3.Внешние статические характеристики источников питания для дуговой сварки

Внешней статической характеристикой (ВСХ) ИП называется зависимость действующего значения напряжения нагрузки от действующего значения протекающего в ней тока . При экспериментальном определении ВСХ по точкам обычно изменяют активное сопротивление нагрузки ИП, а перед отсчетом значений и выдерживается пауза, необходимая для окончания переходных процессов.

В соответствии с терминологией, принятой в литературе по сварочному оборудованию, различаются крутопадающие и пологопадающие ВСХ.

Крутопадающие ВСХ имеют ИП для сварки штучным покрытым электродом (MMA) и для ручной аргоно - дуговой сварки неплавящимся электродом (TIG).

ИП для механизированной сварки в среде защитного газа (MAG, MIG) и для сварки под флюсом – пологопадающие ВСХ.

В качестве примечания следует отметить, что современные ИП на основе управляемых полупроводниковых преобразователей энергии, содержащие микроэлектронные аппаратные средства обработки информации являются универсальными и способны сформировать ВСХ любой заданной конфигурации внутри области, ограниченной только предельно допустимыми параметрами силовых элементов.

На рис. 3.1,а представлены крутопадающие ВСХ ИП для сварки штучным покрытым электродом: максимальная (линия 1) и минимальная (линия 2), а также усредненная вольт – амперная характеристика дуги, горящей в парах железа (линия 3).

В частности, для номинального тока номинальное напряжение определится как .

Построение семейства ВСХ проводится следующим образом.

Напряжение холостого хода выбирается исходя из типа электродов и с учетом п. 2.8. Для электродов без ионизирующих покрытий, облегчающих зажигание дуги, = 70 – 80 В, а для электродов с рутиловым покрытием = 45 – 50 В.

Рис. 3.1

Номинальное и минимальное значения сварочного тока выбирают исходя из предполагаемых диаметров электродов по выражению , А, d – максимальный диаметр электрода, мм. Значения токов короткого замыкания должны в 1,4 – 1,5 раза превышать номинальные для исключения «прилипания» электрода к изделию.

Наклон ВСХ в рабочих точках должен составлять 1,5 – 2 В/А.

Источники питания для ручной аргоно – дуговой сварки (TIG) должны иметь наклон ВСХ (рис.3.1, б) 3 – 4 В/А, а значения токов короткого замыкания снижены до 5 – 7 А с целью предотвращения разрушения вольфрамового электрода.

На рис. 3.2 показаны пологопадающие ВСХ: максимальная

(линия 1) и минимальная (линия 2), а также линеаризованный участок вольтамперной характеристики (ВАХ) дуги при сварке в среде .

Построение семейства ВСХ проектируемого ИП проводится в следующем порядке.

В режиме MAG сварки дуга стабильно горит при плотности тока в присадочной проволоке 80 А/мм². Поскольку максимальный и минимальный диаметры проволоки известны, можно вычислить значения

минимального и номинального сварочного тока:

d – диаметр проволоки, мм.

Рис. 3.2

На рис. 3.2 – это точки A и B. Соответствующие напряжения определяет ВАХ дуги.

Через точки А и В проводятся прямые линии с наклоном 0,01 – 0,03 В/А; напряжение холостого хода не нормируется.

Значение при капельных коротких замыканиях составляет 2 –3 от номинального тока. В процессе сварки ток может существенно превысить , однако этот режим кратковременный и существует только при настройке параметров и в начале сварки при первых зажиганиях дуги.

При проектировании ИП предусматривается защита (выключение источника) в тех случаях, когда превышен длительно, например более 1 - 2 с.

Иллюстрирует это явление рис. 3.3. Здесь представлена осциллограмма реального процесса сварки MAG.

До момента времени t=0,04 с наблюдается режим холостого хода, затем первое касание проволоки и изделия. Ток (линия 1) резко нарастает, происходит разогрев, расплавление и перегорание присадочной проволоки (t=0,1 c), затем снова режим холостого хода, сопровождающийся нарастанием напряжения (линия 2) примерно до t=0,17 с, снова касание проволоки и изделия, зажигание дуги в момент t=0,23 с, далее – нормальный процесс при токе около 200 А с капельными короткими замыканиями (начало первого соответствует t=0,36 с).

Рис. 3.3

Заметно, что при нормальных капельных КЗ ток не превышает 600 А, а в начале сварки его значение составило более 1000 А.

Универсальные ИП должны обеспечивать как крутопадающие, так и пологопадающие ВСХ, а их предельная ВСХ - охватывать точки (0, ) по рис. 3.1 и ( , ) по рис. 3.2.

В настоящее время промышленность выпускает ИП для дуговой сварки трех основных видов:

• сварочные трансформаторы;

• сварочные выпрямители;

• источники с промежуточными высокочастотными преобразователями (тиристорными или транзисторными автономными инверторами).

4. ТРАНСФОРМАТОРЫ КОНТАКТНЫХ СВАРОЧНЫХ МАШИН.

4.1. Особенности трансформаторов машин контактной сварки.

Сварочные трансформаторы контактных машин (СТКМ) имеют ряд особенностей как по электрическим параметрам, так и по конст-руктивному исполнению, а именно:

– повышенные электрические, магнитные и тепловые нагрузки;

– низкие напряжения холостого хода (2÷10 В, реже до 24 В) и

большие вторичные токи (десятки кА);

– повторно – кратковременный режим работы;

– в режиме холостого хода (ХХ) СТКМ не работают, т.к. включение и выключение трансформатора производится под нагрузкой (при замкнутых электродах) из-за больших токов холостого хода и во избежание образования дуги.

По этой причине потери мощности в режиме ХХ в СТКМ существенного значения не имеют, но ток холостого хода регламентируется в % от длительного первичного тока. На номинальной ступени ток холостого хода не должен превышать 50% для машин с ≤ 2500А, 32% – для машин с ≤ 5000А;– 20%–для машин с >5000А.

Семейство типичных вольт-амперных характеристик (ВАХ) СТКМ представлено на рис. 4.1.

Рис. 4.1

Переход от одной характеристике к другой производится переключением отпаек первичной обмотки СТКМ, поэтому количество ВАХ в семействе ограничено.

Расчетное значение первичного напряжения U₁ зависит от на-пряжения питающей сети U_c и типа включающего устройства. При асинхронном включении контактором U₁ = U_c , тиристорным контакто-ром - U₁ ≈ U_c.. При синхронном включении без стабилизации U₁ = 0.96U_c, а со стабилизацией U₁ = 0.92U_c.

Высокие требования предъявляются к СТКМ по механической прочности, нагревостойкости и влагостойкости. Последнее вызвано тем, что при длительных перерывах в сварке из-за водяного охлаждения обмоток их температура может опуститься ниже точки росы, что вызовет конденсацию атмосферной влаги.

Поскольку вторичная обмотка СТКМ имеет, как правило, всего один виток, регулирование вторичного напряжения холостого хода (ко-эффициента трансформации) осуществляется путем изменения числа витков первичной обмотки. При этом секционирование первичной обмотки должно обеспечить: во-первых, требуемый диапазон регу-лирования, во-вторых, позволять симметричное расположение сек-ций первичной обмотки на стержнях магнитопровода.

На рис. 4.2 показаны две схемы секционного подключения первичной обмотки СТКМ.

Рис. 4.2

Простейшая схема (рис. 4.2,а) позволяет регулировать вторичное напряжение с любым числом ступеней, однако на практике кратность получаемых напряжений не превышает 2,5. Кроме того, размещение обмоток симметрично на стержнях магнитопровода трансформатора усложняет его конструкцию. К недостаткам данной схемы следует отнести и наличие витков, не используемых в других положениях переключателя.

Схема на рис. 4.2,б - более универсальна. Все первичные обмотки могут образовывать последовательные или параллельные соединения, Диапазон регулирования напряжения по такой схеме U_2n/U₂₁=2.

Для расширения диапазона регулирования в схему вводят дополнительные обмотки.

4.2 Расчет трансформаторов машин контактной сварки.

Для однофазных трансформаторов задаются следующие исходные данные:

– номинальный ток вторичной обмотки , А;

– номинальное вторичное напряжение холостого хода, U_2н, В;

– число ступеней регулирования n;

– первичное напряжение, U_1н, В;

– частота питающей сети, f, Гц;

– продолжительность включения, ПВ, %.

Тип трансформатора (стержневой, броневой), материал и конст-рукция магнитопровода, класс изоляции и т.п. определяется конструк-тором.

Электрический расчет начинается с выбора схемы трансформа-тора и определения числа витков первичной обмотки по ступеням w_1i. При этом, при переходе на следующую ступень, напряжение U_2i не должно возрастать более чем в 1,2 раза (в 1,3 раза для машин с фазовым регулированием). Учитывая, что w₂=1, w_1i=U₁/U_2i. Число витков на номинальной ступени – w_1н=U₁/U_2н. Первичный ток на номинальной ступени где – коэффициент трансформации, а – коэффициент учитывающий ток холостого хода. Для можно вос-пользоваться эмпирическим выражением где – значение тока холостого хода в % (см. выше).

Считая, что сопротивление нагрузки не зависит от величины вто-ричного напряжения, можно определить значения первичного тока по ступеням регулирования: I_1i=I_1н(w_1н/w_1i)².

Расчет сечения проводников производится по значению длитель-ного тока: I_1,2д=I_1,2н(ПВ/100)^1/2. Сечение проводников по ступеням опреде-ляяется путем деления I_1,2д на допустимую плотность тока, которая для конкретного случая может колебаться в пределах от 1,3 до 40 А/мм².

Активное сечение магнитопровода вычисляется по традиционной формуле: S_c≥U₁/(4,44fw_1нB_mk_c ), м². Максимальное значение индукции B_m зависит от материала магнитопровода. Для витых магнитопроводов из ленты толщиной 0,35 мм значение B_m можно принять 1,5÷1,9 Тл, а для шихтованных из пластин толщиной 0,5мм – 1,1÷1,4 Тл. Коэффициент заполнения сталью в обоих случаях k_c≈0,93÷0,95.

По величине S_c=ab определяется ширина стержня а и высота на-бора b магнитопровода, при этом руководствуются рекомендуемым соотношением b=(1,5÷2,5)a.

Далее рассчитываются все остальные размеры магнитопровода, размеры обмоток и т.п. Расчеты производят с учетом толщины изоляции, габаритов охлаждающей системы, креплений трансформатора и других факторов, влияющих на геометрию [5].