Пособие по источникам питания

кания цепи могут происходить довольно часто. Если ток короткого замыкания будет чрезмерным, то это может привести в некоторых случаях к порче источника питания, а также вызвать перегрев электрода и разрушение его покрытия, что затрудняет зажигание дуги и последующий процесс сварки. При слишком малом токе короткого замыкания также затрудняется зажигание дуги. Поэтому для источников питания, имеющих падающую внешнюю характеристику и предназначенных для (РДС), приняты следующие соотношения между током короткого замыкания и рабочим током 1,25 < k < 2. Для систем саморегулирования дуги под флюсом, имеющей жесткую статическую характеристику, также необходимы источники питания с падающей внешней характеристикой, так как только в этом случае k > 0, и система саморегулирования будет устойчива. Однако для увеличения интенсивности саморегулирования крутизна падающей внешней характеристики должна быть по возможности небольшой, т.е. желательно, чтобы внешняя характеристика была пологопадающей, и напряжение холостого хода источника питания незначительно превышало рабочее напряжение дуги. Источники питания с пологопадающими внешними характеристиками допустимы преимущественно при автоматической сварке на постоянном токе, так как на переменном токе для обеспечения непрерывности горения дуги необходимо, чтобы отношение было не меньше 1,8-2,5.

При ручной дуговой сварке от источников питания с пологопадающими внешними характеристиками возможность удлинения дуги ограничена, что также является нежелательным. Таким образом, для ручной и автоматической сварки под флюсом на постоянном и переменном токе необходимы источники питания с падающими внешними характеристиками.

При автоматической сварке на постоянном токе и высокой плотности тока в электроде, когда статическая характеристика дуги становится возрастающей, например, в среде защитных газов, для систем саморегулирования рационально применять источники питания с жесткими и даже с возрастающими характеристиками. Напряжение холостого хода у таких источников питания относительно невелико, что может несколько затруднить первоначальное возбуждение дуги. Поэтому оптимальными для систем саморегулирования при возрастающей характеристике дуги постоянного тока являются источники питания, у которых внешняя характеристика в рабочей части будет жесткой или возрастающей, а при малых нагрузках и холостом ходе напряжение будет повышено.

41

Рис. 11. Семейства внешних характеристик источников питания дуги:

падающие (1 - крутопадающая характеристика, 2 - пологопадающая характеристика); жесткие (3 - жесткая характеристика, 4 - пологопадающая характеристика 5 - возрастающая характеристика)

Несмотря на большое разнообразие существующих в настоящее время систем источников питания, в которых применяются различные методы получения падающей внешней характеристики, можно указать единый принцип построения источников питания для дуговой сварки, по отношению к которому отдельные системы являются частным случаем. В каждом источнике питания индуктируется э.д.с., которая при холостом ходе равна напряжению на клеммах источника питания: Еи = Uxx. При нагрузке эта э.д.с. может остаться практически постоянной. Тогда падающая внешняя характеристика получается в результате падения напряжения в сопротивлении самого источника или в отдельном сопротивлении, включенном в сварочную цепь последовательно с дугой. В большинстве сварочных генераторов постоянного тока э.д.с. с увеличением тока нагрузки уменьшается в ркезультате размагничивающего действия специальных обмоток возбуждения или действия потока реакции якоря. Снижение э.д.с. приводит к соответствующему снижению напряжения на клеммах источника питания, т.е. внешняя характеристика становится падающей. Размагничивающее действие обмоток и потока реакции якоря можно уподобить действию эквивалентного сопротивления, включенного последовательно с дугой. При этом э.д.с. полагаем равной напряжению холостого хода и не зави-

42

сящей от тока. Таким образом, уравнение внешней характеристики источника питания в общем виде будет следующим:

E U20 Iд Z,

(28)

где Z - полное эквивалентное сопротивление источника.

Уравнение справедливо как для постоянного, так и для переменного тока. Эквивалентное сопротивление Z при переменном токе представляет собой полное комплексное сопротивление источника питания: Z R X , где R, и Х - соответственно суммарное эквивалентное активное и индуктивное сопротивление источника питания. В схемах питания переменного тока индуктивное сопротивление Х должно быть преобладающим. При постоянном токе полное сопротивление источника питания представляет собой сумму омического сопротивления и сопротивления, эквивалентного действию размагничивающих потоков в источнике питания.

Из уравнения (28) следует, что внешняя характеристика источника питания определяется его параметрами – U20 u Z. Следовательно, источник питания, у которого эти параметры можно изменять, будет обладать семейством из нескольких внешних характеристик при различных значениях этих параметров, что особенно важно для настройки режима сварки.

Вопросы для самопроверки

1.От каких параметров зависит зажигание сварочной дуги?

2.Что такое термоэлектронная эмиссия?

3.Что такое автоэлектронная эмиссия?

4.От чего зависит стабильность горения дуги переменного тока?

5.Как работает трехфазная дуга переменного тока?

6.Какие процессы протекают в катодной области?

7.Что называют магнитным полем сварочной дуги?

43

Глава 2. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ

2.1. Требования к источникам питания

Для получения качественного сварного соединения источники питания дуги должны обладать свойствами, требуемыми процессом сварки и проявляющимися при высоких технико-экономических показателях. С другой стороны, как всякое электротехническое устройство, источник питания должен быть рассчитан на конкретные режимы работы, т.е. на определенную нагрузку и определенные условия эксплуатации (температуру, влажность, давление, пространственное положение сварного шва), при которых все его свойства проявляются оптимально.

Таким образом, можно сказать, что источник питания должен при определенных режимах работы удовлетворять двум группам требований: технологическим и технико-экономическим.

Технологические требования. Эти требования задаются техническими возможностями достижения технологических свойств, которые определяются, в свою очередь, статическими и динамическими свойствами источника питания и свойствами нелинейных участков - разрядного промежутка и ванны.

Статические свойства источника отражены в его внешней статической характеристике и в ее соответствии вольтамперной характеристике дуги, так как способность энергетической системы источник – дуга - ванна поддерживать устойчивое горение дуги и заданный режим зависит от видов и взаимного расположения этих характеристик.

Одинамических свойствах источника можно судить по характеру

искорости протекания переходных процессов в системе источник – дуга - ванна, сопровождающихся резкими изменениями сварочного тока при ступенчатых изменениях проводимости разрядного промежутка, которые вызываются резкими переходами из одного установившегося режима в другой (например, при переходе от холостого хода к короткому замыканию при первоначальном возбуждении дуги). Кроме того, при сварке могут наблюдаться относительно небольшие колебания напряжения на дуге и тока дуги, вызываемые процессами в разрядном промежутке (изменением длины дуги, переносом капель расплавленного металла, перемещением активных пятен на поверхностях электрода

иизделия, возникновением в столбе дуги потоков ионизированного газа, колебаниями напряжения сети, неравномерностью скорости подачи сварочной проволоки и т.д.).

44

2.1.1.Технико-экономические показатели

Кэтим показателям относятся коэффициент полезного действия (к.п.д.), коэффициент мощности ( cos ), габаритные размеры, массы, показатели надежности, эргономические и технологические показатели конструкции источников, соответствие правилам безопасности и т.п.

Режимы работы источников питания. Электротехническая установка, в том числе и источник питания для дуговой сварки, рассчитывается на определенную нагрузку, при которой она работает, не перегреваясь выше установленных норм, т.е. рассчитывается по нагреву на определенный режим работы, определяемый характером изменения нагрузки во времени P=f(t). Источник питания рассчитывается также на заданную величину напряжения, которая определяет класс применяемых изоляционных материалов.

Ток, напряжение, мощность и режим работы источника питания, на которые он рассчитан, называются номинальными. Номинальные

величины (Iн, UН, Рн и режим работы) записываются на щитке источника и приводятся в паспорте, а также в описании и инструкции по эксплуатации.

При эксплуатации источника питания происходит нагрев его обмоток, ферромагнитных сердечников и ряда конструктивных элементов (кожуха, стяжных болтов и т.д.). Большему нагреву подвергаются те узлы источника питания, которые находятся во внутренних частях конструкции. При работе источника питания, например сварочного трансформатора, в результате прохождения тока нагреваются обмотки,

амагнитопровод трансформатора греется при перемагничивании вследствие гистерезиса и от вихревых токов. Одновременно теплота отдается узлами источника окружающей среде.

Под перегревом понимают превышение температуры Т источника

питания над температурой окружающей среды: Θ = Т-Т0, где Θ - температура перегрева; Т - температура источника питания; То - температура окружающей среды. После включения источника питания температура Т повышается, а температура перегрева Θ нарастает, пока не

достигнет установившегося значения Θу, при котором повышение температуры Т прекращается. При Θу количество теплоты, отдаваемой в окружающую среду в единицу времени, равно количеству теплоты, выделяемой в источнике питания. При изменениях нагрузки происхо-

дит изменение Θу и Т.

Неоднородность нагрева различных частей источника питания и сложность явлений теплообмена чрезвычайно затрудняют аналитические исследования теплового состояния источника питания, поэтому

45

при тепловых расчетах делают ряд допущений. Так, источник питания рассматривают как однородное тело, имеющее бесконечно большую теплопроводность. Принимают, что теплоотдача в окружающую среду пропорциональна разности температур.

Различают три режима работы источников питания для дуговой сварки: продолжительный, перемежающийся и повторно-кратко- временный. Продолжительным режимом называется такой режим, при котором источник успевает за время работы нагреться до температуры

Θу.

Уравнение кривой нагрева T=f(t) для продолжительного режима работы при сделанных допущениях имеет вид

T = T0 + Θу∙(1 - e-t/τнагр).

(29)

Величина подкасательной τнагр экспоненциальной кривой Θу·+ f(t), имеющая размерность времени, называется постоянной времени нагрева. Она характеризует скорость возрастания во времени температур Θ

иТ данного источника. За время t, равное τнагр, температура перегрева достигает 63 % от Θу.

Перемежающийся режим характерен тем, что время tp работы (сварки) чередуется со временем перерывов в работе tn (пауз).

При перемежающемся режиме работы за время работы tp температура источника не успевает достигнуть значения установившейся тем-

пературы Θу а за время перерывов в работе tn источник не успевает охладиться до температуры окружающей среды Т0. Время tn соответствует режиму холостого хода источника. Процесс охлаждения так же как

ипроцесс нагрева, описывается экспоненциальной кривой. По истечении некоторого промежутка времени температура источника колеблет-

ся между некоторым максимальным значением Т1 и минимальным Т2. Среднее значение этих двух температур обычно выбирается как расчетное. У реальных источников питания постоянная времени охлаждения несколько больше постоянной времени нагрева.

Перемежающийся режим для нагрузки циклического типа характеризуется относительной продолжительностью нагрузки за время

цикла tн = tp+tn.

Повторно-кратковременный режим отличается от перемежающегося тем, что источник питания, получающий энергию от силовой сети, во время пауз в работе отключается от сети. В таком режиме, например, работают источники питания для механизированной сварки под флюсом и сварочные установки. Повторно-кратковременный режим

46

характеризуется продолжительностью включения, выражаемой в процентах.

Длительность цикла работы источников, предназначенных для ручной дуговой сварки, имеющих перемежающийся и повторнократковременный режимы, принята равной 5 мин, а источников для механизированной сварки – 10 мин.

2.1.2. Структура обозначений типов электросварочного оборудования

Применительно к источникам питания в структуре на месте первой буквы проставляется сокращенное название изделия (А - агрегат, В - выпрямитель, И - источник питания, П - преобразователь, Т - трансформатор, У - установка); на месте второй буквы проставляется буква, обозначающая вид сварки или вид источника (Д - дуговая, С - сварочный); третья буква обозначает способ сварки (О - открытой дугой, Ф - под флюсом, Г - в защитных газах); только для трансформаторов третья буква обозначает способ регулирования (М - механическое, Э - электронное); вид внешних характеристик (У - универсальная)

-для выпрямителей (жесткая - падающая), для установок (постоянный

-переменный ток). Дополнительно в буквенной части обозначения могут появляться буквы М - для многопостовых источников (однопостовые дополнительного обозначения не имеют), И - для импульсных источников, а также буквы Б или Д для агрегатов с приводным двигателем внутреннего сгорания, обозначающие соответственно вид двигателя - бензиновый или дизельный.

Цифровая часть обозначения, как правило, должна состоять из одного трех или четырехзначного числа, первые одна или две цифры которого есть значение сварочного тока, округленное до целых десятков или сотен ампер следующего ряда: 63, 125, 250, 315, 400. 500, 600, 825, 1000, 1600, 2500, 3200, 5000; две последние цифры (01, 02, 03 и т.д.) -

регистрационный номер разработки.

Всовременных источниках питания некоторые фирмы вносят после цифрового обозначения свой логотип (э – «Электрик» Санкт Пе-

тербург; сэ – «Сэлма» Симферополь; и – «Искра» Первоуральск; к – «КЗСО» Каховка). После цифровой части без разделяющих знаков вводятся буквы и цифры, обозначающие климатическое исполнение и категорию размещения по ГОСТ.

Диапазон температур для климатического исполнения, °С: для преобразователей и агрегатов (У1) - + 40-45; для трансформаторов и выпрямителей (УЗ) - + 40-10;

47

для установок и выпрямителей с водяным охлаждением

(УХЛ4) - + 35- +1.

2.1.3. Примеры обозначения оборудования для дуговой сварки

Оборудование для ручной дуговой сварки штучными электрода-

ми.

1.Трансформаторы для ручной дуговой сварки:

ТДМ-140, ТДМ-180, ТДМ-250, ТДМ-315. Трансформаторы имеют падающие внешние вольтамперные характеристики. Регулирование сварочного тока осуществляется перемещением вторичных обмоток. Охлаждение естественное или принудительное. Фирма «СЭЛМА»;

ТДМ-259, ТДМ-200, ТДМ-300, ТДМ-504. Трансформаторы имеют падающие внешние вольтамперные характеристики. Регулирование сварочного тока осуществляется перемещением магнитного шунта. Охлаждение естественное или принудительное. Фирма «СЭЛМА»;

VAREX 142, VAREX 142 Turbo, VAREX 152, VAREX 162.

Трансформаторы предназначены для ручной дуговой сварки покрытыми электродами. Имеют четыре ступени регулирования сварочного тока. Словения;

VAREX 160, VAREX 180, VAREX 200. Трансформаторы предназначены для ручной дуговой сварки покрытыми электродами. Имеют плавную регулировку сварочного тока при помощи магнитного шунта. Словения.

2.Выпрямители для ручной дуговой сварки:

VARUS 300, VARUS 450, VARUS 650. Выпрямители боль-

шой мощности предназначены для сварки покрытыми электродами, толщиной до 8мм, и угольными электродами толщиной до 10мм. Имеют плавное фазовое регулирование с помощью тиристоров. Словения;

ВД-131, ВД-306М1, ВД-306С1. Выпрямители имеют падающие внешние вольтамперные характеристики. Регулирование сварочного тока осуществляется перемещением вторичных обмоток. Фирма «СЭЛМА»;

ВД-309, ВД-413. Выпрямители имеют падающие внешние вольтамперные характеристики. Регулирование сварочного тока осуществляется перемещением магнитного шунта. Фирма «СЭЛМА»;

ВД-121 У3, ВД-201 У3, ВД-306 У3.

3.Многопостовые выпрямители для ручной дуговой сварки:

48

ВДМ-6301, ВДМ-6303С, ВДМ-1201, ВДМ-1202С, ВДМ-1601.

Выпрямители имеют жесткие внешние вольтамперные характеристики. Регулирование сварочного тока осуществляется с помощью балластных реостатов типа РБ-302, РБ-306;

ВДМ-2х313. Регулирование сварочного тока на каждом посту осуществляется перемещением магнитного шунта.

4.Трансформаторы для автоматической сварки под флюсом:

ТДФЖ-002, ТДФЖ-2002. Трансформаторы имеют пологопадающие внешние вольтамперные характеристики и плавноступенчатое регулирование сварочного тока. Охлаждение воздушнопринудительное.

5. Универсальные выпрямители для ручной и механизированной дуговой сварки:

ВДУ-506С, ВДУ-511, ВДУ-601. Выпрямители имеют падающие и жесткие внешние вольтамперные характеристики. Охлаждение воздушно-принудительное.

6.Выпрямители для механизированной дуговой сварки:

ВДГ-303-3, ВС-300Б, ВДГ-401, ВС-600С. Выпрямители имеют жесткие внешние вольтамперные характеристики и предназначены для механизированной сварки в среде защитных газов.

ЗАО «УРАЛТЕРМОСВАР». Выпрямитель:

1. ВДПР-306У3. Выпрямитель предназначен применения в качестве источника питания для ручной дуговой сварки, воздушно– плазменной резки и наплавки металлов. Выпрямитель оснащен автоматической защитой от перегрузки по току, от отсутствия сжатого воздуха при резке и устройством ограничения напряжения холостого хода в режиме ожидания.

Агрегаты:

1.АДПР-2 х 2501ВУ1. Агрегат предназначен для двух независимых постов ручной дуговой сварки, для плазменной резки металлов, для питания электроинструмента, освещения и прокалки электродов, имеется компрессор. Агрегат аттестован АЦ НАКС для работы на НГДО, ГО, ОХНВП, КО, ПТО.

2.АДДУ-4001У1, АДДУ-4001ПРУ1. Агрегаты предназначены для ручной дуговой сварки штучными электродами, для механизированной сварки в среде защитных газов, для воздушно-плазменной резки металлов толщиной до 45 мм, для питания электроэнергией освещения и электроинструмента.

49

Микропроцессорные выпрямители для сварки ответственных конструкций.

1. ВДУ-306МТ, ВДУ-506МТ. Универсальные выпрямители предназначены для сварки неповоротных стыков трубопроводов ручной и механизированной дуговой сваркой. Выпрямители имеют: горячий старт; защиту от прилипания; форсирование тока короткого замыкания; малый коэффициент разбрызгивания; ограничение напряжения холостого хода до 12В; стабилизацию режима сварки при любых возмущениях; возможность запоминания выбранных режимов (до 16 режимов при каждом способе).

ООО НПП «Плазма». Сварочные трансформаторы:

1.Сварочные инверторы:

ДС 400.33 Инверторный выпрямитель для механизированной сварки и наплавки в среде защитных газов. Вес источника 44 кг. ТЕХНОТРОН;

ВД-160 сэи, ВД-180 сэи, ВД-200 сэи. Инверторные сварочные выпрямители предназначены для ручной дуговой сварки покрытыми электродами. Вес источников от 8,3– 8,5 кг. СпецЭлектрод;

VARIN 1500, VARIN 1700, VARIN 1700, VARIN 2000CEL, VARIN 2000 CEL TIG, VARIN 3000. Инверторные выпрямители пред-

назначены для ручной дуговой сварки штучными электродами, с технологией TIG для сварки неплавящимся электродом. Имеют автоматическое отключение при примерзании электрода. Вес источников от 10-25 кг. Словения;

VARKO 1205, VARKO 1405. Инверторные выпрямители предназначены для ручной дуговой сварки штучными электродами. Имеют автоматическое отключение при примерзании электрода. Вес источников от 5-5,5 кг. Словения.

2.1.4. Классификация источников питания

Источники питания можно классифицировать по различным признакам в зависимости от поставленных задач, как, например, изучение конкретных свойств и характеристик, сравнение технико-эконо- мических показателей, определение автономности использования, применение для сварки изделий разных толщин из различных материалов, характеристика по количеству обслуживаемых постов и т.д.

Источники питания можно классифицировать:

по роду тока - на источники постоянного и переменного тока;

50