Назначение и классификация источников

Электрическая энергия подается в сварочную дугу от специального устройства – источника питания. Первый регулиру­емый сварочный источник питания был создан в 1905 г. австрийским профессором Розенбергом в виде генератора поперечного поля, у которого существовала связь между изменениями сварочного тока и напряжения на дуге. Первый в мире комбини­рованный однокорпусный трансформатор-регулятор для ручной дуговой сварки был изобретен в 1927 г. русским ученому Никитину. В 50-х годах прошлого сто­летия появились сварочные выпрямители на основе селе­новых диодов, а затем, в 70-е годы на основе силовых крем­ниевых тиристоров. Конструкция и параметры источника зависят от его тех­нологического назначения. Источник может быть предназначен для одного из следующих способов: ручной сварки покрытым электродом, механизированной (полуавтоматической) сварки плавящимся электродом в защитном газе или механизированной (автоматической) сварки под флюсом. Если на одном рабочем месте возникает необходимость сварки различными способами, применяют более сложные универсальные источники. Перечисленные источники объединяют в группу ис­точников общепромышленного назначения. Существенно отличаются от них конструкции так называемые специа­лизированные источники, предназначенные для сварки неплавящимся электродом в защитном газе, для плазмен­ной сварки и резки. Источники питания можно классифицировать в зави­симости от рода тока и принципа действия. В качестве источников переменного тока используют сварочные трансформаторы и специализированные установки на их основе, в качестве источников постоянного тока — сва­рочные выпрямители, преобразователи и агрегаты, а так­же специализированные источники на базе выпрямителей.

Сварочные трансформаторы преобразуют переменное сетевое напряжение в пониженное, необходимое для сварки. Это наиболее простые и дешевые источники, ши­роко используемые при ручной сварке покрытыми элек­тродами и автоматической сварке под флюсом. Специализированные установки на основе трансформаторов применяют для сварки алюминиевых сплавов неплавя­щимся электродом в защитном газе. Постоянный ток имеет некоторые преимущества, в частности более высокую устойчивость дуги по сравне­нию с дугой переменного тока. В тех случаях, когда ус­тойчивость оказывает заметное влияние на качество сварки или на возможность сварки (сварка на малых то­ках, сварка электродами с фтористо-кальциевыми по­крытиями, сварка в углекислом газе, наплавка под флю­сом), рекомендуется использовать источники постоянного тока. Из них наиболее совершенны сварочные выпрямители, которые имеют более высокий коэффициент полез­ного действия, меньшую массу, более удобны в изго­товлении и эксплуатации, обладают лучшими технологи­ческими свойствами. Их применяют для ручной, полуав­томатической и автоматической сварки, а также в качест­ве универсальных источников. В сварочном выпрямителе переменное напряжение сети сначала преобразуется в пониженное, а затем выпрямляется и подается на дугу. Сварочный преобразователь представляет собой ком­бинацию электродвигателя переменного тока и свароч­ного генератора постоянного тока. В этом случае элек­трическая энергия сети переменного тока преобразуется в механическую энергию электродвигателя, вращает вал генератора и преобразуется в электрическую энергию постоянного сварочного тока. Поэтому коэффициент по­лезного действия преобразователей невелик; из-за нали­чия вращающихся частей они менее надежны и удобны в эксплуатации по сравнению с выпрямителями. В насто­ящее время преобразователи выпускают только для руч­ной и полуавтоматической сварки. Сварочный агрегат состоит из двигателя внутреннего сгорания и генератора постоянного тока. Следовательно, в нем химическая энергия сгорания топлива преобразу­ется в механическую, а затем в электрическую энергию. Агрегаты используют в основном для ручной сварки в монтажных и полевых условиях, где отсутствуют элек­трические сети. Специализированные источники постоянного тока представляют собой выпрямители, дополненные различ­ными вспомогательными устройствами, расширяющими их технологические возможности. Так, источник постоян­ного тока для сварки неплавящимся электродом в за­щитном газе имеет устройство для возбуждения дуги, а также устройство для заварки кратера. Обычно отдельный источник предназначен для пита­ния током одной дуги, это однопостовый источник. В цехах с большим числом постов сварки экономично ис­пользование многопостовых источников. Их при­менение позволило плавно ре­гулировать величину свароч­ного тока и менять выходные вольтамперные характерис­тики сварочных аппаратов не за счет трансформатора, а на основе обратных связей и фазовой регулировки угла включения тиристоров. Однако, не смотря на при­менение новой элементной базы, сварочные источники питания оставались по-пре­жнему достаточно тяжелыми и громоздкими, т.к. их основ­ной вес был сосредоточен в трансформаторе. Сечение сердечника трансформатора можно определить по формуле:

где U₂₀ — напряжение хо­лостого хода трансформатора;

w₂ — количество витков вторичной обмотки;

В — индукция в сердечни­ке;

f — частота.

Уменьшить сечение сердечника, и вес трансформатора, можно за счет снижения U₂₀ или уве­личения w₂, В, f. По пути уменьшения U₂₀ шли разра­ботчики трансформаторов. Одна­ко, при U₂₀<50В зажигание дуги становится проблематичным, поэтому умень­шение U₂₀ позволяет незначительно уменьшить вес при нестабильнос­ти зажигании дуги. Уве­личение w₂ также практичес­ки ничего не дает, т.к. одно­временно увеличивается число витков первичной обмотки и, в общем увеличивается вес обмоток. Резко увеличить индукцию «В» невозможно из-за характеристик современных трансформатор­ных сталей. Поэтому единственным путем умень­шения веса источников питания явилось увеличение частоты. На основе использования этой идеи были созданы инверторные источники питания.

 

Рис. 1. Блок-схема инверторного источника питания.

В инверторных источниках питания напряжение от силовой лини преобразуется в постоянное входным выпрямителем (рис. 1). Инвертор преобразует его в переменное частотой до 100000 Гц. Далее напряжение подается на понижающий высокочастотный трансформатор. Через диодный выпрямитель и сглаживающий дроссель подключается электрод.

В Беларуси инверторные источники питания предлагаются шведской фирмой «ESAB» которые имеют диапазон изменения сварочного тока 5…250 А при массе источников 5,5…11 кг. Лучшие характеристики имеет сварочный аппарат «Грин Мастер» МК 500А российского производства.

Рис. 2. «Грин Мастер» МК 500А.

Рис. 3 Лицевая панель «Грин Мастер» МК 500А.

 

Характеристики «Грин Мастер» МК 500А: Сварочный ток –постоянный, пульсирующий, импульсный 5-650 А; масса – 7,5 кг; температура среды — -55 +125⁰С; возможна работа от аккумуляторов.

Сварочные трансформаторы.

Трансформатор – это аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Трансформатор представляет собой сердечник из магнитомягкой стали с двумя обмотками. Обмотка, к которой подводиться напряжение, называется первичной, а обмотка, к которой подключается потребитель – вторичной. Между числом витков в обмотках и напряжением на входе и выходе трансформатора существует строгая зависимость. Напряжение на входе во столько раз отличается от напряжения на выходе, во сколько раз число витков в первичной обмотки больше числа витков во вторичной обмотке. Число, показывающее во сколько раз количество витков одной обмотки, а соответственно, во сколько раз первичное напряжение отличается от вторичного, называется коэффициентом трансформациии.

Трансформаторы, у которых вторичное напряжение меньше первичного, называются понижающими. Именно таким являются сварочный трансформатор. Изменение величины сварочного тока в трансформаторах может осуществляться путём изменения числа витков в первичной и вторичной обмотках (применяется только для диапазонов регулирования) или путём изменения индуктивного сопротивления сварочной цепи. Индуктивное сопротивление может изменяться за счёт изменения величины воздушного зазора в магнитопроводе, за счёт изменения расстояния между первичной и вторичной обмотками, за счёт введения магнитного шунта и др.

Сварочные трансформаторы подразделяются на четыре основные группы: сварочные трансформаторы с отдельным дросселем, сварочные трансформаторы с подвижным шунтом, сварочные трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием и подвижной обмоткой.

Сварочные аппараты с отдельным дросселем (рис.4) состоят из понижающего трансформатора и дросселя (регулятора тока). Трансформатор имеет сердечник (магнитопровод) 2 из пластин, отштампованных из тонкой трансформаторной стали, толщиной 0,5 мм. На сердечнике расположены первичная 1 и вторичная 3 обмотки. Первичная обмотка из изолированной проволоки подключается к сети переменного тока напряжением 220 или 380 В.

Рис. 4. Конструктивная схема и внешний вид трансформатора с отдельным дросселем.

Во вторичной обмотке, изготовленной из медной шины, индуцируется напряжением 60…70 В. Последовательно с вторичной обмоткой в сварочную цепь включена обмотка 4 (из голой медной шины) дросселя. Обмотка имеет асбестовые прокладки, пропитанные теплостойким лаком. Сердечник дросселя также набран из пластин тонкой трансформаторной стали и состоит из двух частей: неподвижной 5, на которой расположена обмотка дросселя и подвижной 6. Изменяя зазор “а” между неподвижным и подвижным магнитопроводами изменяют индуктивное сопротивление дросселя и, тем самым, ток в сварочной цепи. При увеличении зазора магнитное сопротивление магнитопровода дросселя увеличивается, магнитный поток ослабевает, уменьшается ЭДС самоиндукции катушки и её индуктивное сопротивление. Это приводит к возрастанию сварочного тока. При уменьшении зазора сварочный ток уменьшается. По такой схеме изготовлены сварочные трансформаторы типа СТЭ.

Сварочные трансформаторы со встроенным дросселем имеют электромагнитную схему, представленную на рис. 5.

Рис. 5. Конструктивная схема и внешний вид трансформатора со встроенным дросселем.

Магнитопровод трансформатора состоит из основного сердечника 1, на котором расположена первичная 2 и вторичная 5 обмотки собственно трансформатора и добавочного сердечника 3 с обмоткой 4 дросселя. Добавочный магнитопровод расположен над основным и состоит из неподвижной и подвижной частей, между которыми устанавливается необходимый воздушный зазор ”а“. Сварочный ток регулируют изменяя зазор “а”: чем больше зазор “а”, тем больше сварочный ток. Конструктивную схему со встроенным дросселем имеют трансформаторы типа СТН и ТСД. Преимущества трансформаторов этого типа больше по сравнению с трансформатором типа СТЭ, кроме однокорпусного исполнения, - меньшие габариты и масса. Однако они не лишены недостатков, присущих трансформаторам с отдельным дросселем. Недостатком этих источников является неустойчивая работа при сварке на малых токах из-за вибрации подвижного пакета дросселя, вызываемая значительными электродинамическими усилиями.

Эти усилия возникают при замыкании дугового промежутка в момент перехода капли расплавленного металла с электрода в сварочную ванну.

Конструктивная схема сварочного аппарата с увеличенным магнитным рассеянием и подвижной обмоткой показана на рис. 6b. Такую схему имеют трансформаторы типа ТС и ТД. Трансформатор имеет магнитопровод, на обоих стержнях которого расположены по две катушки: одна с первичной обмоткой 1, а вторая – со вторичной 2. Катушки первичной обмотки закреплены неподвижно в нижней части сердечника, а катушки вторичной обмотки перемещаются по стержню с помощью винтовой пары. Сварочный ток регулируют изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. При увеличении этого расстояния магнитный поток рассеяния возрастает, а сварочный ток уменьшается.

К трансформаторам с повышенным магнитным рассеянием относятся трансформаторы типа ОТАН и СТШ, принципиальная конструктивная схема которых показана на рис. 6а. В этих трансформаторах магнитное рассеяние создаётся на счёт подвижного магнитного шунта 3, помещённого между стержнями трансформатора. При выдвижении магнитного шунта за пределы магнитопровода рассеяние уменьшается, что приводит к увеличению сварочного тока.

Рис. 6 Конструктивные схемы трансформаторов:a - с подвижным магнитным шунтом; b - с подвижной обмоткой.

При электродуговой сварке имеют дело с системой состоящей из источника питания и сварочной дуги. Установившейся режим работы этой системы определяется точкой А пересечения внешней характеристики источника питания 2 и статической вольт-амперной характеристики дуги 1 (рис. 7). Внешняя характеристика источника питания – это график зависимости между напряжением на зажимах источника питания и током, отдаваемым источником. Характеристика источников питания сварочной дуги может быть крутопадающей 1, пологопадающей 2 и жёсткой 3 (рис. 8).

График статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) дуги характеризуется тремя участками (рис. 7): I – малореализуемый на практике, II – применяемый для ручной дуговой сварки, III – применяемый для сварки в среде углекислого газа; 3,1 – статические вольтамперные характеристики дуги (соответственно большей и меньшей длины дуги).

Рис. 7. Статическая вольт-амперная характеристика дуги (1, 3) и внешняя характеристика источника питания.

Рис. 8. Характеристики источников питания сварочной дуги.

Рис. 9. Изменение сварочного тока: DI1 – при колебаниях длины дуги; DI2 – при изменении зазора дросселя.

Для построения характеристики источника питания необходимо изменять длину дуги от холостого хода до короткого замыкания и для каждой длины дуги измерять по приборам напряжения дуги и сварочный ток. Полученные данные свести в таблицу и построить график U_g=i(I_CB). Трансформатор сварочный с нормальным магнитным рассеянием и дросселем на общем магнитопроводе работает в следующих режимах: холостой ход (ХХ), режим нагрузки (РН), режим короткого замыкания (КЗ). В режиме холостого хода трансформатора в магнитопроводе действует только магнитный поток собственно трансформатора, который индуцирует во вторичных обмотках трансформатора ЭДС самоиндукции. Так как собственно трансформатор имеет нормальное рассеяние, то ЭДС самоиндукции U₂ - величина постоянная. Напряжение на выходе вторичных обмоток собственно трансформатора и на выходе сварочного трансформатора U2 приблизительно равны 65 В:

U₂=U_g=U_X=65 B

В режиме КЗ замкнута цепь сварочного тока и поэтому в магнитопроводе сварочного трансформатора действуют два магнитных потока: трансформатора и дросселя. Магнитный поток трансформатора индуктирует во вторичных обмотках трансформатора напряжение, а магнитный поток дросселя индуцирует в обмотке дросселя ЭДС самоиндукции дросселя Е_с.др, поэтому:

U_g=U_K=U₂–E_с.др.

Режим КЗ сварочного трансформатора является рабочим и поэтому токи короткого замыкания ограничены по значению, причем ограничение в сварочном трансформаторе токов короткого замыкания достигается за счёт ЭДС самоиндукции дросселя, которая направлена встречно вторичному напряжению. В момент короткого замыкания на дуге напряжение на выходе сварочного трансформатора составляют 10…15 В. Изменение тока КЗ достигается за счёт изменения зазора в магнитопроводе дросселя; с увеличением зазора индуктивное сопротивление дросселя уменьшается и поэтому ток КЗ возрастает; с уменьшением зазора индуктивное сопротивление дросселя возрастает и поэтому ток КЗ уменьшается.

В режиме нагрузки горит сварочная дуга и проходит ток по обмотке дросселя.

Поэтому в режиме нагрузки в магнитопроводе дросселя действуют те же магнитные потоки, что и в режиме короткого замыкания:

U_g=U₂–Е_с.др.

Способы настройки сварочного трансформатора на режим ручной дуговой сварки по току и напряжению.

Сварочный ток влияет на глубину провара основного металла. Сварочный ток можно изменить за счёт длины дуги и за счёт регулировки источника питания.

При ручной дуговой сварке неизбежны колебания длины дуги. Поэтому применяют источники питания с крутопадающими внешними характеристиками, что обеспечивает незначительные изменения тока (глубины провара) при колебаниях длины дуги (рис. 9). Сварочный ток можно существенно изменить при постоянной длине дуги за счёт регулировки источника. В сварочном трансформаторе с дросселем на общем магнитопроводе регулируют зазор в магнитопроводе дросселя (каждая внешняя характеристика источника соответствует определённому положению его регулирующего устройства, рис. 9).

Длина дуги (напряжения дуги) при ручной дуговой сварке поддерживается вручную.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

"Устройство сварочного трактора и настройка его на
заданный режим работы".

Цель работы: изучить назначение и устройство сварочного трактора, а также его настройку по току, напряжению и скорости сварки; установить влияние параметров режима сварки на возможные результаты.

Сварка под флюсом - дуговая сварка, осуществляемая с использо­ванием плавящегося электрода и введением в зону дуги для создания защиты от воздействия окружающей среды гранулированного (зернистого) флюса, слой которого полностью закрывает дугу и, частично расплавляясь, создает вокруг нее подвижную защитную оболочку, перемещающуюся вместе с дугой.