Пособие по источникам питания

по виду внешних характеристик - на падающие, пологопадающие, жесткие и универсальные характеристики;

по способу получения энергии - на зависимые и независимые (или зависимые и автономные), т.е. получающие энергию от стационарной электрической сети или имеющие источником энергии двигатель внутреннего сгорания, агрегатированный с источником питания дуги;

по количеству обслуживаемых постов - на однопостовые и многопостовые;

по применению - на общепромышленные и специализирован-

ные.

Классификация по применению сложнее классификации по другим признакам и требует пояснений.

Кобщепромышленным, относятся источники питания для ручной дуговой сварки, а также для механизированной сварки под флюсом. Эти источники предназначены для сварки низкоуглеродистых сталей толщиной более 2 мм и, как правило, имеют достаточно простую конструкцию и электрическую схему.

Кспециализированным относятся источники, предназначенные для сварки легких металлов и их сплавов, тонкой и особо тонкой стали всех марок, для особо качественных соединений, работающие сжатыми

иимпульсными сварочными дугами, удовлетворяющие не только требованиям технологии, но и требованиям высокого уровня автоматизации процесса, что обеспечивается более широким применением обратных связей по выходным параметрам, применением источников параметрического типа, применением сложных современных схем управления выпрямителями, дополнительных специальных узлов и т.п. Эти источники по электрическим схемам и конструкции значительно сложнее общепромышленных.

51

Глава 3. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Для ручной сварки ответственных соединений обычно применяют электроды, обеспечивающие необходимое качество и достаточно высокую устойчивость процесса сварки только на постоянном токе. Однако устойчивость процесса характеризуется таким отрицательным явлением, как магнитное дутье, которое является следствием взаимодействия собственного магнитного поля дуги и поля сварочного контура. При этом дуга горит неустойчиво, произвольно перемещаясь с кромки на кромку, несмотря на всевозможные манипуляции, осуществляемые даже квалифицированным сварщиком, что приводит к неудовлетворительному формированию металла шва.

Особые затруднения наблюдаются при выполнении первого шва стыкового соединения (с разделкой кромок или в щелевой зазор). Электромагнитная сила, действующая на дугу, пропорциональна квадрату сварочного тока и зависит от размеров конструкций свариваемых деталей и положения токоподвода по отношению к сварочной дуге. Магнитное дутье ограничивает применение высокопроизводительных режимов при сварке на постоянном токе.

Самое простое и надежное средство борьбы с магнитным дутьем при сварке - применение переменного тока. В этом случае электромагнитная сила, действующая на сварочную дугу, определяется результирующим магнитным потоком, равным геометрической сумме магнитных потоков сварочного и вихревых токов, индуцируемых в массе основного металла. Так как составляющие этих потоков находятся почти в противофазе, то результирующее значение их невелико, поэтому проявление магнитного дутья значительно ослабляется по сравнению с постоянным током. Оно становится незаметным даже при очень больших сварочных токах (до 2000 А). Таким образом, в случае использования переменного тока можно применить более производительные режимы сварки. Известны и другие преимущества переменного тока. Например, сварка в этом случае значительно экономичнее с точки зрения расхода электроэнергии: КПД сварочных трансформаторов, как правило, выше, чем у источников питания постоянного тока. Сварочные трансформаторы имеют простое устройство, требуют минимального ухода и текущего ремонта, поэтому расходы на их эксплуатацию и обслуживание сравнительно невелики.

По своему технологическому воздействию на ванну переменный ток подобен модулированному току частотой 50 Гц. Структура металла

52

сварного шва получается более мелкозернистая, качество сварного шва на переменном токе лучше, чем при сварке на постоянном токе электродами одной и той же марки. При сварке на переменном токе алюминия и его сплавов неплавящимся вольфрамовым электродом в инертных газах и их смесях большое значение имеет также процесс очищения свариваемого изделия от оксидных пленок. Поэтому аргонодуговая сварка алюминия неплавящимся электродом производится только на переменном токе. Однако, несмотря на определенные преимущества последнего, его применение недостаточно используется в сварочной практике, особенно при выполнении ответственных сварных соединений, в том числе сопровождающихся необходимостью выполнения корневых и других типов швов. Это связано с низкой устойчивостью горения дуги переменного тока, обусловленной изменением полярности, погасанием и зажиганием дуги (100 раз в секунду при частоте 50 Гц), а также отрицательным влиянием переноса металла в этих условиях. Источниками переменного тока для сварки являются трансформаторы.

Трансформатор - это электрический аппарат, предназначенный для преобразования одного переменного напряжения в другое напряжение той же частоты.

Трансформатор содержит две (или более) магнитно-связанные между собой обмотки, размещенные на замкнутом стальном магнитопроводе. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы изготовляются из листовой электротехнической стали.

По характеру устройства магнитной цепи различают трансформаторы броневого, стержневого и тороидального типа, по характеру устройства обмоток - трансформаторы с цилиндрическими и дисковыми обмотками.

В источниках переменного сварочного тока преимущественное распространение получили трансформаторы со стержневыми магнитопроводами как с цилиндрическими, так и с дисковыми обмотками; трансформаторы работают с воздушным естественным или принудительным охлаждением. Существуют три вида трансформаторов:

1. Трансформаторы с цилиндрическими обмотками, у которых первичные и вторичные обмотки наматываются концентрически одна поверх другой, относятся к группе трансформаторов с минимальным, или нормальным, электромагнитным рассеянием. Трансформаторы с нормальным рассеянием в зависимости от регулирования тока бывают следующего вида:

а) с дросселем с воздушным зазором; б) с дросселем насыщения;

53

в) со встроенной реактивной обмоткой.

2.Трансформаторы с дисковыми или цилиндрическими обмотками, у которых первичные и вторичные обмотки разнесены относительно друг друга, относятся к группе специальных сварочных трансформаторов с увеличенным, или развитым, электромагнитным рассеянием. Трансформаторы с повышенным рассеянием в зависимости от регулирования тока бывают следующего вида:

а) с подвижными обмотками; б) с подвижным магнитным шунтом;

в) с подмагничеваемым шунтом; г) с реактивной обмоткой; д) с разнесѐнными обмотками.

3.Трансформаторы с дисковыми или цилиндрическими обмотками, у которых первичные и вторичные обмотки разнесены относительно друг друга, или с цилиндрическими обмотками, у которых первичные и вторичные обмотки наматываются концентрически одна поверх другой, но имеют фазовое (тиристорное) регулирование, бывают двух видов:

а) с импульсной стабилизацией; б) с подпиткой.

Анализ работы трансформатора со стальным магнитопроводом, имеющим переменную магнитную проницаемость, принято проводить на основе картины магнитного поля (рис.12).

Рис. 12. Магнитные потоки в трансформаторе: а – при холостом ходе;

б – при нагрузке

При холостом ходе (вторичная обмотка разомкнута) к первичной обмотке прилагается переменное напряжение, и она станет потреблять

54

ток холостого хода, который создает переменный магнитный поток, протекающий по магнитопроводу.

Магнитный поток целесообразно разделить на две части: главный поток Фо и поток рассеяния Фls. Главный поток замыкается по магнитопроводу и совпадает по фазе с реактивной составляющей тока холостого хода i1p, т.е. намагничивающим током. Связь между главным потоком и намагничивающим током определяется кривой намагничивания стального магнитопровода. Поток рассеяния Фр замыкается по параллельному пути через воздух, прямо пропорционален первичному току и совпадает с ним по фазе.

Коэффициент пропорциональности между потокосцеплением и током определяет индуктивность, и в данном случае индуктивность рассеяния первичной обмотки трансформатора L1s w1s Ф1s i1 .

В передаче мощности от первичной обмотки к вторичной участвует только главный поток.

ЭДС самоиндукции в первичной обмотке можно также разложить на две составляющие: ЭДС, индуктируемую главным потоком,

e1 w1 dФ0 dt и ЭДС, индуктируемую потоком рассеяния, e1s L1s di1 dt .

Приложенное к обмотке напряжение u1 уравновешивает падение напряжения на активном сопротивлении обмотки r1 и наводимые в ней ЭДС.

Заменив кривую тока i10 эквивалентной синусоидой, пользуясь символическим методом и обозначив через UE составляющую напряжения, уравновешивающую ЭДС Е1, можно записать уравнение равновесия напряжений, построить схему замещения и векторную диаграмму трансформатора при холостом ходе.

Уравнение равновесия напряжений

			j			(30)
	U1	r1I10		L1s I10 U E ,
где U E	E1 .
Активная проводимость g0, связанная с мощностью потерь в маг-
нитопроводе Рс на гистерезис и вихревые токи, равна
	g0	I1a	U E	Pc	U E2 .	(31)

Реактивная проводимость обмотки bо для намагничивающего тока:

55

		b0	I1p U E I10 U E	,	(32)
так как обычно	I1 p	>>	I
			1a .

Заменяя дуговое напряжение эквивалентной синусоидой и учитывая, что оно совпадает по фазе со сварочным током, принимаем нагрузку сварочного трансформатора чисто активной. При нагрузке с ростом тока i2 увеличивается и ток i1, при этом согласно уравнению равновесия напряжений должно снижаться напряжение UE.

В трансформаторах с нормальным рассеянием (рис. 13), где паде-

ние напряжения на активном r1 и индуктивном x1s L1s сопротивлениях малы по сравнению с UE, можно считать, что главный поток трансформатора при его нагрузке от холостого хода (I2 = 0) до номинального режима (I2ном.) практически не меняется. Следовательно, для возбуждения основного потока при нагрузке необходим практически тот же намагничивающий ток, что и при холостом ходе. Разница между первичным и вторичным токами всегда должна быть такой, чтобы обеспечить намагничивающий ток, необходимый для возбуждения основного потока, что предопределяет автоматическое увеличение i1 с ростом i2.

Рис. 13. Схема замещения: а – трансформатора с нормальным рассеиванием;

б– векторная диаграмма

Втрансформаторах с развитым электромагнитным рассеянием, где падение напряжения на сопротивлении xls соизмеримо с величиной

U E E1 , рост тока нагрузки приводит к определенному снижению основного потока и намагничивающего тока.

Реальная картина электромагнитного поля трансформатора с развитым рассеянием (с разнесенными обмотками) схематически показана на рисунке 14, б. При появлении тока i2 начинает сказываться его раз-

56

магничивающее действие, которое заключается в том, что часть силовых линий потока, выходящего из зоны магнитопровода, связанной с первичной обмоткой (Ф1-Ф2), вытесняется из зоны магнитопровода, связанной с вторичной обмоткой. В результате при росте токов i2 и i1 помимо некоторого снижения ЭДС Е1, обусловленного рассеянием первичной обмотки, вследствие снижения потока Ф2 существенно уменьшаются ЭДС, наводимая во вторичной обмотке и, следовательно, напряжение на нагрузке (сварочной дуге).

Существует два принципиально отличных пути создания источников переменного тока для ручной дуговой сварки плавящимся электродом. Первый - на основе трансформатора с падающей внешней характеристикой, которая обеспечивается созданием повышенных магнитных полей рассеяния. Такие трансформаторы имеют только механическое регулирование (тип ТДМ).

Второй - на основе трансформатора с жесткой внешней характеристикой. Падающая характеристика источника обеспечивается в этом случае дополнительным включением в цепь питания дуги катушки с ферромагнитным сердечником - дросселем (т.е. большого индуктивного сопротивления) или изменением проводимости магнитопровода. Эти трансформаторы могут иметь как механическое, так и электронное регулирование сварочного тока.

Рис. 14. Схема замещения (а) и векторная диаграмма (б) трансформатора

сповышенным рассеиванием

3.1.Сварочные трансформаторы с механическим регулированием

В эту группу источников входят трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием, а именно трансформаторы с подвижными об-

57

мотками или с подвижными магнитными шунтами, и трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием, работающие в комплекте с дополнительной реактивной катушкой - дросселем.

Основной признак этой группы источников - наличие подвижных частей - является и основным ее недостатком. На подвижные части регулирующих устройств действуют электромагнитные силы, пульсирующие от нуля до максимума с двойной частотой сети; значение этих сил пропорционально квадрату тока и изменяется с изменением режима работы трансформатора. Электромагнитные силы вызывают вибрацию подвижных частей регулирующих устройств. Амплитуды колебаний зависят от массы подвижных частей, точности и качества сборки, жесткости крепления и других факторов. Даже при хорошей проработке конструкций и высоком качестве изготовления повышенные вибрации являются основной причиной, вызывающей нарушение работы ходового винта, и пробой межвитковой изоляции обмоток. Другим недостатком этих источников является инерционность регулирования и трудность осуществления дистанционного и программного управления, так как регулирование здесь производится вручную или при помощи сервоприводов.

Однако, несмотря на отмеченные недостатки, эти трансформаторы получили самое широкое распространение во всем мире как основной источник питания для ручной дуговой сварки штучными электродами из-за малого расхода активных материалов, высоких энергетических и сварочных показателей, простоты и дешевизны конструкций.

3.1.1. Трансформаторы с подвижными обмотками

Трансформаторы с развитым магнитным рассеянием и подвижными обмотками выполняются с магнитопроводами броневого и стержневого типа. Обмотки броневого трансформатора с подвижными обмотками могут быть цилиндрическими или дисковыми, обмотки стержневого трансформатора, как правило, только дисковые.

Одна из обмоток трансформатора, обычно первичная, выполняется неподвижной, другая - подвижной. Перемещение подвижной обмотки осуществляется ходовым винтом. Реактивное (индуктивное) сопротивление трансформатора и, следовательно, сварочный ток изменяются при изменении расстояния между обмотками. Полностью сдвинутым обмоткам соответствует минимальное индуктивное сопротивление и, следовательно, максимальный сварочный ток и наоборот.

В трансформаторах броневого типа с цилиндрическими катушками подвижная обмотка часто имеет меньшие радиальные размеры и

58

может входить внутрь неподвижной обмотки. При увеличении расстояния между обмотками индуктивное сопротивление возрастает и сварочный ток падает. Для расширения пределов регулирования тока в отдельных конструкциях трансформаторов наряду с подвижной обмоткой используются небольшие магнитные шунты. Когда подвижные шунты совмещаются с неподвижными, индуктивное сопротивление резко возрастает. Расчеты и эксперименты показали, что все известные модификации трансформаторов броневого типа уступают по удельным расходам активных материалов и по КПД трансформаторам стержневого типа. Поэтому трансформаторы стержневой конструкции получили самое широкое распространение в отечественных сварочных трансформаторах для ручной дуговой сварки.

Ток, протекающий по первичным обмоткам трансформатора приводит к образованию основного магнитного потока в магнитопроводе. Этот магнитный поток Ф0, проходя через контур вторичных обмоток, наводит в них э.д.с.

Рис. 15. Трансформатор с повышенным магнитным рассеянием: а) в режиме холостого хода, б) в режиме нагрузки

В режиме холостого хода большая часть силовых линий основного магнитного потока будет замыкаться в ферромагнитном сердечнике, магнитное сопротивление которого мало по сравнению с сопротивлением немагнитной окружающей среды. Следовательно, практически весь основной магнитный поток замкнется через вторичную обмотку, а напряжение холостого хода будет зависеть от коэффициента трансформации и коэффициента магнитной связи (рис. 15, а). Кроме того, небольшая часть силовых линий магнитного потока замкнется через воздушный зазор и изоляционные материалы, этот магнитный поток

59

будет являться потоком рассеивания ФР. Напряжение холостого хода можно определить по формуле

	Uх.х.	U1	W2 Kм	(33)
			W1
				, В,

где U1 - напряжение первичной обмотки, В; W2 - количество витков вторичной обмотки; Км - коэффициент магнитной связи, зависящий от расстояния между обмотками; W1 - количество витков первичной обмотки.

Так как при раздвижении обмоток Км уменьшается, то это приводит к незначительному снижению напряжения холостого хода.

В режиме нагрузки с появлением во вторичной обмотке сварочного тока возникают магнитные потоки рассеивания вторичной обмотки, которые создают в ней реактивную э.д.с. рассеяния пропорционально связанную с магнитным потоком рассеивания следующим соотношением:

E2 4.44 f W2 Фр	,	(34)

где f− частота питающей сети, Гц.

С увеличением нагрузки увеличивается реактивная э.д.с. вторичной обмотки, что приводит к увеличению магнитного потока рас сеивания первичной обмотки и уменьшению основного магнитного потока (рис. 15, б). Это приводит к стабилизации сварочного тока, в результате чего увеличивается крутизна вольтамперной характеристики.

Ток короткого замыкания вызывает еще большее увеличение магнитного потока рассеяния и в результате э.д.с. трансформатора расходуется на потери в самом трансформаторе и в кабелях, подходящих к нагрузке:

Iк.з.		E2		(35)
	RТ		RH , А,

где RT – внутреннее сопротивление трансформатора, Ом; RH – сопротивление внешней цепи, Ом.

Следует отметить, что индуктивное сопротивление в зависимости от расстояния между обмотками изменяется по линейному закону, и, следовательно, сварочный ток изменяется обычно пропорционально

60