Источники питания сварочных аппаратов. Классификация, обозначение, свойства источников питания.

Требования к источникам питания. Основное требование к сварному соединению - его качество, т. е. источник питания должен обеспечивать необходимый процесс сварки и обладать высокими технологическими и технико-экономическими показателями.

Технологические показатели источника питания определяют его возможность обеспечивать необходимые характеристики процесса. Это в свою очередь определяется статическими и динамическими характеристиками источника и нелинейного участка цепи (дуги, сварочная ванна).

Статические свойства источника определяются внешней вольтамперной характеристикой (зависимостью выходного напряжения от силы тока нагрузки) и соответствием ее статической вольтамперной характеристике дуги. Устойчивость энергетической системы «источник - дуга - сварочная ванна» (И-Д-В) зависит от взаимного расположения этих характеристик и их видов.

Динамические свойства влияют на протекание переходных процессов в системе И-Д-В при резких изменениях проводимости нагрузки (холостой ход - короткое замыкание, капельный перенос металла, перемещение активных пятен на электродах, колебания напряжения сети (Uc), неравномерность скорости подачи электродной проволоки (Уп.п.) и т. д.).

Технико-экономические показатели:

а) коэффициент полезного действия КПД = Sполезн/Sзатр - отношение полной полезной мощности (выходной мощности) к полной затраченной (потребляемой из электрической сети);

б) коэффициент мощности cosφ = P/S - отношение активной мощности (Вт) к полной мощности (ВА);

в) габариты;

г) надежность;

д) эргономические показатели (удобство обращения с объектом);

е) соответствие требованиям техники безопасности.

Показатели «а» и «б» существенно влияют на энергопотребление.

Режимы работы источников питания

Любой источник питания рассчитывается на определенную нагрузку, которая не вызывает его нагрев выше допустимого. Источник рассчитывается на работу в номинальном режиме (IH, UH, РН, режим

работы), величины записываются на источнике и в паспорте машины.

При работе источник нагревается (обмотки - за счет тепла, выделяющегося при протекании тока по ним, сердечник - от потерь на перемагничивание и вихревых токов ФУКО). Для источников питания определено три режима работы:

1 Длительный (продолжительный). Если мощность Р, потребляемая от сети, после включения источника постоянна в течение длительного времени, то после включения источника температура источника увеличивается пока не достигнет установившейся температуры Ту (рисунок 57, пунктирная кривая), когда приход тепла сравняется с отдачей тепла.

Рисунок 57 - Режимы работы источников питания а - перемежающийся; б - повторно-кратковременный; в - средняя величина (Тдоп)

При расчете подобных систем делается ряд допущений (весь источник нагревается одновременно, теплоотдача в окружающую среду постоянна).

2 Перемежающийся режим. При работе источника в этом режиме (рисунок 58.а) нагрузка (сварка) чередуется с паузой, в паузе источник не отключается от сети (ручные способы сварки). За время

работы tp температура источника не успевает достигнуть установившейся температуры Ту, а за время паузы tп источник не успевает охладиться до температуры окружающей среды Т0.

По истечении некоторого времени температура источника становится равной средней между максимальным значением Т2 и минимальным Т1 (рисунок 58.в). Обычно эта средняя величина принимается за допустимую температуру Тдоп.

Перемежающийся режим характеризуется параметром «Продолжительность нагрузки, ПН», %. Это относительная продолжительность нагрузки за время цикла (tц = tp+tп).

ПН% = tp/tц *100

или

ПН% = (tp/ tp+tп) *100

Время цикла обычно указывается в паспорте источника, если нет, то для источников ручной дуговой сварки tц = 5 мин, для источников механизированной сварки и универсальных источников - tц = 10 мин.

3 Повторно-кратковременный режим отличается от перемежающегося (рисунок 58.б) тем, что во время пауз источник отключается от сети. Режим характеризуется параметром «Продолжительность включения, ПВ», %.

ПН% = tв/tц *100

или

ПН% = (tв/ tв+tп) *100

Так как источники реально редко работают в номинальном режиме, то для определения режимов работы и токов при работе на других режимах используется соотношение, основанное на законе Джоуля-Ленца:

I1²*ПН1 = I2²*ПН2.

Из этой формулы следует:

1) Если значение ПВ или ПН отличается от номинального ПВн или ПНн (указанного в паспорте источника), то величина сварочного тока, соответствующая этому значению ПВ или ПН, определяется:

2) Для определения режима работы (ПН или ПВ) для токов, отличных от номинального:

Если определяется режим работы для тока, отличного от номинального в меньшую сторону, то формула справедлива. Если в большую сторону, то при этом не нужно забывать, что максимальная величина силы тока ограничивается возможностью источника. На практике максимальная величина силы тока источника обычно не превышает 1,2 от номинальной.

3) Длительные токи, т. е. токи при длительном режиме работы (ПН или ПВ равно 100 %), если известны паспортные (номинальные) параметры источника, можно определить по формулам:

Структура обозначений источников питания. Буквенно-цифровое обозначение источников питания представлено на рисунке 58.

Первая буква - сокращенное название изделия (А - агрегат, В - выпрямитель, И - источник питания, П - преобразователь, Т - трансформатор ).

Вторая буква - вид сварки (Д - дуговая, Ш - шлаковая, П - плазменная).

Третья буква (буквы) - способ сварки: Д - ручная штучными электродами; ДО - открытой дугой; ДФ - под флюсом; ДГ - защитные газы (два раза буква Д не ставится).

Дополнительно в буквенной части могут быть: буква «М» - многопостовые (однопостовые не имеют дополнительного обозначения), буквы «Б» или «Д» - вид двигателя (бензиновый или дизельный) для агрегатов с приводом от двигателя внутреннего сгорания, вид внешней характеристики (П, Ж, У ), И - импульсный источник.

Первые одна или две цифры - значение номинального сварочного тока, округленного до сотен ампер, две последние цифры - номер разработки.

Рисунок 58 - Структура обозначений источников питания

Далее буквы и цифры - климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150.

Источники, поставляемые в места с умеренным климатом - У, тропическим климатом - Т, умеренно холодным климатом - УХЛ.

Категории размещения, т. е. источники могут эксплуатироваться в:

4 - закрытых помещениях с искусственным микроклиматом;

3 - закрытых помещениях с естественной вентиляцией;

2 - в помещениях со свободным доступом воздуха;

1 - на открытом воздухе.

Пример: ВДМ-1001 У3 (выпрямитель для дуговой сварки, многопостовый, с номинальной силой тока 1000 А, номер разработки - 01, климатическое исполнение У, категория размещения 3).

Классификация источников питания.

Источники питания классифицируются:

1) По роду тока: переменного и постоянного тока.

2) По виду внешних характеристик: с падающей, пологопадающей, жесткой, пологовозрастающей характеристикой (основные виды).

3) По способу получения энергии: зависимые (получающие энергию от стационарной электрической сети) и автономные (используется двигатель внутреннего сгорания).

4) По количеству постов: однопостовые и многопостовые.

5) По применению: общепромышленные (для ручной дуговой сварки и механизированной под флюсом низкоуглеродистых сталей толщиной более 1 мм.) и специализированные (для сварки легких сплавов, особо тонких изделий, сжатыми и импульсными дугами).

Вид внешних характеристик источника определяется особенностями сварочного процесса: для РДС штучными электродами, аргонодуговой сварки, механизированной под слоем флюса на автоматах со скоростью подачи проволоки, зависящей от напряжения дуги Уп.п. = f (Цд), используются источники с падающей характеристикой. В этом случае источник работает как регулятор тока. При механизированной сварке под флюсом с постоянной скоростью подачи сварочной проволоки используется ЖВХ (пологопадающие). Крутизна характеристик разная: большая - для аргоно-дуговой сварки, более пологие характеристики - для РДС и еще более пологие - для АДФ, жесткие и пологовозрастающие - для механизированной сварки в среде углекислого газа). Регулирование тока - плавное и ступенчатое (ступенчатое - изменением числа или способа подключения обмоток, плавное - специальными регуляторами).

Необходимое значение рабочего напряжения и тока дуги связаны соотношениями:

РДС: Uд = 20 + 0,04 Iсв;

АДФ (на токах до 1000 А): Uд = 19 + 0,037 Iсв;

(на токах до 2000 А): Uд = 13 + 0,0315 Iсв.

Пример: сила тока при ручной дуговой сварке равна 200 А, тогда необходимое напряжение источника питания должно составлять 20 + 0,04-200 = 28 В.

Статическая вольт-амперная характеристика (ВАХ) дуги.

Напряжение дуги (Цд) складывается из трех составляющих:

Uд = Uк + Uа + Uст

где Uк - падение напряжения в катодной области;

Uа - падение напряжения в анодной области;

Uст - падение напряжения в столбе дуги.

Все эти три составляющих зависят от тока и к тому же неодинаково, т. к. различны физико-химические процессы, происходящие в этих зонах и поэтому зависимость Uд = f (I) - нелинейная (рисунок 59).

ВАХ дуги получают экспериментально. Она строится для постоянной длины дуги и диаметра электрода. При изменении длины дуги положение характеристики смещается по вертикали; при изменении диаметра электрода (вследствие изменения плотности тока) смещается по горизонтали правая часть кривой.

Рисунок 59 - Статическая вольт-амперная характеристика дуги

Условно эту кривую можно разбить на три участка (рисунок 60):

- падающий участок - РДС покрытыми электродами;

- жесткий (горизонтальный) участок - механизированная сварка под флюсом;

- возрастающий участок - механизированная сварка в защитных газах.

Конечно, границы способов сварки имеют общие области.

Вид внешней характеристики дуги можно оценивать через ее дифференциальное сопротивление рд:  рд = (dUд/dIд)*tgαд

Рисунок 60 - Различные способы сварки

Для 1-го участка рд < 0, для 2-го участка рд ≈ 0, для 3-го участка рд > 0

Численное значение рд (в В/А) показывает степень «крутизны» наклона кривой характеристики и ее характер, например: значение

рд = -1 В/А говорит о том, что характеристика падающая и угол наклона касательной к кривой в исследуемой точке равен 45 градусам

Внешняя характеристика источника питания. Обычно сварочный источник имеет значительное внутреннее сопротивление и характеристика его падающая.

Различают крутопадающие и пологопадающие характеристики. Данное понятие достаточно субъективное: принято, если Zист > 0,1 Ом, то характеристика крутопадающая, Zист - полное внутреннее сопротивление источника.

Имеются источники с другими видами характеристик (рисунок 61).

Сварочные свойства источников. К ним относятся:

Рисунок 61 - Возможные внешние характеристики сварочных источников питания: 3 - жесткая; 4 - пологовозрастающая; пунктир - с повышенным напряжением холостого хода

1. Надежность зажигания дуги (влияет на качество начала шва, а при сварке малыми участками - на производительность).

2. Устойчивость и стабильность процесса сварки - способность поддерживать режим сварки при наличии возмущений (изменение длины дуги, капельный перенос, колебания напряжения сети).

3. Эффективность регулирования (скорость и пределы).

4. Характер переноса металла (зависит от скорости изменения тока при коротком замыкании и капельном переносе).

5. Качество формирования шва.

Методы оценки сварочных свойств источников - объективные и субъективные. Объективный метод: разрывная длина дуги может служить оценкой устойчивости процесса при колебаниях её длины. Определяется численно. Субъективный метод предполагает оценку каждого свойства в баллах экспертом-сварщиком по результатам опытной сварки согласно ГОСТ 25616-83 «Источники питания для дуговой сварки. Методы оценки сварочных свойств».

Устойчивость системы «источник питания - дуга».

Чтобы дуга была устойчивой, необходимо определенное соответствие между характеристиками дуги и источником питания в рабочей точке, а также определенный вид самой характеристики источника. При ручной дуговой сварке всегда действует «человеческий фактор» и длина дуги может значительно колебаться. Необходимо, чтобы это обстоятельство в незначительной степени влияло на силу сварочного тока - основной параметр при РДС. Это обеспечивается при значительной крутизне характеристики источника.

Устойчивость процесса сварки (системы «источник питания - дуга») принято характеризовать коэффициентом устойчивости Ку. Условие равновесия выражается следующей зависимостью:

Ку = рд - ри >0,

т. е. система устойчива, если в точке равновесия разность дифференциальных сопротивлений дуги и источника положительна.

На рисунке 62 представлены возможные типы характеристик источников питания для различных способов сварки с учетом уравнения устойчивости.

Устойчивость при значительных колебаниях длины дуги связана с возможностью системы обеспечивать наибольшую разрывную длину дуги. Доказано, что для повышения устойчивости системы источник питания для ручной сварки должен иметь небольшой наклон внешней характеристики на малых токах и большой наклон при рабочем режиме.

Рисунок 62 - Возможные внешние характеристики источников питания: 1 - для РДС; 2 и 3 - для механизированной под флюсом; 4, 5, 6 - для механизированной в среде СО2

Основные технологические требования к источникам питания для РДС.

Способ сварки: Ручная дуговая сварка.

Условия сварки: диаметр электрода dэ = 2 - 6 мм, ток дуги 1д = 50 - 350 А, напряжение на дуге ид=20 - 40 В.

Зажигание дуги - короткое замыкание и разрыв цепи.

ВАХ дуги - падающая и жесткая: рд = (0 - 0,2) В/А; Uд=25 - 40 B; Iд= 50 - 350 A.

Рекомендуются источники с ри =(-1 - 0,1) В/А для этого диапазона токов. Характеристика имеет меньший наклон при малых токах, большой наклон в области рабочих токов (для высокой стабильности силы тока при колебаниях напряжения на дуге).

Напряжение холостого хода ио для надежного зажигания и в целях безопасности Uо = (40 - 80) В, ток короткого замыкания Iк.з= (1,2 - 1,5) Iд.

Напряжение поддерживается вручную сварщиком, поэтому регулируется только сила сварочного тока. Источник работает как регулятор тока.

Источники питания переменным током

Сварочная дуга переменного тока.

Условия горения дуги переменного тока отличаются от дуги постоянного тока. При питании синусоидальным напряжением f = 50 Гц активное пятно 100 раз в секунду меняет свое расположение (50 раз - на электроде, 50 раз - на изделии). К концу каждого полупериода напряжение уменьшается до нуля, напряженность электрического поля уменьшается, ионизация газа в дуге уменьшается, ток дуги резко снижается.

Схема питания дуги от переменного тока с активным сопротивлением в цепи. Осциллограммы токов и напряжений показаны на рисунке 63.

Сила тока во вторичной цепи трансформатора i2 и напряжение на дуге ид несинусоидальны (т. к. дуга - нелинейный проводник).

При анализе такой дуги принято: индуктивность трансформатора очень мала и максимумы и нули кривых i2 и и2 совпадают. При достижении и2 значения U3 (напряжение зажигания) загорается дуга. Сопротивление нагрузки падает, ток возрастает, напряжение на дуге падает. Во время t = ti напряжения источника не хватает для поддержания дугового разряда и он угасает. Ток снижается, однако он не равен нулю, вероятно, вследствие наличия малой проводимости плазмы и небольшой эмиссионной способности электродов. При t = t2 снова создаются условия для существования дуги и она возбуждается.

Рисунок 63 - Осциллограммы тока i2, напряжений U2, Uд

Вывод: при наличии в сварочном контуре только активного резистора есть такой промежуток времени, в течение которого дуга отсутствует.

Этот промежуток времени зависит от напряжения холостого хода источника питания, частоты электрического тока и от напряжения зажигания, которое зависит от многих факторов (главное - от свойств среды между электродами).

Снизить время паузы в горении дуги можно введением в состав покрытий элементов с низким потенциалом ионизации, повышением напряжения холостого хода и частоты.

Можно облегчить зажигание применением осцилляторов и импульсных возбудителей. Но на практике часто применяют включение вместо резистора - индуктивность или применяют трансформатор, у которого обмотки обладают большой индуктивностью).

Питание электрической дуги переменного тока в цепи с индуктивностью. Осциллограмма для такой дуги показана на рисунке 64.

Введение индуктивности во вторичную цепь приводит к появлению сдвига фаз между током и напряжением на угол ф, численное значение которого зависит от соотношения активной и индуктивной составляющих цепи.

Рисунок 64 - Осциллограммы параметров дуги с индуктивностью

Из осциллограммы видно, что перерывы в горении дуги отсутствуют. Зажигание дуги происходит при напряжении источника выше напряжения зажигания, что облегчает этот процесс и повышает устойчивость дуги.

Функции индуктивности:

1. Получение падающей характеристики.

2. Регулировка режима сварки.

3. Повышение устойчивости процесса.

Вывод: при введении индуктивности в цепь дуги переменного тока происходит сдвиг фаз между током и напряжением и переход тока через ноль происходит при высоком напряжении, что увеличивает надежность повторного зажигания дуги и повышает ее устойчивость.

Сварочные трансформаторы.

Трансформатор - статический электромагнитный преобразователь переменного тока одного напряжения в другое без изменения частоты. Работа его основана на электромагнитном взаимодействии двух или нескольких не связанных между собой электрических контуров (обмоток).

Обмотки пронизывает общий магнитный поток. Для усиления магнитного потока сердечник выполняется замкнутым. Он выполняется из листовой электротехнической стали с изоляцией пластин друг от друга (лаком или оксидированием) или из специальных спеченных материалов - ферритов. Сердечник может быть стержневой, броневой и тороидальный.

Энергетически наиболее эффективным является тороидальный сердечник, но трудности намотки обмоток достаточно существенны. Стержневой сердечник позволяет получить достаточно высокие характеристики, намотка обмоток упрощена, но расположение обмоток (особенно в трансформаторах с увеличенным магнитным рассеянием) на разных стержнях может привести к неоправданным потерям в пространстве около обмоток, корпусе источника. Броневой сердечник хорошо защищает обмотки от внешнего воздействия.

Режимы работы трансформатора.

Холостой ход. В этом режиме вторичная обмотка разомкнута (рисунок 65), ток нагрузки равен нулю.

Подведенное напряжение сети U1 вызывает в первичной обмотке ток I0, который в свою очередь возбуждает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф0, пронизывающий витки I и II обмотки. В них индуктируется ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока и числу витков обмотки.

Если потоки рассеяния и падение напряжения в обмотках малы, то U = E1U2 = E2 (знаки не учитываются) т. к. частота тока и величина магнитного потока для I и II обмоток одинаковы.

Рисунок 65 - Электромагнитная схема трансформатора

Отношение ЭДС I и II обмоток равно отношению количества витков I и II обмоток.

Рабочий режим. В этом режиме (рисунок 66) нагрузка подсоединена ко вторичной обмотке и в ней есть ток.

Рисунок 66 – Работа трансформатора в рабочем режиме

Этот ток создает магнитный поток Ф2 направленный встречно Ф1 и суммарный магнитный поток в сердечнике трансформатора Ф = Ф1 - Ф2 (по правилу Ленца).

Таким образом, вторичный ток пытается ослабить главный магнитный поток. Это нарушает равновесие U1 ~ E1 и приводит к увеличению I1 (можно сказать, что при этом снижается сопротивление I обмотки). Первичный ток увеличивается настолько, чтобы скомпенсировать уменьшение суммарного потока. Однако не весь поток, созданный в I обмотке замыкается по сердечнику, часть его замыкается в пространстве, то же относится и ко II обмотке. Эти магнитные потоки (магнитные потоки рассеяния) наводят ЭДС только в своей обмотке (ЭДС рассеяния), т. е. изменяют их индуктивные сопротивления. Конструктивно по- разному выполняя обмотки и их взаимное расположение, можно изменять потоки рассеяния и регулировать энергетику источника.

Способы регулирования положения внешней характеристики в сварочных трансформаторах. Рассмотрим два способа:

1. Основа - трансформатор с жесткой характеристикой. Падающая характеристика за счет дросселя, включенного последовательно в цепь дуги.

2. Сам трансформатор обладает падающей характеристикой, образующейся за счет создания различным способом усиленных полей рассеяния.

Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием и отдельным дросселем. Такие трансформаторы относятся к однофазным (двухфазным) понижающим трансформаторам. Между трансформатором и дросселем существует только электрическая связь. В свое время они широко применялись в сварочном производстве (марки СТЭ-24, СТЭ-34).

Схема аппарата представлена на рисунке 67.

Рисунок 67 - Конструкция дросселя (а) и электрическая схема (б, в)

Дроссель L подсоединяется последовательно в сварочную цепь. Сердечник дросселя имеет регулируемый воздушный зазор 1в. Дроссель формирует падающие внешние характеристики источника, и он же является регулятором сварочного тока. Индуктивность сварочного контура большая и создаются условия для стабильного горения дуги переменного тока.

Недостаток трансформатора - вибрация подвижной части пакета.

Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием и совмещенной реактивной обмоткой (СТН, ТСД). Несколько различное конструктивное исполнение источников не меняет общей идеи их работы (рисунок 68).

Рисунок 68 - Конструкция сердечников и расположение обмоток трансформаторов СТН (а) и ТСД (б)

Здесь в отличие от СТЭ есть и электрическая, и магнитная связь дросселя и собственно трансформатора. Зазор регулируется двигателем.

В режиме холостого хода поток, создаваемый первичными обмотками, распределяется между средним ярмом (СЯ) и верхним ярмом (ВЯ) согласно их магнитным проводимостям. Вторичные обмотки и обмотки дросселя намотаны в одну сторону, т. е. напряжение холостого хода Uо можно несколько менять изменяя зазор (зазор уменьшается Uо увеличивается, зазор увеличивается Uо уменьшается). Это, конечно, имеет смысл только при малых зазорах.

В режиме нагрузки есть вторичный ток, создающий поток, который совместно с потоком первичной обмотки создает результирующий поток.

Ток нагрузки, протекая по дросселю, создает поток, направленный против результирующего потока, в дросселе ЭДС самоиндукции.

С увеличением тока нагрузки ЭДС самоиндукции также возрастает и понижается выходное напряжение трансформатора.

Трансформаторы с повышенным магнитным рассеянием. Конструктивно можно создать трансформатор с искусственно увеличенными полями рассеяния. Для этого необходимо несколько разнести обмотки друг от друга и от сердечника (рисунок 69).

Рисунок 69 - Магнитная схема трансформатора с увеличенным рассеянием

1 - первичная обмотка; 2 - вторичная обмотка; 3 - сердечник

В них кроме основного потока трансформатора Фт, замыкающегося по сердечнику, каждая из обмоток создает поля рассеяния - лобовые Флб, окна Фок и ярма Фяр.

Эти трансформаторы делятся на две основные группы:

- трансформаторы с подвижными обмотками;

- трансформаторы с магнитными шунтами (с подвижными шунтами и подмагничиваемыми шунтами).

Трансформаторы с подвижными обмотками ТС (ТСК) и ТД. Катушки обмоток этих трансформаторов расположены несколько иначе, чем у силовых. Для ступенчатой регулировки обмотки разделены на две части, а для получения увеличенного рассеяния - разнесены.

Первичная обмотка обычно неподвижна, вторичная - подвижная с помощью ходового винта.

У силового трансформатора обмотки предельно сближены и поток рассеяния минимален, характеристика жесткая. У сварочных трансформаторов рассеяние принудительно увеличено, характеристика падающая. На рисунке 70 показан трансформатор с подвижными обмотками.

При подаче напряжения сети на первичную обмотку в ней появляется ток холостого хода, возникает магнитный поток Фполн., часть которого замыкается по сердечнику Фт (основной поток), а часть по воздуху Ф1р.

Рисунок 70 - Трансформатор с подвижными обмотками

На холостом ходу в обмотках основной магнитный поток создает ЭДС в первичной и вторичной обмотках, пропорциональную числу витков и скорости изменения магнитного потока.

Кроме этого в первичной обмотке (так как в ней есть ток) создается ЭДС рассеяния, но так как сила этого тока мала, то и ЭДС рассеяния небольшая.

Есть такое понятие - коэффициент магнитной связи:

Км=Ф2/Фполн.

где Ф2 - поток пронизывающий II обмотку;

Фполн. - суммарный магнитный поток.

Км зависит от расстояния между обмотками - если обмотки расположены близко друг к другу, то Км стремится к 1. Напряжение холостого хода при изменении расстояния между обмотками меняется незначительно, примерно на 3 - 5 %

В рабочем режиме во вторичной обмотке появляется ток и появляются новые магнитные потоки, замыкающиеся по сердечнику и по воздуху. С возрастанием тока нагрузки потоки рассеяния всех обмоток увеличиваются, что приводит к снижению выходного напряжения и получению падающей характеристики.

Недостатки трансформаторов с подвижными обмотками:

- Необходимость и трудность надежного закрепления обмоток (подвижных) из-за вибрации, шума и износа.

- Низкая надежность механизма перемещения и достаточно значительная масса его.

- Высокие потери энергии на потоки рассеяния в элементах трансформатора.

Трансформаторы с магнитными шунтами. Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием и подвижными магнитными шунтами выполняются на магнитопроводах стержневого типа и имеют дисковые обмотки.

Обмотки трансформатора (рисунок 71) расположены симметрично на двух стержнях магнитопровода 3. В канале между первичными 1 и вторичными 2 обмотками установлен магнитный шунт 4. Между шунтом и стержнями магнитопровода имеются воздушные зазоры 5.

Рисунок 71 - Конструктивная схема трансформатора с подвижным шунтом

Возможны два варианта взаимного расположения первичной и вторичной обмоток относительно шунта, а именно полное или частичное разнесение. При полном разнесении первичные и вторичные обмотки расположены по разные стороны шунта. При частичном разнесении вторичная обмотка состоит из двух секций - основной и дополнительной, причем дополнительная обмотка размещена в зоне первичной обмотки и имеет с ней хорошую электромагнитную связь.

Наличие магнитного шунта (при его введении в сердечник) увеличивает потоки рассеяния обмоток Ф1р и Ф2р и, следовательно, снижается выходное напряжение. Плавное движение шунта приводит к получению семейства выходных характеристик с разной степенью крутизны.

Недостатки таких систем аналогичны предыдущим моделям источников и связаны с наличием подвижных ферромагнитных элементов в переменном магнитном поле.

Сопротивлением магнитного шунта прохождению магнитного потока можно управлять также путем его (шунта) подмагничивания. Так были созданы трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием и подмагничиваемыми шунтами.

Трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием и подмагничиваемыми шунтами. Конструктивно эти источники отличаются от трансформаторов с подвижными шунтами тем, что шунт неподвижен, а изменение потоков рассеяния обмоток осуществляется изменением магнитной проницаемости сердечника шунта путем его подмагничивания постоянным током (рисунок 72).

Трансформаторы имеют стержневой магнитопровод 3, неподвижный магнитный шунт, имеющий тоже сердечник стержневого типа 4 и обмотки подмагничивания 5. Первичные и вторичные обмотки разделены на две части, однако вторичная обмотка еще разделена на секции, расположенные по разные стороны магнитного шунта (2а, 2б и 2в). Секция 2а расположена рядом с первичной обмоткой и имеет жесткую характеристику, обмотки, расположенные по другую сторону шунта, имеют увеличенное рассеяние, которое можно регулировать изменением магнитной проводимости материала сердечника шунта.

Рисунок 72 - Трансформатор с подмагничиваемым шунтом

а - конструктивное исполнение; б - электрическая схема

Наличие секционирования обмоток и обмоток с нормальным и увеличенным рассеянием позволяет получить различные виды внешних вольт-амперных характеристик.

Трансформаторы с реактивной обмоткой имеют стержневой сердечник 3, секционированные первичную 1, вторичную 2 и реактивную 4 обмотки (рисунок 73).

Рисунок 73 - Конструктивная (а) и принципиальная электрическая схема (б) трансформатора с реактивной обмоткой

Простота и низкая стоимость источников этого типа предполагает их работу в монтажных условиях, но им присущ недостаток - узкий диапазон регулирования выходных параметров.

Потоки рассеяния замыкаются не только по лобовым поверхностям и в окне магнитопровода, но и по воздуху между верхним и нижним ярмами (ярмовое регулирование).

Реактивная обмотка сцеплена с потоками ярмового рассеяния, а также имеется возможность ее согласного, встречного включения или полого отключения для увеличения и уменьшения сварочного тока соответственно (три диапазона ступенчатой регулировки (рисунок 73.б) позволяют делать это).

Резонансные источники питания. Эти источники питания переменного тока созданы относительно недавно и выгодно зарекомендовали себя для небольших потребляемых токов.

Высокие технологические свойства резонансных сварочных источников определяются в основном избирательными свойствами вторичного контура, нагруженного на дуговой промежуток. Устойчивость горения дуги при использовании трансформатора с индуктивностью и емкостью (рисунок 74) высокая, поскольку повторное зажигание происходит при совместном питании дуги от трансформатора и емкости. Практически это означает, что при ручной дуговой сварке в случае использования достаточной емкости напряжение холостого хода можно снизить примерно до 40 В без опасности снижения устойчивости горения дуги. Снижение напряжения холостого хода приводит к увеличению коэффициента трансформации и пропорциональному снижению первичного тока.

Рисунок 74 – Схема резонансного источника

Применение резонансного контура во вторичной цепи обеспечивает практически синусоидальную форму кривой сварочного тока.

Сварочное оборудование данного класса обладает следующими преимуществами:

- высокий уровень электробезопасности, связанный с применением специальных схемных решений, ограничивающих напряжение холостого хода до значения не более 38 В (в изделиях, выполненных по специальным требованиям, - не более 12 В);

- высокий коэффициент полезного действия (до 80 %);

- получение коэффициента мощности не менее 0,95 достаточно простой настройкой резонансного контура;

- минимальный уровень помех, генерируемый в сеть и окружающее пространство, по сравнению со всеми известными образцами сварочного оборудования;

- уменьшение при коротком замыкании в сварочном контуре тока потребления из сети в 1,5 - 2 раза (в известных типах сварочных аппаратов он обычно возрастает в 2 - 2,5 раза);

- отсутствие пиков зажигания в кривой тока, что позволяет снизить концентрацию диффузионного водорода в шве и тем самым улучшить его прочностные свойства.

Разработан и применяется в настоящее время большой класс трансформаторов с магнитным регулированием, в которых изменение выходных параметров осуществляется за счет изменения магнитных характеристик сердечников подмагничиванием. При этом очень существенно искажается форма кривой переменного тока, что негативно сказывается как на параметрах процесса сварки, так и на энергетических характеристиках оборудования.

Тиристорные трансформаторы с фазовым регулированием имеют хорошие энергетические характеристики, высокую гибкость регулирования, небольшие массу и габариты за счет конструктивного нормального магнитного рассеяния. Могут иметь системы стабилизации параметров.

Включение трансформаторов на последовательную и параллельную работу. Трансформаторы могут включаться на последовательную и параллельную работу для достижения необходимых параметров по выходному напряжению или силе тока.

Включение на последовательную работу возникает при необходимости увеличения выходного напряжения для сварочного процесса. Необходимо учитывать при этом, что неправильное подсоединение в этом случае неопасно и приведет лишь к снижению (а не к увеличению) выходного напряжения. Сила выходного тока при таком соединении определяется наименее мощным трансформатором.

Параллельное включение применяется для увеличения выходного тока системы трансформаторов. Однако, параллельно можно включать только одинаковые трансформаторы и на одной ступени. Опасна неправильная фазировка выходных обмоток.

Источники питания постоянным током

Сварочные генераторы независимого возбуждения. Схема генератора показана на рисунке 75.

Генератор входит в состав сварочного преобразователя.

Рисунок 75 - Схема преобразователя с генератором независимого возбуждения

Обмотка независимого возбуждения Wв питается от электрической сети через феррорезонансный стабилизатор напряжения СН и вентильный блок V с регулировкой тока реостатом Rв и создает основной намагничивающий поток Фв. Обмотка включенная последовательно в сварочную цепь, создает поток Фр, направленный встречно потоку Фн. Чем больше ток нагрузки генератора, тем больше величина размагничивающего потока Фр, тем меньше величина суммарного магнитного потока генератора, тем меньше ЭДС, наводимая в цепи якоря генератора. Размагничивающая обмотка имеет ответвление от части витков. К этой точке подсоединяется сварочная цепь при работе на больших токах.

Генераторы с самовозбуждением обычно входят в состав агрегатов, т. к. не требуют стационарной электрической сети.

Питание обмотки возбуждения осуществляется от выходных цепей генератора, но не от всей якорной обмотки, а лишь от ее части, для чего ставится дополнительная щетка для стабильной работы генератора и постоянства тока возбуждения. Если в генераторах независимого возбуждения возможна стабилизация тока возбуждения за счет стабилизации напряжения ее питания, то в генераторах с самовозбуждением с падающей внешней характеристикой напряжение питания обмотки возбуждения будет зависеть и от тока нагрузки. Но есть возможность снизить эту зависимость путем рационального подключения обмотки возбуждения к якорной цепи.

В состав современных агрегатов входят не коллекторные генераторы с самовозбуждением, а так называемые вентильные бесколлекторные генераторы, более надежные и экономичные в работе.

Вентильные генераторы. В вентильных генераторах (рисунок 76) используются генератор переменного тока и выпрямительный блок.

Генератор имеет обмотку возбуждения и 2 группы обмоток якоря ОС1 и ОС11, соединенных треугольниками Δ1 и Δ2. Группа ОС11 подсоединяется при работе на больших токах выключателем S.

В отличии от коллекторных генераторов обмотка возбуждения ОВ, также как и рабочая ОС1 (обмотка якоря), находится на неподвижном статоре. Ротор - зубчатый, выполнен из штампованных пластин, на нем обмоток нет. По обмотке возбуждения с выхода генератора идет постоянный ток, однако создаваемый ею магнитный поток, пересекающий витки рабочей обмотки - переменный.

Рисунок 76 - Схема вентильного генератора (ГД-312)

Когда зуб ротора находится под обмотками Ф = max, т. к. магнитное сопротивление на его пути минимальное, но при удалении зуба ротора от обмоток связь между ними ослабевает и ЭДС в обмотке якоря снижается. Генератор имеет три секции обмоток якоря, расположенных таким образом, что индуктируемые в них ЭДС сдвинуты относительно друг друга на 120 электрических градусов.

Сварочные выпрямители - статические преобразователи переменного тока в постоянный.

По сравнению с трансформаторами выпрямители обеспечивают надежное зажигание дуги, стабилизацию параметров сварки, имеют высокий КПД, небольшие потери холостого хода, высокие динамические свойства, отсутствие вращающихся частей, равномерность загрузки фаз.

К недостаткам выпрямителей можно отнести возможность выхода из строя полупроводниковых вентилей при перегрузке, особенно при отсутствии соответствующих систем защиты и обратных связей по току, а также чувствительность к колебаниям сетевого напряжения.

Функциональная схема выпрямителя представлена на рисунке 77.

Сетевое напряжение после понижения трансформатором Т поступает на регулятор тока РТ (или регулятор напряжения РН), где формируется определенный вид внешней характеристики (падающая или жесткая), затем выпрямляется выпрямителем В и через дроссель L (необходимый для снижения скорости нарастания тока при коротких замыканиях) подается на сварочную дугу.

Рисунок 77 - Блок схема выпрямителя

Выпрямительный блок выполнен на полупроводниковых вентилях (диодах) - элементах с одним р-n переходом. Наибольшее применение нашли кремниевые диоды. Применяются и германиевые, у них КПД выше (меньше внутреннее падение напряжения), но более низкие рабочие температура и обратное напряжение.

Кремний - элемент IV группы. Доноры - элементы V группы - мышьяк, сурьма, фосфор. Акцепторы - элементы III группы - галлий, алюминий. Доноры отдают электроны - электронная проводимость (n). Акцепторы забирают электроны - дырочная проводимость (p).

В n-области процент электронов во много раз больше, чем в p- области, и они диффундируют в p-области и создают объемный заряд (отрицательный). Дырки наоборот. Образуется потенциальный барьер равновесия.

Если приложить положительный потенциал к р-области, а отрицательный - к n-области, то внешнее поле снижает потенциальный барьер и в цепи течет ток. Приложение обратного напряжения не приводит к появлению тока.

Вольт-амперная характеристика диода представлена на рисунке 78.

Падение напряжение на вентиле Uпр зависит от материала полупроводника и обычно составляет от долей вольта до единиц вольт. Прямой ток Iпр ограничивается возможностью работы без перегрева и при принудительном охлаждении (воздушном или водяном) может достигать тысяч ампер. В обратном направлении диод может выдержать без разрушения (электрического пробоя) достаточно высокое напряжение, но при значительном превышении допустимого значения диод безвозвратно выходит из строя. Если сделать элемент с 4 зонами p-n-p-n (если 3, то это транзистор), то получим полупроводниковый управляемый вентиль - тиристор.

Особенностью тиристора является то, что моментом его открытия (и закрытия) можно управлять, подавая электрические сигналы на управляющий электрод, регулируя, таким образом, напряжение и силу тока на нагрузке. Соединение нескольких тиристоров в одном корпусе позволило получить полупроводниковые приборы - симисторы, еще более упростившие управление источниками.

При применении неуправляемых вентилей регулирование параметров режима осуществляется трансформатором выпрямителя методами, изложенными в разделе 10. Это простое решение, не требующее дорогой электроники, и форма выходного напряжения практически не искажается.

Выпрямители на управляемых вентилях - наиболее энергетически выгодные источники.

В этих источниках заложен принцип импульсно-фазового управления и в сочетании с применением обратных связей по току и напряжению источники обеспечивают практически любой вид внешней вольт-амперной характеристики. Появляется возможность дистанционного управления, в том числе и современными ультразвуковыми, инфракрасными и радиочастотными методами.

Применение в таких выпрямителях трансформаторов с нормальным рассеянием - также большое преимущество этих источников. Высокие КПД и коэффициент мощности этих источников (до 0,98) позволяют эффективно применять их в сварочном производстве.

Сварочные выпрямители в настоящее время получили отличного конкурента в виде инверторных источников и подробно здесь не рассматриваются.

Инверторные источники питания

Один из современных принципов энергопитания сварочных постов - двойное преобразование электрической энергии: переменный ток промышленной частоты - в постоянный, постоянный ток - в переменный высокой частоты, ток высокой частоты в постоянный (рисунок 79).

Рисунок 79 - Блок-схема инверторного источника

В - выпрямитель; П - преобразователь

Преимущества инверторных источников:

- уменьшенные габариты и масса (т. к. увеличивается частота);

- гибкость регулирования;

- уменьшение пульсаций выходного напряжения. Преобразователь может быть выполнен на транзисторах или тиристорах. Схема преобразователя на транзисторах представлена на рисунке 80.

Напряжение электрической сети выпрямляется выпрямителем V1, сглаживается фильтром L1-C1 и через управляемые электронные элементы VT1 и VT2 (транзисторы) подается на первичную обмотку трансформатора Т. Транзисторы работают поочередно и по первичной обмотке трансформатора протекает переменный ток. Скорость переключения транзисторов определяет частоту преобразования. Высокочастотное (1 - 60 кГц) напряжение, снимаемое со вторичной обмотки, выпрямляется выпрямителем V2, сглаживается фильтром L2- С2 и подается в нагрузку.

Рисунок 80 - Схема транзисторного инсвертора

Современная промышленность предлагает широкую гамму инверторных источников для сварки, отличающихся электрическими параметрами, дизайном, эргономикой, надежностью, ценами. Данные источники могут применяться для одного способа сварки или быть универсальными. Например, универсальный импульсный сварочный аппарат инверторного типа АДИ-HDD-315.3 ИП (рисунок 81) предназначен для сварки низкоуглеродистых и легированных сталей, нержавеющих сталей, алюминия, титановых сплавов, медных и других цветных металлов и сплавов. В нем используется ВЧ инверторная технология мягкого переключения. Аппарат обладает соответствующими для данного типа высокими качественными характеристиками, применяется для дуговой сварки неплавящимся электродом в среде инертного газа (аргон) и ручной дуговой сварки, обладает рациональными статическими и стабильными динамическими характеристиками.

Аппарат АДИ-НРР-315.3 ИП может широко применяться при выполнении ремонтно-монтажных работ на промышленных предприятиях, стройках, фермах, в автохозяйствах, гаражных кооперативах и пр.

Рисунок 81 - Общий вид инвертора АДИ

 

Основные свойства и преимущества аппарата АДИ-HDD- 315.3ИП:

- компактные габаритные размеры и небольшая масса;

- обеспечивает четыре различные формы волны на выходе: стандартная прямоугольная, нестандартная прямоугольная, квадратная, треугольная, гармоническая;

- все параметры настроек выведены кнопками на переднюю панель;

- имеет четыре режима работы: 2-шаговый, 4-шаговый, точечная сварка, повтор. Способность сохранять до 30 установленных режимов сварки с параметрами. Быстрый поджиг дуги и идеальные сварочные параметры при пониженных шумах.

Многопостовые сварочные системы

МСС применяются для одновременного питания нескольких сварочных постов от одного источника (рисунок 82). Системы достаточно сложны, т. к. должны обеспечивать оптимальные технологические режимы сварки на всех постов с учетом влияния постов друг на друга. Экспериментальные расходы на такие системы ниже, чем на однопостовые. Однако в системах достаточно высокие потери электроэнергии в балластных реостатах (50 - 70 % от энергии, потребляемой постом).

Рисунок 82 - Сварочный пост с многопостовым источником питания и получение падающей характеристики источника на посту

В настоящее время в основном в многопостовых системах используются выпрямители (ВКСМ, ВДМ, ВДУМ, ВДУ).

Характеристика источника - жесткая, падающие - создаются за счет применения балластных реостатов. Балластный реостат представляет собой мощный ступенчато регулируемый активный резистор (рисунок 83). Он включается последовательно в сварочную цепь. Регулирование силы тока производится с помощью выключателей S1…S6.

Рисунок 83 - Принципиальная схема балластного реостата типа РБ-301

Основной недостаток балластных реостатов - невысокий КПД вследствие потерь энергии в нем как на обычном активном резисторе (например, при номинальном рабочем напряжении реостата 30 В и силе тока 315 А на нем рассеивается мощность более 9 кВт).

Количество сварочных постов, запитываемых от многопостового источника, зависит от характеристик балластных реостатов. Так, от источника с номинальным током 1000 А, можно запитать 6 постов с реостатами на 315 А, или 9 постов с реостатами на 200 А. Здесь учитывается коэффициент загрузки сварочных постов, который равен 0,6.

Потери энергии можно резко снизить, используя специально разработанные тиристорные регуляторы сварочного тока (например, ТРСТ-315, Iн = 315 А для многопостовых источников). Эти регуляторы обеспечивают сварку покрытыми электродами постоянным и модулированным током с регулируемой скважностью импульсов без разрыва цепи, сварку в углекислом газе с технологической оптимизацией параметров процесса в функции от скорости подачи сварочной проволоки, автономность питания устройства (подключается как обычный балластный реостат), снижение напряжения холостого хода в паузах сварки, защиту источника от коротких замыканий и перегрузок.

Размещение источников питания сварочных постов в зависимости от характера выполняемых работ может быть централизованным (групповым) и индивидуальным. Групповое размещение сварочного оборудования в отдельных помещениях делают на расстоянии 30 - 40 м от сварочного поста. Источники питания устанавливают на минимальном расстоянии от рабочего места электросварщика.

При больших объемах сварочных работ рационально использовать многопостовые сварочные выпрямители, преобразователи или трансформаторы. Величину сварочного тока при этом регулируют на каждом рабочем посту балластными реостатами (при использовании постоянного тока) и дросселями (при использовании переменного тока). Передвижные сварочные посты, как правило, применяются при монтаже и ремонтных работах. При этом часто используют переносные сварочные трансформаторы, сварочные агрегаты и выпрямители, устанавливаемые на специальные прицепы или закрытые автомобили. Такие прицепы и автомобили оборудованы специальными рубильниками, к которым подключены установки. При работе на различной высоте электроды и необходимый инструмент сварщика находятся в брезентовых сумках, подвешиваемых к поясу сварщика, либо в специальных пеналах или ящиках. Для обеспечения удобства и безопасности работы делают подмости с перилами (инвентарные леса) или подвешивают люльки. При работе на высоте и значительном удалении от источника питания применяют дистанционные регуляторы сварочного тока. А при сварке в сосудах закрытого типа для обеспечения безопасных условий труда используют ограничители холостого хода.

Современная промышленность предлагает для оснащения сварочного поста следующие аксессуары, облегчающие процесс сварки и обеспечивающие безопасность процесса:

- возбудители-стабилизаторы дуги, например ВСД-02;

- блок управления сварочным процессом, БУСП-ТИГ;

- блок снижения напряжения холостого хода, БСН-10 AC\DC;

- термопеналы и пеналы-термосы, ТП-8/130; ПТ-8;

- электропечи для прокалки электродов, ЭПЭ-10\400;

- блок измерительный, БИ-1.

В настоящее время промышленностью выпускаются многоцелевые передвижные посты для ручной дуговой сварки (например, пост ручной сварки ПРС-202.

Общие сведения. Универсальный источник тока ПРС-202 (рисунок 84), обеспечивающий сварку углеродистых сталей штучными электродами диаметром 2 - 4 мм на постоянном токе, а также аргонодуговую сварку неплавящимся вольфрамовым электродом на постоянном токе углеродистых и нержавеющих сталей, титана и медных сплавов, зарядку аккумуляторных батарей напряжением 12 В током до 30 А с десульфатацией пластин, запуск двигателя автомобиля с питанием бортовой сети 12 и 24 В в холодное время года при слабо заряженной аккумуляторной батарее.

Рисунок 84 - Общий вид поста ПРС-202

Основные узлы поста:

- Источник тока - 1 шт.

- Блок коммутационный - 1 шт.

- Горелка сварочная - 1 шт.

- Электрододержатель - 1 шт.

- Комплект жгутов и кабелей - 1 шт.

Технические характеристики:

Номинальное напряжение сети переменного тока Сварочный ток при ПВ = 100 %

Сварочный ток при ПВ = 20 %

Напряжение холостого хода источника Потребляемая мощность

Габариты 540x470x650

Масса 70кг

Вспомогательные устройства источников питания

В схемах специализированных источников широко применяются различные вспомогательные устройства для стабилизации процессов и для улучшения технологических характеристик.

Осциллятор представляет собой генератор затухающих по амплитуде знакопеременных импульсов высокого напряжения (около 3 кВ) и высокой частоты (порядка 100 - 3000 кГц). При подаче импульсов на промежуток между изделием и электродом происходит пробой промежутка искрой и появление свободных электронов. Кратковременный искровой разряд развивается в дуговой, создавая условия для горения сварочной дуги, питаемой от основного источника питания.

С источниками питания постоянного тока осцилляторы применяют для первоначального возбуждения дуги; с источниками переменного тока - как для первоначального возбуждения дуги, так и для возбуждения дуги после смены полярности (после перехода тока через нуль). Применяют осцилляторы параллельного и последовательного включения. На рисунке 85 приведена схема осциллятора параллельного включения.

Рисунок 85 - Принципиальная электрическая схема осциллятора параллельного включения

Трансформатор Т1 промышленной частоты повышает напряжение питающей сети до 3 - 6 кВ. Напряжение вторичной обмотки Т1 подведено к разряднику F, входящему в колебательный контур «Ск - первичная обмотка трансформатора T2-F», в котором возникают высокочастотные колебания. При возрастании синусоидального напряжения на вторичной обмотке Т1 конденсатор Ск заряжается. В его электрическом поле накапливается энергия Е = CU2/2. По достижении определенной величины напряжения происходит пробой воздушного промежутка разрядника. Конденсатор Ск разряжается на первичную обмотку высокочастотного трансформатора Т2, осуществляющего магнитную связь осциллятора со сварочным контуром. Энергия поля конденсатора Ск при его разряде (за вычетом потерь в резистивных сопротивлениях) преобразуется в энергию магнитного поля индуктивности LK. В колебательном контуре возникает знакопеременный затухающий по амплитуде колебательный процесс с угловой частотой, зависящей от величины Ск и LK. Трансформатор Т2 через вторичную обмотку Lc осуществляет ввод высокочастотного, высокого напряжения на дуговой промежуток (выводы с и d). Защита источника питания ИП от воздействия этого напряжения осуществляется с помощью Г - образного фильтра, состоящего из индуктивности Lф и емкости Сф. Если трансформатор источника питания имеет повышенное магнитное рассеяние, то наличие индуктивного фильтра не обязательно. Фильтр создает условия безопасной работы сварщика и предотвращает повреждение источника питания при пробое конденсатора Ск. В осцилляторе имеется помехозащитный фильтр ПЗФ, защищающий питающую сеть от высокочастотных колебаний. Колебания, возникшие в контуре, затухают примерно за 2 мс. Если осциллятор не отключают, то импульсы колебаний периодически повторяются после восстановления электрической прочности разрядника F. Осцилляторы параллельного включения применяют, как правило, с источниками питания постоянного тока.

Принципиальная электрическая схема осциллятора последовательного включения приведена на рисунке 86. Катушка индуктивности LK колебательного контура Ск - LK - F включена последовательно с дугой. Сечение ее обмотки рассчитывается на сварочный ток. Защита источника питания ИП от воздействия высокочастотного, высокого напряжения, возникающего на индуктивности LK при разряде конденсатора Ск, осуществляется шунтированием источника: конденсатором Сф. Осцилляторы последовательного включения компактнее и проще, чем параллельного.

Рисунок 86 - Осциллятор последовательного включения

Осцилляторы описанного вида генерируют широкий спектр частот, попадающих в питающую сеть и мешающих радиоприему. Кроме того, искровой разряд, возникающий при пробое промежутка между изделием и электродом, также является источником помех.

В схемах источников предусмотрено автоматическое отключение осцилляторов после возбуждения сварочной дуги.

Импульсный стабилизатор горения дуги (ИСГД) переменного тока применяют при сварке переменным током неплавящимся электродом изделий из легких сплавов в среде защитного газа. При этом способе сварки возникают трудности повторного возбуждения дуги при переходе на обратную полярность. На рисунке 87 приведена принципиальная схема ИСГД.

Форма изменения сварочного тока источника во времени может быть синусоидальной, трапецеидальной, прямоугольной. Конденсатор Сн заряжается от трансформатора Т через вентиль VI и токоограничивающий резистор Rзар. Наличие вентиля V1 предотвращает разряд конденсатора на трансформатор Т при снижении напряжения Uab. В цепи разряда конденсатора включены тиристор V2 и ограничительный балластный резистор Rбал. Разряд конденсатора на дуговой промежуток происходит при подаче положительного потенциала на управляющий электрод УЭ тиристора V2 от системы управления. Открывание тиристора произойдет тогда, когда на его аноде будет положительный потенциал относительно катода. Запирается тиристор после полного разряда конденсатора. Разрядный импульс обеспечивает повторное возбуждение дуги на обратной полярности сварочного тока. Параметры импульса: амплитуда около 600 В, длительность 60 - 80 мкс - устанавливаются в соответствии с требованиями технологии. Пик тока импульса может достигать 60 - 80 А.

Рисунок 87 - Принципиальная электрическая схема стабилизатора

Регулятор снижения сварочного тока (РССТ) в конце сварки. При быстром прекращении сварочного тока в шве образуется кратер. Для исключения этого технологического дефекта шва необходимо плавно снижать сварочный ток в конце сварки до нуля примерно за 5 - 6 с. При питании дуги от вращающихся преобразователей уменьшение величины сварочного тока в конце шва происходит при отключении двигателя от сети. Скорость двигателя плавно снижается, что определяется инерцией вращающихся частей преобразователя (естественный выбег), уменьшается плавно и сварочный ток.

В автоматизированных процессах сварки при питании дуги от статических источников для плавного снижения величины тока в конце шва могут применяться специальные конденсаторные батареи, обеспечивающие подачу непосредственно на вход регулятора тока источника управляющего напряжения, спадающего при разряде по экспоненте. Однако для разряда на цепь регулятора тока, имеющего малое резистивное сопротивление, требуется батарея весьма большой емкости. Для уменьшения емкости батареи в современных источниках питания используют промежуточные усилители на транзисторах, что дает не только резкое снижение емкости батареи, но и создает возможность регулирования в широких пределах времени снижения сварочного тока. На рисунке 88 приведена принципиальная электрическая схема регулятора плавного снижения сварочного тока в конце процесса сварки (в конце шва).

Усилитель регулятора собран на транзисторе V (рисунок 88), который является управляющим элементом регулятора сварочного тока.

Рисунок 88 - Регулятор снижения сварочного тока

В процессе сварки ключ (выключатель) S замкнут; конденсатор С заряжен до напряжения Un, снимаемого с потенциометра П, который питается от сети через выпрямитель VI. К. коллекторной цепи транзистора подведено напряжение Uv от выпрямителя Y2. Транзистор в это время открыт и на сварочный ток не влияет.

В конце сварки выключатель размыкается и конденсатор начинает разряжаться на резистор R, отрицательный потенциал на базе транзистора и проводимость транзистора начинают снижаться по экспоненте, снижая сварочный ток (рисунок 89).

Рисунок 89 - График снижения сварочного тока в конце сварки

Устройства снижения напряжения холостого хода. Эти устройства снижают напряжение на выходе сварочного источника питания до напряжения не более 12 В в течение 0,5 с после размыкания сварочной цепи (рисунок 90).

Рисунок 90 - Схема блока снижения напряжения холостого хода

В режиме холостого хода контактор КМ не работает и цепь дуги разорвана контактом КМ2. На дуговой промежуток поступает безопасное напряжение 12 В. При замыкании электрода на изделие измеритель сопротивления А1 дает команду на элемент А4, который включает через симистор VS контактор КМ. Дуга зажигается.

При обрыве цепи сварки трансформатор тока Т1 выключается и включаются таймеры А2 и А3. В течение 0,5 с сварочное напряжение не выключается для повторного зажигания дуги, если обрыв был случайным. Далее таймер переключает элемент А4 и КМ отключается. Таймер А3 -резервный, проверка блока - кнопкой S1.

Иногда совмещаются функции ограничения напряжения холостого хода и регулировка сварочного тока. Представителем таких устройств является балластный реостат типа РБС-300-1 (рисунок 91).

В нем осуществляется возможность дистанционно-ручного регулирования сварочного тока с помощью выносного пульта Е1. Конструктивно балластный реостат представляет собой сварной металлический каркас, внутри которого размещены элементы сопротивлений, понижающий трансформатор местного освещения на 12 В, блок снятия напряжения с электрода и аппаратура управления. На передней стенке корпуса установлены следующие элементы: амперметр контроля сварочного тока РА, выключатели: схемы управления S1 и ступени сварочного тока 150 А - S7, штепсельные разъемы подключения выносного пульта управления XI и питания трансформатора Х2, две клеммы подключения сварочных проводов и болт для заземления балластного реостата. В РБС-300-1 предусмотрено пять ступеней регулирования сопротивлений на 10, 20, 40, 80, 150 А. Каждая ступень набрана из отдельных элементов сопротивления и подключается к выходным клеммам с помощью контакторов К1 - К5. Контакторы включаются с выносного пульта управления выключателями S2 - S5. Выключателем S6 балластный реостат переводится в режим работы без пониженного напряжения холостого хода. На пульте Е1 имеются гнезда для подключения лампочки местного освещения на 12 В.

Рисунок 91 - Электрическая схема балластного реостата РБС-300-1

Пониженное напряжение снимается с делителя на сопротивлениях R6 и R7, в цепь которых включен тиристор V1. На управляющий электрод тиристора с помощью резисторов R8 - R10 и вентиля V2 постоянно подается отпирающее напряжение. Как только балластный реостат окажется под сварочным напряжением, тиристор VI отключается и на дуговой промежуток поступит пониженное напряжение. Это же напряжение приложено к катушке реле KV2, но оно недостаточно для его срабатывания. В момент возбуждения дуги сопротивление R6 замыкается накоротко и напряжение прикладывается к катушке реле KV2. Тогда сработает и замкнет свой контакт KV2 в цепи катушки реле XVI. Одновременно сработают контакторы, ском- мутированные выключателями S2 - 85, и подключат соответствующие секции сопротивлений балластного реостата в цепь сварочной дуги. Реле KV1 после срабатывания разомкнет контакты в цепи делителя и управляющего электрода тиристора. После прекращения сварки тиристор VI закроется. Схема придет в исходное состояние.

Безопасная эксплуатация сварочных источников питания.

1) Первичные цепи промышленных источников подключаются к сети переменного тока напряжением не более 660 В, бытовых - 220 В.

2) Напряжение холостого хода при РДС не более 80 В действующего значения переменного тока, 100 В - постоянного тока (среднее значение), при механизированной сварке под флюсом - 140 В. При ручных плазменных процессах - 180 В, полуавтоматических - 300 В, автоматических - 500 В.

3) Зажимы высокого и низкого напряжений разносят на разные доски, защищают откидными козырьками, сетевые зажимы должны иметь надпись «Сеть».

4) Корпус источника должен иметь защищенный от коррозии участок и болт с надписью «Земля» для заземления. Если корпус имеет дверцы или съемный кожух, то должна быть блокировка, исключающая работу с открытой дверцей или со снятым кожухом.

5) Заземление источников должно производиться проводом, диаметр которого исключает его перегорание до срабатывания защиты, сопротивлением не более 4 Ом. Не допускается последовательное заземление источников.

Требования безопасности и эргономики к конструкции источников питания для сварки. 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 609741:1998 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 (амплитудного) 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 141 В пикового значения (для переменного тока 100 В действующего значения). Для специальных способов, например плазменной резки, допускается напряжение 500 В. Подключение источника к электрической 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 3 380 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 (нулевому проводу) 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 или винтовым соединением на доске зажимов, отдельной от доски зажимов входной цепи. Разъемы и зажимы маркируются знаками « - » и « + » или символами электрододержателя (горелки) и струбцины (детали). Корпус источника должен иметь болт на защищенном от коррозии участке с определенным 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, 0I, I, 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 0I 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 градусов к вертикали.

Рассмотрим часто встречающуюся аббревиатуру IP. Код IP описывает степень защиты оборудования.

Расшифровка кода IP законодательно находит свое отражение в ГОСТ 14254-96 «Степени защиты, обеспечиваемые оболочками» и дает представление об исполнении оборудования. ГОСТ 14254-96 является заменой ГОСТ 4254-80 и в документации на старое оборудование ссылки даются на ГОСТ 1980 г. Существенных отличий между ними нет. В настоящее время на ГОСТ 14254-96 даны ссылки в более чем 60 различных ГОСТах и множестве нормативных документах, относящихся к пожаро- и взрывоопасности промышленного оборудования.

В код IP, кроме аббревиатуры, могут входить четыре символа.

Первый и второй - это цифры, характеризующие возможность проникновения в прибор внешних твердых предметов и защиту от характера воздействия на прибор жидкости. Третий и четвертый символы - буквы, дающие вспомогательную информацию. Третий и четвертый символы являются дополнительными и используются для специального оборудования.

Первый элемент кода является цифрой и показывает, от какого по размерам твердого тела и от проникновения какой части руки и инструмента предусмотрена защита прибора.

Первый элемент имеет семь различных значений.

Значение «0» означает, что прибор не обеспечивает никакой защиты от проникновения к опасным частям для человека и отсутствует защита оборудования от повреждения.

Цифра «1» говорит о том, что человек не сможет просунуть руку в опасную зону без демонтажа и предметы диаметром более 50 мм не смогут повредить оборудование.

Цифра «2» указывает на то, что человеческий палец ни при каких условиях не сможет оказаться в опасной зоне и оборудование защищено от попадания в него частиц диаметром больше 12,5 мм. Как правило, большинство коммутационного оборудования выполняется с этой степенью защиты.

Цифра «3» позволяет утверждать, что в оборудование нельзя проникнуть без специального инструмента, поскольку оно защищено от попадания посторонних предметов диаметром более 2,5 мм.

Цифра «4» говорит о том, что частицы более 1 мм не могут попасть на рабочие органы оборудования и до опасной зоны невозможно достать толстым проводом.

Цифра «5» характеризует оборудование как пылезащитное с защитой от любого механического вмешательства.

Цифра «6» означает, что оборудование выполнено пыленепроницаемым. Это высшая степень защиты от проникновения твердых частиц. Как правило, эта степень защиты применяется в особых случаях.

В отличие от твердых частиц жидкость способна проникать практически в любое оборудование. Поэтому степень защиты указывает тип и направление воздействия на оборудование, при котором гарантируется защита. За основу характеристики защиты выбрана вода как жидкость с наименьшей кинетической вязкостью и не разрушающая корпус химическим путем.

Цифра «0», как и в первом случае, означает отсутствие защиты от попадания воды в любом направлении.

Цифра «1» говорит о том, что корпус может защитить от вертикального воздействия с малой интенсивностью. Проще говоря, защита обеспечивается при падении капель. В принципе, приборы, выполненные по степени защиты «0», также могут работать короткое время при воздействиях с такой интенсивностью.

Цифра «2» означает, что защита обеспечивается при воздействии с малой интенсивностью под углом не более 15 градусов. Гарантируется защита от воздействия маленького «грибного» дождя. Эта степень защиты весьма условна и приборы, выполненные по степеням защиты 1 и 2, для защиты от воды практически не применяются.

Цифра «3» говорит о том, прибор защищен от воздействия воды в виде обычного дождя.

Цифра «4» позволяет утверждать, что жидкость не попадет внутрь прибора даже при сплошном обрызгивании.

Цифра «5» указывает на то, что агрегат будет нормально функционировать при воздействии на него струи жидкости.

Цифра «6» означает, что защита обеспечивает работу даже при сильном воздействии струи жидкости.

Цифра «7» показывает, что оборудование рассчитано на временное непродолжительное погружение.

Цифра «8» характеризует высшую степень защиты оборудования. Прибор, выполненный с этой степенью защиты, может выдерживать длительное погружение. Как правило, если прибор имеет защиту от проникновения воды, он также обладает защитой от проникновения в него твердых предметов. Так, при обеспечении защиты от прямого разбрызгивания жидкости (вторая цифра «4») также обеспечивается защита от проникновения в опасную зону со степенью защиты «5».

Дополнительная буква третьего элемента характеризует возможность проникновения к опасным частям различными предметами:

«А» - тыльной стороной руки;

«В» - пальцем;

«С» - инструментом;

«D» - проволокой.

Вспомогательная буква четвертого элемента кода IP дает справочную дополнительную информацию:

«Н» - высоковольтная аппаратура;

«М» - о состоянии движения во время испытаний защиты от воды;

«S» - о состоянии неподвижности во время испытаний зашиты от воды.

Эта информация предназначена для узких специалистов.

Таким образом, чем выше значения в коде IP, тем надежнее оборудование и тем выгоднее такое оборудование для покупателя (но, естественно, и дороже!).

Эргономические требования относятся, в частности, к наружной окраске источников. Принято окрашивать источники питания 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.