книги / Сварочные агрегаты
..pdfМинистерство образования Российской Федерации Пермский государственный технический университет
В.В. КАРАТЫШ
СВАРОЧНЫЕ АГРЕГАТЫ
Утверждено в качестве учебного пособия научно-методическим советом по специальности 12.05 «Оборудование и технология сварочного производства»
Пермь 2000
УДК 621.791 К 21
Рецензенты: канд.техн.наук А.Н. Аржакин (АО «Пермский моторный завод»); д-р техн. наук, профессор Ю.Д. Щицын (ПГТУ)
Каратыш В.В.
К21 Сварочные агрегаты: Учеб.пособие / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2000. 136 с.
ISBN 5-88151-264-2
Приведены основные сведения о сварочных агрегатах и их основных элементах. Рас смотрены принцип действия и устройство коллекторных, и вентильных генераторов, их элек тромагнитные схемы и их особенности в составе сварочных агрегатов.
Описаны устройство и принципы работы механизмов, систем и двигателей внутрен него сгорания, применяемых в приводах сварочных агрегатов. Отмечены особенности этих двигателей в составе сварочных агрегатов.
Приведены технические характеристики генераторов, двигателей и выполненных на их базе сварочных агрегатов.
Пособие предназначено для студентов вузов и специалистов сварочного произ водства.
УДК 621.79 ISBN 5-88151-264-2 © Пермский государственный технический университет, 200(|
1.ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРОЧНЫХ АГРЕГАТАХ
ИИХ КЛАССИФИКАЦИЯ
Сварочный агрегат (СА) - комплекс, состоящий из сварочного генератора (СГ) и приводного двигателя, приспособленный для пе ремещения на необходимые расстояния с сохранением постоянной готовности к быстрому вводу в работу для осуществления дуговой сварки.
Сварочные агрегаты являются одной из разновидностей, источ ников питания сварочной дуги. Основной особенностью СА по срав нению с остальными источниками питания является то, что эти агре гаты служат первичными источниками электропитания, преобра зующими энергию сгорания топлива двигателя в электрическую энергию. Все остальные сварочные источники питания (сварочные трансформаторы, преобразователи, выпрямители) являются вторич ными источниками электропитания, получающими электрическую энергию из сети переменного тока и преобразующими ее по току и напряжению до значений, необходимых для питания сварочной дуги.
Отсюда ясно, что уникальность сварочных агрегатов состоит в том, что это единственные источники автономного действия, не свя занные с электрической сетью. Только с помощью СА можно осуще ствлять дуговую сварку в полевых и монтажных условиях, при от сутствии электрических энергосистем. Однако в СА может исполь зоваться не только двигатель внутреннего сгорания, но и электро двигатель. СА с электродвигателями не являются первичными ис точниками тока, т.к. для их работы требуется силовая электрическая цепь. В данном пособии такие СА не рассматриваются, но их марки и технические характеристики приведены для полноты ориентации в парке СА.
В связи с бурным развитием полупроводниковой техники в со временных условиях сварочные выпрямители по техническим и эко номическим показателям превосходят генераторы постоянного тока, являющиеся составной частью СА. Тем не менее, учитывая, что СА еще долго будут единственными первичными источниками питания дуги, их выпуск не будет прекращен в обозримом будущем. Отме тим, что первая сварочная дуга в 1881 г была запитана от первично го источника питания, разработанного Н.Н. Бенордосом, в виде ак кумуляторной батареи, которая заряжалась 8 часов от маломощного генератора с приводом от парового локомобиля. Если ученым удаст
ся создать миниатюрные и энергоемкие аккумуляторы, то только они станут конкурентами СА.
СА являются, по существу, передвижными электростанциями узкоспециального назначения - для сварки.
Существующие СА отличаются многообразием конструктивных исполнений. Это многообразие вызвано следующими причинами:
-непрерывным совершенствованием конструкций двигателей и генераторов, улучшением их технических характеристик;
-повышением эксплуатационных качеств СА и улучшением ус ловий их эксплуатации;
-применением более совершенных средств запуска двигателей
изащиты электрооборудования;
-автоматизацией процессов обслуживания и контроля заданных рабочих параметров и режимов сварки;
-улучшением условий и способов транспортировки СА;
-необходимостью источников питания, разнообразных по зна чениям параметров тока, напряжения и форме внешних вольтамперных характеристик.
Весь парк СА можно условно классифицировать по нескольким признакам:
- по типу первичного двигателя на агрегаты с бензиновыми и дизельными двигателями;
по способу охлаждения двигателя с воздушным и жидкост ными охлаждением;
по типу сварочного генератора - на коллекторные и вентиль ные или бесколлекторные;
по числу сварочных постов на однопостовые и многопосто
вые;
-по роду тока - с переменным и постоянным током;
-по способу установки - стационарные и передвижные;
по способу транспортирования |
перевозные и прицепные, |
буксируемые автомобилем; |
|
-по способу размещения СА - в капоте, открыто в автомашине,
взакрытом кузове.
Все выпускаемые в настоящее время СА с коллекторными гене раторами комплектуются генераторами с самовозбуждением и по следовательной размагничивающей обмоткой. До 60-х годов в СА использовались также коллекторные генераторы независимого воз буждения с последовательной размагничивающей обмоткой и раз личные модификации генераторов с расщепленными полюсами. Не смотря на то, что их в настоящее время промышленность не выпус
кает, в данном пособии эти схемы будут рассмотрены, т.к. СА с эти
ми генераторами очень широко эксплуатируются.
Требования к СА сформулированы в ГОСТ 2402-82 «Агрегаты для дуговой сварки с двигателями внутреннего сгорания. Техниче ские условия». Основным параметром СА является номинальное значение сварочного тока. Стандартный ряд номинальных значений токов СА: 125; 160; 250; 315; 400; 500 А, но сейчас СА выпускаются только на номинальный ток 250; 315; 400; 500 А. СА приспособлены для эксплуатации на открытом воздухе в условиях воздействия раз личных климатических факторов и в любое время года. В основном СА эксплуатируют эпизодически, стараются своевременно прово дить профилактические осмотры и ремонт, поэтому при правильной эксплуатации они работают не один десяток лет. Недостатком их яв ляется сложность обслуживания: сварщику, работающему на СА, не обходимо быть и электриком, и квалифицированным механиком.
СА состоит из первичного двигателя внутреннего сгорания, сварочного генератора, пульта управления с контрольно измерительными приборами, реостата для регулирования сварочного тока, автоматического регулятора скорости вращения вала, топлив ного бака, аккумуляторной батареи (на бензоэлектрических СА) или пускового двигателя (на дизельгенераторных СА), рамы агрегата ме таллического капота для защиты от пыли и осадков. Кроме того, СА комплектуется запасными частями, инструментом и принадлежно стями (ЗИП), сварочными кабелями и необходимым запасом свароч ных материалов, а также средствами пожаротушения. Аккумулятор ная батарея на карбюраторных (бензиновых) двигателях служит для стартерного пуска двигателя, а для запуска дизеля необходим пуско вой двигатель.
Автоматический регулятор скорости вращения вала поддержи вает постоянную частоту вращения приводного двигателя независи мо от значения сварочного тока. Без регулятора скорость вращения вала двигателя при коротких замыканиях дугового промежутка будет падать и соответственно будет снижаться ЭДС в витках якоря.
При снижении ЭДС в витках якоря и на выходных клеммах ге нератора затрудняется возбуждение дуги при отведении электрода от изделия и тем самым уменьшается устойчивость и стабильность го рения дуги.
2.ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СА - ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
2.1.Коллекторные генераторы
2.1.1.Принцип действия и работа генератора самовозбуждения с последовательной размагничивающей обмоткой (ПРО)
Основным узлом СА является генератор. Коллекторные генера торы в современных СА выполнены в виде генераторов самовозбуж дения с параллельной намагничивающей и последовательной раз магничивающей обмотками возбуждения с крутопадающими внеш ними характеристиками.
Особенностью сварочного агрегата с самовозбуждением, по сравнению с аналогичным силовым, является то, что параллельную обмотку возбуждения нельзя подключать к щеткам силовой свароч ной цепи, т.е. ко всем виткам обмотки якоря. Это связано с тем, что для нормальной работы любого генератора, в том числе и с самовоз буждением, необходимо, чтобы ток возбуждения, а соответственно и магнитный поток, был при любой нагрузке неизменным. При жест кой внешней характеристике генератора это условие соблюдается автоматически, если не меняется сопротивление в цепи обмотки воз буждения. При падающих внешних характеристиках с увеличением тока нагрузки (сварки) ЭДС на щетках уменьшается и, соответствен но, снижаются ток возбуждения, поток возбуждения, ЭДС якоря и нарушается процесс сварки ввиду недостаточности напряжения на дуге. Для поддержания необходимого постоянства тока и потока об мотки возбуждения ее подключают не ко всему якорю генератора, а только к одной его половине. Для такого подключения кроме сило вых щеток, питающих силовую (сварочную) цепь и называемых главными щетками, необходимо иметь третью щетку - дополнитель ную, располагаемую на коллекторе между главными. При таком под ключении обмотки возбуждения между главной и дополнительной щеткой создаются неизменные ЭДС, ток возбуждения и магнитный поток в зазоре между.полюсом и якорем.
Прежде чем уяснить, за счет чего это происходит, рассмотрим принцип действия генератора самовозбуждения при холостом ходе, агрузке и коротком замыкании.
На рис. 2.1 представлена принципиальная электрическая схема генератора самовозбуждения с параллельной намагничивающей об моткой (НО) и последовательной размагничивающей обмоткой (ПРО).
Рис. 2.1. Принципиальная схема сварочного коллекторного гене ратора с параллельной намагни чивающей (НО) и последова тельной размагничивающей (TIP) обмотками; Фн и Фр - намагни чивающий и размагничивающий потоки; R - регулятор; /„ -то к в цепи намагничивающей обмотки
/о - ток дуги; а,Ь,с- щетки
Из теории генераторов известно, что ЭДС, индуцированная в витках якоря (она условно не показана на принципиальной схеме, но помнить о ней необходимо), пропорциональна магнитному потоку
между вращающимся якорем и полюсом статора: |
(2.1) |
ЕГ=СФц, |
где Фц магнитный поток в воздушном зазоре между якорем и по люсом;
с- постоянная генератора.
с. е и - И ,
60 А
где р - число пар полюсов; п - скорость вращения якоря, об/мин;
N - число активных проводников обмотки якоря; А - число пар параллельных цепей обмотки якоря.
Из выражения (2.1) следует, что для создания ЭДС необходимо иметь поток, а из рис. 2.1 видно, что поток появляется от тока воз буждения /„,а ток /„ возникает только при наличии напряжения меж ду щетками ас\ следовательно, при наличии Ег существует противо речие: Е не может быть без Ф, а Ф не может быть без Н. В генерато-
pax независимого возбуждения, у которых НО питается от посторон
него источника питания, это противоречие отсутствует, т.к. ЭДС бе рется от другого источника, она порождает в НО ток и поток, кото рый затем индуктирует Ег в витках якоря. В генераторе самовозбужсния это противоречие устраняется тем, что здесь первичным явля ется поток, но не Фц, а поток остаточного магнетизма Ф0 в полюсах статора от предыдущей работы генератора. В новом генераторе на заводе-изготовителе или в размагниченном генераторе при непра вильной его эксплуатации необходимо НО запитать от постороннего маломощного источника (аккумулятор, выпрямитель) для создания Ф. Поток Фо гораздо меньше Фц, но он обязательно должен быть больше нуля и его направление должно совпадать с направлением Ф„ - потока НО. Это условие сохраняется при вращении якоря толь ко в Одном направлении и легко реализуется в двигателях внутрен
него сгорания, коленчатый вал которых не реверсируется.
Для возбуждения генератора достаточно запустить первичный двигатель, коленчатый вал которого через муфту начинает вращать якорь генератора. Под действием Ф0 в витках якоря, пересекающих его, индуктируется малая ЭДС. Поскольку цепь НО всегда замкнута, то в цепи возбуждения появляется малый ток малый поток Ф„, ко торый складывается с потоком Ф0, и результирующий поток увели чивается, возрастает Ег, Фн и так до тех пор, пока в магнитной системе генератора не наступит режим, близкий к насыщению. Если при этом сварочная цепь разомкнута, т.е. имеет место режим холо
стого |
хода, то все параметр.ы Ег, Ф„, |
/„ максимальны. В |
уравнении |
|
(2.1) Фц= Ф„ и |
|
|
|
|
|
Uo = Его = СФ„ = С„, WJRylHi |
|
(2.2) |
|
где |
Uo - напряжение холостого хода, равное Ег |
при |
холостом |
|
/„, |
ходе; |
|
|
|
RpH- соответственно ток, число витков, магнитное сопротив |
||||
|
ление на пути потока Ф„. |
|
|
|
|
При нагрузке, когда появляется |
сварочный ток |
при |
возбужде |
нии дуги или когда выходная цепь замыкается через какое-то сопро тивление нагрузки, в выходной цепи появляется ток. Этот ток, про ходя по виткам ПРО, создает поток Фр, направление которого проти воположно потоку Ф„. Тогда
Фц = Ф„ - Фр = /„ИУЯцн - /д Wpl Дрр, |
(2.3) |
где /д, Wp, Rnр соответственно ток дуги, проходящий |
по виткам |
якоря, и по виткам ПРО, число витков ПРО и магнитное сопротивление на пути Фр.
Из электротехники известно, что при прохождении тока по цепи в ней создается падение напряжения, равное произведению тока на сопротивление в данной цепи. Тогда
Ur=Er - 1,RT= СФЦ- InRr= C iJV JR ^ - /д (СЖР/ R^+Rr). (2.4)
Обозначив CWP !R\xp = R0, полагая, что действие ПРО эквива лентно действию сопротивления /?э, включенного последовательно с дугой, и учитывая уравнения (2.2), можно записать:
и г = и л = Uo - /д (Д, + Лг), |
(2.5) |
/д = (/о - U J R, + RT. |
(2.6) |
Необходимо помнить, что У?э - эквивалентное сопротивление, в реальном генераторе отсутствует, его заменяет ПРО, ее поток Фр создает падение напряжения, которое бы создало /?э, если его ввести в сварочную цепь генератора.
Если в реальный генератор в сварочную цепь ввести /?„ то оно будет сильно нагреваться сварочным током и нагревать генератор выше допустимых температур. Изоляционные материалы могут подплавиться или даже воспламениться, генератор выйдет из строя. ПРО выполнена из меди необходимого сечения, ее омическое сопро тивление мало и перегрева ее при максимальных сварочных токах не происходит.
При коротком замыкании UA= 0, тогда
Л = £/о/Дэ +Яг- |
(2.7) |
Из уравнений (2.2)-(2.7) видно, что регулирование режима воз можно двумя методами.
1.Плавным изменением величины сопротивления реостата в цепи обмотки возбуждения, при этом меняются Фн, /„, Uo. Наклон внешней характеристики остается тем же.
2.Изменением числа витков Wp, при этом ступенчато изменяются /?0, (/д, /д, т.е. меняется наклон внешней характеристики (рис. 2.2).
При холостом ходе действует только поток Фн,а при нагрузке появляются дополнительно потоки Фр и Фя от действия сварочного тока в ПРО и обмотках якоря соответственно. Поток якоря Фя дей ствует так, как показано на рис. 2.1, т.е. замыкается через якорь, воздушный зазор между якорем и полюсом, полюс, через второй воздушный зазор и якорь. Теперь можно пояснить назначение до полнительной щетки с и объяснить, почему между щетками ас ЭДС
ипоток возбуждения не меняются при изменении тока. Для этого мысленно разделим генератор по вертикальной оси полюсов на две половины. В правой половине, т.е. между щетками ас, действуют по
токи Ф„, Фя и Фр, а в левой |
половине (между |
щетками вс) дейст |
вуют потоки Фн, -Ф„ , -Фр, |
т.к. поток Фя в |
правой половине |
Рис. 2.2. Внешние характери стики сварочного генератора ГСО-ЗОО при выведенном (кр. 1,2) и введенном (кр.
3,4) |
сопротивлении |
реостата: |
Wi |
= 1 8 витков; |
W2 - |
|
= 10 витков |
|
сбегает с полюса и действует сргласно с Ф„, т.е. вниз (условно со знаком +), а в левой половине набегает на полюс и действует встречно потоку Ф„, т.е. вверх (условно со знаком ). Если выпол нить условие, что потоки Ф„ и Фр равны между собой, то в правой половине полюса они взаимно сократятся и останется один поток Ф,г = const, а соответственно и Еас = const и не зависит от величины то ка, т.к. и Фя>и Фр формируются одним и тем же током дуги и при любых его значениях будут взаимно уничтожаться в правой полови не полюса. В левой половине полюса они действуют согласно между собой и встречно потоку Ф„, поэтому с увеличением сварочного тока результирующий поток резко падает и даже меняет свой знак на об ратный, т.е. левая часть сердечника перемагничивается и ЕсЬ резко падает и меняет свой знак. При коротком замыкании Еаь и ЕсЬ становятся одинаковыми, но с обратными знаками, и суммарное напряжение на дуге равняется нулю. Таким образом, при холостом ходе поток Фн распределяется одинаково в левой и правой части сердечника, т.е.
Еаь = ЕаЬ + Есь = СФр = CiHfVH/ |
= U0, |
(2.8) |
|
Еас = БеЬ |
= (С/2) Ф\х = Еаь /2 = U0/2. |
(2.9) |
|
При нагрузке ЭДС в половинах полюсов |
явно неравномерны, в |
||
правой половине полюса |
|
|
|
Бас =(С/2) Дц„ (i„WH- /дЖр + /дИу = CinWn / 2Дйн = const, (2.10) |
|||
т.к. /дЖр = /дй'я и они взаимно уничтожаются. |
|
|
|
В левой половине полюса |
|
|
|
Есь |
C/2Riitt (iHWH- IAWP- /дИ'я). |
(2.11) |
Суммарная ЭДС в якоре генератора