Лекция №8 Общие сведения об источниках питания сварочной дуги и устройстве сварочных автоматов и полуавтоматов– 4 ч
1. Основные требования, предъявляемые к ИП.
2. Внешние вольтамперные характеристики ИП.
3. Понятия о ПР и ПВ ИП в прерывистом режиме горения сварочной дуги.
4. Сварочные трансформаторы. Назначение и классификация. Основные узлы.
5. Сварочные выпрямители. Назначение и классификация. Основные узлы. Многопостовые сварочные выпрямители.
6. Сварочные агрегаты. Назначение и классификация. Основные узлы.
7. Инверторы. Назначение и классификация. Основные узлы.
8. Источники питания с синергетикой.
9. Особенности эксплуатации и обслуживания ИП сварочной дуги.
10. Сварочные автоматы.
11. Сварочные полуавтоматы.
1. Основные требования, предъявляемые к ип
Электрическая энергия подается в сварочную дугу от специального устройства – источника питания (ИП).
Источники общепромышленного назначения могут быть предназначены для одного или нескольких способов сварки:
– дуговой сварки покрытыми электродами;
– механизированной сварки плавящимся электродом в защитном газе;
– автоматической сварки под флюсом.
Источники питания можно классифицировать в зависимости от рода тока. В качестве источников переменного тока используются сварочные трансформаторы. Источниками постоянного тока являются сварочные выпрямители, преобразователи и агрегаты.
Существуют однопостовые и многопостовые источники питания сварочным током.
Источник питания должен удовлетворять следующим требованиям:
– обеспечивать надежное возбуждение дуги, поддерживать ее устойчивое горение;
– способствовать благоприятному переносу электродного металла и формированию сварного шва;
– обеспечивать возможность настройки требуемого режима сварки.
Эти требования обеспечиваются путем специальной проработки конструкции источника при его создании.
2. Внешние вольтамперные характеристики ип
Электрические свойства источника выражаются его внешней статической вольтамперной характеристикой. Внешняя статическая вольтамперная характеристика может быть крутопадающей (а), пологопадающей (б), жесткой (в), и возрастающей (г).
Внешние статические вольтамперные характеристики источников питания
При ручной сварке покрытыми электродами применяются источники питания постоянного и переменного тока с крутопадающей внешней характеристикой. При сварке под флюсом применяют источники постоянного и переменного тока с пологопадающей внешней характеристикой. При механизированной сварке в углекислом газе используют источники постоянного тока с жесткой внешней характеристикой. Источники питания с возрастающей внешней характеристикой применяются преимущественно при электрошлаковой сварке.
Методы регулирования тока и напряжения.
При отсутствии внешней нагрузки в сварочных трансформаторах сетевое напряжение 220 или 380 В преобразуется в более низкое 60-80 В (напряжение холостого хода). Регулировать сварочный ток трансформатора можно двумя способами:
– изменением напряжения холостого хода;
– изменением индуктивного сопротивления обмоток трансформатора.
Первый способ основан на наличии в трансформаторе секционированных обмоток, соединяя и разъединяя которые, можно ступенчато регулировать напряжение холостого хода U2 и, как следствие, сварочный ток. При этом 
, где U1 — напряжение внешней сети; W1 — количество витков первичной обмотки, W2 — то же вторичной обмотки. Это, так называемое, грубое регулирование сварочного тока.
Второй способ дает плавное регулирование сварочного тока путем перемещения по сердечнику подвижных обмоток, в результате чего изменяется индуктивное сопротивление трансформатора. В современных трансформаторах оба способа регулирования сварочного тока совмещаются в одной конструкции.
Схема трансформатора с секционированными обмотками
Схема трансформатора с перемещением обмоток
В сварочных выпрямителях напряжение, необходимое для процесса сварки, внешняя вольтамперная характеристика и сварочный ток обеспечиваются понижающим трансформатором с регулируемым магнитным рассеянием.
В тиристорных выпрямителях полупроводниковый блок может использоваться в качестве регулятора силы тока. За счет управляющих импульсов, подаваемых на тиристорный блок, формируется вольтамперная характеристика выпрямителя и осуществляется его настройка на заданный режим непрерывной или импульсной дуговой сварки. Аналогичная система регулирования используется в инверторных источниках (это источники питания, преобразующие напряжение сетевой частоты в более высокочастотное, которое затем подается на сварочный трансформатор и на выходе его выпрямляется; за счет использования повышенной частоты габариты сварочного трансформатора и, соответственно, источника питания в целом значительно меньше, чем у выпрямителей, работающих на сетевой частоте).
Источники для механизированной сварки плавящимся электродом в защитном газе
Сварка в углекислом газе, аргоне и их смесях с кислородом ведется на постоянном токе с использованием проволоки диаметром от 0,5 до2,4 мм (в аргоне — до 5 мм) на токе от 50 до 600 А при напряжении от 15 до 40 В. Благодаря высокой плотности тока (I>100А/мм) вольтамперная характеристика дуги возрастающая — ρи от +0,01 до +0,1 В/А. Зажигание дуги коротким замыканием происходит при непрерывной подаче проволоки без отдергивания и поэтому затруднено (рисунок 3.2). 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 зажигается после 2-3 перегораний проволоки, но в неблагоприятных случаях этот процесс затягивается до 1с и более. Установление процесса сварки облегчается при малой скорости подачи проволоки, при «горячем пуске», при использовании осциллятора.
Рисунок 3.2 – Зажигание дуги при сварке в защитном газе
Устойчивое горение дуги достигается благодаря использованию саморегулирования, поскольку при сварке в защитных газах в подавляющем 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 используют в основном источники с пологопадающей характеристикой (рисунок 3.3, а). Допустимо также применение источников с жесткой и даже пологовозрастающей характеристикой. Так, при сварке стали проволокой диаметром от 0,5 до 1,4 мм рекомендуются источники с ρи от +0,04 до -0,08 В/А. При таких характеристиках сила тока короткого замыкания Iк при зажигании дуги ограничена благодаря сопротивлению вылета электродной проволоки, но все же довольно велика — IК=(2-5) Iд. Это способствует надежному зажиганию дуги, и поскольку стадия короткого замыкания непродолжительна из-за быстрого перегорания проволоки, источник выдерживает такой режим. При таких прямолинейных характеристиках напряжение холостого хода сравнительно невелико (U=25-50 В), благодаря чему и возможна сварка короткой дугой, но по этой же причине затягивается установление процесса сварки (рисунок 3.2). Поэтому в современных источниках ценой некоторого усложнения конструкции добиваются увеличения напряжения холостого хода примерно до U=(1,5-2) Uд,но не ниже 40 В (рисунок 3.3, б, кривая 2).
Рисунок 3.3 – Характеристики источника для механизированной сварки в защитном газе
Специфическое требование к источникам для сварки в углекислом газе связано с необходимостью ограничения пикового тока короткого замыкания и скорости его нарастания для снижения разбрызгивания электродного металла. При сварке короткой дугой проволоками диаметром от 0,5 до 1,4 мм рекомендуется ограничивать скорость нарастания тока короткого замыкания значением 70 — 180 кА/с введением дросселя в цепь источника. При сварке длинной дугой можно установить эту скорость от 70 до 110 кА/с. Еще больший эффект достигается в случае программирования тока при переносе с короткими замыканиями. Разбрызгивание уменьшается также при выборе оптимального соотношения между током и напряжением, например, по соотношению Uд=18+0,04Iд. Источник с возрастающей внешней характеристикой (рисунок 3.3, б, кривая 1), автоматически обеспечивающий это соотношение, назван оптимизированным.
При аргонодуговой сварке плавящимся электродом дуга значительно устойчивей, 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 полого- и даже крутопадающей характеристикой (ρи 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.
Источник питания для механизированной сварки
Владельцы патента RU 2306212:
Изобретение относится к элементам электрического оборудования, в частности к трансформаторам и выпрямителям для питания сварочной дуги при механизированной и автоматической сварке в среде защитных газов, а также при автоматической сварке под флюсом. Источник питания содержит силовой трансформатор с жесткой внешней характеристикой и дроссель насыщения, обмотки которого включены последовательно с обмотками силового трансформатора. Часть магнитопровода дросселя насыщения выполнена с возможностью перемещения относительно остальной, неподвижной его части, без разрыва магнитной цепи дросселя и без образования воздушного зазора. Смещение частей магнитопровода относительно друг другу изменяет рабочее сечение магнитопровода и, как следствие, фазу насыщения магнитопровода. Простым и надежным способом регулируется выходное напряжение источника питания. 2 ил.
Изобретение относится к элементам электрического оборудования, в частности к трансформаторам и выпрямителям для питания сварочной дуги при механизированной и автоматической сварке в среде защитных газов, а также при автоматической сварке под флюсом. Заявленное изобретение может также найти применение как источник питания с жесткими (пологопадающими) внешними характеристиками в электротехнологических установках или в электроприводе и т.д.
Известен трансформатор с пологопадающими внешними характеристиками для автоматической дуговой сварки под флюсом (Оборудование для дуговой сварки. Справочное пособие под редакцией В.В.Смирнова. — Л.: Энергоатомиздат, 1986 г., с.375), состоящий из силового трансформатора и двух встречно-параллельно включенных тиристоров, включенных в цепь его первичной обмотки. Регулирование напряжения на выходных зажимах трансформатора производится изменением фазы включения тиристоров. Применение таких трансформаторов и других тиристорных источников питания дуги со сравнительно дорогой электронной аппаратурой оправдано при повышенных требованиях к стабильности процесса сварки и его управляемости.
Известен выпрямитель с пологопадающими внешними характеристиками при механизированной сварке в среде защитных газов, состоящий из силового трехфазного трансформатора, выпрямительного моста и сглаживающего дросселя. Для регулирования рабочего напряжения силовой трансформатор выполнен с возможностью изменения числа витков первичной обмотки с помощью переключателей. Большему числу витков первичной обмотки соответствует меньшее значение рабочего напряжения выпрямителя.
Такой выпрямитель дешев и достаточно надежен, но имеет ряд недостатков. При работе на максимальной мощности, при наибольшем напряжении нагрузки выпрямителя существенная часть витков первичной обмотки не используется, секционирование обмотки связано с увеличением расчетной мощности трансформатора (Патон Б.Е., Лебедев В.К. Электрооборудование для электродуговой и шлаковой сварки. — М.: Машиностроение, 1966 г., с.317), с непроизводительными потерями обмоточной меди и трансформаторной стали. Другой существенный недостаток выпрямителя с изменением числа витков первичной обмотки трансформатора — невозможность плавного управления рабочим напряжением. Число отводов от первичной обмотки ограничено объемом коммутационной аппаратуры и технологической сложностью выполнения отводов.
Плавное (бесступенчатое) регулирование рабочего напряжения достигнуто в выпрямителе для сварки в защитных газах серии ВДГ (Закс М.И. Сварочные выпрямители. — Л.: Энергоатомиздат, 1983 г., с.39 и с.70.), оснащенном дросселем насыщения и принятым за прототип.
Как и рассмотренный выше выпрямитель с секционированной первичной обмоткой, он содержит силовой трехфазный трансформатор, выпрямительный мост и сглаживающий дроссель, однако в прототипе последовательно с каждым из шести диодов выпрямительного моста включена рабочая обмотка дросселя насыщения. Каждая рабочая обмотка имеет свой замкнутый магнитопровод, все шесть магнитопроводов охвачены единой обмоткой управления. Известно, что в трехфазном выпрямителе с мостовой схемой выпрямления каждый из диодов моста проводит ток в течение 1/3 периода сетевого напряжения. За это время, называемое рабочим интервалом дросселя насыщения, магнитопровод, рабочая обмотка которого соединена с проводящим диодом, насыщается проходящим по обмотке током нагрузки. В отсутствие тока обмотки управления все шесть магнитопроводов дросселя насыщения окажутся через незначительное время после включения трансформатора на нагрузку в насыщенном состоянии, реактивное сопротивление рабочих обмоток будет близко к нулю, и все напряжение вторичных обмоток трансформатора, выпрямленное мостом, окажется на нагрузке. Если же по обмотке управления пропустить ток, направление которого будет встречно направлению тока рабочей обмотки, то в интервалы времени, соответствующие закрытому состоянию диодов моста (интервалы управления), магнитопроводы дросселя насыщения будут перемагничиваться и тем интенсивнее, чем больше будет значение тока обмотки управления.
С ростом тока управления все большая часть рабочего интервала дросселя будет затрачена на перемагничивание стали магнитопровода и соответственно меньшая часть напряжения обмоток силового трансформатора будет приложена к нагрузке. Можно сказать, что ток обмотки управления дросселя задает момент или фазу насыщения каждого из шести магнитопроводов дросселя насыщения, определяя значение рабочего напряжения выпрямителя.
Недостатком прототипа является сложность изготовления дросселя насыщения, его громоздкость. Для симметричного управления двумя полупериодами каждой фазы питающего напряжения дроссель насыщения, как и любой магнитный усилитель, должен иметь два магнитопровода и две рабочие обмотки на каждую фазу.
Таким образом, мы видим, что в известных конструкциях сварочных источников питания с пологопадающими внешними характеристиками регулирование рабочего напряжения осуществляется либо ступенчато, механическим переключением числа витков обмоток силового трансформатора, либо плавно, путем управления фазой включения (насыщения) электронных или электромагнитных ключевых элементов.
В основу изобретения поставлена задача создания сварочного источника питания с пологопадающими внешними характеристиками, в котором плавное регулирование рабочего напряжения обеспечено простыми и надежными механическими средствами.
Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый источник питания для механизированной сварки, так же как и известный, содержит силовой трансформатор с жесткой внешней характеристикой, и дроссель насыщения, обмотки которого включены последовательно с обмотками силового трансформатора. Но в отличие от известного в предлагаемом источнике питания, по крайней мере, одна часть магнитопровода дросселя насыщения выполнена с возможностью механического перемещения относительно остальной, неподвижной части магнитопровода, без разрыва магнитной цепи дросселя воздушным зазором.
Такая конструкция дросселя позволяет механическим путем изменять сечение участка магнитной цепи дросселя и таким образом управлять моментом (фазой) насыщения магнитопровода.
Совокупность признаков, изложенная в пункте 2 формулы изобретения, характеризует источник питания, в котором перемещение подвижной части магнитопровода дросселя насыщения производится с помощью винтового механизма, ходовая гайка которого, например, жестко связана с подвижным ярмом магнитопровода, а винт соединен с неподвижными стержнями, на которых расположены рабочие обмотки дросселя.
Совокупность признаков, изложенная в пункте 3 формулы изобретения, характеризует устройство, в котором подвижная часть магнитопровода дросселя насыщения выполнена из материала с прямоугольной петлей гистерезиса.
Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлено:
Фиг.1 — внешний вид однофазного дросселя насыщения, эпюры напряжения нагрузки для трех положений подвижной части магнитопровода дросселя и упрощенная принципиальная схема сварочного трансформатора с дросселем насыщения.
Фиг.2 — упрощенная принципиальная схема трехфазного сварочного выпрямителя с дросселем насыщения и внешний вид трехфазного дросселя насыщения.
Дроссель с механическим регулированием имеет обмотку 1, установленную на неподвижной части магнитопровода 2 (фиг.1). Верхнее ярмо магнитопровода 3 выполнено подвижным, с одной степенью свободы — по оси тяги 4.
Конструкция магнитопровода обеспечивает передвижение подвижной его части относительно неподвижной без образования воздушных зазоров, способных повлиять на параметры магнитной цепи дросселя. Такой результат может быть получен за счет использования штампованных П-образных пластин в неподвижной части магнитопровода и шлифовки торцевых поверхностей его подвижной части.
На фиг.1, d обмотка дросселя 1 включена последовательно со вторичной обмоткой силового трансформатора 5, но она может быть включена и последовательно с его первичной обмоткой. При этом число витков обмотки должно быть увеличено в n раз, где n — коэффициент трансформации; соответственно в n раз уменьшается требуемое сечение провода обмотки.
На фиг.2, а представлен внешний вид дросселя насыщения трехфазного выпрямителя. Неподвижная часть 2 магнитопровода выполнена в виде пакета штампованных Ш-образных пластин, на стержнях пакета установлены три фазные обмотки дросселя Wa, Wb, Wc. Верхнее ярмо магнитопровода выполнено в виде двух подвижных частей 3, связанных общей тягой 4, с возможностью перемещения вдоль оси тяги без образования воздушных зазоров между неподвижной 2 и подвижными 3 частями магнитопровода. Обмотки дросселя включены в цепь вторичных обмоток силового трансформатора 5, как это показано на принципиальной схеме (фиг.2, b).
Источник питания работает следующим образом. При подключении выходных зажимов источника к нагрузке напряжение вторичных обмоток силового трансформатора распределяется между нагрузкой и обмотками (обмоткой) дросселя насыщения пропорционально их сопротивлениям. Реактивное сопротивление обмотки дросселя до момента насыщения его магнитопровода велико, и в нагрузке протекает только небольшой ток намагничивания дросселя. В момент насыщения магнитопровода, обозначенный на фиг.1 как фаза переключения ϕ, магнитная проницаемость стали магнитопровода резко падает, реактивное сопротивление обмотки скачком уменьшается до значения, близкого к значению активного сопротивления обмотки. Все напряжение вторичной обмотки трансформатора подается на нагрузку.
Поток в магнитопроводе дросселя, заданный приложенным к обмотке напряжением и числом ее витков, постоянен во всех частях магнитной цепи, а плотность потока, магнитная индукция обратно пропорциональна сечению стали на пути магнитного потока. Следовательно, насыщение стали магнитопровода наступает на том его участке, где сечение минимально. Выдвигая часть магнитопровода и уменьшая тем самым реальное сечение на пути магнитного потока, можно управлять моментом насыщения, т.е. моментом «обрыва» магнитной цепи и скачкообразного падения реактивного сопротивления дросселя (фиг.1). Скорость переключения напряжения обмотки силового трансформатора с обмотки дросселя на нагрузку в момент ϕ насыщения подвижного участка магнитопровода определяется степенью прямоугольности петли гистерезиса материала, из которого выполнен этот участок. При прямоугольной петле гистерезиса магнитная проницаемость насыщенного магнитопровода близка к проницаемости воздуха, переключение напряжения происходит практически мгновенно (пунктирная линия на фиг.1). Такого результата можно достичь при выполнении подвижных участков магнитопровода из пермаллоя или очень тонкой электротехнической стали. Вполне удовлетворительные результаты дает и электротехническая сталь общего применения.
Дроссель насыщения с управлением подвижной частью магнитопровода, не нуждающийся в обмотке постоянного тока (обмотке управления), абсолютно симметричен в цепях переменного тока, процессы в нем не зависят от направления тока в рабочей обмотке.
Источники питания с дросселем насыщения, управляемым подвижной частью магнитопровода, просты в изготовлении и надежны в эксплуатации. Сварочные свойства экспериментального источника питания на номинальный ток 300 А, в котором реализовано предполагаемое изобретение, не уступают сварочным свойствам источника питания ВДГ-313, принятого за аналог.
Источник питания для механизированной сварки, содержащий силовой трансформатор с жесткой внешней характеристикой и дроссель насыщения, обмотки которого включены последовательно с обмотками силового трансформатора, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна часть магнитопровода дросселя насыщения выполнена с возможностью механического перемещения относительно остальной неподвижной части магнитопровода без разрыва магнитной цепи дросселя.