Требования к источникам питания

Сварочная дуга является особого вида активной электрической нагрузкой. Активной

нагрузкой является такой потребитель, когда при прохождении по нему электрического тока выделяется свет и тепло. В отличии от других потребителей сварочная дуга имеет следующие особенности:

1) для возбуждения дуги требуется напряжение большее, чем для ее горения.

2) дуга горит с перерывами, во время которых происходит либо разрыв электрической цепи, либо короткое замыкание. Причем при разрыве цепи напряжение падает до нуля, а при коротком замыкании сила тока значительно возрастает.

3) во время ручной дуговой сварки происходят изменение длины дуги, а значит и ее напряжения, но это не должно сказаться на силе сварочного тока, определяющим скорость плавления электрода и устойчивость процесса сварки.

Эти особенности обусловили следующие требования к источникам питания ручной дуговой сварки:

1. Напряжение холостого хода источника питания должно быть не менее, чем в 2-3 раза больше напряжения дуги при ее горении, быть достаточным для ее легкого возбуждения и в то же время быть не выше допустимого и более безопасного для сварщика. Напряжение источников питания регулируемое, но по требованию, для источников переменного тока (трансформаторов) оно не должно превышать 80В, а для источников постоянного тока (генераторов и выпрямителей) не более 90 В.

2. Источник питания должен ограничить ток короткого замыкания в пределах

I = (1,1 – 1,5) I ном.и.п., так как это может привести к перегреву электрода и сварочного аппарата.

Например, у сварочного трансформатора ТД-502 У3 номинальный ток 500 А. Согласно требования,ток короткого замыкания не должен превысить 1,5 * 500 = 750 А

Для некоторых источников питания допускается превышение в 2 раза.

3. Для того, чтобы можно было вести сварку металлов разной толщины и использовать при этом разный диаметр электрода, источник питания должен иметь регулятор тока,

позволяющий регулировать сварочный ток в пределах Iсв = (0,3 – 1,3) I ном.и.п.

Например, у того же ТД-502 У3, сварочный ток должен регулироваться от 150 до

650 А. Надо заметить, что максимально регулируемый ток, меньше тока короткого замыкания.

4. Время восстановления напряжения после разрыва цепи и короткого замыкания, от 0 до 25 В, должно составлять не более 0,05 сек., что необходимо для повторной ионизации воздушного промежутка и устойчивости горения дуги.

5. Источник питания ручной дуговой сварки должен иметь крутопадающую внешнюю

характеристику.

Внешней характеристикой называется зависимость силы тока от напряжения на выходных зажимах источника питания. Различают следующие виды внешних характеристик.

а) крутопадающая, имеющая рабочий участок (в нижней части), на котором практически не меняется сила тока, при изменении напряжения (ручная дуговая сварка).

б) пологопадающая, когда при изменении напряжения, сила тока пропорционально изменяется, что необходимо для саморегулирования дуги при автоматической сварке.

в) жесткая, когда изменение не сказывается на силе тока. Такую характеристику имеют многопостовые источники.

г) возрастающая, когда изменение напряжения не приводит к изменению тока или его возрастанию. Такую характеристику имеют источники сварки в защитном газе.

Как отмечалось выше, источники питания ручной дуговой сварки должны иметь крутопадающую внешнюю характеристику (см.опорный конспект). При чем, точка 1, соответствует работе источника на холостом ходу (60-70В), а точка 4 – короткому замыканию (1,5 раза большему I ном.и.п.). Во время происходит наложение внешней характеристики на статическую характеристику дуги (зависимость напряжения от силы тока при постоянной длине дуги), где можно отметить точку 2, соответствующую зажиганию дуги и точку 3, соответствующую ее горению. Причем, положение точки 3 будет меняться в зависимости от длины дуги и соответственно ее напряжения, поскольку

Uд = а + b l д, где а и b – постоянные коэффициенты, а l д – длина дуги, но при круто падающей характеристике это незначительно скажется на силе сварочного тока, значит на глубине проплавления, скорости плавления электрода и устойчивости сварки.

Кроме того, при таком виде внешней характеристики (Uхх > U д), напряжение зажигания всегда больше напряжения дуги, что облегчает первоначальное повторное ее зажигание, особенно на переменном токе.

И только при такой характеристике, возможно ограничение тока короткого замыкания.

ПОКАЗАТЕЛИ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

Каждый источник питания рассчитывают на определенную нагрузку, при которой он работает, не перегреваясь выше допустимых норм. Номинальная сила тока зависит от режима работы, который характеризуется:

- временем работы источника на дугу, как на нагрузку (t св)

- временем холостого хода, когда он не работает на дугу, но от сети не отключается (tхх)

- временем паузы, когда он отключается от сети (t п).

Такой смешанный режим работы, в общем случае, характеризуется двумя показателями:

1. ПН (ПР) – продолжительность работы, который характеризует работу источника питания на дугу и холостой ход и измеряется в %. Он рассчитывается по формуле: ПН (ПР) = tсв\ tсв + tхх * 100%.

2. ПВ – продолжительность включения, который характеризует работу источника питания на дугу и отключения от сети. При таком режиме меньше теряется электроэнергии. Он рассчитывается по формуле:

ПВ = tсв\ tсв +tп * 100%.

Для источников питания ручной дуговой сварки принято считать, что

ПН(ПР) = ПВ, а tсв – принято за 3 мин, среднее время плавления штучного электрода; tхх + tп и принято за 2 мин, усредненное время на смену электрода, сборочные работы и т.п.

Таким образом, если применить одну из формул. То

ПН(ПР) = ПВ = 3\ 3 +2 * 100% = 60%. Это говорит от том, что 60% рабочего времени источник питания способен не перегреваясь работать на дугу, а остальное время должно прийтись на tхх и tп.

Для источников ручной дуговой сварки рассчитанных на длительный цикл работы ПН(ПР) обычно составляет 60-70%, у многопостовых источников, рассчитанных на одновременную работу нескольких постов 100%.

Указания о этих показателях дается в технической характеристике.

СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

Выпускаемые промышленностью сварочные трансформаторы по принципу получения внешней характеристики и регулированию силы сварочного делятся на две группы:

1)

2) трансформаторы с нормальным магнитным рассеиванием

3) трансформаторы с повышенным магнитным рассеиванием.

Под магнитным рассеиванием понимается, та часть магнитного потока, возбуждаемая первичной обмоткой, которая замыкается не по сердечнику, а по воздуху.

Трансформаторы с нормальным магнитным! Трансформаторы с повышены магнитным

рассеиванием! рассеиванием

!

- имеют катушки первичной и вторичной! – катушки первичной и вторичной обмоток

обмоток, расположенных одна на другой! удалены на сердечнике друг от друга

!

- имеют сердечник, часть которого подвиж-! – имеют сплошной сердечник, без подвиж-

ная (пакет), перемещая которую с помощью! ной части. Регулирование тока произво-

винтового механизма, регулируется сила! дится изменением расстояния между

сварочного тока! обмотками, винтовым механизмом

!

- имеют третью дополнительную обмотку,! – нет третьей обмотки, а крутопадающая

называемую реактивной. Она включена пос! внешняя характеристики обеспечивается

ледовательно со вторичной обмоткой и по! магнитными потоками рассеивания,

проходит ток, только во время горения дуги! создающими в сварочной цепи противо

С помощью ее, создается противо эдс в сва-! эдс. В виду отсутствия третьей обмотки,

рочной цепи и крутопадающая внешняя! более простой конструкции эти трансфор

характеристика.! маторы применяются более широко.

К трансформаторам с нормальным магнитным рассеиванием относятся:

а) марки СТЭ, который выпускался до 60-х годов в 2-х корпусном исполнении. Один корпус представлял собой трансформатор, преобразующий напряжение, с жесткой внешней характеристикой, а второй корпус – дроссель, служащий для создания крутопадающей внешней характеристики (реактивной обмоткой, включенной последовательно со вторичной) и регулирования силы сварочного тока (перемещением подвижного пакета и изменением воздушного зазора).

б) марки СТН, в котором трансформатор и дроссель объеденены в один корпус. Получение крутопадающей внешней характеристики и регулирование сварочного тока, аналогично трансформатору СТЭ.

в) марки СТД, который отличается от СТН тем, что для перемещения подвижного пакета, при регулировании тока, используется не ручной, а электромеханический привод, помощью электродвигателя.

К трансформаторам с повышенным магнитным рассеиванием относятся:

а) марки ТС, устройство и принцип работы которого рассматривалось теме «Оборудование сварочного поста». Регулирование сварочного тока осуществляется изменением расстояния между обмотками, а крутопадающая внешняя характеристика –

магнитными потоками рассеивания.

б) марки ТСК, аналогичной ТС конструкции и отличающийся тем, что имеет компенсирующий трансформатор, подключенный параллельно входным зажимам (первичной обмотке), повышающий коэффициент мощности.

в) марки ТД, такой же конструкции, что и ТС, но имеющий переключатель диапазонов регулирования сварочного тока, с большего на меньший, что дает возможность вести сварку на малых и больших токах.

г) марки СТШ, относящийся к шунтовым трансформаторам, у которого такой же замкнутый сердечник, на противоположных сторонах которого неподвижно закреплены первичная и вторичная обмотки. Крутопадающая внешняя характеристика создается магнитными потоками рассеивания, а регулирование сварочного тока достигается сближением или раздвижением двух половин магнитного шунта.

д) марки СТАН, так же относящийся к шунтовым трансформаторам, но в отличии от СТШ имеет цельный шунт, перемещаемый с помощью винтового механизма в сердечнике.

СВАРОЧНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Входят в состав таких источников питания, как сварочные преобразователи и сварочные агрегаты. У первых из них, приводом служит электродвигатель, а у вторых – двигатель внутреннего сгорания. Генераторы этих источников питания могут работать по нескольким электрическим схемам. Рассмотрим две из них:

Генераторы с независимым! Генераторы с самовозбуждением

возбуждением!

!

- на каждом главном полюсе имеется две! – на каждом главном полюсе, так же имеются

обмотки. Одна из них независимая обмот! две обмотки. Одна из них намагничивающая

ка возбуждения (НО) магнитного потока.! обмотка (НО), которая питается от третьей

Она включена в сеть, через выпрямитель! дополнительной щетки. Вторая обмотка

(В)и питается от нее нее, независимо от! размагничивающая (РО), включена в цепь

выходной цепи генератора. Вторая реак-! последовательно со сварочной дугой и по

тивная обмотка (РО), включена со свароч! ней проходит ток, только во время горения

ной дугой последовательно. Она питается! дуги. Питается она от двух щеток генера-

от щеток генератора и по ней проходит! тора. Ток в обмотках направлен так, что

ток, только во время горения дуги. Ток в! их магнитные потоки направлены встречно,

обмотках направлен так, что магнитные! за счет чего создается крутопадающая

потоки обмоток направлены встречно, за! внешняя характеристика. Если магнитные

счет чего создается круто падающая вне-! потоки направить согласно, то внешняя

шняя характеристика, Если магнитные! характеристика получится жесткой. чтобы

потоки направить согласно, то внешняя! генератор самозапускался необходимо,

характеристика получится жесткой.! чтобы сердечники главных полюсов имели

Генераторы с несколькими внешними! остаточный магнетизм.

называют универсальными.!

- плавное регулирование силы сварочного! – плавное регулирование силы сварочного

тока, производится реостатом R в цепи! тока, производится реостатом R в цепи

независимой обмотки возбуждения (НО),! намагничивающей обмотки (НО), а

а диапазонное, перемычкой П на выход-! диапазонное, перемычкой П на выходных

ных зажимах, изменением числа витков! зажимах, изменением числа витков

реактивной обмотки (РО).! размагничивающей обмотки (РО).

Генераторы с независимым возбуждением используются в преобразователях ПСО-120,

ПСО-300А, ПСО-500 и др.

Генераторы с самовозбуждением используются в преобразователях ПС-300-1, ПС-300М,

ПС-500 и др.

СВАРОЧНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Сварочные выпрямители получили в последние десятилетия большее применение, чем генераторы, так как:

- имеют более высокий КПД

- имеют более высокие динамические свойства при меньшей электромагнитной индукции

- не имеют вращающихся частей и бесшумны в работе

- более равномерно загружены фазы сети, при трехфазном выпрямителе

- меньшие габариты, масса м стоимость.

Однако, следует иметь в виду, что для выпрямителей, продолжительные короткие замыкания представляют большую опасность, так как могут выйти из строя вентили выпрямительного блока. Кроме того, выпрямители более чувствительны к колебаниям напряжения сети. Различают сварочные выпрямители:

1. Однофазные, состоящие из однофазного понижающего сварочного трансформатора с круто падающей внешней характеристикой и имеющего регулятор силы сварочного тока.

Второй частью является выпрямительный блок, состоящий из четырех вентилей включенных в виде моста (принцип выпрямления рассматривается в электротехнике).

1. Трехфазные, состоящие из трехфазного трансформатора и выпрямительного блока, состоящего из шести вентилей (принцип выпрямления рассматривается в электротехнике).

Большее применение в выпрямителях получили селеновые и кремниевые вентили. Кремниевые вентили обладают более высоким КПД, но чувствительны к перегрузкам и требуют интенсивного охлаждения, как правило применяется принудительное воздушное.

Выпрямление чаще всего производится по трехфазной мостовой схеме, дающую меньшую пульсацию выпрямленного напряжения и тока и лучшее использование трансформатора.

МНОГОПОСТОВЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Многопостовые источники питания служат для одновременного централизованного питания от двух и более стационарных сварочных постов. Используются в цехах, мастерских с большим числом рабочих мест электросварщиков, когда применение многопостового источника, более экономически оправдано, чем применение однопостовых. Кроме того, меньшие затрат на обслуживание, ремонт и их применение более электробезопасно.

Многопостовыми источниками могут быть трансформаторы, генераторы и выпрямители. В последние десятилетия большее применение получили выпрямители.

Конструктивно они не отличаются от однопостовых и имеют тот же трехфазный трансформатор и трехфазный выпрямительный блок, но более крупногабаритны и большей мощности. В отличии от однопостовых, многопостовые источники имеют следующие особенности:

1) жесткую внешнюю характеристику

2) не имеют регулятора силы сварочного тока, но имеют регулятор напряжения, которым изменяют напряжение холостого хода, в случае включения большего числа постов.

3) стационарного исполнения

4) имеют ПН(ПР) = 100%

Количество сварочных постов, которые можно подключить к многопостовому источнику, можно определить по следующей зависимости:

I ном.и.п I ном.и.п. – номинальный ток многопостового источника

N = ------------------ где Iп – максимальный ток сварочного поста

I п * К К – коэффициент использования поста, равный 0,6

Например, к многопостовому сварочному выпрямителю ВКСМ-1000, если самый большой применяемый диаметр электрода 5 мм, в этом случае Iп = 250 А, можно

подключить:

N = ------------ = 6,6 или 6 сварочных постов.

250 * 0.6

БАЛЛАСТНЫЕ РЕОСТАТЫ

- служат для получения на сварочном посту падающей внешней характеристики и регулирования сварочного тока при питании от многопостового источника постоянного тока. Представляют собой набор резисторов с пятью-шестью переключателями, меняя положение которых, можно менять общее сопротивление реостата и при включении его в сварочную цепь регулировать сварочный ток I св = U\R р. Активное сопротивление балластного реостата позволяет получить линейную падающую характеристику.

Промышленность выпускает балластные реостаты марок:

РБ-201, позволяющий регулировать сварочный ток через 10А до 200А

РБ-301, через 15А. до 300А

РБ-501, через 25А, до 500А.

ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ СВАРОЧНОГО ПОСТА

К вспомогательному оборудования сварочного поста относятся осцилляторы и импульсные возбудители сварочной дуги.

Осциллятор представляет собой прибор подключаемый последовательно или параллельно трансформатору в сварочную цепь. Его применение позволяет:

- вести сварку на малых токах от 15 А тонкого металла, когда наблюдается неустойчивость дуги

- вести сварку голой проволокой в защитном газе, так как ионизация газового промежутка происходит за счет автоэлектронной эмиссии

- значительно облегчается возбуждение дуги, не делая короткого замыкания между электродами, достаточно их сблизить на 2-3 мм.

Осциллятор служит в сварочной цепи для получения тока высокого напряжения 2,5-5 кВ и высокочастотного тока, до 200 кГц и состоит из двух основных узлов:

1. повышающего трансформатора (ПТ)
2. колебательного контура, состоящего из конденсатора С1, катушки индуктивности L, разрядника Р. Принцип работы колебательного контура заключается в том, что, если зарядить конденсатор, то он разрядится на катушку, которая повторно зарядит конденсатор и т.д., и в нем появятся электрические колебания, зависящие от емкости конденсатора и индуктивности катушки. Далее в схеме Lс – катушка связи с выходной цепью, конденсатор С2 защищает сварщика от высокого выходного напряжения.

Принцип поддержания устойчивости горения дуги следующий, если в сварочной цепи, с помощью осциллятора, создать высокочастотный ток, то значительно сокращается время гашения дуги, а высокое напряжение облегчает повторную ионизацию газового промежутка.

Импульсный возбудитель представляет собой прибор подключаемый параллельно сварочному трансформатору и служит для тех целей, что и осциллятор. Он состоит из повышающего трансформатора ПТ, конденсатора С, включенного параллельно с дугой,

синхронизирующего электронного устройства СУ с контактом К. Вентиль В препятствует разряду конденсатора на вторичную обмотку ПТ во время работы прибора.

Принцип поддержания устойчивости горения дуги следующий, в то время, когда напряжение имеет нулевое значение и дуга гаснет, синхронизирующее устройство замыкает контакт К и происходит разряд конденсатора на дугу, в виде кратковременного импульса, обеспечивая повторное зажигание. После размыкания контакта, происходит заряд конденсатора. Более низкое напряжение сварочной цепи обеспечивает более безопасную работу сварщика.

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

- применяют в том случае, когда сила тока одного источника питания не достаточна для процесса сварки и если правильно включить на параллельную работу два источника, то можно получить суммарный ток обоих аппаратов, т.е. Iоб = I 1 + I 2

На параллельную работу можно включить сварочные трансформаторы, генераторы, выпрямители.

При параллельном включении сварочных трансформаторов должны соблюдаться следующие условия:

1. трансформаторы должны быть одной марки, с одинаковыми номинальными данными, например, ТД-302 У1 с ТД-302 У1.
2. должны иметь одинаковую круто падающую внешнюю характеристику.
3. первичные обмотки должны быть подключены к одним и тем же фазам питающей сети, т. к. загрузка фаз может быть разная.
4. напряжения холостого хода источников, отрегулированы на одну величину.
5. в сварочной цепи, попарно (параллельно) соединяются зажимы вторичных обмоток трансформаторов, имеющих в каждый момент времени одинаковую полярность. Для определения правильности включения, при разомкнутом главном рубильнике ГР к зажимам (а-а) или (б-б) подключается контрольная лампа или вольтметр. Если при холостом ходе источников, лампа не загорается или стрелка вольтметра находится на 0, то полярность соединенных зажимов одинакова и вторичные обмотки трансформаторов включены правильно. В противном случае надо поменять попарность включения.

Условия параллельного включения выпрямителей аналогичны трансформаторам, за исключением того, что попарно соединяются одноименные выходные зажимы, т.е.

(+) с (+), а (-) с (-) и токи регулируют на одну величину.

ОБОЗНАЧЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Для обозначения источников питания применяют буквы и цифры. Оно состоит из двух частей, разделенных дефисом:

- первая буква означает вид источника питания: Т – трансформатор; В – выпрямитель;

Г – генератор; У – установка.

- вторая буква означает вид сварки: Д – дуговая; П – плазменная; Ш – электрошлаковая;

Т – трехфазной дугой.

- третья буква – способ сварки: Ф – под флюсом; Г – в защитном газе; У – универсальные источники для нескольких способов сварки; отсутствие буквы означает ручную дуговую сварку штучными электродами.

- четвертая буква – дальнейшее пояснение по исполнению источника питания:

М – для многопостовой сварки; Ж – с жесткой внешней характеристикой;

П – с падающей внешней характеристикой; М или Э – с механическим или электрическим регулированием; Ч – со звеном повышенной частоты, т.е. инвертором.

Третья и четвертая буква в обозначении может отсутствовать.

Затем после дефиса:

- одна или две цифры, номинальный ток источника в сотнях А.

- две последующие цифры, регистрационный номер изделия (например, 02).

- следующая буква, климатическое исполнение: У – для районов с умеренным климатом;

УХЛ – для районов с умеренно-холодным климатом; Т – для районов с тропическим

климатом.

- следующая цифра, категорию размещения: 1 – на открытом воздухе; 2 – защищенные

от прямого воздействия солнца и атмосферных осадков; 3 – в закрытых помещениях без

регулируемых климатических условий; 4 – в отапливаемых и вентилируемых

помещениях.

В качестве примера даны обозначения и расшифровка источников питания:

ВДГМ – 1602У3:

- выпрямитель для дуговой сварки в защитном газе, многопостовой; номинальный

сварочный ток 1600 А; регистрационный номер 02; для районов с умеренным

климатом, устанавливаемый в закрытых помещениях.

ТД – 501У1:

- трансформатор для ручной дуговой сварки штучными электродами, однопостовой;

номинальная сила сварочного тока 500 А; для районов с умеренным климатом и который можно использовать на открытом воздухе.

Кроме того, источники питания по международному стандарту обозначаются:

- ММА (ММА) – для ручной дуговой сварки покрытым электродом;

- TIG (ТИГ) – для сварки неплавящимся электром в инертном газе;

- MIG (МИГ) – для сварки плавящимся электродом в инертном газе;

- MAG (МАГ) – для сварки плавящимся электродом в активном газе.