Книги, научные публикации

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова С.В.Драган Джерела живлення для зварювання плавленням Рекомендовано Міністерством

освіти і науки України як навчальний посібник для студентів технічних вузів і університетів Миколаїв УДМТУ 2002 УДК 621.791.7(075.8) ББК 34.641 Д 72 Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник, лист № 14/18.2 – 708 від 24.05.2001 р.

Рецензенти:

доктор технічних наук, професор Юрій Михайлович Лебедєв;

доктор технічних наук, професор Юрій Пантілейович Кондратенко Драган С.В.

Д 72 Джерела живлення для зварювання плавленням: Навчальний посіб ник. – Миколаїв: УДМТУ, 2002. – 320 с., з іл.

ISBN 5-87848-073-5 Розглянуто електричні характеристики зварювальної дуги та енер гетичної системи "джерело живлення – дуга – ванна", їх взаємозв'язок.

Наведено теоретичні основи конструкції зварювальних джерел постійного і змінного струму.

Розглянуто основні типи сучасних джерел живлення для зварюван ня плавленням та споріднених технологій, наведено рекомендації щодо раціонального вибору джерел для заданих способів зварювання.

Посібник призначений для студентів, що навчаються за напрямом 0923 "Зварювання" та може використовуватися студентами напрямів 1002 "Кораблі та океанотехніка", 0905 "Енергетика", 0922 "Інженерна механіка".

УДК 621.791.7(075.8) ББК 34. © Драган С.В., ISBN 5-87848-073-5 © Видавництво УДМТУ, ВСТУП Зварювання – це технологічний процес отримання нероз’ємних з’єднань як металевих, так і не металевих виробів. Зварювання за видами поділяється на зварювання тиском та зварювання плавленням. Найбільш поширене електричне зварювання плавленням, у якому провідне місце посідає дугове зварювання. Фізичний процес дугового зварювання ґрунтується на проходженні електричного струму великої густини через газовий проміжок. Цей процес вперше був описаний російським вченим В.В.Петровим у 1803 р.*) і отримав назву дугового розряду.

Дуговий розряд збуджується та підтримується енергією, що ство рюється джерелом живлення постійного або змінного струму. Конструкція та параметри джерела залежать від його технологічного призначення. Про тягом історії зварювання створено багато різноманітних джерел живлення:

від простих трансформаторів, генераторів та випрямлячів до досить склад них сучасних джерел зварювального струму з застосуванням інверторної техніки та комп’ютерного керування.

Джерела живлення дуги можуть експлуатуватися як самостійний вид обладнання, так і у складі зварювальних установок та комплексів. Однопо стове джерело живлення може використовуватися для ручного дугового зварювання покритим електродом, для механізованого зварювання плав ким електродом в середовищі захисного газу або порошковим дротом, для механізованого (автоматичного) зварювання під флюсом.

*)Свої досліди з дугою В.В.Петров описав у книзі "Известие о гальвани вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров посред ством огромной наипаче баттереи, состоящей иногда из 4200 медных и цинковых кружков, и находящейся при Санкт-Петербургской Медико-Хирургической Академии".

– С.Пб.,1803.

Якщо на одному робочому місці виникає необхідність зварювання різними способами, застосовують більш складні універсальні джерела живлення.

Сучасна концентрація виробництва приводить до того, що на багатьох суднобудівних, машинобудівних підприємствах, у будівництві має місце зосередження великої кількості зварювальних постів на обмеженій площі або на різних рівнях відносно поверхні землі. У цих випадках доцільна ор ганізація багатопостових систем живлення зварювальним струмом з вико ристанням особливого типу джерел живлення – багатопостових або шля хом паралельного підключення однопостових джерел.

Перелічені вище джерела об’єднані в групу джерел загальнопроми слового призначення. Суттєво відрізняються від них за конструкцією так звані спеціалізовані зварювальні джерела живлення для зварювання не плавким електродом у захисному газі, імпульсно-дугового зварювання, для плазмового зварювання та різання, електронно-променевого зварювання, струмом високої частоти, електрошлакового тощо.

Мета цього посібника – викладення та систематизація найбільш важ ливих питань щодо теоретичних основ будови джерел живлення для зва рювання плавленням, принципових електричних схем та конструкції типо вих джерел, методів регулювання вихідних параметрів, визначення облас тей найбільш ефективного використання джерел.

При складанні даного посібника автор врахував, що "Джерела жив лення для зварювання" – базова нормативна дисципліна освітньо професійної програми підготовки бакалаврів з напряму "Зварювання", а також те, що загальні відомості про це обладнання для зварювання розгля даються при вивченні технологічних дисциплін напрямів "Кораблі та океа нотехніка", "Енергетика", "Інженерна механіка".

Навчальний посібник складається з 10 глав та додатку. Перша глава присвячена електричним властивостям зварювальної дуги, яка є основним видом навантаження джерела живлення;

глави 2–9 – теорії, конструкції та методам регулювання джерел живлення різного призначення;

глава 10 – техніці безпеки та охороні праці при експлуатації зварювальних джерел живлення. У додатку наведено головні технічні характеристики сучасних джерел живлення вітчизняного та закордонного виробництва.

Посібник написаний відповідно до навчальної програми дисципліни "Джерела живлення для зварювання", тому в кінці розділів надано прикла ди практичного використання основних понять та теоретичних відомостей, а також питання для самоконтролю знань, які є складовими частинами комплексного контрольного завдання з дисципліни.

Матеріали посібника можуть бути використані також у практичній роботі інженерно-технічними працівниками зварювального виробництва.

Автор висловлює подяку професору Ю.М. Лебедєву та професору Ю.П. Кондратенку за цінні поради та зауваження при підготовці рукопису.

Глава ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ЗВАРЮВАЛЬНОЇ ДУГИ Зварювальною дугою називається потужний електричний розряд у си льно іонізованій суміші газів і парів різноманітних матеріалів, що звичайно протікає при атмосферному тиску. Гази і пари при низьких температурах складаються з нейтральних молекул і атомів, тобто на відміну від метале вих провідників, не містять вільних електронів. Тому газовий проміжок, у якому виникає потужний дуговий розряд, має бути іонізованим – містити електрони та іони. Для іонізації газової молекули або атому їм необхідно надати енергію іонізації, тобто енергію виділення з нейтрального атома або молекули одного електрона з утворенням позитивного іона.

1.1. Збудження дугового розряду Виникнення (збудження) зварювальної дуги можливо здійснити двома способами: 1) розсувом двох струмонесучих попередньо замкнених елект родів;

2) як розвиток дугового розряду з нестійкого перехідного іскрового розряду.

Розряд при струмах силою 10–1…103 А об’єднаний загальною назвою – дуговий розряд (рис.1.1).

Механізм збудження ду ги після короткого замикання пояснюється тим, що зімкнення реальних твердих тіл при невеликому тиску здійснюється, як відомо, не великою кількістю мікро виступів. Струм, який прохо дить крізь них, створює висо ку густину, викликає швид кий нагрів та випаровування контактних містків. У цих місцях метал підніжжя вис Рис.1.1. Статична вольт-амперна характеристика електричного розряду тупів розігрівається до температури кипіння, що на деяких металах приво дить до термоелектронної емісії. При розведенні кінців електродів у цих умовах напруженість електричного поля достатня для потужної електро статичної емісії електронів з поверхні катода і появи у розрядному проміжку вільних електронів. Зіткнення електронів з атомами газу викли кає їх іонізацію, розмноження носіїв струму та подальший розвиток розря ду. Для збудження дугового розряду таким способом достатня напруга на кінцях електродів 50...100 В.

Перехід іскрового розряду в дуговий відбувається в газі між електро дами при атмосферному тиску під дією напруги, яка спроможна викликати пробій проміжку, тобто іонізацію газового атома або молекули.

При збудженні дуги високою напругою її розвиток проходить стадії іскрового, темного та жевріючого розрядів, що переходять по мірі зро стання струму в дуговий. Прикладене до електродів високочастотне поле також приводить до збільшення кількості актів іонізації на кожен заряд.

Електричне поле високої частоти та напруги створюється спеціальним пристроєм – осцилятором. Докладно роботу осцилятора буде розглянуто у главі 6.

Для стійкого збудження дуги способом пробою розрядного проміжку треба мати напругу 3...5 кВ.

1.2. Процеси у зварювальній дузі постійного струму.

Розподіл потенціалу вздовж дуги При розгляді фізичного процесу дугового зварювання використову ють просту каналову модель, згідно з якою зварювальну дугу постійного струму зображують у вигляді циліндра, який складається з трьох ділянок (рис.1.2,а) і спирається своєю нижньою основою на виріб. За зовнішніми ознаками зварювальну дугу практично неможливо розділити на будь-які конкретні зони, тому що весь розрядний проміжок між електродом та виробом являє собою світний іонізований газ.

Незважаючи на це, в контактних областях електрод – іонізований газ – виріб знаходяться проміжні шари газу, температура яких значно нижче за температуру іонізованого газу. Тому умовно дуговий проміжок зобра жують трьома ділянками: катодна область, стовп дуги та анодна область.

Рис.1.2. Схема розподілу дугового проміжку на ділянки (а) та спад потенціалу в них (б) У приелектродних областях на поверхнях катода та анода виникають активні плями. Активна пляма катода є джерелом вільних електронів, а ак тивна пляма анода – місцем нейтралізації електронів. Через активні плями катода і анода проходить весь зварювальний струм, тому вони є найбільш розігрітими.

Катодна область. Поблизу катода зварювальної дуги має місце складна сукупність процесів, завдяки чому струм із відносно холодного катода проходить у гарячу плазму. Струм може переноситися електронами емісії та іонами плазми стовпа дуги. Через велику рухомість електронів поблизу катода створюється нескомпенсований об’ємний заряд, що забез печує катодне падіння потенціалу Uк (рис.1.2,б). Катодне падіння по тенціалу Uк при зміні струму в широкому діапазоні змінюється мало. Воно залежить від захисного середовища та матеріалу електрода, з якого вини кає розряд. Значення катодного падіння потенціалу важко заміряти, тому можна приймати його узагальнене значення для дуги, що горить у повітрі, згідно з табл 1.1.

Довжина катодної області складає lк = 10–6…10–7 м і дорівнює довжині вільного пробігу електрона;

напруженість електричного поля у цій області найбільша і досягає Eк = 1,5·108 В/м. В катодній області здійснюється при скорення електронів, емітованих із катода і іонів, що рухаються до катода.

Внаслідок малої енергії електронів співударяння тут носять головним чи ном пружний характер, і тому ця область розряду практично не ви промінює. Характерним для цієї області є також надлишковий позитивний об’ємний заряд, викликаний тим, що швидкі електрони залишають її скоріше, ніж повільні позитивні іони.

Таблиця 1.1. Катодний потенціал елементів Елемент Fe Cu Al C Значення UК, В 15 13 13,5 Стовп дуги. Основний об’єм дугового розряду займає стовп дуги – область, у якій електричне поле слабке. Швидкі електрони, які потрапля ють із катодної області до стовпа дуги, у щільному газі швидко передають свою енергію важким частинкам – іонам, атомам, молекулам. Стовп дуги вважається квазінейтральним тому, що у кожному перерізі стовпа є одна кова кількість негативно і позитивно заряджених частинок. При русі за ряджених та нейтральних частинок у стовпі дуги відбувається їх співудар, що викликає іонізацію стовпа дуги. Ступінь іонізації газу дуже мала і ви значається температурою стовпа дуги, потенціалами іонізації та збудження компонентів газової суміші і парів, що знаходяться у дуговому проміжку.

Завдяки високій температурі газу у стовпі дуги (6000...8000 °С) голов не значення має термічна іонізація. Одночасно у стовпі дуги проходить протилежний іонізації процес – рекомбінація, яка супроводжується елек тромагнітним випромінюванням у широкому діапазоні частот коливань:

від інфрачервоного до ультрафіолетового.

Під дією поздовжнього електричного поля у стовпі дуги заряджені частинки отримують спрямовану швидкість. Через те, що іони важчі від електронів, швидкість їх руху незначна, і тому іонним струмом можна не хтувати. Струм у стовпі дуги обумовлений головним чином рухом елек тронів, тобто подібний до струму у металевих провідниках.

Стовп дуги характеризується падінням потенціалу Uc, опором Rc та довжиною lc. Падіння потенціалу стовпа дуги суттєво залежить від сили зварювального струму Ід, захисного середовища, матеріалу електродів і може змінюватися у широких межах: Uc = 6...40 В. Довжина стовпа дуги складає від одного до декількох десятків міліметрів, напруженість елек тричного поля у цій області Ес (2...5) 103 В/м.

Падіння потенціалу у стовпі дуги приблизно можна визначити за формулою Uc = IдRc, (1.1) lд де Rc = – опір стовпа дуги в сталому стані. Тут S – площа перерізу дуги S (приблизно переріз електрода);

– питома електропровідність газового проміжку.

Анодна область. Анодна область, як і катодна, характеризується різким збільшенням напруженості поля. Тут часто спостерігається звужен ня струмового шнура. Анод не емітує іони і, відповідно, струм поблизу нього переноситься тільки електронами. Позитивні іони спрямовуються під дією поля в бік стовпа дуги і поблизу анода виникає область негатив ного об’ємного заряду.

Довжина анодної області співмірна катодній, а анодне спадання по тенціалів практично не залежить від струму і складає Ua = 2…4 В. Напру женість електричного поля в анодній області досягає Еа = 107 В/м.

Обмеження площі поперечного перерізу стовпа дуги приводить до зниження площі активної плями анода, зони її переміщування і, як наслідок, – до збільшення концентрації енергії та температури анодної об ласті дуги. Зварювальна дуга з обмеженою площею поперечного перерізу стовпа дуги називається стисненою.

Під час горіння дуги поблизу активних плям катода й анода внаслідок випаровування металу електрода та виробу виникають потоки іонізованого газу, так звані плазмові. Вони підтримують перпендикулярний напрям стовпа дуги відносно поверхні активних плям катода й анода та визнача ють при зварюванні глибину проплавлення виробу і висоту валика шва.

Активні плями хаотично переміщуються по поверхні катода й анода, що приводить до хаотичного переміщення у просторі плазмових потоків. Під час горіння дуги це збільшує анізотропію дугового проміжку.

Таким чином, внаслідок різних фізичних процесів в областях зварю вальної дуги розподіл потенціалу вздовж неї нерівномірний, і тому дуга є нелінійним елементом електричного зварювального кола.

Сумарне падіння потенціалу в дузі можна розрахувати за формулою lc Uд = Uк +Ua +Uc Uк.а + Ід. (1.2) S Напруга в дузі зростає прямо пропорційно її довжині. Для зварюваль ної дуги при плавкому електроді характерно Uк > Ua та Uк.a > Uc. Тепло, що виділяється у приелектродних областях, витрачається на нагрівання та плавлення електрода і виробу.

Кожен спосіб зварювання характеризується своїм значенням напруги в дузі, а в цілому вона може змінюватися у межах Uд = 12...52 В.

Залежності Uд від матеріалів електродів, захисного середовища, сили струму та опору дуги дозволяють визначити параметри зварювального джерела живлення, які забезпечують стійке горіння дуги та якісне форму вання шва.

1.3. Статичні вольт-амперні характеристики зварювальної дуги При будь-якому способі зварювання при сталій довжині дуги напруга в ній певним чином залежить від сили струму. За довжину дуги звичайно приймають довжину стовпа дуги, нехтуючи при цьому незначною довжи ною приелектродних областей. Залежність напруги в дузі від сили зварю вального струму при постійній довжині дуги називають статичною вольт амперною характеристикою дуги (СХД), тобто це графік функції Uд = f ( Iд )lд =const. Внаслідок того, що зварювальна дуга є нелінійною ді лянкою зварювального кола, для визначення її статичної характеристики використовують поняття динамічного (диференціального) опору:

U dU д д R = lim = m tg, (1.3) диф R I д І dI д д M н де mR = – відношення масштабів напруги і струму на графіку вольт Мс амперної характеристики;

– кут нахилу дотичної у даній точці вольт амперної характеристики до осі струмів. Залежно від значення дифе ренціального опору за умови, що інші параметри дуги не змінюються, існують три форми СХД: спадна, жорстка та зростаюча (рис.1.3).

Спадну вольт-амперну характеристику (рис.1.3,а) мають дуги, що ві льно горять у повітрі або в аргоні при силі зварювального струму до 80...100 А (густині струму 5…25 А/мм2). Зниження напруги в дузі при збі льшенні зварювального струму пояснюється тим, що оскільки падіння по тенціалу в приелектродних областях майже не залежить від зварювального струму, то сумарна напруга в дузі визначається падінням потенціалу в стовпі дуги. В дузі, що вільно горить у повітрі, при збільшенні струму більш інтенсивно протікає іонізація, зростає провідність стовпа дуги та площа його поперечного перерізу. В зварювальній дузі, що вільно горить у середовищі аргону, збільшення провідності стовпа дуги супроводжується інтенсивною іонізацією захисного газу зі зростанням його температури. На ділянці спадної СХД динамічний опір – величина від’ємна, тобто dUд Rдиф < 0, або < 0.

dIд Жорстку вольт-амперну характеристику (рис.1.3,б) мають зварювальні дуги при струмах у діапазоні 80...400 А (густині струму 30…125 А/мм2).

Напруга в дузі у цьому випадку визначається сумарним падінням по тенціалу в приелектродних областях та стовпі дуги, площа поперечного перерізу якого зростає пропорційно збільшенню зварювального струму;

провідність дугового проміжку при цьому не змінюється. На ділянці жор сткої СХД динамічний опір дорівнює нулю, тобто dUд Rдиф = 0, або = 0.

dIд Зростаючу вольт-амперну характеристику (рис.1.3,в) мають дуги при струмах вище 400 А (густині струму більше 150 А/мм2). Напруга в дузі в цьому випадку збільшується не за рахунок зростання площі поперечного Рис. 1.3. Статичні вольт-амперні характеристики дуги перерізу активної плями катода, яка займає весь торець електрода, а внаслідок збільшення концентрації зарядів у ній. Це приводить до інтенсивного спаду потенціалу в приелектродній області катода, яке є складовою частиною напруги в дузі. В області зростаючої СХД ди намічний опір – величина додатня, тобто dUд Rдиф > 0, або > 0.

dIд При збільшенні довжини дуги, згідно з рівнянням (1.2), статична ха рактеристика дуги, незалежно від її форми, еквідистантно переміщується уверх.

В загальному вигляді характер зміни напруги в дузі можна пояснити за допомогою рівняння (1.2) тому, що залежності Uд = f (Iд ) аналогічні одній із ділянок СХД, наведеній на рис.1.4. Кожна з ділянок цієї узагаль неної СХД характерна для певного способу дугового зварювання.

Рис. 1.4. Узагальнена статична вольт-амперна характеристика дуги Так, зварювання покритими електродами та вольфрамовим електро дом виконують із застосуванням невеликої густини струму, тому СХД для цих способів зварювання – спадна. При ручному дуговому зварюванні на форсованих режимах СХД – жорстка. Напруга в дузі змінюється у межах Uд =12...30 В.

При зварюванні під флюсом дротом малого діаметра та при великих зварювальних струмах вольт-амперна характеристика дуги пологозро стаюча Uд = 25...40 В.

При зварюванні плавким електродом у середовищі двоокису вуглецю, механізованому та автоматичному зварюванні самозахисним та порошко вим дротом у газовому середовищі (Uд = 25...35 В), а також при зварю ванні неплавким електродом у середовищі аргону стисненою дугою – СХД зростаюча.

Статична вольт-амперна характеристика дуги описує зварювальний процес у сталому режимі. Для описання зварювального процесу у реаль ному масштабі часу використовують залежність миттєвих значень напруги в дузі від зварювального струму. Така залежність називається динамічною вольт-амперною характеристикою дуги (ДХД). Форма цієї характеристики визначається властивостями джерела живлення, від яких залежить стійкість зварювального процесу при живленні дуги як постійним, так і змінним струмом.

Електричні властивості джерела живлення при роботі у статичному режимі відображуються його зовнішньою характеристикою (ЗХДЖ), яка показує залежність напруги на вихідних клемах джерела від сили зварю вального струму. Вона описується функцією Uдж = f (Iд ).

дж Зовнішня вольт-амперна харак теристика джерела може бути круто спадною (а), полого спадною (б), жорсткою (в) та зростаючою (г) (рис.1.5). Жорсткою ЗХДЖ нази вається така вольт-амперна характе д ристика, у якій спад напруги у робо Рис. 1.5. Зовнішні характеристики чому діапазоні зварювальних струмів зварювальних джерел живлення не перевищує 0,04 В/А.

Динамічна характеристика дже рела живлення – це залежність між миттєвими значеннями вихідної напру ги та струму навантаження при постійній у дану мить часу напрузі жи вильної мережі, тобто Uвих = f (iн )U =const. Динамічна характеристика по м казує реакцію джерела живлення на характер та швидкість протікання пе рехідних процесів, що виникають в енергетичній системі "джерело жив лення – дуга – ванна" при дії зовнішніх збурень (зміні напруги живильної мережі, напруги в дузі або зварювального струму, а також при переході з одного сталого режиму до іншого). Чим менше час перехідного процесу, тим кращі динамічні властивості джерела живлення.

1.4. Стійкість енергетичної системи "джерело живлення – дуга – ванна" Зварювальна дуга, ванна розплавленого металу та джерело живлення утворюють взаємопов’язану енергетичну систему ДЖ – Д – В, кінцева мета якої – отримання якісного зварного з’єднання з встановленими параметра ми шва: глибиною провару, шириною та висотою валика.

Енергетична система ДЖ – Д – В може знаходитися у двох станах ро боти:

1. Стала рівновага, або робота у статичному режимі, коли параметри дуги та джерела живлення протягом достатньо тривалого часу не змінюють своїх величин.

2. Нестала рівновага, або робота в перехідному режимі, коли парамет ри дуги та джерела живлення змінюють свої величини під дією зовнішнього впливу на систему або в результаті коливань будь-якого її па раметра.

При роботі енергетичної системи ДЖ – Д – В виділяють три основні етапи:

1. Виникнення (збудження) зварювальної дуги.

2. Зварювання (виконання зварного шва).

3. Закінчення зварювання (заварювання кратера в кінці шва).

Розглянемо стійкість системи під час зварювання.

У стані стійкої рівноваги дуговий розряд відбувається безперервно протягом тривалого часу при заданих значеннях Iд та Uд. Для стабільного горіння дуги необхідна рівність струму і напруги дуги струмові і напрузі джерела живлення:

Ід = Ідж ;

Uд = Uдж. (1.4) Це означає, що статичні вольт-амперні характеристики дуги Uд = f(Iд) та джерела живлення Uдж = f(Iд) повинні мати точки перетинання. Для вирішення питання щодо стійкості горіння дуги у точках перетинання характеристик необхідно розглянути умови стійкої роботи енергетичної системи ДЖ – Д – В у разі дії збурень різного роду.

1.4.1. Стійкість системи при малих відхиленнях струму Для визначення умов статичної стійкості системи проаналізуємо її по ведінку при вельми незначних відхиленнях струму I від стану рівноваги, що характеризується робочим значенням струму Ір та напруги Uр (рис. 1.6).

При розгляді роботи сис теми ДЖ – Д – В для спрощен ня аналізу будемо враховувати індуктивність лише зварюваль ного кола.

Рівняння динамічної рівно ваги системи має вигляд dI Рис. 1.6. Статичні вольт-амперні характе Uдж = Uд + L. (1.5) dt ристики дуги та джерела живлення при зміні струму I Припустимо, що струм Ір отримав мале відхилення I, поточне значення якого позначимо як і. Тоді струм у колі буде І = Ір - і. (1.6) Новий стан системи характеризуватиметься такими параметрами:

струм Ір - і ;

напруга в дузі Up + Uд;

напруга на вихідних клемах джерела Up + Uдж.

Тоді рівняння (1.5) можна записати у вигляді d( Iр - i ) Uр + Uдж = Uр + Uд + L.

(1.7) dt Добавки напруг Uдж та Uд за умови лінеаризації функції Uд = f(Iд) і Uдж = f(Iд) на ділянках А1В1 та А1В2 (а це припустимо при незнач них відхиленнях струму I) виразимо через відповідні динамічні опори ду ги та джерела живлення [див. (1.3)]. Для цього проведемо допоміжні до тичні у точці А1 до кривих СХД та ЗХДЖ, які відсікають кути д та дж з віссю струмів I. Тоді dU дж U = itg (180o -дж ) = -itgдж = -i ;

дж dI dU д o U = itg (180 - ) = - itg = - i. (1.8) д д д dI Відповідно рівняння (1.7) перетворюється до вигляду dUдж dUд di - і = -і - L (1.9) dI dI dt або dUд dUдж di L + - i = 0. (1.10) dt dI dI dUд dUдж Введемо позначення:

- = kст – коефіцієнт стійкості енерге dI dI тичної системи ДЖ – Д – В. Тоді, розділивши рівняння (1.10) почленно на L, з урахуванням введеного позначення будемо мати:

di kст + i = 0. (1.11) dt L Рішенням цього лінійного однорідного диференціального рівняння з постійними коефіцієнтами є kст - t L і = Ce. (1.12) Постійну С знайдемо за умови, що при t = 0 кінцеве значення i = I.

Таким чином, kст - t L i = Ie. (1.13) Із отриманого рівняння витікає: система буде стійка, якщо мале відхи лення I від заданого режиму Ip з часом буде зменшуватися, наближаючись до нуля при kст > 0. Відомо, що L завжди більше за нуль.

Таким чином, можна сформувати головну умову стійкості енергетич ної системи ДЖ – Д – В: система стійка, якщо різниця динамічних опорів дуги та джерела живлення у робочій точці – величина додатня.

Виконання умови kст > 0 залежить від відповідності форми зовніш ньої характеристики джерела живлення формі зовнішньої характеристики дуги. Вибір форми ЗХДЖ визначається формою СХД. Покажемо це на прикладах шляхом аналізу процесів у системі ДЖ – Д – В при різних спо лученнях форми ЗХДЖ та СХД (рис. 1.7).

Якщо під час горіння дуги у точці А виникло зменшення струму ( І < I ), то для підтримки дугового розряду згідно зі статичною вольт Аmin A амперною характеристикою дуги необхідна більш висока напруга. Її вели чина стає більшою, ніж може дати джерело при цьому ж струмі ( - Uдж ).

У зв’язку з цим станеться подальше довільне зниження сили струму ( І 0 ), та дуга згасне. Таким чином, у точці А дуга стабільно горіти не А може.

У точці В при зниженні сили струму напруга джерела виявляється бі льшою ( Uдж ), ніж це потрібно для горіння дуги за СХД. Завдяки цьому станеться довільне збільшення струму ( І > I ), і процес горіння повер В min В неться у точку В.

Зростання струму у точці В призведе до збільшення напруги, потріб ної для горіння дуги. Джерело живлення при цих значеннях струму дуги дає меншу напругу ( - Uдж ). Це викличе довільне зниження сили струму ( І IВ ), та горіння дуги знову переміститься у точку В. Отже, точки В В max перетинання вольт-амперних характеристик є точками стійкої роботи ене ргетичної системи ДЖ – Д – В.

Аналіз варіантів сполучення СХД та ЗХДЖ, наведених на рис.1.7, дає змогу зробити такі основні висновки:

1. Якщо статична вольт-амперна характеристика дуги спадна Рис. 1.7. Сполучення уза гальненої статичної вольт амперної характеристики дуги та зовнішньої харак теристики джерела жив лення різної форми:

а – спадної;

б – жорсткої;

в – зростаючої dUд <, то для стійкої роботи системи ДЖ – Д – В потрібні джерела dI живлення тільки зі спадними зовнішніми вольт-амперними характеристи dUдж < ками, причому крутість спадання зовнішньої характеристики dI джерела у робочій точці повинна бути більшою (див. рис.1.7,а, точка В").

2. Якщо статична вольт-амперна характеристика дуги жорстка dUд =, то стійку роботу системи і в цьому випадку забезпечить джере dI dUдж < ло живлення також зі спадною зовнішньою характеристикою, dI але крутість її спадання може бути будь-якою (див.рис.1.7,а, точка В').

3. Для стійкої роботи системи при наявності дуги зі зростаючою dUд > вольт-амперною характеристикою принципово можна застосову dI вати джерела живлення з будь-якою формою зовнішньої характеристики (див. рис.1.7, точка В). Винятком є джерела зі зростаючою зовнішньою ха рактеристикою. Крутість підйому їх характеристики повинна бути меншою за крутість підйому СХД (рис. 1.7,в).

4. Джерела живлення зі спадними вольт-амперними характеристиками принципово підходять до багатьох способів дугового зварювання.

5. Джерела живлення з жорсткими та зростаючими вольт-амперними характеристиками мають обмежене застосування і можуть бути викорис тані лише для зварювання дугами зі зростаючою СХД.

1.4.2. Стійкість системи при відхиленнях довжини дуги Під час зварювання покритими електродами та неплавким вольфрамо вим електродом часто змінюється довжина дуги. При ручному дуговому зварюванні ці зміни пов’язані з виконанням швів у важкодоступних місцях та кваліфікацією зварника. При зварюванні вольфрамовим електродом по довження дуги можливе через його оплавлення.

Коливання довжини дуги при означених способах зварювання не по винні приводити до значних коливань сили зварювального струму. Якщо це станеться, то якість отриманого зварного шва буде різною на різних ді лянках, тобто будуть змінюватися насамперед розміри зварювальної ванни та шва.

Властивість зварювальної дуги підтримувати задану глибину пропла влення металу при коливаннях її довжини у відомих межах називається еластичністю дуги. Критерієм еластичності може служити найбільша дов жина дуги lд max, до якої дугу можна розтягувати без обриву. Коли довжи на дуги збільшується, зварювальний струм, як правило, зменшується. Для кожного способу зварювання, для певного діаметра та матеріалу електрода і захисного середовища існує деяке найменше значення lд min, при якому дуговий розряд стає нестійким.

Розглянемо поведінку енергетичної системи ДЖ – Д – В при коливан ні довжини дуги lд за таких умов (рис. 1.8):

dUдж dUд < < 0;

kcт > 0;

при lд2 > lд1.

dI dI При збільшенні довжини дуги до lд2 статична вольт-амперна характе ристика переміститься уверх і буде описуватися функцією Uд2 = f (I ). За умови малих відхилень lд, Uд та lд припу стимо вважати ділянки вольт амперних характеристик дуги та джерела живлення прямо лінійними.

При збільшенні lд до lд Рис. 1.8. Статичні вольт-амперні характери (приріст – l) при Ір = const стики дуги та джерела живлення при зміні напруга Uд зростає на вели довжини дуги lд чину Uдl. Виразимо приріст dUд Uдl = l.

Uд через динамічну характеристику дуги, тобто dl При збільшенні lд струм дуги зменшується на величину Iд, а напруга в дузі Uд при lд2 = const зростає на величину Uдi, яку виразимо через dUд Uдi = I.

диференціальний опір дуги:

dI Тоді зміна Uд буде:

dUд dUд Uд = Uдl + Uдi = l + I. (1.14) dl dI Приріст напруги в дузі Uд дорівнює приросту напруги на клемах джерела живлення Uдж, тобто Uд = Uдж. Виразимо приріст Uдж через dUдж Uдж = I.

динамічний опір джерела живлення:

dI Після підстановки значення Uдж у рівняння (1.14) матимемо dUдж dUд dUд I = l + I. (1.15) dI dl dI Після перетворення одержимо:

dUд dUд dUдж - l = I - = Ikст. (1.16) dl dI dI Остаточно dUд - l = Ikcт.

(1.17) dl Із рівняння (1.17) можна зробити такі висновки:

1. Зміни довжини дуги та зварювального струму мають протилежні знаки, тобто при зростанні lд величина Ід зменшується і навпаки.

dUд l I = 2. Абсолютна величина відхилення тим менша, чим бі kст dl льше kст, тобто еластичність дуги підвищується зі зростанням kст.

3. Стійкість системи ДЖ – Д – В залежить від форми зовнішньої вольт-амперної характеристики джерела живлення.

Останній висновок пояснимо на прикладах.

Зварювання покритими електродами та вольфрамовим електродом ви конується з використанням струму невеликої густини. Статична вольт dUд < амперна характеристика дуги має спадну форму, тому для стійкої dI роботи енергетичної системи ДЖ – Д – В потрібні джерела живлення тіль ки зі спадними вольт-амперними характеристиками. Найменша зміна струму забезпечується при застосуванні джерела з крутоспадними вольт амперними характеристиками (рис. 1.9,а). У цьому випадку I1к

I2к

Рис. 1.9. Вплив форми статичної характеристики дуги (СХД) та зовнішньої характеристики джерела живлення (ЗХДЖ) на коливання зварювального струму при зміні довжини дуги:

а – крутоспадна (к) та пологоспадна (п) ЗХДЖ;

б – жорстка (ж) ЗХДЖ;

в – спадна (с), жорстка (ж) та зростаюча (з) ЗХДЖ При механізованому зварюванні плавким електродом під флюсом та у середовищі захисних газів автоматична підтримка основних параметрів режиму – сили струму та напруги – забезпечується шляхом використання процесу саморегулювання дуги. Суть процесу: швидкість плавлення елект родного дроту змінюється пропорційно зміні довжини дуги. Швидкість подачі електрода в дугу при цьому залишається постійною.

В сталому режимі для заданої довжини дуги lд (рис. 1.9,б) швидкість подачі електродного дроту дорівнює швидкості його плавлення в дузі. Як що довжина дуги зменшується (lд2 < lд ), зварювальний струм зростає ( І2 > І0 ), швидкість плавлення дроту також збільшується, внаслідок чого довжина відновлюється (lд2 lд ). При перевищенні встановленої довжи ни дуги (lд1 > lд ) спостерігатиметься зворотний процес, тобто зварюваль ний струм зменшується ( І1 < І0 ), швидкість плавлення дроту також впаде і довжина дуги скоротиться (lд1 lд ).

Саморегулювання дуги протікає досить ефективно при зварюванні струмом великої густини і тим активніше, чим більша зміна сили струму при коливаннях довжини дуги.

При механізованому та автоматичному зварюванні самозахисним по рошковим дротом, а також у середовищі захисних газів або під флюсом тонким дротом СХД – зростаюча (див. рис. 1.3,в). Для цих способів зварю вання принципово підходять джерела живлення з будь-якою формою ЗХДЖ. Але найбільша зміна зварювального струму при коливаннях довжини дуги, яка потрібна для активізації процесу саморегулювання, від буватиметься при застосуванні джерела живлення зі зростаючою вольт амперною характеристикою (рис. 1.9,в): I1з > I1ж > I1с;

I2з > I2ж > I2с. На практиці у цих випадках застосовують джерела живлення з пологоспадни ми та жорсткими вольт-амперними характеристиками.

1.4.3. Стійкість системи при коливаннях напруги живильної мережі Згідно з вимогами до якості електричної енергії, що використовується зварювальними установками, відхилення напруги мережі припустимі у межах +5 % від номінальної величини напруги Uм. Зміна Uм приводить до зміни параметрів зварювального джерела живлення: напруги холостого ходу U0, положення зовнішньої вольт-амперної характеристики, зварюва льного струму I (рис. 1.10,а,б).

Зміна положення зовнішньої вольт-амперної характеристики джерела приводить до зміни струму зварювання на величину I1 при зменшенні Uм, та на величину I2 при зростанніUм. Такі відхилення можуть призвести до зміни якості зварювання. Для підтримки стабільної якості зварного з’єднання потрібно володіти способами відновлення заданого режиму зва рювання, уміти застосовувати спеціальні пристрої, що автоматично змі нюють при коливаннях Uм.

U Наприклад, у зварювальних трансформаторах за допомогою регулято ра автоматично змінюється індуктивний опір так, що нова характеристика Uдж2 = f (I) зі зміненим нахилом проходить через раніше встановлену ро бочу точку (рис.1.10,в).

Рис. 1.10. Зовнішні вольт-амперні характеристики джерела живлен ня при зміні напруги мережі для спадної (а), зростаючої (б) ста тичної характеристики дуги та індуктивного опору зварю вального трансформатора (в) 1.5. Особливості дуги, що живиться однофазним змінним струмом Розглянуті у розд. 1.2 процеси характерні для уніполярних дуг, тобто таких дуг, в яких напрям струму не змінюється. Дуга змінного струму, в якій напрям струму з бігом часу змінюється і, відповідно, один і той самий електрод навперемінно є то катодом, то анодом, характеризується низкою особливостей. У зварювальній техніці використовують здебільшого дуги промислової частоти (50...60 Гц), іноді зварювання виконують струмом підвищеної частоти (400...500 Гц);

останнім часом, у зв’язку з широким розповсюдженням нового типу джерел живлення з електронним регулю ванням використовуються зварювальні дуги з більш високою частотою.

При живленні дуги від джерела з синусоїдальною напругою струм і напруга в дузі періодично змінюють свою величину і напрям. У моменти переходу струму через нуль та зміни полярності на початку і в кінці кож ного півперіоду температура дугового проміжку знижується, внаслідок чо го відбувається його деіонізація та зменшується електропровідність. Деіо нізація приводить до охолодження активних плям, яке особливо значне на зварюваному виробі через його велику масу.

Повторне збудження на початку кожного півперіоду може статися тільки при підвищеній напрузі, яка називається напругою повторного збу дження дуги Uз, котра більша за напругу горіння дуги Uд (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Зміна струму й напруги в дузі при зварюванні однофазним змінним струмом Необхідно, щоб у момент повторного збудження дуги напруга холос того ходу джерела живлення була більшою за Uз. Якщо ця умова не вико нується, то повторне збудження на початку півперіоду неможливе.

Розглянемо електричну схему зварювальної дуги змінного струму (рис. 1.12). Джерелом живлення в даній схемі є однофазний знижувальний трансформатор Т з жорсткою зовнішньою характеристикою. Послідовно з вторинною обмоткою трансформатора у коло дуги послідовно ввімкнуті активний R та індуктивний ХL опори. Резистор R призначений для регу лювання сили зварювального струму та формування спадної зовнішньої характеристики джерела живлення. На виході електричної схеми ввімкнуті електрод Е та виріб В.

Рис. 1.12. Схема живлення дуги змінним струмом Випадок 1. Зварювальне коло містить лише активний опір R ( Х 0).

L При цьому зсув фази між струмом та напругою дорівнює нулю (2 = 0).

Зміну миттєвих значень напруги вторинної обмотки трансформатора U2, напруги в дузі Uд й струму і2, що протікає через зварювальне коло, пока зано на рис.1.13,а.

У негативному півперіоді в момент часу t = tзг згасання дуги напруга U2 спадає до напруги згасання Uзг. Значення ж її недостатньо для створен ня необхідних умов існування зварювальної дуги, тобто струм і2 і напруга в дузі спадають до значення, близького до нуля, при цьому спостерігається погасання дуги. Такий стан продовжується до часу t = tз збудження дуги у позитивному півперіоді. Інтервал часу від t = tзг до t = tз називається часом перерви tп в горінні зварювальної дуги. У цей інтервал часу струм і2, що протікає через зварювальний контур, не дорівнює нулю. Це пояснюється тим, що у дуговому проміжку у дану мить активна пляма катода ще спро можна випромінювати електрони, а також наявністю плазмових потоків у стовпі дуги. У дуговому проміжку протягом часу tп існує жевріючий роз ряд, а не дуговий.

Рис. 1.13. Зміна миттєвих значень u2, uд, uL, i2 у зварювальному колі при вмиканні активного (а) та індуктивного (б) опорів У момент часу t = tз напруга U2 досягає необхідного значення напруги повторного збудження дуги Uз і у дуговому проміжку утворюється напру женість електричного поля така, при якій розпочинається інтенсивне заро дження вільних електронів, що приводить до відновлення дугового розря ду. Внаслідок того, що протягом часу tп дуговий розряд відсутній, зварю вальне коло розімкнуте. Розрахуємо час tп перерви у горінні дуги.

Збудження дуги кожного півперіоду відбувається, як показано вище, за умови Uз = U2 max sin tз, (1.18) де U2 max – амплітудне значення напруги джерела живлення, В;

= 2f – кутова частота, рад/с (f – частота змінного струму, Гц).

Звідси 1 Uз tз = arcsin. (1.19) 2f U2 max Погасання дуги відбувається, коли Uд = U2 max sin( -tзг )= U2 max sintзг. (1.20) Час погасання дуги Uд tзг = arcsin. (1.21) 2f U2 max Загальний час перерви в горінні дуги U U д 1 з. (1.22) t = t + t = arcsin + arcsin п з зг 2 f U U 2 max 2 max Таким чином, якщо у зварювальне коло увімкнутий лише активний опір R, дуга змінного струму горить із перервами.

Скоротити час перерви tп можна різними шляхами: підвищенням на пруги холостого ходу трансформатора, підвищенням частоти змінного струму, зниженням напруги повторного збудження та горіння дуги, вми канням у зварювальне коло індуктивного опору та батареї конденсаторів.

Підвищення напруги холостого ходу трансформатора U0 сприяє зрос танню стійкості горіння дуги тому, що U0 = U2 max 2. Найменше значення U0 можна розрахувати за формулою Uд Uз U0 +. (1.23) Uд У більшості трансформаторів для дугового зварювання приймають U =1,8...2,5. Але з підвищенням U0 знижуються техніко-економічні Uд показники джерела та зростає небезпека поразки обслуговуючого персона лу електричним струмом. Тому, згідно з ГОСТ 12.2.007.8-75, встановлені припустимі значення U0 : 80 В – для джерел живлення змінного струму для ручного дугового зварювання;

140 В – для джерел живлення змінного струму для автоматичного дугового зварювання.

Час перерви горіння дуги скорочується при підвищенні частоти на пруги живлення. З підвищенням частоти при рівних інших умовах змен шуються розміри та маса трансформатора, а також зростає індуктивний опір його обмоток. При підвищенні частоти напруги в дузі у 5...9 разів по рівняно з напругою мережі дуга бринить з високою тональністю, що призводить до швидкої втомлюваності зварника. Крім того, джерела жив лення з підвищеною частотою струму відрізняються складністю конструк ції та високою вартістю.

При введенні у зварювальні дуги хімічних елементів з низьким потен ціалом іонізації зменшується напруга повторного збудження дуги та по ліпшуються умови її горіння. Такі елементи входять до складу покриттів електродів для ручного дугового зварювання або у флюси для автоматич ного зварювання. Наявність в дузі хімічних елементів з низьким потенціа лом іонізації сприяє зберіганню провідності розрядного проміжку протя гом тривалого часу після погасання дуги. Для скорочення часу перерви го ріння зварювальної дуги найбільше поширений метод збільшення індукти вного опору обмоток трансформатора або додаткового включення у зва рювальне коло котушки індуктивності.

Випадок 2. Зварювальне коло містить активний R та індуктивний XL опори (див. рис. 1.12). У цьому випадку між струмом та напругою джерела з’являється кут зсуву фаз (2 0 ). Відповідно до кривих струму та напру ги (рис. 1.13,б) повторне миттєве збудження дуги можливе, якщо при пе реході струму i2 через нуль напруга джерела u2 буде рівною або більшою за напругу повторного збудження дуги Uз, тобто u2 = U2maxsin 2 Uз. Зміни значень u2, i2, uд та спад напруги на індуктивному опорі uL справедливі за умови, що зварювальна дуга замінена активним опором Rд. Відповідну ве кторну діаграму наведено на рис. 1.14.

При певному значенні кута зсуву фаз 2 горіння дуги протягом всьо го півперіоду може бути безперервним (tп = 0). Напруга в дузі у будь-який момент часу описується рівнянням di U2 max sin(t + 2 )= Uд + L, (1.24) dt де L – індуктивність зварювального кола, Гн.

При зміні полярності, коли струм переходить через нуль, напруга в дузі змінюється стрибкоподібно.

Безперервне горіння дуги забез печується, якщо =53...57 ел. граду Х L сів та відношення 5. Таким R + Rд чином, наявність індуктивного опору Рис. 1.14. Векторна діаграма на у колі дуги є обов’язковою для всіх пруг при вмиканні у зварювальне коло індуктивного опору джерел змінного струму.

Стійкість горіння зварювальної дуги може бути особливо великою при наявності поряд з індуктивним опором XL у зварювальному контурі ємнісного опору ХC. При Х > XC L U2 = U2 max sin(t + 2 ). При Х < XC U2 = U2 max sin(t - 2 ). Чим більше L Uc, тим при меншому значенні U2 = U2 max sin 2 дуга збуджується після переходу i2 через нуль. Наявність у колі дуги змінного струму поряд з ін дуктивністю ще й ємності (при їх певно визначених значеннях) дає змогу суттєво знизити необхідну напругу холостого ходу джерела живлення.

Для підвищення стійкості горіння зварювальної дуги широко викори стовують допоміжні пристрої – імпульсні стабілізатори (генератори імпу льсів напруги), розглянуті у гл. 6.

Особливістю дуги змінного струму є також її випрямна дія. В міру то го, як збільшується різниця між теплофізичними властивостями електро дів, більш чітко визначається відмінність форми кривої струму від форми кривої напруги дуги. При різних теплофізичних властивостях між електро дами під час зварювання змінним струмом (особливо алюмінію та його сплавів вольфрамовим електродом) виникає нерівність струмів прямої Іпр та зворотної Iзв полярності, що призводить до появи так званої постійної складової струму І0 (рис.1.15), струм дуги стає періодичною несинусоїда льною функцією часу, яка може бути розкладена у ряд Фур’є:

ід = І0 + І1max sin(t + 1)+ I2 max sin(t + 2)+... + Іn max sin(t + n ), (1.25) де І0 – постійна складова струму;

І1max, І2 max, …, Іn max – амплітуди осно вних та вищих гармонік струму;

1, 2,…,n – початкові фази відповід них гармонік.

Рис 1.15. Утворення постійної складової струму при горінні дуги між вольфрамовим електродом і виробом із алюмінію У півперіоди, коли катодна пляма розміщується на вольфрамовому електроді (пряма полярність), завдяки потужній термоелектронній емісії катода утворюються сприятливі умови для збудження і горіння дуги при низькій напрузі. У півперіоди, коли катодна пляма знаходиться на виробі, що зварюється (зворотна полярність), термоелектронна емісія утруднена і тому потрібна більш висока напруга збудження дуги. Горіння дуги проті кає також при більш високій напрузі, ніж у попередній півперіод. Якщо зварювання виконується на малих струмах, то збудження дуги у півперіоди зворотної полярності взагалі може не відбутися. У цьому випадку дуга стає випрямним вентилем, стабільність її горіння різко знижується.

При зниженні сили струму в півперіоди зворотної полярності утруд нюється катодне очищення зварюваних крайок та поверхні ванни від оксидних плівок, наслідком чого є погіршення формування шва та зни ження його якості.

Постійна складова зварювального струму також погіршує роботу зва рювального трансформатора, тому що створює постійне підмагнічування його магнітопроводу. В результаті цього знижується потужність, що відда ється дузі, та коефіцієнт потужності (cos ) джерела живлення.

Для усунення постійної складової у зварювальне коло послідовно з вторинною обмоткою трансформатора включають батарею конденсаторів, напівпровідниковий випрямляч або застосовують спеціальні схемні рішен ня джерела.

1.6. Трифазна зварювальна дуга Трифазною зварювальною дугою умовно називаються три окремі ду ги, які горять у спільному плавильному просторі або у спільній газовій по рожнині. Якщо ця умова не виконується, то маємо різні схеми живлення дуг, а не трифазну зварювальну дугу.

Зварювання трифазною дугою звичайно виконується двома електро дами (Е1 та Е2), що ввімкнуті у фази А і В джерела живлення;

фаза С під ключається до виробу (В) (рис. 1.16,а). Дуга Д1, що горить між електрода ми, називається незалежною дугою або дугою непрямої дії, а дуги Д2 та Д3 – між електродами та виробом – прямої дії.

При трифазному зварюванні струми в електродах утворюють симет ричну систему (рис. 1.16,б) іа = Іmax sin t ;

iв = Іmax sint + ;

(1.26) ic = Іmax sint +, для якої дійсні такі умови:

ia + ib + ic = 0;

uab + ubc + uac = 0. (1.27) Послідовність та тривалість горіння кожної з дуг залежать від послі довності чергування фаз і параметрів зварювального кола. Для спрощення аналізу будемо вважати, що всі дуги горять при однаковому струмі, тобто ia = ib = ic. Очевидно, що в кожний момент горить не менше однієї та не бі льше двох дуг, тому що на торцях електродів не можуть одночасно існува ти анодна та катодна плями. Внаслідок одночасного горіння двох дуг стій кість трифазної дуги вище однофазної;

крім того, значно полегшені умови повторного збудження тому, що безперервно зберігається достатньо висо ка температура активних плям і дуговий проміжок є постійно іонізованим.

При зварюванні трифазною дугою можна значно знизити напругу хо лостого ходу U0 трансформатора та індуктивність зварювального кола.

Адже повторні збудження дуг після погасання у кінці півперіоду відбува ються при малих піках напруги збудження. Для звичайних режимів U 1, 1...1,25.

зварювання трифазною дугою Uд Рис. 1.16. Схема живлення (а) та послідовність горіння і зміни струмів (б) трифазної зварювальної дуги 1.7. Касифікація та загальна характеристика зварювальних джерел живлення Вибір джерела живлення для певного зварювального процесу здійс нюється за його технічними експлуатаційними характеристиками, а також сервісними можливостями. Джерела живлення, згідно з діючими стандар тами, характеризуються низкою параметрів, які досягаються при роботі на сталих режимах. До сталих режимів відносять роботу джерел при холос тому ході, робочому навантаженні та короткому замиканні. Основними технічними характеристиками джерел живлення є:

напруга холостого хода U0 ;

номінальна сила зварювального струму Ін;

номінальна робоча напруга Uн;

діапазон регулювання зварювального струму і робочої напруги;

тривалість роботи у зварювальному циклі ПН %, ПВ %;

коефіцієнт корисної дії ;

коефіцієнт потужності cos.

Номінальними називаються значення струму, напруги та потужності, на які розраховано джерело живлення, при роботі у заданому режимі без перегріву вище встановленої температури. Номінальні параметри вказують у паспорті або наносять на щиток джерела живлення.

Напруга U0 значною мірою визначає умови початкового та повторно го збудження дуги і регулюється на клемах джерела живлення при відсут ності навантаження у зварювальному колі. Напруга холостого ходу повин на бути достатньою для легкого збудження дуги, оскільки чим вище U0, тим легше збуджується дуга. Залежно від умов зварювання, захисного се редовища, складу електродного покриття, флюсу і т. ін. необхідне значен ня U0 знаходиться у межах 30...120 В. Спеціалізовані установки (напри клад, для плазмових технологій) можуть мати і більш високу напругу хо лостого ходу.

Номінальний струм Ін визначає розрахункове значення зварювально го струму джерела живлення. Номінальні струми джерел живлення дуги відповідають параметричному ряду, встановленому для джерел електрич ного струму: 50, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 1000, 1250, 1600, 2000, 2400, 3150, 5000 А. Джерела живлення для ручного дугового зварю вання виготовляють на струми 125...500 А, для механізованого зварювання – на струми 315...1000 А, для автоматичного – на струми 500...2000 А, ба гатопостові джерела мають номінальний струм 1000...5000 А.

Номінальна робоча напруга Uн відображує напругу на клемах джере ла під навантаженням. Для кожного джерела Uн перебуває у певній залеж ності від Ін.Поточному значенню зварювального струму відповідає певне значення робочої напруги. Наприклад:

при ручному дуговому зварюванні покритими електродами при жив ленні від трансформатора (згідно з вимогами ГОСТ 95-77Е) U2 = 20 + 0,04I2;

для трансформаторів на номінальний струм 1000 А (ГОСТ 7012-77) U2 = 19 + 0,037I2;

для трансформаторів на номінальний струм 2000 А (ГОСТ 7012-77) U2 = 13 + 0,0315I2.

Діапазон регулювання зварювального струму та відповідні йому межі регулювання робочої напруги вказують найменші та найбільші значення вихідних параметрів джерела живлення, які можуть бути використані для зварювання. У більшості випадків за максимальний струм приймають но мінальний.

Межі регулювання зварювального струму оцінюються відношенням максимального значення струму до мінімального. Цей показник I к =.

називається кратністю регулювання струму: i max Для більшості I min джерел живлення його значення перевищує три.

Регулювання сили зварювального струму виконується двома способа ми: ступеневим та плавним (або їх комбінацією) і зводиться до зміни на пруги холостого ходу U0 та повного опору Z джерела. Якщо збільшити на пругу U0 (рис. 1.17,а), то зовнішня вольт-амперна характеристика джерела живлення (ЗХДЖ) переміститься праворуч і перетинатиметься зі статич ною характеристикою дуги (СХД) при більших струмах. Якщо збільшити повний опір джерела Z, що відповідає переміщенню ЗХДЖ уліво (рис. 1.17,б), то енергія, що віддається джерелом дузі, зменшиться і струм знизиться.

Джерела живлення зі спадними ЗХДЖ працюють у режимі регулято рів зварювального струму, а з жорсткими ЗХДЖ – як регулятори напруги.

В останньому випадку значення зварювального струму визначається швид кістю подачі електродного дроту автоматом чи напівавтоматом, а джерело задає напругу в дузі та забезпечує саморегулювання довжини дуги.

Під час роботи джерела живлення виникає нагрівання окремих вузлів його конструкції внаслідок проходження струму по струмонесучих провід никах, а також через гістерезис та вихрові струми в осерді трансформато ра. Припустимі температури нагріву для окремих частин джерел живлення встановлені вимогами ГОСТ 304-82Е та ГОСТ 95-77Е: осердя трансформа тора – 90 оС;

обмотки трансформатора – 90...105 оС;

магнітопровід генера тора – 70 оС.

Рис. 1.17. Принципи регулювання зварювального струму в джерелах жив лення: а – шляхом зміни напруги холостого ходу U0;

б – шляхом зміни повного опору джерела живлення Z Джерела живлення розраховані на певні навантаження, при яких вони працюють без перегріву. Температура перегріву Тп джерела живлення – це різниця між температурою джерела живлення Т і температурою навколи шнього середовища Т0, тобто Тп = Т - Т0.

Тривалість роботи джерела при заданій потужності визначає можли вості його перегріву. Розрізнюють три режими роботи: тривалий, переміж ний та повторно-короткочасний.

У тривалому режимі джерело живлення працює під навантаженням довгий час при сталій температурі Тc. В такому режимі працюють джерела живлення для автоматичного зварювання. Вихідна потужність джерела Рвих при цьому є незмінною, а його температура (рис. 1.18,а) прямує до значення Тп.с за експоненціальним законом:

t Т = Т0 + Тп.с(1- е ), (1.28) де Тп.с – стала температура перегріву джерела живлення оС;

t – час роботи джерела, хв;

– постійна часу нагрівання, хв.

Постійна характеризує швидкість зростання температури джерела та температури перегріву і визначається точкою перетинання дотичної, проведеної до експоненти, з прямою сталої температури джерела живлен ня. За час t = температура перегріву складає 63 % сталої температури Tс.

Рис. 1.18. Зміна вихідної потужності Р та температури Т нагріву джерела живлення при тривалому (а), переміжному (б) і повторно-короткочасному (в) режимах роботи Переміжний режим відрізняється від тривалого тим, що джерело жив лення, яке постійно ввімкнуте у мережу, періодично відмикається від на вантаження, тобто режим навантаження протягом часу tн чергується з ре жимом холостого ходу протягом часу tх. Цей режим використовується у зварювальних установках для механізованого та ручного дугового зварю вання. Характеристикою переміжного режиму є відносна тривалість наван таження t t н н ПН% = 100 % = 100 %, (1.29) t + t t н x ц де tц – тривалість циклу роботи джерела, хв;

tц = tн + tx.

Тривалість циклу роботи джерела живлення для ручного дугового зварювання приймають рівною 5 хв, а для механізованого зварювання 10 хв. Наприклад, при ПН 60 % джерело для механізованого зварювання у середовищі двоокису вуглецю увімкнуте на навантаження протягом 6 хв, а у режимі холостого ходу перебуває протягом 4 хв.

При роботі у переміжному режимі вихідна потужність джерела має циклічний характер, тобто змінюється від Pвих min до Pвих max (рис.1.18,б).

При такому режимі температура джерела за час tн не встигає досягти ста лої температури T = T0 + Tп.с, а за час tх – знизитися до температури T0.

По закінченні часу роботи джерела живлення його температура Т колива ється між деяким максимальним Т2 та мінімальним Т1 значеннями. Серед нє значення цих температур Тп відповідає значенню вихідної потужності, що віддається джерелом живлення навантаженню.

Повторно-короткочасний режим характеризується також циклічністю зміни вихідної потужності джерела, але її значення змінюється від нуля до Pвих max, тобто під час пауз джерело відключається від мережі (рис.1.18,в).

Показником цього режиму є відносна тривалість вмикання:

tн tн ПВ % = 100 % = 100 %, (1.30) tн + tп tц де tп – час паузи, хв.

Температура при такому режимі роботи зростає за законом більш кру тої експоненти, ніж при переміжному, через проходження пускового стру му під час вмикання джерела живлення у мережу та до навантаження, але під час пауз температура може знижуватися до Т0. Повторно короткочасний режим роботи використовується в усіх напівавтоматах та частково у зварювальних автоматах, найчастіше з ПВ 60 %.

Якщо величина ПН% (або ПВ%) відрізняється від номінальної (ПНн %, ПНн %), то припустимий струм навантаження коригують згідно з формулою ПНн% ПВн% І = Ін = Ін. (1.31) ПН % ПВ % Коефіцієнт корисної дії дж характеризує втрати енергії у самому джерелі живлення:

Рд дж = 100 %, (1.31) Рм де Рд – потужність дуги, Вт;

Рм – потужність, яку споживає джерело з ме режі, Вт.

Для різноманітних джерел живлення дуги дж знаходиться у широких межах і складає 45...98 %.

Коефіцієнт потужності cos, який показує, яку частку всієї потужно сті, що виробляє джерело, складає активна потужність, є характеристикою зварювальних трансформаторів. Ці джерела належать до електротехнічних установок з низьким коефіцієнтом потужності (cos = 0,48...0,88 ). Підви щити cos трансформатора, наприклад, для ручного зварювання, можна шляхом вмикання паралельно первинній обмотці косинусного конденсато ра відповідної потужності.

Джерела живлення класифікують за родом струму (постійний або змінний) та способом регулювання (рис. 1.19).

Джерелами змінного синусоїдального струму служать зварювальні трансформатори. Для створення змінного струму заданої форми (напри клад, прямокутної) є джерела зі спеціальним керуванням. Джерела змінно го струму широко використовують для ручного дугового зварювання та механізованого зварювання під флюсом (табл. 1.2). Для зварювання легких сплавів у середовищі аргону випускають спеціальні установки.

Для живлення зварювальної дуги постійним струмом застосовують випрямлячі, електромашинні перетворювачі та агрегати. Найбільше розпо всюджені зварювальні випрямлячі. Вони мають істотні переваги перед електромашинними перетворювачами (високий ККД, широкий діапазон регулювання струму та напруги, можливість автоматичного керування та програмування процесу зварювання і т. ін.). Випрямлячі випускають зі спадними, жорсткими та універсальними зовнішніми вольт-амперними ха рактеристиками.

Джерела живлення для дугового зварювання Постійний струм Змінний струм Випрямлячі Електромашинні пере- Джерела струму Трансформатори Установки для аргоно- творювачі, агрегати прямокутної форми дугового зварювання (типу генератора) Колекторні Асинхронні З механічним регулюванням З тиристорним (пересувні обмотки, шунти) регулюванням Вентильні Однопостові Багатопостові З регулюванням шляхом підмагнічування елементів магнітопроводу Діодні з механічними Тиристорні На підставі та електромагнітним установки інверторів регулюванням Рис. 1.19. Класифікація джерел живлення дуги для зварювання плавленням У спеціалізованих установках для зварювання постійним струмом ос нову складають випрямлячі, обладнані допоміжними пристроями та регу ляторами (у тому числі і транзисторними), що суттєво розширюють їх тех нологічні можливості. Наприклад, установки для зварювання неплавким електродом у захисному газі обладнані осциляторами, імпульсними стабілізаторами, пристроями виходу джерела на заданий режим та заварю вання кратера шва.

Електромашинні джерела живлення, головним вузлом яких є зварю вальні генератори, розділяються залежно від типу приводу та конструкти вного виконання на перетворювачі з колекторним генератором та привод ним електродвигуном (нині промисловістю практично не випускаються) або двигуном внутрішнього згоряння (агрегати), вентильні зварювальні ге нератори постійного струму, а також перетворювачі на базі асинхронних генераторів.

Для зварювальних джерел живлення, які випускаються державними підприємствами, прийняте стандартне умовне позначення (табл.1.3), яке складається з буквеної та цифрової частин, що містять інформацію про призначення даного джерела, номінальний струм, кліматичне виконання тощо.

Таблиця 1.2. Характеристики та області застосування джерел живлення для дугового зварювання Форма Спосіб Род струму при зварюванні Тип ЗХДЖ регулю- ручному дуго- неплавким елек- плавким елек- під флюсом роботизова вання вому тродом в тродом у захис- ному інертних газах них газах Трансформатор, С Механіч- Постійний Постійний – Постійний – випрямляч зі ступе- ний Змінний Змінний Змінний невим регу- Ж – – Постійний – – люванням Трансформатор, С Постійний Постійний – Постійний – випрямляч (пере- Змінний Змінний Змінний сувні котушки, магнітні шунти) Трансформатор з С Електро- Постійний Постійний Постійний Постійний – підмагніченим шун- магнітний Змінний Змінний том, випрямляч з ПС – – Постійний Постійний – дроселем насичення Генератор С Постійний Постійний – – – ПС – – Постійний Постійний Тиристорний С Електрон- Постійний Постійний Постійний Постійний Постійний ний Змінний Змінний ПС – – Постійний Постійний Постійний Змінний Транзисторний С Постійний Постійний Постійний – Постійний ПС – – Постійний – Постійний Інверторний С Постійний Постійний Постійний Постійний Постійний Ж – – Постійний Постійний Постійний Джерело з прямо- С Змінний Змінний Постійний Змінний Постійний кутною формою ПС – – Змінний Змінний Постійний струму Примітка. С – спадна;

ПС – пологоспадна;

Ж – жорстка.

Структуру умовного позначення різних джерел живлення наведено у дод.1.

Таблиця 1.3. Стандарти на умовні позначення джерел живлення для дугового зварювання Тип джерела живлення Державний стандарт Агрегати ГОСТ 2402-82Е Перетворювачі ГОСТ 7237-82Е Трансформатори для автоматичного зварювання під флюсом ГОСТ 7012- Трансформатори для ручного дугового зварювання ГОСТ 95-77Е Випрямлячі ГОСТ 13821-77Е Установки для зварювання неплавким ТУ 539.073- (вольфрамовим) електродом ТУ 739.302- Нижче наведені приклади позначення деяких джерел живлення.

ТДФЖ-1002У3 – трансформатор для дугового зварювання під флю сом, з жорсткою зовнішньою характеристикою, номінальний струм 1000 А, реєстраційний номер розробки 02, кліматичне виконання У, категорія розміщення 3.

ПД-502У2 – перетворювач для дугового зварювання покритими еле ктродами, номінальний струм 500 А, реєстраційний номер розробки 02, кліматичне виконання У, категорія розміщення 2.

ВДГМ-1602У3 – випрямляч для дугового зварювання у середовищі захисних газів, багатопостовий, номінальний струм 1600 А, реєстраційний номер розробки 02, кліматичне виконання У, категорія розміщення 3.

Контрольні питання 1. Які процеси у зварювальній дузі постійного струму обумовлюють її поведінку як нелінійного елемента електричного кола?

2. Які фактори впливають на форму статичної вольт-амперної харак теристики дуги?

3. Який показник визначає стійкість енергетичної системи "джерело живлення – дуга – ванна"? Якими заходами забезпечується стійкість сис теми при дії у зварювальному контурі збурень різного роду?

4. В чому полягають особливості горіння дуги змінного струму?

5. Якими параметрами характеризуються зварювальні джерела жив лення?

Глава ЗВАРЮВАЛЬНІ ТРАНСФОРМАТОРИ Головним вузлом сучасних джерел живлення змінного зварювального струму є спеціальний, як правило, однофазний зварювальний трансформа тор тієї або іншої конструкції. Для живлення трифазної дуги використо вують спеціальні трифазні трансформатори або два однофазних трансфор матори. Застосовуються також зварювальні автотрансформатори, призна чені для підключення однофазних зварювальних трансформаторів до три фазної мережі.

Зварювальним трансформатором називається статичний електро магнітний апарат, призначений для перетворення первинної системи змінного струму у вторинну, що має знижену напругу та великі струми, без зміни їх частоти. Крім того, трансформатор самостійно або у комплексі з додатковими пристроями забезпечує формування потрібних статичних зовнішніх характеристик та регулювання зварювального струму.

Конструкції зварювальних трансформаторів дуже різноманітні. За лежно від способу регулювання струму їх можна розділити на три групи пристроїв: 1) з механічним регулюванням;

2) з електромагнітним регулю ванням;

3) з електронним (тиристорним) регулюванням.

Для ручного дугового зварювання застосовують головним чином трансформатори з механічним регулюванням (див.табл. 1.2). Діапазон номінальних струмів трансформаторів для ручного дугового зварювання 120...500 А. Трансформатори випускаються за ГОСТ 95-77Е.

Для зварювання під шаром флюсу застосовують трансформатори з електромагнітним та тиристорним регулюванням, які дозволяють забезпе чити стабілізацію режиму при коливаннях напруги мережі та нескладне дистанційне регулювання.

Живлення кожної зварювальної дуги при багатодуговому зварюванні здійснюється від самостійного однофазного джерела, що дає змогу вико нувати незалежне регулювання режиму кожної дуги. Для рівномірного на вантаження мережі при тридуговому зварюванні джерела вмикають у різні фази, а при дводуговому – за двофазною симетричною схемою.

Діапазон номінальних струмів трансформаторів для зварювання під флюсом 1000...2000 А. Трансформатори випускаються за ГОСТ 7012-77.

До складу трансформатора звичайно входять дві (або більше) елек трично не пов’язаних поміж собою обмотки, розміщені на замкненому ста левому осерді. Для зменшення втрат на вихрові струми магнітопроводи виготовляються з листової електротехнічної сталі. У сучасних вітчизняних зварювальних трансформаторах здебільшого для осердя використовується холоднокатана анізотропна рулонна сталь, що містить 2,8...3,8 % кремнію, марок 3404, 3405 товщиною 0,35 мм та 3414 товщиною 0,35 і 0,5 мм з тер мостійким електроізоляційним покриттям.

Наявність кремнію сприяє зниженню втрат на вихрові струми і одно часно підвищує магнітну проникність сталі. Магнітні властивості деяких марок електротехнічної сталі наведені у табл. 2.1.

Таблиця 2.1. Магнітні властивості легованої електротехнічної сталі (ГОСТ 21427-83) Питомі Індукція, Тл, при напру Товщина втрати по- женості поля Н, кА/м, Сталь листа, мм тужності не менше Р1,5/50, Вт/кг 2,5 Гарячекатана ізотропна 1311 0,50 6,1 1,48 1, 1411 0,50 4,4 1,46 1, 1511 0,50 3,5 1,46 1, Холоднокатана ізотропна 2011 0,65 9,0 1,60 2, 2111 0,65 10,0 1,58 2, 2211 0,65 7,0 1,56 1, 2311 0,65 5,8 1,52 1, 2411 0,50 3,6 1,49 1, Холоднокатана анізотропна 3411 0,50 2,45 1,75 – 3416 0,28 0,89 1,9 – Наведене у таблиці цифрове маркування електротехнічної сталі відповідає прийнятому в Україні і Росії та розшифровується наступним чином. Перша цифра визначає структуру та вид прокату: 1 – гарячекатана ізотропна;

2 – холоднокатана ізотропна;

3 – холоднокатана анізотропна з кристалічною структурою. Друга цифра в марці визначає вміст кремнію:

0 – вміст < 0,4 %;

1 – 0,4...0,8 %;

2 – 0,8...1,8 %;

3 – 1,8...2,8 %;

4 – 2,8...3,8 %;

5 – 3,8...4,8 %. Третя цифра визначає втрати на гістерезис та теплові втрати при певному значенні індукції В та частоти струму f. На приклад, при третій цифрі 1 питомі втрати сталі 1311 при В = 1,5 Тл та час тоті f = 50 Гц складають Р1,5/50 = 6,1 кВт/кг. Четверта цифра – код числово го значення параметра, що нормується. Чим більша ця цифра, тим менші питомі втрати Р1,5/50.

Із співставлення сталей 1411, 2411, 3411 (див.табл. 2.1) витікає: при однаковій товщині листа та хімічному складі найбільші втрати має гаряче катана ізотропна сталь, а найменші – холоднокатана анізотропна.

Для сучасних високочастотних зварювальних джерел живлення вико ристовують трансформатори, осердя яких виготовляються з матеріалів з надзвичайно високим електроопором. До таких матеріалів, які зберігають високу магнітну проникність у широкому діапазоні частот, належать фери ти (не змішувати з феритом у сплавах заліза). Ферити являють собою магнітну кераміку, що отримана спіканням та містить Fe2O3 і оксиди таких металів, як MnO, MgO, ZnO та LiO2. Фактично ферити є напівпровідниками, їх опір струму на 6...12 порядків перевищує електро опір заліза. Завдяки цьому навіть при високих струмах вони мають не значні втрати від вихрових струмів.

За характером будови магнітного кола відрізняють трансформатори броньового та стрижневого типу (рис. 2.1), за характером будови обмоток – трансформатори з циліндричними та дисковими обмотками. Найбільше розповсюдження мають зварювальні трансформатори зі стрижневими магнітопроводами як з циліндричними, так і з дисковими обмотками.

Трансформатори працюють з повітряним природним або примусовим охо лодженням.

Трансформатори з циліндричними обмотками (рис. 2.1,а), в яких пер винна 1 та вторинна 2 обмотки намотуються концентрично одна поверх другої, належать до групи трансформаторів з мінімальним, або нормаль ним, електромагнітним розсіюванням і є повними аналогами силових повітряних трансформаторів ідентичної потужності.

Трансформатори з дисковими обмотками (рис. 2.1,б), у яких первинна 1 та вторинна 2 обмотки рознесені одна відносно другої, належать до гру пи спеціальних зварювальних трансформаторів з підвищеним, або розви неним, електромагнітним розсіюванням.

Рис. 2.1. Конструкції зварювальних трансформаторів:

а – стрижневого типу з циліндричними обмотками;

б – броневого типу з дисковими обмотками 2.1. Елементи теорії зварювального трансформатора В основу роботи зварювального трансформатора покладений принцип електромагнітної взаємодії двох контурів, що нерухомі один відносно дру гого. Для посилення електромагнітного зв’язку поміж первинною W1 та вторинною W2 обмотками служить осердя.

Розглянемо роботу однофазного зварювального трансформатора на прикладі трансформатора стрижневого типу з дисковими обмотками і з підвищеним електромагнітним розсіюванням (рис. 2.2,а).

При проходженні струму по обмотках виникають магнітні потоки.

Основна частина магнітних потоків, що утворюються намагнічувальною силою первинної та вторинної обмоток, замикається через стрижень магнітопроводу Фт і забезпечує передачу потужності від первинної обмот ки до вторинної (рис. 2.2,б). Друга частина магнітних потоків замикається через повітря і утворює потоки розсіювання Фр1 та Фр2. Потоки розсіювання наводять у трансформаторі реактивну ЕРС, яка визначає індуктивний опір трансформатора Х. Внаслідок наявності Х забезпе Т Т чується стійке горіння дуги та можливість отримання крутоспадної зовнішньої характеристики джерела і його настроювання на заданий ре жим роботи.

Визначимо рівняння, що описують роботу трансфор матора при сталих режимах.

Холостий хід. Параметри режиму: I2 = 0;

U2 = U0.

Магнітний потік Ф01 у трансформаторі утворюється Рис. 2.2. Конструкція (а) та електромагніт- намагнічувальною силою пер на схема (б) зварювального трансформато винної обмотки (рис. 2.3,а).

ра з розвиненим (збільшеним) Переважна частина магніт електромагнітним розсіюванням ного потоку Ф01 зами кається по магнітопроводу та взаємодіє з обмотками W1 та W2. Незначна частина цього потоку замикається через повітря і утворює потік розсіювання Ф01р (спільний потік).

Магнітний потік Ф01 у витках первинної обмотки Рис. 2.3. Розподіл магнітних потоків у транс форматорі в режимах: а – холостого ходу, наводить ЕРС E1, яка, го б,в – навантаження ловним чином, зрівнова жується прикладеною напругою U1:

E1 = 4,44W1 f Ф 10-8 U1, (2.1) де W1 – число витків первинної обмотки трансформатора;

f – частота змінного струму, Гц;

Ф01 – магнітний потік, Вб.

Магнітний потік Ф01в у витках вторинної обмотки наводить ЕРС Е2, яка дорівнює напрузі холостого ходу:

E2 = 4,44W2 f Ф 10-8 U0, (2.2) 01в де W2 – число витків вторинної обмотки трансформатора.

ЕРС Е2 наводиться лише частиною потоку Ф01, що замикається через верхнє ярмо В магнітопроводу. Цю частину потоку можна виразити через kµ1- коефіцієнт магнітного зв’язку первинної обмотки з вторинною :

Ф = Ф01kµ1-2.

(2.3) 01в Коефіцієнт магнітного зв’язку розраховується як відношення магнітних потоків Ф01, Ф01в та Ф01р :

Ф Ф 01в 01в kµ1-2 = =.

(2.4) Ф Ф + Ф 01 01в 01р Тоді ЕРС вторинної обмотки з урахуванням (2.3) E2 = 4,44W2 f Ф01вkµ1-2 10-8 = U0. (2.5) Коефіцієнт трансформації трансформатора E1 W1 U n = = =. (2.6) E2 W2kµ1-2 U Звідси напруга холостого ходу W2kµ1- U0 = U1. (2.7) W В трансформаторах з розвиненим магнітним розсіюванням (kµ1-2<1) при зміні розсіювання значення U0 змінюється мало і, як правило, ця зміна складає 3...5 В.

Режим навантаження ( І2 = Ід ;

U2 = Uд ). У цьому режимі струм протікає по первинній та вторинній обмотках трансформатора. На магнічувальна сила обмоток наводить у магнітопроводі потоки Ф1 та Ф2.

Частина цих потоків розсіюється з утворенням потоків розсіювання Фр1 та Фр2 (рис.2.3,б).

В нижньому ярмі Н магнітопроводу утворюється сумарний магнітний потік Фн:

& & & Фн = Ф1 + Ф2н. (2.8) При незмінній первинній напрузі U1 потік Фн залишається практично постійним. Будь-яка його зміна приводить до зниження або зростання струму у первинній обмотці. Завдяки цьому потік Фн відновлюється. Таким & & Ф Ф const.

чином, н ЕРС, що наводиться потоком Фн у первинній обмотці, визначається рівнянням (2.1).

У верхньому ярмі В магнітопроводу утворюється сумарний магнітний потік Фн:

& & & & & Фв=Ф2+Ф1в=Ф2+Ф1k.

(2.9) µ1- Визначимо Ф1 із рівняння (2.8):

& & & & & Ф1 = Фн - Ф2н = Фн - Ф2 kµ2-1, (2.10) де kµ2-1 – коефіцієнт магнітного зв’язку вторинної обмотки з первинною.

Після підстановки Ф1 у рівняння (2.9) одержимо & & & & Ф = Ф + (Ф - Ф kµ2 -1)k.

в 2 н 2 µ1- Приймаючи kµ1-2 kµ2-1= kµ, матимемо & & & & Ф = Ф2 + Фнkµ - Ф2kµ, в або & & & Ф = Ф01в + Ф2(1- kµ). (2.11) в Позначимо 2 ( – коефіцієнт розсіювання). Після підстановки 1- kµ = значення у рівняння (2.11) одержимо:

& & & Фв = Ф01в + Ф2. (2.12) Позначимо Ф2 = Фр (Фр – сумарний потік розсіювання у трансфор & & & маторі);

тоді Фв = Фо1в + Фр (рис. 2.3,в). Потік Ф01в наводить у вторинній обмотці трансформатора основну ЕРС E20 = 4,44W2 f Ф 10-8.

(2.13) Потік Фр наводить у вторинній обмотці реактивну ЕРС E2р = 4,44W2 f Ф 10-8.

(2.14) р Сумарна ЕРС трансформатора & & & Е2 = Е20 + Е2р. (2.15) При робочому навантаженні ЕРС трансформатора зрівноважується падінням напруги в дузі та реактивною ЕРС:

& & & Е2 = Uд + Е2р, (2.16) де & (тут ХТ – індуктивний опір трансформатора у режимі наван E2p = I& X 2 Т W X = таження, Т. У цій формулі – кутова частота змінного струму;

Rµ Rµ – опір кола на шляху потоків розсіювання).

Рівняння роботи трансформатора можна одержати також із спрощеної еквівалентної схеми заміщення та векторної діаграми (рис. 2.4).

При складанні схеми заміщення параметри первинного кола приво дять до відповідних еквівалентних параметрів вторинного кола згідно з співвідношенями:

2 W1 W1 W1 W U1 = U1 ;

I1 = I1 ;

X1 = X1 ;

R1 = R1.

W2 W W2 W Індексом "штрих" позначені приведені параметри первинної обмотки.

Тоді сумарні індуктивний та активний опори схеми заміщення трансфор матора будуть: Х = Х1 + Х ;

RТ = R1 + R2.

Т Залежність напруги в дузі від струму у векторній формі:

& & & Uд = U0 - jI& XT - I& RT = U0 - I& Ze, (2.17) 2 2 2 де Ze = X + RT – повний опір еквівалентної схеми заміщення транс T форматора. Рівняння (2.17) є рівнянням зовнішньої вольт-амперної харак теристики трансформатора.

Рис. 2.4. Спрощена схема заміщення (а) та векторна діаграма (б) трансформатора з розвиненим магнітним розсіюванням Напруга в дузі згідно з векторною діаграмою Uд = U0 - (I2 X )2 - I2RT.

T Якщо знехтувати малою величиною RT (це припустимо тому, що об мотки трансформатора виготовляють із міді або алюмінію), то отримаємо Uд U0 - (I2 X )2, (2.18) T звідки 2 U0 - Uд І2 = Ід. (2.19) Х Т Рівняння (2.19) відображує способи регулювання зварювального струму трансформатора: ступінчастий – зміною величини U, плавний – зміною величини Х.

Т Коротке замикання (U = 0;

І2 = Ік.з). При короткому замиканні ЕРС д трансформатора зрівноважується реактивною ЕРС & & & Е2 = Е2р = І Х.

к.з Т Із векторної діаграми (див. рис. 2.4) та рівнянь (2.17) та (2.19) виразмо значення струму короткого замикання & U & І = к.з Z e або (2.20) U І =.

к.з Х Т Рівняння (2.17), (2.18) та (2.20) показують, що трансформатори з роз виненим магнітним розсіюванням мають спадну зовнішню вольт-амперну характеристику тому, що Z > 0 ( X > 0 ). Крутість спадання визначається e T індуктивним опором трансформатора XT.

Якщо трансформатор має нормальне магнітне розсіювання ( Ze 0, XT 0), то його зовнішня характеристика – жорстка.

2.2. Трансформатори з механічним регулюванням До трансформаторів з механічним регулюванням належать трансфор матори з пересувними обмотками, з рухомими магнітними шунтами та трансформатори, що працюють у комплекті з додатковою котушкою – дроселем.

Трансформатори з пересувними обмотками та з рухомими шунтами належать до групи трансформаторів з розвиненим електромагнітним розсіюванням (Х > 0).

Т Трансформатори, що працюють у комплекті з дроселями, виконані, як правило, з нормальним розсіюванням.

Головна ознака цієї групи джерел живлення – це наявність рухомих частин. Одночасно ця ознака є й головним недоліком таких трансформа торів. На частини, що пересуваються і за допомогою яких регулюють ре жим зварювання, діють електромагнітні сили. Вони змінюються за законом пульсації від нуля до максимального значення з подвійною частотою ме режі. Величина електромагнітних сил пропорційна квадрату струму і змінюється відповідно до режиму роботи трансформатора. Амплітуда ко ливань рухомих частин трансформатора залежить від маси цих частин, якості та точності їх складання, жорсткості кріплення та інших факторів.

Навіть при ретельній проробці конструкцій та високій якості виготовлення значна вібрація рухомих частин є головною причиною, яка обмежує строк служби таких джерел.

Другий недолік цих джерел – це інерційність регулювання та утруд неність дистанційного та програмного керування тому, що регулювання вихідних параметрів здійснюється вручну або за допомогою сервопри водів.

Але, незважаючи на вказані недоліки, ці трансформатори дуже широ ко розповсюджені у всьому світі як одне з основних джерел живлення для ручного дугового зварювання покритими електродами через малі витрати активних матеріалів, досить високі енергетичні та зварювальні показники, просту та дешеву конструкцію.

У ряді країн (Японія, Німеччина) такі трансформатори використову ються ще й для автоматичного зварювання під флюсом, але вони замінюються більш удосконаленими конструкціями.

2.2.1. Трансформатори з пересувними обмотками Трансформатори з пересувними обмотками виконуються з магніто проводами броньового та стрижневого типів. Обмотки броньового транс форматора бувають циліндричними або дисковими, обмотки стрижневого трансформатора, як правило, – тільки дисковими.

Розвинене магнітне розсіювання таких трансформаторів досягається за рахунок розміщення первинної 1 та вторинної 2 обмоток (див. рис. 2.1,б, 2.2,а) вздовж стрижнів магнітопроводу на деякій відстані одна від одної.

Одна з обмоток трансформатора (часто первинна) закріплена біля од ного з ярем (верхнього або нижнього), друга – пересувається за допомогою ходового гвинта. Індуктивний опір трансформатора і, відповідно, зварюва льний струм змінюються при зміні відстані між обмотками. Якщо обмотки повністю зсунуті, то магнітне розсіювання та індуктивний опір трансфор матора – найменші, а зварювальний струм – найбільший.

Для трансформаторів з пересувними обмотками характерна деяка за лежність напруги холостого ходу від відстані між обмотками. При розсу ванні обмоток внаслідок зростання потоку розсіювання, що замикається через повітря у вікні між стрижнями, напруга холостого ходу знижується на 3...6 % відносно значення, отриманого при зсунутих обмотках.

Індуктивний опір трансформатора залежно від відстані між обмотка ми змінюється за лінійним законом і тому зварювальний струм змінюється Рис. 2.5. Схема трансформа тора з пересувними обмот ками (а), його зовнішні (б) та регулювальні (в) характе ристики:

1-діапазон малих струмів;

2-діапазон великих струмів обернено пропорційно відстані між обмотками. При надмірному розсуван ні обмоток ефективність регулювання струму знижується при одночасному зростанні маси магнітопроводу. Тому великий діапазон плавного регулю вання в трансформаторах з пересувними обмотками недоцільний.

Для розширення меж регулювання струму при обмеженні маси магні топроводу застосовується плавно-ступеневе регулювання шляхом одночас ного перемикання числа витків первинної та вторинної обмоток із збере женням постійного коефіцієнта трансформації або з деяким його знижен ням у діапазоні малих струмів.

Типова електрична схема трансформатора з пересувними обмотками, його зовнішні вольт-амперні характеристики та регулювальна характерис тика І2 = f (l) наведені на рис. 2.5. Необхідною умовою плавно-ступін частого регулювання струму є стикування між двома діапазонами струму (ГОСТ 95-77Е припускає невеликий розрив струмів при переході з одного діапазона на інший – не більше 7,5 %).

Трансформатори з пересувними обмотками (серій ТД та ТДМ) випус каються в країнах СНД, головним чином у Росії та Узбекистані. Вони роз раховані на номінальний струм 315, 400 та 500 А. Трансформатори ТД-102 і ТД-306 (рис.2.6,а) переносні, ТДМ-317, ТДМ-401-1, ТДМ- Рис. 2.6. Трансформатори з пересувними обмотками:

а – ТД-102;

б – ТДМ-503 (без кожуху);

1 – рукоятка механізму пересування вторинної обмотки;

2 – вторинна обмотка;

3 – осердя;

4 – первинна обмотка;

– кожух;

6 – штирьовий рознімач для підключення зварювального кабелю;

7 – рознімач для підключення до мережі;

8 – перемикач діапазонів струму (рис. 2.6,б) – пересувні, а також їх модифікації ТДМ-317-1, ТДМ-401-1, ТДМ-503-1 укомплектовані пристроєм зниження напруги холостого ходу, а ТДМ-503-2, крім того, – пристроєм підвищення коефіцієнта потужності.

В Україні трансформатори ТДМ-121 випускає ВАТ "Фірма "СЭЛМА", ТДМ-259 – АТ "Каховський завод електрозварювального обладнання".

Технічні характеристики трансформаторів з пересувними обмотками наве дені у дод. 2 (див. табл. 2.1).

2.2.2. Трансформатори з рухомими магнітними шунтами Трансформатори з розвиненим магнітним розсіюванням та рухомими магнітними шунтами виготовляються на магнітопроводах стрижневого ти пу і мають дискові обмотки.

Обмотки трансформатора (рис. 2.7,а,б) розміщені симетрично на двох стрижнях магнітопроводу 3. У каналі між первинною 1 та вторинною Рис. 2.7. Конструкції трансформаторів з рухомими магнітними шунтами (а, б), схема з’єднання обмоток (в) та регулювальна характеристика (г) обмотками розташований рухомий магнітний шунт 4. Виведення або вве дення шунта у вікно осердя здійснюється за допомогою гвинтового механі зму. Шунт може складатися з двох частин, тоді ходовий гвинт має два ви ди нарізки: правозахідну та лівозахідну, що забезпечує при його обертанні симетричне пересування частин шунта.

Можливі два варіанти взаємного розташування первинної та вторин ної обмоток відносно шунта, а саме: повне або часткове рознесення коту шок. При повному рознесенні первинна та вторинна обмотки розміщені по різних сторонах шунта (див.рис.2.7,а). При частковому рознесенні (див.рис.2.7,б) вторинна обмотка складається з двох секцій – основної 2 з числом витків W2 та додаткової 5 з числом витків W2, причому котушки додаткової обмотки розміщені в зоні первинної обмотки та мають з нею добрий електромагнітний зв’язок.

Трансформатори з повністю рознесеними обмотками є економічними, якщо виконані на струми до 200...250 А. Для подальшого збільшення струму доводиться скорочувати число витків первинної та вторинної об мотки, а це порушує оптимальне співвідношення витрат обмоткових мате ріалів і сталі, зростає маса трансформатора.

Додаткові витки вторинної обмотки незначно збільшують індуктив ний опір трансформатора та дозволяють створити оптимальну за масою і межами регулювання конструкцію.

В трансформаторах з частковим рознесенням обмоток для отримання двох діапазонів регулювання змінюють ступінь рознесення обмоток. При повному рознесенні обмоток одержують діапазон малих струмів. При пе реході до діапазону великих струмів вмикається обмотка з числом витків W2 та вимикається частина обмотки W2.

Найбільш раціональна схема з’єднання котушок обмоток наведена на рис.2.7,в. Діапазону великих струмів відповідає паралельне з’єднання коту шок вторинної обмотки. При переході на діапазон малих струмів додаткові котушки 5 вимикаються, а основні котушки 2 вмикаються послідовно. При цьому зростає напруга холостого ходу. При переході з одного діапазону струмів до іншого в трансформаторі з шунтом немає потреби у перемиканні витків первинної обмотки, що підвищує надійність роботи джерела.

Плавне регулювання струму в трансформаторах з шунтом здійснюєть ся шляхом пересування магнітного шунта вручну або за допомогою серво приводу. При повністю введеному у вікно осердя шунті потоки розсіюван ня та індуктивний опір трансформатора максимальні, а зварювальний струм – мінімальний. При висуванні шунта індуктивний опір зменшується і зварювальний струм зростає (рис. 2.7,г).

В міру висування шунта з вікна магнітопроводу зростає його вібрація, викликана дією осьових електромагнітних зусиль. Для зниження вібрації встановлюють додаткові пружини або застосовують більш тугі напрямні, по яких пересувається шунт. Вібрація значно зменшується, коли шунт зі браний з двох частин. В цьому випадку осьові зусилля спрямовані назустріч один одному.

Трансформатори з рухомими шунтами в Україні випускає Дослідний завод електрозварювального облад нання ІЕЗ імені Патона. Найбільш по ширеними марками таких джерел жив лення є трансформатори СТШ-250, СТШ-500 (рис. 2.8,а), а також СТШ 500-80, що обладнаний пристроєм для вимикання первинної напруги через 0,5...1 с після закінчення зварювання.

Також трансформатори з шунтами ви пускає ВАТ "Фірма СЭЛМА" (ТДМ 180, ТДМ-403, ТДМ-250, ТДМ-505 та інші).

До даної групи трансформаторів можна умовно віднести трансформато Рис. 2.8. Трансформатори з рухо ри з регулюванням струму шляхом на мим шунтом СТШ-500 (а) та з ре мотування зварювального кабелю по гулюванням намоткою зварю вального кабелю ТСМ-250 (б):

верх захисного кожуха (рис. 2.8,б).

1 – первинна обмотка;

Намотуючи кабель навколо кожуха (до 2 – вторинна обмотка;

чотирьох витків в той чи протилежний 3 – магнітопровід;

4 – магнітний шунт;

5 – рукоятка ходового бік) можна плавно регулювати струм у гвинта;

6 – кожух;

7 – дошка межах однієї ступені. Ступінчасте ре затискачів;

8 – зварювальний гулювання струму забезпечується за кабель допомогою двох додаткових обмоток при їх відповідному або зустрічному вмиканні з вторинною обмоткою. При відповідному вмиканні струм збільшується, при зустрічному – зменшується. Технічні характеристики трансформаторів наведені у дод.2 (див.табл. 2.1).

2.2.3. Трансформатори з дроселями з повітряним зазором Дроселі вмикаються послідовно з дугою у вторинне коло силового трансформатора. Трансформатор, що працює у комплекті з дроселем, є звичайним знижувальним силовим трансформатором з малим (або норма льним) магнітним розсіюванням та має жорстку зовнішню вольт-амперну характеристику. Хоча сьогодні такі джерела живлення не випускаються, але вони ще використовуються на виробництві, головним чином для авто матичного зварювання під флюсом.

Дросель виконує три функції: по-перше, наявність котушки індуктивності у зварювальному колі підвищує стійкість горіння дуги, по друге, через падіння напруги на індуктивному опорі дроселя формується спадна характеристика джерела і, по-третє, за допомогою дроселя можна регулювати зварювальний струм.

Принципово існує можливість регулювати струм зварювання через регулювання індуктивного опору дроселя двома способами: ступінчасто – зміною числа витків і плавно – зміною величини повітряного зазору в магнітопроводі дроселя. У практиці використовується другий спосіб.

Дросель з зазором, що регулюється, виконується на власному магнітопроводі або спільно з трансформатором на загальній магнітній сис темі. Трансформатор (рис.2.9) містить первинну обмотку 1, вторинну об мотку 2, магнітопровід 3, обмотку дроселя 4 та рухомий пакет дроселя 5.

Обмотка дроселя Wдр (рис.2.9,б) ввімкнута зустрічно з вторинною обмот кою трансформатора W2. При навантаженні потік обмотки дроселя Фдр у середньому ярмі спрямований назустріч потоку ФТ трансформатора.

Індукція та втрати у середньому ярмі при такому з’єднанні знижуються, що дає змогу зменшити його переріз порівняно із нижнім ярмом.

Регулювання струму у трансформаторі здійснюється рухомим пакетом джерела. При збільшенні повітряного зазору індуктивний опір транс форматора знижується і зварювальний струм зростає. Це пояснюється та Wдр ким чином. Індуктивний опір дроселя Х =, де Rµ – опір кола на др Rµ n lk шляху магнітного потоку дроселя;

Rµ =, де lk, Sk, µk – довжина, Skµk k = площа перерізу та магнітна проникність k-ї ділянки магнітного кола, n – кількість ділянок на шляху магнітного потоку. Однією із ділянок є повітряний проміжок, тому при його збільшенні зростає Rµ, а Х – др відповідно знижується. Згідно з рівнянням (2.19), при цьому зварювальний струм зростає.

Рис. 2.9. Конструкція (а), електрична схема (б), зовнішні (в) та регулювальна (г) характеристики трансформатора з повітряним зазором В результаті дії електромагнітних сил рухомий пакет дроселя схиль ний до вібрації, особливо при малому зазорі. Вібрація скорочує строк служби механізму пересування пакета, а також порушення ізоляції обмо ток. З цього приводу, а також внаслідок того, що такі трансформатори за масою поступаються трансформаторам з пересувними обмотками та рухо мими шунтами, випуск їх у всьому світі закінчено.

2.3. Трансформатори з магнітним регулюванням До цієї групи джерел живлення належать трансформатори з нормаль ним магнітним розсіюванням, які працюють у комплекті з дроселями наси чення (ДН), та трансформатори з розвиненим магнітним розсіюванням, що регулюються підмагнічуванням нерухомого шунта (ТРПШ).

Ці джерела живлення мають низку істотних переваг перед розгляну тими раніше. Перша перевага – відсутність рухомих частин і, як наслідок, висока надійність та довговічність. Друга – відносно мала інерційність ре гулювання та простота дистанційного керування. Третя перевага (відноситься до джерел з ДН) – можливість отримання дуже широких меж регулювання струму та прямокутної форми кривої струму.

До недоліків цих пристроїв можна віднести великі витрати активних матеріалів та низькі енергетичні показники.

Дроселі насичення дістають розповсюдження в універсальних джере лах живлення закордонного виробництва для аргонодугового зварювання змінним та постійним струмом. ТРПШ також застосовуються як джерела живлення для аргонодугового зварювання і, окрім того, для автоматичного зварювання під флюсом. Але останнім часом джерела живлення з магнітним регулюванням все більше витісняються сучасними еко номічними тиристорними системами.

На рис.2.10,а наведено схему джерела живлення, що складається з трансформатора Т з нормальним магнітним розсіюванням та з дроселем насичення (ДН) у зварювальному колі. На двох магнітопроводах ДН роз ташовані робочі обмотки з числами витків W1p та W2p ;

робочі обмотки ввімкнуті послідовно з вторинною обмоткою трансформатора. Обмотка керування джерела з числом витків Wк охоплює одночасно обидва магнітопроводи. Робочі обмотки увімкнені зустрічно-послідовно для того, щоб ЕРС основної частоти, які наводяться в обмотці керування, взаємно компенсувалися. Але при наявності струму керування в обмотці керування Wк наводиться ЕРС подвійної частоти з амплітудою Е2max =U20max, де Wp Wp = W1p + W2p. Дросель (ДН) працює у режимі примусового намагнічення, тобто гармонічна складова струму, що виникає під дією ЕРС Е2 max повністю (або частково) заглушена за рахунок уведення в коло керування дроселя додаткового індуктивного опору (дросель L на рис.2.10,а). В "ідеальних" ДН, що виконані на магнітопроводі з прямокутною кривою намагнічування, у якого відсутнє розсіювання обмоток та активні втрати, а гармонічна складова струму керування повністю заглушена, крива струму навантаження має прямокутну форму.

Рис. 2.10. Схема трансформатора з дроселем насичування ДН (а), побудова кри вої струму в робочому колі ДН (б) та осцилограма струму навантаження (в) В джерелах живлення з реальними ДН, що працюють у режимі при мусового намагнічування, отримання сприятливої для зварювання прямо кутної форми кривої струму пов’язано з істотними додатковими витратами активних матеріалів на виготовлення дроселя L. Тому такі джерела знахо дять обмежене застосування – тільки для спеціальних цілей.

Спрощену побудову кривої струму (для режиму короткого замикання) у колі з реальним ДН, що працює у режимі примусового намагнічування, наведено на рис.2.10,б.

Якщо до зварювального кола докласти синусоїдальну напругу (крива 1), то, зв’язавши її з кривою намагнічування (крива 2), можна графічним способом побудувати криву струму 3 у робочому колі ДН. Криві струму в обидва півперіоди повністю симетричні тому, що кожного півперіоду магнітний стан магнітопроводів взаємно змінюється. Підтвердженням цьому служить осцилограма струму навантаження (рис.2.10,в).

Джерела живлення з прямокутною формою кривої струму доцільні для застосування в установках для аргонодугового зварювання, де вимоги до форми струму вельми жорсткі. Такі джерела живлення випускаються в Україні, країнах СНД та далекого зарубіжжя і розглянуті в гл.6.

Для ручного та автоматичного зварювання плавким електродом трансформатори з дроселями насичення промислового значення не набули.

Це пов’язано, поряд зі збільшеними витратами матеріалів, ще й з великою інерційністю зміни зварювального струму.

Трансформатори, що регулюються підмагнічуванням шунта, ще не давно були дуже розповсюдженим типом джерела живлення для автома тичного зварювання під флюсом. Магнітна система трансформатора (рис.2.11,а,б) складається з двох замкнених магнітопроводів, один з яких перпендикулярно вставлений у другий. Внутрішній магнітопровід 6 являє собою магнітний шунт. Силові обмотки трансформатора розташовані си метрично на обох стрижнях зовнішнього, головного, магнітопроводу 3.

Трансформатор виконаний з частковим рознесенням силових обмоток.

Вторинна обмотка складається з основної обмотки з числом витків W (котушки 4,5) та додаткової обмотки з числом витків W2 (котушки 1), причому додаткова обмотка розміщена з одного боку шунта разом із пер винною обмоткою W1 (котушки 2). Котушки первинної та вторинної обмо ток на двох стрижнях з’єднані поміж собою паралельно.

Рис. 2.11. Конструкція (а), схема з'єднання обмоток (б) та регулювальна характеристика (в) трансформатора з підмагніченим шунтом Обмотка керування виконана секціонованою: чотири котушки 7 об мотки керування Wк увімкнуті зустрічно-послідовно відносно ЕРС основ ної частоти, що наводиться в них потоком шунта Фш. Потік Фк, який створюється постійним струмом в обмотках керування, замикається крізь шунт.

Між головним магнітопроводом та шунтом є повітряний зазор.

Трансформатор забезпечує два способи регулювання струму:

ступінчасто – шляхом перемикання витків вторинної обмотки, плавно – зміною струму керування в обмотці керування шунта.

В діапазоні малих струмів навантаження підключається до затискачів Х2 та Х3, а в діапазоні великих струмів – до затискачів Х1;

Х2. При пере ході з діапазону малих струмів до діапазону великих струмів частина витків обмотки W2 вимикається (котушки 5) і вмикається стільки ж витків обмотки W2 (котушки 1).

У межах кожного діапазону зварювальний струм плавно регулюється через зміну індуктивного опору трансформатора. Наприклад, при збільшенні струму керування ік (див.рис.2.11,в) в обмотці шунта зростає постійний потік підмагнічування Фк, зменшуються потоки розсіювання Фш, та індуктивний опір трансформатора ХТ і, згідно з (2.19), – зварю вальний струм зростає.

До середини 80-х років в СРСР за схемою (рис.2.11,б) випускалися й ще пребувають у промисловій експлуатації у країнах СНД трансформатори для автоматичного зварювання серії ТДФ: ТДФ-1001, ТДФ- (рис.2.12,а), ТДФ-2001. Трансформатори виготовлені як стаціонарні дже рела живлення і розраховані на тривалий режим роботи з примусовим повітряним охолодженням. Трансформатори складаються з силового трансформатора Т (рис.2.12,б) з магнітною комутацією, навантаженням якого є зварювальна дуга, стабілізованого регулятора струму СРС та блока допоміжної і захисної апаратури БДЗА.

До складу регулятора СРС входять: блок тиристорного регулятора струму (ТРС), блок фазового керування тиристорами (БФК) та керуючий блок (БК). Сигнал керування, що задається резистором, з виходу БК по дається до БФК. Тут формуються імпульси напруги, синхронізовані з час тотою напруги мережі, які відкривають тиристори блока ТРС. Тиристор ний регулятор струму забезпечує плавне регулювання зварювального струму та стабілізацію робочої напруги при відхиленнях напруги мережі в діапазоні (–10…+5)% Uном.

Технічні характеристики трансформаторів серії ТДФ наведені у дод. (див.табл.2.1).

Рис. 2.12. Конструкція (а) та структурна схема (б) трансформатора ТДФ-1601: 1 – блок керування;

2 – блок вентилів;

3 – магнітопровід;

4,5 – первинна та вторинна обмотки;

6 – вентилятор;

7 – контактор У зв’язку з удосконаленням силової напівпровідникової техніки магнітні регулятори (дроселі насичення та керовані шунти сьогодні прак тично повністю витіснені тиристорними регуляторами, які дають змогу найбільш просто та економічно вирішувати завдання стабілізації, програ мування та дистанційного регулювання режиму зварювання, формування потрібних зовнішніх характеристик, обмеження постійної складової зва рювального струму.

2.4. Тиристорні трансформатори Тиристорні трансформатори (ТТ) – це група джерел живлення зварю вальної дуги, в основу якої покладений спосіб фазового регулювання струму. Головною частиною ТТ є тиристорний фазорегулятор (ФР), що працює у комплекті з силовим трансформатором. Фазорегулятор скла дається з двох зустрічно-паралельно з’єднаних тиристорів та системи ке рування фазою їх відкриття (СФК).

Спосіб фазового регулювання змінного струму грунтується на пере творенні синусоїдального струму у знакозмінні імпульси, амплітуда та тривалість яких визначається кутом (фазою) відкриття тиристорів. Незва жаючи на переривистий характер подавання зварювального струму, ТТ за безпечують (за допомогою спеціальних пристроїв) достатньо високу стабільність горіння дуги та дають змогу реалізувати такі переваги фазово го регулювання струму:

знизити масу та спростити конструкцію силового трансформатора і всього джерела в цілому;

сформувати ЗХДЖ потрібного вигляду;

стабілізувати режими зварювання при збуреннях різного характеру;

керувати постійною складовою зварювального струму;

автоматизувати, програмувати та модулювати режими зварювання;

автоматично знижувати вихідну напругу джерела при холостому ході.

Відмітною ознакою ТТ є наявність силового трансформатора з розви неним електромагнітним розсіюванням або додаткового дроселя у зварю вальному колі.

Силові схеми ТТ поділяють за двома основними ознаками: способом забезпечення безперервності процесу зварювання та місцем встановлення тиристорного фазорегулятора – у первинному або вторинному колі.

За першою ознакою ТТ поділяють на дві групи. В трансформаторах однієї групи зварювальний струм i2 (рис.2.13,а) переривистий. Тривалість протікання струму визначається кутом відкриття силових тиристорів, котрий тут є також кутом зсуву між струмом i2 та напругою холостого хо ду трансформатора U20. У більшості ТТ фазовий кут змінюється у межах 60...120 ел. град.

Рис. 2.13. Діаграми напруг і струмів тиристорного трансформатора з імпульсною стабілізацією (а) та з колом підживлення (б) Для надійного повторного збудження застосовано імпульсну стабілізацію горіння дуги. У момент закінчення безструмової паузи до дуги прикладається стабілізуючий імпульс струму. Амплітуда струму стабілізуючого імпульсу дорівнює 60...80 А, тривалість – 20...100 мс. Ти ристорний фазорегулятор поєднує функції керування значенням струму та комутуючого елемента імпульсного стабілізатора горіння дуги.

В трансформаторах іншої групи стабільність процесу зварювання за безпечена безперервністю струму, що протікає через дугу (рис.2.13,б). Для заповнення безструмових пауз в інтервалі непровідності тиристорів засто соване спеціальне коло, що називається колом підживлення дуги, через яке проходить мінімально потрібний для стійкого процесу зварювання струм (струм підживлення i20). Зсув фази між струмом i20 та напругою U20 у цьо му випадку визначається кутом, який залежить від співвідношення на пруги дуги та кола підживлення:

Uд cos =, (2.21) ' 2U20 max ' де U20 max – амплітудне значення напруги кола підживлення.

Для забезпечення стабільного горіння дуги достатня сила струму підживлення залежно від способу зварювання складає: 10...15 А – для ар гонодугового зварювання неплавким електродом алюмінієвих сплавів при наявності імпульсного стабілізатора дуги та напрузі холостого ходу близь ко 70 В;

10...15 А – для ручного дугового зварювання покритими електро дами;

20...30 А – для автоматичного зварювання під флюсом. Мале зна чення струму підживлення дає змогу використовувати для підвищення стабільності горіння дуги методи, які традиційно вважалися невигідними за енергетичними та масогабаритними показниками: збільшення напруги холостого ходу джерела, формування прямокутної хвилі струму підживлення тощо.

У промислових зварювальних установках ширшого застосування діс тали ТТ з перервистим регулюванням струму та імпульсною стабілізацією.

Адже вони потребують менших витрат активних матеріалів, а відносно ма ла швидкість наростання струму підживлення при зміні полярності в трансформаторах з колом підживлення погіршує технологічні властивості джерел.

Розміщення тиристорного фазорегулятора у первинному або вторин ному колі трансформатора істотно впливає на конструкцію ТТ. В усіх ви падках, коли немає потреби керувати значенням постійної складової зва рювального струму, тиристори вмикають у відносно слабкострумове коло первинної обмотки трансформатора. Крім зниження габаритів ФР і втрат у тиристорах, це дає змогу зменшити або усунути втрати холостого ходу трансформатора та забезпечує оперативне відключення його від мережі.

Але в трансформаторах з колом підживлення при цьому звужується діапа зон регулювання зварювального струму, підвищуються вимоги до симетрії імпульсів керування тиристорами, до надійності та електричної міцності кіл керування.

Розглянемо типові силові схеми ТТ з перервистим живленням дуги та з колом підживлення.

У схемах на рис.2.14 коло підживлення відсутнє і струм дуги має пе реривистий характер. В тиристорних трансформаторах, побудованих за схемою на рис.2.14,а, паралельно первинній обмотці силового трансфор матора ввімкнуте коло, в яке входять конденсатори та додаткова імпульсна обмотка трансформатора, причому додаткова обмотка розміщена у зоні вторинної обмотки силового трансформатора (наприклад, намотана поверх неї) для забезпечення достатнього магнітного зв’язку між цими двома об мотками. При відкритті будь-якого з тиристорів конденсатор заряджається до поточного значення напруги мережі. Зарядний струм конденсатора про ходить через додаткову обмотку, трансформується у вторинне коло сило вого трансформатора і викликає у дуговому проміжку імпульс напруги, достатній для повторного збудження дуги. Після закінчення часу провідності тиристора дуга погасає, конденсатор розряджається на пер винну обмотку силового трансформатора.

Рис. 2.14. Схеми трансформаторів з імпульсною стабілізацією У наступний півперіод напруги мережі вмикається другий тиристор ФР, конденсатор заряджається у зворотному напрямі, його зарядний струм викликає стабілізуючий імпульс у міжелектродному проміжку та повторне збудження дуги.

Іншим варіантом побудови ТТ з імпульсною стабілізацією є схема з застосуванням окремого імпульсного трансформатора (рис.2.14,б). Вто ринна обмотка цього трансформатора ввімкнута через роздільний конден сатор паралельно вторинній обмотці силового трансформатора.

Принцип імпульсної стабілізації дуги переривистого змінного струму реалізується також при встановленні тиристорного фазорегулятора у вто ринне коло зварювального трансформатора (рис.2.14,в). Генератор високо вольтних імпульсів, що забезпечує первісне запалювання та повторне збудження дуги, працює наступним чином. У момент відкриття тиристора струм конденсатора С наводить у вторинній обмотці високовольтного трансформатора Т2 імпульс високої напруги, достатній для пробою міжелектродного проміжку. Конденсатор Сф захищає джерело живлення від перенапруг.

На рис.2.15,а наведені типові зовнішні характеристики ТТ з імпульсною стабілізацією.

Рис. 2.15. Зовнішні вольт-амперні характеристики трансформаторів з імпульсною стабілізацією (а) та з колом підживлення (б) Трансформатори з колом підживлення також виконуються за різними силовими схемами. На рис.2.16 наведені спрощені схеми ТТ з колом підживлення і тиристорами у зварювальному колі, а на рис.2.17 – з підживленням та фазорегулятором у колі первинної обмотки силового трансформатора. У схемі на рис.2.16,а тиристори шунтовані дроселем, індуктивність якого L2 на порядок вище за індуктивність розсіювання L силового трансформатора Т1. Схеми ТТ (рис.2.16,б,в) дозволяють підвищити напругу холостого ходу джерела без помітного збільшення його встановленої потужності. У коло підживлення введена додаткова обмотка силового трансформатора Т1. В схемі на рис.2.16,б додаткова обмотка ввімкнута послідовно і відповідно з основною вторинною обмоткою Т1, а в схемі на рис.2.16,в додаткова обмотка та дросель підживлення ввімкнуті паралельно навантаженню джерела.

Рис. 2.16. Схеми тиристорних трансформаторів з колом піджив лення і тиристорним фазорегулято ром у колі вторинної обмотки силового трансформатора ' Напруга кола паралельного підживлення U20 більша за напругу U20, що виключає можливість відкриття тиристорів у режимі холостого ходу трансформатора;

під час зварювання основне та підживлююче кола розв’язані падінням напруги в дузі.

Безпосереднє шунтування тиристорів дроселем у трансформаторах з колом підживлення, якщо тиристорний фазорегулятор встановлений у колі первинної обмотки силового трансформатора, приводить до зниження на пруги на первинній обмотці трансформатора в інтервали непровідності ти ристорів. Наслідком цього є погіршення стійкості горіння дуги, тому для усунення цього недоліку використовують схему з допоміжним трансфор матором (рис.2.17,а) або автотрансформаторну схему з дроселем (рис.2.17,б).

Типові зовнішні вольт-амперні характеристики ТТ з колом підживлення наведено на рис.2.15,б. Крива 1 є зовнішньою характеристи кою кола підживлення.

Рис. 2.17. Схеми тиристорних трансформаторів з колом підживлення і тиристорним фазорегулятором у колі первинної обмотки силового трансформатора Для тиристорних трансформаторів характерні деякі особливості тех нологічних властивостей, пов'язані з подачею у зварювальне коло зна козмінних імпульсів струму.

Так, підвищення густини струму в електроді при зварюванні від ТТ та більш різке зростання струму сприяють дрібнокраплинному перенесенню металу, при цьому зменшується вигоряння легувальних домішок та пе регрівання виробу.

При зварюванні знакозмінними імпульсами у 1,5...2,0 рази скоро чується зона термічного впливу, зменшується зернистість, підвищуються міцність та пластичність металу шва.

Але більш крутий фронт зростання півхвилі струму негативно впливає на стійкість обмазки покритого електрода та зносостійкість вольфрамового електрода;

для зварювання слід використовувати електроди більшого діаметра.

При автоматичному зварюванні під флюсом на стандартних режимах через підвищену довжину дуги має місце тенденція до пороутворення у швах, що примушує виконувати трансформатори з розбиванням повного діапазону регулювання струму на ступені, рекомендувати зварювання на знижених на 10...15 % значеннях діючої напруги дуги. Для створення діапазону малих струмів застосовують, наприклад, реакторну обмотку, що встановлена у вікні трансформатора у площині, паралельній його стриж ням. Реакторна обмотка вмикається послідовно та відповідно з первинною обмоткою або послідовно та зустрічно із вторинною обмоткою трансфор матора. Зворотне вмикання реакторної обмотки викликає збільшення струму короткого замикання і тому недоцільно.

З тиристорних трансформаторів, що нині випускаються серійно у країнах СНД, можна відзначити ТДЭ-101, ТДЭ-251, ТДЭ-402 (з пристроєм обмеження напруги холостого ходу) – для ручного дугового зварювання покритими електродами та ТДФЖ-1002 і ТДФЖ-2002 – для автоматичного зварювання під флюсом. Технічні характеристики цих джерел живлення наведені у дод.2 (див.табл.2.1).

2.5. Система фазового керування тиристорних трансформаторів Система фазового керування (СФК) ТТ здійснює фазове регулювання миттєвого, діючого та середнього значень напруги навантаження, а також забезпечує формування потрібної форми зовнішньої вольт-амперної харак теристики джерела. Блок фазового керування (БФК) складається з двох пристроїв: фазозсувного (ФП) і вихідного (ВП). Фазозсувний пристрій здійснює прив’язку СФК до мережі змінного струму, від якої живиться ТТ, та забезпечує формування керуючих імпульсів і зміну їх фази відносно на пруги мережі. Для керування двома протифазними тиристорами фазорегу лятора (ФР) звичайно використовується один ФП. Імпульси з ФП до сило вих тиристорів ФР надходять не безпосередньо, а через вихідний підсилювальний пристрій, який остаточно формує імпульси з параметрами, що забезпечують гарантоване вмикання будь-якого тиристора даного типу у певній силовій схемі ТТ.

В цілому СФК повинна бути надійною, перешкодостійкою, мати швидкодію, забезпечувати потрібний діапазон зміни фази імпульсів, їх си метрію в обидва півперіоди, необхідні їх параметри – амплітуду й три валість.

Розглянемо роботу як окремих типових блоків СФК, так і в цілому систему автоматичного регулювання в тиристорних трансформаторах, до складу якої входить БФК.

Фазозсувний пристрій. Принцип дії ФП (рис.2.18,а) грунтується на заряді конденсатора СЗ до певного рівня з наступним його розрядом на первинну обмотку імпульсного трансформатора Т1. Зарядне коло живить ся трапецеїдальною випрямленою напругою, що знімається зі стабілітрона VD5, увімкнутого на виході випрямного мосту VD1...VD4. На вході вип рямного мосту встановлений фільтр (С1, С2, R1, R2), який зменшує вплив викривлень напруги мережі на роботу ФП.

Конденсатор С3 заряджається колекторним струмом транзистора VT2, який увімкнутий за схемою стабілізатора струму. Струм колектора ік та напруга UС3 на конденсаторі дорівнюють:

Uвх ік = ;

(2.22) R 1 Uвх UC3 = t, (2.23) i dt = C3 к R4C де Uвх – сигнал керування на вході ФП.

Рис. 2.18. Вузли блока фазового керування тиристорного транс форматора:

а – фазозсувний пристрій;

б – вихідний пристрій Заряд конденсатора С3 здійснюється до того часу, поки напруга на ньому не досягне значення U = К U1, де U1 – напруга живлення схеми C3 П (напруга стабілізації стабілітрона VD5);

К = 0,65 - 0,9 – коефіцієнт пе П ремикання одноперехідного транзистора VT1. Після цього транзистор VT відкривається і конденсатор С3 розряджається на первинну обмотку імпульсного трансформатора Т1. Імпульси, що утворюються, тривалістю до 10 мкс поступають через вторинні обмотки трансформатора Т1 до вихідного пристрою (затискачі 1...4).

Після розряду конденсатора С3 транзистор VТ1 запирається і конден сатор С3 знову починає заряджатися. Такий процес утворення пилко подібної напруги закінчується в кінці півперіоду живильної напруги при спаданні трапецеїдальної напруги стабілітрона VD5 до нуля та відновлюється на початку наступного півперіоду. При нульовому значенні живильної напруги конденсатор С3 повністю розряджається. Завдяки цьо му забезпечується синхронізація роботи ФП з напругою живильної мережі та незалежність моменту початку його роботи у кожному наступному півперіоді від закінчення її у попередньому півперіоді.

Вихідний пристрій. Для формування та підсилення імпульсів керуван ня силовими тиристорами часто використовують напругу допоміжного трансформатора Т2 (рис.2.18,б). Малопотужний тиристор VS3 (VS4) є ко мутатором у колі, до якого входять обмотка трансформатора Т2, струмо обмежувальний резистор R1 (R2) та керуючий перехід силового тиристора VS1 (VS2). Тиристори VS1 та VS2 утворюють фазорегулятор ТТ. Тиристо ри VS3 та VS4 увімкнуті у протифазні кола, і тому, незважаючи на те, що імпульси на їх вмикання із ФП потраплять в обидва півперіоди, кожен з них відкривається тільки у півперіод, коли анодна напруга на ньому пози тивна. Кут вмикання тиристорів VS3 (VS4) є характеристикою керування ФП і залежить від значення Uвх :

2f R4C3К U П = t =. (2.24) U вх Цей кут одночасно визначає зсув фаз між напругою холостого ходу U та струмом і2 ТТ (див. рис.2.13), а також величину індуктивного опору трансформатора ХТ = tg, де – сумарний активний опір зварю R R вального кола.

Роботу БФК можна проілюструвати діаграмою напруг (рис.2.19). Тра пецеїдальна напруга живлення ФП U1 формується з синусоїдальної вип рямленої напруги. Пилкоподібна напруга U характеризує заряд конденса тора С3.

Створені при розряді конденсато ра імпульси напруги U3 на вторинних обмотках трансформатора ФП керують моментами спрацювання (кут ) ма лопотужних тиристорів ВП VS3 та VS4. Імпульси напруги U та U5, що керуються протифазними силовими тиристорами ФР, надходять з обмоток допоміжного трансформатора Т2 через тиристори VS3 та VS4. Тривалість імпульсів керування дорівнює -.

Якщо кут вмикання тиристорів в СФК задавати вручну та не змінювати Рис. 2.19. Діаграма напруг на у процесі навантаження, то ТТ буде елементах БФК працювати на природних зовнішніх вольт-амперних характеристиках (див.

рис.2.15). Але часто виникає потреба у формуванні іншої форми ЗХДЖ.

Наприклад, при роботі ТТ у комплекті з автоматичною голівкою для зва рювання під флюсом з постійною швидкістю подачі електродного дроту (принцип саморегулювання дуги) трансформатор повинен мати жорстку (пологоспадну) зовнішню характеристику. Оптимальна крутість характе ристики складає (5…10)·10-3 В/А.

В установках для аргонодугового зварювання алюмінієвих сплавів вольфрамовим електродом для стабілізації зварювального струму потрібні вертикальні, або "штикові", зовнішні характеристики з крутістю 2...5 В/А.

В трансформаторах для ручного дугового зварювання покритими електродами нахил ЗХДЖ складає 0,15...0,30 В/А.

Для формування заданих зовнішніх характеристик, а також для стабілізації режиму зварювання в ТТ застосовують системи автоматичного регулювання (САР) з використанням як регулюючого органа тиристорного фазорегулятора. В трансформаторах з жорсткою ВАХ регулюючий пара метр – напруга дуги, а зварювальний струм є головною збурюючою дією системи автоматичного регулювання;

в трансформаторах зі спадною ВАХ головне збурення системи (коливання довжини дуги) безпосередньо пов’язане з напругою в дузі, а регулюючий параметр – зварювальний струм. До додаткових збурень, що впливають на роботу САР, належать ко ливання напруги мережі та зміна параметрів самої системи внаслідок, на приклад, нагріву її елементів.

В ТТ використовують здебільшого замкнені САР, тобто системи, які реагують на зміну самого параметра, що регулюється. Структурну схему ТТ з такою САР наведено на рис.2.20. Силовий трансформатор СТ з фазо регулятором ФР у первинному (або вторинному) колі підключені до наван таження – зварювальної дуги.

Фазорегулятор з'єднаний з блоком імпульсно-фазового ке рування (БФК). До входу БФК з елемента порівняння ЕП по дається різниця сигналів U -U з блока завдання БЗ з з.з та датчика зворотного зв’язку Рис. 2.20. Структурна схема тиристорного Д. Елементом порівняння є трансформатора транзистор або операційний підсилювач, який входить до складу БФК. Шляхом збільшення коефіцієнта підсилення системи (відношення напруги на виході ФР до напруги на вході СФК) можна одержати практично горизонтальну або вертикальну ЗХДЖ, причому в першому випадку напруга в дузі, а в другому зварю вальний струм не залежать як від головних, так і від додаткових збурень.

Для формування зовнішніх характеристик проміжної крутості використо вують спеціальні засоби для порівняння сигналів U та U.

з з.з Блок завдання (БЗ) призначений для формування сигналу параметра, що регулюється. Напруга на виході БЗ може бути постійною, змінюватися під дією головних або додаткових збурень, а також змінюватися з часом за певним законом або програмою. В останньому випадку БЗ є програмато ром зварювального режиму. У деяких зварювальних установках функції програматора виконує ЕОМ, що керує декількома трансформаторами.

Найважливішою ланкою САР є датчик сигналу зворотного зв’язку за параметром, що регулюється.

Датчиком сигналу зворотного зв’язку за зварювальним струмом у ТТ зі спадними ВАХ часто служить трансформатор струму, первинною об моткою якого є зварювальний кабель. Трансформатор струму виконується на стрижневому або тороїдальному магнітопроводі.

ТТ, в яких передбачено регулювання постійної складової зварюваль ного струму, мають два датчики струму: у колах тиристорів прямої та зво ротної полярності.

Датчики напруги, що використовують для формування жорсткої ВАХ трансформатора, виконані у вигляді резисторних дільників, підключених до вихідних клем ТТ. Якщо довжина зварювального кабелю дуже велика, то має місце різке падіння напруги у зварювальному колі, і точність підтримання заданої напруги в дузі знижується. У цих випадках доцільно брати сигнал зворотного зв’язку безпосередньо зі зварювальної голівки та виробу.

2.6. Трансформатори для живлення трифазної дуги Висока стабільність процесу автоматичного зварювання трифазною дугою забезпечується лише за умови однакової швидкості плавлення елек тродів. Цього можна досягти, якщо застосовувати джерела живлення, що мають індуктивні опори у кожній фазі, котрі рівні за величиною та одно часно змінюються. Крутість спадання ЗХДЖ повинна забезпечувати стійке горіння дуги. При цьому обов’язкове виконання умови:

U 2U 1 22 0 з + -1. (2.25) U 9 2 U д д Якщо прийняти, що Uз = Uд, то, після перетворень, одержимо:

U 1,17, тобто схеми джерел живлення трифазної дуги для зварювання Uд плавкими електродами повинні забезпечувати U0 1,17Uд і формувати спадну зовнішню характеристику. Деякі схеми таких джерел живлення наве дені на рис.2.21. Трифазні трансформатори з пересувними обмотками (рис.2.21,а) мають той самий недолік, що прита манний взагалі трансформато рам з механічним регулюван ням – підвищену вібрацію, особливо при зварюванні на великих струмах.

Трансформатори з дросе лем насичення (рис.2.21,б) хоча й достатньо прості за конст рукцією, але не дають змоги Рис. 2.21. Схеми джерел живлення для регулювати напругу холостого зварювання трифазною дугою ходу. Найбільш ефективно ви користання трансформаторів з магнітним регулюванням (рис.2.21,в), які забезпечують можливість зміни нахилу ВАХ та напруги холостого ходу.

Умови горіння трифазної дуги при використанні неплавких електродів більш сприятливі тому, що є можливість роздільного регулювання струму в кожній дузі. У промисловості застосовують джерела живлення трифазної дуги для зварювання неплавкими електродами алюмінію та його сплавів, магнієвих сплавів (рис.2.21,г). Первинна та вторинна обмотки ввімкнуті за схемою відкритого трикутника. Завдяки розвиненому магнітному розсіюванню зовнішня вольт-амперна характеристика джерела круто спад на. Обмотки керування Wк1 та Wк2 забезпечують плавне регулювання струму в кожній дузі. Конденсаторна батарея С призначена для знищення постійної складової струму, осцилятор ОС з релейним блоком РБ та стабілізатор СД забезпечують початкове запалення та повторне збудження дуги.

2.7. Вибір трансформаторів для різних способів зварювання Для вибору трансформатора для заданого способу дугового зварюван ня слід, насамперед, визначити статичну вольт-амперну характеристику дуги та розглянути її параметри залежно від режиму зварювання.

Далі, на підставі співставлення технічних вимог до різних трансфор маторів, що визначені відповідними стандартами, а також виходячи з умов експлуатації джерела, можна вибрати трансформатор потрібної потужності та заданих електричних параметрів зварювання. При цьому слід приділяти увагу вибору режиму роботи джерела (тривалий, переміжний, повторно короткочасний), техніко-економічним показникам трансформатора (ККД та cos), а також відповідності його зовнішньої вольт-амперної характери стики статичній характеристиці дуги.

Розглянемо вибір зварювального трансформатора на прикладах.

Приклад 1. Вибрати джерело живлення змінного струму для ручного дугового зварювання покритими електродами струмом силою 200 А.

Рішення. Для ручного дугового зварювання покритими електродами застосовують трансформатори з пересувними обмотками з круто спадною зовнішньою характеристикою. При такій ЗХДЖ струм короткого замикан ня дещо більше робочого струму, що не порушує тепловий режим під час виникнення випадкових коротких замикань. Крім того, зварювальний струм змінюється незначно (висока еластичність дуги) при частих змінах довжини дуги, що характерно для ручного дугового зварювання. Для зада ної сили струму СХД – жорстка, а це забезпечує при крутоспадній ЗХДЖ стійкість енергетичної системи ДЖ – Д – В. Напруга в зварювальній дузі при ручному дуговому зварюванні знаходиться у межах 20...36 В і встано влюється залежно від конкретних умов та досвіду зварника.

З метою правильного вибору трансформатора треба знати його техні чні характеристики (див. табл.2.1, дод.2). Найбільш задовольняють зада ним параметрам трансформатори ТД-306, ТДМ-254, ТДМ-317 та ТДЭ-251. Із загального циклу роботи, прийнятого для джерела живлення для ручного дугового зварювання (5 хв) трансформатори ТД-306 та ТДЭ-251 забезпечують роботу протягом 1 хв і паузу тривалістю 4 хв, трансформатор ТДМ-254 – відповідно 1,25 хв і 3,75 хв, а ТДМ-317 – відповідно 3 і 2 хв.

Трансформатор ТДЭ -251 має тиристорний регулятор струму і тому більш широкі технологічні можливості порівняно з трансформаторами ТД-306 та ТДМ-254. Остаточно для роботи у монтажних умовах з режи мом короткого навантаження буде ефективним застосування трансформа тора ТДЭ-251, а для роботи у стаціонарних умовах, де потрібне більш три вале навантаження джерела живлення дуги, – трансформатора ТДМ-317.

Використовувати трансформатори з більшою потужністю немає сенсу че рез надмірні витрати енергії.

Приклад 2. Вибрати джерело живлення змінного струму для автома тичного зварювання під флюсом струмом силою 900 А.

Рішення. Для зварювання в автоматичному режимі під флюсом змінним струмом використовують трансформатори з пологоспадною зов нішньою характеристикою, коли статична характеристика дуги – жорстка, а трансформатор з жорсткою ВАХ – якщо СХД зростаюча. Таке узгоджен ня характеристик забезпечує горіння дуги (коефіцієнт стійкості системи dU dU д дж ДЖ – Д – В kст = - > 0 ) та високу якість зварювання при коли dI dI ваннях зварювального струму, що викликані зміною довжини дуги.

Для заданого зварювального струму 900 А СХД – зростаюча, отже, трансформатор має бути з жорсткою ВАХ. Напруга в дузі при автоматич ному зварюванні під флюсом знаходиться у межах 32...44 В і залежить від різних причин (діаметра електрода, сили струму, марки флюсу і т.ін.) у конкретних умовах.

Для автоматичного зварювання при силі струму 900 А формально мо жна застосувати трансформатор з магнітним регулюванням ТДФ-1001 та тиристорний трансформатор ТДФЖ-1002. Вибираємо трансформатор ТДФЖ-1002 тому, що він відповідає умові: жорстка ВАХ при зростаючій СХД. Залежно від конкретних умов на виході трансформатора за допомо гою системи фазового керування слід встановити необхідну напругу, яка забезпечить задану якість зварного з’єднання у тривалому режимі роботи джерела. Застосування трансформатора ТДФЖ-2002 неефективне внаслі док великих енерговитрат.

Контрольні питання 1. Якими рівняннями описуються процеси у зварювальних трансфор маторах при роботі у режимі: холостого ходу;

навантаження;

короткого замикання?

2. Якими способами формуються зовнішні вольт-амперні характерис тики зварювальних трансформаторів?

3. За допомогою яких схемних рішень регулюється зварювальний струм у трансформаторах для ручного дугового та автоматичного зварю вання?

4. Як забезпечується стабільність горіння дуги при живленні її від ти ристорного трансформатора?

5. У чому полягає суть системи автоматичного регулювання вихідни ми параметрами тиристорного трансформатора?

6. Які особливості мають трансформатори для живлення трифазної дуги?

Глава МАШИННІ ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ Усі машинні джерела живлення, що містять зварювальні генератори, поділяють за типом приводу на такі групи:

зварювальні агрегати (з приводом від власного двигуна внутрішнього згорання);

зварювальні перетворювачі (з приводом від електричного двигуна);

зварювальні генератори, призначені для з’єднання з приводом основ них транспортних засобів, які використовуються споживачем.

З усіх перелічених груп головний обсяг випуску припадає на зварювальні агрегати.

За принципом роботи зварювальні генератори можна поділити так:

колекторні зварювальні генератори постійного струму;

вентильні зварювальні генератори постійного струму;

генератори змінного струму підвищеної частоти.

За призначенням, тобто в залежності від способу зварювання (форми зовнішньої статичної характеристики), зварювальні генератори роз поділяються на:

генератори для ручного дугового зварювання та механізованого зва рювання під флюсом (з крутоспадними характеристиками);

генератори для механізованого та автоматичного зварювання в сере довищі захисних газів (з жорсткими характеристиками);

універсальні генератори, що мають крутоспадні та жорсткі статичні характеристики.

Зварювальні машинні джерела живлення використовують для дугово го зварювання та розрізання металів, для роботи у польових умовах або під водою. Зварювальні генератори постійного струму повинні забезпечувати легке збудження та стійке горіння зварювальної дуги, а також належну безпеку електрозварювальних робіт, особливо при зварюванні під водою.

Такі вимоги реалізуються завдяки підвищеній напрузі холостого ходу по рівняно з робочою, а динамічні властивості – конструкцією генератора.

Безпека електрозварювальних робіт, особливо під водою, забезпечується спеціальним пристроєм зниження напруги холостого ходу до безпечного рівня. Цим пристроєм генератори комплектуються за спеціальними замов леннями.

Книги, научные публикации

наверх