступают в противоречие со сварочными свойствами. Так, при испытании выпрямителя FLASH171 (MAXWELD, Италия) при сварке электродами с основным и рутиловым покрытием диаметром от 2 до 4 мм получены следующие показатели. Зажигание дуги происходит с 1-3 касания, нарушение устойчивого процесса горения дуги — 1-2 обрыва при расплавлении 10 электродов. Разрывная длина дуги составляет от б до 20 мм. Стабильность режима очень высокая — отклонения тока не превышают 3 % от среднего значения. Качественному переносу электродного металла способствует функция форсирования дуги. Разбрызгивание электродного металла незначительное, а формирование шва хорошее, но не отличное. С одной стороны, надежности зажигания и устойчивости процесса способствует подпитка 90 В, 10 А, с другой стороны, относительно низкое напряжение основного источника 45 В ухудшает эти же характеристики, а кроме того снижает эластичность.
4.5.5. Выпрямитель с двухтактным транзисторным преобразователем
Выпрямитель марки Invertec V350-PRO (Lincoln Electric, США) показан на рис. 4.53. В его составе имеются автоматический выключатель QF, входной фильтр RU1-RU3, входной выпрямительный блок VD1, электромагнитный контактор К, переключатель S1, два транзисторных инвертора VT1, VT2, Cl, С2 и
Рис. 4.53. Выпрямитель Invertec V350-PRO
VT3, VT4, СЗ, С4, трансформатор Т, выходной выпрямительный блок VD2-7D7, LI, L2, а также сглаживающий дроссель L3.
Предусмотрена возможность питания выпрямителя как от однофазной сети 220 В, так и от трехфазной 3 х 380 В. При напряжении 220 В и установке переключателя 81 в положение, показанное на схеме, когда замкнуты контакты Sl.l nS1.3, входные конденсаторы С1, С2иСЗ, С4 соединены параллельно и после включения контактора К заряжаются почти до амплитудного напряжения входного выпрямительного блока VD1 — около 310 В, от которого и питается каждый из инверторов. При напряжении 3 х 380 В и установке переключателя 81 в другое положение, когда замкнут только контакт S1.2, конденсаторы С1-С4 соединены последовательно, так что для питания каждого инвертора используется напряжение 270 В, т.е. половина амплитудного напряжения входного выпрямительного блока VD1, составляющего около 540 В. К достоинствам инверторного источника относится высокая стабильность выходного напряжения не только в таком широком диапазоне напряжения на входе инверторов (270-310 В), но и при гораздо более значительных отклонениях от номинального — от —10 до +50 %. Поэтому источник устойчиво работает в диапазоне питающего напряжения от 210 до 575 В. Это особенно важно при питании от слабых сетей, например, дизель-генераторных станций ограниченной мощности с нестабильным напряжением.
Инверторы работают поочередно. В первом такте идет ток от конденсаторов Cl, С2 через транзисторы VT1, VT2 и первичные обмотки Т.Н и Г. 14 трансформатора Г, так что, например, обмоткой Т.Н намагничивается стержень А трансформатора, а обмоткой Т.14 перемагничивается обратной полярностью стержень В. Во втором такте идет ток от конденсаторов СЗ, С4 через транзисторы VT3, VT4, при этом обмоткой Т.12 перемагничивается стержень А, а обмоткой Т.13 намагничивается прямой полярностью стержень В. Как видно, в приведенной конструкции используются два однотактных инвертора, и поэтому нет проблемы сквозных токов через транзисторы. В то же время трансформатор работает в симметричном режиме, присущем двухтактным преобразователям, при котором предотвращается насыщение и уменьшается сечение магнитопровода.
Если колебательный LC-контур имеет небольшую мощность, то он действует только часть времени, сглаживая ток в начале и конце периода инвертирования. Такой преобразователь называется квазирезонансным. Иногда для этих целей оказываются достаточны даже индуктивность сварочного трансформатора и паразитная емкость транзистора. Резонансный источник обладает своими достоинствами: малые динамические потери и хорошо сглаженный сварочный ток.
Выпрямитель с квазирезонансным преобразователем марки Форсаж-160 (Рязанский приборный завод) имеет в своем составе (рис. 4.54) входной выпрямительный бл ок А1, устройство плавного включения и выключения А2, входной фильтр АЗ и высокочастотный преобразователь А4. Инвертор собран по схеме двухтактного мостового преобразования из четырех IGBT-транзисторов VT1-VT4 с четырьмя обратными диодами FD1-VD4 и четырьмя конденсаторами С1-С4 для формирования благоприятной траектории переключения транзисторов. Отпирание транзисторов происходит при работе обратных диодов, включившихся еще в предыдущем такте и возвращающих энергию резонансного контура Z1, 05 в фильтр АЗ (рис. 4.50). Это снижает динамические потери в транзисторах на стадии их включения. Динамические потери на стадии выключения также снижаются, но уже путем уменьшения скорости нарастания напряжения «коллектор-эмиттер» транзисторов благодаря конденсаторам 01-04. Высокочастотное напряжение понижается трансформатором TV, выпрямляется диодами VD5, VD6 и после сглаживания дросселем L2 подается на дугу.
Рис. 4.54. Выпрямитель Форсаж-160
В источнике используется частотный принцип регулирования. Трансформаторный датчик ТА подает в систему управления сигнал обратной связи по току, который сравнивается с сигналом задания, сформированного переменным резистором на лицевой панели источника, либо на дистанционном пульте. Сигнал системы управления усиливается с помощью драйверов и подается на затворы транзисторов VT1-VT4. В результате формируется падающая внешняя характеристика и настраивается ток источника в интервале 40-160 А. Система упра
вления также обеспечивает защиту при возникновении нештатных режимов и при перегреве, а также индикацию состояний «сеть», «авария» и «перегрев».
4.5.7. Выпрямитель с резонансным тиристорным преобразователем
Как уже отмечалось, главная трудность при конструировании тиристорного инвертора заключается в невозможности выключения тиристора простым снятием сигнала управления. Обычно тиристор запирают благодаря включению в его цепь конденсатора, к моменту полной зарядки которого прекращается и ток через тиристор.
Резонансный последовательный инвертор, собранный по симметричной полумостовой схеме (рис. 4.55,а), наиболее распространен. В сравнении с мостовой схемой здесь не только достигается экономия тиристоров, но и упрощается система управления. В колебательном LC-контуре возникает синусоидальный ток
Рис. 4.55. Резонансный последовательный инвертор: а — принципиальная схема; б — осциллограммы при работе в режиме прерывистого тока; в — в режиме непрерывного тока
и резонанс напряжений, поэтому такой инвертор называют резонансным (АИР). Моменты отпирания тиристоров и частота инвертирования задаются системой управления, а характеристики синусоидального тока определяются параметрами силовых элементов колебательного контура.
С момента ti при отпирании тиристора VS1 по первичной обмотке трансформатора Т пойдет ток, направление которого показано тонкой линией. Одновременно конденсатор С2, ранее заряженный полярностью, отмеченной знаками «+» и « — », сначала разряжается на трансформатор по цепи, показанной тонкой круговой линией, а затем по инерции перезаряжается, так что его полярность меняется на противоположную, отмеченную знаками «(+)» и «(—)». К моменту /2 конденсатор С1, коммутирующий цепь тиристора VS1, зарядится полярностью, показанной знаками « + » и « —» почти до напряжения t7BC, что и приведет к прекращению тока. На осциллограмме тока первичной обмотки трансформатора и (рис. 4.55,6) в интервале ti~t2 наблюдается кривая ivsi> близкая к синусоиде.
С момента t2, как только запрется тиристор VS1, открывается ранее шунтированный диод VD1, и конденсатор С2 разряжается на первичную обмотку трансформатора по цепи, показанной пунктиром. Таким образом, обратный диод VD1 предотвращает чрезмерное накопление заряда на конденсаторе С2, которое при резонансе могло привести к опасным перенапряжениям. Итак, в интервале t2~ по трансформатору идет обратная полуволна тока ivdi (рис. 4.55,6), и на этом первый цикл работы инвертора завершается. С момента t\ подобные процессы идут в другом плече инвертора, начинаясь с отпирания тиристора VS2.
Длительность интервала tT = /2 - ^1 включенного состояния тиристора FS1 равна полупериоду свободных колебаний для контура, состоящего из коммутирующего конденсатора С1 с емкостью С, а также трансформатора Т и дросселя Lie индуктивностью Lt и L. Такова же и длительность tOR = t^ — t 2 включенного состояния обратного диода VD1. Следовательно, период свободных колебаний инвертора
То — tT 4- £Од = 2л\/ C(Lt + L), (4.23)
а собственная частота колебательного контура f - 1 - 1
° Tq 27tVC(LT+L)‘
Однако частота переменного тока f инвертора задается системой управления, и она всегда ниже частоты колебательного контура /о, а период инвертирования Г, наоборот, больше периода свободных колебаний То. Дело в том, что включать тиристор VS2 непосредственно в момент /2 выключения FS1 нельзя, пока у последнего еще не восстановились запирающие свойства, чтобы не произошло внутреннее короткое замыкание в инверторе. Обязательно выполнение условия, чтобы длительность задержки t3B между периодами работы двух тиристоров была больше времени восстановления их запирающих свойств. В то же время вполне допустимо включение тиристора VS2 до момента /з, т. е. в интервале работы обратного диода VD1. При наложении импульсов тока через тиристор VS2 и диод VD1 возникает режим непрерывного тока инвертора, вполне допустимый и к тому же облегчающий сглаживание сварочного тока (рис. 4.55,в),
правда, при этом возрастают динамические потери и повышаются требования к параметрам тиристоров.
Плавное регулирование режима резонансного инвертора осуществляется изменением частоты инвертирования Л т. е. частоты запуска тиристоров от системы управления. Как уже было отмечено, с ростом частоты f увеличивается среднее значение сварочного тока 7^. Ступенчатое регулирование обычно выполняется изменением емкости коммутирующих конденсаторов. Например, при увеличении емкости С увеличивается ток колебательного контура и, а по уравнению (4.23) увеличивается и период свободных колебаний То, что приводит к увеличению сварочного тока7>:
Универсальный выпрямитель с последовательным резонансным инвертором марки ВДУЧ-315 (Коммунар, Харьков) продолжает линию популярных с 80-х годов тиристорных инверторных источников (рис. 4.56). Длительный опыт разработки и эксплуатации таких источников вместе с выбором отечественных быстродействующих тиристоров обеспечивают достаточные надежность и ремонтопригодность. Напряжение сети 3 х 380 В через автоматический выключатель QF и плавкие предохранители Fl, F2 передается на сетевой фильтр А1, зс затем выпрямляется вентильным блоком А2 и через сглаживающий фильтр АЗ поступает на инвертор А4, после чего переменное высокочастотное напряжение понижается трансформатором Т, выпрямляется вентильным блоком А5 и подается на нагрузку.
Фильтр А1, состоящий из конденсаторов С1-С6 и резисторов 771-ВЗ, снижает уровень высокочастотных помех, наводимых инвертором в сети. Входной вентильный блок А2 собран из шести диодов VD1-VD6 по трехфазной мостовой
Рис. 4.56. Выпрямитель ВДУЧ-315
схеме выпрямления. Фильтр АЗ, состоящий из варисторов 7?(71, RU2, конденсаторов С7, С8 и дросселя L1, частично шунтированного диодом VD7, обеспечивает питание инвертора сглаженным напряжением. Резонансный инвертор А4 собран из тиристоров VS1, VS2 марки ТБ251-50-12-652 (50 А, 1200 В, 10 кГц), обратных диодов VDS, VD9, дросселей L2-L4 и коммутирующих конденсаторов С9-С12, т. е. имеет типовое устройство, описанное выше с помощью рис. 4.55. Предусмотрена защита инвертора от длительного сквозного тока при аварийном одновременном включении тиристоров FS1 и VS2. Трансформатор Т имеет два сердечника из феррита М2500НМС, две первичные Т.Н, Т. 12 и четыре вторичные обмотки Т.21-Т.24. Выходной вентильный блок А5 собран из высокочастотных диодов WHO, VD11 и вместе со сглаживающим дросселем L5 образует однофазную нулевую схему двухполупериодного выпрямления.
В выпрямителе ВДУЧ-315 используется частотное регулирование, в номинальном режиме частота около 5 кГц, так что масса выпрямителя составляет 48 кг. Это в 2-4 раза меньше, чем у конвенциональных выпрямителей, но все же в 2-2,5 раза больше, чем у транзисторных инверторных источников. С помощью обратных связей по току и напряжению формируются разнообразные внешние характеристики, обеспечивающие универсальность, т. е. пригодность для ручной сварки покрытым электродом, аргоно-дуговой сварки и механизированной сварки в защитном газе (рис. 4.57). Напряжение холостого хода перед ручной сваркой ограничено безопасной величиной 12 В, это ограничение снимается через 30 мс после касания электродом детали, и после окончания сварки напряжение холостого хода 72 В удерживается не более 1 с, а затем снова ограничивается величиной 12 В. Системой управления предусмотрено защитное отключение источника при различных аварийных ситуациях: отсутствие одной из фаз, повышение питающего напряжения более 15 %, перегрев тиристоров или диодов. Вентиляторы включаются только при появлении сварочного токаи выключаются через 1-3 с после окончания сварки, что снижает мощность при холостом ходе до 50 Вт и уменьшает засорение пылью силовых элементов и плат
Рис. 4.57. Внешние характеристики выпрямителя ВДУЧ-315 при ручной (а), аргоно-дуговой (б) и полуавтоматической сварке (в)
управления. Коэффициент полезного действия выпрямителя при номинальном режиме достигает 0,8.
Сварочные свойства выпрямителей с тиристорным инвертором, как правило, довольно высокие. Однако стремление к снижению массы и габаритов приводит к некоторому ухудшению сварочно-технологических свойств от высокого до приемлемого уровня. Так, у выпрямителя ВДУЧ-315 при ручной сварке электродами с основным и рутиловым покрытием диаметром 2-6 мм надежность зажигания характеризуется предельной начальной длиной дуги от 6 до 13 мм, а эластичность — разрывной длиной дуги от 9 до 16 мм, что в 1,5-2 раза хуже, чем у диодного выпрямителя (раздел 4.2.4). Это объясняется сравнительно низким у ВДУЧ-315 значением напряжения пологопадающего участка — 35-45 В, что было вызвано именно стремлением снизить массу и габариты. Справедливости ради отметим, что для компенсации вредного действия снижения напряжения введены специальные функции: горячий пуск cICT/I^ = 1,5-3,8, а также ограничение длительности короткого замыкания величиной около 2 с, что предотвращает прочное прилипание электрода. Устойчивость процесса сварки в нижнем положении — абсолютная (ни одного обрыва при полном расплавлении электрода), в вертикальном положении, т. е. при пониженном на 15-20 % токе — достаточная (1-2 обрыва). Устойчивое горение дуги наблюдается при снижении тока до 40-50 А, а для электродов диаметром 2-3 мм даже до 35 А, т. е. при минимальной уставке регулятора. Повышению устойчивости при таких пониженных режимах служит форсирование дуги, т. е. увеличение пикового значения тока короткого замыкания до 1Пк = (1,4—1,7)1 д- Перенос электродного металла происходит более энергично, чем у простейших диодных выпрямителей, с частотой 1-5 Гц и длительностью короткого замыкания каплей 8-13 мс. Это предотвращает прилипание капли к ванне на пониженных токовых режимах, но несколько увеличивает разбрызгивание.
4.5.8. Модульная организация высокочастотных преобразователей
Как уже отмечалось, при недостаточной мощности отдельных переключающих полупроводниковых элементов принято соединять их на параллельную работу. Еще эффективней параллельное соединение силовых модулей. Наивысшей степенью интеграции следует считать силовой модуль, состоящий из входного выпрямительного блока с фильтром, инвертора, трансформатора, выходного выпрямительного блока с фильтром и блока управления — фактически комплектного инверторного источника.
Двухмодулъный многофункциональный инверторный источник марки Корал-301 (ЭПИС, Киев) показан на рис. 4.58. Он имеет два одинаковых силовых модуля СМ1 и СМ2 с однотактным высокочастотным преобразователем, каждый с собственным блоком управления БУ 1 и БУ2. Блок управления за счет внутренних обратных связей по току и напряжению формирует необходимую внешнюю характеристику для ручной дуговой сварки (ММА) или механизированной сварки в углекислом газе (MAG), обеспечивает настройку режима и другие функции,
каждый для своего модуля. Общий блок управления БУО выполняет с помощью блока коммутации режимов БКР необходимое соединение модулей друг с другом, а также обеспечивает согласование их режимов. Если БКР не подает команду на включение коммутаторов К1-КЗ, то два модуля обеспечивают независимую работу двух постов сварки по 150 А от одного источника. Если БКР замыкает коммутаторы К1 и К2, то осуществляется питание одной дуги большим током до 300 А от параллельно соединенных модулей СМ1 и СМ2. В этом случае БУО управляет работой отдельных блоков БУ1 и БУ2, обеспечивая равномерное распределение нагрузки между модулями. Наконец, по команде БКР может быть включен один коммутатор КЗ, выполняющий последовательное соединение модулей, в результате чего напряжение холостого хода источника увеличивается вдвое — до 150 В, что позволяет использовать источник для питания плазменной резки (PC).
Другие варианты организации модульных структур могут содержать три и более силовых модулей. В этом случае следует предусмотреть равномерную загрузку ими питающей сети. На рис. 4.58 показано одинаковое подключение двух однофазных модулей к сети — от фазы А и нулевого провода N, что не обеспечивает равномерной загрузки фаз. Три однофазных модуля рационально запитать каждый от своей фазы: A-N, B-N, C-N. При отсутствии нулевого провода равномерную нагрузку обеспечат такие подключения трех модулей: А-В, В-С и С-А. Подключение модулей с трехфазным входом проблем с точки зрения загрузки фаз не вызывает. Для многомодульных систем имеет также значение последовательность запуска модулей в работу. Обычно в полном цикле Т работы выпрямителя блок БУО сдвигает такты работы п отдельных модулей на интервал Т/п. В этом случае обеспечиваются хорошее сглаживанйе сварочного тока и более равномерная загрузка сети.
В некоторых источниках используют кроме силовых и специальные модули: модуль возбуждения дуги, модуль импульсной подачи энергии в дугу и т. д.
Важным достоинством модульной организации является возможность неограниченного наращивания мощности источников из типовых или серийных модулей. При этом повышается уровень технологичности и унификации источ
ников разного назначения, повышается ремонтопригодность, а также надежность, поскольку при наличии резервного модуля выход из строя одного из модулей не приведет к остановке источника.
К недостаткам многомодульных источников следует отнести громоздкость и усложнение системы управления.
4.6. Многопостовые выпрямительные системы
4.6.1. Общие сведения о многопостовых системах
При наличии в цехе большого количества постов сварки рационально использование многопостовых систем питания (от 4 до 30 постов на один источник). Многопостовые трансформаторы в настоящее время серийно не выпускаются. Многопостовые выпрямительные системы изготовляют на токи 630, 800, 1000, 1250, 1600, 2000, 3150, 4000 и 5000 А. По назначению различают системы для ручной сварки, для механизированной сварки в защитном газе и универсальные.
Система имеет общий источник, шинопровод и постовые устройства (рис. 4.59). Перспективны два варианта систем: выпрямитель с постовыми реостатами, дросселями или полупроводниковыми регуляторами и трансформатор с постовыми управляемыми выпрямительными блоками. Любая из систем должна иметь развязку постов, т. е. обеспечивать независимость работы постов друг от друга. Поэтому внешняя характеристика общего источника должна быть жесткой. Действительно, при падающей характеристике короткое замыкание на одном из постов вызвало бы снижение напряжения и погасание дуги на других постах. Кроме того, для развязки ток короткого замыкания поста должен быть ограничен, например, наличием балластного реостата или дросселя.
Широко распространена более простая система (рис. 4.59,а). Вней используется многопостовой выпрямитель, состоящий из трансформатора Т и силового выпрямительного блока V. Шинопровод с целью экономии кабеля, как правило, выполняется общим для всего цеха в виде голых медных шин, проложенных по стене. Сечение шинопровода рассчитывается так, чтобы у самого отдаленного потребителя напряжение источника не снизилось более чем на 5 % . Постовые балластные реостаты 7?1, R2 выполняют функции развязки, регулирования режима и формирования падающей характеристики.
Уравнение внешней характеристики на отдельном посту
Un = UB - IdR6 *UX- IdR6. (4.24)
Рис. 4.59. Принципиальные схемы многопостовых выпрямительных систем: а — с постовыми регуляторами; б — с постовыми выпрямительными блоками
На рис. 4.60 видно, что с ростом сварочного тока/^ увеличиваются потери напряжения на балластном реостате I^Rq и снижается напряжение поста Un:
Id IdRft 4- •
При малом сопротивлении реостата получают пологопадающие характеристики, необходимые для сварки в защитном газе, при большом сопротивлении — крутопадающие характеристики, используемые при ручной сварке.
Рис. 4.60. Внешняя характеристика поста с балластным реостатом
При жесткой характеристике общего источника внешняя характеристика поста получается падающей благодаря наличию балластного реостата.
Из уравнения (4.24), учитывая, что напряжение после балластного реостата подается на дугу (Un = получаем уравнение для анализа способов регулирования режима
Id =
и.-Up Rq
Основной способ регулирования тока при ручной сварке — изменением сопротивления балластного реостата:
2?б 1р 4- •
При механизированной сварке в защитном газе балластным реостатом регулируют напряжение дуги, иногда для этой же цели меняют и напряжение основного источника С7Х. При сварке в защитном газе могут также использоваться дроссели для регулирования скорости нарастания тока короткого замыкания с целью снижения разбрызгивания.
В многопостовых системах регулирование режима выполняется в основном изменением сопротивления балластного реостата.
При проектировании многопостовой системы и выборе тока общего источника 1В учитывают количество постов п и средний ток поста I(f.
/в = Idnk$
Поскольку относительная продолжительность нагрузки поста ПН < 1, то расчетный ток может быть снижен за счет коэффициента одновременности feo < 1, учитывающего вероятность одновременной сварки на нескольких постах:
k0 = пн + &эУПН(1 ~ П1^-
Коэффициент йэ учитывает различный характер нагрева элементов системы. Так, при расчете массивных медленно нагревающихся элементов (шинопровода, трансформатора) принимают йэ = 0,5-1,5, при расчете быстро нагревающихся вентилей назначают йэ = 2-2,5.
Вторая система многопостового питания (рис. 4.59,6) в отличие от более простой обеспечивает раздельное и глубокое регулирование тока и напряжения. Здесь постовое устройство представляет собой тиристорный выпрямительный блок, с помощью которого формируется характеристика любого типа, что придает источнику универсальность.
Многопостовые выпрямительные системы обладают следующими достоинствами. Стоимость их меньше суммарной стоимости заменяемых ими однопостовых выпрямителей, они занимают меньше места, упрощается их обслуживание. Но КПД многопостовой системы с учетом потерь в балластных реостатах низок — 0,4-0,75. Кроме этого главного недостатка следует отметить также повышенный расход сварочных проводов (при отсутствии общего шинопровода) и опасность массового простоя при выходе из строя общего источника.
4.6.2. Многопостовые выпрямители
Выпрямители для ручной дуговой сварки обычно изготовляют по схеме (рис. 4.59,а). Для обеспечения жесткой характеристики трехфазный понижающий трансформатор должен иметь минимальное рассеяние, иногда его первичные обмотки секционируют для регулирования выпрямленного напряжения в небольших пределах. В мощных выпрямителях используют все разновидности шестифазной схемы выпрямления, обеспечивающей экономию на вентилях. Применяют как штыревые, так и таблеточные вентили на ток 200, 320, 400, 500 А с воздушным, реже водяным охлаждением. Наклон внешней характеристики обычно не более 0,01 В/A. Сварочные свойства выпрямительных систем с балластными реостатами близки к аналогичным характеристикам однопостовых выпрямителей, но из-за значительных потерь в реостатах удельный расход электроэнергии здесь составляет 6-8 кВт • ч/кг.
Выпрямитель марки В ДМ-1201-1 (Электрик) показан на рис. 4.61. Трехфазный понижающий трансформатор Т имеет алюминиевые обмотки. Первичные обмотки соединены в звезду, вторичные — в две звезды с выведенными нулями. Выпрямительный блок VD собран из шести вентилей по кольцевой схеме. Выпрямитель питается от сети через автоматический выключатель QF. Для пуска нажатием кнопки S1 включают двигатель М вентилятора. Контакты этой же кнопки через резисторы R2 и R3 подают напряжение на трансформатор, затем срабатывает пускатель КМ, подающий напряжение сети на трансформатор уже напрямую. Таким образом, предотвращаются ложные срабатывания автоматического выключателя от бросков пускового тока. При внутренних коротких замыканиях и пробое вентилей автоматический выключатель QF срабатывает и отключает выпрямитель от сети. Защита от небольших, но продолжительных перегрузок выполняется тепловыми реле KMF, встроенными в пускатель КМ. Цепи управления защищены плавкими предохранителями F1-F3. Защита выпрямительного блока от перенапряжений обеспечивается с помощью варисторов RU1-RU6. Источник снабжен сигнальной лампой HL, вольтметром PV и амперметром РА с шунтом RS.
Для регулирования сварочного тока на постах выпрямитель комплектуется восьмью балластными реостатами RB1-RB8. Балластный реостат марки РБ-306 (рис. 4.62) представляет собой набор параллельно соединенных резисторов, навитых из фехралевой проволоки (сплав 13 % Сг, 4 % А1, ост. — Fe, дешевый заменитель нихрома) и подключаемых к нагрузке с помощью рубильников S1-S7.
Рис. 4.61. Принципиальная схема выпрямителя ВДМ-1201-1
Рис. 4.62. Балластный реостат РБ-306
При различных комбинациях включенных рубильников реостат имеет сопротивление от 0,1 до 5 Ом. Вблизи каждого рубильника указана сила тока (6,10, 20 А и т. д.), получаемая при его включении. Другие значения токов в интервале от 6 до 316 А получаются суммированием величин, соответствующих одновременно включенным рубильникам.
Выпрямители для сварки в углекислом газе должны удовлетворять несколько более жестким требованиям. Во-первых, поскольку по технологическим соображениям не допускаются колебания рабочего напряжения более чем на ±1,5 В, то напряжение выпрямителя должно быть стабилизировано с точностью не ниже ±5 %, а внешняя характеристика должна иметь наклон не более 0,002 В/A. Второе отличие заключается в необходимости регулирования напряжения с кратностью около 2. В-третьих, постовое устройство должно ограни-
9*
чивать разбрызгивание металла. В качестве многопостовых могут применяться универсальные выпрямители (раздел 4.3), при этом используют жесткие характеристики с плавной регулировкой напряжения.
Многопостовой выпрямитель марки ВМГ-5000 (ПАТОН, Киев) предназначен для питания 30 постов механизированной сварки по 315 А. Он имеет жесткую характеристику с наклоном около 0,0008 В/A. Трансформатор — с нормальным рассеянием, его первичные обмотки соединены в звезду и секционированы, что позволяет получить пять значений напряжения холостого хода. Схема выпрямления — шестифазная с уравнительным дросселем, в каждом плече выпрямительного блока по два вентиля В-800, охлаждаемых проточной водой. Постовые устройства — балластные реостаты марки РБГ-302 — формируют необходимую пологопадающую внешнюю характеристику поста. При настройке сопротивления балластного реостата руководствуются следующими соображениями. Для обеспечения надежного зажигания и устойчивости процесса при крупнокапельном переносе R^ должно быть менее 0,12 Ом, для уменьшения разбрызгивания электродного металла — должно быть более 0,07 Ом. При этом диапазон регулирования режима довольно узок, и плохо удовлетворяется требование развязки постов. Важное достоинство таких постовых устройств — простота и компактность. Однако при сварке в вертикальном и потолочном положении для обеспечения направленного переноса электродного металла R^ приходится существенно уменьшать, в этом случае для ограничения разбрызгивания постовое устройство дополняется дросселем.
4.6.3. Источники с постовыми полупроводниковыми устройствами
Постовые устройства могут быть выполнены с использованием силовых вентилей — тиристоров и транзисторов. Различают постовые выпрямительные блоки, подключенные к общему источнику переменного тока (рис. 4.59,d), и постовые регуляторы, питающиеся от выводов постоянного тока многопостового выпрямителя (рис. 4.59,а).
Выпрямитель марки В ДМ-4^3010 (Электрик) представляет собой другую концепцию многопостовой системы, в которой общими являются только корпус, автоматический выключатель QF для подключения к трехфазной сети и защиты, магнитный пускатель К для оперативных включений-выключений и два вентилятора с цепями пуска и контроля (рис. 4.63). Каждое из четырех постовых устройств А1-А4 установлено внутри этого корпуса и представляет собой комплектный выпрямитель, состоящий из трансформаторов Т1 и Т2, трехфазного блока VD1 и однофазного блока VD2, VD3, VS1, VS2, а также блока управления.
Основной трехфазный понижающий трансформатор Т1 с увеличенным рассеянием имеет падающую внешнюю характеристику и регулируется перестановкой клинового магнитного шунта, подобно тому, как это делается у выпрямителя ВД-313 (рис. 4.20). Затем напряжение выпрямляется основным вентильным блоком VD1, собранным по трехфазной мостовой схеме. Параллельно этой основной силовой цепи дугу питает еще и вспомогательная, в состав которой
Л1
Рис. 4.63. Принципиальная схема выпрямителя ВДМ-4х3010
входят однофазный понижающий трансформатор Т2 и несимметричный мостовой вентильный блок, состоящий из двухдиодного модуля VD2, VD3 и модуля из двух оптронных тиристоров У81 и VS2. В основной цепи перестановкой магнитного шунта производится только грубая настройка тока в пределах от 45 до 315 А, а тонкая подстройка в интервале 0-60 А выполняется дистанционно с места сварки с помощью потенциометра в цепи управления оптотиристорами. Выпрямитель предназначен обслуживать бригаду из четырех сварщиков, ведущих одновременную сварку стыка при монтаже магистрального трубопровода.
Постовой транзисторный регулятор марки Multi Weld 350 (Lincoln Electric, США) управляет уже выпрямленным током (рис. 4.64). Он выполнен по схеме понижающего транзисторного преобразователя, работа которого была описана выше (раздел 4.3.5). Диоды VD3, VD4 предупреждают неверное подключение регулятора к шинам многопостовой выпрямительной системы. Электромагнитный контактор К обеспечивает включение и защиту регулятора от перегрузок. Буферные конденсаторы Cl, С2 совмещают функции сглаживающего фильтра и накопителя энергии для устойчивой работы регулятора. В качестве силовых переключающих приборов использованы два параллельно включенных транзисторно-диодных модуля (чоппера) А1 и А2, каждый с ZGBT-транзистором
50-110В
Рис. 4.64. Постовой транзисторный регулятор Multi Weld 350
VT9 защитным диодом VD1 и обратным диодом VD2. Для сглаживания сварочного тока используются дроссели L1 и L2.
Такой регулятор предназначен для питания дуги при сварке покрытым электродом на постоянном токе обратной полярности, где он имеет комбинированную внешнюю характеристику с падающим рабочим участком, и при механизированной сварке сплошной и порошковой проволокой — с жестким рабочим участком. Внешние характеристики формируются с помощью обратных связей по току и напряжению, работой /GBT-модулей управляет широтно-импульсный модулятор. При широтной модуляции проще оптимизировать параметры дросселей и буферных конденсаторов с целью лучшего сглаживания сварочного тока. Таким образом, частота преобразования постоянная и составляет 16-18 кГц, что позволяет ограничить потери в преобразователе. Для получения тока более 350 А допускается параллельное соединение внешних зажимов двух и более регуляторов.
Важным достоинством полупроводникового регулятора является высокий, особенно в сравнении с балластным реостатом, коэффициент полезного действия — 0,8-0,9. С учетом потерь в выпрямителе КПД многопостовой системы составляет 0,7-0,8. По этой причине количество постов, которое можно подключить к многопостовому выпрямителю, увеличивается в сравнении с реостатным регулированием в 1,7-1,8 раза.
Постовой транзисторный регулятор, как правило, легче балластного реостата, допускает дистанционное регулирование режима, может иметь специальные функции, присущие источникам с высокочастотным преобразованием (горячий пуск, форсирование дуги, защита от прилипания и т. д.). Структура регулятора < для аргоно-дуговой сварки такая же, но для обеспечения дуги прямой полярности используется /GBT-модуль другой конструкции — диодно-транзисторный.
Раздел 5
Сварочные генераторы
5.1. Общие сведения о генераторах, преобразователях, агрегатах
5.1.1. Назначение, классификация
Сварочный генератор преобразует механическую энергию вращения якоря в электрическую энергию постоянного тока, необходимую для сварки. Генератор поставляется потребителю отдельно или в комплекте с приводным двигателем. Преобразователи, представляющие собой комбинацию асинхронного трехфазного двигателя переменного тока и сварочного генератора постоянного тока, в настоящее время не выпускаются. Агрегаты, состоящие из двигателя внутреннего сгорания и сварочного генератора, применяют в основном при ручной сварке в полевых условиях, на монтаже и ремонте, где отсутствует электрическая сеть питания. В данном курсе подробно изучаются только генераторы. Различают коллекторные и вентильные генераторы. Коллекторные генераторы классифицируют в зависимости от способа возбуждения и получения необходимых внешних характеристик. В настоящее время используются только следующие типы коллекторных генераторов:
а) с независимым возбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой;
б) с самовозбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой.
Вентильные генераторы представляют собой комбинацию генератора переменного тока и выпрямительного блока, в зависимости от конструкции которых и различаются. Нашли применение такие генераторы переменного тока:
а) синхронный индукторный;
б) синхронный с явнополюсным ротором;
в) асинхронный;
и выпрямительные блоки:
а) на неуправляемых вентилях;
б) тиристорные;
в) с транзисторным преобразователем.
5.1.2. Требования, достоинства и недостатки
Требования к вращающимся источникам постоянного тока регламентируются следующими стандартами: ГОСТ 304-82 «Генераторы постоянного тока для дуговой сварки» и ГОСТ 2402-82 «Агрегаты сварочные с двигателями внутреннего сгорания». Основные параметры этих источников, предназначенных для ручной сварки покрытыми электродами, приведены в табл. 5.1. Высокая устойчивость горения дуги постоянного тока — важное достоинство сварочных генераторов по сравнению с трансформаторами.
Таблица 5.1
Основные параметры сварочных генераторов (ГОСТ 304-82)
Сварочный ток, А Номинальное рабочее напря-жение, В Номинальная продолжительность цикла сварки, мин Номинальная относительная продолжительность нагрузки ПН, %
номинальный наименьший
125 20 25 5 60
160 25 26,4
250 45 30
315 45 32,6
400 60 36
500 75 40 10
Существенным недостатком вращающихся источников является сложность конструкции и высокая трудоемкость изготовления, особенно коллекторных генераторов и приводных двигателей внутреннего сгорания. Они существенно дороже трансформаторов и даже выпрямителей.
Эксплуатационные характеристики вращающихся источников сравнительно низкие. Их КПД не превышает 0,7. Поэтому, например, у преобразователей удельный расход электроэнергии на 1 кг расплавленного электродного металла не ниже 5 кВт • ч. Поскольку эти источники имеют вращающиеся части, их надежность сравнительно невелика, особенно часто из строя выходит коллекторное устройство. Кроме того, они занимают сравнительно много места, шумны в работе.
5.2. Коллекторные генераторы
5.2.1. Общее устройство
Основными частями сварочного коллекторного генератора постоянного тока (рис. 5.1,а) являются:
— статор с корпусом 1, четырьмя магнитными полюсами 4 и обмотками возбуждения 2 и 3;
— якорь с сердечником 6 , в пазах которого уложена обмотка 5;
— коллектор 9, набранный из медных изолированных пластин, с опирающимися на него щетками 8;
— выводные зажимы 7.
На рисунке упрощенно показана только часть петлевой обмотки якоря между щетками Щ1 и Щ2, но этого достаточно для пояснения работы генератора. Принцип преобразования механической энергии вращения якоря в электрическую энергию сварочного тока основан на явлении электромагнитной индукции, в соответствии с которым при движении в магнитном поле с индукцией В проводника длиной I со скоростью V в нем возникает ЭДС е = BIV.
При пропускании тока по обмоткам возбуждения 2 и 3 в магнитной системе генератора возникает магнитный поток Ф, который замыкается по железу статора и якоря. Если привести во вращение якорь, то активные проводники его обмотки будут пересекать магнитные силовые линии потока, и, следовательно, в каждом из них будет возникать единичная ЭДС ei~C4. Направление единичных ЭДС можно определить, воспользовавшись правилом правой руки.
При вращении якоря единичные ЭДС изменяются как по величине, так и по направлению (рис. 5.1,в). У четырехполюсного генератора полный период изменения ЭДС приходится на половину оборота вращения якоря. Для уменьшения пульсации ЭДС полюсным наконечникам придают форму, обеспечивающую постоянство потока в зазоре между полюсом и якорем. В результате кривая ЭДС приобретает трапецеидальный вид. Рассмотрим, как с помощью щеточно-коллекторного устройства обеспечивается постоянное направление тока в нагрузке. В момент, изображенный на рис. 5.1,а, единичные ЭДС ei и проводников, проходящих под южным полюсом, направлены в одну сторону, а ЭДС е% и q под северным полюсом — в другую. Но при показанном соединении проводников перечисленные ЭДС будут приложены друг к другу последовательно и согласно. Таким образом, на участке обмотки между коллекторными пл а-
Рис. 5.1. Конструктивная (а) и принципиальная (б) схемы и осциллограммы (в, г) коллекторного генератора
станами П1 и ПЗ общая ЭДС получается суммированием единичных:
Е = в1 + €2 + вз + е±.
Щетки Щ1 и Щ2 установлены так, чтобы между ними находились все проводники этого участка, тогда суммарная ЭДС между щетками будет максимальной.
Поясним теперь постоянство суммарной ЭДС во времени. В интервале 01-02 суммарная ЭДС состоит из положительных ЭДС проводников После момента 02 ЭДС в\ и станут отрицательными, но соответствующие проводники и пластина П1 уйдут из рассматриваемого участка обмотки между щетками Щ1 и Щ2 вниз, зато в этом участке слева появятся два других проводника с положительной ЭДС, так что суммарная ЭДС на участке между щетками Щ1 и Щ2 останется неизменной. Всего таких участков в обмотке якоря получается четыре, при указанном на рис. 5.1,6 соединении щеток они включаются параллельно и поэтому называются параллельными ветвями. Ток в нагрузке I получается суммированием токов четырех ветвей, а ЭДС генератора £г равна ЭДС одной ветви Е.
Щеточно-коллекторное устройство обеспечивает получение постоянной ЭДС генератора при переменной ЭДС отдельных проводников, выполняя функцию механического выпрямления тока.
Для расчета ЭДС генератора используют соотношение
Ег = (^ФПя’ 60а
где N — число активных проводников обмотки якоря, р — число пар полюсов, а — число пар щеток (число пар параллельных ветвей), пя — частота вращения якоря, об/мин.
При анализе работы сварочного генератора принято все постоянные величины объединять в общий коэффициент, называемый постоянной генератора
г _ Np
Сг 60аПя’
а ЭДС выражать более простым соотношением
Ег = СГФ.
5.2.2. Генератор независимого возбуждения с последовательной размагничивающей обмоткой
На рис. 5.2 приведена упрощенная принципиальная схема генератора. Он имеет всего одну пару щеток и одну пару полюсов. На одном из
Рис. 5.2. Генератор с независимым возбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой: а — конструктивная схема, б — принципиальная схема, в — связь параметров
полюсов находится независимая обмотка НО, получающая питание от постороннего источника постоянного тока. На другом полюсе установлена размагничивающая обмотка ПР, включенная последовательно с якорем и нагрузкой. Таким образом, магнитный поток создается совместным действием независимой и последовательной обмоток. Это, как будет показано ниже, обеспечивает формирование крутопадающей внешней характеристики генератора. Плавное регулирование режима выполняется с помощью реостата R1, грубое — изменением числа витков последовательной обмотки и включением балластного реостата R2.
Формирование падающей внешней характеристики поясним на основе анализа электрических процессов в генераторе в режимах холостого хода и нагрузки.
В режиме холостого хода цепь якоря разомкнута, и сварочный ток отсутствует (1$ = 0). По независимой обмотке НО идет намагничивающий ток /но. Этот ток создает поток Фн, зависящий от числа витков irH независимой обмотки и магнитного сопротивления /?мн на пути потока:
Ф_ AiO^H ГК
н б • (5.1)
-^мн
В обмотке якоря наводится ЭДС Ег, зависящая от постоянной генератора:
Ег = СГФН (5.2)
Эта ЭДС без потерь подается на зажимы генератора, следовательно, напряжение холостого хода можно определить из (5.1) и (5.2) по соотноше
нию
их=£г = Сгфн = Сг^н. (5.3)
Лмн
Из этого уравнения следует, что £7Х можно регулировать изменением тока /н0 независимой обмотки.
Режим нагрузки возникает после зажигания дуги, при этом по цепи якоря, дуги и последовательной обмотки ПР идет сварочный ток 1$. Этот ток создает размагничивающий поток Фр, зависящий от числа витков последовательной обмотки и?р и магнитного сопротивления 7?мр на пути этого потока:
Поток последовательной обмотки замыкается по тому же пути, что и поток Фн, поэтому Ямр = /?мн = Ям. Поскольку поток Фр направлен встречно потоку Фн, то результирующий поток Фе равен их разности:
ф^ = фн-фр. (5.5)
Поток Ф^ создает ЭДС генератора
-Ег = СгФх = СГФН — СгФр.
Напряжение генератора Ur меньше ЭДС Ег на величину потерь в активном сопротивлении генератора Rr (проводников якоря, коллекторнощеточного устройства, соединительных проводов). Но этими потерями за малостью можно пренебречь. Тогда, подставив в последнее уравнение значения составляющих из (5.1) и (5.4), имеем
17г = Ег-/аВг«сД^-Сг^. (5.6)
1гм
Первый член в правой части уравнения (5.6) соответствует напряжению холостого хода генератора Ux, Коэффициент при Ig во втором члене уравнения называют сопротивлением Яэ, эквивалентным размагничивающему действию последовательной обмотки:
Ср
Хэ = (5.7)
В результате получаем уравнение внешней характеристики генератора с последовательной размагничивающей обмоткой
Ъ7?э.
(5.8)
На рис. 5.3 приведено графическое изображение уравнения (5.8) — падающая внешняя характеристика генератора. Видно, что при достаточно большом 7?э с ростом тока 1д (например, при изменении сопротивления нагрузки) напряжение генератора Ur падает:
1д иг I.
Рис. 5.3. Внешняя характеристика генератора с независимым возбуждением
Дадим физическое объяснение формированию падающей характеристики. При увеличении сварочного тока Ig возрастает поток последовательной обмотки Фр (5.4), что приводит к снижению результирующего потока (5.5). Поэтому снижается ЭДС Ег и напряжение генератора UT
(5.6):
А? Фр ф^ t/r 4- •
Падающая внешняя характеристика у генератора с последовательной обмоткой получается благодаря ее размагничивающему действию.
Регулирование режима. Из уравнения (5.8) при равенстве напряжения дуги и генератора (Ug = (7Г) получаем уравнение для оценки способов регулирования (настройки) тока
Из него следует, что при постоянном напряжении нагрузки Ug ток можно регулировать изменением напряжения холостого хода Ux или эквивалентного сопротивления генератора R3.
Основной способ регулирования — изменением С7Х, точнее, изменением тока 1н0 независимой обмотки генератора. С этой целью регулировочным реостатом в цепи независимой обмотки (рис. 5.2,6) изменяют
намагничивающий ток /но. При этом меняется 17х, а следовательно, по (5.9) и ток Iq.
Приведем физическое толкование этого способа регулирования. При росте тока /но увеличивается поток независимой обмотки Фн (5.1), а поэтому и результирующий поток Фх (5.5). Это приводит к увеличению ЭДС Ег и напряжения Ur генератора (5.6) и, следовательно, к увеличению сварочного тока/^:
/но t=> Фн t=> Фх t=> Ег t=> UT f=> Zfl t •
Из соотношения (5.3) следует, что увеличение тока/но вызывает также увеличение напряжения холостого хода Ux. При этом способе обеспечивается плавное регулирование, но кратность его сравнительно невелика. Поскольку для увеличения тока 1д приходится увеличивать и напряжение холостого хода, то при ограничении С7Х значениями 40-113 В кратность регулирования тока ki = Z5 max Да min не превышает 2-3. Поэтому в современных источниках плавное регулирование изменением С7Х дополняется еще и другими способами.
Ступенчатое (грубое) регулирование обычно выполняется изменением эквивалентного сопротивления _R3 генератора, точнее, изменением числа витков 1Гр последовательной обмотки. При увеличении п>р в соответствии с (5.7) увеличивается R3 и, следовательно, уменьшается ток Iq. Физическое пояснение этого способа таково: при увеличении числа витков 1ГР последовательной обмотки возрастает ее поток Фр, что приводит по(5.5) к снижению результирующего потока Ф^. Следовательно, по(5.6) снижаются ЭДС _ЕГ, напряжение Ur и ток 1$:
iTp "|'=^ Фр "|"=т* Ф^ ].=Ер 4—^ иг 4—^ /э 4 •
Обычно ограничиваются двумя ступенями такого регулирования при кратности около 2.
Реже ступенчатое регулирование выполняют с помощью балластного реостата R2 с сопротивлением R&, устанавливаемого последовательно с дугой в сварочную цепь. Уравнение внешней характеристики генератора с балластным реостатом имеет вид
Д’б = Ux IdEg I()Rq ~ Ux Id(Ra + Rq),
а уравнение для анализа способов регулирования
т _их-ид
9 r9+r6‘
Отсюда следует, что при увеличении R& сила тока Id снижается.
Регулирование режима выполняете^: плавно — изменением тока независимой обмотки и грубо — секционированием последовательной обмотки и включением балластного реостата.
5.2.3. Генератор с самовозбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой
Обычно генератор имеет статор с четырьмя основными полюсами и цилиндрический якорь с коллектором и четырьмя основными и одной дополнительной щеткой. На рис. 5.4 показана упрощенная двухполюсная конструкция генератора. Кроме основных щеток а и Ъ генератор имеет еще и дополнительную щетку с, используемую для питания намагничивающей параллельной обмотки НО.
Рис. 5.4. Принципиальная схема генератора с самовозбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой
Генератор сконструирован таким образом, что напряжение на щетках а-с почти не меняется с изменением нагрузки, поэтому и ток намагничивающей | обмотки 1но практически не зависит от тока нагрузки Id- Это улучшает сварочные свойства генератора и сближает их со свойствами генератора с независимым возбуждением. Потоки параллельной НО и последовательной ПР обмоток направлены встречно, поэтому генератор имеет падающую внешнюю характеристику. Регулирование режима, так же как и у генератора с независимым возбуждением, выполняется: плавно — изменением тока в цепи намагничивающей обмотки и грубо — секционированием последовательной обмотки, а также подключением балластного реостата. Главное достоинство такого генератора заключается в том, что он не нуждается во вспомогательной цепи для питания намагничивающей обмотки.
Агрегат марки АДД-303 (Дагэлектромаш, Махачкала) является типичным представителем источника с коллекторным генератором с самовозбуждением (рис. 5.5). Он состоит из генератора 1 марки ГСО-ЗОО-12 и дизельного двигателя i 5 марки Д144-80, которые соединены в единый блок при помощи фланцево- । го сочленения и закреплены на металлической раме 7 с помощью резиновых
Рис. 5.5. Агрегат АДД-303 (а) и электромагнитная схема его генератора (б)
амортизаторов. Вращающий момент передается от двигателя к генератору посредством упругой соединительной муфты. Агрегат имеет защитный металлический кожух 3 со съемными шторами. Под крышей расположен топливный бак 2 емкостью 22 литра, обеспечивающий работу агрегата при номинальной нагрузке не менее 4,5 часа. Аппаратура управления расположена на пульте 4. Двигатель — четырехцилиндровый с воздушным охлаждением, на нем установлены зарядный генератор, стартер, свечи накаливания и электрические датчики. Пуск двигателя осуществляется с помощью двух аккумуляторных батарей 6 марки 6СТ-215ЭМ.
Генератор (рис. 5.5,6) имеет четыре основных (А) и (S) и два дополнительных (з) полюса. Последовательная обмотка имеется только на полюсах S, а параллельная — только на полюсах N. Благодаря этому уменьшается взаимная индуктивность обмоток и улучшается качество переходных процессов генератора. Диапазон больших токов получается при креплении сварочного кабеля к зажиму «+315», в результате чего уменьшается число витков последовательной обмотки, диапазон средних токов «+100» — при полном числе витков этой обмотки, диапазон малых токов «+45» — при включении балластного реостата. Плавное регулирование тока выполняется реостатом в цепи параллельной обмотки, получающей питание от дополнительной щетки.
В России агрегаты с коллекторными генераторами перестали выпускать с 1990 года, когда они были повсеместно заменены агрегатами с вентильными генераторами.
5.3. Вентильные генераторы
5.3.1. Общее устройство, достоинства и назначение
Как известно, вентильным генератором принято называть комбинацию генератора переменного тока и выпрямительного блока. Переменный ток обычно вырабатывается синхронным индукторным генератором или синхронным с ротором явнополюсной конструкции, реже — асинхронным генератором.
Индукторный генератор (рис. 5.6,а) имеет зубчатый ротор — индуктор 4, а обмотка возбуждения 3, питаемая постоянным током, размещена на статоре 2. Обмотка возбуждения создает постоянную магнитодвижущую силу, но поток возбуждения Фв, пронизывающий силовую обмотку 1, имеет пульсирующий характер, поскольку магнитное сопротивление на его пути меняется при вращении ротора. Поток максимален при совпадении оси силовой обмотки с зубцом ротора и минимален при совпадении с впадиной ротора. Поэтому в силовой обмотке создается переменное напряжение. На рис. 5.6,а полюса выше горизонтали являются южными, а ниже — северными, поэтому такой генератор называют разноименно-
полюсным.
Рис. 5.6. Конструкции генераторов переменного тока: а — индукторного, б — синхронного, в — асинхронного
Синхронный генератор с явнополюсным ротором (рис. 5.6,6) работает следующим образом. К обмотке возбуждения 4 ротора 3 с помощью двух контактных щеток 6 и колец 5 подводится сравнительно небольшой постоянный ток, в результате чего создается вращающийся магнитный поток возбуждения Фв, замыкающийся по железу ротора 3 и статора 2. При перемещении потока относительно неподвижной силовой обмотки
1 в ней создается переменная ЭДС, направление которой в части витков показано на рисунке в соответствии с правилом правой руки.
Асинхронный генератор (рис. 5.6,в) конструктивно оформляется, как асинхронный двигатель переменного тока. Трехфазная силовая обмотка 1 укладывается в пазах статора 2. Короткозамкнутый ротор 4 имеет форму беличьего колеса. Принципиальным отличием от двигателя является наличие конденсаторной батареи 3. При пуске небольшой остаточный магнитный поток создает в проводниках ротора ток, поэтому поток усиливается и наводит в силовой обмотке постепенно увеличивающуюся ЭДС. Ток, проходящий по этой обмотке через конденсаторы, и ток, проходящий по стержням ротора, совместно создают вращающийся поток возбуждения Фв. При пересечении этим потоком катушек А, В и С силовой обмотки в них наводятся три синусоидальные ЭДС, сдвинутые друг относительно друга на 120°. Поэтому на внешних зажимах генератора возникает переменное трехфазное напряжение с частотой, несколько меньшей частоты вращения ротора, что и объясняет название — асинхронный генератор.
За рубежом в составе вентильного генератора используется в основном синхронный генератор с ротором явнополюсной конструкции. Он легче индукторного и несколько проще в изготовлении, но менее надежен из-за наличия скользящего токоподвода. В России используется, главным образом, индукторный генератор повышенной частоты (150-400 Гц), у которого сварочные свойства лучше, чем у генератора на 50 Гц. Асинхронный генератор — самый легкий из них, но из-за трудностей в регулировании режима в серийных конструкциях применяется реже.
Характеристики вентильного генератора существенно зависят также от типа вентилей и количества фаз генератора переменного тока G (рис .5.7). Обычно выпрямительный блок V собирается из неуправляемых
Рис. 5.7. Принципиальные схемы однофазного (а) и трехфазного (б) вентильных генераторов
вентилей — диодов. Однофазная мостовая схема используется только в маломощных генераторах (до 125 А) и дополняется довольно большим дросселем L для сглаживания выпрямленного тока (рис. 5.7,а). Она имеет смысл также при разработке источника, универсального по роду тока. Действительно, если у однофазного генератора использовать зажимы перед выпрямительным блоком, то возможна и сварка на переменном токе. Трехфазный мостовой выпрямительный блок (рис. 5.7,6) на кремниевых диодах обеспечивает хорошо сглаженный ток. Трехфазный генератор переменного тока в сравнении с однофазным одинаковой мощности меньше и легче, хотя и сложней в изготовлении. Большая часть вентильных генераторов выполняется по этой схеме. Выпрямленное напряжение вентильного генератора UB определяется линейным напряжением генератора переменного тока в его составе (7ГЛ, которое в свою очередь зависит от фазного напряжения Ur и схемы соединения обмоток. Поскольку генератор переменного тока обычно имеет значительное внутреннее сопротивление фазы Хг, то естественная внешняя характеристика вентильного генератора — падающая.
Регулирование режима, так же как и формирование искусственных внешних характеристик, при использовании неуправляемых вентилей осуществляется на стадии переменного тока. Более эффективно регулирование при использовании тиристорного блока (см. раздел 4.3.3) или диодного блока с транзисторным преобразователем (раздел 4.3.5).
Главные достоинства вентильных генераторов связаны с относительной простотой генератора переменного тока. И синхронный с явнополюсным ротором, и индукторный генераторы имеют неподвижную силовую обмотку, в индукторном к тому же и обмотка возбуждения расположена на статоре. Таким образом, вентильный генератор не имеет коллектора, а иногда даже и скользящих контактов, и поэтому гораздо проще и надежнее коллекторного. У вентильного генератора выше КПД — около 0,7, тогда как у коллекторного — 0,6-0,65; лучше массовые характеристики — соответственно 0,37-0,42 и 0,55-0,58 кг/А. Известным преимуществом вентильного генератора можно считать его универсальность по роду тока. По сравнению с выпрямителем вентильный генератор заметными преимуществами не обладает. Поэтому он предназначен в основном для замены коллекторного генератора при отсутствии электрической сети, где выпрямитель неприменим.
5.3.2. Одноименно-полюсный индукторный генератор
Устройство однофазного индукторного генератора (рис. 5.8) несколько проще, чем у трехфазного, поэтому сначала рассмотрим работу
7В—Фв
/г^Фя^Ф^£'г* Ц
I__________I
Рис. 5.8. Конструктивная схема и связь параметров индукторного генератора
однофазного. Он имеет зубчатый статор — якорь 2, состоящий из двух пакетов из листовой электротехнической стали, и зубчатый ротор — индуктор 1, состоящий из двух пакетов, сдвинутых друг относительно друга на 180 электрических градусов (на половину зубцового деления). Между двумя пакетами статора закреплена кольцевая обмотка возбуждения 3, питаемая постоянным током. Силовая обмотка 4 переменного тока уложена в пазах статора. Поток возбуждения Фв идет по оси ротора, а затем звездообразно разветвляется, проходит через зубчатый пакет ротора, далее по полюсам статора и замыкается по корпусу генератора. На рис. 5.8 тонкой линией показана только часть потока возбуждения, пронизывающая катушку силовой обмотки на одном из полюсов статора. Катушки могут соединяться друг с другом как последовательно, так и параллельно. У изображенного на рис. 5.8 генератора все полюса ближнего пакета статора являются южными, а дальнего пакета — северными. Такую конструкцию принято называть одноименно-полюсной.
Формирование внешней характеристики вентильного генератора поясним при анализе процессов в однофазном индукторном генераторе при холостом ходе и нагрузке.
При холостом ходе ток катушки возбуждения 1В создает постоянную магнитодвижущую силу IB wB. Магнитное сопротивление J?M на пути потока Фв, пронизывающего одну из силовых катушек, зависит от величины воздушного зазора 8 и периодически меняется от минимального при совпадении оси катушки с зубцом ротора до максимального при совпадении
с впадиной (рис. 5.9,а). Поэтому и магнитный поток имеет пульсирующий униполярный характер (рис. 5.9,6):
Фв = = Фо - Ф1 coswi,
-“м
где Фо — постоянная составляющая потока, Ф1 — амплитуда переменной
Рис. 5.9. Осциллограммы индукторного генератора
Этот поток создает в силовой катушке ЭДС ек, зависящую от числа ее витков wK и переменной составляющей Ф1 потока:
и>к</Фв . .
ек = ——- = (ыикФ1 sm wt. at
Если учесть количество з катушек и количество а параллельных ветвей силовой обмотки, то переменная ЭДС генератора имеет вид синусоиды (рис. 5.9,в):
ег = <В1гк^Ф1 sin art,
а ее действующее значение Ег, соответствующее напряжению холостого хода генератора, с учетом со = 2nf может быть выражено соотношением
С7хг = Ег = 4,44/и;к|Ф1. (5.10)
Частота переменного напряжения силовой обмотки f зависит от частоты вращения ротора пр и числа зубцов ротора з:
(5.11)
При появлении переменного тока Zr в нагрузке он идет и по силовой обмотке, в результате чего в генераторе возникают потоки, замыкающиеся по различным путям, как по воздуху, так и по железу (потоки реакции якоря и потоки рассеяния). Основная часть этих переменных потоков Фя направлена противоположно потоку возбуждения (рис. 5.8) и, следовательно, наводит в силовых обмотках противо-ЭДС Ея, действие которой принято отождествлять с индуктивным сопротивлением генератора Хг. Поэтому напряжение генератора при нагрузке
Ur = Uxr -Ея = Uxr - ДГХГ, (5.12)
т. е. при значительной величине индуктивного сопротивления Хг получается падающая характеристика:
zr Фя £я иг ф.
Индукторный генератор имеет естественную падающую характеристику, что вызвано действием потоков рассеяния и потока реакции якоря, обладающего размагничивающим действием.
Получить жесткую характеристику в индукторном генераторе сложней. С этой целью вводят положительную обратную связь по току нагрузки в цепь возбуждения. При этом с ростом тока нагрузки увеличивается ток возбуждения и ЭДС генератора, что компенсирует рост противо-ЭДС, вызванной потоком реакции якоря, и этим обеспечивает независимость напряжения генератора от тока:
( Фя t 1
I V => ф^ = const => Ur == const.
(ZB Фв f J
Регулирование режима в однофазном генераторе. Из уравнения (5.12) получим соотношение
т _^Zxr Ud J* .< л\
Zr 9 (5.13)
из которого следует, что ток Zr зависит от напряжения холостого хода 17хг и индуктивного сопротивления генератора ХГ.
Для изменения напряжения холостого хода воздействуют на обмотку возбуждения. Например, при увеличении тока возбуждения 1В увеличивается поток Фв, а также по (5.10) наводимая им ЭДС ЕГ и напряжение холостого хода (7ХГ, что вызовет по (5.13) увеличение тока Zr:
Zb Фв Uxr Zr f .
Индуктивное сопротивление генератора Хг зависит от числа витков в катушке силовой обмотки количества катушек s и количества параллельных цепей а, образованных катушками:
иУ
Xr = kfs-^. (5.14)
аг
Таким образом, появляется возможность ступенчатого регулирования режима, поскольку катушки силовой обмотки обычно соединяются в несколько параллельных цепей. При использовании только одной из параллельных цепей имеем диапазон малых токов. При использовании двух параллельных цепей (s = 2; а = 2) вдвое снижается по (5.14) индуктивное сопротивление Хг, и соответственно увеличивается ток 1г:
a Хг /г f .
Разумеется, возможно регулирование тока с помощью дросселя с большим индуктивным сопротивлением Xl, включенного последовательно в цепь нагрузки. В этом случае уравнение (5.13) приобретает вид
= Uxr - Цд г j(Xr + XL)9
из которого следует, что для увеличения тока нужно уменьшить сопротивление дросселя. В этом качестве могут использоваться как дроссель с воздушным зазором, так и дроссель насыщения. Этот способ получил небольшое распространение, хотя при повышенной частоте переменного тока дроссель может иметь сравнительно малые габариты.
Регулирование режима в трехфазном генераторе. Кроме рассмотренных выше здесь появляются еще и другие возможности регулирования, связанные с изменением соединения обмоток разных фаз (рис. 5.10). Для анализа способов регулирования можно использовать ранее выведенное соотношение (4.13). При этом учтем, что напряжение холостого хода вентильного генератора (7Х зависит от напряжения холостого хода индукторного генератора — фазного L7xr и линейного (7ХГЛ. Учтем также, что эквивалентное сопротивление Хэ трехфазной схемы, как было показано в разделе 4.2.4, зависит от сопротивления ХГ отдельной фазы индукторного генератора и от соединения его обмоток.
В случае соединения обмоток звездой (рис. 5.10,а) имеем самое высокое напряжение холостого хода вентильного генератора
17Х1 = 1,35!7ХГЛ = 1,35\/317хг = 2,34С7ХГ
и одновременно довольно высокое эквивалентное сопротивление ХЭ1, которое равно сопротивлению Хг отдельной фазы. Этот вариант соединения
Аэ1—Аг
Рис. 5.10. Схемы соединения обмоток трехфазного индукторного генератора
Ux2~ 1,351?хг ^хЗ~ l,35JZxr
Лэ2 = у *г -^эЗ “ "б
можно рекомендовать для сварки на низких режимах, когда снижение устойчивости дуги, сопутствующее малым токам, компенсируется повышением напряжения холостого хода.
При переходе к соединению обмоток треугольником (рис. 5.10,6) напряжение холостого хода снижается в \/3 раз до значения
Ux2 = 1,35(7ХГЛ = 1,35ПХГ,
но и эквивалентное сопротивление ХЭ2 снижается в три раза. Это приводит к увеличению тока в сравнении с первым вариантом.
В третьем варианте в каждой фазе генератора используется по две параллельно соединенные катушки (рис. 5.10,в). Напряжение холостого хода С7хз при соединении фаз по-прежнему треугольником не изменится, а сопротивление Хэз, как было показано для однофазного генератора, в соответствии с (5.14) снизится вдвое. Этот вариант обеспечивает диапазон больших токов.
Регулирование режима вентильного генератора осуществляется на стадии переменного тока: плавно — изменением тока обмотки возбуждения, ступенчато — изменением соединения силовых обмоток (звезда, треугольник, параллельно).
5.3.3. Вентильный генератор с индукторным генератором
Такие генераторы выпускаются в основном для комплектации агрегатов с двигателями внутреннего сгорания и предназначены для ручной дуговой сварки покрытыми электродами.
Вентильный генератор марки ГД-4006 (Уралтермосвар), входящий в состав агрегата АДД-4004М, изображен на рис. 5.11. Он представляет собой двухпакетную индукторную машину повышенной частоты с выпрямительным блоком и
Рис. 5.11. Вентильный генератор ГД-4006
распределительным устройством. Статор генератора состоит из двух пакетов 9 из листовой электротехнической стали, закрепленных внутри трубчатого корпуса 7. В пазах обоих пакетов уложена трехфазная силовая обмотка 10. Ротор машины представляет собой вал 11с двумя массивными втулками 8 и двумя зубчатыми пакетами 5 из электротехнической стали. Зубцы одного пакета сдвинуты относительно другого на 22,5° (половину зубцового деления). Неподвижная обмотка возбуждения 6 размещается между пакетами ротора и жестко крепится к корпусу машины с помощью специальных пальцев. Выпрямительный блок 1 состоит из комплекта вентилей, собранных по трехфазной мостовой схеме. Он установлен в трубе, через которую вентилятор 4 протягивает поток воздуха для охлаждения вентилей и генератора в целом. Распределительное устройство собрано в коробке 3, здесь находятся трансформаторы 2 и диоды системы возбуждения, зажимы 15 для подключения сварочных проводов, переключатели диапазонов 13 и 14, а также разъем для подключения тиристорного регулятора 12 для дистанционной настройки тока.
Принцип действия генератора изучим по его схеме (рис. 5.12). При пуске на обмотку возбуждения ОВ индукторного генератора G подается через зажимы ХЗ, Х4, резистор R и диод VD3 питание от аккумуляторной батареи, входящей в состав агрегата. С начала вращения ротора в рабочих обмотках ОР возникает переменная ЭДС, которая при холостом ходе с помощью трансформатора напряжения TV также питает обмотку ОВ по цепи VD4-OB-RP1, усиливая поток возбуждения. ЭДС генератора постепенно увеличивается и достигает установившегося значения напряжения холостого хода, которое настраивается левой половиной потенциометра RP1. С появлением нагрузки обмотку возбуждения начинает питать трансформатор тока ТА по цепи S2-VD5-OB-RP1-VS. С ростом тока нагрузки ЭДС трансформатора TV снижается, а трансформатора ТА — увеличивается, что и гарантирует надежное возбуждение при любых режимах работы от холостого хода до короткого замыкания. В те интервалы перемен-
Рис. 5.12. Принципиальная схема генератора ГД-4006
ного тока, когда напряжение трансформаторов существенно снижается, ток в обмотке возбуждения поддерживается энергией ее магнитного поля, замыкаясь через диод VD2, благодаря чему обеспечивается непрерывность возбуждения. Индуктированное в силовых обмотках трехфазное переменное напряжение выпрямляется диодным блоком VD1 и подается на нагрузку через разъемы Xl, Х2. От коммутационных перенапряжений блок защищен варистором RU.
Внешние характеристики вентильного генератора — падающие (рис. 5.13). Плавная настройка тока выполняется потенциометром RP2 с помощью тиристорного регулятора VS, подстройка для установки паспортных значений пределов регулирования — с помощью правой половины потенциометра RP1. Регулятор питается от трехфазного трансформатора ТА с оригинальным соединением первичных обмоток (две — согласно, третья — встречно), благодаря чему образуется положительная обратная связь по току при равномерной загрузке всех трех фаз. Обратная связь несколько уменьшает крутизну естественных внешних характеристик и придает им благоприятную выпуклую форму с наклоном от -—5 до —0,2 В/А. Грубое регулирование выполняется в три ступени. В первом диапазоне используются только три рабочих обмотки ОР, соединенные в треугольник. Во втором диапазоне с помощью переключателя S1 в каждой фазе параллельно соединяются по две рабочих обмотки, что приводит к увеличению тока приблизительно в 2 раза. В третьем диапазоне тумблером S2 обеспечивается включение полной вторичной обмотки трансформатора ТА, что приводит к усилению обратной связи и увеличению тока еще в 1,5 раза.
Сварочные свойства вентильного генератора в основном зависят от характера переходных процессов в индукторном генераторе переменного тока. На
Рис. 5.13. Внешние характеристики генератора ГД-4006
рис. 5.14,а приведены осциллограммы процесса зажигания для генератора ГД-4006. В режиме холостого хода выпрямленное напряжение пульсирует с амплитудой 15-30 % и частотой 1440 Гц. С начала короткого замыкания возникает переходный процесс длительностью 0,1-1 с, в течение которого ток короткого замыкания от значения 1Кн до Гк снижается на 10-50 %. Подобным образом из-за размагничивания генератора потоком реакции якоря снижается и ЭДС генератора. Поэтому с момента разрыва цепи короткого замыкания начальное напряжение 17хн холостого хода заметно ниже исходного. Его можно обнаружить на осциллограмме, если дуга не зажглась, как и показано пунктирной линией. По требованиям стандарта допускается падение (7ХН не ниже 24-37 В. У генератора ГД-4006 эта проблема решена благодаря постоянному присутствию независимого возбуждения от аккумуляторной батареи. По этой причине 17хн
Рис. 5.14. Осциллограммы тока и напряжения генератора ГД-4006: а — при зажигании дуги, б — при сварке вертикального шва (электрод УОНИ-13/55, 0 4 мм).
в начале каждого диапазона не падает ниже 40 В, а в конце диапазона оно вообще не изменяется и составляет 70-80 В. Обычно дуга зажигается при более низком начальном значении С7ДН = 20-40 В и токе мало отличающемся от настроенного Id-
Как правило, зажигание идет успешно, и даже при использовании электродов с фтористо-кальциевым покрытием марки УОНИ-13/55 диаметром 2,5-5 мм предельная начальная длина дуги составляет от 9 до 12 мм. Разрывная длина дуги для этих же электродов от 12 до 16 мм. Устойчивость процесса сварки зависит от сглаженности сварочного тока, коэффициент пульсации тока у этого генератора не хуже 25 %. Перенос электродного металла имеет регулярный характер, он сопровождается увеличением тока короткого замыкания каплей 1кк в амплитуде на 30-70 % и поэтому происходит достаточно энергично (рис. 5.14,6), при этом разбрызгивание не превышает 2-3 %. Стабильность режима характеризуется относительными отклонениями тока не более 10 %. Формирование шва в нижнем и вертикальном положениях качественное.
Другие конструкции вентильных генераторов мало отличаются от описанного генератора ГД-4006. Выпускается большое количество однопостовых генераторов, они различаются лишь типом приводного двигателя, номинальным током и частотой вращения, иногда также и способами регулирования. Исключением является только конструкция с разноименно-полюсным генератором переменного тока (рис. 5.6,а), у него обмотка возбуждения размещается на статоре и получает независимое питание, что заметно улучшает сварочные свойства. Двухпакетный одноименно-полюсный генератор компактней и легче, а однопакетный разноименно-полюсный — проще и удобней в изготовлении и ремонте. Оригинальное конструктивное оформление имеют также двух- и четырехпостовые генераторы и агрегаты, но они представляют собой просто механическое объединение двух или четырех вентильных генераторов, подобных описанному выше генератору ГД-4006.
Агрегат марки АД ДУ-4001ПР (Уралтермосвар) приведен в качестве примера комплектного источника с вентильным генератором (рис. 5.15). На раме 13 установлены двигатель 3, индукторный генератор 10, вспомогательный генератор 12 и компрессор 11. На съемном капоте 4 с крышами 6 двигательного и 7 генераторного отсеков смонтированы также блок 8 управления генератором и панель 9 управления двигателем и генератором.
Двигатель марки Д144 — дизельный, четырехцилиндровый с воздушным охлаждением мощностью 37 кВт (50 л. с.). Он укомплектован топливным баком 1, аккумуляторной батареей 2 для пуска и воздушным фильтром 5. Вспомогательный генератор (220 В, 50 Гц, 4 кВт) используется для питания электроинструмента и освещения. Воздушный компрессор (0,7 МПа, 550 л/мин) предназначен для обеспечения плазменной резки сжатым воздухом. Кроме того, агрегат дополнен плазмотроном с кабель-шлангом и осциллятором.
Индукторный генератор укомплектован тиристорным выпрямительным блоком, сглаживающим дросселем и цепью подпитки, находящимися в блоке управления, а также микропроцессором, расположенным на панели управления. Таким образом, агрегату приданы свойства универсального источника, пригодного для ручной сварки покрытым электродом, механизированной свар-
Рис. 5.15. Устройство агрегата АДДУ-4001ПР
ки в защитном газе и порошковой проволокой, а также плазменной резки. Для каждого из этих способов он имеет комбинированные внешние характеристики и специальные функции, сформированные МП-регулятором, подобно тому, как это выполнено в тиристорном выпрямителе ВДУ-506МТ (см. раздел 4.3.3).
Другие агрегаты могут монтироваться на автомобильном прицепе — шасси, это придает им повышенную мобильность.
5.3.4. Вентильный генератор с синхронным генератором переменного тока
Агрегат марки Vantage 500 (Lincoln Electric, США) имеет в своем составе дизельный двигатель, генератор переменного тока G, выпрямительный блок VD2, два транзисторных преобразователя А1 и А2 и дроссель L (рис. 5.16). У синхронного генератора на статоре размещена основная трехфазная обмотка G.1 сварочной цепи, шесть ее катушек попарно соединены в треугольник. Две вспомогательные обмотки статора G.2 и G.3 имеют выводы ХЗ, Х4, Х5 переменного
Рис. 5.16. Принципиальная схема генератора в составе агрегата
Vantage 500
тока с напряжением 120 или 240 В и могут питать нагрузку мощностью до 20 кВт, например, инверторный сварочный источник с однофазным входом. Обмотка ротора GA при пуске питается с зажимов XI и Х2 от аккумуляторной батареи агрегата через щеточное устройство постоянным напряжением 12 В, а после разгона двигателя — от одной из вспомогательных обмоток (7.2 с помощью выпрямительного блока VD1. Напряжение основной обмотки (7.1 выпрямляется трехфазным мостовым блоком VD2. Транзисторные преобразователи А1 и А2 представляют собой комплектные модули, каждый из восьми 1(7ВТ-транзисторов VT, пяти обратных диодов VD и четырех фильтрующих конденсаторов С. Для сглаживания тока используется дроссель L с двумя обмотками. Широтное регулирование с частотой 20 кГц используется для настройки тока или напряжения, формирования необходимых внешних характеристик и придания источнику специальных функций. Более подробно принцип действия такого транзисторного преобразователя — чоппера — описан в разделе 4.3.5.
Агрегат является универсальным сварочным источником, он предназначен для ручной сварки покрытым электродом, аргоно-дуговой сварки, полуавтоматической сварки и воздушно-дуговой резки. При ручной сварке он имеет крутопадающие внешние характеристики, обеспечивает горячий пуск и форсирование дуги. В одном из вариантов ручной сварки его параметры оптимизированы для выполнения сложной технологической операции — сварки трубопроводов на спуск электродами с целлюлозным покрытием. Аргоно-дуговая сварка неплавящимся электродом на постоянном токе выполняется с мягким пуском и заваркой кратера. При механизированной сварке плавящимся электродом внешние характеристики жесткие, обеспечивается управление динамикой переноса электродного металла, различающееся при сварке сплошной и порошковой проволокой.
288 Раздел 5. Сварочные генераторы
В агрегате предусмотрено подключение приводов полуавтоматов, дистанционное управление током или напряжением. Возможно использование агрегата как резервного источника электроэнергии.
Другие, более простые, агрегаты с синхронным генератором, как правило, не имеют транзисторного преобразователя, в этом случае регулирование режима и формирование необходимых характеристик выполняется с воздействием на обмотку возбуждения ротора. Известны конструкции, в которых обмотка возбуждения получает питание от вспомогательного генератора переменного тока — предвозбудителя — через выпрямительный блок. И обмотки предвозбудителя, и вентили размещены на роторе и вращаются вместе с ним, что позволяет избавиться от щеточного токоподвода.
Раздел 6
Специализированные источники
6.1. Источники для сварки неплавящимся электродом в инертном газе
6.1.1. Особенности горения дуги и требования к источникам
Сварка неплавящимся электродом в инертных газах (TIG — tungsten inert gas) рекомендуется для соединения высокопрочных, нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, как правило, небольшой толщины. Наибольшее распространение получила аргоно-дуговая сварка свободной (несжатой) дугой (рис. 6.1). Неплавящийся, точнее, тугоплавкий вольфрамовый электрод крепится в сварочной горелке. Инертный газ защищает электрод и зону сварки от воздействия воздуха. Сварка ведется электродами диаметром от 1 до 10 мм на токе от 25 до 500 А при напряжении от 10 до 30 В. Особой
Рис. 6.1. Схема сварки неплавящимся электродом в инертных газах: 1 — мундштук, 2 — электрод, 3 — сопло, 4 — присадочный пруток, 5 — изделие, 6 — защитный газ
10-6955
разновидностью считают сварку малоамперной дугой на токе от 1 до 25 А электродами диаметром от 0,2 до 1 мм особенно тонких изделий.
Требования к источнику питания определяются родом сварочного тока (постоянный, переменный) и характером его модуляции (непрерывный, импульсный униполярный, импульсный разнополярный, высокочастотный), которые в свою очередь зависят от марки и толщины свариваемого металла.
Источник постоянного тока (рис. 6.2) рекомендуется для сварки большинства материалов малой и средней толщины за исключением алюминиевых сплавов. Сварка выполняется, как правило, дугой прямой полярности (—на электроде). В сравнении с дугой обратной полярности здесь более благоприятное распределение тепла дуги, поскольку большая его часть идет в анод — свариваемое изделие. Это позволяет увеличить токовую нагрузку на электрод и, следовательно, поднять производительность. Обычно источник представляет собой выпрямитель, состоящий из трансформатора и выпрямительного блока на диодах или тиристорах. Возможно использование транзисторного выпрямителя или инверторного источника. Начальное зажигание дуги выполняется бесконтактным способом с помощью высоковольтного высокочастотного генератора — осциллятора или возбудителя, либо контактным способом мягкого пуска. Защита основного источника от высокого напряжения осциллятора осуществляется с помощью фильтра высоких частот. Мягкий (холодный) пуск выполняется при токе короткого замыкания, в несколько раз меньшем сварочного тока, поскольку при обычном коротком замыкании наблюдается недопустимое загрязнение шва вольфрамом и повышенный расход электрода. В сравнении с высокочастотным при мягком пуске ниже уровень электромагнитных помех, наводимых источником в сети и эфире. Заварка кратера при механизированной сварке должна обеспечи-
Рис. 6.2. Блок-схема источника постоянного тока
6.1. Источники для сварки неплавящимся электродом в инертном газе 291 ваться посредством плавного снижения тока с помощью специального устройства. Обычно регулятор тока воздействует на тиристорный выпрямительный блок или обмотку управления трансформатора, в современных конструкциях настройка тока выполняется с помощью инвертора или полупроводникового регулятора.
Требования к источнику для сварки на постоянном токе распространяются и на большинство других источников для сварки неплавящимся электродом. Характеристика условной рабочей нагрузки соответствует уравнению (7Р = 10 + 0,04/#, т. е. рабочее напряжение почти в 1,5-2 раза ниже, чем при сварке покрытым электродом. Внешняя характеристика должна быть падающей с напряжением холостого хода от 50 до 100 В, т. е. в 4-6 раз превышающим рабочее. При этом обеспечивается устойчивость процесса сварки и стабильность тока при колебаниях длины дуги, что особенно важно при малой толщине изделия. Регулирование тока должно быть плавным с очень высокой кратностью — не менее 5, а иногда до 100. Это необходимо в частности для обеспечения снижения тока при заварке кратера или при мягком пуске.
Программное управление последовательностью и длительностью включения отдельных устройств сварочной установки иллюстрируется циклограммой (рис. 6.3). Газ до сварки подается в интервале £Прегаз = = 0,5-1 с (Pregas) для обеспечения надежного возбуждения дуги и качественной защиты начала шва. Зажигание дуги выполняется высокочастотным разрядом (HF — high frequency) в течение не более 1 с или мягким пуском (Soft start, Cold start). Сила тока мягкого пуска /мп назначается на уровне 0,1-0,3 от сварочного. Длительность мягкого пуска £мп обыч-
тактныи режим
2 - тактный режим
Рис. 6.3. Циклограмма аргоно-дуговой сварки
ю*
но не настраивается, она ограничивается либо прекращением контакта электрода с деталью, либо отпусканием кнопки на горелке. Плавное нарастание (Up slope) основного тока £Нар обеспечивает постепенный нагрев электрода и предотвращает начальный выплеск сварочной ванны. Снижение тока (Down slope) в течение £Спад = 0-20 с необходимо для заварки кратера, оно увеличивается при большой толщине свариваемого изделия и высоком значении сварочного тока. Подача газа после сварки (Postgas) необходима для защиты шва в процессе кристаллизации и остывания, ее длительность £Посгаз = 2-25 с зависит от размеров сварочной ванны.
Управление циклом при аргоно-дуговой сварке с помощью кнопки на горелке может выполняться в двух вариантах: с двух- и четырехтактным циклом. При двухтактном цикле после нажатия кнопки последовательно проходят этапы предварительной подачи газа, зажигания, нарастания тока и собственно сварки, а для завершения цикла кнопку отпускают, в результате чего установка переходит к этапам снижения тока и подачи газа после сварки. Такой цикл предпочтителен при сварке коротких швов. Четырехтактный цикл идет в следующем порядке: после нажатия на кнопку следуют подача газа до сварки, зажигание и работа в режиме поисковой дуги (мягкий пуск, пока нажата кнопка). После отпускания кнопки следует нарастание тока и длительная сварка до следующего нажатия на кнопку. При втором нажатии начинается снижение тока для заварки кратера, а при отпускании кнопки отсчитывается время подачи газа после сварки. Такой цикл рекомендуется при выполнении длинных швов.
Циклограмма может быть усложнена предварительной настройкой двух уровней тока loi wld2, например, при попеременной сварке то в нижнем, то в вертикальном положении. Переход от одного режима к другому осуществляется кратковременным нажатием кнопки на горелке (Click control).
Источник переменного тока (рис. 6.4) используют при сварке алюминиевых сплавов. Специфические требования, вызванные особенностями дуги переменного тока, сформулируем на основе анализа осциллограмм тока и напряжения (рис. 6.4,6). При этом необходимо учитывать различие физических свойств тугоплавкого вольфрамового электрода и сравнительно легкоплавкого основного металла — алюминия. В полупериоде прямой полярности, когда катодом является нагретый выше 4000 К вольфрамовый электрод, мощная термоэлектронная эмиссия обеспечивает значительный ток £Пр и интенсивное плавление основного металла. Напряжение зажигания почти равно напряжению дуги иПр и при короткой дуге в аргоне может составлять всего 10 В. В полупериоде обратной полярности для зажигания дуги за счет механизма автоэлектронной эмиссии
Рис. 6.4. Блок-схема (а) и осциллограммы источника переменного тока без вспомогательных устройств (б) и с ними (в)
требуется очень большое напряжение С730бр — около 200 В, так как термоэлектронная эмиссия со сравнительно холодного алюминиевого катода ничтожно мала. Велико и напряжение горения дуги обратной полярности иОбр, оно превышает 20 В. Сила тока обратной полярности i06P на 20-50 % ниже по сравнению с током прямой полярности. Однако в полу периоде обратной полярности идет очень полезный процесс — интенсивное катодное распыление оксидной пленки Al^O^ благодаря бомбардировке алюминиевой детали положительными ионами. Сварку алюминия на постоянном токе обратной полярности применяют ограниченно из-за сильного нагрева электрода, ее рекомендуют лишь при токе до 150 А. Удачной альтернативой является сварка на переменном токе, но она предъявляет к источнику особые требования.
Одно из них связано с наличием постоянной составляющей сварочного тока. Действительно, поскольку /Пр > /обр> то кривую сварочного
тока можно представить как сумму симметричного переменного тока и и постоянной составляющей 1Пост* Постоянная составляющая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, его перегрев, сильную вибрацию и повреждение изоляции обмоток. Подавление постоянной составляющей (ликвидация или уменьшение) выполняется специальным устройством. Следует заметить, что с технологической точки зрения постоянная составляющая полезна. Более того, ее иногда специально усиливают для увеличения проплавления основного металла большим током прямой полярности. Разумеется, сварка на асимметричном переменном токе допустима только при обеспечении безаварийной работы источника. Еще одно требование вызвано затруднениями в повторном зажигании дуги при переходе к полу периоду обратной полярности. Надежное зажигание обеспечивается с помощью импульсного стабилизатора, генерирующего импульс, достигающий значений иис = 200-500 В. На рис. 6.4,в показаны осциллограммы тока и напряжения при наличии импульсного стабилизатора и устройства ликвидации постоянной составляющей. Для надежного зажигания необходимо, чтобы амплитуда тока /ис была около 20-80 А при длительности £и не менее 60 мкс. При ограниченной мощности стабилизатора его включение следует задержать относительно момента перехода тока через нуль на £зи = 60-200 мкс. Стабилизатор с частотой следования импульсов 50 Гц стимулирует зажигание дуги только обратной полярности, с частотой 100 Гц — дуги и обратной, и прямой полярности.
Импульсный источник для сварки пульсирующей дугой рекомендуют для соединения деталей малой толщины, поскольку при правильном подборе параметров импульса и паузы удается снизить опасность прожога (рис. 6.5). Программное управление током осуществляется с помощью маломощного генератора импульсов — полупроводникового мультивибратора (см. рис. 6.2 и 6.4). Время импульса £и и паузы tn должны настраиваться плавно и независимо друг от друга в интервале 0,04-1 с. Ток импульса и паузы также должны настраиваться плавно и независимо. Глубина модуляции, т. е. отношение тока импульса к току паузы 1И//П, должна изменяться от 1 до 10. Иногда на низкую частоту 1-25 Гц накладываются импульсы более высокой частоты до 1 кГц, что способствует измельчению структуры шва и повышению его прочности (рис. 6.5,6). Такой технологический прием называется двойной модуляцией. Двойная модуляция может использоваться и при сварке алюминиевых сплавов на переменном токе (рис. 6.5,в), при этом параметры импульсов низкой частоты 1-10 Гц могут назначаться для получения качественного формирования и приемлемой чешуйчатости шва, а стандартная частота 50 Гц обеспечивает баланс между требованиями проплавления и очистки.
а
Рис. 6.5. Осциллограммы источника для сварки пульсирующей дугой
Источник разнополярных импульсов (рис. 6.6) предназначен для сварки алюминиевых сплавов. Он может иметь два силовых канала, каждый из которых включает в себя трансформатор и выпрямительный блок. Один канал предназначен для питания дуги прямой полярности, другой — дуги обратной полярности. С помощью силового полупроводникового коммутатора каналы попеременно подключаются к дуге, генерируя прямоугольные импульсы тока прямой и обратной полярности (рис. 6.6,а). Так же как и при сварке на переменном токе, в такте прямой полярности (— на вольфрамовом электроде) происходит более интенсивное плавление основного металла, а в такте обратной полярности (4- на электроде) идет катодная очистка поверхности детали от оксидов (рис. 6.6,6). Регулирование тока прямой 1Пр и обратной 10бр полярности обычно осуществляется плавно и независимо друг от друга. Как правило, ток обратной полярности устанавливают небольшим, но достаточным для удаления оксидной пленки, в зависимости от чистоты поверхности свариваемых деталей (после травления, механической зачистки и т. д.). Ток прямой полярности настраивают в зависимости от толщины изделия и диаметра электрода, он может превышать ток обратной полярности в 1,5-4 раза. Длительность импульсов прямой £Пр и обратной £Обр полярности настраивается отдельно в интервале от 1 до 20 мс. Но технологи-
Рис. 6.6. Блок-схема (а) и осциллограммы (б) источника разнополярных импульсов
чески оправдано пользование другими, связанными с вышеперечисленными характеристиками — частотой f = l/(tnp + t06P) и коэффициентом асимметрии цикла по времени, т. е. отношением /?асв = ^обр/^пр + ^обр)-Для технологически более значимого параметра kaCB оптимальный диапазон находится в интервале 0,2-0,4, поскольку ниже этой величины не гарантируется достаточное качество очистки, а выше — заметно снижается стойкость вольфрамового электрода. Частота — это параметр менее критичный, она может назначаться от 20 до 300 Гц. Более высокая часто
та 200-300 Гц рекомендуется при сварке малоамперной дугой (до 25 А) металла толщиной менее 1 мм, поскольку увеличение частоты ограничивает блуждание дуги и повышает ее пространственную устойчивость. Наиболее распространена прямоугольная форма импульсов, поскольку резкое изменение направления тока при смене полярности способствует увеличению глубины проплавления, к тому же при скорости нарастания напряжения более 100 кВ/с не нужен импульсный стабилизатор для повторного зажигания дуги. Если нет необходимости в большой глубине проплавления, можно использовать импульсы синусоидальной или треугольной формы, но при этом технологические возможности источника снижаются до уровня, достижимого у более простых источников переменного тока. Начальное зажигание, как правило, выполняется с помощью возбудителя или осциллятора. Обычно зажигание начинается, как и показано на рис. 6.6,6, с такта обратной полярности, пока электрод не нагреется до температуры, достаточной для возбуждения дуги прямой полярности за счет термоэлектронной эмиссии. Повторное зажигание может выполняться импульсным стабилизатором или тем же возбудителем по мере необходимости, если дуговой разряд нарушается переходом к режиму холостого хода, что также показано на рис. 6.6,6.
Высокочастотный источник (рис. 6.7) обычно создается на базе инверторного. Как известно, переменный высокочастотный ток получается путем попеременного включения вентилей VT1 и VT2. На дугу может подаваться как переменный ток от трансформатора Т (рис. 6.7,6), так и несглаженный выпрямленный с блока V2, при необходимости с двойным модулированием (рис. 6.7,в и г). Пульсирующий ток может быть получен
Рис. 6.7. Инверторный импульсный источник: а — упрощенная схема, 6 — импульсный переменный ток, в — амплитудное, г — частотное модулирование постоянного тока
также из постоянного с помощью высокочастотного полупроводникового преобразователя (рис. 4.36). Высокочастотный ток придает дуге вместо конической эллипсоидную форму, это ограничивает ее блуждание и повышает пространственную устойчивость, особенно при малых токах.
6.1.2. Вспомогательные устройства источников
Осцилляторы и возбудители используются для начального зажигания дуги без короткого замыкания электрода на изделие. Они представляют собой источники высокого напряжения и высокой частоты, способные вызывать искровой разряд между электродом и деталью. Для пробоя межэлектродного промежутка длиной 1 мм в воздухе требуется напряжение около 1-3 кВ, в аргоне напряжение пробоя снижается. Серийные осцилляторы и возбудители изготовливают на напряжение 2-20 кВ. Ток разряда достигает 1-10 А, а его энергия 0,05-1 Дж. Пробой межэлектродного промежутка приводит к его ионизации, благодаря чему возникает дуга от основного источника. Частота разряда у серийных осцилляторов и возбудителей составляет 100-5000 кГц. При такой частоте высокое напряжение безопасно для сварщика, поскольку высокочастотный ток протекает по поверхностным покровам тела и поэтому не вызывает электролиза крови и не повреждает жизненно важных органов. Различают поджигающие устройства непрерывного действия (осцилляторы) и импульсные (возбудители). С основным источником они могут включаться параллельно и последовательно.
Осциллятор марки ОСПЗ-2М представляет собой искровой высокочастотный генератор непрерывного действия параллельного включения (рис. 6.8,6). Напряжение сети Ui с помощью повышающего трансформатора Т1 увеличивается до нескольких киловольт. При нарастании вторичного напряжения U2 идет заряд конденсатора С5. К моменту достижения достаточно высокого напряжения Ппроб разрядник FV пробивается искрой, его сопротивление резко снижается. Благодаря этому образуется колебательный контур C5-L3-FV, в котором в результате обмена энергией между конденсатором и катушкой возникает высокочастотный затухающий разряд с напряжением П3. С помощью катушки связи L4, входящей в состав разделительного трансформатора Т2, высокое напряжение Uподается на межэлектродный промежуток и пробивает его. Вслед за этим вступает в действие основной источник G, при этом осциллятор отключают.
Приведем некоторые технические характеристики осциллятора. Для надежного зажигания дуги осциллятор генерирует затухающие импульсы длительностью менее 0,2 мс сериями до 10-15 за полупериод. Амплитуда напряжения каждого импульса достигает 6000 В. Частота колебаний зависит от величины емкости С5 и индуктивности £3 и может быть определена по соотношению f =---К=9 она достигает 500 кГц.
2itVLC
Осциллятор создает помехи радиоприему, поэтому его непрерывная работа допускается в течение не более 1 с. Повторное его включение разрешается только по истечении 10 с. Чтобы помехи не проникали в питающую сеть, на входе осциллятора установлен фильтр С1-С4, £1, L2.
Рис. 6.8. Принципиальные схемы осцилляторов параллельного (б) и последовательного (в) включения и карта их напряжений (а)
Для защиты основного источника от высокого напряжения осциллятора собирают фильтр высоких частот из защитных дросселя L и конденсатора С. Дроссель L обладает большим реактивным сопротивлением для тока высокой частоты Xl = что снижает потери энергии осциллятора. Конденсатор С имеет малое реактивное сопротивление при высоких частотах Хс = 1/(2л/С), поэтому на нем, а значит, и в цепи основного источника падение напряжения осциллятора невелико. Необходимо обеспечить также защиту цепей осциллятора от мощного тока основного источника. С этой целью установлен защитный конденсатор С6, играющий роль низкочастотного фильтра.
Достоинством осциллятора является высокая эффективность бесконтактного зажигания дуги. Его недостатки — низкая надежность разрядника и опасность поражения сварщика высоким напряжением низкой частоты. Разрядник нуждается в частой зачистке вольфрамовых электродов и настройке расстояния между ними. Поражение сварщика высоким напряжением низкой частоты 50 Гц возможно при попадании напряжения с вторичной обмотки трансформатора Т1 непосредственно на дугу, от этого защищает конденсатор С6 и предохранитель F2. Также обязательно заземление корпуса осциллятора.
Недостатком осциллятора параллельного включения является еще и необходимость в громоздком дросселе L. У осциллятора последовательного включения, выходные цепи которого представлены на рис. 6.8,в, такого недостатка нет. Хотя катушка связи £4 этого осциллятора соединена последовательно с основным источником, высокочастотный ток в источник не попадает, поскольку замыкается по цепи £4~С-дуга. В этой цепи высокое напряжение осциллятора почти
полностью приложено к дуге, а источник шунтирован конденсатором С, имеющим малое сопротивление для высоких частот. Недостатком такого осциллятора являются большие размеры катушки связи L4, по которой идет сварочный ток. Поэтому осцилляторы последовательного включения изготовляют на ток не более 400 А.
Импульсный возбудитель марки ВИР-101 (Завод ВЧЭО, Армения) предназначен для возбуждения дежурной дуги при плазменной резке (рис. 6.9). Он питается постоянным напряжением источника дежурной дуги. Этим напряжением заряжается мощный накопительный конденсатор С1 поцепи2?7-Г7>1-Т-С1. Одновременно в релаксационном генераторе заряжается конденсатор С2 по цепи R7-R1-R3-C2. Для переключения релаксационного генератора используется динистор VD2 — полупроводниковый вентиль типа тиристора, который отпирается при фиксированном значении напряжения в цепи «анод-катод» без использования управляющего электрода. По мере зарядки конденсатора С2 нарастает и напряжение на динисторе, а после его быстрого отпирания конденсатор С2 разряжается на управляющий электрод тиристора VS по цепи C2-VD2-R4-VS-C2. В результате проходит мощный импульс разряда конденсатора С1 через ключ VS на первичную обмотку повышающего трансформатора Т. Высоковольтный импульс с его вторичной обмотки заряжает конденсатор СЗ и вызывает колебательный высокочастотный разряд в контуре СЗ-Т. После пробоя разрядника FV импульс с напряжением до 20 кВ и частотой около 1 МГц пробивает межэлектродный промежуток. Питание дуги от основного источника производится через дроссель L. Таким образом, возбудитель является комплектным устройством, поскольку содержит в себе и фильтр высоких частот, состоящий из L, С4 и С5. Возбудитель ценен и тем, что питается напряжением источника дежурной дуги и не нуждается в отдельных выключающих устройствах. Он сам прекращает генерировать импульсы после зажигания дуги, поскольку при этом напряжение источника станет недостаточным для переключения динистора VD2.
Рис. 6.9. Принципиальная схема возбудителя ВИР-101
Главным преимуществом импульсных возбудителей в сравнении с осцилляторами является отсутствие опасного высокого напряжения низкой частоты. Некоторые из них не имеют и разрядников, что повышает их надежность и снижает уровень радиопомех.
Возбудитель-стабилизатор марки ВСД-01 (СЭЛМА) спроектирован так, чтобы удовлетворять условиям как начального, так и повторного зажигания
(рис. 6.10). Он включается последовательно в цепь вторичной обмотки основного источника — трансформатора G. Возбудитель питается переменным напряжением сети через трансформатор Т1 и выпрямительный блок VD1 с фильтром С1. В первом цикле накопительный конденсатор С2 заряжается по цепи, показанной тонкой линией. Полярность заряда изображена знаками « + » и « —». В начале каждого полупериода сварочного напряжения трансформатора G система управления отпирает тиристор VS, в результате чего по короткой цепи, показанной пунктирной линией, пройдет мощный импульс разряда конденсатора С2 на первичную обмотку повышающего трансформатора Т2. При этом конденсатор С2 перезарядится так, как показано знаками «(+)» и «(—)», а тиристор к концу перезаряда запирается. В результате потенциалы блока VDX и конденсатора С2 будут складываться, и в следующем цикле конденсатор зарядится до более высокого напряжения. Такой характер перезаряда приведет к тому, что напряжение С2 вчетверо превысит напряжение питания. Импульс перезаряда конденсатора С2 трансформируется во вторичную обмотку Т2, что приводит к возбуждению высокочастотного контура Т2-СЗ-С4.
Рис. 6.10. Принципиальная схема возбудителя-стабилизатора ВС Д-01
Высокочастотный разряд с конденсатора С4 подается на межэлектродный промежуток, возбуждая дугу или (при горящей дуге) стабилизируя ее в начале обоих полупериодов. Частота следования таких импульсов 100 Гц. Генерация разряда может выполняться при переходе сварочного напряжения через нуль или несколько позже.
Разработано большое количество автономных и встроенных в сварочные трансформаторы импульсных стабилизаторов на 50 и 100 Гц. Управление моментом их разряда может быть синхронизировано с цепью вторичной обмотки сварочного трансформатора благодаря наличию обратной связи по сварочному току или напряжению. Возможно как согласное, так и встречное направление стабилизирующего импульса относительно напряжения сварочного трансформатора (см. раздел 3.3.11).
Устройства подавления постоянной составляющей переменного тока улучшают условия работы сварочного трансформатора, при этом подавление может быть полным или частичным.
Простейшее устройство подавления включает в свой состав диод VD и резистор R (рис. 6.11,а). Ток обратной полярности идет беспрепятственно через диод. Ток прямой полярности идет через резистор и поэтому снижается. При переходе на новый режим резистор необходимо заново настраивать. Этот способ из-за больших потерь в резисторе рекомендуется только для маломощных источников.
Рис. 6.11. Схемы подавления постоянной составляющей тока с помощью резистора (а), конденсатора (б) и тиристорного регулятора (в)
размыкания S
Самая эффективная, полная при любом режиме, компенсация достигается при использовании конденсаторной батареи С (рис. 6.11,6). Однако батарея ухудшает начальное зажигание, поэтому перед сваркой шунтируется ключом S. После зажигания дуги и размыкания ключа батарея вступает в действие. В полупериоды прямой полярности она заряжается, а в моменты обратной полярности подпитывает дугу, тем самым ликвидируя постоянную составляющую. Емкость, достаточная для сварки при токе 500 А, достигает 0,15 Ф, что требует громоздкой батареи специальных конденсаторов.
В настоящее время для подавления постоянной составляющей чаще используют тиристорный регулятор VS1, VS2 (рис. 6.11,в). При этом угол управления oci тиристора VS1, пропускающего ток прямой полярности, должен быть больше угла 0С2 тиристора VS2, отвечающего за ток обратной полярности.
6.1.3. Источники постоянного тока
Пост аргоно-дуговой сварки на постоянном токе можно собрать по схеме (рис. 6.2) на основе источника общепромышленного назначения. Для этих целей пригодны выпрямители для ручной сварки с крутопадающей характеристикой, например, серии ВД, или тиристорные выпрямители серии ВДУ. Кроме того, необходимы осциллятор или возбудитель, дополненные фильтром высокой частоты, а также горелка и газовая аппаратура. Комплектные установки также имеют в своей основе диодный или тиристорный выпрямитель, а современные — инверторный источник. Более совершенные тиристорный и инверторный источники, как правило, могут использоваться и для сварки пульсирующей дугой.
Установка марки УДГ-161 (СЭЛМА) предназначена для аргоно-дуговой сварки неплавящимся электродом на постоянном токе дугой прямой полярности, а также для ручной сварки покрытым электродом (рис. 6.12). Напряжение сети с помощью пакетного выключателя SF подается на трансформатор Т, 8. после понижения на выпрямительный блок, собранный по несимметричной мостовой схеме из двух диодов VD1, VD2 и двух тиристоров VS1, VS2. Для сглаживания выпрямленного напряжения служит фильтр из дросселя L и обратного диода VD3. Дуга подключается к разъемам XI, Х2. Охлаждение источника обеспечивается вентилятором с двигателем М, а контроль температуры выполняется датчиком ВК. Для подачи защитного газа при аргоно-дуговой сварке предназначен газовый клапан YA. Работой установки управляет блок А. Формирование падающих внешних характеристик и фазовое регулирование тока осуществляется тиристорами VS1, VS2 с использованием обратной связи по току с измерительного шунта RS.
R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7
Рис. 6.12. Установка для аргоно-дуговой сварки УДГ-161
Перед сваркой тумблер S1 устанавливается в положение ММА (ручная сварка покрытым электродом) или TIG (аргоно-дуговая сварка неплавящимся электродом), а тумблер S2 в одно из двух положений: сварка непрерывной или пульсирующей дугой. Ток при ручной сварке регулируется потенциометром В1. При аргоно-дуговой сварке настраиваются следующие параметры режима: потенциометром R2 — сила тока (в импульсном режиме — ток импульса), с помощью ВЗ — ток паузы, с помощью потенциометров R5 и R7 — соответственно длительности импульса и полного периода при сварке пульсирующей дугой. Кроме того, потенциометрами R4 и R6 настраивают длительности заварки кратера и подачи газа после сварки. Аргоно-дуговая сварка начинается с короткого замыкания электродом на деталь и нажатия кнопки S3 на горелке.
Источник марки Caddy TIG 150 (ESAB, Швеция) представляет собой пример более совершенной конструкции на основе инверторного преобразователя. Его силовая часть выполнена одинаково с вышеописанной схемой инверторного источника Caddy Аге 150 (раздел 4.5.4). Разница заключается лишь в более сложной системе МП-управления инвертором и оформлении панели управления (рис. 6.13). Панель предназначена для выбора функций и ввода параметров режима, на ней размещены дисплей, светодиоды, клавиши и единственная рукоятка для установки величины параметров.
Рассмотрим назначение и порядок пользования отдельными клавишами и светодиодными индикаторами:
1 — выбор способа сварки (TIG или ММА);
Рис. 6.13. Пульт управления источника
Caddy TIG 150
2 — выбор модуляции тока (ток непрерывный или импульсный);
3 — выбор способа зажигания (HF — высокочастотный или Lift Аге — отрывом); 4 — выбор типа цикла (двух- или четырехтактный);
5 — выбор контролируемой при сварке величины (А — ток, V — напряжение); 6 — индикация напряжения сети;
7 — индикация пульта дистанционного управления;
8 — индикация перегрева;
9 — дисплей для указания значения настраиваемых величин перед сваркой, а также напряжения или тока при сварке;
10 — индикация единицы измерения настраиваемого или измеряемого параметра (А — ампер, V — вольт, s — секунда);
11 — газ до сварки 0-5 с (по умолчанию 0,5 с);
12 — нарастание тока 0-10 с (0 с);
13 — сварочный ток или ток импульса 4-150 А (60 А);
14 — время импульса 0,01-2,5 с (1 с);
15 — ток паузы 4-150 А (20 А);
16 — время паузы 0,01-2,5 с (1 с);
17 — спад тока 0-10 с (1 с);
18 — газ после сварки 0-5 с (2 с);
19 — выбор настраиваемого параметра 11-18;
20 — запись режима в ячейку памяти 1 или 2;
21 — считывание режима из памяти;
22 — рукоятка регулирования настраиваемого параметра.
Имеются также скрытые функции, вызываемые на дисплей одновременным длительным нажатием на обе клавиши 19. Например, при ручной сварке покрытым электродом (ММА) с их помощью можно настроить характеристики горячего пуска, форсирования дуги или прерывистой сварки.
Большое количество настраиваемых параметров затрудняет настройку режима, особенно неопытным сварщиком, поэтому некоторые фирмы кроме моделей для профессионалов выпускают инверторные источники с упрощенной настройкой. У них установка параметров зашита в памяти синергетической системы управления, так что большинство параметров назначается в пропорциональной зависимости от главного — тока.
Однопостовые инверторные установки разнообразны по конструкции полупроводниковых преобразователей (см. раздел 4.5) и номинальному току, но имеют приблизительно одинаковый набор функций, схожий с вышеописанным. Многопостовые системы питания аргоно-дуговой сварки обычно комплектуются транзисторными постовыми устройствами — чопперами (см. раздел 4.6.3), но поскольку сварка ведется на прямой полярности дуги, здесь используются диодно-транзисторные модули, в отличие от транзисторно-диодных, обычно применяемых при сварке покрытым электродом. Большинство из установок аргонодуговой сварки рекомендуется и для сварки покрытыми электродами, обычно со сменой полярности дуги.
6.1.4. Источники переменного тока
Пост аргоно-дуговой сварки на переменном токе можно собрать по схеме (рис. 6.4) из сварочного трансформатора с механическим регулированием типа ТДМ или СТШ, возбудителя-стабилизатора ВСД-01 и конденсаторной батареи для подавления постоянной составляющей тока. При сварке на малых токах, если допустимо контактное зажигание дуги, используют трансформаторы, укомплектованные импульсными стабилизаторами дуги на 50 или 100 Гц. Ниже описаны более эффективные комплектные источники.
Рис. 6.14. Принципиальная схема (а) и осциллограмма (б) установки УДГ-501-1
Установка марки УДГ-501-1 (Электрик) предназначена для ручной аргонодуговой сварки алюминиевых сплавов (рис. 6.14). В ее состав входят автоматический выключатель QF, электромагнитный контактор К, сварочный трансформатор ТМ, блок тиристоров VS2-VS4, блок поджига G, а также не показанные на схеме блоки управления, вентилятор и амперметр.
Сварочный трансформатор — однофазный понижающий с увеличенным рассеянием. Тиристорный блок VS3, VS4 используется для плавного фазового регулирования сварочного тока, в том числе при заварке кратера. В зависимости от окисленности поверхности свариваемых деталей фазовое управление также обеспечивает полную или частичную компенсацию постоянной составляющей сварочного тока. В интервалах закрытого состояния тиристоров дуга поддерживается небольшим током через балластные резисторы R2, 7?3. Для повышения надежности зажигания резистор R2 шунтируется тиристором VS2 в течение не более 1 с.
Блок G выполняет бесконтактное зажигание и импульсную стабилизацию в полупериодах обратной полярности сварочного тока. Трансформатор Т1 в его составе обеспечивает повышение напряжения и гальваническую развязку высоковольтной цепи от сети. Фазы трансформатора Т1 и сварочного трансформатора ТМ согласованы таким образом, что в полупериоде прямой полярности дуги происходит заряд конденсатора С1 через диод VD, а с начала полупериода обратной
6.1. Источники для сварки неплавящимся электродом в инертном газе 307 полярности — его разряд через тиристор KS1 на первичную обмотку трансформатора Т2. В колебательном контуре, образованном трансформаторами Т2, ТЗ и конденсатором СЗ, возникает высокочастотное высоковольтное напряжение, которое далее передается в цепь ТЗ-С4 и пробивает межэлектродный промежуток. Искровой процесс поддерживается также и непосредственным разрядом конденсатора С1 через FS1 и Я1. В установившемся процессе дуговой разряд в полупериодах обратной полярности стимулирует в основном эта цепь C1-VS1-Rl-ТЗ, выполняющая функцию импульсной стабилизации дуги.
Система управления обеспечивает следующую циклограмму: подача газа перед сваркой в течение 1-5 с — работа осциллятора не более 0,9 с — пауза 10 с при невозбуждении дуги — сварка — заварка кратера в течение 5-20 с — отключение контактора в течение 1 с после обрыва дуги — защита шва газом в течение 5-20 с.
Другие установки также представляют собой однофазные трансформаторы с увеличенным рассеянием в комбинации с осциллятором и импульсным стабилизатором. Известны конструкции с тиристорным трансформатором, в которых с помощью тиристоров можно выполнить зажигание методом мягкого пуска при установке начального тока на уровне 0,1-0,3 от сварочного. Большинство из перечисленных конструкций годятся и для сварки покрытыми электродами, в том числе предназначенными для сварки на постоянном токе, например, с основным покрытием.
6.1.5. Универсальные по роду тока источники
Желательно, чтобы один источник годился для сварки алюминиевых сплавов на переменном токе и остальных металлов — на постоянном. Такой источник называют универсальным по роду тока.
Установка УДГУ-302 (Электрик) имеет в своем составе автоматический выключатель QF, контактор К19 силовой трансформатор Т1 с увеличенным рассеянием, вентильный блок VD1, VS2-VS6, универсальный блок подпитки VD2, VD3, Rl, R2, VS7, блок подпитки постоянного тока Т2, VD4, R3, конденсатор высокочастотного фильтра С1 и блок поджига дуги А (рис. 6.15).
При сварке на переменном токе в силовом вентильном блоке работают только диод VD1, полнофазно включаемый тиристор VS3 и попеременно включаемые тиристоры VS5 и VS6 (рис. 6.15,6). Так, в полупериоде прямой полярности ток идет по цепи Т1-У£5-дуга-ИО1-Т1, а в полупериоде обратной полярности по цепи Т1-К$3-дуга-У£6-ТТ. С помощью тиристоров VS5 и KS6 не только регулируется ток и формируется падающая внешняя характеристика, но еще и подавляется постоянная составляющая тока. При сварке на постоянном токе работают диод VD1 и тиристоры VS2, KS4 и KS5, образуя несимметричную однофазную мостовую схему выпрямления, в которой поочередно включаются то пара ТО1, KS5, то пара KS2, KS4 (рис. 6.15,в).
Подпитка, т. е. заполнение пауз в работе тиристоров с целью повышения устойчивости дугового процесса, трансформируется в зависимости от рода тока с помощью контактораК2. На рис. 6.15,а в качестве исходного варианта показано
Рис. 6.15. Принципиальная схема (а), осциллограммы переменного (б) и постоянного (в) тока установки УДГУ-302
положение контактов К2 при сварке на переменном токе. В этом случае подпитка выполняется прямо от трансформатора Т1 через балластные реостаты R1 и R2 (рис. 6.15,6). При сварке на постоянном токе подпитка после переключения контакта А72.1 образована диодами VD2, VD3 и реостатами R1 и R2. Кроме того, при замыкании контакта К2.2 подпитка дополнительно выполняется диодным блоком VD4 с балластным реостатом R3 (рис. 6.15,в).
Начальное зажигание, а также стимулирование уже горящей дуги переменного тока обеспечиваются с помощью блока поджига А. После срабатывания контактора К1 напряжение подается также на повышающий трансформатор Т5, который заряжает конденсатор С4 через диод VD5. С начала полупериода обратной полярности сварочного напряжения, создаваемого трансформатором Т1, в блоке А отпирается тиристор VS8, что приводит к разрядке С4 по двум путям. Во-первых, через конденсатор СЗ проходит ток по первичной обмотке трансформатора Т4, который создает импульс напряжения во вторичной обмотке около 3 кВ. Он в свою очередь вызывает высокочастотный колебательный разряд в цепи Т4-С2-ТЗ, что приводит к формированию высоковольтных импульсов поджигания дуги по цепи: вторичная обмотка ТЗ-С1-межэлектродный промежуток. Во-вторых, пиковый импульс напряжения конденсатора С4 величиной до 500 В прикладывается к дуге непосредственно по цепи C4-VSS-R4-K2.3-дуга-7^2.4, что способствует уже развитию дугового разряда. При горящей дуге разряд конденсатора С4 на дугу с начала каждого полупериода обратной полярности способствует ее повторному зажиганию. При сварке на постоянном токе
6.1. Источники для сварки неплавящимся электродом в инертном газе 309 дугой прямой полярности блок поджига меняет свою полярность в результате переключения контактов 2^2.3 и
Установка может использоваться и для сварки пульсирующей дугой. Токи импульса и паузы настраиваются раздельно и плавно, длительность импульса и паузы регулируется дискретно в интервале 0,1-9,9 с. Программное управление выполняется по циклограмме, подобной изображенной на рис. 6.3. Установка может комплектоваться блоком разъемов, с его помощью радиус действия сварочной горелки увеличивается с 3 м до 15 м.
Другие разновидности универсальных по роду тока источников представляют собой комбинацию тиристорного трансформатора (переменный ток) и диодного мостового блока выпрямления (постоянный ток).
6.1.6. Источники разнополярных импульсов
Источники разнополярных импульсов, как уже отмечалось, используются для сварки алюминиевых сплавов, но на их основе легко получить и ток с униполярными импульсами, рекомендуемый для управления формированием шва при сварке других металлов. Поэтому такие источники обычно выполняются универсальными по роду тока.
Установка марки Master TIG 2500 AC/DC (Kemppi, Финляндия) представляет пример универсального источника, предназначенного как для сварки на постоянном токе униполярными импульсами (DC), так и разнополярными импульсами (АС). Семейство источников Master базируется на унифицированном инверторе с IGBT-транзисторами, а приспособление отдельных моделей для разных способов сварки обеспечивается разработкой специализированных схем управления. Рассмотрим оформление панели управления названной установки по рис. 6.16:
1 — индикация напряжения сети;
2 — индикация перегрева;
3 — индикация вентиляции;
4 — индикация пульта дистанционного управления;
5 — регулировка настраиваемого параметра;
6 — панель импульсного режима с настройкой импульсного и базового тока, частоты и скважности импульсов;
7 — настройка спада тока (1-5 с);
8 — выбор способа TIG с высокочастотным зажиганием (HF);
9 — выбор способа TIG с мягким пуском (Contact);
10 — панель ручной сварки (ММА) с выбором рода тока (AC, DC), полярности дуги (DC « —» на электроде, DC «+» на электроде), сварки прерывистой дугой (Broken arc), настройкой форсирования дуги (—9...0... + 9);
11 — дисплей с указанием настраиваемой величины и ее значения (в примере — частота 121 Гц);
12 — панель двухрежимной настройки (к основному току I2 —80 %... +20 %); 13 — панель стартового тока (к основному току мягкий пуск до -70 %, горячий пуск — до +50 %);
Рис. 6.16. Универсальный источник Master TIG 2500
AC/DC
14 — панель разнополярных импульсов с настройкой частоты (50-200 Гц) и баланса (очистка-проплавление) для разных диаметров электрода (1,6-4 мм);
15 — выбор сварки точками с настройкой времени (до 10 с);
16 — выбор типа цикла (двух-, четырехтактный);
17 — панель запоминания и хранения настроенных режимов (до 10 каналов).
Инверторный источник марки Navigator 3000 АС/DC (Migatronic, Дания) будучи универсальным также предназначен для аргоно-дуговой сварки различных металлов. В его основу положен описанный в разделе 4.5.3 резонансный двухтактный инвертор, а для сварки алюминиевых сплавов он дополнен полупроводниковым коммутатором и импульсным стабилизатором (рис. 6.17,а). Основная часть состоит из фильтра А1 для защиты сети от высокочастотных помех инвертора, электромагнитного контактора К, комплектного входного вентильного блока VD1, сглаживающего фильтра на основе конденсатора С1, инвертора (7Z1, резонансного контура LI, L2, С2, понижающего трансформатора Т, выходного вентильного блока VD2, VD3 и выходного фильтра L3-L5, СЗ. Инвертор UZ1 собран по схеме высокочастотного двухтактного мостового преобразователя из четырех биполярных транзисторов с изолированным затвором IGBT. Конденсатор С2 и двухобмоточный дроссель LI, L2 образуют колебательный контур, обеспечивающий резонанс напряжений и этим облегчающий режим работы трансформатора.
VD1 uzi а
Рис. 6.17. Источник Navigator 3000 AC/DC: а — принципиальная схема, б — осциллограммы сварочного тока и напряжения
Более подробно рассмотрим работу полупроводникового коммутатора UZ2. Он представляет собой низкочастотный инвертор, собранный по мостовой схеме из четырех транзисторов IGBT, и преобразует постоянный ток в разнополярные импульсы (рис. 6.17,6). Ток /Пр и длительность £Пр интервала прямой полярности (- на электроде) настраиваются в зависимости от толщины алюминиевой детали. Ток 1Обр и длительность £ОбР импульса обратной полярности (+ на электроде) обычно ниже, чем при прямой полярности. Импульс тока прямой полярности /пр возникает при включении двух транзисторов из противоположных плеч моста, на рис. 6.17,а путь тока показан тонкой линией. В интервале обратной полярности работают два других транзистора, ток 1обр показан пунктирной линией. Импульсный стабилизатор А2 в начале интервала обратной полярности формирует пиковый импульс напряжения С7ис длительностью не более 0,1 мс.
Система управления источника обеспечивает выполнение функции «динамический контроль окисленности» (D.O.C. — dynamic oxide control), автоматически регулирующей длительность интервала прямой полярности в зависимости от состояния поверхности детали (рис. 6.17,6). В исходном состоянии интервалы прямой и обратной полярности чередуются регулярно с заданной ампли
тудой и длительностью импульсов. Срабатывание функции D.O.C. происходит только по сигналу датчика напряжения обратной полярности. Предположим, в момент t\ с включением импульсного стабилизатора начинается интервал обратной полярности. Если ранее деталь была хорошо очищена, то на ее поверхности отсутствуют участки с легкоионизируемой пленкой AlzO%, и дуга в интервале обратной полярности не зажжется. Через 0,1 мс в момент t% датчик напряжения обнаружит высокое напряжение холостого хода (7Х вместо Е/ОбР и даст команду на внеочередное включение импульса прямой полярности. Таким образом, при сварке чистого металла длительность интервалов прямой полярности увеличивается, а импульс обратной полярности возникает только при необходимости, т. е. при подходе к недостаточно чистому участку. В результате увеличивается проплавление и повышается скорость сварки, а также снижается износ электрода.
При сварке на постоянном токе (DC) коммутатор UZ2 постоянно включен для питания дуги прямой полярности (показано тонкой линией на рис. 6.17,а).
Подобные универсальные импульсные источники на основе инверторного преобразователя выпускают и другие передовые фирмы: серии Invertec AC/DC (Lincoln Electric), Aristo TIG (ESAB) и т. д. В некоторых из них предусмотрено изменение формы импульсов: прямоугольные — для повышения устойчивости и глубины проплавления, синусоидальные — для сварки анодированного алюминия, треугольные — для снижения тепловложения в основной металл. Полезно также завершение сварки переходом от режима разнополярных импульсов к режиму холостого хода со знакопостоянным напряжением, что снижает электрическую опасность и облегчает повторное зажигание дуги. Внедряется настройка параметров режима в интерактивной форме, т. е. основанной на двухсторонней связи пользователя с МП-регулятором. В этом случае настраиваемые параметры последовательно высвечиваются на дисплее, а сварщик лишь выбирает их значения из меню, что приводит к существенному уменьшению числа регуляторов и индикаторов на панели управления. Пульты дистанционного управления кроме подстройки режимов могут также использоваться для вызова из памяти ранее настроенных параметров.
6.2. Источники питания сжатой дуги
6.2.1. Особенности горения сжатой дуги и требования к источникам
Сжатая дуга используется при плазменной сварке, наплавке, напылении, а также при плазменной резке.
Плазменная сварка и наплавка выполняются с помощью плазмотрона, изображенного на рис. 6.18,а. Дуга, горящая между вольфрамовым электродом и деталью, сжимается потоком аргона, проходящего по каналу сопла диаметром от 0,5 до 6 мм. По сравнению со свободной дугой
Рис. 6.18. Схемы плазменных процессов: а — сварки на постоянном токе, б — сварки на переменном токе, в — резки, г — напыления
сжатая дуга имеет более высокую температуру (до 20 000 К на оси столба), повышенную проплавляющую способность и высокую пространственную устойчивость. Увеличение глубины проплавления в 1,5-2 раза по сравнению со сваркой свободной дугой позволяет соединять за один проход металл толщиной до 20-30 мм. Малые размеры и высокая стабильность положения сжатой дуги позволили рекомендовать ее и для соединения сверхтонких материалов (до 0,05 мм) без прожогов и непроваров. Эта разновидность сварки (при токе до 25 А) названа микроплазменной. Сжатая дуга возбуждается поэтапно. Сначала зажигается дежурная дуга 1 между электродом и соплом. Выдуваемая из сопла плазменная струя касается детали, в результате между электродом и деталью возникает основная дуга 2, после чего дежурная дуга гаснет. При неблагоприятных условиях сварки (малый диаметр и большая длина сопла, малый расход газа, резкое нарастание тока) основная дуга может перейти на сопло, при этом возникает каскадная (двойная) дуга 3, быстро разрушающая сопло.
Начальное зажигание дежурной дуги выполняется осциллятором или возбудителем (71, обычно последовательного включения. Источник дежурной дуги G2 должен обеспечивать небольшой ток (до 20 А). В качестве такого источника используют маломощный выпрямитель с падающей характеристикой или питают дежурную дугу от основного источника через балластный реостат.
Требования к основному источнику G3, как и при сварке свободной дугой (раздел 6.1.1), определяются родом сварочного тока и характером
его модуляции. Основной источник постоянного тока рекомендуется для большинства металлов, при этом обычно применяется прямая полярность, как и при сварке свободной дугой. Внешняя характеристика источника должна быть падающей, при этом обеспечивается устойчивость дуги и стабильность проплавления. Кроме того, при падающей характеристике легко выполнить ограничение тока величиной, на которую рассчитан конкретный плазмотрон, что гарантирует его высокую стойкость. Постепенное нарастание основного тока снижает опасность образования двойной дуги. Основной импульсный источник может применяться при сварке сжатой пульсирующей дугой.
Основной источник переменного тока рекомендуется для сварки алюминиевых сплавов, но из-за низкой стойкости вольфрамового электрода его применение ограничено. Оригинальное решение найдено при микро-плазменной сварке тонколистового алюминия (рис. 6.18,6). В этом случае от сварочного трансформатора Т через тиристор VS1 питается основная дуга 2 прямой полярности между электродом и деталью. От того же трансформатора, но уже через тиристор VS2 питается дуга 4 обратной полярности, горящая между соплом и деталью. Высокая стойкость электрода гарантируется здесь использованием его только в полупериоде прямой полярности. Надежному повторному зажиганию способствует непрерывно горящая дежурная дуга 1.
Плазменная резка (рис. 6.18,в) выполняется за счет расплавления металла сжатой дугой и удаления его из полости реза с помощью кинетической энергии плазменной струи. Благодаря использованию медных электродов со стойкими циркониевыми и гафниевыми вставками резка выполняется с использованием дешевого сжатого воздуха. Длина дуги при плазменной резке с учетом большой внутрисопловой составляющей (не менее 10 мм) и участка внутри реза, имеющего протяженность около 2/3 толщины детали, очень велика (20-200 мм). Градиент потенциала в столбе дуги также велик — внутри сопла до 20 В/мм. Поэтому напряжение режущей дуги достигает 65-350 В, т. е. существенно выше, чем при сварке. Высокое напряжение холостого хода 150-500 В — специфическое требование к источнику для плазменной резки. Режущая дуга непрерывно перемещается по глубине реза, при этом амплитуда колебаний напряжения дуги может достигать 40-60 % от его среднего значения. В этом случае устойчивость дуги может быть достигнута не просто при положительном, но еще и сравнительно большом значении коэффициента устойчивости системы «источник-дуга» (ky = рэ — ри 0). Внешняя характеристика источника должна быть вертикальнопадающей с наклоном ри < — 5 В/A. Остальные требования к источнику совпадают с таковыми для плазменной сварки.
Плазменное напыление (рис. 6.18,г) происходит при косвенном нагреве детали и плавлении порошка плазменной струей. Дуга горит только в плазмотроне между электродом и соплом. Отдельный источник дежурной дуги здесь не нужен, в остальном требования к источнику совпадают с изложенными выше.
6.2.2. Источники для плазменной сварки
Установка марки УПНС-304 (Электрик) предназначена для сварки большинства металлов сжатой дугой прямой полярности и алюминиевых сплавов — дугой обратной полярности, как в непрерывном, так и импульсном режиме (рис. 6.19). В состав установки входит порошковый питатель и насадка на плазмотрон, позволяющие выполнять плазменную наплавку. Установка также может использоваться для аргоно-дуговой сварки свободной (несжатой) дугой. Ее источник питания имеет автоматический выключатель QF, электромагнитный пускатель К, понижающий трехфазный трансформатор Т, силовой блок выпрямления V4-V9, блок выпрямления дежурной дуги И1-УЗ с балластными реостатами Rl, R29 переключатель диапазонов S и блок поджигания с возбудителем G.
Рис. 6.19. Принципиальная схема (а) и внешние характеристики (б, в) установки УПНС-304
В диапазоне больших токов (315 А) основная дуга « электрод-деталь » питается от вторичных обмоток Т.2, соединенных треугольником, и полууправляемой трехфазной мостовой схемы, собранной из диодов У4-И6 и тиристоров У7-И9. Падающие внешние характеристики (рис. 6.19,6) формируются тиристорами за счет обратной связи по току. Диапазон малых токов (18 А) обеспечивается благодаря включению в цепь силового блока выпрямления балластного реостата R2 за счет переключения S. Получаемые при этом характеристики показаны на рис. 6.19,в. Сглаживание сварочного тока осуществляется в обоих диапазонах фильтром 710, L1. Однако при большом угле управления тиристоров сглаживание оказывается неэффективным, поэтому дополнительно используется подпитка, которую по совместительству обеспечивает блок питания дежурной дуги. В этом случае вторичные обмотки Т.2 и Т.З образуют треугольник с продолженными сторонами, что приводит к увеличению напряжения холостого хода. Выпрямляется ток подпитки трехфазной мостовой схемой из диодов V1-V6, а падающая характеристика формируется балластным реостатом R2 (пунктирная линия на рис. 6.19,в).
Зажигание дуги выполняется возбудителем по цепи С-С1-С2-£2-сопло-электрод-G, после чего появляется ток дежурной дуги в цепи VI, V2, V3-R2-2?3-£2-сопло-электрод-С-£1-И4, V5, V6. В момент касания потоком плазмы поверхности изделия возникает основная дуга «электрод-деталь», ее ток нарастает плавно в течение до 1 с. В конце сварки предусмотрено плавное снижение тока. Модуляция тока при сварке пульсирующей дугой осуществляется с помощью тиристоров И7-И9.
Специализированные источники типа ВСВУ (Электромеханика, Ржев) предназначены для аргоно-дуговой сварки как непрерывной, так и пульсирующей дугой, их можно также использовать для плазменной сварки (рис. 6.20). Напряжение сети через автоматический выключатель QF и контактор К подается на понижающий трехфазный трансформатор Т. Часть его вторичной обмотки удалена от первичной, поэтому трансформатор имеет пологопадающую характеристику. Необходимая вертикально-падающая характеристика формируется тиристорным выпрямительным блоком VI, для этого используется обратная связь по току Ig и напряжению Ud- Дроссель 1Л сглаживает выпрямленный ток. Схема фазового управления тиристорами (на рисунке не показана) обеспечивает регулирование и стабилизацию сварочного тока, плавное нарастание в начале и спад тока в конце сварки, формирование импульсного режима. При сварке пульсирующей дугой длительность импульса и паузы регулируются раздельно в интервале от 0,1 до 1 с, форма импульса может варьироваться от пологонара-стающей до прямоугольной с начальным пиком.
Начальное зажигание дуги выполняется с помощью осциллятора G и вспомогательного выпрямителя с повышенным напряжением. В его состав входят дополнительные вторичные обмотки трансформатора Т, трехфазный дроссель L2 для формирования падающей характеристики и выпрямительный блок V2. Благодаря секционированию дополнительных вторичных обмоток и изменению их соединения с помощью переключателя S2 напряжение холостого хода вспомогательного выпрямителя меняется от 65 до 220 В. Цепь осциллятора G последовательного включения при сварке свободной (несжатой) дугой замыкается на
Рис. 6.20. Принципиальная схема выпрямителей типа ВСВУ
промежуток «электрод-деталь» с помощью конденсатора С1. При плазменной сварке вспомогательный источник переключателем S1 подключается для питания дежурной дуги «электрод-сопло», а цепь осциллятора замыкается конденсатором С2.
6.2.3. Источники для микроплазменной сварки
Установка длямикроплазменной сварки МПУ-4 (ПАТОН, Киев) предназначена для соединения различных металлов толщиной от 0,1 до 1,5 мм (рис. 6.21). Она состоит из следующих частей: сетевой контактор 2Г5, силовой трансформатор Т, источник дуги прямой полярности А1, источник дуги обратной полярности А2, источник дежурной дуги АЗ, тиристорный коммутатор А4, импульсный стабилизатор А5, возбудитель А6, а также система управления.
Источник А1 с падающей характеристикой питает основную дугу прямой полярности между электродом и деталью. В его состав входят три вторичные обмотки Т.1 трансформатора, выпрямительный блок VD1 и сглаживающий дроссель L1. Для ступенчатого регулирования тока меняют соединение обмоток контакторами К1 и К4, для плавного — перемещают обмотки Т.1. Источник А2 с падающей характеристикой питает дугу обратной полярности между соплом и
Рис. 6.21. Принципиальная схема установки МПУ-4
деталью. Он состоит из подвижных вторичных обмоток Г. 2 и выпрямительного блока VD2. Источник АЗ питает дежурную дугу между соплом и электродом. В его состав входят неподвижные вторичные обмотки Т.З, контактор Л'З, выпрямительный блок VD3 и балластный реостат 7?3. Коммутатор А4 подключает источники А1 и А2 к нагрузке в необходимой последовательности, он переключается по сигналам системы управления с двумя время-задающими ячейками. Его основными частями являются тиристоры VS1, VS2, коммутирующие конденсаторы Cl, С2 и разделительные диоды VD4, VD5. Стабилизатор дуги А5 подает пиковые импульсы в начале полупериодов обратной полярности, с этой целью его заранее заряженный конденсатор СЗ разряжается на дугу при открывании тиристора VS3. Импульсный возбудитель последовательного включения А6 зажигает дежурную дугу «электрод-сопло» высоковольтным разрядом. Источник МПУ-4 может работать в одном из четырех описанных ниже режимов.
В режиме А (сварка постоянным током прямой полярности) при горящей дежурной дуге система управления открывает тиристор FS1. При этом замыкается цепь источникаА1 питания током прямой полярности И1)1-Ы-дуга-71)4-У51-VD1.
В режиме В (сварка импульсным током прямой полярности) сначала открывается тиристор FS1, в результате чего начинается импульс тока. По истечении времени импульса, настроенного одной из ячеек программного управления, открывается тиристор VS2. При этом заранее заряженный конденсатор С1 коммутатора разрядится по цепи Cl-VSl-Кб.1-KS2-C1, благодаря чему тиристор KS1 закроется, и ток в дуге прекратится — идет пауза. По истечении времени паузы, настроенного другой ячейкой программного управления, снова открывается тиристор VS1, и импульс повторяется.
В режиме С (сварка разнополярными импульсами) включается контактор Кб, при этом его контакт Кб. 1 разъединяет аноды тиристоров KS1 и VS2, а
контакты 1С6.2 и 7^6.3 подключают источник А2. При включении тиристора 7S1 идет импульс тока прямой полярности от источника А1. При включении тиристора VS2 разрядом конденсатора С1 закрывается тиристор VS1, а также начинается импульс тока обратной полярности от источника А2 по цепи VD2-7Г6.3-сопло-деталь-7С6.2-У1)5-И82-У1)2. При этом идет катодная очистка детали от оксидной пленки. Как видно, вольфрамовый электрод в импульсе обратной полярности не нагружен, что повышает его стойкость. Одновременно с VS2 включается тиристор KS3, и конденсатор СЗ разряжается на дугу, способствуя ее повторному зажиганию. Для прекращения импульса обратной полярности снова включается тиристор VS1, в результате чего тиристор VS2 выключается разрядом ранее заряженного конденсатора С2 по цепи C2-VS1-C1-VS2-C2. При этом повторяется импульс тока прямой полярности, и так далее.
В режиме D (сварка постоянным током обратной полярности) включен контактор 7^6, поэтому при открывании тиристора VS2 источник А2 непрерывно питает дугу «сопло-деталь», например, при сварке сверхтонкого алюминия.
Другие установки микроплазменной сварки конструируются на основе инверторного преобразователя, они имеют малые габариты и массу.
6.2.4. Источники для плазменной резки
В качестве основы такие источники имеют диодный или тиристорный выпрямитель с падающей внешней характеристикой. Для зажигания дежурной дуги высокочастотным разрядом используется осциллятор или импульсный возбудитель, при контактном зажигании дежурной дуги такие устройства не нужны. Инверторные источники изготавливают, как правило, на малые токи (до 200 А). В этом случае малые габариты и масса установки для плазменной резки придают ей особое достоинство переносного инструмента, удобного при выполнении монтажных и ремонтных работ. Как правило, инверторный источник имеет совершенную схему управления с множеством дополнительных функций. Предусматривается, например, защита источника при снижении давления воздуха, при закорачивании катода на сопло и т. д.
Установка марки УПР-51 (Электрик) представляет собой пример упрощенной конструкции, предназначенной для плазменной резки любых металлов толщиной до 12 мм (рис. 6.22). Задача создания инструмента для неквалифицированного пользователя требовала использования простых и надежных электрических устройств. Сетевое напряжение 3x380 В через автоматический выключатель QF и контактор К подается на два однофазных трансформатора Т1 и Т2 с разнесенными обмотками и после понижения через пакетный переключатель S — на диодный выпрямительный блок VD, и далее на плазмотрон. У каждого трансформатора, например Т1, на одном стержне вместе с первичной обмоткой Т1.1 размещена только одна из вторичных катушек Т1.2, тогда как другая вторичная катушка Т1.3 находится на другом стержне, что приводит к увеличению магнитного рассеяния и формированию падающей внешней характеристики. Предусмотрено всего две ступени регулирования тока с помощью пакетного переключателя S1 — на 25 и 50 А. Низшая ступень получается при использовании
Рис. 6.22. Принципиальная схема установки
УПР-51
только обмоток ТТ.З и Т2.3, а высшая — при последовательном соединении обмотки Т1.2 с частью Т1.3 и соответственно Т2.2 с частью Т2.3. Выпрямленное напряжение двух однофазных мостов сдвинуто друг относительно друга на 120°, что приводит к эффективному сглаживанию напряжения на выходе.
Установка комплектуется оригинальным плазмотроном марки RBS-50KS (Binzel, Германия), у которого сжатый воздух используется и для образования плазмы, и для охлаждения плазмотрона. До начала резки сопло и катод находятся в контакте, а после нажатия на кнопку плазмотрона одновременно с контактором включается электропневматический клапан. Поэтому воздух, подаваемый в плазмотрон, сдвигает сопло и таким образом разрывает цепь короткого замыкания, в результате чего возникает дежурная дуга «катод-сопло», питаемая через балластный реостат R. Плазма, выдуваемая из сопла, замыкает цепь «катод-изделие», начинается резка.
Установка для автоматической воздушно-плазменной резки АПР-4010 (рис. 6.23) предназначена для комплектования стационарных резательных машин с числовой, фотокопировальной и другими системами управления. Сетевое напряжение через автоматический выключатель QF и магнитный пускатель 7^1 подается на понижающий трансформатор Т с нормальным рассеянием. Тиристорный блок VS используется для выпрямления и плавного регулирования
Рис. 6.23. Принципиальная схема установки АПР-4010
тока, а также для формирования вертикальнопадающей внешней характеристики за счет обратной связи по току. Дроссель L сглаживает выпрямленный ток. Питание дежурной дуги производится от основного источника через балластный реостат R и контактор К2. Для зажигания дежурной дуги используется импульсный возбудитель типа ВИР-101, включенный последовательно в цепь источника дежурной дуги. Его устройство и работа описаны в разделе 6.1.2.
Для запуска установки на резку замыкают контакт К2. В итоге срабатывает импульсный возбудитель, его высоковольтный разряд замыкается по цепи С(ВН)-сопло-электрод-С-земля-С. При этом загорится дежурная дуга между соплом и электродом плазмотрона, ее ток пойдет по цепи VS-R-K2-G(BH)~ сопло-электрод-KS. Ток дежурной дуги ограничен сопротивлением R и составляет около 100 А. После касания плазменной струей детали зажигается режущая дуга. При этом дежурная дуга гасится размыканием контакта К2, а ток основной дуги плавно увеличивается до заданного значения. В процессе резки ток с высокой точностью поддерживается системой управления на заданном уровне за счет действия обратной связи по току.
Универсальный вентильный генератор марки ГДПР-2х2501 (Уралтермо-свар) предназначен для комплектования агрегата при питании двух постов ручной дуговой сварки или одного поста плазменной резки (рис. 6.24). В его составе индукторный генератор G переменного тока, а также силовые диодные блоки га1-УП9.
Рис. 6.24. Принципиальная схема генератора ГДПР-2х2501
11-6955
Для раздельного питания постов ручной сварки переключатель S3 устанавливается в положение, показанное на рис. 6.24, так что замкнутые контакты S3.3-S3.6 обеспечивают питание первого поста от обмоток пакета G.1 индукторного генератора, а контакты S3.7-S3.9 — второго поста от обмоток пакета G.2. Грубая настройка тока в четыре диапазона, например на первом посту, осуществляется с помощью переключателя S1 (25-75, 75-130, 130-200 и 200-250 А) благодаря поочередному подключению на параллельную работу диодных блоков VZ>1-VZ>4 и соответственно силовых трехфазных обмоток G.11-G.14, установленных на пакете G.I. Мелкоступенчатая настройка тока (в 7 ступеней) выполняется дистанционным переключателем S4 на посту сварки, так что при подключении каждый раз по одной катушке G.13 ток увеличивается на 7-10 А. Обмотка независимого возбуждения G.16 питается постоянным током от вспомогательной обмотки G. 15 через диодный блок Г7)5. Напряжение холостого хода обоих постов подстраивается резистором В1. Начальное возбуждение генератора выполняется при подключении аккумуляторной батареи агрегата к разъемам Х7 и Х8 через диод VD6 и кнопку S5. Дуга подключается к разъемам XI и Х2, а режим контролируется вольтметром PV1 и амперметром РА1 с шунтом 7?S1. Подобным же образом обеспечивается работа второго поста сварки.
Для плазменной резки переключателем S3 при замыкании контактов S3.1 и S3.2 обеспечивается последовательное соединение диодных блоков V7)3, ИО4 и VD6, так что напряжение холостого хода генератора увеличивается до 240 В. Ток резки 70-80 А получается при установке обоих дистанционных регуляторов в максимальное седьмое положение. Разрезаемая деталь подключается к положительному разъему Х5, а плазмотрон — к отрицательному разъему Х6. Режим резки контролируется вольтметром PV3 и амперметром РА2 с шунтом RS2.
В состав агрегата входят кроме генератора компрессор и плазмотрон марки РПВ-101 (УНПП Лазер, Екатеринбург) с воздушным охлаждением и контактным зажиганием. В исходном состоянии напряжение на плазмотроне с помощью делителя R2, R3 ограничено безопасной величиной 36 В. В момент касания соплом детали одновременно на сопло закорачивается катод. Система управления А включает тиристор VS1, в результате чего возникает режим короткого замыкания с током, ограниченным с помощью резистора R4. При подъеме сопла сначала возникает дежурная дуга «катод-сопло», а при полном отрыве сопла от детали благодаря включению тиристора VS2 возникает режущая дуга «катод-деталь».
Таким образом, генератор используется в полевых условиях, поскольку не только обеспечивает одновременную работу двух сварщиков при монтаже трубопровода, но при необходимости подгонку стыка и ремонт методом плазменной резки.
6.3. Источники для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом
6.3.1. Требования к источникам
Управляемый перенос электродного металла может быть реализован посредством модулирования сварочного тока с помощью источника (см. раздел 2.2.9). Способ механизированной сварки плавящимся электродом в аргоне и его смесях с модулированием тока получил название импульсно-дуговой сварки. Главным достоинством импульсно-дуговой сварки является возможность в 2-3 раза уменьшить нижний предел тока, при котором еще обеспечивается мелкокапельный перенос, и, следовательно, сваривать металл сравнительно малой толщины без опасности прожога и недопустимого разбрызгивания. Поскольку импульсный ток гарантирует направление переноса капли вдоль оси электрода, это облегчает сварку в вертикальном и потолочном положениях.
Типы импульсных источников, получившие наибольшее распространение — это приставки с емкостным накопителем энергии, тиристорные источники, источники с полупроводниковыми регуляторами, инверторные источники. Первые генераторы импульсов (рис. 6.25) являлись приставками с конденсаторной батареей С, питающими дугу параллельно с основным источником G, В одном из полупериодов переменного тока батарея запасается энергией от трансформатора Т через зарядный вентиль VD, В другом полупериоде открывается тиристорный ключ VS и батарея разряжается импульсом на дугу. Форма импульса — затухающая синусоида или экспонента, частота импульсов фиксирована — 50 Гц. Энергия импульса (одновременно ток и время) настраивается ступенчато изменением емкости конденсаторной батареи или напряжения зарядного трансформатора.
Более совершенны импульсные приставки с тиристорным выпрямительным блоком (рис. 6.26). В одном из полу периодов импульсный ток
Рис. 6.25. Схема (а) и осциллограмма (d) при использовании приставки с емкостным накопителем энергии
и*
Рис. 6.26. Схема (а) и осциллограмма (б) при использовании тиристорной приставки
идет по цепи Т-У81-дуга-УВ1-Т. Тиристор VS1 отпирается на спаде полуволны переменного тока, поэтому импульс имеет форму отрезка синусоиды. При уменьшении угла управления тиристора увеличиваются амплитуда и длительность импульса. При работе одного тиристора частота импульсов 50 Гц, при поочередном включении двух тиристоров — 100 Гц. Частоту можно снизить до 25 и 33 Гц, если отпирать тиристоры реже, чем раз в период. При использовании трехфазного трансформатора легко получить импульсы с частотой 150 Гц. На основе тиристорного блока может быть выполнен комбинированный источник, обеспечивающий и базовый, и импульсный ток.
Последним достижением в разработке импульсных источников является конструкция с транзисторным регулятором (рис. 6.27). Транзистор VT управляет током выпрямителя И, обеспечивая необходимый ток и в импульсе, и в паузе. Закон изменения сварочного тока определяется характером тока базы транзистора (не путать с базовым сварочным током). Ток базы, в свою очередь, сформирован слаботочной системой управления с широкими возможностями раздельной настройки импульсного и базового тока, а также времени импульсов и периода их следования. Таким образом, частота импульсов может настраиваться плавно в диапазоне от 20 до 200 Гц. При этом частота может меняться даже в процессе сварки, например, при изменении толщины детали и силы тока (рис. 6.27,6). Импульс может иметь различную форму — прямоугольную, экспоненци-
Рис. 6.27. Схема (а), осциллограмма (6) и форма импульсов (в) источника с транзисторным регулятором
6.3. Источники для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом 325 альную с регулируемой скоростью нарастания и спада тока, ступенчатую и т. д. (рис. 6.27,в).
Перспективны также высокочастотные источники, обычно они создаются на базе инвертора (рис. 6.7). Сбрасывание капли может выполняться кратковременным увеличением амплитуды высокочастотного тока (рис. 6.7,6). Чаще импульс получают кратковременным увеличением частоты инвертирования (рис. 6.7,г). Поскольку в этом случае на высокую регулярную частоту (1-60 кГц) накладывается низкая частота сбрасывающих импульсов 20-200 Гц, такой прием называют двойным модулированием тока.
Требования к источникам для импульсно-дуговой сварки в аргоне и его смесях сформулированы довольно четко (рис. 2.29). Ток импульса 1и для надежного сбрасывания капли должен превышать критический ток 1кр, соответствующий мелкокапельному переносу. При сварке проволокой от 0,8 до 2,5 мм 7И настраивается на уровне 200-1500 А. Длительность импульса должна регулироваться от 1 до 10 мс. Для того, чтобы обеспечить принцип «один импульс на одну каплю», желательно стабилизировать энергию импульса или пропорциональную ей величину I2tH. Например, при сварке алюминиевых сплавов эта величина должна быть 180-280 А2с, а при сварке сталей — 500-1000 А2с. Частота импульсов /и должна настраиваться от 20 до 200 Гц, иногда ограничиваются легко достижимыми величинами 50 и 100 Гц, кратными частоте сетевого напряжения. Соотношение между периодом следования импульсов Т = 1//и и их длительностью £и может достигать значения T/t^ = 10.
Базовый ток существенно ниже тока импульса. Среднее значение тока/ср = (Ги^и +ЦТ)/Т назначается в зависимости от толщины свариваемого металла и положения шва в пространстве. Средний ток настраивается изменением скорости подачи электродной проволоки. В этих условиях независимая настройка базового тока затруднена. Стремятся только, чтобы он не упал ниже значения 50-100 А, при котором заметно снижается устойчивость процесса.
Внешние характеристики источников базового 1 и импульсного 2 тока различны (рис. 6.28). Рассмотрим их совместно с характеристикой дуги 3 при ее нормальной длине, а также при короткой (Z^min) и длинной (Z^max) дуге. Источник базового тока должен иметь жесткую или пологопадающую характеристику 1, с тем чтобы при колебаниях длины дуги отклонения тока от точки А к Ai или А2 были значительными, что и обеспечивает высокое быстродействие процесса саморегулирования. Но при малых токах для повышения устойчивости горения дуги при ее удлинении до Z^max (точка А2) необходимо значительное увеличение напряжения, что достигается применением крутопадающего участка 1'. В целом характеристика
Рис. 6.28. К выбору внешних характеристик импульсного источника
базового тока имеет L-образный вид. Источник импульсного тока должен иметь характеристику с основным вертикальным участком 2, в этом случае при колебаниях длины дуги в точках В и В± обеспечивается стабильность тока и энергии импульса. В то же время при чрезмерном удлинении дуги до /^тах нежелательно сбрасывание капли каждым импульсом, поэтому полезно уменьшение тока импульса в точке В2 благодаря наличию жесткого участка 2'. В целом характеристика импульсного тока должна иметь 7-образную форму.
Требования к источнику для сварки с управляемым переносом в углекислом газе существенно сложней. На рис. 2.30 был приведен один из возможных алгоритмов управления переносом с короткими замыканиями, а в разделе 2.2.9 указаны рекомендованные длительности отдельных интервалов. Реализация этих требований возможна только при использовании быстродействующих транзисторных регуляторов или инверторных источников.
6.3.2. Тиристорные источники
Тиристорный выпрямитель марки ВДГИ-302 (СЭЛМА) имеет схему, показанную на рис. 6.29. Сетевое напряжение с помощью автоматического выключателя QF и пускателя К подается на однофазный понижающий трансформатор Т с нормальным рассеянием. Напряжение вторичной обмотки выпрямляется блоком вентилей VD1, VD2, VS1-KS6 с двумя дросселями £1, L2. В этом блоке диоды работают в любом режиме, а разные тиристоры включаются на разных стадиях процесса. Тиристоры KSl, VS2 используются для генерирования пиковых импульсов (рис. 6.29,в). Амплитуда и длительность импульсов задается углом управления тиристоров, частота (50 или 100 Гц) зависит от того, один или оба тиристора используются. Тиристоры KS3, VS4 создают базовый ток, сглаженный дросселем L1 (рис. 6.29,г). Фазовое управление тиристорами VS3, KS4
Рис. 6.29. Выпрямитель ВДГИ-302: схема силовой части (а), внешние характеристики (б) и осциллограммы тока импульсного (в), базового (г), подпитки (5) и общего сварочного (е)
используется для настройки среднего значения напряжения дуги. Однако при глубоком регулировании в кривой базового тока появляются провалы. Поэтому схема дополняется цепью подпитки, обеспечивающей небольшой, но хорошо сглаженный ток (рис. 6.29,д). В ней применены оптронные тиристоры VS5, KS6, управляемые вспышкой светодиодов, что обеспечивает гальваническую развязку, т. е. независимость работы цепей управления от воздействия высокочастотных помех сварочной цепи. В цепи подпитки используется дроссель L2 с большой индуктивностью.
Выпрямитель может работать как в режиме импульсного (рис. 6.29,в), так и базового тока (рис. 6.29,г). Однако преимущественно используется совместный режим работы всех цепей, при котором сварочный ток получается как сумма токов импульсного, базового и подпитки (рис. 6.29,е).
Внешние характеристики выпрямителя приведены на рис. 6.29,6. Характеристика импульсного тока 1 имеет малый (естественный) наклон, это необходимо для получения крутого фронта у импульсов тока. Искусственная характеристика базового тока 2 сформирована благодаря введению обратных связей по току и напряжению в систему управления тиристоров KS3, KS4. Она стабилизирована при колебаниях напряжения сети, ее наклон автоматически снижается с ростом тока. Благодаря крутому наклону при малых токах повышается эластичность дуги, пологий наклон при больших токах способствует эффективному саморегулированию дуги. Для форсирования зажигания дуги сформирована характеристика зажигания 3, обеспечивающая постоянный уровень напряжения при любых токах. Характеристика отсечки 4 ограничивает максимальную величину сварочного тока. Характеристика подпитки 5 гарантирует минимум тока, достаточный для устойчивого горения дуги.
6.3.3. Источники с полупроводниковыми регуляторами
В транзисторном источнике (рис. 6.30) сетевое напряжение понижается трансформатором с нормальным рассеянием Т и выпрямляется неуправляемым вентильным блоком KD1, а для управления импульсным током источник дополняется чоппером — регулятором, состоящим из силового транзистора VT, токоограничивающего дросселя L и обратного диода VD2, подобно тому, как это описано в разделе 4.3.5.
Система управления А1 задает режим работы транзистора. В ее составе имеется коммутатор задания КЗ, с помощью которого последовательно вводятся заданные значения 1ЗТ сварочного тока: базового /бmin и /б max и импульсного ^итт и Дтах- В устройстве сравнения СУ заданное значение /зт сопоставляется с фактическим сварочным током 1д, измеренным датчиком тока RS. В схему совпадения И кроме разностного сигнала k(I3T - Ig) подаются также от генератора ГИ импульсы [7ГИ, параметры которых устанавливаются заранее: — длительность базового тока, — длительность импульсного тока, Т — период следования импульсов. При совпадении во времени положительного сигнала k(I3T — Ig) и импульса иги на выходе схемы И возникают импульсы Uc, которые через усилитель У подаются на базу силового транзистора VT.
В описанной схеме транзистор работает в режиме ключа (рис. 6.30,6). Поэтому в начальный момент to при подаче на его базу сигнала от системы управления транзистор быстро приходит в состояние насыщения. По дуге идет базовый ток (не путать с током базы транзистора). Скорость его нарастания зависит от величины индуктивности дросселя L. К моменту базовый ток достигает значения Тб max, поэтому разностный сигнал k(I3T — Ig) сменит знак, в результате чего напряжение Uc исчезнет, и транзистор VT выключится. Однако сварочный ток не прекращается, поскольку его поддерживает дроссель L, возвращая через обратный диод VD2 энергию, накопленную в интервале • Спад тока продолжается до момента t2, к которому он снизится до Тб min, после чего снова включается транзистор. Такой процесс будет повторяться в течение всего интервала базового тока ^б- Среднее значение базового тока Тб назначается на уровне, необходимом
Рис. 6.30. Источник с транзисторным регулятором: а — принципиальная схема, б — осциллограмма импульсного тока
для плавления электрода, но не достаточном для сбрасывания капли, т. е. ниже критического тока ZKp. По истечении времени ток будет поддерживаться уже на более высоком уровне импульсного тока!и, превышающем /кр. Длительность импульса подбирается малой (около 1-3 мс), так чтобы гарантировать сбрасывание капли на спаде тока в интервале где капля действием импульса почти
не ускоряется и поэтому переносится без расплескивания ванны. При транзи
сторном регулировании возможно обеспечение еще и третьего (низшего) уровня тока — тока паузы Zn, необходимого для поддержания устойчивого горения дуги. Длительность интервала следования импульсов Т (или частота импульсов /и = 1/Т) регулируется плавно и в широком диапазоне.
Реализация принципа «один импульс на каплю» возможна только при точной и согласованной настройке всех перечисленных параметров: 1б, 1И, t^, tK9 Т, что становится затруднительным при частой смене режима. По этой причине рационально ввести управление процессом с помощью математической модели или, по терминологии иностранных авторов, синергетическое, т. е. одновременное управление несколькими параметрами с целью достижения максимального совместного эффекта. Модель устанавливает оптимальное соотношение между параметрами, обеспечивающее при высокой производительности мелкокапельный перенос и хорошее формирование шва. Для организации синергетического управления система дополняется микропроцессорным устройством А2 (рис. 6.30,а). Сварщику достаточно указать независимые исходные данные процесса: толщину 8 и марку свариваемого металла, диаметр электродной проволоки и род защитного газа. Аналого-цифровой преобразователь АЦП преобразует аналоговую форму исходных параметров в дискретную и передаст их в микропроцессор МП для обработки. Хранящиеся в постоянном запоминающем устройстве ПЗУ уравнения модели будут использоваться микропроцессором для расчета оптимальных величин параметров импульсного режима. Эти величины с помощью цифро-аналогового преобразователя ЦАП примут форму напряжений, которые используются в качестве заданных значений в системе управления А1 транзисторного источника. Программное устройство ПУ может обеспечивать резкое увеличение тока в начале сварки для надежного зажигания дуги и плавное снижение тока в конце для заварки кратера. Разумеется, синергетическое управление не исключает возможности ручной коррекции режима сварщиком.
Кроме описанной жесткой системы управления благодаря высокому быстродействию транзисторного регулятора проектируются и гибкие системы прямого дозирования тепловой энергии. С этой целью в систему управления с датчика RS подается сигнал, пропорциональный текущему значению сварочного тока io. С помощью интегрирующего устройства по соотношению W = k f ijdt определяется количество тепловой энергии, вложенное в очередную каплю, и по достижении этой величиной заданного значения выполняется переключение транзисторного регулятора в режим сбрасывания капли импульсом тока.
6.3.4. Инверторные источники
Источники с функцией импульсно-дуговой сварки обычно выполняют как универсальные. Действительно, конструкция мощного инвертора на ток более 250 А, как правило, не зависит от способа сварки. Здесь используется преимущественно двухтактный преобразователь на IGBT-транзисторах. Универсальный источник целесообразно комплектовать МП-системой управления, в частности синергетической.
Универсальный аппарат марки PU300K (MERKLE, Германия) выполнен в общем корпусе с механизмом подачи электродной проволоки и предназначен
для нескольких способов сварки. На рис. 6.31,а показана панель управления, по которой можно получить представление о возможностях аппарата и принципе настройки режима:
1 — переключатель настраиваемого параметра (напряжение, скорость подачи проволоки, толщина детали);
а
зажигание сварка окончание
Для. /У.
, ।подача проволоки
Рис. 6.31. УстановкаРС/ 300К: а — панель управления, б — осциллограммы тока и скорости подачи
2 — выбор способа сварки (неимпульсная MIG-MAG, импульсная PULSE ARC, импульсная с двойной модуляцией INTERPULSE, ручная покрытым электродом ELECTRODE, аргоно-дуговая TIG);
3 — настройка времени сварки при прерывистой и точечной сварке (0,5-2,5 с); 4 — выбор режима управления процессом (двухтактный, четырехтактный, специальный четырехтактный с пусковым током, прерывистый, точечный);
5 — индикация аргоно-дуговой сварки (TIG);
6 — выбор места управления током (с пульта, с горелки, запрограммированный режим с горелки);
7 — указание типа сварочной проволоки (8 запрограммированных и 4 резервных);
8 — настройка сварочного тока (скорости подачи проволоки);
9 — разъем для подключения пульта дистанционного управления или горелки со встроенным механизмом подачи;
10 — подача проволоки при настройке;
11 — настройка напряжения дуги;
12 — указание выбранного диаметра проволоки (4 запрограммированных и 2 резервных размера);
13 — проверка газа;
14 — дисплей сварочного тока;
15 — индикация сохранения настроенного режима;
16 — дисплей настраиваемого параметра;
17 — индикация неисправности;
18 — индикация перегрева;
19 — индикация сети.
Более подробно рассмотрим циклограмму при импульсно-дуговой сварке (рис. 6.31,#). Видно, что зажигание (установление процесса) выполняется при малой скорости подачи проволоки и стимулируется двумя мощными кратковременными импульсами тока. Затем привод подачи проволоки плавно ускоряется до настроенного значения скорости или тока, и возникают импульсы для управления переносом капель с частотой и скважностью, настроенными в зависимости от диаметра и материала проволоки. Для завершения процесса сварки сначала выключается подача проволоки, а затем мощным импульсом тока сбрасывается последняя капля, что облегчает возбуждение дуги в следующем цикле. Как видно, только управление током требует настройки 13 параметров (ток, время, скорость на всех этапах, частота). Поэтому предусмотрено синергетическое управление, т.е. использование до 32 заранее настроенных и до 40 доступных для настройки заводским технологом режимов сварки, которые выбирают, пользуясь переключателями 1 (толщина детали), 7 (материал проволоки) и 12 (диаметр проволоки).
В аппарате предусмотрена функция контроля и управления режимом с горелки TEDAC (Torch Energy Display and Control). С этой целью в рукоятку горелки встроен 10-позиционный переключатель режимов и светодиод для отображения мощности дуги посредством изменения его цвета (зеленый — минимум, красный — максимум). При установке переключателя 6 в нижнее положение можно вводить с горелки один из ранее настроенных режимов. Кроме традиционной импульсно-дуговой сварки для алюминиевых сплавов рекомендуется
сварка с двойной модуляцией тока (INTERPULSE): высокая частота — для управления переносом, низкая — формированием шва.
Другие инверторные источники также характеризуются высоким уровнем совершенства: это ДС400. ЗМИ (Технотрон), Power Wave (Lincoln Electric), Arist о MIG (ESAB), Phoenix (EWM), Trans Pulse Synergic (Fronius) и др. Кроме выше описанных они могут иметь и другие функции: возможность подключения к сетям с различным напряжением, автоматическая коррекция режима в зависимости от сопротивления и длины сварочных проводов по пробному касанию, управление формой импульса, интерфейс обмена программами с другими источниками. Многие из них имеют синергетическое управление и богатую библиотеку подобранных режимов. Некоторые компании предлагают на выбор разные способы настройки режимов. Один и тот же аппарат может комплектоваться пультом с отдельными регуляторами для каждого параметра, либо пультом с дисплеем, последовательно раскрывающим меню параметров, и кнопками «больше-меньше».
Источник марки Invertec STT II (Lincoln Electric, США) разработан специально для сварки в углекислом газе с управлением переносом капель электродного металла по методу STT (Surface Tension Transfer), т. е. за счет сил поверхностного натяжения (см. раздел 2.2.9). В его составе (рис. 6.32) сетевой автоматический выключатель QF, входной выпрямительный блок VD1, пакетный переключатель 81, электромагнитный контактор К, два инверторных модуля А1 и А2, понижающий трансформатор Т, выходные выпрямительные блоки VD2 и VD3, сглаживающий дроссель L и транзисторный модуль АЗ с блоком управления А4. Источник рассчитан для подключения как к однофазной 220 В, так и к трехфазной 3 х 380 В сети, поэтому в схеме предусмотрен переключатель 81. Для исходного состояния, показанного на схеме, т.е., при замкнутом положении контакта 81.2, конденсаторы С1 и С2 соединены последовательно, что необходимо при питании от трехфазной сети. В случае однофазного питания замыкаются контакты 81.1 и 81.3, что обеспечивает параллельное соединение конденсаторов (подробней см. раздел 4.5.5). Два инвертора А1 и А2 при поочередном подключении первичных обмоток трансформатора в противоположных фазах обеспечивают двухтактное преобразование постоянного напряжения в высокочастотное переменное. Трансформатор Т с увеличенным рассеянием понижает напряжение, которое затем выпрямляется блоками VD2 и VD3 и сглаживается дросселем L. Сложный алгоритм управления током при переносе капель задается блоком А4 и реализуется с помощью быстродействующего полупроводникового ключа АЗ в виде модуля Дарлингтона. Это составной биполярный транзистор (BJT — bipolar junction transistor) с большим коэффициентом передачи по току, фактически состоящий из двух транзисторов VT5 и VT6. Для пропускания небольшого неуправляемого тока параллельно модулю включен балластный реостат R5 с диодом VD4,
В источнике нет стабильно установленных внешних характеристик, а алгоритм программного управления переносом формируется по командам датчика напряжения и таймеров отдельных этапов переноса (рис. 6.32,6). На стадии завершения образования капли дуга горит при настроенном базовом токе Ц. Момент касания каплей ванны улавливает датчик напряжения, и в течение интервала ti = 0,5-0,8 мс ЭДС и ток источника быстро снижаются, что позволяет
Л1
т
m
=4=ci
VT2
СЗ
44
44
44
44
44
из
Я5 *7>4
VT5
Л2
44
44
44
44
44
НйИШЕЕ
Й1 Я2 ЯЗ Л4 S2 S3 PXJ /Я?
Рис. 6.32. Установка для импульсно-дуговой сварки Invertec STTII: а — принципиальная схема, б — осциллограмма тока
KD2
а
О +Д4
капле слиться с ванной. Затем ток резко увеличивается в течение t2 = 1,5-3 мс до уровня 1КК, настраиваемого в зависимости от диаметра проволоки. Прекращение короткого замыкания происходит также по команде датчика напряжения, потому что к моменту разрыва перемычки между каплей и электродом напряжение начинает резко увеличиваться. Далее в течение интервала t% = 0,7-1 мс ток снова снижается, что гарантирует отделение капли без взрыва и газодинамического удара по ванне. Затем по команде таймера ток восстанавливается до настроенного пикового значения /Пик и поддерживается в течение времени = 1-2 мс, что необходимо для надежного повторного зажигания дуги. Последующий плавный спад тока в течение интервала настраивается в зависимости от марки электродного металла (для нержавеющей стали — больше). На схеме блока управления показаны регулировочные и контрольные устройства. Базовый ток /б настраивается в интервале 0-125 А потенциометром В1 и контролируется цифровым индикатором РА1. Пиковый ток 1Пик в интервале 0-450 А настраивается по
тенциометром R2 и контролируется индикатором РА2. Спад тока регулируется потенциометром R3. Тумблер S2 с положениями «< 1 мм» и «> 1 мм» используется для регулирования тока короткого замыкания в зависимости от диаметра проволоки. Тумблер S3 имеет два положения и позволяет изменять интервал в зависимости от марки электродного металла.
В источнике предусмотрена также возможность горячего пуска с увеличением тока на 25-50 % в сравнении с настроенным сварочным и регулировкой его длительности потенциометром R4 до 4 с.
Управляемый перенос позволил существенно снизить разбрызгивание электродного металла и выделение дыма. Стало возможным сварку в углекислом газе выполнять без опасности прожогов, поскольку ток короткого замыкания каплей строго ограничен, а размеры ванны и общий нагрев основного металла снижены при сохранении необходимой глубины проплавления. Поэтому установка и способ STT широко внедрены, например, на автозаводах при сварке кузовных конструкций, а также при строительстве трубопроводов для выполнения стыков методом на спуск, т. е. на вертикали сверху вниз.
6.4. Источники для электрошлаковой сварки
6.4.1. Электрические характеристики электрошлакового процесса
Электрошлаковую сварку выполняют в пространстве, ограниченном кромками свариваемых деталей и ползунами (рис. 6.33,а). Тепло, выделяющееся в шлаковой ванне при протекании тока /ш, расплавляет элек
Рис. 6.33. Схема (а) и вольт-амперные характеристики (б) электрошлакового процесса
трод и основной металл, в результате чего образуется металлическая ванна, при кристаллизации которой формируется сварной шов. Расстояние между электродом и металлической ванной 1Ш связано с напряжением электрошлакового процесса иш. Напряжение частично падает еще и на вылете электрода 1В.
В холодном состоянии шлак, как правило, неэлектропроводен. Поэтому для наведения шлаковой ванны сначала возбуждают дугу, которая расплавляет флюс, резко увеличивая его электропроводность. По мере увеличения объема расплавленного шлака он гасит дугу, в результате чего начинается электрошлаковый процесс. В шлаковой ванне ток переносится в основном металлическими (положительными) ионами, в меньшей степени — отрицательными ионами и электронами. С ростом температуры ванны Тш подвижность ионов увеличивается, и, следовательно, удельная проводимость уш возрастает.
Шлаковую ванну на участке между электродом и металлической ванной можно рассматривать как нелинейное активное сопротивление Яш. Статическая вольт-амперная характеристика электрошлакового процесса ?7Ш = f(Iui), построенная при постоянном расстоянии /ш, падающая (рис. 6.33,6). Действительно, с ростом тока 1Ш увеличивается температура ТШ9 а следовательно, и удельная проводимость шлака уш. Поэтому напряжение снижается.
Поскольку при реальном процессе электрошлаковой сварки расстояние 1Ш непостоянно, то в практике настройки режима статическая характеристика не используется. Реальная связь тока и напряжения отражается так называемой вольт-амперной характеристикой устойчивой работы, получаемой при постоянной скорости подачи Vn электродной проволоки. В этом случае при увеличении напряжения источника, а следовательно и С7Ш, возрастает тепловая мощность ванны и ее температура Тш. В результате электрод плавится быстрее и погружается в ванну на меньшую глубину, что приводит к увеличению расстояния 1Ш, а следовательно, и увеличению сопротивления шлаковой ванны Rm. Поэтому увеличение напряжения источника почти не сопровождается ростом тока — вольт-амперная характеристика устойчивой работы Um = /(/ш) при постоянной скорости подачи проволоки почти вертикальная:
Г I t 1
^-All 1 m Ж . 7 О Ж ч Т I I =^> const .
(Гш Rm Т =^> Ап 4- J
При увеличении скорости подачи Vn ток 1Ш возрастает и устанавливается на более высоком, но тоже почти постоянном уровне.
6.4.2. Устойчивость электрошлакового процесса и требования к источникам
Принципиальную устойчивость электрошлакового процесса будем рассматривать по изменениям приходных и расходных статей теплового баланса электрошлаковой сварки при малых возмущениях по температуре ванны ДТШ.
Сначала установим зависимость прихода тепла, т.е. мощности Ри, выделяемой источником в шлаковой ванне, от ее сопротивления Rm. Если напряжение источника питания с пологопадающей характеристикой Um = Ux — 1ШКИ, а напряжение на шлаковой ванне Um = то, приравняв (7И = иш и решив уравнение относительно тока, получим
Тогда мощность источника
р = ТТ Т = Г 2 р _ т/2 Вш ^ш1ш ;шЛш UX I D \2 (Кш + Ли)
(6.1)
Затем учтем зависимость сопротивления шлаковой ванны Вш от ее температуры Тш. При сварке плавящимся электродом с ростом температуры уменьшается глубина погружения электрода в шлаковую ванну, и увеличивается расстояние 1Ш между электродом и шлаковой ванной, а также ее сопротивление Вш:
Тш Вш f .
Поэтому зависимость Вш от Тш практически линейная
Вш = kT
ш*
(6.2)
Подставив уравнение (6.2) в (6.1), получим зависимость приходной части теплового баланса от температуры
• = тт% kT^
И Х(ЙТШ+7?И)2’
(6.3)
Графическое изображение этой зависимости приведено на рис. 6.34. Максимум полезной мощности источника наблюдается при равенстве сопротивлений источника и нагрузки (Ви = 2?ш).
Зависимость расходной части теплового баланса от температуры очевидна. Тепловая мощность Qm, потребляемая на плавление электродного и основного металла, а также отвод тепла в ползуны и детали, увеличивается с ростом температуры ванны.
Рис. 6.34. К анализу устойчивости электрошлакового процесса
Характеристики Ри = f(Tm) и Qm = f(Tm) пересекаются в точках А и В, соответствующих равновесному состоянию системы, в котором приход и расход тепла равны. Выясним, устойчиво ли это равновесие.
Сначала проанализируем устойчивость в точке В при малом возмущении по температуре АТШ. Пусть температура ванны отклонилась от равновесного положения Тшв в сторону увеличения на 4-АТш. При этом выделяемая мощность Ри снизилась, что характеризуется точкой В±. Расходуемая мощность Qm, характеризуемая точкой В2, увеличилась. Поэтому температура ванны понизится вплоть до равновесного состояния, отражаемого точкой В, т. е. восстановится. Следовательно, система «источник-шлаковая ванна» устойчива в точке В. Проверим устойчивость системы в точке А. При отклонении температуры +АТШ от равновесного положения приход тепла, характеризуемый точкой Ai, превышает расход, соответствующий точке А2, поэтому возникшее повышение температуры дальше будет только увеличиваться, уводя систему все дальше от равновесного состояния.
Очевидно условие устойчивости системы «источник-шлаковая ванна», представляемое подобно системе «источник-дуга»:
> 0 (6,4)
&ТШ (1ТШ
Из сопоставления кривых Ри = f(Tm) и Qm = f(Tm) на рис. 6.34 замечаем, что условие (6.4) выполняется для точки В и любой точки на кривой Ри = f(Tm) справа от максимума, который соответствует равенству сопротивлений источниками и нагрузки Мш. Таким образом, можно сформулировать требование к наклону внешней характеристики источ
ника питания электрошлакового процесса:
/?и
(6.5)
Источник питания для электрошлаковой сварки с целью обеспечения устойчивости теплового режима должен иметь жесткую внешнюю характеристику, так чтобы его сопротивление было меньше сопротивления шлаковой ванны.
Перейдем теперь к оценке устойчивости при значительных возмущениях. При таких возмущениях электрошлаковый процесс может прерываться в результате возникновения дугового разряда по оси электрода, а выделение тепла в шлаковой ванне вблизи основного металла снизится, что приведет к снижению качества из-за несплавления шва с основным металлом. Для предотвращения дугового разряда электрошлаковую сварку следует вести на переменном токе, сравнительно низком напряжении источника, при глубокой шлаковой ванне, использовать шлаки с низкими стабилизирующими свойствами. Вместе с тем источник должен обеспечивать устойчивый дуговой разряд в начале сварки при наведении шлаковой ванны. Обычно трансформатор для электрошлаковой сварки имеет напряжение холостого хода С7Х = 35-60 В.
Трансформатор для электрошлаковой сварки должен иметь напряжение, достаточное для горения дуги при наведении шлаковой ванны, но не слишком высокое, чтобы электрошлаковый процесс при нормальной глубине ванны не нарушался дуговым разрядом.
Типичные внешние характеристики трансформатора для электрошлаковой сварки показаны на рис. 6.35. Точки их пересечения с характеристиками устойчивой работы при сварке стальной проволокой диаметром 3 мм определяют возможные режимы сварки. Видно, что сила тока 1Ш настраивается изменением скорости подачи электродной проволоки.
Рис. 6.35. Внешние характеристики трансформатора для электрошлаковой сварки
Напряжение электрошлакового процесса С7Ш регулируют изменением напряжения холостого хода трансформатора. Обычно кратность регулирования C7xmax/t/xmin ОКОЛО 2.
Высокая стабильность тока 1Ш гарантируется постоянной скоростью подачи проволоки. Из-за колебаний напряжения сети стабильность напряжения иш невелика. Эффективной мерой борьбы с этим дефектом является стабилизация внешних характеристик источника за счет обратной связи по напряжению. На практике, однако, удовлетворяются ручной корректировкой напряжения в процессе сварки, для этого источник должен допускать плавное (или мелкоступенчатое) регулирование режима под нагрузкой.
Источник должен обеспечивать регулирование напряжения как установочно (перед сваркой), так и под нагрузкой.
6.4.3. Трансформаторы для электрошлаковой сварки
Для обеспечения электрошлакового процесса используется в основном переменный ток. Трансформаторы для электрошлаковой сварки классифицируют по способу регулирования напряжения и числу фаз. Рассмотрим наиболее распространенные типы (рис. 6.36).
Рис. 6.36. Схемы трансформаторов для электрошлаковой сварки
Однофазный трансформатор нормального рассеяния с секционированными обмотками (рис. 6.36,а) имеет жесткую характеристику с наклоном не более 0,01 В/A. Грубое регулирование напряжения перед сваркой осуществляется перестановкой перемычки в цепи вторичной обмотки. Витковое регулирование на первичной стороне с помощью контакторов 1С1-Х4 обеспечивает изменение напряжения мелкими ступенями до 2-3 В и, как правило, возможно под нагрузкой.
Трансформатор с магнитной коммутацией (рис. 6.36,6) имеет магнитную схему, подобную трансформатору для дуговой сварки с подмагничиваемым шунтом. При изменении тока в обмотках управления ОУ1 и ОУ2 меняется поток,
пронизывающий дополнительную вторичную обмотку ОВ2, и за счет этого плавно изменяется вторичное напряжение трансформатора. Грубое регулирование возможно секционированием основной вторичной обмотки ОВ1.
Трансформатор с тиристорным регулятором VI, V2 в цепи первичной обмотки (рис. 6.36,в) обеспечивает плавную настройку напряжения за счет изменения угла включения тиристоров. В отличие от трансформатора для дуговой сварки здесь нет необходимости в цепях подпитки, поскольку электрошлаковый процесс идет устойчиво при любых углах управления.
Все три показанных типа трансформаторов возможны и в трехфазном варианте.
Трехфазный трансформатор марки ТШС-1000-3 (КЗЭСО, Украина) предназначен для сварки одним, двумя или тремя электродами, каждый из которых питается от одной фазы вторичной обмотки током до 1000 А (рис. 6.37). Нулевая точка вторичной обмотки соединяется с изделием. Первичные обмотки каждой фазы имеют по шесть отпаек, вторичные обмотки — по три отпайки, что
К сети при однофазной сварке
К изделию
'►-020
электродам
К электроду при однофазной сварке
_______К изделию при трехфазной сварке
Рис. 6.37. Принципиальная схема трансформатора ТШС-1000-3
обеспечивает регулирование напряжения от 38 до 62 В через 2-3 В. Грубое регулирование выполняется подключением сварочных проводов к одному из трех выводов у каждой фазы вторичной обмотки, это возможно только до сварки. Регулирование мелкими ступенями осуществляется симметричным изменением числа витков первичной обмотки с помощью шести трехфазных контакторов К1-2С6, такое регулирование возможно и под нагрузкой.
Трансформатор можно использовать и как однофазный при токе до 2000 А. Для этого установкой контактной перемычки XI в положение 2 первичные обмотки фаз А и С соединяют на параллельную работу, параллельно с помощью перемычек Х2 и ХЗ соединяют и вторичные обмотки, а перемычку Х4 снимают. Трансформатор имеет также не указанные на схеме промежуточные реле, переключатель для регулирования под нагрузкой и вентилятор.
Раздел 7
Основные правила эксплуатации источников
7.1. Производство и испытание источников
7.1.1. Ситуация на российском рынке сварочного оборудования
Последние достоверные статистические сведения о выпуске источников питания в Советском Союзе относятся к 1989 г. В этом году в стране было выпущено 330 тыс. штук источников, из них 49 % составляли трансформаторы, 26 % — выпрямители, 24 % — вращающиеся машины и около 1 % — специализированные источники. Сварочное оборудование изготавливали на 20 заводах Министерства электротехнической промышленности, его производство координировалось Всесоюзным научно-исследовательским институтом электросварочного оборудования — ВНИИЭСО (ныне Институт сварки России, С.-Петербург). В других отраслях сварочное оборудование выпускали еще около 10 заводов. Кроме того, научные разработки в области источников велись в Институте электросварки им. Е. О. Патона — ИЭС (Киев), в Научно-производственном объединении «Электромеханика» (Ржев), в Научно-исследовательском и конструкторском институте монтажной технологии — НИКИМТ (Москва), а также во Всесоюзном научно-исследовательском институте автогенного машиностроения — ВНИИАвтогенмаш (Москва). В условиях плановой экономики вся номенклатура необходимого для народного хозяйства сварочного оборудования была распределена между отдельными предприятиями. Например, изготовители источников специализировались по типам (трансформаторы, выпрямители, агрегаты), по назначению (ручная, механизированная, автоматическая сварка) и по номинальному току и выпускали каждую модель в больших количествах и по низкой цене. В масштабах страны между организациями и
предприятиями были хорошо налажены научные и технологические связи, а также взаимные поставки узлов и комплектующих, организовано централизованное снабжение материалами и сбыт готовой продукции. Эта система успешно функционировала в пределах одного большого государства с практически никогда не насыщаемым рынком. Но она не была готова к гибкому реагированию на запросы потребителей и сдерживаемая громоздкой процедурой разработки, утверждения и внедрения новых моделей тормозила технический прогресс, в том числе в области источников питания. Вдобавок и изоляция социалистической системы от мирового хозяйства затрудняла совершенствование технического уровня источников и приводила к 5-10 летнему отставанию от последних достижений зарубежных разработчиков.
При переходе к рыночной системе хозяйствования каждое предприятие электросварочного оборудования (ЭСО) было вынуждено самостоятельно искать новые способы и адреса финансирования, снабжения и сбыта, иногда даже новые организационные формы. В результате общего экономического кризиса и спада спроса, а также резкого увеличения импорта, российский рынок сварочного оборудования быстро насытился. Все это вынудило каждое предприятие ЭСО радикально пересмотреть номенклатуру выпускаемых источников в сторону ее расширения и внедрения новых высокоэффективных и экономичных моделей. Не все заводы ЭСО справились с этими трудностями, некоторые резко сократили свое присутствие на рынке источников и даже прекратили свое существование.
Основными поставщиками ЭСО на российском рынке стали следующие предприятия.
ОАО «Симферопольский электромашиностроительный завод» — СЭЛ МА (Украина) выпускает трансформаторы и выпрямители на токи от 130 до 1250 А, в том числе инверторные, универсальные и многопостовые, полуавтоматы для сварки в защитном газе на токи от 100 до 630 А, автоматы для сварки под флюсом, установки для аргоно-дуговой сварки и плазменной резки. ОАО «Завод Электрик» (С.-Петербург), в прошлом флагман российского сварочного электромашиностроения, был основан в 1896 г. и выпустил первые образцы сварочных источников в 1924 г. Он заметно уступает СЭЛМА по объему выпуска, но не номенклатуре, в которой трансформаторы и выпрямители на токи от 100 до 1600 А, полуавтоматы на токи от 160 до 630 А, тракторы для сварки под флюсом и в защитном газе, установки для аргоно-дуговой сварки и плазменных процессов — сварки, наплавки, напыления, резки. На Урале два крупных завода электросварочного оборудования: ЗАО «У рал термосвар» (Екатеринбург) и «Завод Искра» (Первоуральск) с приблизительно одинаковой
номенклатурой продукции — трансформаторы, выпрямители, полуавтоматы, тракторы. Но главное в их выпуске — это вентильные генераторы и агрегаты на токи от 200 до 500 А, в том числе универсальные и многопостовые. НПП «Технотрон» (Чебоксары) уже более 15 лет ориентирован на выпуск инверторных источников, а также полуавтоматов и установок на их основе. Инверторные источники выпускают также С.-Петербургское НПП «ФЕБ», Харьковское ПО «Коммунар» и Рязанский приборный завод. ОАО «Каховский завод электросварочного оборудования» (Украина) слабее связан с российским потребителем, но имеет в своей номенклатуре позиции, отсутствующие у вышеперечисленных предприятий. Это подвесные и самоходные аппараты для автоматической сварки под флюсом и в защитном газе, в том числе многодуговые и наплавочные, а также установки для электрошлаковой сварки.
Высококачественное, но относительно дорогое оборудование российскому покупателю предлагают, как правило, через своих региональных представителей, более других продвинувшиеся на наш рынок иностранные фирмы Lincoln Electric (США), ESAB (Швеция), Kemppi (Финляндия), EWM (Германия) и др.
Номенклатурные справочники предприятия ЭСО публикуют на соответствующих сайтах, их адреса приведены в табл. 7.1.
Таблица 7.1
Основные поставщики сварочного оборудования на российском рынке
Название предприятия Почтовый адрес Сайт в Internet
1 ОАО Электромашиностроительный завод «Фирма СЭЛ-МА» Украина, Республика Крым, 95000, г. Симферополь, ул. Генерала Васильева, 32А www.selma.ua
2 ОАО Завод «Электрик» 197376, г. С.-Петербург, пр. Медиков, 10 www.elmics.ru
3 ЗАО Завод сварочного оборудования « У ралтермосвар » 620014, г. Екатеринбург, ул. Московская, 49-67 www. uraltermosvar. ru
4 ЗАО Завод электросварочного оборудования «Искра» 623131, Свердловская обл., г. Первоуральск, п. Новоут-кинск, ул. Партизан, 23 www.iskra-svarka.ru
5 НПП «Технотрон» 428015, г. Чебоксары, ул. Урукова, 17А www. tehnot ron. ru
6 ОАО «Каховский завод электросварочного оборудования» Украина, 74800, Херсонская обл., г. Каховка, ул. Пушкина, 109, www.kzeso.com
Продолжение табл, 7.1
Название предприятия Почтовый адрес Сайт в Internet
7 ФГУП Государственный Рязанский приборный завод 390000, г. Рязань, ул. Каляева, 32 www.grpz.ru
8 НПП «ФЕБ» 195220, г. С.-Петербург, ул. Гжатская, 27 www. f eb. spb. ru
9 ОАО «Спецэлек- трод» 109316, г. Москва, Волгоградский просп., 41 www.spetselectrode.ru
10 Опытный завод сварочного оборудования ПАТОН Украина, 01042, г. Киев, ул. И. Кудри, 5 www. patonozso. kiev. ua
11 ОАО «Симферопольский моторный завод» Украина, Республика Крым, 95040, г. Симферополь, ул. Генерала Васильева, 27А www.simz.com.ua
12 ОАО «Электромеханика» 172386, Тверская обл., г. Ржев, Заводское шоссе, 2 www.el-mech.ru
13 Lincoln Electric Со. 22801 St. Clair Ave. Cleveland, Ohio 44117-1199, USA www. lincolnelectric. com
14 Miller Electric Mfg Co. 1635 W. Spencer St. Appleton, WI 54912-1079, USA www. millerwelds. com
15 ESAB AB Sweden, Goteborg, Herkules-gatan 72, Box 8004 SE-402 77 www.esab.com
16 Kemppi Oy Hennalankatu 39, 15800, Lahti, Finland www. kemppi. com
17 Air Liquide Welding SAF, 13, rue d’Epluches Saint-Ouen I’Aumone 95315 Cergy Pontoise Cedex, France www. saf - air liquide. com
18 Oerlikon Schweiss-technik GmbH Industrie Str. 12, D-67304 Eisenberg/Pfalz, Germany www. oerlikon. de
19 EWM Hightec Welding Gmbh Dr.-Gunter-Henle-Str. 8, D-56271 Munderbach, Germany www.ewm.de
20 DALEX Schweissma-schinen Gmbh Koblenzer Str. 43, D-57537 Wissen/Sieg, Germany www.dalex.de
21 ELMATECHAG Wisseraue 1, D-51597 Morsbach, Germany www.elmatech.de
22 MERKLE Schweiss-anlagen-Technik GmbH Industrie Str., 3, D-89359 Koetz, Germany www.merkle.de
23 Kiellberg Finsterwalde Leipziger Str., 82, D-03238 Finsterwalde, Germany www.kiellberg.de
24 Fronius International Gmbh Guenter Fronius Str., 1, A-4600 Wels-Thalheim, Austria www.fronius.com
Окончание табл. 7.1
Название предприятия Почтовый адрес Сайт в Internet
25 С.Е.А. Costruzioni Elettromeccaniche Annettoni C. so E. Filiberto 27, 23900 Lecco, Italy www. ceaweld. com
26 Sol Welding Sri Via Meucci 26, 36030 Costabissara (VI), Italy www. solwelding, it
27 VELGAVIL Push str., 27, LT-4720, Svencioneliai, Lithuania www.velga.lt
При отсутствии статистической отчетности о современном объеме выпуска сварочного оборудования российскими заводами судить трудно. Косвенные оценки позволяют считать объем выпуска источников в России на уровне около 30-70 тыс. штук в год, а объем импорта — около 20-40 тыс. штук в год.
7.1.2. Разработка новых источников
С начала кризиса 90-х годов парк сварочного оборудования России на промышленных предприятиях и в строительстве почти не пополнялся и к 2005 году состарился по крайней мере на 15 лет. В начале этого периода в дилемме «цена-качество» потребитель, как правило, отдавал предпочтение первому фактору, и непритязательный вкус покупателя диктовал производителю снижение стоимости даже за счет падения качества. Но в настоящее время спрос оживляется, и конкуренция с другими заводами ЭСО и иностранными фирмами вынуждает к разработке новых моделей источников с более высокими техническими характеристиками и сварочными свойствами.
Новая модель источника питания должна:
— соответствовать мировому уровню техники, т.е. содержать прогрессивные технические решения, использовать современную элементную базу и материалы;
— соответствовать требованиям ресурсосбережения как при изготовлении, так и при эксплуатации;
— обеспечивать эффективность ее применения у потребителя, т. е. иметь широкий диапазон режимов, высокие сварочные свойства и т. д.;
— быть конкурентоспособной на внешнем рынке, или хотя бы конкурировать с импортным оборудованием по соотношению «цена-качество».
Стандартами ГОСТ 15.001-88 и 15.009-91 «Система разработки и постановки продукции на производство» предусмотрены следующие этапы:
— составление технического задания,
— разработка технической документации,
— изготовление опытных образцов,
— испытания и приемка опытных образцов,
— подготовка производства (приобретение оборудования, изготовление оснастки),
— освоение производства.
Применительно к источникам питания для сварки разработан следующий перечень испытаний: проверка технических характеристик, электрической и механической прочности, нагрева, надежности, сварочных свойств, а также климатические испытания.
Проверка технических характеристик заключается в измерении напряжения холостого хода и тока короткого замыкания, снятии внешних характеристик, определении пределов регулирования тока и напряжения, определении КПД и коэффициента мощности в номинальном режиме. В этом испытании используются метрологически поверенные измерительные приборы с классом точности не ниже 1,5 и специальное испытательное оборудование, например, измеритель внешних характеристик. Отдельно выполняются испытания при пониженном и повышенном напряжении сети.
Проверка сопротивления изоляции между входной цепью и корпусом, сварочной цепью и корпусом, входной и сварочной цепями выполняется с помощью мегомметра на 500 Вив зависимости от типа изоляции должно быть не менее 2,5-5 МОм. Следующим этапом испытания является проверка диэлектрической прочности изоляции приложением в тех же точках повышенного напряжения до 3750 В. Двойное в сравнении с номинальным напряжение подается на первичную и вторичную обмотки трансформатора для контроля межвитковой изоляции.
Механические испытания корпуса на прочность и жесткость выполняются при нанесении по нему ударов с энергией 10 Нм. Прочность всей конструкции проверяют сбрасыванием с фиксированной высоты, например, источников массой более 25 кг с высоты 100 мм. После механических воздействий проверяют работоспособность источника с включением на номинальную нагрузку.
Испытания на нагрев должны определить превышение температуры обмоток или других элементов над температурой окружающего воздуха при работе источника в номинальном режиме. В этом случае в качестве нагрузки используют балластный реостат, а повторно-кратковременный или перемежающийся режим работы имитируют с помощью контактора и реле времени. Основным методом измерения превышения температуры
ДТ над окружающей средой принят метод сопротивления по соотношению
ДТ = AR/(Roa),
где 7?о — начальное сопротивление обмотки, мОм; Д7? — увеличение сопротивления, мОм; а — температурный коэффициент, 1/град. Допускается измерение температуры изоляции обмоток с помощью термопар или других термодатчиков.
Испытания сварочных свойств выполняются по ГОСТ 25616-83 методом субъективной экспертной оценки, описанной в разделе 2. В дополнение к ней в УГТУ-УПИ разработана методика объективной оценки по непосредственным критериям. Надежность зажигания дуги оценивается по величине предельной начальной длины дуги, при которой дуга еще не обрывается и горит не менее 1 с. Эластичность дуги оценивается величиной разрывной длины дуги, т. е. ее значением перед естественным обрывом при плавлении электрода, а в случае неплавящегося электрода — при его медленном отводе от детали. Устойчивость процесса характеризуется частотой обрывов при расплавлении одного электрода на номинальном и минимальном рекомендуемом для данного электрода токе. Другой характеристикой устойчивости может служить минимальный ток устойчивого горения дуги при его плавном снижении с помощью регулятора источника. Для оценки стабильности режима нужно фиксировать относительные отклонения тока и напряжения, длящиеся более 1-3 с, так как только такие ошибки влияют на геометрию шва. Перенос электродного металла характеризуется частотой и длительностью коротких замыканий каплями, а также коэффициентом разбрызгивания.
Климатические испытания требуют наличия специальной камеры, в которой источник выдерживают в одном варианте при повышенной влажности до 95 % и повышенной температуре до 60°С, а в другом — при пониженной температуре до — 40°С. После этого источник проходит повторное испытание технических характеристик при нормальной температуре.
Испытания на надежность особенно трудоемки. При нормальных условиях надежность сварочных источников оценивается наработкой на отказ не менее 1000 часов. Поэтому испытания ведут в ускоренном режиме, для чего повышают температуру рабочей среды до 240-260°С и сопровождают нагрев электродинамическими ударами за счет многократных коротких замыканий внешних зажимов источника, после чего проверяют диэлектрическую прочность изоляции.
Комплексная оценка качества источников питания может быть выполнена с помощью критериев отраслевого стандарта ОСТ 16.0.800.669-79 «Оборудование электросварочное. Оценка уровня качества», который
применяется для сертификации оборудования при серийном производстве (табл. 7.2).
Для наших целей все критерии объединены в группы общей природы происхождения. Всего выделено шесть групп показателей качества:
— сварочные свойства,
— техническое совершенство,
— унификация,
— патентно-правовые аспекты,
— экономические характеристики,
— надежность.
В группу сварочных свойств включены не только непосредственные критерии сварочных свойств, такие, как кратность регулирования тока, но и косвенные критерии — напряжение холостого хода, а также технико-экономические показатели — КПД, мощность и масса источника. В группу показателей технического совершенства отнесены удельная трудоемкость изготовления и удельная материалоемкость, в частности по активным материалам (медь, алюминий, электротехническая сталь) на 1 кВт мощности источника. К показателю унификации отнесен процент применения стандартных и унифицированных деталей, которые использовались в более ранних массовых изделиях. Патентно-правовые показатели отражают патентную защищенность, т. е. наличие патентов на оригинальные технические решения, и патентную чистоту, т. е. отсутствие заимствованных решений, описанных в чужих патентах. В группу экономических показателей отнесена себестоимость продукции в рублях, а также эффект от применения источника у потребителя. В группу показателей надежности отнесены характеристики теплостойкости изоляционных материалов, а также наличие или отсутствие быстроизнашиваю-щихся подвижных частей.
Для вычисления комплексного показателя качества QO6 используют метод средневзвешенных оценок с заданием коэффициентов весомости в соответствии с ГОСТ 23554.2-81 «Экспертные методы оценки качества промышленной продукции». Аналитически эта оценка может быть представлена в виде
п ^об = Qi^ii i=l
где п — общее количество учитываемых показателей качества источника питания; Qi — величина показателя качества; £/ — весовой коэффициент i-ro показателя.
Для назначения весовых коэффициентов экспертами ранжируется значимость каждой из шести групп показателей качества. При этом вы-
п
полняется очевидное равенство ^2 £/ = 1. Данный подход позволяет про-i=i
водить оценку качества, используя как абсолютные значения показателей, так и их относительные значения. Первый вариант был использован для комплексной оценки сварочных свойств источников (раздел 2.2.1). Во втором варианте абсолютные значения показателей качества нового источника Ми сопоставляются либо с показателями лучшего аналогичного источника Ма, либо с показателями гипотетического источника Мг, обладающего совокупностью их наилучших значений. Таким образом, значение относительного показателя вычисляется по соотношению Qt = Мп/М& или Qi = Ма/Ми в зависимости от того, является достижением то или другое. Необходимо иметь в виду, что если значение относительного показателя больше единицы, то это свидетельствует о том, что данный показатель нового источника лучше, чем у аналогичного сравниваемого источника.
Таблица 7.2
Оценка уровня качества трансформатора ТСМ-250
Группа | Показатели качества Абсолютные значения показателей источника Относительные значения показателей ТСМ-250 Весовой коэф-фици-ент £/
ТСМ-250 ми тд-306 Ма гипо-тети-ческо-го Мт кТД-306 Qa К гипо-тети-ческо-му Qr
1 Сварочные свойства, в т. ч.: 1,07 0,92 0,3
кратность регулирования тока 2,77 3,00 3,33 0,92 0,83
напряжение холостого хода, В 60 60 60 1,00 1,00
кпд 0,65 0,78 0,78 0,83 0,83
масса, кг 43,5 67 43,5 1,54 1,00
2 Техническое совершенство, в т. ч.: 1,37 0,91 0,3
удельная трудоемкость, нч/кВт 3,35 5,2 3,35 1,55 1,00
удельная материалоемкость, кг/кВт 16,7 19,9 13,7 1,19 0,82
3 Унификация — — — 0,8 0,8 0,05
4 Патентно-правовые аспекты — — — 1,23 0,98 0,05
5 Экономические характеристики — — — 1,02 0,95 0,05
6 Надежность — — — 1,29 1,00 0,25
Обобщенный показатель качества (?об 1,21 0,94
В таблице 7.2 приведен пример оценки качества трансформатора ТСМ-250, разработанного в Институте электросварки им. Е.О. Патона.
Сравнение проведено с трансформатором ТД-306 и гипотетическим источником. Результаты оценки показали, что трансформатор ТСМ-250 лучше серийного ТД-306 (Qog = 1,21) и лишь незначительно уступает гипотетическому источнику, вобравшему в себя лучшие показатели из всех монтажных трансформаторов (Q06 = 0,94).
7.1.3. Испытания готовой продукции
В зависимости от назначения различают испытания стандартные, типовые, сертификационные, аттестационные.
Стандартным (приемо-сдаточным) испытаниям подвергается на предприятии-изготовителе каждый источник для подтверждения его полной готовности к эксплуатации. Программа испытаний включает внешний осмотр, проверку заземления, измерение сопротивления изоляции, определение напряжения холостого хода, номинального тока и пределов его регулирования, а также испытание диэлектрической прочности. Типовые (периодические) испытания выполняются раз в два года по расширенной программе с целью установления соблюдения и стабильности качества готовых изделий. В программу испытаний дополнительно включают проверку на нагрев и механическую прочность. Типовые испытания выполняются также после внесения изменений в конструкцию только по тем характеристикам, которые от этих изменений зависят.
Сертификация — это установление соответствия источника требованиям нормативной документации, в частности ГОСТ 95-77 — на трансформаторы для ручной дуговой сварки, ГОСТ 7012-77 — на трансформаторы для автоматической сварки под флюсом, ГОСТ 13821-77 — на выпрямители с падающими внешними характеристиками, ГОСТ 304-82 — на генераторы постоянного тока, ГОСТ 2402-82 — на агрегаты с двигателями внутреннего сгорания. Сертификация сварочного оборудования является добровольной. Она проводится по заявке предприятия-изготовителя в аккредитованном Госстандартом РФ сертификационном органе. По результатам испытаний производителю источника выдается сертификат качества или сертификат соответствия. Например, Институт сварки России имеет лицензию для работы в качестве органа по сертификации оборудования для сварочного производства. В его лабораториях выполняются следующие испытания:
— установление класса оборудования по способу защиты человека от поражения электрическим током и степени защиты оборудования;
— определение основных параметров назначения и технических характеристик, в том числе при колебаниях напряжения сети;
— оценка сварочных свойств;
— определение сопротивления и диэлектрической прочности изоляции;
— измерение превышения температуры рабочих органов;
— испытания механической прочности и вибростойкости;
— измерение шумовых характеристик;
— определение показателей надежности.
Аттестация источников, применяемых при изготовлении опасных производственных объектов (котлы, трубопроводы, подъемно-транспортное оборудование и т. д.), проводится по нормативной документации Ростехнадзора в аттестационных центрах, аккредитованных Национальной ассоциацией контроля и сварки. Целью аттестационных испытаний является проверка технических характеристик источника, определяющих требуемое качество сварных соединений. Аттестационный центр, имеющий необходимую производственно-испытательную базу, по заявке производителя или потребителя источников питания проводит специальные (в три этапа) и практические испытания. Первый этап специальных испытаний заключается в проверке документации сварочного источника. На втором этапе специальных испытаний проводят проверку соответствия источника инструкции по безопасной эксплуатации, а также требованиям нормативной документации Ростехнадзора. На третьем этапе специальных испытаний измеряют следующие параметры: номинальный сварочный ток, пределы регулирования тока, напряжение питающей сети, напряжение холостого хода, режим работы ПН или ПВ, вид внешней характеристики, габаритные размеры и массу. На третьем этапе также выполняется визуально-измерительный контроль электрических систем источника в отношении комплектности, целостности и внешнего вида. Практические испытания заключаются в оценке показателей сварочно-технологических свойств источников при выполнении контрольных сварных соединений. Сварку выполняют два сварщика не ниже 5 разряда, аттестованные на 1 уровень квалификации по правилам Ростехнадзора. Оценку качества выполняет аттестационная комиссия в количестве не менее трех человек на основе визуально-измерительного контроля. Для оценки источников принята балльная оценка по методике ГОСТ 25616-83. По результатам испытания потребителю или производителю источника выдается свидетельство на право его применения при изготовлении, монтаже или ремонте опасных технических объектов конкретным способом сварки.
7.2. Выбор, монтаж и пуск источников
7.2.1. Методика выбора
Требования технологического процесса сварки стоят на первом месте среди критериев выбора. К ним относятся способ и вид сварки, род тока, диапазон сварочных режимов и т. д. Немаловажное значение имеют также цена и технико-экономические показатели источника. Все эти сведения обычно приводятся в справочниках, каталогах и номенклатурных списках заводов-изготовителей, а в последнее время также на их сайтах в Internet (см. табл. 7.1). Рекомендуется следующий порядок выбора (рис. 7.1).
Систему обслуживания сварочных постов энергией (однопостовая или многопостовая) принимают в зависимости от количества постов, компактно расположенных в цехе или на стройке. Многопостовые системы экономичны уже при количестве однотипных постов более четырех.
Способ сварки следует задать уже в начале выбора, поскольку от него зависят такие важные параметры источника, как тип внешней характеристики, напряжение холостого хода, кратность тока короткого замыкания и т. д. Соответствующие требования изложены в разделе 2.3. Пост, предназначенный для нескольких способов сварки, может быть укомплектован универсальным источником. На рис. 7.1 такое совмещение функций предусмотрено только для близких способов, на практике оно гораздо шире. Определившись со способом, следует уточнить назначение. Так, при автоматической сварке под флюсом, как показано в разделе 2.3.3, требования к источнику меняются в зависимости от принятой системы автоматизации (АРДС или АРНД). При механизированной сварке плавящимся электродом в защитном газе различные требования предъявляет процесс в аргоне и в углекислом газе, а также процесс с управляемым переносом (импульсно-дуговая сварка). Источники для ручной дуговой сварки могут быть передвижными (для сварки в цехе) и переносными (для сварки на монтаже и в быту).
Тип источника принимается в основном по соображениям экономичности и мобильности. Сварочные трансформаторы в 2-4 раза дешевле выпрямителей, просты в обслуживании и неприхотливы в эксплуатации. Выпрямители как источники постоянного тока обеспечивают более устойчивое горение дуги и, следовательно, более высокое качество сварки, особенно при токе менее 100 А. Агрегаты используются на монтаже и в строительстве в отсутствии сети электрического тока.
Номинальный ток как главный параметр источника зависит от режимов сварки на данном посту. На рис. 7.1 приведены только значения
Рис. 7.1. Схема выбора источника
номинальный ток
@ в 630 500 1000 630 1600 1000 2000 1250 1600 2000
125 125 125 125
160 160 160 250
200 200 250 315
250 250 315 400
315 315 400 500
400 400 500
500 500
100 630
200 800
315 1000
400 1250
500
7.2. Выбор, монтаж и пуск источников 355
номинальных токов, предусмотренных стандартами для соответствующих типов источников. Выбор уточняется после ознакомления с такими техническими характеристиками, как диапазоны регулирования тока и напряжения. Климатическое исполнение и категория размещения также учитываются при уточнении выбора.
Автоматизированный поиск источников питания может проводиться по алгоритму, приведенному на рис. 7.1, для реализации которого на кафедре «Технология сварочного производства» УГТУ-УПИ разработано программное обеспечение для персонального компьютера. Программное обеспечение состоит из базы данных, содержащих технические характеристики более 400 источников, выпускающихся в массовом порядке предприятиями России и стран СНГ, и системы управления, позволяющей осуществлять выбор источника по заданным критериям. Процедура поиска предусматривает диалог пользователя с ПЭВМ. Пользователю предлагается система всплывающих меню (рис. 7.2), в которых приведены ключевые слова, являющиеся одновременно критериями выбора. Всего пользователю предлагается семь групп критериев:
— тип источника,
— способ сварки, наплавки и резки,
— род тока,
— номинальный ток,
— количество сварочных постов,
— климатическое исполнение,
— категория размещения.
Источники общего назначения
—... ......... Тип источника —
Т рансформатор Выпрямитель Преобразователь с электродвигателем Способы сварки, наплавки и резки ----------------
Ручная дуговая покрытыми электродами Плавящимся электродом в активном газе ______
Дуговая сварка и наплавка под флюсом Плавящимся электродом в инертном газе Неплавящимся электродом в инертном газе
Количество сварочных постов Однопостовой Многопостовой Универсальный
— Род тока — Постоянный ток Переменный ток Импульсный ток
|— Номинальный ток —
100 А
125 А
150 А
200 А
250 А
* 315 А
400 А
500 А
— 630 А
800 А
1000 А
1250 А
----1600 А
I 2000 А
А с
“ Климатическое исполнение
* Умеренный климат Холодный климат Тропический климат
— Условия размещения — На открытом воздухе Под навесом В помещениях
База данных по источникам питания для сварки В.С.Милютин, Ю.С.Давыдов - 1992
Рис. 7.2. Процедура автоматизированного поиска источника
В каждую группу входят конкретные характеристики, позволяющие пользователю выбрать требуемое значение. Затем с использованием таблиц соответствия происходит выбор источников, отвечающих заданным критериям. Учитывая, что поиск сразу по всем критериям достаточно сложен, рекомендуется вести его поэтапно. На первом этапе выбираются наиболее значимые для поставленной задачи критерии, например, способ сварки и номинальный ток. После сканирования базы данных на монитор компьютера выводятся марки источников, удовлетворяющие условиям поиска. Результаты этого этапа еще не позволяют выбрать конкретный источник, но обеспечивают глубину поиска и предотвращают потерю источников, приемлемых по заданной части требований. До выполнения следующих этапов рекомендуется просмотреть полные технические характеристики отобранных источников, поскольку в них содержатся сведения, трудно формализуемые и поэтому не введенные в число критериев. Если просмотра оказывается недостаточно для выбора, следует увеличить число критериев и тем ужесточить условия поиска. Чаще всего результат поиска в этом случае позволяет выбрать конкретный источник, соответствующий всем заданным критериям. При необходимости сведения о выбранном источнике, включающие его марку, технические характеристики и текстовые сведения о заводе изготовителе и годе начала выпуска могут быть выведены на печать (рис. 7.3).
400 80...460 80 36 27 60 505*555x850
145 завод «Искра» 1983
х=ж=х==========в== ТДМ-401У2 1 ...т---
Однопостовой трансформатор предназначен для ручной дуговой сварки покрытыми электродами. Климатическое исполнение — для умеренного климата. Условия работы — под навесом.
Техническая характеристика номинальный сварочный ток, А пределы регулирования сварочного тока, А напряжение холостого хода, В ном.рабочее напряжение, В ном.первичная мощность, кВ*А отн. продолжительность нагрузки ПН, % габаритные размеры, мм масса, кг изготовитель год разработки
Рис. 7.3. Итог автоматизированного поиска источника
7.2.2. Размещение и подключение
Категория размещения источников питания учитывается при конструировании их кожухов и оболочек. Сварочные агрегаты, имеющие категорию размещения 1, могут эксплуатироваться на открытом воздухе,
поскольку имеют собственную крышу и капот, защищающие их от дождя и снега. Сварочные трансформаторы, допускающие категорию размещения 2, могут работать под навесом. При этом они подвержены колебаниям температуры и влажности воздуха, но защищены от воздействия осадков. Большинство остальных источников (трансформаторы, выпрямители, установки) изготавливаются по категории размещения 3, т. е. могут работать в закрытых помещениях (цехах) без регулирования климатических условий. Категория размещения 4 (в помещениях с регулируемым климатом) рекомендуется только для источников с водяным охлаждением.
В сварочном цехе источники располагаются в отдельном помещении — машинном зале — или непосредственно у рабочих мест. В машинном зале улучшаются условия обслуживания и ремонта, особенно многопостовых источников, но при этом увеличиваются расход сварочных кабелей и потери энергии. При размещении источников в цехе их устанавливают вблизи стен или колонн, чтобы не занимать производственную площадь. Сварочные источники не нуждаются в фундаменте и устанавливаются прямо на полу.
«Правила устройства электроустановок» (ПУЭ) требуют оставлять проходы для безопасной эксплуатации и обслуживания электрооборудования. Источники должны располагаться не ближе 0,5 м от стен. Расстояние между однопостовыми трансформаторами и выпрямителями должно быть не менее 0,1 м, между агрегатами — не менее 0,8 м, а между многопостовыми источниками — не менее 1,5 м.
Питание сварочного оборудования осуществляется от цеховой силовой трехфазной сети. Подвод тока от подстанции к цеховым распределительным шкафам выполняется кабельными линиями, проложенными по стене на опорных конструкциях или в полу по кабельному каналу. При расчете нагрузки цеховой силовой сети сначала определяют среднюю полную мощность сварочного поста
S" -
Затем рассчитывают суммарную мощность потребителей с учетом их количества п и коэффициента одновременности /г():
Sz = Snnfeo. (7.2)
При равномерной загрузке трех фаз находят расчетный ток
1рс = 5х/(л/ЗПл),
(7.3)
по полу. Сечение провода рассчитывается по соотношению (7.4) или выбирается из справочников по величине расчетного тока. Расчетный ток для однофазного источника принимается в зависимости от номинальной мощности SH по соотношению 1рс = 5н\/ПН/С7л> а для трехфазного — /рс = внл/ПН/(л/317л). На стене вблизи источника устанавливается силовой ящик 2 с рубильником и трубчатыми плавкими предохранителями. Предохранители выбираются по первичному номинальному току источника не более чем с трехкратным запасом с целью его защиты от перегрузок и коротких замыканий. Вместо силового ящика возможна установка автоматического выключателя 3, его тепловые элементы рассчитывают также не более чем с трехкратным запасом, а электромагнитный быстродействующий расцепитель для защиты только от коротких замыканий — не более чем с 4,5-кратным запасом. От силового ящика к источнику 12 питание обычно подается проводом 4 в трубе, закрепленной на стене и полу. При подключении переносных и передвижных источников допускается использование гибкого трех-четырехжильного кабеля 14 длиной не более 15 м.
Подача сварочного тока к электрододержателю 8 и столу сварщика 7 выполняется гибким сварочным проводом 9 марки КОГ1 или КОГ2 длиной до 15 м, провод КОГ2 имеет 2-4 жилы для подключения цепей управления. Сечение провода принимается из табл. 7.3 с учетом повторнократковременного режима работы сварочного поста. Этот провод имеет медные жилы, скрученные из тонких проволок, пластмассовую или резиновую изоляцию толщиной 0,6-1,4 мм, а также наружную защитную оболочку толщиной 1,2-1,6 мм. Он допускает многократные перегибы и механические нагрузки на растяжение и раздавливание, он не возгорается при контакте с каплями расплавленного металла. Провод должен иметь медный или алюминиевый наконечник, припаянный или запрессованный на медных жилах. Соединение кусков провода выполняется специальными муфтами, допускается также болтовое 10, сварное и паяное соединение с последующей изоляцией. Переносные и передвижные источники иногда комплектуются быстродействующими байонетными разъемами 13, в этом случае провод вставляется в гнездо на источнике и при вращении надежно закрепляется (см. также рис. 3.21). Обратный провод 11, соединяющий источник со столом сварщика, может выполняться в виде голой шины — медной, алюминиевой или стальной. Не
Таблица 7.3
Максимальные токовые нагрузки на кабели КОГ1 и КОГ2 при ПН = 100 %
Сечение жилы, мм2 16 25 35 50 70 95 120 150
Сила тока, А 195 248 301 372 454 533 608 687
допускается использовать в качестве обратного провода металлические конструкции, трубопроводы и заземляющие шины.
Заземление корпуса источника выполняется голым медным проводом 5 сечением не менее 5 мм2 или голым стальным проводом сечением не менее 10 мм2. Заземляются также металлический корпус силового ящика 2 и зажим источника, соединенный со столом. Заземляющий провод надежно крепится к цеховой шине заземления 6.
7.2.3. Соединение источников на параллельную и последовательную работу
Если ток источника недостаточен для питания мощной дуги, то соединяют на параллельную работу два или более источников.
Общие правила параллельного соединения источников сформулируем на основе анализа схемы (рис. 7.5). Сварочный ток 1() равен сумме токов источников:
ie-ii+i2, 'i’V2' (7.5)
—и1 —и2
где Ei = Uxi и Е2 = UX2 — ЭДС или напряжения холостого хода источников, соединяемых на параллельную работу, £и1 и £и2 — внутренние сопротивления источников (здесь и далее в комплексной форме).
Рис. 7.5. Схема параллельного соединения двух сварочных источников
Настройка режима одновременным изменением четырех параметров (Uxl, UX2y ZH1, £й2) затруднительна. Поэтому предпочтительно соединение одинаковых источников — с одинаковыми напряжениями холостого хода. Их равномерная загрузка (Ii = I2) достигается при одинаковой установке их регуляторов, когда ZH1 = £и2. В этом случае
1д = 2
Ux-Uo
Для настройки режима можно также воспользоваться внешней характеристикой, полученной графическим суммированием характеристик соединяемых источников (рис. 7.6). Видно, что в случае соединения неодинаковых источников (рис. 7.6,6) при малом сварочном токе работает в основном источник с высоким напряжением холостого хода t7xi, но при больших токах нагрузка распределяется между источниками обратно пропорционально их внутреннему сопротивлению, т. е. прямо пропорционально номинальной мощности.
Рис. 7.6. Внешние характеристики поста при параллельном соединении источников
Во внутреннем контуре источников возникает ток
_ Ё1 — Ё2 вк~£,1 +Z-
—и1 ~и2
(7.7)
Этот внутриконтурный ток является вредным, поскольку вызывает расходование энергии на внутренних сопротивлениях источников без полезного действия в дуге и существует даже при разорванной цепи дуги, т. е. при холостом ходе системы «источник-дуга». Для его уменьшения следует выравнивать напряжения холостого хода двух источников, т. к. 1ВК = О при jEi = Е2- Особенно велик этот ток, если в сеть включен только один из источников, он близок к току короткого замыкания:
I - и* 2вктах /7 1?7
—и1 —и2
Такой режим можно предотвратить установкой ключа S, который замыкают только после подключения к сети обоих источников, а для источников постоянного тока — установкой вентилей VI и F2.
Вышеизложенное позволяет сформулировать правила соединения источников на параллельную работу:
— при монтаже соединяются одноименные зажимы источников (одинаковой полярности или фазы).
— рекомендуется соединять однотипные (лучше — одинаковые) источники,
— принимаются меры для ограничения внутриконтурных токов и загрузки источников пропорционально их мощности.
Особенности соединения на параллельную работу разных типов источников иллюстрирует рис. 7.7. Первичные обмотки трансформаторов Т1 и Т2 с помощью рубильников или автоматических выключателей Q1 и Q2 подключают обязательно к одинаковым линейным проводам трехфазной питающей сети, с тем чтобы фазы вторичных ЭДС совпадали (рис. 7.7,а). С вторичной стороны необходимо попарно соединить зажимы одинаковой полярности. С этой целью произвольно соединяют пару зажимов, например, XI и ХЗ, и на холостом ходу прибором PV проверяют напряжение между зажимами Х2 и Х4. Если напряжение близко к нулю, зажимы найдены верно. Если напряжение равно сумме C7xi + С/Х2, следует поменять соединение зажимов. Во вторичной цепи устанавливают также рубильник Q3, с его помощью одна из пар зажимов (Х2 и Х4) соединяется уже после включения в сеть обоих трансформаторов, что предотвращает появление внутриконтурного тока большой величины.
Особенности соединения выпрямителей иллюстрирует рис. 7.7,6. Соединение диодных выпрямителей не вызывает особых трудностей. Вну-
Рис. 7.7. Схемы соединения на параллельную работу трансформаторов (а) и выпрямителей (6)
триконтурные токи в таких схемах невозможны, поскольку к выпрямительному блоку они прикладываются в обратном направлении. Вполне допустимо даже соединение выпрямителей с сильно различающимися параметрами (см. рис. 7.6,6). Наиболее часто на параллельную работу соединяют многопостовые выпрямители. Они подключаются к общей магистрали тока по мере необходимости, причем некоторые из них могут находиться в резерве на случай выхода из строя работающего источника. Вентильные генераторы соединяются так же, как и диодные выпрямители. Выпрямители с тиристорными выпрямительными блоками соединять на параллельную работу не рекомендуется, поскольку у них даже при незначительном различии углов управления сильно различается загрузка.
Последовательное соединение источников используется в том случае, когда необходимо повысить напряжение холостого хода и рабочее напряжение, например, при плазменных процессах. При этом плюсовой зажим одного источника соединяется с минусовым другого, а два оставшиеся соединяются с нагрузкой. Напряжение холостого хода в такой схеме Ux = (7Х1 + (7Х2, а ток
io = (их1 + (7x2 - гло/(£и1 + £и2)- (7.8)
7.2.4. Наладка
Испытательно-наладочные работы в полном объеме выполняют на заводе-изготовителе источника, а также после капитального ремонта в электроремонтном цехе завода, эксплуатирующего источники. Здесь рассмотрим только наладку и приемо-сдаточные испытания после монтажа источника на посту сварки. В соответствии с Правилами устройства электроустановок их выполняет квалифицированный электромонтер, как правило, в четыре этапа.
Проверка без подачи напряжения включает внешний и внутренний осмотр, измерение сопротивления изоляции, испытание заземления. При осмотре очищают источник от пыли, снимают консервационную смазку, обнаруживают внешние повреждения, проверяют соответствие напряжения сети напряжению, указанному на табличке, затем проверяют состояние приборов, проводов, плотность контактов и пайки, легкость хода механических приводов, вращение вала генератора и вентилятора. Сопротивление изоляции первичных и вторичных обмоток измеряется мегомметром на 500 В при подключении его к входным и выходным зажимам, а также к корпусу источника. Допустимое сопротивление изоляции указывается в инструкции к источнику, но во всяком случае должно быть не менее 2,5 МОм. В случае снижения сопротивления источник должен
быть просушен теплым воздухом и повторно проверен. Сопротивление заземления проверяется между корпусом источника и цеховым заземляющим контуром, оно должно быть не более 4 Ом.
Проверка с подачей напряжения только в цепи управления выполняется при наладке источников с электрическим управлением. При этом проверяется срабатывание сигнальных ламп и автоматического выключателя при ручном включении, в случае его автоматического выключения выявляют причину неисправности. При пуске вентилятора проверяется направление потока воздуха, при неверном направлении меняют местами два провода на входных зажимах источника.
Проверка с подачей напряжения в сварочные цепи начинается при установке всех регуляторов в положение минимальных токов. Первое включение выполняют кратковременно, при этом у генераторов проверяют направление вращения. В режиме холостого хода последовательно проверяют работу всех настроечных устройств, если их переключение допустимо под напряжением. По приборам контролируют соответствие напряжения холостого хода паспортному. При обнаружении неисправностей их устраняют или заменяют неисправные блоки и элементы. С помощью подстроечных устройств добиваются соответствия характеристик источника паспортным. Иногда подстройка требует работы источника в режиме нагрузки, в этом случае удобно дугу заменить балластным реостатом.
Приемо-сдаточные испытания источника выполняются, как правило, при участии сварщика, они должны подтвердить соответствие технических характеристик их паспортным значениям и удовлетворение требований к сварочным свойствам. Сварка выполняется во всем диапазоне режимов, при этом должно быть обеспечено надежное зажигание и устойчивое горение дуги, эффективное регулирование тока и напряжения, благоприятный характер переноса электродного металла и качественное формирование шва. В процессе сварки контролируется поведение источника — шум, вибрация, нагрев.
7.3. Обслуживание и ремонт источников
7.3.1. Организация обслуживания и ремонта
Система технического обслуживания и планово-предупредительного ремонта (ППР) разработана для обеспечения бесперебойной и длительной
работы электросварочного оборудования. С учетом действия этой системы завод-изготовитель дает гарантии отдельных показателей надежности. Так, наработка на отказ для разных типов источников составляет не менее 1000-4000 часов при доверительной вероятности 0,8. Ресурс работы источников до капитального ремонта устанавливается на уровне 13-20 тысяч часов. Средний срок службы до списания составляет для агрегатов 3-4 года, а для трансформаторов и выпрямителей — 5-8 лет.
Систему ППР сварочного оборудования возглавляет на предприятии энергетик или механик. В его подчинении находятся электромонтеры-наладчики, которые осуществляют пуск и обслуживание источников, а также периодические осмотры (через 1-2 месяца) и мелкий текущий (Т) ремонт. Обычно наладчик обслуживает 10-20 однотипных постов сварки. Плановые средний (С) и капитальный (К) ремонты выполняются электро-ремонтным участком с определенной периодичностью. Так, для источников общепромышленного назначения рекомендуется следующая последовательность плановых ремонтов: пуск (К)-Т-С-Т-С-Т-С-Т-К. При этом период между ремонтами установлен в 3 месяца, так что межремонтный цикл от одного капитального ремонта до другого составляет 2-3 года в зависимости от сменности эксплуатации источников. До списания экономично выполнять не более 1-3 капитальных ремонтов. Внеплановый ремонт источника назначают при выявлении его неработоспособного состояния, в частности в результате аварии.
Процедуры обслуживания и ремонта обычно указываются в технической инструкции на источник. Ежедневное обслуживание источника выполняется сварщиком перед началом работы. Он осматривает источник для выявления внешних повреждений, проверяет наличие заземления, крепление сварочных кабелей и герметичность газовых и водяных коммуникаций.
Периодическое обслуживание выполняется наладчиком. Один раз в месяц источник очищают от пыли струей воздуха и чистой ветошью, зачищают от нагара контакты, измеряют сопротивление изоляции, у коллекторного генератора проверяют состояние коллектора и щеток. Раз в три месяца проверяют аппаратуру управления и входные фильтры. Каждые шесть месяцев меняют смазку в подшипниках, смазывают ходовые винты и другие трущиеся части, подтягивают болтовые соединения, проверяют состояние проводов, пайки и изоляции.
Текущий ремонт, как правило, выполняется наладчиком прямо на посту сварки без полной разборки, но с отключением от сети. При этом устраняются неисправности путем замены или восстановления отдельных частей, что и обеспечивает работоспособность источника до более серьезного ремонта. Следовательно, работоспособным может быть и не
полностью исправный источник (например, при неработающем амперметре). Трудоемкость текущего ремонта составляет около 15 час для трансформаторов и 40 час — для агрегатов.
Средний ремонт выполняется, как правило, на ремонтном участке, при этом ресурс источника восстанавливается частично путем замены или восстановления только некоторых его частей.
Капитальный ремонт может выполняться на ремонтном участке или на специализированном ремонтном предприятии. При этом добиваются исправности источника с полным восстановлением его ресурса. Для этого приходится заменять и восстанавливать любые части источника, в том числе базовые, такие как обмотка, вентильный блок, блок управления. Средняя трудоемкость капитального ремонта составляет около 50 час для трансформаторов и 140 час — для агрегатов.
7.3.2. Устранение неисправностей
Перед поиском неисправностей следует ознакомиться с устройством, принципом действия и электрической схемой источника по его техническому описанию. В настоящем учебном пособии эти сведения приведены в 3-6 разделах. Поиск выполняется с использованием тестера — ампервольтомметра или цифрового прибора — мультиметра, а также с помощью осциллографа. В техническом описании обычно приводится перечень типичных неисправностей с указанием их причин и способов устранения (табл. 7.4-7.7).
Таблица 7.4
Неисправности трансформаторов с механическим регулированием
Неисправность Причина Способ устранения
Сильный нагрев части обмотки, повышенное гудение Межвитковое замыкание Разобрать трансфор- матор, ликвидировать замыкание, восстановить изоляцию витков
Повышенный нагрев сердечника и шпилек Нарушение изоляции листов сердечника или шпилек Восстановить лаковую изоляцию листов и изоляцию шпилек
Повышенный нагрев контактов Нарушение и ослабление контактов в болтовых соединениях Зачистить контактные поверхности, до отказа затянуть гайки
Повышенный нагрев и оплавление контактов переключателя Ослабление контактов Зачистить поверхности контактов или заменить контакты и их пружины
Окончание табл. 7.4
Неисправность Причина Способ устранения
Сильная вибрация трансформатора Ослабление болтовых и шпилечных соединений, повреждение винтового привода регулятора Затянуть гайки и болты, заменить винт и гайку привода регулятора
Источник отключается сетевым автоматиче- ским выключателем или предохранителем при пуске Короткое замыкание обмоток между собой или на корпус Устранить замыкание, восстановить изоляцию обмоток
Таблица 7.5
Неисправности выпрямителей, управляемых трансформатором
Неисправность Причина Способ устранения
Двигатель вентилятора гудит и не вращается Обрыв в цепи одной из фаз Устранить обрыв, заменить предохранитель
На выходе выпрямителя нет напряжения Неверное направление вращения вентилятора Неисправность реле контроля вентиляции Сработала защита при пробое диода Заменить местами два провода на входе выпрямителя Устранить заедание привода реле Заменить диод
Выпрямитель дает пониженное напряжение и вдвое меньший ток Обрыв в цепи одной из фаз Выгорел диод Устранить обрыв Заменить диод
Примечание: неисправности силового трансформатора устранять по рекомендациям табл. 7.4.
Таблица 7.6
Неисправности тиристорных выпрямителей и трансформаторов
Неисправность Причина Способ устранения
Источник отключается автоматическим выключателем при пуске Пробой тиристора Проверить тиристоры по внешнему виду и тестером, заменить неисправный
На выходе источника нет напряжения Выгорели тиристоры Обрыв цепи обратной связи по току Отсутствие напряжения управления тиристорами Проверить все тиристоры, заменить неисправные Проверить цепь обратной связи Проверить работу схемы по карте напряжений
Окончание табл. 7.6
Неисправность Причина Способ устранения
Не обеспечивается необходимый тип внешних характеристи Обрыв или неправильное включение цепей обратной связи по току и напряжению Проверить цепи обратной связи
Низкая устойчивость и стабильность режима сварки Не на все тиристоры подается сигнал управления Проверить осциллографом наличие импульсов на управляющих электродах тиристоров
Примечание: неисправности силового трансформатора, вентилятора и реле контроля вентиляции устранять по рекомендациям табл. 7.4 и 7.5.
Таблица 7.7
Неисправности вентильных генераторов
Неисправность Причина Способ устранения
Повышенный шум и нагрев подшипника Отсутствие смазки, выход подшипника из строя Смазать или заменить подшипник
На выходе генератора нет напряжения Низкая остаточная намагниченность Обрыв цепи возбуждения Многократно повторить возбуждение при больших токах, запитать обмотку возбуждения от постороннего источника напряжением 12 В Восстановить цепь после проверки диодов
На выходе генератора нет напряжения даже при работе двигателя под нагрузкой Пробой вентилей Короткое замыкание рабочих обмоток между собой или на корпус Заменить неисправные ДИОДЫ Устранить короткое замыкание, перемотать рабочие обмотки
Примечание: неисправности двигателей внутреннего сгорания не рассмотрены.
Поиск неисправностей начинают с внешнего осмотра источника со снятым кожухом. Иногда при обнаружении подозрительного элемента или блока его заменяют заведомо исправным и включают источник, наблюдая поведение этого элемента и работу источника в целом. Более эффективен способ поочередного отключения блоков или элементов, после каждого отключения на источник подают напряжение и одновременно наблюдают, не исчез ли при этом признак дефекта. Возможен и обратный этому способ последовательного подключения элементов и блоков. Трудоемким, но и более эффективным является способ измерения сопротивлений элементов (прозвонка) и напряжений в контрольных точках, а также осциллографирование.
В качестве примера на рис. 7.8 показаны места и причины неисправностей тиристорного выпрямителя.
повреждение разъема
короткое замыкание на корпус
межвитковое замыкание
Рис. 7.8. Ремонт тиристорного выпрямителя
7.4. Безопасная эксплуатация источников
7.4.1. Требования безопасности и эргономики к конструкции источников
При конструировании и изготовлении источников учитывают положения Системы стандартов безопасности труда (ССБТ), а также ГОСТ Р
МЭК 60974-1-2004 «Источники питания для сварки. Требования безопасности», идентичного стандарту Международной электротехнической комиссии IEC 60974-1:1998 подобного названия. По этому стандарту входные цепи источников рассчитывают на подключение к сети переменного тока напряжением не более 1000 В, обычно — на 380 В. Бытовые источники обычно подключают к сети 220 В. Если источник работает в среде без повышенной опасности поражения электрическим током, то напряжение холостого хода не должно превышать 113 В пикового значения. Например, для источника переменного тока это соответствует 80 В действующего (среднеквадратичного) значения. Если источник переменного тока предназначен для работы в среде с повышенной опасностью, то его напряжение холостого хода ограничивается 48 В действующего значения. Напряжение холостого хода при механизированной сварке может достигать 141В пикового значения (для переменного тока 100 В действующего значения). Для специальных способов, например, плазменной резки допускается напряжение 500 В. Подключение источника к сети выполняется на доске зажимов, выполненной из прочного изоляционного материала. Провода питающего кабеля присоединяются к стальным зажимам гайками или болтами с шайбами, а сам кабель дополнительно крепится к корпусу. Доска имеет надпись «сеть» и закрывается крышкой с помощью винтов. Если у источника предусмотрена возможность подключения к разным сетям питания, например, 220 В и 3 х 380 В, то зажимы маркируются, чтобы предотвратить путаницу. Если источник укомплектован постоянно подключенным кабелем, то его длина не должна превышать 2 м, а провода снабжаются маркировкой, в частности провод для подключения к нейтрали сети может быть полосатым желто-зеленым.
Устройства для включения-выключения питания (контактор, автоматический выключатель) должны переключать все фазные провода и давать видимую информацию о включенном состоянии (положение рукоятки, сигнальная лампа и т. д.). Не должно быть гальванической связи входной и сварочной цепей — их связь осуществляется только через трансформатор. Не допускается внутреннего соединения сварочной цепи с заземлением, корпусом и другими металлическими деталями. Внутренние провода должны иметь двойную изоляцию (основную и дополнительную на случай повреждения основной) или усиленную основную изоляцию и соответствующее расчетным токам сечение. Провода закрепляют, чтобы избежать их разматывания и касания друг друга и корпуса. Подвижные катушки и шунты, а также неизолированные провода сварочных цепей располагают с достаточным воздушным зазором от остальных частей.
Подключение сварочных проводов к источнику выполняется с помощью быстродействующих байонетных разъемов (рис. 3.21) или винтовым
соединением на доске зажимов, отдельной от доски зажимов входной цепи. Разъемы и зажимы маркируются знаками « —» и «+» или символами электро до держателя (горелки) и струбцины (детали). Корпус источника должен иметь болт на защищенном от коррозии участке с символом © или надписью «Земля» (РЕ —point of earthing) для крепления внешнего защитного провода (заземления).
Если корпус источника выполнен в форме шкафа, то он должен иметь электрическую блокировку дверей или запираться на замок. Конструкцией осциллятора предусматривается блокировка, исключающая его работу при снятом кожухе, и не допускается непосредственный контакт цепей высокой и низкой частоты. Если в составе источника имеются конденсаторы, то при выключении источника необходимо предусмотреть их автоматический разряд ниже 60 В в течение 1 с.
Источники, как и другие виды электротехнических изделий, по способу защиты человека относят к одному из пяти классов: 0, 01,1, II и III. Классу 0 соответствуют источники, имеющие по крайней мере рабочую (основную) изоляцию и не имеющие заземления. Таковы, например, агрегаты с двигателями внутреннего сгорания. Большая часть источников относится к классам 01 и I, они имеют по крайней мере рабочую изоляцию и болт для заземления. Бытовые источники соответствуют классу II, в них предусматривается двойная изоляция, поскольку бытовая сеть обычно не имеет линии заземления.
Кожух источника должен обеспечивать защиту сварщика от прикосновения к токоведущим и вращающимся частям, а также защиту источника от попадания внутрь него воды и твердых тел. По этим признакам устанавливается степень защиты IP (index protection) источника. Большинство источников имеют степень защиты IP 22. Это означает, что кожух защищает от попадания внутрь источника пальцев и твердых тел диаметром более 12 мм, а также от капель воды, падающих под углом до 15° к вертикали.
Эргономические требования относятся, в частности, к наружной окраске источников. Принято окрашивать источники в немаркие нейтральные цвета — серый, стальной, темно-зеленый. Источники повышенного напряжения, например, для плазменной резки, для привлечения внимания, наоборот, окрашивают в яркий цвет — желтый или красный. Крупные фирмы, как правило, пользуются своей гаммой цветов, позволяющей выделить их оборудование среди прочих. Приборы и органы управления источников располагают на высоте от 600 до 1800 мм от пола на передней вертикальной или горизонтальной поверхности. Кнопка «аварийный стоп» выполняется в виде красного грибка диаметром не
менее 40 мм, удобной для нажатия формы. Источники для механизированной сварки снабжаются пультом дистанционного управления.
7.4.2. Меры безопасности при эксплуатации источников
Условия безопасной работы сварщика изложены в ГОСТ 12.3.003-75 «Работы электросварочные. Общие требования безопасности», а также в «Правилах устройства электроустановок». В них указываются требования к производственным помещениям, к организации рабочих мест, к размещению и подключению источников (см. раздел 7.2.2), а также к персоналу.
В соответствии с «Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей» сварщики относятся к группе II по электробезопасности персонала, обслуживающего электроустановки. Для лиц с группой II обязательны элементарное техническое знакомство с электроустановками, отчетливое представление об опасности электрического тока, знание основных мер предосторожности при работе, практические навыки оказания первой помощи пострадавшим. К работам по эксплуатации и обслуживанию источников сварщик допускается после инструктажа на конкретном оборудовании и проверки знаний. Работы, связанные с подключением и ремонтом источников, сварщику запрещены. Этим занимается электромонтер с более высокой III группой по электробезопасности. Для этой специальности, в дополнение к вышеперечисленным для группы II требованиям, обязательны знакомство с устройством и обслуживанием электроустановок, знание правил допуска к работе и специальных правил безопасности при подключении и ремонте электроустановок.
Одной из причин электротравматизма при сварке является поражение сварщика высоким входным напряжением сети. В частности, высокий потенциал может появиться на кожухе или в сварочной цепи при повреждении изоляции входной цепи. В этом случае при одновременном касании земли и кожуха тело сварщика окажется включенным в цепь с высокой разностью потенциалов. Такую ситуацию и должно предотвратить заземление. Внешний защитный провод соединяет кожух с землей, поэтому разность потенциалов между ними близка к нулю даже при описанной аварийной ситуации. Обязательно также заземление зажима сварочной цепи, соединенного со свариваемым изделием. Не допускается последовательное включение в защитный провод кожухов нескольких источников. Недопустимо также использование сварочного провода, подключаемого к изделию, в качестве защитного, так же как и использование для заземления металлоконструкций зданий и трубопроводов. Иногда вместо
заземления используется защитное зануление, т. е. соединение кожуха с нулевым проводом питающей трехфазной сети. В этом случае при попадании высокого напряжения на кожух образуется цепь короткого замыкания «фаза-кожух-нулевой провод», что приводит к срабатыванию защиты и отключению источника от сети.
В процессе эксплуатации исправного источника возможно поражение сварщика низким (сварочным) напряжением, типично поражение напряжением холостого хода. Специальные меры принимаются при эксплуатации источника в средах с повышенной опасностью поражения электрическим током. Такими считают места: сырые, в частности при работе на открытом воздухе, где вероятно выпадение атмосферных осадков; влажные, где относительная влажность длительное время превышает 75 %; горячие, где пот и влажность снижают как сопротивление кожи сварщика, так и изолирующие свойства сварочных принадлежностей; стесненные, поскольку из-за ограниченной свободы движения сварщик может касаться токоведущих деталей незащищенными участками тела, например, при сварке внутри металлических сосудов. У таких источников, как отмечено выше, ограничивают напряжение холостого хода, или их комплектуют специальными устройствами снижения напряжения холостого хода. Это дает право на маркирование источника символом S {safety — безопасно). Сравнительно высокое напряжение холостого хода до 141 В источников для механизированной сварки по окончании сварки должно автоматически сниматься. При плазменной резке допускается еще более высокое напряжение: при ручной резке до 180 В, при полуавтоматической — до 300 В, при автоматической — до 500 В. Но это разрешение сопровождается дополнительными ограничениями — отключение источника при снятом плазмотроне, невозможность касания сопла в процессе резки, уменьшение напряжения ниже 68 В по окончании процесса и т. д.
7.4.3. Устройства снижения напряжения холостого хода
В простейшем виде снижение напряжения холостого хода трансформатора выполняется следующим образом (рис. 7.9). После пуска источника автоматическим выключателем QF на межэлектродный промежуток подается только оперативное напряжение 12 В от низковольтной обмотки сварочного трансформатора Т через выпрямительный блок VD1, промежуточное реле К1 и размыкающий контакт Jf2.3. При замыкании электрода на деталь по этой цепи идет ток, в результате чего срабатывает реле К1, которое запускает электромагнитный контактор К2. Последний подает на дугу напряжение 80 В основной обмотки Т с помощью контактов Jf2.1, К2.2, и после отвода электрода от детали зажигается дуга. При сварке удержание реле К1 в работе достигается питанием от трансформатора тока ТА через диод VD2, поскольку питание К1 от блока VD1 прекращается из-за размыкания контакта К2.3. При обрыве дуги реле К1 обесточивается
Рис. 7.9. Трансформатор с устройством снижения напряжения холостого хода
отключает контактор К2, в результате чего с дуги снимается напряжение хо-эстого хода 80 В и возобновляется подача только оперативного напряжения от изковольтной обмотки. Это обеспечивает безопасность сварщика при холостом эде трансформатора.
К современным ограничителям напряжения холостого хода предъявляют >лее жесткие требования. Такое устройство должно автоматически снижать шряжение холостого хода на межэлектродном промежутке до значения не бо-ю 12 В не позднее, чем через 1 с после размыкания сварочной цепи. Для того юбы устройство не мешало начальному зажиганию, время его срабатывания > должно превышать 0,06 с, а чувствительность, т. е. величина сопротивления контакте «электрод-деталь», при которой устройство надежно срабатывает, хла не хуже 200 Ом. В то же время устройство не должно срабатывать при противлении более 500 Ом, так как сопротивление тела сварщика может сни-аться до такой величины.
Блок снижения напряжения марки БСН-10 (СЭЛМА) показан на рис. 7.10. I включается зажимами XI и Х2 в провод, соединяющий источник G с элек-ододержателем. В составе блока имеются электромагнитный контактор КМ, ансформатор питания Т с выпрямительным блоком VD, плавкими предохра-:телями Fl, F2 и зажимами ХЗ, Х4, датчик наличия сварочного тока — геркон , сигнальные лампы HL1 «сеть» и HL2 «> 12 В», кнопки S1 «контроль» и S2 этов», а также плата управления А. Основные функциональные узлы пла-: — это измеритель сопротивления сварочной цепи А. 1, логический элемент 1И А.2, логический элемент памяти — триггер А.З, схема включения кон-$тораА.4, основной А.5 и резервный А.6 таймеры. Обязательно заземление аты управления, поскольку только в этом случае есть электрическая связь аземленной деталью и возможно срабатывание контактора. Такой прием до-лнительно повышает надежность защиты сварщика.
Рис. 7.10. Упрощенная схема блока БСН-10
В режиме ожидания контактор КМ не работает, поэтому на межэлектродном промежутке имеется только оперативное напряжение 12 В, вырабатываемое выпрямительным блоком VD. Зажигание выполняется касанием электродом детали. При уменьшении сопротивления межэлектродного промежутка ниже 200 Ом измеритель сопротивления А. 1 через схему ИЛИ А. 2 подает команду триггеру А.З, который с помощью схемы включения А.4 запитывает обмотку контактора КМ. При этом силовым контактом КМ напряжение источника G подается на электрододержатель. После подъема электрода режим короткого замыкания переходит в сварочный режим, поскольку датчик наличия тока BI своим сигналом через схему ИЛИ на триггер подтверждает необходимость удержания контактора во включенном состоянии. Таким образом, предотвращаются случайные срабатывания блока, неподдержанные включением сварочного тока. О включении контактора сигнализирует лампа HL2 «> 12 В».
При обрыве дуги датчик тока размыкается, и в действие вступают таймеры А.5 и А.6. До момента срабатывания через 0,64 с основного таймера А.5 контактор удерживается во включенном состоянии. При этом на межэлектродном промежутке присутствует высокое напряжение холостого хода сварочного источника G, что необходимо для легкого повторного зажигания дуги, если обрыв был случайным. При срабатывании таймера А.5 триггер переключается и с помощью схемы А.4 отключает контактор КМ, после чего на межэлектродном промежутке снова устанавливается безопасное напряжение 12 В. На случай неисправности большинства элементов блока предусмотрен резервный таймер, срабатывающий через 1,28 с и непосредственно через схему А.4 отключающий контактор.
Проверка исправности блока выполняется перед сваркой с помощью кнопки S1 «контроль». При ее кратковременном нажатии имитируется зажигание дуги, в этом случае контактор включится, а затем отключится, что можно проконтролировать с помощью лампы HL2 «> 12 В». При длительном нажатии кнопки
Список литературы
1. Александров А. Г., Заруба И. И., Пиньковский И. В. Эксплуатация сварочного оборудования, — Киев: Будивельник, 1990. — 224 с.
2. Белинский С. Н., Каганский Б. А., Темкин Б. Я. Оборудование для сварки неплавящимся электродом в среде инертных газов, — Л.: Энергия, 1975. — 118 с.
3. Браткова О. Н. Источники питания сварочной дуги*. Учебник. — М.: Высшая школа, 1982. — 182 с.
4. Верещаго Е. Н., Квасницкий В. Ф., Мирошниченко Л. Н., Пентегов И. В. Схемотехника инверторных источников питания для дуговой сварки*. Учебное пособие. — Николаев: УГМТУ, 2000. — 283 с.
5. ГОСТ 25616-83. Источники питания для сварки. Методы испытания сварочных свойств. — М.: Изд-во стандартов, 1983. — 18 с.
6. ГОСТ Р МЭК 60974-1 — 2004. Источники питания для дуговой сварки. Требования безопасности. — М.: Стандартинформ, 2005. — 48 с.
7. Дюргеров Н. Г., Сагиров X. Н., Ленивкин В. А. Оборудование для импульсно-дуговой сварки плавящимся электродом. — М.: Энергоатомиздат, 1985. — 80 с.
8. Зайцев М. П., Кулешов О. М. Средства автоматизации в оборудовании для дуговой сварки. — Л.: Энергия, 1975. — 144 с.
9. Закс М. И. Сварочные выпрямители. — Л.: Энергоатомиздат, 1983. — 94 с.
10. Закс М. И., Каганский Б. А., Печении А. А. Трансформаторы для электроду говой сварки. — Л.: Энергоатомиздат, 1988. — 136 с.
11. Кобозев В. А., Коваленко В. В. Сварочные трансформаторы. — Ставрополь: 1998. — 227 с.
12. Ленивкин В. А., Дюргеров Н. Г., Сагиров X. Н. Технологические свойства сварочной дуги в защитных газах. — М.: Машиностроение, 1989. — 264 с.
13. Лесков Г. И. Электрическая сварочная дуга. — М.: Машиностроение, 1970.— 335 с.
14. Лоос А. В., Лукутин А. В., Сараев Ю. Н. Источники питания для импульсных технологических процессов. — Томск: ТПУ, 1998. — 160 с.
15. Машиностроение: Энциклопедия: T.IV-6: Оборудование для сварки / Под ред. Б. Е. Патона. — М.: Машиностроение, 1999. — 496 с.
16. Микроплазменная сварка / Под ред. Б. Е. Патона. — Киев: Наукова думка, 1979. — 248 с.
17. Милютин В. С., Коротков В. А. Источники питания для сварки*. Учебное пособие. — Челябинск: Металлургия Урала, 1999. — 368 с.
18. Нестеров Б. 3. Электросварочные генераторы повышенной частоты. — Л.: Энергия, 1978. — 120 с.
19. Оборудование для дуговой сварки: Справочное пособие / Под ред. В. В. Смирнова. — Л.: Энергоатомиздат, 1986. — 656 с.
20. Патон Б. Е., Лебедев В. К. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки, — М.: Машгиз, 1966. — 359 с.
21. Походня И. К., Горпенюк В. К., Миличенко С. С. и др. Металлургия дуговой сварки. Процессы в дуге и плавление электродов. — Киев: Наукова думка, 1990. — 244 с.
Список литературы 379
22. Рабинович И. Я. Оборудование для дуговой электрической сварки. Источники питания дуги. — М.: Машгиз, 1958. — 380 с.
23. Резницкий А. М., Коцюбинский В. С. Ремонт и наладка электросварочного оборудования. — М.: Машиностроение, 1991. — 253 с.
24. Сагиров X. Н., Дюргеров Н. Г., Морозкин И. С. Зажигание сварочной дуги. — Ростов-на-Дону: Гефест, 1999. — 200 с.
25. Сварка в машиностроении: Справочник. Т. 4 / Под ред. Ю. Н. Зорина. — М.: Машиностроение, 1979. — с. 42-93.