Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания сварочной дуги. Учебное пособие
.pdf
21
)RR/(L3t;R/L3t
диидкиикх
Iк
t
к-д
t
х-к
t
Iд V IV
III
II I сварка
холостой
ход (I = 0)
короткое замыкание
Iк, Iд
Рис. 1.11. Переходные процессы в системе «источник-дуга»:
t
– время перехода от холостого хода к короткому замыканию;
х-к
t
– время перехода от короткого замыкания к нагрузке
к-д
В интервалах I, III и V система находится в установившемся состоянии,
когда ток и напряжение на дуге не зависят от времени (Iд = Const и Uи = Uд =
=Const). В переходных процессах II и IV происходит изменение этих параметров. Время переходных процессов от холостого хода к короткому замыканию
(t
) и от короткого замыкания к сварке (t
х-к
) зависит от величины активного
к-д
(Rи) и индуктивного (Lи) сопротивления источника, т.е. от его конструктивных
параметров:
. (1.21)
Для сварочных источников время переходных процессов в сварочной цепи находится в диапазоне 10-2 – 10-3 с, что на два порядка больше, чем у дуги.
Поэтому длительность электрических переходных процессов в сварочных цепях зависит, главным образом, от параметров источника, и, в меньшей степени,
– от тепловой инерции дуги. Чем меньше время переходных процессов, тем
меньше время случайных или управляемых перерывов в горении дуги, тем стабильнее процесс и выше качество сварки, тем лучше динамические свойства
источника. Из формулы (1.21) следует, что время переходных процессов t
, в основном определяется величиной индуктивного сопротивления источника.
д
х-к
и t
к-
Чем меньше это сопротивление, тем меньше время восстановления стабильного
горения дуги после случайных или управляемых перерывов.
Способы управления динамическими свойствами источников можно раз-
делить на три группы.
1. Параметрический способ. Необходимый уровень динамических
свойств обеспечивается подбором оптимальных параметров электрической цепи источника:
22
- напряжения холостого хода – Ux;
- внутреннего сопротивления источника – Zи;
- индуктивности сварочной цепи – L.
Эти параметры подбираются при проектировании источника и при
настройке перед сваркой. В процессе сварки они неизменны.
2. Координатный принцип заключается в программном изменении тока и
напряжения во времени в соответствии с жестким алгоритмом. Быстродействие
таких систем связано с частотой срабатывания силовых элементов источника.
Например, тиристорные выпрямители работают с частотой включения вентилей
не более 300 Гц, поэтому продолжительность любого интервала программы не
может быть меньше 1/300 0,003 с. Такое быстродействие достаточно для
управления формированием шва, но не в полной мере обеспечивает управление
переносом электродного металла. Лучшим быстродействием обладают инверторные источники, у которых на промежуточных стадиях преобразований энергии частота достигает 1-100 кГц (10-3-10-5 с).
3. Компенсационный принцип управления предусматривает использова-
ние источников с обратными связями. В них с помощью датчиков тока и
напряжения контролируется фактическое значение характеристик переходного
процесса (величины пикового тока, длительности короткого замыкания и др.), а
после сопоставления их с регламентируемыми значениями система управления
воздействует на источник, приводя эти характеристики в норму.
1.2. ФУНКЦИИ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ
В технологическом процессе дуговой сварки источник, воздействуя на
дугу, выполняет следующие основные функции:
обеспечивает зажигание дуги;
поддерживает ее устойчивое горение;
обеспечивает регулирование (настройку) режима сварки.
Кроме того, источник, воздействуя на технологический процесс через дугу, выполняет дополнительные функции:
способствует благоприятному характеру переноса электродного ме-
талла;
способствует качественному формированию шва.
1.2.1. Зажигание дуги
Надежность зажигания дуги является важным свойством источника, так
как влияет на качество начального участка шва, а при сварке короткими швами
– и на производительность. Различают начальное и повторное зажигание дуги.
Хотя они выполняются одними и теми же способами, условия развития дугово-
23
го разряда в этих случаях разные. При зажигании в начале сварки дуга возбуж-
ОСЦ
~
ИП
ОСЦ
С
ИП
а)
б)
дается при холодных электродах, а при повторном – после случайных отрывов
дуги - уже при разогретых электродах.
На практике применяют два способа зажигания дуги:
- высоковольтным искровым разрядом;
- разрывом цепи короткого замыкания электрода на изделие.
При зажигании дуги высоковольтным искровым разрядом к дуге после-
довательно или параллельно источнику подключается высоковольтный источник малой мощности – осциллятор (рис. 1.12).
Рис. 1.12. Схемы зажигания дуги высоковольтным электрическим
разрядом при последовательном (а) и параллельном (б) включении
осциллятора в сварочную цепь: ИП – источник питания;
ОСЦ – осциллятор; С – защитный конденсатор
По соображениям безопасности осциллятор выполняется импульсным
или высокочастотным (частота f > 100 кГц). Высоковольтный источник создает
между электродом и изделием мощное электрическое поле напряжением в несколько тысяч вольт.
В межэлектродном пространстве всегда имеется небольшое количество
свободных электронов. Эти электроны разгоняются высоковольтным электрическим полем и при столкновении с нейтральными атомами вызывают лавинообразную ионизацию межэлектродного промежутка. При этом образуется
плазменный канал из заряженных частиц, происходит пробой газового промежутка и возбуждение дугового разряда.
Напряженность электрического поля, необходимая для пробоя высокочастотным разрядом, зависит от химического состава газового промежутка (от
эффективного потенциала ионизации), а также от длины свободного пробега
24
электрона (от давления в газовом промежутке). Так, для пробоя воздуха при
изделие
электрод
комнатной температуре и атмосферном давлении пробивное напряжение колеблется в пределах 1-3 кВ/мм. При дугах длиной 2-5 мм, применяемых в сварочной практике, напряжение высоковольтного источника (осциллятора) должно составлять не менее 2000-5000 В. В аргоне, имеющем более низкий потенциал ионизации, пробивное напряжение почти вдвое ниже, чем в воздухе и других двухатомных газах. Зажигание дуги высоковольтным разрядом в обязательном порядке применяется при аргонодуговой сварке неплавящимся электродом, когда короткое замыкание вольфрамового электрода на изделие недопустимо.
Способ зажигания дуги разрывом короткого замыкания электрода на из-
делие применяется во всех случаях (кроме сварки неплавящимся вольфрамовым электродом), в том числе и в сочетании с высоковольтным искровым разрядом.
При замыкании электрода на изделие контакт осуществляется в отдельных точках (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Схема зажигания дуги разрывом короткого замыкания электрода
на изделие
Электрическое сопротивление в контакте электрод-изделие падает до
Rк = 0,01-0,2 Ом, а напряжение снижается от Ux до Uк (рис. 1.14, а). Вследствие
резкого падения электросопротивления ток короткого замыкания начиная с момента (точка 1 на рис. 1.14, б) растет со скоростью, зависящей от динамических
характеристик источника, и в точке 2 достигает сотен ампер.
25
1
tду
3
tк
Iд
2
Iк
I
д
Uи = Uд
Uик
Ux
U
д
а)
б)
Рис. 1.14. Осциллограммы напряжения (а) и тока (б) при зажигании дуги
разрывом цепи короткого замыкания
Площадь соприкосновения электрода с деталью составляет всего 0,0010,01 от площади сечения электрода. Поэтому плотность тока в точках сопри-
косновения настолько велика, что в момент короткого замыкания происходит
мгновенное расплавление и испарение образовавшихся жидких перемычек (см.
рис. 1.13). При этом активизируется термоэлектронная эмиссия. Кроме того, на
ранней стадии разведения электродов (при расстоянии около 10-9 мм между ними), как между обкладками конденсатора, относительно низкое напряжение источника создает напряженность электрического поля порядка 1011 В/мм. Такая
высокая напряженность поля более чем достаточна для мощной автоэлектронной эмиссии с любого катода. При этом напряжение в течение 0,05 – 0,2 с возрастает от Uик до установившегося значения Uи = Uд, а ток снижается до Iд (точка 3) – начинается дуговой процесс.
26
1.2.2. Устойчивость системы «источник-дуга»
ConstIUQ
ддд
ди
PP
t
Q
0
t
Q
ди
PP
ддии
UIUI
диди
UUиII
Одним из главных требований, обеспечивающих высокое качество сварных соединений, является постоянство сечения сварного шва по всей его длине.
Это требование выполняется при постоянстве тепловой мощности дуги, то есть
при
. (1.22)
Иными словами, необходимо, чтобы в течение всего процесса сварки си-
стема «источник-дуга» обеспечивала постоянство основных параметров дуги -
Uд и Iд. В этом случае дуговой разряд будет устойчивым, без обрывов и корот-
ких замыканий.
Для обеспечения устойчивого горения дуги необходимо, чтобы между ее
статической ВАХ и внешней ВАХ источника было определенное соответствие.
В общем виде устойчивость системы «источник-дуга» оценивается по изменению энергии системы Q во времени. Если в системе нет приращения энер-
гии ( dQ = 0), то все ее параметры остаются неизменными. Такое состояние
называется установившимся и обеспечивает постоянство во времени всех составляющих процесса сварки.
Изменение энергии системы в единицу времени определяется разностью
между мощностью, поступающей от источника, и мощностью, потребляемой
дугой:
. (1.23)
В установившемся процессе горения дуги энергия системы должна оста-
ваться постоянной, то есть
ника и расходуемая в дуге энергии должны быть равны (
. А это означает, что поступающая от источ-
), или
. (1.24)
Отсюда следует первое условие равновесия системы «источник-дуга»:
. (1.25)
Таким образом, система равновесна в точках пересечения вольт-
амперных характеристик источника питания и дуги (точки А и В на рис.
1.15). Однако для устойчивой системы «источник-дуга» это условие необходимо, но недостаточно.
Система «источник-дуга» устойчива только тогда, когда при малых
возмущениях она через некоторое время возвращается в установившееся (равновесное) состояние, характеризующееся равенством подаваемой и потребляемой мощности. Это требование является вторым условием устойчивости си-
стемы. Из двух точек А и В (рис. 1.15), где система равновесна, только одна из
них отвечает второму условию устойчивого горения дуги.
27
0lд
0Iд
д
l
дд
lbU
2д
U
диди
UUиII
1
дA
U
иА
U
д
R
1
дАиА
UU
д
l
В
в
Uд2
Uи
А1
А б Iд
Uд
В
Iд
В
1
В
2
Uд1=f(Iд)
Uи=f(Iд)
А
Uд2=f(Iд)
А1
А2
Ux
lд1
lд2 а Uд1
В
В
1
В
2
Рис. 1.15. К оценке устойчивости системы «источник-дуга»
при малом возмущении по длине дуги:
а – схема процесса; б – удлинение дуги (
);
в – укорочение дуги (
)
Рассмотрим процессы при отклонении системы от точки равновесия «А».
При малом резком удлинении дуги на
также скачком на
увеличится напряжение дуги, а вольт-амперная
характеристика дуги сместится вверх в положение
в соответствии с уравнением (1.9)
(см. рис. 1.15, а). Состо-
яние дуги будет отражаться точкой А1, а источника – по-прежнему точкой А.
Следовательно, первое условие равновесия системы (
) в этом
случае нарушено. Напряжение, необходимое для существования дуги
оказалось выше, чем напряжение источника
, сопротивление дуги
вследствие ее удлинения возросло, поэтому ток будет уменьшаться и параметры дуги будут изменяться в соответствии с ее ВАХ от точки А1 влево. Поскольку слева от точки А характеристики источника и дуги не пересекаются, то снижение тока будет проходить до нуля, т.е. обрыва дуги. С другой стороны, малое
укорочение длины дуги (см. рис. 1.15, в) привело бы к положению, когда
напряжение, подаваемое на дугу от источника, оказалось выше напряжения дуги (
). В этом случае ток в дуге возрастает и система из точки А1 пе-
,
рейдет в точку В2. Следовательно, система в точке А неустойчива.
Подобным образом проанализируем устойчивость системы в точке «В».
При малом резком удлинении дуги на
напряжение дуги, как и в предыду-
щем случае, увеличится и вольт-амперная характеристика дуги сместится вверх
28
д
U
в положение
2
д
U
дВ
U
иВ
U
д
R
0lд
д
д
IU
0
I
U
I
U
k
д
и
д
д
у
0
I
U
д
д
0
I
U
д
и
д
дВ
д
1и
I
U
I
U
(см. рис. 1.15, б). В этот момент состояние дуги отра-
жается точкой В1, а источника – по-прежнему точкой В, то есть система вышла
из равновесия. Напряжение, необходимое для существования дуги
, при
этом становится выше напряжения источника
ние дуги
вследствие ее удлинения, возрастает, а ток, как и в точке А,
, электрическое сопротивле-
уменьшается. Но в отличие от точки А, где удлинение дуги приводит к необратимому нарушению равновесия и обрыву дуги, в точке В снижение тока в дуге
происходит по линии В1-В2 вплоть до пересечения с характеристиками источника в точке В2. Таким образом, система приходит в новое равновесное состояние. Аналогичным способом можно доказать, что и при укорочении дуги
(
) в точке В система придет в новое равновесное состояние (точка В2 на
рис. 1.15, в). Отсюда можно сделать вывод: при любых малых отклонениях по
длине дуги система «источник-дуга»в точке В устойчива.
Нетрудно заметить, что в отличие от точки А наклон характеристики ис-
точника в точке В круче, чем у дуги. Как известно, наклон кривой к оси абсцисс
выражается первой производной (в нашем случае
). Таким образом, усло-
вие устойчивости системы «источник-дуга» можно записать как
, (1.26)
где k
– коэффициент (критерий) устойчивости.
у
Для повышения запаса устойчивости системы, т.е. для увеличения kу, следует увеличивать наклон характеристики источника и уменьшать наклон характеристики дуги. Иными словами, для выполнения условия (1.26) необходимо
соответствие внешней характеристики источника форме характеристики дуги.
Второе условие равновесия системы «источник-дуга» математически формируется следующим образом.
Система «источник-дуга» устойчива при малых возмущениях в том слу-
чае, когда разность производных дуги и источника по току в точке пересечения их характеристик - величина положительная.
При падающей характеристике дуги
– величина отрицательная.
В этом случае выполнение условия (1.26) возможно, если характеристика ис-
точника тоже падающая, т.е.
– величина отрицательная, а крутизна ее
падения в рабочей точке В (рис. 1.16) для получения положительного значения
К
должна быть больше, чем у дуги:
у
. При использовании дуги на
29
жестком участке (
0
I
U
д
д
3и
U
2и
U
0
I
U
д
д
0
I
U
д
д
0
I
U
д
4и
0
I
U
д
5и
0
I
U
д
6и
д
д
д
6и
I
U
I
U
4и
U
U
Uд = f(Iд)
Iд
0
I
U
д
д
0
I
U
д
д
U
и3
В
U
и6 Uи5
U
и4
Д С U
и1
U
и2
0
I
U
д
д
(
) и крутой (
Рис. 1.16. К выбору характеристики источника в зависимости
) в точке С характеристика может быть и пологой
), но непременно падающей
от характеристики дуги
.
Если дуга имеет возрастающую характеристику (
ее устойчивости источник в точке Д может иметь как падающую (
так и жесткую (
) и даже пологовозрастающую (
), то для обеспечения
),
) характери-
стику, если крутизна ее возрастания меньше крутизны характеристики дуги (то
есть
).
Наибольшим запасом устойчивости в точке Д обладает, естественно, си-
стема с источником, имеющим крутопадающую характеристику (
), по-
скольку при этом коэффициент устойчивости Ку максимален.
30
1.2.3. Регулирование (настройка) режима сварки
д
I
д
U
ди
UU
и
дx
д
Z
UUI
x
U
и
Z
)I(fUди
)I(fUдд
max
дд
II min
minI
maxI
д
д
U
Zиmin
Zиmax
Iдmax
Iдmin
Uд = f(Iд)
Uи = f(Iд)
Iд
Uxmin
Uxmax
U
Uи = f(Iд)
Uд = f(Iд)
Iдmin
Iдmax
а
Iд
б
Энергетические параметры режима сварки (сила тока
и напряжение
дуги
новившемся режиме
) обычно настраивают перед началом сварки. Учитывая, что при уста-
, из уравнения (1.15) получим формулу настройки
силы тока:
. (1.27)
Из этой формулы следует, что регулирование тока в дуге можно осу-
ществлять двумя способами: изменением величины напряжения холостого хода
(
) (рис. 1.17, а), или сопротивления источника (
) (рис. 1.18, б).
Если на семейство статических характеристик источника
нанести вольтамперную характеристику дуги
(рис. 1.17), то полу-
чим графическое изображение настройки режимов сварки. Одним из главных
параметров источника является диапазон регулирования тока (
или кратность регулирования тока (
).
)
Рис. 1.17. Настройка сварочного тока изменением напряжения холостого
хода (а) и сопротивления источника (б)
1.2.4. Режимы работы источника питания
Любая электротехническая установка, в том числе источник питания,
рассчитана на определенную нагрузку, при которой она работает, не перегреваясь выше установленной температуры. Наименее теплостойкими в источнике
являются изоляция обмоток и вентили выпрямительных блоков. Источник пи-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]