3.Джерела електроживлення зварювальних установок.

Важливою умовою отримання зварювального шву високої якості являється стійкість процесу зварювання. Для цього джерела живлення дуги повинні забезпечувати збудження і стабільне горіння дуги.

Збудження зварювальної дуги починається з короткого замикання зварювального кола — контакту між електродом і деталлю. При цьому відбувається виділення тепла і швидке розігрівання місця контакту. Ця початкова стадія вимагає підвищеної напруги зварювального струму. В подальшому відбувається зменшення опору дугового проміжку (внаслідок емісії електронів з катоду і появлення об’ємної іонізації газів в дузі), що викликає зниження напруги до межі, яка необхідна для підтримання стійкого горіння дуги. В процесі зварювання при переході крапель електродного метала в зварювальну ванну відбуваються дуже часті короткі замикання зварювального кола. Разом з цім змінюється довжина зварювальної дуги. При кожному короткому замиканні напруга падає до нульового значення. Для послідуючого відновлення дуги необхідна напруга понад 25...30 В. Така напруга повинна бути забезпечена за час не більше 0,05 с, щоб підтримати горіння дуги в період між короткими замиканнями. Слід враховувати, що при коротких замиканнях зварювального кола розвиваються великі струми (струми короткого замикання), які можуть викликати перегрів в проводці і обмотках джерела струму.

Ці умови процесу зварювання в основному і визначили вимоги, яки висуваються до джерел живлення зварювальної дуги.

Для забезпечення стійкого процесу зварювання джерела живлення дуги повинні задовольняти наступним вимогам:

1. Напруга холостого ходу повинна бути достатньою для легкого збудження дуги і в той же час не повинна перевищувати норм безпеки. Максимально допустима напруга холостого ходу встановлена для джерел постійного струму – 90 В; для джерел змінного струму – 80 В.

2. Напруга стійкого горіння дуги (робоча напруга) повинна швидко встановлюватися і змінюватися в залежності від довжини дуги. Зі збільшен - ням довжини дуги напруга повинна швидко зростати, а зі зменшенням швидко падати. Час встановлення робочої напруги від 0 до 30 В після кожного короткого замикання (при краплинному переносі металу від електроду до деталі) повинно бути менше 0,05 с.

3. Струм короткого замикання не повинен перевищувати зварювальний струм більше ніж на 40...50 %. При цьому джерело струму повинне витримувати довготривалі короткі замикання зварювального кола. Ця умова є необхідною для запобігання перегріву обмоток джерел живлення і їх пошкодження.

4. Потужність джерела струму повинна бути достатньою для виконання зварювальних робіт. Крім того, необхідно мати пристрої, які дозволяють регулювати зварювальний струм в необхідних межах.

Промисловістю випускаються наступні типи джерел живлення зварювальної дуги: зварювальні перетворювачі і генератори , зварювальні апарати змінного струму, зварювальні випрямлячі, автономні агрегати.

1.Зварювальні перетворювачі і генератори.

Зварювальні перетворювачі складаються з генератора і електродвигуна або двигуна внутрішнього згоряння. Зварювальні генератори виготовляють по електромагнітним схемам, які забезпечують падаючу зовнішню характерис - тику і обмеження струму короткого замикання. Зовнішня вольт-амперна характеристика (рис. 6.23) показує залежність між напругою і струмом на клемах зварювального кола генератора. Для стійкості горіння зварювальної дуги характеристика генератора І повинна перетинати характеристику дуги ІІІ. Збудження здійснюється при торканні електрода і при цьому напруга змінюється від точки 1 до точки 2. При виникненні і стійкому горінні зварювальної дуги її характеристика зміщується з положення ІІ и займає положення ІІІ, а напруга зростає до значення, яке вказане точкою 3. Ця точка відповідає режиму стійкого горіння зварювальної дуги. Струм короткого замикання (точка 4) не повинен перевищувати зварювальний струм (точка 5) більше ніж в 1,5 рази, тобто І_к ≤ 1,5І_р.

Багатопостові зварювальні перетворювачі (генератори) мають жорстку зовнішню характеристику, а однопостові, як правило, – падаючу.

Перетворювачі сер. ПСМ – багатопостові (ПСМ-1000-1 для дев’яти постів).

Перетворювачі сер. ПСО – однопостові (ПСО-500, ПСГ-300).

Генератори сер. СМ використовують в автономних установках.

Рис. 6.23. Зовнішня характеристика і схеми зварювальних генераторів а) – одно -

постового, б) – багатопостового.

Схема регулювання зварювального струму представлена на рис. 6.24.

Рис. 6.24. Регулювання струму

зварювального генератора.

1 – регульована обмотка;

2 – нерегульована обмотка;

3 – регулювальний реостат;

4 – серієсна обмотка;

О – О - нейтральна лінія.

Зварювальний струм генератора можна регулювати в два прийоми – грубо і точно.

Грубе регулювання здійснюють зміщенням щіткової траверси, на якій розта- шовані всі три щітки генератора. Якщо зсувати щітки по направленню обертання якоря, то розмагнічувальна дія потоку якоря збільшується і зварювальний струм зменшується. При зворотному зсуві розмагнічувальна дія зменшується і зварювальний струм збільшується. Таким чином, встанов -люють інтервали великих і малих струмів.

Плавне і точне регулювання струму здійснюють реостатом, що включений в коло регульованої обмотки збудження.

В генераторах с розщепленими полюсами пізніших випусків регулювання зварювального струму виконується зміною числа витків секціонованих обмоток полюсів генератора і реостатом, що включений в коло обмотки збудження. Реостат встановлюється на корпусі генератора і має шкалу з діленнями «А». По такій схемі працюють генератори СГ-300М-1, що використовуються в перетворювачах ПС-300М-1.

Генератор з розмагнічувальною дією послідовної обмотки збудження, що включений в зварювальне коло має принципову схему, яка представлена на рис. 6.25а.Генератор має дві обмотки: обмотку збудження 1 і розмагнічу -вальну (реактивну) послідовну обмотку 2. Обмотка збудження живиться або від основної і додаткової щіток (в і с), або від спеціального джерела постій- ного струму.

Зварювальний струм регулюють переключенням витків послідовної обмотки

( грубе регулювання – два діапазони) і реостатом обмотки збудження (плавне і точне регулювання в межах кожного діапазону).

а) б)

Рис. 6.25. Схеми однопостового зварювального генератора з реактивною обмоткою а) і багатопостового з баластними резисторами б).

Зовнішній вигляд зварювальних апаратів з генераторами представлений на рис. 6.26.

а) б)

Рис. 6.26. Зварювальні агрегати з

генераторами.

а) – однопостовий ГСО-500;

б) – багатопостовий ПСМ-1000;

в) – з приводом від двигуна

внутрішнього спалювання

ПАС-400-VIII.

2.Зварювальні трансформатори.

Основними джерелами живлення для зварювання на змінному струмі служать однофазні зварювальні трансформатори з первинною напругою 220 або 380 В. Однопостові трансформатори з падаючими характеристиками поділяться на дві групи:

- трансформатори з нормальним магнітним розсіянням і додатковою реактивною котушкою – дроселем;

- трансформатори з підвищеним магнітним розсіянням. Трансформатори другої групи можна поділити на три основні типи: трансформатори з рухомими котушками, трансформатори з магнітним шунтом, трансформатори з витковим (ступеневим) регулюванням.

Схеми будови сучасних однопостових зварювальних трансформаторів показані на рис. 6.27.

Рис. 6.27. Схеми будови зварювальних трансформаторів.

В трансформаторах з нормальним магнітним розсіюванням і додатковою реактивною котушкою (рис. 6.27а) 2-4, є загальний магнітопровід 2 з трьома обмотками: первинною 1, вторинною 5 і реактивною 3. Верхня частина магнітопроводу роз’ємна і має рухомий магнітний шунт 4. Зміною положен -ня шунта, тобто величини зазору в магнітопроводі, можна регулювати вторинний (зварювальний) струм. Чім більше зазор, тім більшим буде струм. Переміщення шунта виконується електроприводом з дистанційним керуван - ням. По такий схемі виготовляються трансформатори типів ТСД (на 500, 1000 и 2000 А) і СТ (на 1000 и 2000 А).

В трансформаторах з рухомими котушками (рис. 6.27б) для регулювання зварювального струму змінюють відстань між первинною (нерухомою) 1 і вторинною обмоткою 5. Котушки вторинної обмотки пересуваються по стержням магнітопроводу 2. При зближенні обмоток 5 и 1 індуктивність розсіяння зменшується, що приводить до збільшення зварювального струму. Котушки вторинної обмотки переміщуються за допомогою гвинтового механізму вручну. На такому принципі побудовані зварювальні трансформа -тори (типів ТС на струми від 120 до 500 А, ТСК і ТД на струми 300 і 500 А).

В трансформаторах с магнітним шунтом (рис. 6.27в) зміна індуктивного опору розсіяння виконується за допомогою магнітного шунта 4, який розташований в вікні магнітопроводу 2 між рознесеними котушками первинної 1 і вторинної 5 обмоток. При зменшенні зазору між осердям і шунтом зварювальний струм зменшується. На цьому принципі побудовані трансформатори типу СТШ на струми 250, 300 і 500 А.

Трансформатори з магнітним шунтом, який підмагнічується постійним струмом (рис. 6.27г), мають в вікні магнітопроводу 2 між котушками 1 и 5 шунт 4, на якому розміщена обмотка підмагнічування 6. Змінюючи струм І_п в цій обмотці, можна регулювати індуктивний опір розсіяння основних обмоток. При І_п = 0 цей опір мінімальний і зварювальний струм найбільший. Збільшення І_п приводить до зменшення зварювального струму. Подібну конструкцію мають трансформатори типів ТДФ-1001 і ТДФ-1601 (відповідно на 1000 и 1600 А при ТВ_ном = 100%) для автоматичного зварювання під флюсом. Трансформатори дозволяють здійснювати ступенево-плавне регулювання зварювального струму. Ступеневе регулювання досягається переключенням котушок 5 вторинної обмотки, плавне – зміною струму І_п, для чого обмотка 6 заживлюється від однофазного тиристорного випрямляча.

Трансформатори типів ТД-303 і ТД-504 мають перемикач діапазонів, за допомогою якого котушки обох обмоток переключаються з паралельного з’єднання на послідовне;

Зварювальні апарати змінного струму складаються з понижуючого транс - форматора і спеціального пристрою, який створює падаючу зовнішню харак - теристику і регулює зварювальний струм. До таких відносяться апарати з ок - ремим дроселем (рис. 6.28а) і апарати з вбудованим дроселем (схема академі- ка В.П. Нікітіна – рис. 6.28б).

а) б)

Рис. 6.28. Схеми зварювальних апаратів а) – з окремим дроселем: 1 – первинна обмотка; 2 – осердя; 3 – вторинна обмотка; 4 – обмотка дроселю Др; 5 – нерухома частина осердя дроселю; 6 - рухома частина осердя дроселю; 7 – гвинтова пара.

б) – з вбудованим дроселем: 1 – основний магнітопровід; 2 – первинна обмотка;

3 – гвинтовий механізм; 4 – додатковий магнітопровід; 5 – обмотка дроселя; 6 – вторинна

обмотка.

Регулювання зварювального струму в схемі відбувається за рахунок зміни повітряного зазору а. При цьому змінюється індуктивний опір дроселю і, відповідно, зварювальний струм, - при збільшенні зазору зварювальний струм збільшується.

На рис. 6.29. представлено зовнішній вигляд цих апаратів.

Рис. 6.29. Зварювальні

апарати: а) – трансформа –

торСТЭ-34-У (1) і регулятор

(дросель) РСТЭ-34 (2).

б) – СТН-500 (СТН-500-1)*.

*⁾ Апарат СТН-500-1

відрізняється тім, що він має

алюмінієві обмотки.

а) б)

Схеми включення зварювальних трансформаторів.

1. Одно і двофазне включення.

а)

в)

Рис. 6.30. Схеми і зовнішня характеристика

двофазних зварювальних трансформаторів.

ОП – обмотка первинна;

ОВ – обмотка вторинна;

ПД – перемикач діапазонів;

б) С – компенсуючи конденсатори.

1 – 3 – діапазон великих струмів;

2 – 4 – діапазон малих струмів.

На рис. 6.30а представлена схема зварювального трансформатора сер. ТД. Переключенням обмоток встановлюються два діапазони регулювання. Плав - не регулювання зварювального струму здійснюється переміщенням первин -ної обмотки.

Зварювальні трансформатори сер. СТШ (рис. 6.30б) також мають два діапа- зони регулювання. Плавне регулювання здійснюється за допомогою магніт -ного шунта.

При необхідності забезпечити великі зварювальні струми можна викорис -

товувати паралельне включення трансформаторів (6.31.). Для паралельної роботи трансформатори повинні мати однакові зовнішні характеристики і напруги первинного і вторинного кола.

Рис. 6.31. Схема паралельного включення

зварювальних трансформаторів.

Однойменні кінці первинних обмоток

з’єднуються між собою і загальні клеми

вмикають в мережу.

Однойменні кінці вторинних обмоток

також з’єднуються між собою. Від одної

клеми 2 провід підключений до дроселю,

а від клеми 3 до деталі.

Дроселі також з’єднуються між собою

паралельно.

2. Трифазне включення.

Трифазні зварювальні апарати використовують при

зварюванні трифазною дугою спареними електродами.

Зварювання здійснюється дугами, які збуджуються між

кожним електродом і деталлю.

Рис. 6.32. Схема трифазного зварювального апарата.

1 – зварювальний трифазний трансформатор;

2, 3 – контактор;

4, 5, 6 – дросель – регулятор;

7, 8 – електроди;

9 – деталь.

При збудженні дуги зварювальне коло замикається через

деталь і електрод 8. Струм проходить по обмотці 4 регулято-

ра і обмотці 2 контактора, який контактами 3 вмикає обмотку

5 регулятора. Виникає друга дуга. При відводі електродів від

деталі 9 струм в обмотках 4 і 2 припиняється, контактор ви -

микає коло обмотки 5 і гасить дугу між електродами.

Трифазні зварювальні апарати значно економічні, ніж однофазні, тому що забезпечують підвищену продуктивність (понад два рази), економію електро- енергії (к.к.д. досягає 0,9) і рівномірне завантаження фаз мережи (при коефі -цієнті потужності cosφ = 0,8). Але зварювання трифазним струмом не отри -мало широкого використання внаслідок складності обладнання та труднощів при зварюванні стельових и вертикальних швів. Це зварювання використо -вується тільки для механізованого зварювання виробів великої товщини.

Трифазний зварювальний апарат ЗСТ конструкції проф. Н. С. Сілунова має потужність 45 кВ·А; вторинну напругу – 60 В; зварювальний струм – 450 А.

Заводом «Электрик» випущено зварювальні апарати для трифазного ручного зварювання типу ТТС-400 на 400 А. Для автоматичного зварювання випуще- но зварювальні апарати типа ТТСД-1000 на 1000 А.

Зварювальні випрямлячі.

Останнім часом машинні зварювальні перетворювачі постійного струму замінюються напівпровідниковими зварювальними випрямлячами.

Сварочные випрямлячі мають багато конструкцій та електричних схем. Можна виділити два основні різновиди зварювальних випрямлячів: з некерованими вентилями і з тиристорами. Незалежно від конкретних особливостей типів випрямлячів кожен з них має наступні основні вузли:

• понижуючий сухий трифазний трансформатор;

• випрямний блок; пускорегулювальну та захисну апаратуру;

• примусову повітряну вентиляцію (в більшості конструкцій).

Всі випрямлячі підключаються до мережі 220 або 380 В. Зварювальні випрямлячі з некерованими вентилями поділяються на

однопостові і багатопостові. Більшість однопостових випрямлячів має крутопадаючі зовнішні характеристики.

Принципова електрична схема зварювального випрямляча ВСС-300-3 на номінальний зварювальний струм 300 А при ТВ_ном = 65% приведена на рис. 6.33а. Вентильний (випрямний ) блок ВБ зібраний з напівпровідникових вентилів. Силовий трансформатор з підвищеним розсіянням ТрС виконаний з рухомими котушками вторинних обмоток. Це дозволяє плавно регулювати зварювальний струм в загальних межах від 35 до 330 А при двох діапазонах ступеневого регулювання, яке здійснюється переключенням первинних і вторинних обмоток зі схеми зірка – зірка на схему трикутник – трикутник.

Напруга холостого ходу випрямляча U_B0 = 58 – 65 В, номінальна напруга U_в.ном = 25 В.

а) б) в)

Рис. 6.33. Електричні схеми випрямлячів: а) – ВСС-300-3, б) – ВД-303 і його характеристика – в).

Випрямляч призначений для однопостового ручного дугового зварювання і має крутопадаючу характеристику.

Аналогічні схеми, призначення і характеристики мають випрямлячі типу ВСС на струм 120 А, типу ВКС на струми 120 и 300 А з кремнієвими діодами, а також типу ВД на 300 А. Ці випрямлячі обладнані перемикачами діапазонів. На рис. 6.33. приведені структурна схема – б) і зовнішні характе- ристики випрямляча ВД-303 – в).

Рис. 6.34.

Конструкція

зварювального

випрямляча

ВДУ-504.

Конструкція зварювального випрямляча ВДУ-504 представлена на рис. 6.34.

1 – шасі; 2 – трифазний силовий трансформатор; 3 – силовий випрямляч; 4,5 – електро –

двигун з вентилятором; 6 – дросель; 7 – реактор; 8 – автоматичний вимикач; 9 – пере –

микач обмоток «Y – Δ»; 10 – затискачі мережі 380 В; 11 – блок керування; 12 – переми –кач характеристик; 13,14 – вольтметр і амперметр зварювального кола; 15 – кнопка пуску; 16 – кнопка виключення; 17 – аварійна кнопка; 18 – сигнальна лампа; 19 – контактори; 20 – запобіжники; 21 – кнопкова станція дистанційного керування.

Електрична схема зварювального випрямляча ВДУ-504 представлена на рис. 6.35.

Рис. 6.35. Електрична схема зварювального випрямляча ВДУ-504 а) і зовнішня

характеристика б).

Напруга на схему подається після включення автоматичного вимикача QF. Після натискання на кнопку SB1 (Пуск) спрацює контактор КМ1 двигуна М вентилятора. При нормальній роботі вентилятора від потоку повітря включиться повітряне і замкне контакти кінцевого вимикача SQ, що приведе до спрацювання контактора КМ2 і до включення зварювального трансформатора TV1. Одночасно з включенням двигуна М подається напруга на трансформатори керування TV2 і TV3, на блок імпульсно-фазового керування БІФК тиристорами силового випрямного блока VD1- VD6, блок живлення БЖ, блок керування БК і в коло живлення датчика ДС зварювального струму.

Схема передбачає можливість зварювальних робіт з падаючими або жорсткими характеристиками. Вибір виду характеристик виконується перемикачем SА1 на два положення: П (падаючі) і Ж (жорсткі). Для жорстких характеристик є два діапазони: І – при (U_в = 50÷24 В (для струму І_зв,ном = 500 А); ІІ — при U_в = 25÷15 В (при І_зв,ном = 500 А). Для діапазону І перемикач діапазонів SА2 встановлюється в положення І, що відповідає з’єднанню первинних обмоток TV1 в трикутник. Положення ІІ перемикача відповідає діапазону ІІ, при якому первинні обмотки TV1 з’єднуються в зірку. Одночасно переключаються в зірку і первинні обмотки трансформатора TV 1 для зберігання фазування системи керування, тиристорами. Для падаючих характеристик використову- ється тільки діапазон І.

При роботі з падаючими характеристиками (SА1 знаходиться в положенні ІІ) потрібний вид характеристик забезпечується наявністю негативного зворотного зв’язку по зварю -вальному струму І_зв. Датчик струму ДС являє собою магнітний підсилювач МП з робочи- ми обмотками, яки заживлюються від трансформатора TV 2, і виходом на постійному струмі (через випрямляч Вп і фільтр R, С). Обмотка підмагнічування включена в зварювальне коло.

Напруга зворотного зв’язку U_з,з, приблизно пропорціональна струму І_зв, подається в блок керування БК.

Різниця напруги завдання U_з,п (для падаючих характеристик), яка знімається з резистора R3, і напруга U_з,з подається на базу транзистора Т. Напруга керування U_к - на вході блока БІФК (величина U_к визначає кут відкриття тиристорів, а з ним і значення випрямленої напруги U_в) дорівнює різниці напруги зміщення U_зм, яке знімається з резистора R6, і напруги U_ке переходу колектор – емітер транзистора Т, тобто U_к = U_зм – U_кв. В свою чергу, напруга U_к є підсилена транзистором напруга бази U_б = U_з,п – U_з.з.

При малих струмах І_зв напруга U_з,з також мала, U_б ≈ U_з.з, і транзистор практично повністю відкритий (U_к.в ≈ 0). Тому U_к ≈ U_зм , що відповідає найбільшій випрямленій напрузі U_в. При збільшенні І_зв напруга U_б, зменшується, транзистор поступово закрива -ється, значення U_к.е зростає, що і приводить до зменшення випрямленої напруги U_B тім сильніше, чім більше струм І_зв. Зміною U_з.п можна отримати сімейство падаючих характеристик U_B = f(І_зв), рис 6.36б.

Для отримання жорсстких характеристик перемикач SА1 ставиться в положення «Ж.». Датчик струму ДС і транзистор Т відключаються. На вхід БІФК тепер поступає тільки напруга завдання жорстких характеристик.

Захист випрямляча при к. з. здійснюється електромагнітним розчіплювачем автоматичного вимикача QF. Двигун вентилятора і схема керування захищаються плавкими запобіжниками FU. Для захисту випрямляча від перевантажень використані теплові реле КК.

Осцилятори.

В окремих випадках для підвищення стійкості горіння дуги, яка живиться змінним струмом, використовують спосіб накладення на зварювальний струм частотою 50 Гц струмів високої частоти (150... 500 кГц) і високої напруги (1500...6000 В). Такі міри приймають при зварюванні тонкостінних виробів дугою малої потужності і при зварювальному струмі 20...40 А, а також при зварюванні в захисних газах, зварюванні спеціальних сталей і деяких кольо - рових металів.

Для отримання струмів високої частоти і високої напруги використовують осцилятори паралельного і послідовного включень. Принципова схема осцилятора паралельного включення ОС1В-2М та його включення в зварювальне коло показані на рис. 6.36.

Рис.6.36. Схема осцилятора ОС1Л-2М.

Осцилятор ОСІ 1Л-2М включають безпосередньо в коло живлення напругою 220 В. Він складається з підвищувального трансформатора ПТ і коливального контуру. Трансформатор ПТ підвищує напругу з 220 В до 6000 В. Коливальний контур, який складається з високочастотного трансформатора ВЧТ, конденсатора С₅ і розрядника Р, виробляє струм високої частоти. Контур пов’язаний зі зварювальним колом індуктивно через трансформатор ВЧТ, виводи вторинної обмотки якого приєднують один – до клеми «земля» вивідної панелі, а другий – до другої клеми зварювального кола через конденсатор С6 і запобіжник Пр2. Конденсатор С6 перешкоджає проходженню струму високої напруги і низької частоти в зварювальне коло і служить для захисту зварювальника на випадок пробою конденсатора С5. Запобіжник Пр2 виключає осцилятор на випадок пробою конденсатора С6. Для усунення радіозавад в колі живлення осцилятор обладнаний фільтром з двох захисних дроселів Др1 і Др2 та чотирьох конденсаторів С1, С2, С3 і С4.

Фільтр захищає коло живлення від струмів високої частоти. Для загального захисту від радіозавад осцилятор має екранований металевий кожух.

Осцилятори послідовного включення (М-3, ОС-1) використовують в установках для дугового зварювання в захисних газах. Вони забезпечують більш надійний захист генератора (або силового випрямляча) від пробою високочастотною напругою осцилятора.

Останнім часом використовуються портативні зварювальні установки з перетворенням частоти, що дозволяє значно зменшити габарити і вагу апаратів. Структурна схема такого апарату приведена на рис. 6.37.

20÷30

U_ж ВБ кГц ПП ЗТ до зварювального