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 ...»

Головним споживачем електромашинних зварювальних перетворюва чів і агрегатів є прокладники трубопроводів, будівельники та монтажники, ремонтники, що працюють в умовах відсутності електропостачання.

Колекторні генератори нині практично не випускають, їх повністю витіснили вентильні генератори індукторного типу. Проте колекторних зварювальних машин різних конструктивних схем (з послідовною обмот кою збудження, поперечного поля, з розщепленими полюсами) з щітковим струмознімачем перебуває в експлуатації ще досить багато. Останнім ча сом у країнах СНД та зарубіжжя у зв’язку з простотою конструкції випус калися колекторні зварювальні генератори лише з послідовною обмоткою збудження. Тому у даній главі розглянемо саме цей тип генераторів.

3.1. Теоретичні основи роботи зварювальних колекторних генераторів Принцип перетворювання у генераторі механічної енергії приводного двигуна в електричну грунтується на законі електромагнітної індукції. У рамці провідника, що обертається у постійному магнітному полі, виникає ЕРС. Але ця ЕРС змінюється за напрямом та величиною. Для випрямлення змінної ЕРС в генераторах використовується колекторний пристрій. В ко лекторному зварювальному генераторі випрямлена ЕРС знімається з коле ктора щітковим механізмом, закріпленим на статорі.

З теорії машин постійного струму відомо, що ЕРС, яка індукується у якорі генератора, пов’язана з магнітним потоком Фг між якорем, що обертається, та полюсами таким рівнянням:

Ег = сФг, (3.1) де с – постійна генератора, що визначається числом пар полюсів, швидкіс тю обертання якоря, числом активних провідників та пар паралельних кіл обмотки якоря.

Напруга на вихідних клемах генератора при навантаженні:

Uг = Ег - Іг Rг, (3.2) де Іг – струм у якірному колі генератора, А;

Rг – внутрішній опір генерато ра, Ом. У сучасних зварювальних генераторах значення Rг складає соті та тисячні частки Ома, тому Uг Ег.

Якщо потік Фг у повітряному зазорі під полюсами не змінюється при навантаженні, то зовнішня характеристика генератора буде жорсткою.

Принцип отримання спадної статичної вольт-амперної характеристики ге нератора шляхом зменшення сумарного магнітного потоку Фг при зрос танні навантаження є головним практично для всіх типів колекторних ге нераторів.

За схемними ознаками генератори з послідовною обмоткою збуджен ня можна об’єднати у такі групи:

генератори з намагнічувальною незалежною обмоткою збудження Wн та послідовною розмагнічувальною (рис.3.1,а,в) або підмагнічувальною обмоткою (рис.3.1,б);

генератори з паралельною обмоткою збудження (з самозбудженням) та послідовною розмагнічувальною (рис.3.1,г).

Рис. 3.1. Схеми колекторних зварювальних генераторів Намагнічувальні обмотки мають велику кількість витків (Wн = 200...500);

вони виконані з тонкого дроту (діаметром 1,5...2,5 мм) і розташовані на окремих башмаках корпусу генератора. Намагнічувальний струм Iн у цих обмотках малий (2...20 А) і регулюється опором R.

При протіканні намагнічувального струму по обмотці Wн у генераторі наводиться намагнічувальний магнітний потік Фн:

ІнWн Фн =, (3.3) Rµн де Rµн – опір магнітного кола на шляху потоку Фн;

Ін – струм у на магнічувальній обмотці;

Wн – число витків намагнічувальної обмотки.

При холостому ході потік Фн визначає ЕРС та напругу генератора сІнWн Е0г = сФн = =U0г. (3.4) Rµн Зміною струму намагнічування здійснюється плавне регулювання на пруги холостого ходу і, отже, режиму його роботи при навантаженні. Мак симальне значення напруги U0г обмежується умовами безпеки роботи зварника і відповідно до ГОСТ 304-82Е не може перевищувати 100 В.

Мінімальна напруга холостого ходу деякою мірою визначає стабільність горіння дуги при зварюванні на мінімальних струмах і тому не повинна бути меншою за 45...50 В.

У більшості генераторів для дугового зварювання є і послідовна обмо тка збудження. По цій обмотці, яка ввімкнута послідовно з дугою, протікає струм, що дорівнює струму дуги. Як правило, послідовні обмотки збу дження, що розташовані на окремих башмаках корпусу генератора, мають невелику кількість витків (3...5), переріз котрих розраховано по номіналь ному зварювальному струму.

Магнітний потік, що наводиться намагнічувальною силою послідовної обмотки збудження, виникає тільки під час навантаження генератора. За лежно від способу вмикання послідовної обмотки збудження цей потік спрямований зустрічно або відповідно до намагнічувального потоку Фн.

Зустрічний або розмагнічувальний магнітний потік Фр наводиться на магнічувальною силою розмагнічувальної обмотки збудження Wр (див.

рис.3.1,а,в,г);

відповідний або підмагнічувальний магнітний потік Фп – підмагнічувальною обмоткою збудження Wп (див. рис.3.1,б).

Послідовна обмотка збудження секціонована. Вмикають або всі витки цієї обмотки, або половину.

В останньому випадку дія магнітного потоку послідовної обмотки значно послаблюється (при зустрічному вмиканні) або посилюється (відповідне вмикання).

При наявності в генераторі послідовної розмагнічувальної обмотки (Wр ) ЕРС генератора визначається з рівняння Ег = с(Фн - Фр ), (3.5) або ІнWн ІгWр Ег = с. (3.6) Rµн Rµн Якщо припустити, що Rµн Rµр, то матимемо с Ег = (ІнWн - ІгWр ).

(3.7) Rµ Напруга на клемах генератора при навантаженні с Uг = (ІнWн - ІгWр ) - ІгRг. (3.8) Rµ З наведених рівнянь витікає, що вольт-амперні характеристики гене раторів з розмагнічувальними послідовними обмотками збудження будуть крутоспадними (рис.3.2,а). При ручному дуговому зварюванні це сприяє обмеженню струму короткого замикання у межах Ік.з = (1,25...1,5) Ір, де Ір – робочий струм. При більших значеннях Ік.з можливі пропалини, обсипання обмазки тощо.

Рис. 3.2. Зовнішні вольт-амперні (а) та регулювальні (б) характеристики генераторів з послідовними розмагнічувальними обмотками збудження При вимиканні розмагнічувальної обмотки (див. рис.3.1,в – клеми 1–4) вольт-амперна характеристика генератора стає пологоспадною (рис.3.2,а) при Wр = 0. Рівняння (3.8) у цьому випадку має вигляд с Uг = (ІнWн - Іг Rг ) U0г.

(3.9) Rµн Наявність секціонування розмагнічувальної обмотки дає змогу ступі нчаcто регулювати вихідні параметри генератора. Завдяки цьому зростає кратність регулювання струму генератора. З’являється можливість викону вати зварювання на малих струмах при підвищеній напрузі холостого ходу.

Типові регулювальні характеристики генератора з розмагнічувальною об моткою наведені на рис.3.2,б.

Для генератора з підмагнічувальною послідовною обмоткою збуд ження Wп (див. рис.3.1,б) рівняння (3.5) та (3.8) відповідно записуються у вигляді Ег = с(Фн + Фп );

(3.10) с Uг = (ІнWн + ІгWп ) - Іг Rг.

(3.11) Rµ Шляхом зміни числа витків підмагнічувальної обмотки регулюють кут нахилу ВАХ генератора (рис.3.3). При мінімальному числі витків Wп генератор має жорстку зовнішню характеристику. У цьому випадку вико нуються рівності ІгWп Іг Rг та Uг U0г. При більшому числі витків спо стерігається нерівність ІгWп > ІгRг. Зовнішня характеристика генератора буде зростаючою.

Для живлення намагнічувальної об мотки збудження необхідна постійна на пруга, яка не залежить від режиму роботи генератора. Це легко досягається у генера торах з незалежним збудженням шляхом застосування автономного джерела, на приклад, напівпровідникового випрямляча, якщо як електропривод використано елек тродвигун змінного струму.

Рис. 3.3. Зовнішні вольт Значно складніше отримати постійну амперні характеристики генераторів з послідовними напругу для живлення намагнічувальної підмагнічувальними обмотки у самому генераторі (у генерато обмотками збудження рах з самозбудженням). З цією метою між основними щітками А і В (див. рис.3.1,г) на колекторі встановлюють проміжну щітку С. Напруга на щітках А, С близь ка до постійної та мало залежить від режиму роботи генератора.

Постійність напруги досягається шляхом використання магнітного потоку, що наводиться намагнічувальною силою якірної обмотки Wя або реакції якоря (рис.3.4,а).

Між щітками А і С діють рівномірно розподілені магнітні потоки: на магнічувальної обмотки Фн, розмагнічувальної обмотки Фр та підмагнічувальної якірної обмотки Фя.н. Реакція якоря послаблює дію роз магнічувального потоку. ЕРС на щітках А, С визначиться з виразу с ЕА,С = (Фн - Фр + Фя.н ). (3.12) Для виконання умови ЕА,С = const необхідно, щоб Фр Фя.н. Тоді с ЕА,С = ІнWн = const.

2Rµ З схеми розподілу магнітних потоків видно, що на ділянці ВС реакція якоря Фя.р підсилює дію розмагнічувального потоку Фр. При збільшенні навантаження падіння напруги на щітках В, С різко підсилюється (рис.3.4,б).

Зміна зварювального струму в генераторах з само збудженням здійснюється так само, як і в генераторах з незалежним збудженням.

Генератори з самозбуд женням менш чутливі до ко роткочасних змін (близько ±10 %) напруги живильної Рис 3.4. Розподіл магнітних потоків (а) мережі, що є їх перевагою та зміна напруги на ділянках порівняно з генераторами з АС, ВС, АВ при навантаженні (б) незалежним збудженням.

в генераторах із самозбудженням 3.2. Принцип роботи та характеристики вентильних зварювальних генераторів Вентильний зварювальний генератор являє собою комбінацію генера тора змінного струму та випрямного блока. У вентильному генераторі, на відміну від колекторного, випрямляч є не механічним, а напів провідниковим. Застосування сильнострумових напівпровідникових діодів (або тиристорів) дало змогу створити випрямляч напруги та струму для електромашинних генераторів будь-якого конструктивного виконання, на приклад синхронних, індукторних, асинхронних. Тому у світовій практиці зустрічаються вентильні зварювальні генератори, виконані на базі елек тричних машин змінного струму практично всіх відомих виробників. Най частіше використовують індукторний генератор змінного струму. В індукторній машині (ІМ) змінюється тільки значення магнітної індукції у робочому зазорі між статором і ротором, її напрям залишається постійним.

Типову електричну схему вентильного генератора з самозбудженням та найбільш розповсюджену конструкцію ІМ для вентильних генераторів показано на рис.3.5.

Ротор генератора складається з двох сталевих пакетів 3 і 8 (рис.3.5,а), які розміщені на спільному валу 1(7) та мають полюси. При цьому полюси одного пакета зсунуті на 180° відносно полюсів другого пакета. Для про ходження магнітного потоку вздовж осі генератора передбачена сталева втулка 10. Обмотка збудження 6 прикріплена спеціальним пристроєм 4 не рухомо до корпусу генератора 2, що виконаний із магнітом’якого матеріалу, і розташована поміж пакетами ротора. На статорі генератора 5, що також складається із двох пакетів, розміщена три фазна силова обмотка 9.

Зміна магнітного потоку, зчепленого з обмоткою якоря, досягається через періодичну зміну магнітного опору на шляху робочого потоку при обертанні зубчастого ротора.

Тому індукція у зазорі ІМ має пульсуючий характер і містить змінну (робочу) та постійну (неробочу) складові.

Наявність постійної складової магнітного потоку є головним недоліком ІМ тому, що вона не бере участі у наведенні ЕРС, а тільки завантажує магнітопровід та потребує істотного збільшення його об’єму і маси порівняно із звичайними синхронними машинами. Цей недолік част ково компенсується за раху нок підвищеної частоти ЕРС Рис 3.5. Конструкція індукторної маши (200...400 Гц), що визна ни (а), електрична схема вентильного чається швидкістю обертання генератора (б) та його зовнішні вольт ротора та числом зубців на амперні характеристики (в) ньому, яке можна збільшити.

До переваг ІМ слід віднести простоту конструкції ротора, високу надійність, зручність регулювання, підвищену працездатність у складних зовнішніх умовах.

Природні зовнішні вольт-амперні характеристики вентильного гене ратора спадні, вони формуються за рахунок великого індуктивного опору фаз обмоток статора. При пуску, коли ротор генератора починає обертати ся від приводного двигуна, на виводах статорної обмотки (І та ІІ, рис.3.5,б) з’являється ЕРС близько 7...8 В, завдяки залишковому магнетиз мові полюсів ротора. Трансформатор Т1 підвищує цю напругу і через діод VD3 її середнє значення за півперіод подається на клеми обмотки збуд ження ОЗ (у цей час діод VD1 закритий). У наступний півперіод діод VD відкритий, і через нього йде струм за рахунок енергії, нагромадженої у магнітному полі ОЗ у попередній півперіод.

Генератор збуджується до напруги холостого ходу, яка настроюється резистором R1. З підвищенням навантаження напруга на фазах статорної обмотки знижується і разом з цим зменшується середнє значення випрям леної за допомогою діода VD3 вторинної напруги трансформатора Т1. При навантаженні одночасно з Т1 обмотку ОЗ через діод VD2 починає живити випрямленим струмом вторинна обмотка трансформатора струму ТА2.

Вентильний генератор має два діапазони регулювання струму (за раху нок вмикання однієї або двох статорних обмоток, рис.3.5,в). Плавне регу лювання зварювального струму у межах кожного діапазону та зміна кру тості зовнішньої характеристики генератора забезпечується резистором R2.

Останнім часом, у 90-і роки, на світовому ринку зварювального устат кування з’явилися агрегати на базі асинхронних генераторів з тиристорни ми випрямними блоками. З курсу теоретичних основ електротехніки відомо: якщо ротор асинхронного двигуна обертати з частотою, яка пере вищує частоту обертання магнітного потоку статора, то двигун перейде у режим асинхронного генератора. В асинхронному генераторі, що працює на автономне навантаження, реактивна потужність, потрібна для збуджен ня генератора, повинна вироблятися окремим джерелом. Як правило, та ким джерелом служить батарея конденсаторів, що вмикаються паралельно з навантаженням генератора. Такі зварювальні агрегати складніші за кон струкцією, ніж вентильні генератори, але ця складність компенсується достатньо високими їх експлуатаційними характеристиками.

Тиристорний випрямляч складається за мостовою схемою та вми кається до вихідних клем зварювальної обмотки, яка розміщена на статорі разом з обмоткою збудження. Зовнішні характеристики необхідної форми такого джерела живлення формуються схемою керування силовим тири сторним блоком, що живиться від автономної допоміжної мережі або від силової обмотки з застосуванням фільтруючих пристроїв.

Асинхронні генератори мають певні специфічні особливості, зокрема вони змінюють частоту струму, що генерується, при зміні навантаження внаслідок зміни швидкості магнітного потоку. Стабілізувати частоту мож на шляхом зміни частоти обертання приводу. Для зварювального агрегату з приводом від двигуна внутрішнього згоряння це забезпечується просто.

Більш важливим завданням є підтримування постійними сили струму та напруги в дузі, яке вирішується за допомогою вихідного силового тири сторного блока та вузла керування ним.

На рис.3.6 наведено блок-схему асинхронного зварювального генера тора, розробленого в ІЕЗ імені Є.О.Патона на базі серійного електричного двигуна типу АМУ 200-4 потужністю 30 кВт. На статорі генератора розміщені дві трифазні галь ванічно не пов'язані обмотки:

силова та збудження.

Ємнісний блок скла дається з набору конденсаторів з робочою напругою 400 В, які можуть автоматично переми катися залежно від режиму ро боти генератора.

Рис. 3.6. Блок-схема асинхронного зварю Тиристорний випрямляч, вального генератора (АЗГ):

що ввімкнутий до вихідних за БЗ – блок збудження;

ТВ – тиристорний тискачів статорної обмотки, є випрямляч;

БКТ – блок керування частиною блока формування тиристорами;

L – стабілізуючий дросель зовнішньої характеристики ге нератора.

Блок керування живиться від допоміжної автономної мережі або си лової обмотки з використанням фільтруючих пристроїв.

3.3. Динамічні властивості генераторів Більшість машинних джерел живлення постійного струму використо вуються для ручного дугового зварювання та різання, тому розглянуті ви ще зовнішні статичні характеристики генераторів не у повній мірі дають змогу однозначно визначити ступінь придатності генератора для означено го способу зварювання. Річ у тому, що у процесі зварювання значення на пруги і струму безперервно змінюються з великою швидкістю. Це пов’язано з механізмом початкового збудження дуги та процесами перене сення електродного металу у зварювальну ванну під час зварювання, тобто мають місце періодичні короткі замикання дугового проміжку з наступним повторним збудженням дуги. Таким чином, під час зварювання генератор працює у динамічному режимі, що постійно змінюється. Тому стабільність збудження та горіння дуги, а також якість перенесення металу великою мірою визначаються не лише статичними властивостями генератора, а й його динамічними властивостями, тобто якістю перехідних процесів гене ратора при наявності збурень у дузі, що швидко змінюються з часом.

Динамічні властивості ге нераторів визначаються су купністю показників якості його перехідних процесів, які до сліджуються за допомогою ос цилограм.

Осцилограми, що дають змогу приблизно судити про динамічні властивості колек Рис. 3.7. До визначення показників торного генератора, показані на якості перехідних процесів колектор рис.3.7. Осцилограма а най ного генератора: а – холостий хід – ко більшою мірою близька до про ротке замикання – холостий хід;

цесу початкового збудження ду б – робочий режим – коротке замикан ня;

в – робочий режим – холостий хід ги, б – до короткого замикання дугового проміжку краплею розплавленого металу (без повторного збудження дуги), в – до обриву процесу зварювання.

Динамічні властивості генератора оцінюються через екстремальні значення струму та напруги при миттєвій зміні довжини дуги. При цьому, як видно з осцилограм, екстремальні значення струму ( І, І ) к.пік к.пік.р більші за сталі ( І,І ), а екстремальні значення напруги (U U ) кс р г.min, г. р.min менше сталого (Uг0 ). У грубому наближенні при виборі або розрахунку колекторного генератора для ручного дугового зварювання необхідно, щоб екстремальні значення цих величин прямували до їх сталих значень, тобто І U І к.пік.р Uг min г.р min к.пік 1;

1;

1;

1.

І І Uг0 U кс кс г Головною величиною що характеризує якість перехідних процесів зварювального генератора згідно з ГОСТ 304-82Е є величина Uг min. Вона не повинна бути менше 24 В у режимі мінімального струму та 37 В у ре жимі номінального струму.

Важливим показником динамічних властивостей зварювального гене ратора є також показник, що визначає струм короткого замикання Ік.р у момент обриву краплі tк.з. Цей показник характеризується середньою швидкістю наростання струму короткого замикання:

Ік.р - Ір Vр = А/с, (3.13) tк.з де Ік.р – струм короткого замикання після закінчення часу, приблизно рівного тривалості короткого замикання дугового проміжку краплею розп лавленого металу. Ця тривалість може бути від тисячних до сотих часток секунди.

Величина Ік.р впливає на розбризкування металу при зварюванні. Чим більша ця величина, за інших рівних умов, тим більше розбризкування ме талу. Тому зниження Ік.р в колекторних генераторах – це ефективний шлях усунення підвищеного розбризкування металу при зварюванні, особ ливо в генераторах з жорсткими зовнішніми характеристиками.

Зварювальні властивості вентильних генераторів, як і колекторних, залежать від характеристик перехідних процесів, що відбуваються в елек тричній машині під час зварювання. При живленні зварювальної дуги від вентильного генератора характер протікання перехідних процесів, обумов лених зміною довжини дуги, залежить насамперед від частоти струму яко ря та від внутрішніх параметрів генератора. Встановлено, що у разі засто сування трифазних обмоток якоря добрі зварювальні властивості набува ються при частотах якоря f = 150...400 Гц. Випрямлений струм короткого замикання досягає свого пікового значення Iк.пік. приблизно через половину періоду, тобто через час t = від початку короткого замикання. Тому 2 f підвищення частоти струму якоря наче прискорює перехідний процес та приводить до того, що при зварюванні крапля розплавленого металу відривається вже при роботі генератора на спадній частині кривої випрям леного струму короткого замикання (рис.3.8). Струм Івідр у момент відриву краплі стає значно менше за своє максимальне зна чення Iк.пік. Це дає змогу істотно зменшити розбризкування елек тродного металу при зварюванні від вентильного генератора.

Важливе значення для якості зварювання та стабіль ності горіння дуги має процес відновлення напруги холостого ходу після обриву короткого замикання. Процес відновлення Рис. 3.8. Криві миттєвих значень струму напруги залежить від інер та напруги під час перехідних процесів ційності кола збудження і тому у вентильному генераторі:

в індукторних машинах про а – холостий хід – коротке замикання;

довжується порівняно довго б – коротке замикання – холостий хід;

(0,25...1,5 с). У цьому випадку в – робочий режим зварювання швидкість зростання напруги після обриву короткого зами кання менше, ніж швидкість процесів, що протікають у зварювальному колі. Тому для вентильних генераторів стабільність повторного збудження дуги характеризується значенням напруги, що з’являється на клемах гене ратора у момент обриву короткого замикання Uг min (рис.3.8,б).

Оскільки відрив краплі при зварюванні, як правило, відбувається при значеннях струму, більших за робочі, значення напруги Uг min при зварю ванні від вентильного генератора завжди задовольняє умові Uг min = 20 + 0,04І (у вольтах) і процес горіння дуги відзначається високою стабільністю.

Внаслідок сприятливих перехідних процесів вентильні генератори відзначаються добрими зварювальними властивостями, у тому числі неве ликими втратами електродного металу (малим розбризкуванням), стабільним горінням та еластичністю дуги.

3.4. Загальна характеристика типових промислових зварювальних машинних джерел живлення постійного струму Зварювальний перетворювач являє собою електромашинну установку, що складається з приводного електродвигуна та зварювального генератора.

Як привод у перетворювачів використовують короткозамкнені асин хронні трифазні електродвигуни, які у більшості випадків мають фазні об мотки, з’єднані зіркою, та розраховані на лінійну напругу 380 В. Перетво рювачі призначені для роботи як у закритих приміщеннях, так і на відкритому повітрі.

Зварювальні агрегати належать до категорії пересувних енергетичних установок, що пристосовані для роботи у польових умовах незалежно від тимчасового або постійного розміщення на транспортному засобі.

За типом приводного двигуна агрегати поділяються на агрегати з бен зиновими або дизельними двигунами, за способом охолодження – з повітряним та рідинним охолодженням.

Режим роботи двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) у зварювальних агрегатах – стаціонарний, тобто такий, за якого частота обертання ротору підтримується постійною. Автоматичний регулятор, що забезпечує постійну частоту обертання, є однією з основних складових частин зварю вального агрегату.

Ще одна особливість, характерна для умов роботи ДВЗ у зварюваль ному агрегаті, – це значна частка часу роботи у режимі холостого ходу, особливо при виконанні зварювальних робіт на монтажі конструкцій, їх ремонті або будівництві споруд. Приводами зварювальних агрегатів здебільшого служать автомобільні або тракторні двигуни.

Асинхронні генератори, як правило, розраховані на промислову час тоту. Це дає змогу (крім електрично не пов’язаних зварювальних обмоток та обмоток збудження) розмістити на статорі генератора додаткові обмот ки для отримання трифазної напруги 220/380 В, що використовується для живлення електроінструменту або освітлювальних пристроїв невеликої по тужності.

3.4.1. Зварювальні перетворювачі і агрегати з колекторними генераторами Перетворювачі типів ПСО-300-2, ПСО-315М та ПД-502 призначені для живлення постійним струмом одного зварювального поста при ручно му дуговому зварюванні, наплавленні та різанні покритими електродами, а також для живлення зварювальних кіл автоматів та напівавтоматів при ду говому зварюванні під флюсом.

Зварювальні перетворювачі ПСО-300, ПСО-315М та ПД-502 конст руктивно подібні (рис.3.9,а) і відрізняються типом генератора (дод.2, табл.2.2).

Генератори ГСО-300 та ГСО-300М – чотириполюсні колекторні ма шини з самозбудженням та послідовною розмагнічувальною обмоткою, а генератор ГД-502 має незалежне збудження. Обмотка збудження ГД- живиться від мережі змінного трифазного струму через індуктивно ємнісний перетворювач напруги. Зовнішні характеристики генераторів – крутоспадні.

Регулювання зварювального струму генераторів здійснюється реоста том (плавна настройка) та підключенням зварювального кабелю до відповідного затискача дошки затискачів низької напруги (груба настройка).

Рис. 3.9. Загальний вигляд перетворювача ПСО-315 М (а) та зварювального аг регату АДБ-311 (б):

1 – зварювальний генератор;

2 – реостат регулювання;

3 – вмикач електродвигу на;

4 – електродвигун;

5 – транспортувальна ручка;

6 – паливний бак;

7 – пульт керування;

8 – бензиновий двигун;

9 – радіатор охолодження;

10 – рама Перетворювач типу ПСГ-500-1 призначений для живлення постійним струмом одного поста дугового механізованого та автоматичного зварю вання у середовищі захисних газів плавким електродом з постійною швидкістю подачі при струмі 60...500 А (див.дод.2, табл.2.2).

Зовнішньо перетворювач подібний до перетворювачів ПСО-300-2 та ПД-502. Зварювальний генератор ГСГ-500-1 являє собою також чотирипо люсну машину з самозбудженням. Обмотка самозбудження розміщена на всіх головних полюсах і живиться від щіток генератора. Зовнішні вольт амперні характеристики генератора – жорсткі, з нахилом не більше ±0,04 В/А у робочому діапазоні струмів, чим забезпечується автоматичне зварювання. Надійне самозбудження при мінімальних напругах холостого ходу забезпечується парою головних полюсів, які мають більш насичені осердя (з вирізами у середній частині). Регулювання напруги генератора здійснюється реостатом, увімкнутим у коло котушок збудження, розташо ваних на ненасичених полюсних осердях.

Зварювальні агрегати АСБ-300-7, АДБ-309, ПАС-400, АДБ- (рис.3.9,б). В агрегатах генератор та бензиновий двигун з’єднані у силовий блок, змонтований на загальній рамі. Двигунова та генераторна частини розділені між собою поперечною перегородкою, яка забезпечує нормаль ний тепловий режим роботи генератора.

Зварювальні генератори ГСО-300-5, ГД-303 та ГД-305 (див. дод.2, табл.2.2) однотипні за конструкцією і є однопостовими зварювальними чо тириполюсними генераторами постійного струму з послідовною роз магнічувальною обмоткою, з самозбудженням. Зовнішні характеристики генераторів – крутоспадні. Зварювальний генератор СГП-3 за принципом роботи належить до типу генераторів ГСО-300.

Зварювальний струм регулюється реостатом, змонтованим на корпусі генератора ГСО-300-5, а в генераторах ГД-303 та ГД-305 – виносним. Рео стат увімкнутий у коло намагнічувальної (шунтової) обмотки збудження.

Генератори ГД-303, ГД-305 мають розширені межі регулювання струму ( діапазонів, три з яких є додатковими). Додаткові діапазони утворюються шляхом вмикання у коло якоря відповідних баластних опорів, що встановлені на корпусі генератора.

У зварювальних генераторах АД-303, АДД-3112 генератор з’єднується з дизельним двигуном повітряного охолодження за допомогою фланця, розподільна перегородка між генераторним та дизельними відсіками відсутня.

Зварювальні генератори агрегатів за принципом роботи та конструк тивним виконанням є типовими представниками колекторних генераторів серії ГСО-300. Генератор ГСО-300-12 має два, ГД-3120 – три діапазони ре гулювання струму. Додатковий діапазон малих струмів створюється шля хом вмикання у коло якоря баластного опору.

Зварювальні агрегати АСД-3-1, АСДП-500 (рис.3.10). Агрегати мають однакову конструкцію агрегат ної частини. Відрізняються тим, що АСД-3-1 має рамне виконан ня, а АСДП-500 – виконаний на автомобільному двовісному низькорамному причепі.

В агрегатах зварювальний генератор приводиться в обер Рис. 3.10. Загальний вигляд зварюваль ного агрегату АСДП-500:

тання дизельним двотактовим 1 – причеп;

2 – зварювальний генера чотирициліндровим двигуном рі тор;

3 – пульт керування;

4 – реостат динного охолодження. Двигун з регулювання зварювального струму;

5 – дизель;

6 – кришка капоту;

7 – радіатор генератором встановлені жорст охолодження;

8 – паливний бак ко на раму агрегату.

3.4.2. Зварювальні перетворювачі і агрегати з вентильними генераторами Перетворювачі типу ПД-305 (рис.3.11) складаються з генератора ГД-312 (див. дод.2, табл.2.2) та електродвигуна, які розташовані на спільній рамі та захищені від непогоди металевою кришкою і спеціальними шторками. Для приводу індуктора генератора застосований трифазний асинхронний двигун, вал якого з’єднаний з валом генератора за допомогою еластичної муфти.

Регулювання струму зварювання здійснюється ступенево (дві ступені 40...180 та 160...350 А) рукояткою на коробці керування і плавно дис танційно реостатом, підключеним до коробки керування за допомогою кабелю.

Зварювальні агрегати АДБ- та АДБ-3120. В агрегатах вентиль ний зварювальний генератор приво диться в дію бензиновим двигуном.

Двигун і генератор з’єднані флан цем;

двигуно-генераторний блок закріплений на спільній рамі.

Вентильні генератори типу ГД-312 в агрегаті АДБ-318 та Рис. 3.11. Зварювальний перетво ГД-314 в агрегаті АДБ-3120 (дод.2, рювач ПД-305: 1 – вентильний блок;

2 – вентилятор;

3 – індуктор табл.2.2) конструктивно являють ний генератор;

4 – обмотка збу собою двопакетні індукторні гене дження;

5 – центробіжний вентиля ратори підвищеної частоти з вип тор;

6 – електродвигун;

7 – коробка керування рямним пристроєм та апаратурою керування.

Дистанційне регулювання зварювального струму здійснюється реос татом, підключеним до коробки керування. Генератор ГД-314 порівняно з генератором ГД-312 має розширені межі регулювання струму.

Зварювальний агрегат типу АДД-4001С складається з дизельного дви гуна, який обертає ротор генератора постійного струму. Керування зварю вальним струмом здійснюється як місцево, так і дистанційно за допомогою виносного пульта. Регулювання струму – плавно-ступінчасте. Агрегат мо же розміщуватися на рамі або на шасі.

Агрегат АДД-502 відрізняється від попередньо розглянутих тим, що може забезпечувати роботу двох постів ручного дугового зварювання або одного поста механізованого зварювання під флюсом, головним чином при будуванні магістральних трубопроводів. В агрегаті дизельний двигун повітряного охолодження та двопостовий вентильний зварювальний гене ратор за допомогою фланцю утворюють спільний силовий блок, закріплений на рамі. Вентильний генератор складається з двох самостійних однопостових двопакетних індукторних генераторів трифазного струму, змонтованих в одному корпусі на однім валу, та вентильних блоків.

Регулювання зварювального струму здійснюється дистанційними рео статами, загальне керування агрегатом та контроль за його роботою – з пульту керування, розташованого на передній стінці агрегату.

Зварювальні агрегати серії АДД та АДБ з вентильними генераторами випускають у Литві (АТ "Велга"), у Росії (АТ "Искра"). В Україні агрегати АДД-4001С виробляють ВАТ "Фірма СЭЛМА" та Електромеханічний за вод (м. Ніжин).

3.4.3. Агрегати на базі асинхронних, безщіткових генераторів Агрегати 170SB/H та 250SD/ES (табл.2.2) належать до зварювальних агрегатів з генераторами трифазного (400 В) або однофазного (230 В) струму для ручного дугового зварювання електродами основного типу. Ге нератори забезпечують оптимальну напругу збудження дуги та достатньо високу якість зварювання. Приводом агрегату 170SB/H служить бензино вий двигун типу HONDA-GX270, а агрегату 250SD/ES – дизель типу RUGGERINI ECD MD190. Агрегати оснащені автоматичними за побіжними термовимикачами та системами аварійного вимикання при аваріях в електричному колі.

Агрегати 400S-DD 500DZ, 600DPW призначені для зварювання у важ ких умовах при будівництві та ремонті трубопроводів з використанням електродів з целюлозним покриттям. Можуть одночасно використовувати ся і як генератори струму. Настройка та регулювання режиму зварювання – дистанційні. Генератори мають систему автоматичної установки форми зовнішньої характеристики, яка забезпечує надійне збудження зварюваль ної дуги та стабільну роботу у широкому діапазоні струмів. Приводами ге нераторів служать дизелі типу DEUTZ або PERKINS.

Контрольні питання 1. Які типи машинних джерел живлення використовують для елек тродугового зварювання?

2. Як формуються зовнішні вольт-амперні характеристики колектор ного зварювального генератора;

вентильного генератора?

3. Якими показниками оцінюють динамічні властивості зварюваль них генераторів?

4. Якими конструктивними особливостями характеризуються ма шинні джерела живлення залежно від умов застосування?

Глава ВИПРЯМЛЯЧІ ДЛЯ ДУГОВОГО ЗВАРЮВАННЯ Зварювальні випрямлячі – це статичні перетворювачі змінного струму трифазної мережі у напругу постійного струму, яка використовується для зварювання.

Зварювальні випрямлячі мають значні переваги перед електромашин ними перетворювачами: високі зварювальні якості за рахунок підвищення стабільності горіння дуги та зменшення розбризкування металу;

високий ККД і знижені втрати холостого ходу, що особливо важливо для джерел живлення з невеликим показником ПН (ПВ);

широкі межі регулювання струму і напруги;

можливість автоматизації та програмування параметрів зварювального процесу;

відсутність частин, що обертаються, та необхідно сті у фундаментах для установки, менша маса і габарити;

безшумність у роботі. Завдяки прогресу в галузі виробництва напівпровідникових венти лів (тиристорів), розрахованих на значні напруги і струми, стало можли вим розробляти та виготовляти різні типи випрямлячів для дугових спосо бів зварювання та споріднених технологій.

Однопостові та багатопостові випрямлячі сьогодні застосовують практично для будь-яких видів дугового зварювання. Зварювальні випрям лячі випускаються на струми силою від одиниць до тисяч ампер. Регулю вання вихідних параметрів може бути ступеневим та плавним. Найпоши ренішим способом регулювання напруги випрямляча, завдяки своїй прос тоті, є зміна числа витків первинних обмоток трансформатора за допомо гою перемикачів. Але при цьому зростає розрахункова потужність транс форматора, знижується коефіцієнт його використання при зварюванні на максимальних струмах через виключення з роботи частини первинної об мотки.

Плавне регулювання напруги забезпечується вмиканням дроселів на сичення з внутрішнім зворотним звязком, застосуванням реактивних поді льників напруги, які підключаються до частини вторинної обмотки транс форматора, або тиристорним регулятором.

4.1. Принциповий склад зварювального випрямляча Випрямлячі для дугового зварювання складаються взагалі з кількох блоків та пристроїв (рис.4.1): силового трансформатора 1, випрямного блока 2, стабілізувального дроселя 3, пускової, захисної та вимірювальної 4 і регулювальної 5 апаратури. Спеціалізовані випрямлячі містять низку інших елементів, які полегшують ведення процесу зварювання Силовий трансформатор.

Найбільш доцільним у випрям лячах для дугового зварювання стало використання трифазного струму. Тому для живлення випрямних блоків, як правило, застосовують знижувальні три фазні трансформатори. Для малопотужних зварювальних Рис. 4.1. Загальна блок-схема випрямляча випрямлячів побутового при значення застосовують однофа зні силові трансформатори.

Зовнішня вольт-амперна характеристика багатьох випрямлячів визна чається ВАХ трансформатора. У випрямлячах з жорсткою зовнішньою ха рактеристикою застосовують трансформатори з малим (нормальним) елек тромагнітним розсіюванням. У випрямлячах із крутоспадними характерис тиками – трансформатори з підвищеним електромагнітним розсіюванням або з малим розсіюванням у комбінації з дроселями.

За принципом дії силові трансформатори, що живлять випрямний блок, подібні до раніше розглянутих однофазних зварювальних трансфор маторів. Тому засоби формування зовнішньої характеристики випрямляча та регулювання зварювального струму також принципово подібні до роз глянутих у гл.2. Але у формуванні ВАХ випрямляча може брати участь і випрямний блок, якщо він зібраний на тиристорах. Наприклад, для форму вання спадної ВАХ випрямляча з потрібною крутістю, використовують схему керування тиристорами зі зворотним звязком.

Випрямний блок. Головний вузол випрямляча – випрямний блок – яв ляє собою набір напівпровідникових вентилів, увімкнутих за певною схе мою. У випрямних блоках катодні та анодні групи зібрані з окремих вен тилів шляхом їх паралельного та послідовного вмикання. Число паралель но увімкнутих вентилів визначається середнім значенням випрямленого струму у плечі та припустимим номінальним середнім значенням струму у вентилі. Як силові вентилі використовують кремнієві діоди або тиристори.

Переважна більшість випрямлячів як зі спадними, так і з жорсткими зовнішніми характеристиками випускається з живленням від трифазної мережі і, відповідно, з застосуванням трифазних та шестифазних схем ви прямляння. В однофазних випрямлячах, побудованих за традиційними схемами, для отримання стійкого горіння дуги сумарна розрахункова по тужність трансформаторів і дроселів повинна бути значно вище вихідної потужності випрямляча. Тому у зварювальній техніці розповсюджені пере важно багатофазні випрямлячі.

Багатофазне випрямляння забезпечує рівномірне навантаження живи льної мережі, краще використання вентилів, активних матеріалів трансфо рматора та дроселів, а також меншу пульсацію вихідної напруги і струму, що дуже важливо для випрямлячів з тиристорним регулюванням.

З усього різноманіття можливих варіантів схем випрямляння широко го розповсюдження у зварювальній техніці дістали такі відомі схеми, як трифазна мостова та шестифазна. Із шестифазних схем застосовуються по двійна трифазна зі зрівнювальним реактором, кільцева та проста шестифа зна схема з нульовою точкою. Робота вказаних схем та їх порівняльні ха рактеристики будуть розглянуті далі, у цій главі. Тут відзначимо, що за стосування шестифазних схем випрямляння повязане з прагненням до по кращення використання вентилів за струмом (можливе майже у два рази), незважаючи на ускладнення конструкції трансформатора, введення в окремих схемах зрівнювального реактора та використання діодів і тирис торів більш високого класу.

Стабілізувальний дросель. Напруга, що має місце на виході з випрям ного блока, характеризується певним рівнем пульсації, тобто наявністю змінної складової. Ця складова напруги негативно впливає на динамічні властивості випрямляча, особливо при зварюванні з частими короткими замиканнями дугового проміжку. Стабілізація вихідної напруги при зва рюванні з КЗ сприяє зменшенню розбризкування електродного металу, підвищенню якості зварювання.

Для послаблення дії змінної складової випрямленої напруги між ви прямним блоком і навантаженням вмикають згладжувальний фільтр. Най більш поширені фільтри типів L та LC. При використанні випрямляча з жорсткою ВАХ у зварювальне коло вмикають стабілізувальний дросель з індуктивністю L = (2…5)10-4 Гн. Це дає змогу обмежити струм короткого замикання у перехідних процесах, що викликані переносом електродного металу через дугу і, як наслідок, знизити розбризкування металу.

При зварюванні покритими електродами збільшення до певної межі індуктивності зварювального контуру також сприяє зниженню розбризку вання електродного металу. Але у діодних трифазних випрямлячах, які мають силовий трансформатор з розвиненим електромагнітним розсіюван ням, вводити дросель у зварювальне коло непотрібно. Дроселі обовязкові у тиристорних випрямлячах, де вони виконують роль не тільки обмежува ча струму КЗ, а й засобу згладжування струму зварювання.

Стабілізувальні дроселі виконуються зі ступінчастим та плавним ре гулюванням індуктивності. Для запобігання насиченню магнітопроводу дроселя його осердя часто має повітряний проміжок.

Пускорегулювальна та захисна апаратура. У простих за конструкцією випрямлячах пускорегулювальні пристрої також достатньо прості. Сучасні випрямлячі як багатофункціональні електротехнічні установки мають до сить складну пускорегулювальну апаратуру. До її складу можна віднести пристрої для пуску випрямляча та збудження зварювальної дуги і регулю вальні пристрої для настройки джерела на необхідний режим роботи за зварювальним струмом;

переривники, наприклад мультивібратори, і т.ін.

До захисної апаратури випрямлячів належать пристрої, що забезпечу ють роботу вентилів під час виникнення перевантажень за напругою та струмом. Деякий ефект проти перевантаження вентилів дає застосування примусового повітряного охолодження випрямного блока. Тому в більшо сті джерел пуску випрямляча передує вмикання вентилятора повітряного охолодження.

4.2. Умови роботи напівпровідникових вентилів у зварювальних випрямлячах У зварювальних випрямлячах використовуються такі силові кремнієві вентилі: некеровані вентилі – діоди та керовані вентилі – тиристори. На півпровідникові діоди характеризуються наступними основними парамет рами: середнім та максимальним значенням прямого струму Іа сер, Іа max, ве личиною спаду напруги у вентилі Ua;

максимальним припустимим зна ченням зворотної напруги Uв.прип;

припустимою температурою переходу приладу Тп max.

Поряд з цим мають значення інші показники, що характеризують ро боту вентилів: довговічність, ККД тощо. Властивості вентиля тим вищі, чим менше внутрішнє падіння напруги у вентилі (Ua).

Кремнієві вентилі мають малі габарити та високі значення зворотної напруги (800...1200 В). Припустима температура нагріву для діодів Тп max = 140...150 оС. До недоліків кремнієвих вентилів слід віднести неви соку спроможність протистояти короткочасному перевантаженню. Навіть при невеликих перевантаженнях час роботи кремнієвого діода обчислю ється частками секунди.

Кремнієві тиристори характеризуються такими ж параметрами, що й діоди. Але їм притаманні й специфічні параметри: напруга перемикання Uп;

мінімальне значення струму вмикання Ів (або струму керування Ік).

Тиристори мають більш високі значення падіння напруги у прямому напрямі. Тому припустимі навантажувальні струми в цих приладах менше, ніж у подібних діодах. Припустима температура при роботі тиристорів Тп max=100...125 оС. Чутливість їх до перевантажень така ж, як і у кремніє вих діодів.

Випрямний блок джерел живлення працює у важних умовах, постійно підлягаючи змінній дії електричних, теплових та механічних факторів. Пе ревантаження прямими струмами, що протікають через напівпровіднико вий діод, виникають під час збудження дуги або при замиканні дугового проміжку краплею розплавленого металу і перевищують його номінальне значення у 1,5...2,0 рази.

При зварюванні неплавким електродом у середовищі захисного газу зварювальна дуга збуджується імпульсом струму, який у 4...8 разів переви щує номінальне значення зварювального струму. У звязку з такими перева нтаженнями напівпровідникові вентилі повинні легко витримувати переван таження за струмом та мати радіатор для відведення виділяємого тепла.

Перевантаження за зворотною напругою на діоді виникають під час перехідних процесів (вмикання-вимикання силового трансформатора), при обриві зварювального струму та повторному збудженні дуги.

Якщо розрахункове значення струму, що протікає через діод, переви щує припустиме значення Іа max, то діоди вмикають паралельно з додатко вими резисторами Rдод. Опір цих резисторів має бути більше у 5...10 разів опору діода у прямому напрямі (рис.4.2,а). При перевищенні зворотної на пруги на діоді їх слід вмикати послідовно (рис.4.2,б) у необхідній кількос ті. Для вирівнювання зворотних опорів діодів паралельно їм вмикають шунтувальні резистори Rш, опір яких повинен бути значно менше зворот них опорів напівпровідникових вентилів. Як правило, Rш = (0,1…0,2) Rзв.

Рис. 4.2. Схеми вмикання кіл для захисту вентилів і випрямних блоків від перевантажень Для захисту вентильного блока зварювального випрямляча від перена пруг використовують шунтувальні RС-кола. На рис.4.2,в наведено захисне коло R1С, яке підключається при некерованих випрямних блоках до затис качів кола випрямленої напруги. В тиристорних випрямлячах подібне коло підключається до вторинних обмоток трансформатора через допоміжний випрямний блок V1, як наведено на рис.4.2,г. Опір резистора R2 є розряд ним. Параметри елементів захисного кола визначаються таким чином:

а) ємність конденсатора для захисту від перенапруг, що виникають у момент вимикання трифазного силового трансформатора, S T C, (4.1) (2U ) f в.прип де = I / І – відносне значення намагнічувального струму;

Інмг – ді нмг 1н юче значення намагнічувального струму, А;

І1н – номінальний струм пер винної обмотки трансформатора, А;

Sт – потужність трансформатора, Вт;

Uв.прип – припустиме значення зворотної напруги діоду, В;

f – частота на пруги живильної мережі, Гц;

б) ємність конденсатора для захисту від перенапруг, що виникають при обриві зварювального струму, е S K к т п C, (4.2.) 20 f 0,8U -U в. прип p де ек – відносне значення напруги короткого замикання трансформатора;

Кп – відношення фактичної амплітуди струму навантаження в момент об риву струму до номінального діючого значення струму вторинної обмотки трифазного силового трансформатора (перевантаження);

Up – амплітуда робочої змінної напруги на вентилі.

Для вибору захисного конденсатора слід прийняти більше з розрахо ваних значень.

Величина R1 визначається згідно з виразом 0,8U -U в. прип p R1, (4.3) K І п 1н Шунтувальний опір попередньо визначається з виразу R2 p / С, де р = 0,1С – постійна розряду конденсатора.

Вказане коло RC одночасно обмежує й комутаційні напруги на венти лях.

4.3. Багатофазні схеми випрямляння Головними параметрами та співвідношеннями, що характеризують схему випрямляння, стосовно до зварювальних випрямлячів, є:

діюче значення фазної (лінійної) вторинної напруги трансформатора U2ф (U2л) залежно від напруги холостого ходу випрямляча U0;

амплітудне значення зворотної напруги на вентилі U в max;

середнє значення випрямленого струму через вентиль І в.сер;

діюче І в та максимальне І в max значення струму через вентиль;

розрахункова потужність трансформатора Sт.

Середнє, діюче та максимальне значення струму через вентиль визна чають втрати у вентилях, а також характеризують роботу випрямного бло ка в режимі короткого замикання. Розрахункова потужність трансформа тора визначає його пропускну спроможність при синусоїдальних струмах в обмотках та характеризує витрати його активних матеріалів.

Розглянемо особливості основних багатофазних схем випрямляння.

Трифазна мостова схема випрямляння. Це найбільш розповсюджена схема у випрямлячах з жорсткими та спадними зовнішніми характеристи ками, особливо, коли регулювання струму і напруги здійснюється систе мами без застосування тиристорів. Схема забезпечує досить просту конс трукцію трансформатора, що містить три первинні і відповідно три вто ринні обмотки, та найбільш ефективне його використання. Обмотки трансформатора можуть вмикатися трикутником або зіркою.

На рис.4.3 наведено трифазну мостову схему випрямляння. Розгляне мо роботу та визначимо основні показники цієї схеми спочатку у варіанті випрямляча з жорсткими ВАХ (силовий трансформатор має малий індук тивний опір короткого замикання) при роботі на активно-індуктивне нава нтаження. Слід відзначити, що режими роботи на активне та активно індуктивне навантаження мало відрізняються.

Рис. 4.3. Трифазна мостова схема випрямляння Як видно з рис.4.3, у точці 1 вмикається вентиль VD1 фази А як такий, що має найбільший позитивний потенціал з усіх вентилів катодної групи відносно до нульової точки мережної напруги трансформатора;

з ним у па рі працює вентиль VD5 фази В, який має найбільший негативний потенціал з усіх вентилів анодної групи. У точці 2 виникає комутація струму у вен тилях анодної групи – вмикається вентиль VD6 фази С. У точці 3 виникає комутація струму у вентилях катодної групи – вмикається вентиль VD фази В і так далі. Комутація з одного вентиля на інший виникає у момент перетинання синусоїд фазних напруг вторинної обмотки трансформатора.

Таким чином, при відсутності індуктивного опору в анодних колах венти лів вони працюють попарно з кутом провідності 2/3. У реальних умовах через наявність деякої індуктивності у контурі комутації кут провідності більший за 2/3 на кут комутації і робота вентилів здійснюється попарно та по три. Випрямлена напруга (миттєве значення) визначається лінійною напругою, яка через вентилі, що працюють у даний момент, подається на вихідні клеми випрямляча. Наприклад, у точці N напруга Ud = U АС.

Пульсація випрямленої напруги – шестифазна з частотою 300 Гц (при частоті фазних напруг мережі 50 Гц). Тривалість анодних струмів без ура хування комутаційних ділянок 120 ел. град.

Середнє значення випрямленої напруги при холостому ході випрям ляча розраховується за формулою | U0 = 6U2ф cos d= 2,34 U2ф=1,35U2л. (4.4) -| Зворотна напруга на вентилі Uв max = 2,45U2ф = 1,41U2л = 1,045U0.

Діюче значення струму через вентиль Ів = 0,816Іd (Id – сила випрямле ного струму випрямляча).

У випрямлячах зі спадними ВАХ, які мають значний індуктивний опір в анодних колах вентилів, наприклад, у випадку застосування силових трансформаторів з пересувними котушками, вентилі у діапазоні 0 Uд/U0 0,7 працюють на зварювальну дугу одночасно по три з кутом провідності, близьким до. У цьому випадку Ів = 0,745Іd.

Середнє значення струму через вентиль Ів.сер = 0,333Іd. Максимальне значення струму Ів max=3,14Ів.cер. Діюче значення струму у вентилі:

Ів = 1,73Ів.cер – при жорстких зовнішніх ВАХ;

Ів = 1,57Ів.cер – при спадних зовнішніх ВАХ. Розрахункова потужність трансформатора:

SТЖ = 3U2фI2 = 1,05ІdU0 – при жорстких ВАХ;

SТС = 0,95ІdU0 – при спадних ВАХ.

При роботі керованого тиристорного випрямляча кут керування від раховується від точки природної комутації (точка переходу струму з вен тиля однієї фази на вентиль іншої фази для некерованого випрямляча).

Тиристорні зварювальні випрямлячі незалежно від виду зовнішніх ВАХ виконуються з застосуванням силових трансформаторів з малим ін дуктивним опором розсіювання. У цьому випадку при роботі на активне навантаження випрямлений струм є безперервним при 60 ел. град та перервним при >60 ел. град:

U0 =2,34U2ф cos =U0cos при 60 ел.град;

U0 = U0[1+ cos(/3 +)] при > 60 ел.град.

З урахуванням того, що тиристорні випрямлячі містять спеціальний дросель для згладжування форми випрямленого струму, напруга визнача ється як Ud = 2,34U2фcos.

Для забезпечення нормальної роботи випрямляча ширина імпульсів керування, що подаються на тиристори, повинна бути більше за 60 ел.град.

Можливе також подавання двох керуючих імпульсів, зсунутих між собою на 60 ел.град, при ширині імпульсу 25...30 ел.град.

Кола керування тиристорів анодної групи повинні мати гальванічну розвязку.

Подвійна трифазна схема зі зрівнювальним реактором. Найбільш розповсюджена ця схема в тиристорних випрямлячах на струми до 500А.

Порівняно з іншими шестифазними схемами випрямляння вона забезпечує найбільш ефективне використання вентилів (найменші втрати, найбільша навантажувальна спроможність, найменший Ів max).

Трансформатор у такому випрямлячі має шість вторинних обмоток, що утворюють дві трифазні групи, кожна з яких зєднана у зірку;

ЕРС відповід них фаз зсунуті на 180 ел.град. Обидві групи зєднані між собою зрівнюва льним реактором, який забезпечує їх паралельну роботу шляхом вирівню вання напруги між ними. Зрівнювальний реактор являє собою дросель з за мкненим феромагнітним магнітопроводом, що має дві однакові обмотки.

Дію реактора наведено на рис.4.4. Безперервними лініями показані фазні напруги однієї зірки, а штриховими – другої. Різницю миттєвих зна чень фазних напруг у процесі їх чергування характеризують ординати за штрихованих площадок. Ця різниця напруг наводиться у секціях зрівнюва льного реактора Lзр, якщо хоча б по одній з них проходить невеликий на магнічувальний струм. У секціях реактора наводяться напруги Uз1 = Uз2 = 0,5Uз, що мають різні знаки по відношенню до загального виво ду;

у звязку з цим анодні напруги однієї зірки зменшуються на Uз1, а дру гої – зростають на Uз2. Фазні напруги вирівнюються, що й приводить до паралельної роботи трифазних груп. Приблизно Uз = 0,5U2ф.

Крива випрямленої напруги Ud наведена на рис.4.4. Тривалість прохо дження анодних струмів (без урахування комутаційних ділянок) складає 120 ел.град, а амплітуда струмів у вентилях – половину амплітудного зна чення випрямленого струму. Випрямляч має дві комутуючі групи вентилів:

VD1…VD3 та VD4...VD6. Комутація здійснюється тільки між вентилями однієї трифазної групи. У випрямлячах з жорсткими зовнішніми характе ристиками вентилі працюють попарно. Таким чином, при малих струмах навантаження випрямляч працюватиме у режимах, що відповідають про стій шестифазній схемі з нульовою точкою;

при струмах, більших за кри тичний (0,01Іd), розпочинається робота двох паралельних груп або подвій ний трифазний режим. Первинна обмотка трансформатора може бути вві мкнута зіркою або трикутником. Пульсація випрямленої напруги має час тоту 300 Гц.

Рис. 4.4. Подвійна трифазна схема зі зрівнювальним реактором Середнє значення випрямленої напруги при холостому ході U0 = 1,35U2ф;

U0 = 1,35U2фcos при роботі у режимах, що відповідають простій шестифазній схемі.

Зворотна напруга на вентилі Uв max= 6 U2ф=2,09U0. Діюче значення вторинного струму Ів =0,29Іd.

У випрямлячах зі спадними зовнішніми характеристиками у діапазоні 0 Uд/U0 0,65 одночасно працюють по три вентилі з кутом провідності, близьким до. У цьому випадку значення Ів знижується.

Потужність зрівнювального реактора Sзр складає при відсутності тири сторного регулювання близько 0,007Рd, при тиристорному регулюванні 0,2Рd, де Рd = ІdU0.

Схема має підвищену чутливість до асиметрії фазових зсувів керую чих імпульсів. Порушення симетрії імпульсів приводить до перерозподілу навантаження між трифазними випрямними групами, що працюють пара лельно.

Крім того, нормальна паралельна робота тиристорів різних трифазних груп забезпечується за умови, що ширина імпульсів керування становить не менше 60 ел.град.

Проста шестифазна схема з нульовою точкою. Така схема випрям ляння застосовується значно рідше, ніж вище розглянута, тому, що вона забезпечує гірше використання силового трансформатора та вентилів. Без урахування комутаційних ділянок тривалість струму, що протікає через вентилі, та струму у фазі вторинної обмотки трансформатора складає 60 ел.град. У звязку з цим зростають втрати у вентилях, максимальне зна чення Ів max, знижується навантажувальна спроможність випрямного блока.

Трансформатор має всього шість вторинних обмоток, зєднаних у шести фазну зірку (рис.4.5). Первинна обмотка трансформатора може зєднуватися лише трикутником.

Рис. 4.5. Проста шестифазна схема з нульовою точкою Якщо первинну обмотку зєднати у зірку, то виникає пульсуючий струм примусового намагнічування, що приводить до насичення магніто проводу трансформатора, значно збільшуються його індуктивні опори, зменшується середнє значення випрямленої напруги та збільшується кру тість спадання зовнішньої характеристики.

Пульсація випрямленої напруги – 300 Гц. Зворотна напруга на вентилі Ів max =2,09U0. Нормальна робота випрямляча забезпечується при ширині імпульсу керування 5 ел.град.

Кільцева схема випрямляння. Це одна з найбільш розповсюджених схем випрямляння в однопостових та багатопостових зварювальних ви прямлячах на великі струми. При відсутності зрівнювального реактора схема забезпечує, як і подвійна трифазна схема зі зрівнювальним реакто ром, добре використання зварювального трансформатора, але використан ня вентилів дещо гірше. Трансформатор випрямляча має шість вторинних обмоток, а блок вентилів замкнений у коло (рис.4.6).

Рис. 4.6. Кільцева схема випрямляння Тривалість роботи вентилів без урахування комутації складає 60 ел.град. Одночасно кожна з вторинних обмоток, як показано на діагра мі фазних струмів іф (рис.4.6) працює протягом 120 ел.град. Первинна об мотка трансформатора може зєднуватися трикутником або зіркою.

Амплітудне значення зворотної напруги на вентилі Uв max = 4,9U2ф.

Мінімальна ширина керуючих імпульсів у випадку тиристорного ре гулювання має бути 5 ел.град. Для керування тиристорами потрібні три гальванічно ізольованих джерела живлення.

Основні співвідношення, що характеризують роботу розглянутих схем випрямлення, наведені у табл.4.1.

Таблиця 4.1. Основні співвідношення, що характеризують схеми випрямляння Зворотна Середнє Діюче зна- Розра напруга на значення чення струму хункова по вентилі струму вентиля тужність Схема Uвmax вентиля Iв трансфор випрямляння Iв.сер Sт Іd U матора Pd Іd Трифазна мостова 1,045 0,333 0,578 1, Подвійна трифаз на зі зрівнюваль- 2,09 0,167 0,288 1, ним реактором Проста шестифаз на з нульовою то- 0,41 1, чкою, кільцева Найпоширеніші у зварювальних випрямлячах трифазна мостова, по двійна трифазна зі зрівнювальним реактором та шестифазна кільцева схема випрямляння. Аналіз співвідношень для цих схем показує: кожна з них має свої переваги та недоліки. У трифазної мостової схеми розрахункова поту жність трансформатора менше порівняно з двома іншими, але необхідно використовувати більш потужні напівпровідникові вентилі. У подвійній трифазній схемі зі зрівнювальним реактором найкраще завантаження вен тилів, але більша розрахункова потужність трансформатора. Кільцева схе ма займає проміжне положення як за завантаженням вентилів, так і за по тужністю трансформатора.

4.4. Принципи формування зовнішніх характеристик та регулювання вихідних параметрів зварювальних випрямлячів Однією з головних особливостей зварювальних випрямлячів є поєд нання в одному електричному апараті кіл змінного та постійного струму.

Ця особливість суттєво ускладнює визначення та аналіз співвідношень, що характеризують роботу випрямляча при різних режимах навантаження.

До кола змінного струму входять мережа живильної напруги, силовий трансформатор, регулятор зварювального струму (наприклад, дросель на сичення), які мають значний індуктивний ХL1 та активний R1 опори, а та кож блок вентилів з активним опором Rв.

До кола постійного струму у загальному випадку входять стабілізу вальний дросель з індуктивним ХL2 та активним R2 опорами, зварювальні кабелі та електроди з відповідними активними опорами. Головним видом навантаження випрямляча є зварювальна дуга.

Аналіз роботи зварювального випрямляча зручно проводити за допо могою схеми заміщення, яка складається для заданих параметрів живиль ного та зварювального кіл. При створенні схеми заміщення параметри ко ла випрямленого струму приводяться до параметрів кола змінного струму.

Складена схема заміщення дає змогу отримати рівняння зовнішньої вольт амперної характеристики та принципово визначити засоби регулювання вихідних параметрів для будь-якого типу зварювального випрямляча.

Розглянемо, наприклад, схему випрямляча з дроселем насичення, на ведену на рис.4.7, яка характеризується параметрами, вказаними у табл.4.2.

Рис. 4.7. Спрощена силова (а) вихідна (б) та еквівалентна (в) схема випрямляча з дроселем насичення Для складання схеми заміщення визначимо опори кіл змінного та по стійного струму.

Активний опір кола змінного струму R1 =R + RТ+Rв, М де R – опір живильної мережі, приведений до кола вторинної обмотки М силового трансформатора;

RТ – сумарний опір силового трансформатора та дроселя насичення у режимі короткого замикання, приведені до кола вто ринної обмотки трансформатора;

Rв – розрахунковий опір вентилів у двох плечах мостової схеми.

Таблиця 4.2. Вихідні опори схеми заміщення випрямляча Коло змінного струму Коло постійного струму Елемент Індуктив- Активний Індуктив- Активний ний опір Х опір R ний опір Х опір R Мережа RМ Силовий трансфор матор:

Х1 R первинні обмотки Х2 R вторинні обмотки Робочі обмотки дро ХР1 RР селя насичення Блок вентилів Rв Стабілізуючий дро- сель Х Р2 RР Rк Зварювальні кабелі Зварювальний елек- трод Rе Rд Зварювальна дуга Активний опір кола постійного струму RІІ= RР2 + RК + Rе + Rд.

Сумарний індуктивний опір силового трансформатора ХТ і дроселя ХР у режимі короткого замикання, приведені до кола вторинної обмотки трансформатора, позначимо як Х1, індуктивний опір стабілізувального дроселя – як ХІІ, а діючі значення ЕРС у кожній фазі – як еa, еb та еc. Тоді вихідна схема заміщення випрямляча буде мати вигляд, як показано на рис.4.7,б.

Для складання еквівалентної схеми заміщення (рис.4.7,в) виконаємо приведення кола випрямленого струму до кола змінного струму за допомо гою наступних виразів:

Rе.з =RІ + 2/3RІІ;

Хе.з =ХІ + 2/3ХІІ, де Rе.з та Хе.з – еквівалентні активний та індуктивний опори схеми замі щення;

2/3 – коефіцієнт приведення.

Еквівалентна схема заміщення має одну діючу змінну ЕРС Ее.з, що відповідає значенню ЕРС е2 або е3 (е2;

е3 – діючі значення ЕРС при дво- або тривентильній комутації струму).

Для отриманої еквівалентної схеми заміщення рівняння зовнішньої ВАХ випрямляча можна записати у символічній формі:

& & & Uдж = Ез.0 - І& (jXе.з + Rе.з)Uд. (4.5) д Аналіз рівняння (4.5) показує, що формування зовнішньої характерис тики випрямляча принципово можна здійснювати двома шляхами: 1) змі ною індуктивного опору силового трансформатора або дроселя – Хе.з;

2) зміною активного опору випрямного блока – Rе.з (іншими складовими параметра Rе.з можна знехтувати через їх незначність).

Форма зовнішньої характеристики і спосіб регулювання вихідних па раметрів випрямляча визначатимуться співвідношеннями між Хе.з та Rе.з.

При цьому можливі три випадки:

1. Хе.з 0;

Rе.з 0.

Тоді рівняння (4.5) набирає вигляду & & Uдж = Ез0 = const, dUдж тобто ВАХ випрямляча – жорстка = 0.

dI Регулювання вихідної напруги здійснюється за допомогою силового трансформатора з малим електромагнітним розсіюванням шляхом зміни коефіцієнта трансформації.

2. Rе.з 0;

Хе.з> 0.

Тоді & & Uдж = Ез0 - jI& Хе.з.

д При збільшенні струму навантаження вихідна напруга випрямляча dUдж зменшується, тобто ВАХ випрямляча – спадна < 0. Крутість спа dI дання ВАХ визначається величиною Хе.з.

При цьому Хе.з = Хт + ХР1 + ХР2.

Якщо Хт = 0, то спадна характеристика формується за рахунок послі довного вмикання з силовим трансформатором у коло змінного струму дроселя, який одночасно є й регулятором зварювального струму. Якщо ХТ > 0, то характеристику випрямляча формує силовий трансформатор;

він має розвинене електромагнітне розсіювання і виконує функції регулятора зварювального струму.

3. Хе.з 0;

Rе.з > 0.

У цьому випадку форма зовнішньої характеристики випрямляча може бути як жорсткою, так і спадною тому, що Rе.з Rв, тобто активний опір випрямляча визначається, головним чином, активним опором випрямного блока, зібраного на тиристорах. Формування зовнішньої характеристики випрямляча та регулювання вихідних параметрів забезпечується системою фазового керування тиристорами.

4.5. Однопостові випрямлячі Однопостові зварювальні випрямлячі – найбільш масова група випря млячів, що використовуються у різних галузях народного господарства для різних способів зварювання.

Однопостові випрямлячі за формою зовнішньої характеристики та функціональним призначенням можна поділити на такі групи:

зі спадними вольт-амперними характеристиками (ВАХ) для ручного дугового зварювання покритими електродами та механізованого зварю вання під флюсом;

з жорсткими ВАХ для механізованого зварювання плавким електро дом у захисних газах;

з універсальними ВАХ (крутоспадними та жорсткими) для декількох способів зварювання.

Промислові зразки однопостових випрямлячів мають різні системи ре гулювання вихідних параметрів – струму і напруги. Найбільш розповсю джені з них – це механічні. Використовуються також дроселі насичення, ти ристорні регулятори, а також спосіб зміни коефіцієнта трансформації сило вого трансформатора;

значно рідше – за допомогою баластних реостатів.

4.5.1. Випрямлячі за спадними зовнішніми характеристиками Це найпоширеніша категорія випрямлячів;

основні параметри цих джерел живлення регламентовані ГОСТ 13821-77Е.

Такі випрямлячі характеризуються стабільністю початкового збуджен ня дуги і процесу зварювання, доброю якістю формування шва та порівняно малим розбризкуванням електродного металу. Перенесення металу при оп тимальних режимах ручного дугового зварювання відбувається з періодич ними замиканнями краплями дугового проміжку і лише при подовженні ду ги можлива крупнокраплинна форма перенесення без коротких замикань.

Проведені дослідження процесів перенесення електродного металу че рез дугу при живленні її від випрямлячів при ручному дуговому зварюванні визначили основні вимоги до конструкції випрямлячів зі спадними зовніш німи характеристиками. Встановлено, що випрямлячі для ручного дугового зварювання на струми до 500 А, які мають як регулюючий орган трансфор матори з розвиненим електромагнітним розсіюванням, доцільно виготовля ти за трифазною мостовою схемою випрямляння. Застосування подвійної трифазної та простої шестифазної схем випрямляння нераціональне.

Випрямлячі з механічним регулюванням – це одні з найпростіших за конструкцією джерел живлення для ручного дугового зварювання. Вони надійні у роботі, легкі в обслуговуванні, мають високі зварювальні власти вості. Для формування спадних зовнішніх характеристик та регулювання зварювального струму використовуються головним чином дві системи ме ханічного регулювання: трансформатори з рухомими магнітними шунтами та трансформатори з пересувними обмотками. Трансформатори з рухоми ми шунтами у трифазному варіанті широко використовуються у сучасних зразках вітчизняних та закордонних зварювальних випрямлячів. Основна перевага даної системи регулювання – можливість досягнення достатньо широких меж зварювального струму в одному діапазоні. Але це потребує дуже точного забезпечення повітряного зазору (0,5 мм) між шунтом і стрижнями трансформатора, що являє собою складне технологічне завдан ня. Крім того, трифазні трансформатори з магнітним шунтом мають велику асиметрію магнітних полів розсіювання, а також лінійних та фазних стру мів, що потребує застосування спеціальних конструктивних рішень для вирівнювання магнітного поля.

В Україні (ВАТ "Фірма СЭЛМА") серійно випускаються випрямлячі ВД-131, ВД-306М, ВД-306С з пересувними магнітними шунтами, технічна характеристика яких наведена у дод.2 (табл.2.3).

У випрямлячах для ручного дугового зварювання широко застосову ються трансформатори з пересувними обмотками. Такий вид регулювання мають випрямлячі ВД-306, ВД-401. Асиметрія магнітних полів, вторинних напруг, лінійних та фазних струмів у таких трансформаторів значно мен ша, ніж у трансформаторів з рухомими шунтами.

Два діапазони струму дають змогу значно розширити межі регулю вання (див. дод.2, табл.2.3).

Випрямляч ВД-306 (рис.4.8,а) містить випрямний блок 1 з вентилято ром та трифазний знижувальний трансформатор 2 з розвиненим електро магнітним розсіюванням, що закріплені на металевій рамі, яка встановлена на двох колесах 4. Конструкція захищена кожухом і кришкою, на якій роз міщена рукоятка 3 плавного регулювання зварювального струму. На лице вій панелі розташовані рознімачі 5 для підключення зварювальних кабелів, перемикач діапазонів 6 та транспортувальні рукоятки 7.

Рис. 4.8. Конструкція (а) та спрощена електрична схема (б) випрямляча ВД- Перемикання діапазонів здійснюється шляхом зєднання первинних та вторинних обмоток трансформатора Т1 (рис.4.8,б) "трикутник-трикутник" (діапазон великих струмів) або "зірка-зірка" (діапазон малих струмів). Та кий спосіб отримання двох діапазонів дає змогу змінити зварювальний струм у три рази без додаткових витрат активних матеріалів. Плавне регу лювання струму в межах кожного діапазону здійснюється через зміну від стані між котушками обмоток трансформатора. При зближенні котушок індуктивність розсіювання обмоток та їх індуктивні опори зменшуються – зварювальний струм зростає. При збільшенні відстані між обмотками струм зменшується. Рухомими є котушки первинної обмотки, котушки вторинної обмотки закріплені біля верхнього ярма магнітопроводу транс форматора.

Випрямні блоки ВД-306 та ВД-401 виконані за трифазною мостовою схемою випрямляння на кремнієвих вентилях В200 класу 3 та вище. Вен тиляція – повітряна примусова. Нормальна робота системи вентиляції кон тролюється повітряним реле К3. Перемикання діапазонів здійснюється пе ремикачем S.

Випрямляч ВД-306 має систему захисту, що відключає його від мере жі у випадку виходу з одного з вентилів випрямного блока або при пробої на корпус вторинної обмотки трансформатора. Система складається з маг нітного підсилювача А, трансформатора Т2 та реле К1. Змінний струм, що протікає по фазних дротах, які проходять крізь вікно тороїдального магні топроводу підсилювача, не насичує магнітопровід, і вся напруга падає на обмотках підсилювача. В аварійних режимах у фазних струмах трансфор матора Т1 зявляється постійна складова, магнітопровід підсилювача А на сичується, реле К1 спрацьовує і розмикає коло магнітного пускача К2, який відключає випрямляч від мережі. Подібний захист застосований у ви прямлячі ВД-401.

Технічні характеристики зварювальних випрямлячів ВД-306 та ВД-401 наведені у дод.2 (див. табл.2.3).

Випрямлячі з дроселями насичення. Схема формування спадної зовні шньої характеристики та плавне регулювання зварювального струму за допомогою дроселя насичення, увімкнутого у вторинне коло силового трансформатора, раніше була поширеною у випрямлячах на струми 400 А і більше завдяки простоті дистанційного керування зварювальним режи мом та можливості його стабілізації при коливаннях напруги мережі. Зараз такі схеми у випрямлячах зі спадними ВАХ майже не використовуються у звязку з розвитком тиристорних схем керування.

Випрямляч ВД-502-2 поєднує певною мірою обидві ці системи. Обмо тка керування ДН живиться від тиристорного регулятора, зібраного за од нопівперіодною схемою випрямляння. Випрямляч має дистанційне регу лювання зварювального струму з виносного пульта та забезпечує стабілі зацію вихідних параметрів. У діапазоні 100...500 А струм підтримується з точністю 2,5 % при підвищенні напруги мережі на 5 % і з точністю 5 % при зниженні напруги мережі на 10 %. Випрямляч ВД-502-2 зібраний за трифазною мостовою схемою випрямляння з використанням вентилів В200. Охолодження – повітряне примусове. Технічну характеристику ви прямляча наведено у дод. 2 (див. табл.2.3).

4.5.2. Випрямлячі з жорсткими зовнішніми характеристиками Конструкція випрямлячів цієї групи суттєво визначається особливос тями процесу зварювання у середовищі захисних газів. Як відомо, механі зоване зварювання у середовищі захисних газів, зокрема в СО2, є одним з найбільш масових способів дугового зварювання. У широкому діапазоні зварювальних режимів перенесення електродного металу має різний хара ктер. Найбільш характерними режимами, що забезпечують допустиме роз бризкування, є такі, за яких перенесення металу відбувається з короткими замиканнями дугового проміжку, а також режими з високою густиною струму в електроді, коли має місце дрібнокраплинне перенесення металу без короткого замикання дугового проміжку. При зварюванні з короткими замиканнями до джерел живлення ставляться спеціальні вимоги стосовно забезпечення стійкості процесу горіння зварювальної дуги. Ознакою стій кості процесу у цьому випадку є не сталість довжини дугового проміжку, напруги та струму дуги, а певна періодичність зміни всіх вказаних параме трів режиму зварювання. Коротко пояснити процес зварювання з періоди чними короткими замиканнями можна за допомогою аналізу осцилограм струму та напруги в дузі протягом одного циклу (рис.4.9).

Тепло, що виділяється ду гою після її збудження услід за розривом перемички між елек тродом та краплею, швидко оплавляє кінець електрода, і дуговий проміжок дещо збіль шується. Далі обєм краплі по ступово зростає, і внаслідок Рис. 4.9. Осцилограма струму та напруги в зменшення відводу тепла в дузі при зварюванні з короткими замикан електрод швидкість плавлення нями дугового проміжку:

знижується. При постійній Т – загальний час циклу;

t1 – час горіння дуги;

t2 – час короткого замикання дугово швидкості подачі електродного го проміжку;

t3 – час відновлення проміж дроту кінець електрода набли ку після вибуху рідкої краплі;

Imax – найбільше значення струму під час корот- жається до ванни і крапля за кого замикання;

Imin – найменше значення микає дуговий проміжок. По струму, що передує короткому замиканню чинається перетікання краплі у ванну та утворення шийки, що зєднує її з електродом;

дуга згасає, напруга різко спадає, струм короткого замикання зростає. Внаслідок цього підсилюється стискаюча дія струму на краплю металу, зростає густина струму у шийці краплі, вона перегорає з вибухом;

напруга в дуговому проміжку майже миттєво зростає до значен ня, більшого за встановлене для зварювання. Дуга збуджується, і процес повторюється знову. Величини t2, t3, Imax, Imin (див.рис.4.9) характеризують динамічні властивості джерела живлення та його здатність забезпечувати стійкий процес зварювання.

Головною причиною розбризкування металу при зварюванні є, таким чином, електричний вибух перемички (шийки краплі) між електродом та ванною. У звязку з цим особливо важливе значення для протікання проце су зварювання з короткими замиканнями дугового проміжку та зменшення розбризкування електродного металу має швидкість наростання струму di Iк.з короткого замикання =.

dt t Обмеження струму короткого замикання здійснюється різними мето дами: вмиканням індуктивності у зварювальне коло, збільшенням крутості нахилу зовнішньої характеристики джерела, зокрема за допомогою баласт ного реостата;

комбінованим способом – вмиканням у зварювальне коло дроселя з невеликою індуктивністю та зміною нахилу ВАХ випрямляча.

При зварюванні в СО2 дротами малих діаметрів для стійкого проті кання процесу потрібні значно більша швидкість наростання струму та відповідно менша індуктивність у зварювальному колі, ніж при зварюванні товстими дротами. Для однопостових випрямлячів рекомендуються такі співвідношення між індуктивністю, силою струму та діаметром електро дного дроту (табл.4.3).

Таблиця 4.3. Індуктивність стабілізувального дроселя випрямляча при зварюванні у СО2 дротами різних діаметрів Діаметр дроту, Сила струму зварю- Індуктивність, мм вання, А мкГн 0,8...1,2 До 200 150... 1,6...2,0 До 700 400... 1,6...2,0 Більше 700 150... Слід пам'ятати, що обмеження струму короткого замикання шляхом використання баластного реостата не забезпечує якісного формування вер тикальних та стельових швів і тому найменш ефективне.

Обмеження струму короткого замикання шляхом збільшення нахилу зовнішніх характеристик випрямляча дещо знижує розбризкування, але одночасно може погіршити стійкість процесу зварювання короткою дугою тонкими дротами на малих струмах. Доцільно забезпечувати нахил ВАХ випрямляча при зварюванні в СО2 у межах 0,01...0,02 В/А.

Ефективним засобом підвищення стабільності горіння дуги при зва рюванні з короткими замиканнями дугового проміжку дротами діаметром 1,0...1,6 мм, а також зниження мінімального зварювального струму при за даному діаметрі електродного дроту є введення у зварювальне коло дросе льного пристрою з безступеневим регулюванням індуктивності зварюва льного кола. У цьому випадку зростає до 30 % частота коротких замикань, полегшується зварювання швів у положеннях, відмінних від нижнього.

Процес горіння дуги йде стабільно при загально прийнятих нахилах зовні шніх характеристик випрямляча.

Випрямлячі зі ступінчастим регулюванням вихідної напруги. Такі ви прямлячі належать до категорії найпростіших джерел живлення, що досить поширені. Вони складаються з трифазного знижувального трансформатора з секціонованою первинною обмоткою, перемикача ступеней, блока венти лів, дроселя у зварювальному колі. Випрямний блок складається за трифа зною мостовою схемою на діодах, охолодження – повітряне примусове. Іс тотними недоліками подібних випрямлячів (ВС-300А, ВС-600М, ВДГ-304, ВС-632) є необхідність у великій кількості ступеней регулювання, неефек тивне використання активних матеріалів, відсутність плавного та дистан ційного регулювання. Секціонування первинної обмотки повязане зі збі льшенням розрахункової потужності трансформатора. При роботі на мак симальній потужності секціонована частина первинної обмотки не викори стовується. Тому коефіцієнт використання трансформатора виявляється значно менше одиниці (він дорівнює 0,67 при діапазоні регулювання на пруги 1:2).

Випрямляч ВС-300А. Випрямляч (рис.4.10) містить силовий трансформатор Т, який за допомогою перемикачів первинної обмотки S1 ("Плавно") та S2 ("Грубо") за безпечує 24 ступені регулювання вихідної напруги. У зварювальне коло увімкнутий стабілізувальний дросель з індуктивністю 250мкГн. За конструкцією випрямляча ВС 300 фірма "СЭЛМА" випускає випрямляч ВДГ-304.

Випрямляч ВС-600М має подібну конструкцію, але загальна кількість ступіней регулювання – 27, кількість перемикачів – 3.

Для розширення діапазону допустимих ре жимів зварювання дросель випрямляча сек ціоновано. При зварюванні електродним Рис. 4.10. Спрощена елек дротом діаметром 0,8...1,2 мм у зварювальне трична схема перемикання коло вмикається частина витків дроселя (ін ступенів регулювання ви дуктивність – 150 мкГн), при зварюванні прямляча ВС-300А дротом більшого діаметра – вся дросельна обмотка (індуктивність 450 мкГн). Технічні характеристики випрямлячів ВС-300А, ВС-600М та ВДГ-304 наведені у дод.2 (див. табл.2.3).

Випрямлячі з плавно-ступінчастим регулюванням режиму. Стабілізо ваний зварювальний випрямляч ВДГ-303 (рис.4.11) використовується при механізованому зварюванні у середовищі СО2. Ступінчасте регулювання здійснюється шляхом зміни коефіцієнта трансформації силового трансфо рматора Т. Плавне дистанційне регулювання у середині ступеня – дросе лем насичення L1. Максимальну вихідну напругу отримують при зєднанні фаз первинної обмотки трикутником з відгалуженнями (1-а ступінь), най меншу – при зєднанні фаз зіркою (3-я ступінь). Проміжна (2-а ступінь) відповідає зєднанню фаз обмотки трикутником без відгалужень. Переми кання ступеней здійснюється трифазним пакетно-кулачковим перемикачем S1 на три положення. Трифазний дросель насичення L1 з внутрішнім зво ротним звязком містить дві обмотки: робочу (силову) РО і обмотку керу вання або підмагнічування ОК. Секції цих обмоток розміщені на шістьох витих магнітопроводах. По робочих обмотках проходить однополярний, перервний струм. Час вступу чергового вентиля силового випрямного бло ка VD3 у роботу визначається часом, витраченим на перемагнічування ма гнітопроводу, тобто на перехід його з ненасиченого стану у стан насичення та назад.

Рис. 4.11. Спрощена електрична схема випрямляча ВДГ- Для плавного регулювання вихідної напруги передбачений потенціо метр R1, що змінює силу струму намагнічування в обмотці керування ОК дроселя L1, на яку подається напруга від стабілізатора напруги СН через випрямний блок VD1.

Обмотка зміщення ОЗ, яка живиться від допоміжного випрямляча VD2, служить для розширення меж регулювання зварювальної напруги.

При зниженні напруги мережі напруга на виході стабілізатора збіль шується (та навпаки), що дає змогу частково компенсувати зміну робочої напруги при коливаннях напруги мережі. У випрямлячі ВДГ-303 застосо ваний стабілізувальний дросель L2 спеціальної конструкції, яка забезпечує підвищення стабільності зварювального процесу та безступеневе регулю вання індуктивності залежно від режиму зварювання.

Вентиляція випрямляча – повітряна примусова. Технічну характерис тику випрямляча ВДГ-303 наведено у дод.2 (див. табл.2.3). Треба відзначи ти, що за швидкодією та витратам матеріалів такі випрямлячі поступають ся тиристорним випрямлячам.

Випрямляч ВСЖ-303 містить трансформатор з магнітною комутацією (рис.4.12,а). Вторинна обмотка трансформатора складається з двох частин.

Перша, що не регулюється, з числом витків W2 закріплена разом з первин ною обмоткою з числом витків W1 у нижній частині магнітопроводу;

друга, що регулюється, з числом витків W2 розміщена між середнім та верхнім ярмами магнітопроводу. Ці ярма підмагнічуються обмотками керування ОК1 та ОК2, які живляться постійним струмом. При підмагнічуванні верх ньої частини магнітопроводу змінний магнітний потік Ф замикається, в ос новному, через середнє ярмо і ЕРС утворюється лише частиною вторинної обмотки W2 трансформатора. Напруга на виході трансформатора буде мі німальною. При підмагнічуванні середньої частини магнітопроводу основна частина змінного магнітного потоку замикається через верхнє ярмо, ЕРС наводиться в обох частинах вторинної обмотки. Напруга трансформатора у цьому випадку буде найбільшою. При підмагнічуванні обох ярем отриму ють будь-яке проміжне значення вторинної напруги у межах діапазону пла вного регулювання. Напруга плавно регулюється резистором R2 (рис.4.12,б) та спеціальною схемою керування. Для розширення діапазону напруг у ви прямлячі передбачено ступеневе регулювання (три ступені) зміною числа витків обмотки W 2 за допомогою перемикача Q.

Випрямний блок VD1 складається з шести кремнієвих вентилів, уві мкнутих за трифазною мостовою схемою випрямляння.

Рис. 4.12. Силовий трансформатор (а) та електрична схема (б) випрямляча ВСЖ- Електронна схема керування випрямляча ВСЖ-303 забезпечує стабілі зацію вихідної напруги при коливаннях напруги мережі та корекцію нахи лу зовнішніх характеристик. Звязок між швидкістю наростання струму ко di роткого замикання та параметрами зварювального кола визначається dt залежністю di U0 - iR =, (4.6) dt L де U0 – напруга, докладена до кола, В;

і – діюче значення струму, А;

R– ак тивний опір кола, Ом;

L – індуктивність кола, Гн.

Отже, за наявності деякої індуктивності є можливість, як показано вище, у разі плавного роздільного регулювання напруги холостого ходу U di та нахилу зовнішніх характеристик змінювати, відповідно струм корот dt кого замикання Ік.з і, як наслідок, розбризкування металу при зварюванні.

Наявність додаткового блока корекції (трансформатор Т2, допоміж ний випрямний блок VD2, регулятор R1 нахилу зовнішніх характеристик) дає змогу при роботі від випрямляча ВСЖ-303 виконувати деяку роздільну настройку режиму зварювання зміною напруги холостого ходу і нахилу зовнішніх характеристик.

Індуктивність у зварювальному колі випрямляча складає 150 мкГн.

Нахил зовнішніх характеристик може змінюватися від 0,015 до 0,07 В/А.

Технічну характеристику випрямляча ВСЖ-303 наведено у дод.2 (див.

табл.2.3).

Останнім часом розроблені вдосконалені конструкції випрямлячів з плавно-ступеневим регулюванням напруги типів ВДГ-303-3, та ВДГ-401, технічні характеристики яких також наведені у дод.2 (див. табл.2.3).

4.5.3. Тиристорні зварювальні випрямлячі Створення потужних напівпровідникових приладів та застосування тиристорів у зварювальних випрямлячах привело до розробки й випуску широкої номенклатури тиристорних випрямлячів для дугового зварюван ня. За рахунок поєднання в собі функції випрямляння та регулювання ти ристорний регулятор дає змогу простими методами конструювати випрям лячі зі спадними, жорсткими та універсальними зовнішніми характеристи ками, з дистанційним регулюванням, стабілізацією режиму зварювання при коливаннях напруги мережі та програмним керуванням.

Тиристорні випрямлячі являють собою, як правило, замкнену систему автоматичного регулювання зі зворотними звязками за струмом зварю вання Ізв, або за напругою дуги Uд, або за обома параметрами, як це має мі сце в універсальних випрямлячах (рис.4.13).

Рис. 4.13. Структурна блок-схема тиристорного універсального випрямляча:

Т – силовий трансформатор;

ТВ – силовий тиристорний випрямний блок;

Д – датчик струму;

L – стабілізувальний дросель;

БФК – блок фазового керуваня тиристорами Особливістю випрямлячів з універсальними зовнішніми характерис тиками є уніфікація конструкції силового трансформатора Т. Стабільний процес зварювання в середовищі двоокису вуглецю тонкими електродни ми дротами суцільного перерізу у різних просторових положеннях може бути забезпечений лише за умови живлення від випрямлячів з природною жорсткою характеристикою, виготовлених на базі трансформаторів з нор мальним електромагнітним розсіюванням. Одночасно ручне дугове зварю вання покритими електродами та зварювання під флюсом можна викону вати при спадних характеристиках, що отримуються на базі трансформато рів з нормальним магнітним розсіюванням. З урахуванням цього всі тирис торні випрямлячі виконуються з силовим знижувальним трансформатором, що має нормальне розсіювання.

У тиристорних випрямлячах застосовують здебільшого трифазну мо стову або подвійну трифазну зі зрівнювальним реактором схему випрям ляння. Іноді використовують напівкеровані мостові схеми з половинною кількістю тиристорів і діодів.

Зварювальні випрямлячі на струми до 500 А виготовляють за подвій ною трифазною схемою зі зрівнювальним реактором, на струм 630 А – за подвійною трифазною зі зрівнювальним реактором та за шестифазною кі льцевою схемою, а на струм 1250 А – за шестифазною кільцевою схемою випрямляння.

Основним недоліком тиристорних випрямлячів є високий коефіцієнт пульсацій випрямленого струму, який, як було відзначено у розд.4.1, мож на зменшити за допомогою дроселя L, що вмикається у зварювальне коло (див. рис.4.13). Магнітопровід дроселя виконується з повітряним зазором.

Іноді дроселі, крім силової обмотки, обладнують обмоткою керування, яку вмикають у зварювальне коло між електродом та виробом через додаткові діоди або тиристори (рис.4.14). Застосування такого дроселя розглянуто також на рис. 4.11.

В обмотці керування ін дукується ЕРС завдяки змінній складовій випрямленого стру му, що протікає через силову обмотку. Це дає змогу автома тично змінювати індуктивність дроселя. На малих режимах випрямлений струм в обмотці керування сприяє зменшенню індуктивності дроселя. На ве Рис. 4.14. Стабілізувальний дросель з об моткою керування ликих режимах збільшується запірна робоча напруга дуги, струм керування зменшується і індуктивність зростає. При короткому за миканні дугового проміжку краплею розплавленого металу, коли у силовій обмотці дроселя струм різко зростає, в обмотках W1 та W2 (див. рис.4.14) наводиться значна ЕРС. Діод VD1 закривається, а діод VD2 відкриваєть ся. Після закінчення КЗ діоди міняються ролями. Відбувається параметри чне керування енергією дроселя, що сприяє здрібнюванню та стабілізації розміру крапель, які переносяться. Істотне покращання стабільності горін ня дуги можна отримати, якщо застосувати допоміжні випрямні пристрої, що підживлюють дугу невеликим струмом (10...20 А). Прикладом такого пристрою є блок підживлення випрямляча ВДГ-601 (рис.4.15). Блок скла дається з трифазного трансформатора Т2 зі спадною характеристикою (пе рвинна і вторинна обмотки – рознесені) та випрямного блока VD, що зі браний за трифазною мостовою схемою. Згладжування пульсацій здійсню ється не лише завдяки роботі власного блоку підживлення, а й за рахунок застосування випрямного моста як зворотного діода у сполученні з сило вим дроселем у зварювальному колі.

Рис. 4.15. Блок підживлення випрямляча ВДГ- Для керування тиристорними випрямлячами використовують багато канальні системи, побудовані за принципом вертикального фазового зсуву.

Суть його полягає у тому, що формування фази керуючого імпульсу Uі у кожному каналі відбувається в момент рівності (порівняння по "вер тикалі") змінної опорної напруги Uоп (синусоїдальної, трикутної або пил коподібної) та постійної напруги Uк, що потрапляє до нього від пристроїв керування. При зміні значення Uк (Uк1, Uк2) відбувається зсув фази імпуль сів керування тиристорами (1, 2) і, таким чином, забезпечується регулю вання випрямної напруги від нуля до максимального значення. На рис.4.16,а наведено типову функціональну схему одного каналу такої сис теми. До його складу входять фазозсувний пристрій ФЗП та формувач ім пульсів ФІ. У свою чергу ФЗП містить генератор (ГОН) опорної напруги, що сінхронізована з напругою відповідної фази мережі Uвх, та компаратор А. На вхід А, крім опорної напруги Uоп, яка у даному випадку має пилко подібну форму, подається на пруга керування Uк, яка є су мою напруги завдання Uз (див.

рис.4.13) та сигналів зворотних звязків за струмом ЗЗС і за на пругою дуги 33Н. Вид зовніш ніх характеристик випрямляча формується під дією цих зворо тних звязків. В універсальних випрямлячах при формуванні спадної ВАХ діє лише зворот ний звязок за струмом. Сигнал, пропорційний струму зварю вання, знімається з шунта або іншого вимірювального при строю, підсилюється та пода ється до одного з входів ФЗП.

При формуванні жорсткої ВАХ діють зворотні звязки за стру мом та напругою, причому дія ЗЗН переважає над ЗЗС.

Рис. 4.16. Формування імпульсів керуван Зварювальні випрямлячі ня тиристорами:

а – структурна схема одного каналу БФК;

серії ВДУ та ВДГ. Сьогодні б – діаграми напруг та імпульсів випускається значна кількість керування тиристорних зварювальних ви прямлячів для ручного дугового та механізованого зварювання у захисних газах і під флюсом. Електричні схеми випрямлячів передбачають переми кання їх для роботи як з жорсткими, так і зі спадними зовнішніми характе ристиками. Усі випрямлячі забезпечують плавне дистанційне регулювання зварювального струму та напруги, а також стабілізацію режиму при зміні напруги живильної мережі. При роботі на спадних зовнішніх характерис тиках випрямлячі забезпечують стабілізацію струму при зміні напруги ме режі до 5 % з точністю не гірше +2,5 %, при коливаннях напруги мережі до –10 % – не гірше + 5 %. При роботі на жорстких характеристиках при по дібних коливаннях напруги мережі забезпечується стабілізація робочої на пруги з точністю +1 В.

Універсальні тиристорні випрямлячі ВДУ-506, ВДУ-601, призначені для механізованого зварювання у середовищі захисних газів та під флю сом, можуть використовуватися для ручного дугового зварювання покри тими електродами. Вони також придатні для спільної роботи з роботами та автоматичними маніпуляторами. При роботі з маніпуляторами ставляться підвищені вимоги до таких технологічних показників джерела, як надій ність первинного збудження дуги, стійкість процесу зварювання в усіх просторових положеннях.

До схеми випрямлячів уведений спеціальний вузол, що забезпечує ви біркове за величиною форсування збудження дуги залежно від протяжнос ті та положення шва у просторі. Випрямлячі дають змогу здійснювати зварювання матеріалів малих товщин на струмах 60 А та більше з викорис танням зварювального дроту діа метром 1,0 та 1,2 мм, а також без ступеневу зміну індуктивності у зварювальному колі в залежності від режиму зварювання.

Структурна схема випрямля чів наведена на рис.4.17. Згідно з цією схемою спадні зовнішні ха рактеристики (С) забезпечуються негативним зворотним звязком за струмом ЗЗС, жорсткі (Ж) – вмиканням зворотного звязку за напругою 33Н, який діє спільно зі зворотним звязком ЗЗС. Для по Рис. 4.17. Структурна схема системи ліпшення стабілізації режиму керування випрямлячів ВДУ- та ВДУ- зварювання при коливаннях на пруги живильної мережі, перед бачений додатковий зворотний звязок за мережею ЗЗМ. Напруга керуван ня формується вузлом-формувачем напруги керування ФНК, до входу яко го надходять напруга завдання Uз з вузла завдання режиму ВЗР та сигнали зворотних звязків.

Імпульси керування силовими тиристорами створюються блоком фо рмування імпульсів БФІ та потрапляють до силового тиристорного випря мляча СТВ.

Блок живлення забезпечує отримання напруг, потрібних для роботи системи фазового керування.

Для поліпшення запалювання дуги при зварюванні у середовищі дво окису вуглецю на жорстких зовнішніх характеристиках до схеми уведений спеціальний додатковий вузол обмеження дії зворотного звязку за напру гою ОЗЗН.

Блок БФІ побудований за шестиканальною системою фазового керу вання. Керування тиристорами здійснюється імпульсами прямокутної фо рми. До входу блока БФІ потрапляють шість зсунутих між собою на 60 ел.град напруг синхронізації НС з трансформатора блока живлення БЖ.

Кожен канал блока БФІ складається з формувача імпульсів у вигляді три гера, проміжного погоджуючого підсилювача-формувача, кінцевого тран зисторного каскаду підсилення.

Випрямлячі ВДУ-506 та ВДУ-601 зібрані за подвійною трифазною схемою випрямляння зі зрівнювальним реактором.

Такі випрямлячі випускаються підприємствами Росії та Литви. В Україні подібні випрямлячі ВДУ-506С та ВДУ-601С випускає ВАТ "Фірма СЭЛМА". Слід мати на увазі, що випрямляч ВДУ-601 (ВДУ-601С) є дво режимним джерелом живлення і дає змогу незалежно здійснювати на стройку робочої напруги для двох режимів зварювання за допомогою окремих потенціометрів. Дистанційне перемикання режимів здійснюється з пульта керування напівавтомата.

Зварювальні випрямлячі ВДУ-1201 та ВДУ-1250 призначені для авто матичного зварювання у середовищі захисних газів, під флюсом, та поро шковим дротом. Випрямлячі зібрані за шестифазною кільцевою схемою випрямлення. Вони мають також деякі відмінності у системі керування ти ристорами відносно випрямлячів ВДУ-506 та ВДУ-601. Технічні характеристики випрямлячів ВДУ-506 (ВДУ-506С), ВДУ-601 (ВДУ-601С), ВДУ-1201 та ВДУ-1250 наведені у додатку 2 (див. табл.2.3).

Зварювальний випрямляч ВДГ-601 доцільно використовувати для зва рювання в середовищі СО2 зєднань зі змінним зазором металоконструкцій зі швами, що розташовані у нижньому та вертикальному положеннях. У цьому випадку, а також для конструкцій, які мають широкий діапазон то вщин деталей, зварювання здійснюється у двох режимах, що дистанційно перемикаються, без зміни діаметра електродного дроту. Випрямляч ВДГ-601 має тільки жорсткі зовнішні характеристики.

Електрична схема випрямляча дає змогу виконувати (місцево або дис танційно) незалежну настройку робочої напруги для двох режимів зварю вання за допомогою двох окремих потенціометрів. Дистанційне переми кання режимів здійснюється проміжним реле, що вмикається з пульта ке рування напівавтомата. Одночасно здійснюється й перемикання швидкості подачі електродного дроту. Напруга в дузі при переході з одного режиму на другий змінюється повільно через часову затримку. Дросель у зварюва льному колі випрямляча має дві ступені індуктивності (200 та 500 мкГн).

Індуктивність для кожного режиму встановлюється попередньо та диста нційно перемикається у процесі зварювання разом зі зміною режиму. Дро сель (рис.4.18) з повітряним зазором містить додаткову обмотку керу вання ОК, що магнітно звязана з силовою обмоткою ОД. Для зменшення індуктивності обмотка ОК замикається на малопотужний допоміжний дросель L. При роботі випрямляча під навантаженням в обмотці керування ОК наводиться ЕРС частотою 300 Гц. Значення ЕРС зростає при зварю ванні на режимах малих струмів, для яких характерна більш глибока пуль сація струму. При підключенні дроселя L, обмотка ОК створює магнітний потік, спрямований стрічно основному, і індуктивність основного дроселя знижується, особливо при зварюванні на малих струмах.

Рис. 4.18. Дросель з дистанційним перемиканням індуктивності Випрямляч має широкі межі регулювання струму і напруги в одному діапазоні, що досягнуто шляхом застосування блока підживлення (див.

рис.4.15). Випрямний блок ВДГ-601 зібраний за шестифазною кільцевою схемою випрямляння. Схема керування тиристорами подібна до схеми ви прямляча ВДУ-1201. Для отримання жорстких зовнішніх характеристик у випрямлячі ВДГ-601 використовується тільки зворотний звязок за вихід ною напругою. Технічна характеристика випрямляча ВДГ-601 наведена у дод. 2 (див. табл.2.3).

Не можна однозначно стверджувати, що тиристорні випрямлячі за технологічними властивостями переважують своїх попередників (генера торів, діодних випрямлячів). Але керовані тиристорні випрямлячі вирішу ють такі технологічні завдання, які на попередньому устаткуванні здійсни ти було важко. До цього можна віднести, наприклад, низькочастотну мо дуляцію зварювального струму від часток герців до 10...15 Гц, яка ефекти вна для керування формуванням та кристалізацією зварних швів. Таку мо дуляцію можна отримати, якщо підключити до будь-якого серійного ви прямляча типу ВДУ спеціальний блок.

4.6. Вибір випрямлячів для різних способів зварювання Для вибору зварювального випрямляча при заданому способі зварю вання слід насамперед визначити форму статичної вольт-амперної харак теристики дуги та її параметри у залежності від режиму зварювання.

Порівнюючи статичні характеристики дуги і випрямляча, вибрати їх найкраще сполучення, при якому забезпечується стійка робота системи "джерело живлення – дуга – ванна" та стабільність підтримання заданого режиму зварювання.

Далі, на основі технічних умов експлуатації зварювальних випрямля чів та електричних параметрів зварювання, вибирають зварювальний ви прямляч потрібної потужності з необхідним режимом роботи (тривалий, переміжний або повторно-короткочасний).

Вибір однопостового випрямляча для певного способу зварювання розглянемо на прикладах.

Приклад 1. Вибрати випрямляч для ручного дугового зварювання по критими електродами діаметром 5 мм.

Рішення. При ручному дуговому зварюванні між діаметром електрода і силою зварювального струму існує співвідношення: Ізв = (35...50)dе, де dе – діаметр електрода в міліметрах. Для електрода з dе = 5 мм Ізв=165...250 А. Вольт-амперна характеристика дуги у цьому діапазоні струмів – жорстка, тому для забезпечення стійкого горіння дуги треба застосовувати випрямляч зі спадною зовнішньою характеристикою. При такій характеристиці струм короткого замикання дещо більше робочого струму, що не порушує режиму зварювання при виниканні випадкових ко ротких замикань. Крім того, під час частих змін напруги дуги, що характе рно для ручного дугового зварювання, зварювальний струм змінюється мало. Напруга в зварювальній дузі при ручному дуговому зварюванні пе ребуває у межах 20...35 В і встановлюється відповідно до конкретних умов та досвіду зварника.

Для забезпечення заданих параметрів режиму зварювання можна виб рати випрямлячі серії ВД (дод.2, табл. 2.3). Найбільш придатними з них є випрямлячі марок ВД-306 або ВД-306С, які забезпечують роботу протягом 3 хв і паузу протягом 2 хв (номінальний режим роботи ВД-306 при ПН = 60 %, ВД-306С при ПВ = 60 %). Випрямляч ВД-306М має ПВ = 15 %, а випрямляч ВД-401 є занадто потужним і, крім того, має менший коефіцієнт корисної дії, ніж ВД-306.

Приклад 2. Вибрати однопостовий випрямляч для механізованого зварювання у середовищі вуглекислого газу струмом силою 400 А.

Рішення. Для механізованого зварювання у середовищі захисного газу застосовують випрямлячі з жорсткою або пологоспадною зовнішньою ха рактеристикою тому, що при високій густині струму, характерній для цьо го способу зварювання, статична характеристика дуги – зростаюча. Напру га в дузі при механізованому зварюванні у середовищі СО2 для зварюваль ного струму, що змінюється у діапазоні 200...500 А, складає 24...34 В і за лежить від марки матеріалу та товщини деталей, які зварюються у конкре тних умовах.

Для механізованого зварювання можна застосувати різні випрямлячі з жорсткими зовнішніми характеристиками та універсальні випрямлячі (див.

дод.2,табл.2.3). Найбільше задовольняють умовам завдання випрямляч ВСЖ-303, який має жорстку зовнішню характеристику, та випрямляч ВДУ-506 (ВДУ-506С) зі спадною та жорсткою зовнішніми характеристи ками. Слід відзначити, що випрямляч ВДУ-506С випускається в Україні і тому є переважним з економічної точки зору. У той же час використання вітчизняних випрямлячів більшої потужності буде економічно неефектив ним через великі енерговитрати.

Контрольні питання 1. З яких функціональних блоків складається силова схема випрям ляча?

2. У чому полягають особливості роботи вентилів у зварювальних випрямлячах?

3. Які схеми випрямляння змінного струму використовуються у зва рювальних випрямлячах? Якими показниками ці схеми характеризуються?

4. Які фактори визначають форму зовнішньої вольт-амперної харак теристики зварювального випрямляча?

5. Якими способами регулюються зварювальний струм та вихідна напруга у випрямлячах?

6. Які особливості мають випрямлячі для механізованого зварювання у середовищі захисних газів?

7. Як формуються сигнали керування тиристорами в універсальних зварювальних випрямлячах?

Глава ДЖЕРЕЛА ЖИВЛЕННЯ ДЛЯ ІМПУЛЬСНО-ДУГОВОГО ЗВАРЮВАННЯ Імпульсно-дугове зварювання плавким електродом (ІДЗПЕ) належить до механізованих способів зварювання з програмним керуванням проце сом, зокрема з періодичною зміною потужності дуги.

Процес ІДЗПЕ розроблений на початку 60-х років в ІЕЗ імені Є.О. Патона НАН України під керівництвом академіка Б.Є. Патона. Цей спосіб дає змогу працювати при низьких значеннях зварювального струму в усіх просторових положеннях і отримувати добре формування зварного шва з малим розбризкуванням електродного металу. Імпульсно-дугове зва рювання використовується при виготовленні конструкцій із алюмінієвих сплавів, титану і його сплавів. Розвиток технології та обладнання для ІДЗПЕ в активних газах зробив цей процес перспективним і при виготов ленні конструкцій із маловуглецевих та легованих сталей.

Імпульсно-дугове зварювання плавким електродом здійснюється пе реважно при безперервному горінні дуги, тому як захисне середовище ви користовується аргон та аргоноокислювальні суміші. Іноді ІДЗПЕ вико нується у середовищі вуглекислого газу. Оптимальні параметри процесу ІДЗПЕ в аргоні та активних захисних газах відрізняються між собою.

Внаслідок цього всі імпульсні джерела живлення можна поділити на три групи: джерела живлення для зварювання в аргоні та сумішах газів на його основі;

джерела живлення для зварювання в активних захисних газах;

універсальні джерела живлення. Конструкція імпульсних джерел визна чається в залежності від вимог до забезпечення потрібних електричних па раметрів процесу та стабільності горіння дуги при імпульсному характері зміни зварювального струму.

5.1. Електричні характеристики і стабільність процесу імпульсно-дугового зварювання Імпульсно-дугове зварювання плавким електродом – це процес про грамного керування плавленням та перенесенням металу шляхом зміни струму у вигляді імпульсів значної потужності. Найбільш поширеним є процес ІДЗПЕ "довгою дугою" – без замикання дугового проміжку. Типо ву осцилограму ІДЗПЕ наведено на рис.5.1.

Основними параметрами процесу ІДЗПЕ, крім відомих параметрів режиму зварювання плавким електродом у середо вищі захисних газів, є:

амплітуда імпульсу Іі, базовий струм Іб, тривалість імпульсу tі, Рис. 5.1. Осцилограма струму і напруги в паузи tп та циклу Тц = tі + tп, дузі при імпульсно-дуговому зварюванні частота імпульсів f = 1/Тц, плавким електродом швидкості наростання та спа дення струму імпульсу. Між амплітудою імпульсів, середнім Іс та базовим струмом існує співвідношення, що виражається нерівністю: Іі > Іс > Іб.

Відношення Тц/tі = q називають шпаруватістю імпульсів, q = 2…10. Важли вим параметром ІДЗПЕ є також значення критичного струму Ікр, нижче якого, без накладення імпульсів, перенесення електродного металу стає крупнокраплинним, що значно погіршує якість зварних з'єднань.

Головна особливість процесу ІДЗПЕ – кероване перенесення елек тродного металу. Існують два різновиди керованого перенесення металу при зварюванні довгою дугою. Перший полягає у тому, що при кожному імпульсі струму від електрода відбирається та переноситься у зварювальну вану одна крапля розплавленого металу. Такий процес характерний для зварювання в аргоні. Другий різновид полягає у тому, що під час дії імпульсу (як правило, більшої тривалості, ніж у першому випадку) відбувається інтенсивне плавлення електроду зі струменевим переносом металу – імпульсно-дугове зварювання плавким електродом з перервно струменевим перенесенням металу. Цей процес характерний для зварю вання активованим електродом струмом прямої полярності як в активних, так і в інертних газах, а також може використовуватися для зварювання в аргоні струмом зворотної полярності.

Використання ІДЗПЕ дає змогу вести процес з дрібнокраплинним пeренесенням металу на струмі у 2,5…3,0 раза нижче критичного. Це роз ширює діапазон режимів зварювання, дає змогу здійснювати процес у по ложеннях, відмінних від нижнього, зварювати метал малої товщини.

Імпульсно-дугове зварювання плавким електродом ефективно замінює зварювання неплавким електродом, забезпечує велику концентрацію енергії і одночасно не приводить до появи у металі шва вольфрамових включень.

При ІДЗПЕ струм у межах циклу змінюється від значення Іб до зна чення Іі. Середній та діючий струми визначаються за формулами:

Т ц (5.1) I = [i ( t ) + ]dt ;

c I б Т ц Т ц 1 I = (5.2) I б [i ( t ) + ] dt.

Т ц При зміні параметрів імпульсів (амплітуди, тривалості, частоти) у ши роких межах та при постійній швидкості подачі електрода, характерній для звичайного процесу ІДЗПЕ, діючий та середній струми змінюються мало.

Зі зростанням амплітуди та тривалості імпульсів діючий струм дещо зро стає, а середній струм зменшується, при цьому базовий струм різко зни жується. При збільшенні тривалості імпульсів зниженя базового струму відбувається більш інтенсивно. Електрична потужність дуги Рд = ЕдІс + RдІ2 змінюється мало (де Ед – проти-ЕРС дуги, В;

Rд – ди намічний опір дуги, В/А).

Таким чином відбувається перерозподіл струму у межах циклу, завдя ки якому здійснюється саморегулювання плавлення електрода. Зі зростан ням амплітуди, частоти та тривалості імпульсів базовий струм може стати нижчим від мінімального, який забезпечує стійке горіння дуги. У цьому випадку накладення імпульсів струму викликає перериви у горінні дуги, що приводить до порушення стабільності процесу зварювання.

Безперервність горіння дуги визначається не лише режимом зварю вання та параметрами імпульсів, а й у деяких випадках і перехідними про цесами у джерелах живлення. Характер перехідних процесів, у свою чергу, залежить від способів генерування імпульсів, живильної системи та її па раметрів.

Максимальні значення амплітуди, тривалості та частоти імпульсів можна визначити за умови безперервного горіння дуги, що забезпечується властивістю саморегулювання імпульсно-дугового зварювання плавким електродом. Воно полягає у тому, що при збільшенні параметрів імпульсу базовий струм зменшується.

Існують залежності для разрахунку параметрів ІДЗПЕ. Значення діючого струму складається з двох складових: діючих струмів у проміжку між імпульсами І1 та під час імпульсу І2:

І = І1 + І2. (5.3) З осцилограми на рис.5. Т - ti ц (5.4) I1 = I ;

б ti Т ц I = [I + i(t )]2dt, 2 б Т ц де і(t) – зміна струму імпульса з часом.

Характеристики імпульсів різної форми наведені в табл.5.1.

Для уніполярних імпульсів струму (синусоїда, що згасає), які отрима ні шляхом розряду конденсатора на дугу, у колі з активним опором R та індуктивностю L:

і(t)=іпе-btsin (0t), (5.5) U R 1 R c in = ;

R = R1 + Rд ;

де b = ;

= - ;

0L 2 L LC 2 L тут R1, Rд – опір кола імпульсного джерела та дуги відповідно;

Uс – напру га заряду конденсатора.

Таблиця 5.1. Характеристики уніполярних імпульсів струму Форма імпульсу Назва імпульсу Спосіб генерування Розряд конденсатора на активний Експоненціальний опір R Розряд конденсатора на активний Синусоїда, що згасає опір R та індуктивність L Синусоїдальний (час- Подача синусоідальної напруги з тина синусоїди) фазовим керуванням За допомогою формувального лан Прямокутний цюга L С Складної форми Суміщенням способів генерування Група імпульсів Те ж саме Максимальна амплітуда імпульса струму:

2T + ti 2I ц I = iП <, i max (5.6) T f 2ti ц T - exp - ц 1 RC iп0 1- exp(-2bti ) де I =.

Tцb(b2 + 0 ) Подібно, для експоненціальних імпульсів, що відповідають розряду конденсатора на дугу, у колі з активним опором I Iimax =iп <.

RCf 2ti (5.7) 1-exp- 2 RC Із рівнянь (5.6) та (5.7) випливає, що зі збільшенням частоти імпульсів їх мінімально необхідна амплітуда зростає, а максимально при пустима зменшується, інтервал можливих амплітуд імпульсів звужається.

Існує гранична частота, при якій мінімально необхідна частота дорівнює максимально припустимій (табл.5.2).

Таблиця 5.2. Гранична частота імпульсів струму при зварюванні в аргоні (dе = 1,6 мм) Гранична частота, Природна частота Зварю- Марка імп/с, при тривалості перенесення крапель, вальний електрод tі, мс крап/с струм, А ного дроту 1,4 1,8 2, 100 82 80 79 140 158 155 153 180 Св-АМг61 259 253 252 200 318 312 310 240 456 445 443 100 43 42 41 – 140 82 81 80 – 180 Св-08Г2С 135 132 131 – 200 166 162 161 – 240 237 232 231 Гранично можлива частота імпульсів, як правило, значно вища за час тоту природного перенесення металу, тому імпульсно-дугове зварювання плавким електродом можна здійснювати у широкому діапазоні частот ім пульсів.

Накладання на дугу імпульсів струму з частотою вище граничної при водить або до переривів у горінні дуги, або до некерованого перенесення металу.

5.2. Вимоги до джерел живлення для імпульсно-дугового зварювання Імпульсно-дугове зварювання плавким електродом може здійснюватися як від одного джерела живлення, яке забезпечує базовий струм, так і від двох джерел: основного, яке забезпечує базовий струм, та імпульсного, яке забезпечує накладання імпульсів. В останньому випадку ставляться не лише певні вимоги до основного та імпульсного джерела живлення, а й додаткові вимоги до умов їх спільної роботи.

Вимоги до джерел живлення ІДЗПЕ слід розглядати у двох аспектах: з точки зору забезпечення необхідних параметрів імпульсів та зручності на стройки джерела (джерел) живлення на заданий режим.

Оптимальна напруга холостого ходу U0 силового трансформатора, що служить для формування імпульсів, знаходиться у межах 40...150 В. Якщо U0 < 40 В, то нижня межа зварювального струму значно підвищується. При U0 > 150 В виникають технічні труднощі з формуваням імпульсів, хоча нижня межа зварювального струму зменшується незначно. У більшості випадків U0 = 40...60 В.

Для зварювання в аргоні та сумішах газів на його основі імпульсні джерела живлення повинні забезпечувати наступні параметри імпульсів:

амплітуду 300...400 А, тривалість 1,4...4,5 мс, частоту 25...150 імп/с. При цьому швидкість наростання струму імпульсу може складати до 2000 кА/с.

Для зварювання в активних газах імпульсні джерела живлення повинні за безпечувати такі параметри імпульсів: амплітуда 300...650А, тривалість 4...10 мс, частота 50...100 імп/с, швидкість наростання струму в імпульсі може досягати 500 кА/с. Більшій тривалості імпульсів відповідає менша частота їх проходження.

Частота імпульсів може бути фіксованою або змінюватися плавно.

Діапазон зміни частоти імпульсів складає 25...150 імп/с, причому частоту імпульсів доцільно вибирати кратній частоті живильної мережі змінного струму, тобто: fм/2, 2fм/3, fм, 2fм, 3fм (fм – частота живильної мережи). На прак тиці найчастіше використовуються частоти імпульсів 50 та 100 Гц, рідше 33, та 25 Гц, тому що останні несприятливо впливають на зір зварника.

Амплітуда імпульсів та їх тривалість в імпульсних джерелах живлен ня можуть встановлюватися роздільно, незалежно одна від одної, або змінюватися одночасно під час регулювання. Більшій амплітуді імпульсу повинна відповідати менша тривалість, та навпаки. При цьому бажано, щоб один з цих параметрів змінювався плавно. Це спрощує настройку імпульсного джерела на заданий режим. Більш бажаним є можливсть плавної зміни амплітуди імпульсів. Виходячи з цього, можна сказати, що при формуванні імпульсів доцільно здійснювати фазове тиристорне регу лювання енергії імпульсів, а частоту змінювати дискретно.

Для забезпечення стабільності процесу при низьких базових струмах джерело живлення повинно забезпечувати малу його пульсацію. У момен ти, коли базовий струм внаслідок пульсації знижується до нуля, можливий обрив дуги. Для запобігання цьому явищу бажано або застосовувати у схе мах нелінійні згладжувальні дроселі, індуктивність яких зростає при зменшенні струму, або малопотужну схему підживлення.

При великих значеннях базового струму його пульсація на стабільність процесу істотно не впливає.

При зварюванні плавким електродом у середовищі захисних газів, у тому числі й при ІДЗПЕ, використовують, в основному, назалежну подачу дроту. При зварюванні великих товщин оплавлення кінця електродного дроту відбувається як при базовому, так і при імпульсному струмі. Тому вольт-амперні характеристики по базовому та імпульсному струму (базові та імпульсні ВАХ) повинні бути жорсткими – з нахилом 0,01...0,03 В/А, що сприяє саморегулюванню довжини дуги.

При зварюванні малих товщин базовий струм лише підтримує горіння дуги у проміжку між імпульсами, а оплавлення електрода та відрив краплі відбувається під час імпульсу. Для запобігання обривам базового струму його стабілізація, окрім вказаних вище заходів, здійснюється шляхом застосування крутоспадних базових ВАХ – з нахилом 0,5...1,5 В/А при збереженні імпульсних ВАХ жорсткими. При зварюванні на середніх струмах бажано використовувати пологоспадні базові ВАХ – з нахилом 0,1...0,2 В/А.

При застосуванні для ІДЗПЕ двох джерел живлення – основного та імпульсного – необхідно, щоб основне джерело було розраховане не на ба зовий струм, а на повний струм безімпульсного процесу. Ці вимоги дик туються наобхідністю настройки режиму, коли спочатку процес проходить без імпульсів. Крім того, для кращого встановлення процесу необхідно, щоб основне джерело забезпечувало достатньо високу швидкість нарос тання струму короткого замикання dІк.з /dt – не нижче, ніж при зварюванні короткою дугою для відповідних діаметрів електроду.

Таким чином, можна сформулювати основні вимоги до імпульсного джерела живлення:

1) регулювання енергії імпульсів доцільно виконувати шляхом фазо вого тиристорного керування;

2) джерело імпульсного струму повинно забезпечувати для всього діапазону струму дві частоти 50 та 100 Гц, що змінюються ступінчасто;

менші частоти використовувати для менших струмів;

3) напруга холостого ходу силового імпульсного трансформатора по винна бути рівною 40...60 В, в окремих випадках бажано її підвищити до100...150 В;

4) регулювання зварювального струму повино здійснюватися в основ ному за рахунок зміни базового струму;

5) вольт-амперні характеристики джерела базового струму повинні бути крутоспадними при зварюванні на малих струмах, пологоспадними – при середніх та жорсткими – при великих струмах. Вольт-амперні характе ристики джерела імпульсного струму повинні бути жорсткими.

5.3. Способи формування імпульсного струму та типові схеми імпульсних джерел З великої кількості разробленних способів формування струму для ІДЗПЕ на практиці використовують два основних: паралельне вмикання джерела постійного струму і генератора імпульсів та спосіб шунтування згладжувального дроселя.

При способі паралельного вмикання (рис.5.2,а,б) дуга живиться базо вим струмом Іб (рис.5.2,в) від джерела постійного струму ДЖ та імпульсами струму Іі від генератора імпульсів ГІ.

У випадку, коли джерелом базового струму служить зварювальний випрямляч (див. рис. 5.2,а), генератор імпульсів підключається до нього безпосередньо паралельно-зустрічно, та через замикаючий контакт силово го контактора К вони разом підключаються до затискачів зварювальної ду ги Е і В.

Рис. 5.2. Схеми паралельного вмикання джерел базового струму і генератора імпульсів (а, б) та крива струму (в) Якщо як зварювальне джерело живлення застосовується перетворю вач з генератором постійного струму, то генератор імпульсів та перетво рювач з'єднуються подібним чином. У цьому випадку з метою запобігання розмагнічуванню (перемагнічуванню) генератора та усунення шунтування імпульсного джерела з малим опором кола якоря генератора у коло якоря у провідному напрямі послідовно вмикають захисний силовий діод VD (див.

рис 5.2,б).

Перевагою даного способу є можливість застосування достатньо про стого генератора імпульсів разом з серійними джерелами постійного стру му. Недолік способу – комутація базового струму, тобто його зниження після закінчення імпульсу до неприпустимо малого значення, що часто приводить до обривів. Комутація пов'язана з тим, що під час імпульсу на пруга генератора імпульсів перевищує напругу джерела постійного струму і базовий струм зменшується (штрихова лінія на рис.5.2,в). Для зменшення комутації послідовно з дугою вмикають нелінійний дросель.

Явище комутації особливо посилюється при тиристорному регулю ванні струму джерела постійного струму, тому на практиці використову ють головним чином регулювання за допомогою отпайок силового транс форматора. Проте при цьому неможливо здійснювати стабілізацію базової напруги при коливаннях напруги мережі та регулювання нахилу базових ВАХ.

Інший спосіб формування імпульсного струму – шунтування згладжу вального дроселя – пояснюється схемою на рис.5.3,а. Силова частина дро селя містить тиристорний регулятор UZ, згладжувальний дросель L та ти ристор VS, що формує імпульси. Тиристорний регулятор формує пульсую чу напругу, яка періодично знижується до нуля або до рівня, меншого за потенціал горіння дуги. У найпростішому випадку регулятор UZ скла дається з однофазного зварювального трансформатора та двопівперіодного тиристорного випрямляча. Середнє значення напруги, сформованої цим регулятором, визначається кутом вмикання тиристорів регулятора (рис.5.3,б).

Рис. 5.3. Схема формування струму шунтуванням дроселя (а) та крива напруги U, сформованої тиристорним регулятором (б) З моменту часу t1 починається наростання зварювального струму, що згладжується дроселем L. У момент часу t2 вмикається імпульсний тирис тор VS і напруга U у вигляді імпульсу докладається безпосередньо до зва рювальної дуги. Через тиристор VS протікають два зустрічних (контурних) струми: прямий струм імпульсу та зворотний струм, що запасений дросе лем L. Доки прямий струм більше зворотного, струм тиристора дорівнює їх різниці і тиристор відкритий. В міру зменшення напруги U імпульс струму спадає. У момент чсу t3 тиристор VS закривається, імпульс загасає і дуга живиться базовим струмом за рахунок енергії, запасеної дроселем.

Таким чином, на ділянці t1...t2 базовий струм зростає і одночасно запа сається енергія дроселя. На ділянці t2...t3 базовий струм залишається постійним і енергія дроселя зберігається, тобто не витрачається. З моменту t3 до моменту появи чергової ділянки синусоідальної напруги на виході ре гулятора UZ базовий струм знижується і енергія дроселя потрапляє у зва рювальне коло.

Розглянутий спосіб шунтування дроселя має такі переваги перед спо собом паралельного вмикання джерел: наявність лише одного джерела (джерела постійного струму зі згладжувальним дроселем) та використання імпульсного тиристора замість генератора імпульсів суттєво знижують ма су, габарити та вартість джерела живлення;

відсутня комутація базового струму завдяки тому, що дросель під час імпульсу зашунтований;

є мож ливість стабілізації базової напруги та зміни нахилу базових ВАХ завдяки наявності тиристорного регулятора UZ.

Шунтування дроселя можно здійснювати сумісно та по черзі кожного півперіоду одним з двох вентилів регулятора UZ, що дає змогу розванта жити вказані вентилі від імпульсного струму.

Усі імпульсні джерела живлення у залежності від принципу побудови силової схеми можно поділити на такі типи:

з нагромаджуванням енергії у конденсаторі С;

з нагромаджуванням енергії у реакторі L;

з нагромаджуванням енергії у формувальній линиї LС;

без нагромаджування енергії (формувальні імпульси генеруються з півхвилі змінної синусоїдальної напруги або комутацією у колі постійного струму);

комбіновані, що використовують поєднання наведених типів.

Розглянемо принципи побудови деяких типових схем.

Силова схема джерела (рис.5.4,а) являє собою однофазний од нопівперіодний випрямляч, що складається з силового знижувального трансформатора Т та діода VD, який заряджає конденсатор С у позитивний півперіод напруги мережі. У негативний півперіод генерується імпульс струму при розряді конденсатора через тиристор VS. Частота імпульсів струму 50 імп/с.

Схема (рис.5.4,б) однофазного керованого двопівперіодного випрям ляча з нулевим виводом від вторинної обмотки трансформатора та двома тиристорами VS1 і VS2, які заряджають конденсатор, і одним тиристором VS3, що розряджає конденсатор С, генерує імпульси струму з частотою до 100 імп/с.

Рис. 5.4. Силові електричні схеми імпульсних джерел з нагромаджувачами енергії Максимальна частота імпульсів перевищує частоту мережі, тому за ряд та розряд конденсатора відбувається протягом одного півперіоду ме режної напруги. В усіх режимах роботи схеми власна частота коливань у зарядному колі повинна бути більшою за частоту мережі у 2,5...3,0 рази.

Розглянуті схеми отримують живлення від мережі змінного струму, і частота імпульсів, що ними генерується, визначається частотою мережі.

Джерело, схему якого наведено на рис.5.4,в, живиться від зварювального джерела постійного струму, для зарядження конденсатора до напруги, більш високої, ніж напруга дуги, застосований принцип множення напруги (подвоєння, потроєння і т.ін.). Під час паузи між імпульсами струму у на веденій схемі з подвоєнням напруги конденсатори С1 та С2 заряджаються через тиристори VS1, VS2 та VS3 безпосередньо від зварювальногоджере ла живлення, а під час формування імпульсу струму при розряді конденса торів С1 та С2 через тиристори VS4 та VS5 здійснюється послідовне з'єднання заряджених конденсаторів і подається подвійна напруга. Форма уніполярних імпульсів, які генерують розглянуті імпульсні джерела, – ек споненційна або синусоїда, яка згасає.

Джерело, схему якого наведено на рис.5.4,г, генерує імпульси, близькі за формою до прямокутників. Живлення схеми здійснюється від джерела постійного струму через зарядний тиристор VS1, який подає напругу на формувальну лінію, що складається з LC-осередків. Розряд формувальної лінії через тиристор VS2 утворює імпульси прямокутної форми.

Схеми імпульсних джерел без нагромаджувачів енергії (у яких імпу льси формуються з півхвилі змінної синусоїдальної напруги) наведені на рис.5.5. Силова електрична схема (рис.5.5,а) являє собою мостовий півке рований випрямляч з двома тиристорами VS1, VS2, двома діодами VD1, VD2 та силовим знижувальним трансформатором Т. При вмиканні одного тиристора забезпечується частота 50 імп/с, двох – 100 імп/с.

Рис. 5.5. Силові електричні схеми імпульсних джерел без нагромаджувачів енергії На рис.5.5,б наведено силову схему генератора імпульсів у вигляді ке рованого випрямляча з двома первинними обмотками, що ввімкнуті через тиристори VS1 та VS2 у мережу, та діодом VD у вторинному колі знижу вального трансформатора Т. Регулювання частоти імпульсів виконується подібно до схеми на рис.5.5,а. У силовій схемі, яка наведена на рис.5.5,в, тиристори VS1 та VS2, ввімкнуті зустрічно-паралельно у коло первинної обмотки трансформатора, виконують роль регулятора струму. Вторинне коло трансформатора виконане як двопівперіодний випрямляч на діодах VD1 та VD2 з нульовим виводом від вторинної обмотки трансформатора.

Двопівперіодна керована схема випрямляча (рис.5.5,г) може працюва ти як генератор імпульсів у двох режимах з великою та малою амплітудою імпульсів струму. Одночасне вмикання тиристорів VS1 та VS5 протягом одного півперіоду утворює діапазон імпульсів малої амплітуди, а VS2 та VS5 – великої амплітуди. У другий півперіод вмикаються тиристори VS4, VS6 та VS3, VS6 відповідно для різних амплітуд імпульсів струму.

Форма імпульсів, що генеруються розглянутими схемами імпульсних джерел без нагромаджувачів енергії, – частина синусоїди при частотах 50 і 100 імп/с. Реалізацію принципів формування імпульсів струму та побудо ви силових схем розглянемо на прикладах типових імпульсних джерел живлення для ІДЗПЕ.

5.4. Імпульсні джерела живлення з нагромаджувачами енергії Імпульсні джерела живлення типу ИИП. Джерела цього типу (ИИП- та ИИП-2) розроблені в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона ще у 70-х роках. Такі імпульсні джерела побудовані за схемою, наведеною на рис.5.4,а і призначені для імпульсно-дугового зварювання плавким елек тродом в аргоні. Джерело (рис.5.6) є генератором імпульсів з частотою імп/с та використовується при спільній роботі зі зварювальним джерелом живлення. Форма уніполярних імпульсів, що генеруються, – згасаюча си нусоїда.

Рис. 5.6. Спрощена принципова електрична схема імпульсного джерела живлення типу ИИП Як нагромаджувач енергії використовуються батареї конденсаторів С1…С3, що заряджаються від секціонованої вторинної обмотки силового трансформатора Т1 через діод VD1 у позитивний півперіод живильної на пруги. Імпульси струму утворюються під час розряду конденсаторів через реактор L у негативний півперіод, коли вмикається тиристор VS. Для вми кання тиристора на його керуючий електрод подається імпульс, сформова ний фазозсувним пристроєм, до складу якого входять вторинна обмотка трансформатора Т1, резистори R1 та R2, диференціюючий трансформатор Т2, конденсатор С4, діоди VD2 та VD3 і контакти реле К1.

Керування роботою імпульсного джерела здійснюється за допомогою блока керування, що складається з двох реле К1 та К2, і змінного резистора R4. Замикаючими контактами реле К1 вмикається тиристор VS. Реле К спрацьовує тільки при вимиканні реле К2, а реле К2 вимикається у почат ковий момент зварки внаслідок падіння напруги у зварювальному колі.

Настроюється реле К2 на вимикання при зниженній зварювальній напрузі змінним резистором R4. Реле К2 вмикається у момент закінчення процесу зварювання та розмикаючими контактами вимикає живлення котушки ре ле К1. Так, при холостому ході зварювального джерела відбувається вими кання імпульсного джерела, а при збудженні дуги – його вмикання. Пере микачами S1 регулюється напруга заряду, а S2 – тривалість імпульсу стру му. Для отримання частоти 100 імп/с слід паралельно увімкнути два дже рела ИИП. Технологічні характеристики імпульсних джерел живлення ИИП-1 та ИИП-2 наведені у дод.2 (див. табл.2.4).

Генератор імпульсів ГПИ-3 призначений для імпульсно-дугового зва рювання плавким електродом в аргоні та його суміші при паралельному вмиканні зі зварювальним джерелом живлення. Частота імпульсів струму, що генеруються, змінюється плавно, форма імпульсів – прямокутна. Гене ратор імпульсів складається з силового трифазного керованого випрямля ча, формувальної лінії, зарядного і розрядного тиристорів та елементів схеми керування.

Силова частина електричної схеми генератора (рис.5.7) вміщує три фазний керований випрямляч, який у свою чергу складається із трансфор матора Т1 з нульовим виводом та тиристорів VS1...VS3, зарядного тири стора VS4, формувальної лінії (сім LC-осередків) та розрядного тиристора VS5.

Книги, научные публикации

наверх