Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Источники питания сварочной дуги. Учебное пособие
.pdf
31
тания рассчитан по нагреву на определенный режим работы, определяемый ха-
уу
T,T
t
T2
T
доп
T1
T(t)
T,
C
а
t
T
у
Tу
Tн
T1
To
T2
T, C
tо
tp
Tц
Р(t)
Р,
кВт
Tц
tx
tp
t
Р(t)
Р,
кВт
t
Р,
кВт
Р
н
Р
1
Р(t)
Р
2
б
Tу
в
рактером изменения нагрузки во времени. Ток, напряжение и мощность источника, при которых он работает в данном режиме, не перегреваясь выше нормы,
называют номинальными (расчетными).
Различают три режима работы источников питания: продолжительный,
перемежающийся и повторно-кратковременный.
При длительной работе источника на номинальном токе, напряжении и
мощности (продолжительный режим) температура и перегрев источника через
некоторое время достигают установившихся значений (
). Перегревом
(Т) называется разность температур источника Ти и окружающей среды То
(рис. 1.18, а). При установившейся температуре источника и перегреве наступает равенство тепла, выделяемого в источнике при его работе и отдаваемого в
окружающую среду.
Рис. 1.18. Нагрузка и температура источника при продолжительном (а),
повторно-кратковременном (б) и перемежающем (в) режимах работы:
Р
– номинальная нагрузка; Т
н
ΔТ
– установившиеся температура и перегрев источника;
у
, Т
и Т3 – изменение температуры источника; Ту и
н
2
tp, tx и tо – время работы источника во время сварки при холостом ходу и
время перерывов соответственно; Тц - длительность цикла
32
Если нагрузка превышает номинальную (
н2
PP
н1
PP
100
T
t
100
tt
t
ПВ
ц
p
оp
p
100
T
t
100
tt
t
ПР
ц
p
пp
p
раб
н
номдоп
ПР
ПР
II
), источник начинает пе-
регреваться и из-за повреждения изоляции выйдет из строя. При нагрузке
меньше номинальной (
) источник используется не на полную мощность.
Продолжительный режим работы источника характерен для автоматической
сварки протяженных швов.
При повторно-кратковременном режиме в отличие от перемежающегося
источник не работает на холостом ходу, а на время to отключается от питающей
силовой сети (см. рис. 1.18, в). Повторно-кратковременный режим характеризу-
ется относительной продолжительностью включения
( %%), (1.28)
В таком режиме, как правило, работают источники питания установок для
механизированной сварки.
При перемежающемся режиме за время работы tp (см. рис. 1.18, в) температура источника не достигает значения Ту, а во время перерывов в работе (tп)
на холостом ходу не успевает охладиться до температуры окружающей среды
Т
. Во время перерывов источник работает на холостом ходу. В таком режиме
о
источник работает при ручной дуговой и механизированной сварке в углекислом газе. Перемежающийся режим принято характеризовать относительной
продолжительностью работы источника
( %%), (1.29)
Длительность цикла работы источников, предназначенных для ручной
дуговой сварки при перемежающемся и повторно-кратковременном режимах,
принята равной 5 минут, а для источников для механизированной сварки универсальных – 10 минут. Например, если в паспорте источника указана номинальная продолжительность работы источника ПР
= 60 %, то при полном
ном
времени цикла Тц= 5 минут источник на номинальном токе будет работать без
перегрева, если дуга в течение пятиминутного цикла горит не более tр = 5 0,6 =
3 минуты. Если источник работает на режимах ПР
портных (от ПР
), то максимально допустимый сварочный ток определяют по
ном
, отличающихся от пас-
раб
соотношению
. (1.30)
33
1.2.5. Классификация и маркировка источников питания
Источники питания классифицируются по различным признакам – по роду тока, по количеству питаемых постов, по принципу действия, по конструктивному оформлению и др.
По роду тока источники питания делятся на источники постоянного и
переменного тока.
По количеству одновременно включаемых сварочных постов – на однопо-
стовые и многопостовые источники.
Согласно единой системе обозначения изделий отечественной электро-
технической промышленности, распространяемой и на сварочные источники
питания, основные классификационные и эксплуатационные характеристики
содержатся в маркировке источников в виде буквенных и цифровых символов:
1) по роду сварочного тока и типу источника первая буква обозначает
трансформатор (Т), генератор (Г), преобразователь (П), агрегат (А),
выпрямитель (В), специализированный источник-установка (У);
2) по виду сварки (вторая буква): источник для дуговой (Д), для плазмен-
ной (П);
3) по способу сварки: в защитном газе (Г), под флюсом (Ф), универсаль-
ный (У), покрытым электродом (без обозначения);
4) по виду внешней вольт-амперной характеристики: жесткая (Ж), пада-
ющая (П);
5) по количеству обслуживаемых постов: многопостовые (М);
6) по величине номинального тока (одна или две цифры означают округ-
ленную величину номинального тока в десятках или сотнях ампер);
7) по климатическому исполнению (последняя буква): для стран с холод-
ным (ХЛ), умеренным (У) или тропическим (Т) климатом;
8) по условиям эксплуатации (последняя цифра): для работы на открытом
воздухе (1), под навесом (2), в помещении (3), в отапливаемом помещении (4).
Например, источник марки ТДФЖ-1002 У3 является трансформатором
(Т) для дуговой сварки (Д) под флюсом (Ф) с номинальным током в 1000 А
(цифра 10 обозначает сотни ампер); с регистрационным номером разработки –
02, для стран с умеренным климатом (У), для работы в помещениях (3).
34
ГЛАВА 2
СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
2.1. ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ
СВАРОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Первоначально в качестве источников питания при дуговой сварке при-
меняли машины с вращающимся ротором – генераторы постоянного тока. Это
было связано с отсутствием научных представлений о процессах, протекающих
в дуге, и требований к системе «источник питания – дуга», обеспечивающих
устойчивость процесса сварки. Не было электродов с обмазкой, обеспечивающей достаточно надежную защиту сварочной ванны от окружающей среды и
высокую стабильность горения дуги. Применение постоянного тока при сварке
в какой-то степени снижало эти недостатки. С развитием науки об электрической дуге появилась возможность грамотного проектирования и применения
источников переменного тока – сварочных трансформаторов.
Сварочные трансформаторы – наиболее распространенные в России ис-
точники питания для сварки покрытыми электродами низкоуглеродистых и
низколегированных сталей переменным током.
Невысокая стоимость, простота конструкции, хорошие сварочные свойства, надежное исполнение большинством фирм обеспечили их широкое применение в строительстве, при ремонтных работах и в других отраслях производства. Все отечественные источники имеют электромеханическое плавное
регулирование сварочного тока (подвижные катушки, подвижные шунты), а
также ступенчатое регулирование за счет изменения числа витков катушек
трансформатора. Модельный ряд токов – от 140 до 600 А при ПР от 15 до 60 %.
За рубежом сварочные трансформаторы выпускает небольшое число
фирм для мелкосерийного производства, строительно-монтажных и ремонтных
работ. Зарубежные сварочные трансформаторы отличаются высоким качеством
изоляции – изоляция класса «Н» выдерживает нагрев до 180 С, – что позволяет
уменьшить массогабаритные показатели источников, а высокая степень защиты
обеспечивает возможность применения их на открытом воздухе; цикл сварки не
менее 10 мин при ПВ (до 25 %). Диапазон сварочных токов порядка 140-200 А,
по сути дела – это переносные сварочные трансформаторы.
Трансформаторы для автоматической сварки под флюсом в настоящее
время за рубежом (кроме двух фирм - Lincoln Electric и ESAB) не выпускаются.
Основными достоинствами сварочных трансформаторов являются:
- низкая стоимость их изготовления (они в 2-4 раза дешевле выпрямителей
и в 6-20 раз дешевле агрегатов постоянного тока при одинаковой мощно-
сти);
- более низкая стоимость эксплуатации;
35
- сравнительно высокий коэффициент полезного действия (около 0,95-
0,98);
- низкий удельный расход электроэнергии (около 2-4 кВтч на 1 кг рас-
плавленного металла);
- простота в эксплуатации;
- простота и легкость ремонта.
Основной недостаток сварочных трансформаторов по сравнению с источниками постоянного тока – это низкая устойчивость горения дуги на пере-
менном токе. При питании от трансформатора дуга периодически гаснет
(см. п. 2.2. «Особенности сварочной дуги переменного тока»). Для легкого зажигания дуги и высокой устойчивости ее горения предусмотрено включение в
сварочную цепь высокочастотного генератора (осциллятора) и применение
электродов с высокими стабилизирующими свойствами, предназначенных специально для сварки на переменном токе. При использовании других электродов, например с фтористо-кальциевым покрытием (марка УОНИ), стабильность
горения дуги нарушается, особенно при токе ниже 100 А. Поэтому такие электроды не рекомендуется применять для сварки на переменном токе.
2.2. ОСОБЕННОСТИ СВАРОЧНОЙ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
При частоте переменного напряжения, питающего первичную обмотку
трансформатора, 50 Гц, в дуге ток 100 раз в секунду снижается до нуля и меняет направление на обратное, дуга горит с перерывами. При этом после каждого
такого обрыва дуга должна возбуждаться снова.
Таким образом, при сварке на переменном токе после смены полярности
источник, в первую очередь, должен обеспечивать надежное повторное воз-
буждение дуги.
Как было показано, для обеспечения устойчивости дуги и стабильности
режима сварки необходимо, чтобы источник имел падающую характеристику.
Такая характеристика согласно (1.15) формируется за счет падения напряжения
на внутреннем сопротивлении источника Zи , которое складывается из двух составляющих – активного Rи и реактивного Xи сопротивлений.
В зависимости от конструкции трансформатора в сварочной цепи может
преобладать активное сопротивление, когда в цепь включен резистор R (рис.
2.1, а) или индуктивное, когда в цепь включена катушка индуктивности L (рис.
2.1, б), либо совместно – катушка с конденсатором С (рис. 2.1, в).
36
СТ
U1 U1
U2
R
а)
CT
L
б)
L
СТ
в)
Рис. 2.1. Варианты питания сварочной дуги: а – дуга в цепи
с резистором; б – с катушкой индуктивности;
в – с конденсатором и катушкой индуктивности
Время перерывов в горении дуги, а значит и ее устойчивость, зависят от
вида сопротивления, включенного в сварочную цепь. Рассмотрим это подробнее.
2.2.1. Дуга переменного тока в цепи с активным сопротивлением
Если в системе «источник-дуга» индуктивное сопротивление невелико, а
сопротивлением проводов можно пренебречь, то можно считать, что энергия, забираемая с клемм источника, полностью отдается дуге, представляющей активное
сопротивление. В этом случае напряжение источника и тока в дуге совпадают по
фазе (максимумы напряжения и тока по времени совпадают).
При переходе тока через нуль напряжение источника U2 с момента времени ty становится меньше напряжения, необходимого для устойчивого дугового разряда (U2 < U ) (рис. 2.2, а).
В результате дуга угасает, в дуговом промежутке температура падает, а
его сопротивление, вследствие деионизации, резко возрастает, эмиссия электронов с остывающего катода уменьшается. После изменения полярности (точка π) напряжение источника возрастает, но дуговой разряд мгновенно восстановиться не может по указанным выше причинам. По мере нарастания напряжения источника нарастает ток дуги за счет увеличения термоэлектронной эмиссии и увеличения концентрации заряженных частиц в еще не остывшем дуговом промежутке. Для повторного зажигания дуги требуется более высокое
напряжение источника, чем для устойчивого ее горения (UЗ > U ). На осциллограмме этот момент проявляется в виде пика (рис. 2.2, а). С увеличением термоэлектронной эмиссии и ионизации межэлектродного промежутка
ток в дуге нарастает и далее меняется по кривой, близкой к синусоиде, а
напряжение на дуге снижается от UЗ до приблизительно постоянной величины
(если lд = const) U. Напряжение на дуге зависит от ее длины (см. формулу
(1.9)) и состава газа в межэлектродном промежутке – при введении в столб дуги
37
элементов с низким потенциалом ионизации (например, K, Na) напряжение на
f2
tsinUU
m22
п з y
t t t ,
f2
1
)
U
U
(arcsin
1
)
U
U
(arcsint
m2
з
m2
з
з
f2
1
)
U
U
(arcsin
1
)
U
U
(arcsint
m2
д
m2
д
y
U, I
U2m
U3
Uд 0 U2
Iд
Uд
t
3
t
у
t(t)
tп
а)
U, I
U2m
U
3
0
U2
UL
Iд
Uд
t(t)
б)
π
дуге уменьшается. Наоборот, введение в дугу элементов, имеющих высокий
потенциал ионизации (например, F), приводит к увеличению U .
Рис. 2.2. Осциллограммы дуги переменного тока в цепи с активным (а)
и реактивным (б) сопротивлением:
U2 и U – вторичное напряжение и напряжение дуги; I – ток дуги; UЗ
– напряжение зажигания; U2m – амплитудное значение вторичного напряже-
ния; – угол сдвига по фазе между током I и напряжением U2m
Текущее вторичное напряжение трансформатора U2 (рис. 2.2, а) изменяется по синусоиде с частотой
:
, (2.1)
где U2m – амплитудное значение вторичного напряжения.
Ток в дуге появится (момент зажигания дуги), когда напряжение источника U2 достигнет значения UЗ, на осциллограмме (рис. 2.2, а) это соответствует
точке tЗ (время зажигания).
Время с момента, когда напряжение источника U2 станет меньше напряжения дуги U (точка tу) до перехода на нуль, назовем временем угасания tу.
Тогда общее время перерыва в горении дуги равно
(2.2)
где
; (2.3)
. (2.4)
38
Из выражений (2.3) и (2.4) следует, что время перерывов в горении дуги tп
)tsin(UU
m22
)0t(sinUU
m22
t
I
LUUU
д2L
)кратном.е.т,ntили0tпри(UU
2з
д
д
ддm
I
t
I
LUItU )()sin(
2
уменьшается:
- при увеличении вторичного напряжения трансформатора (U2m);
- снижении напряжения зажигания (Uз) (за счет применения электродов с
легкоионизирующими веществами, а также приборов, обеспечивающих
высокочастотный пробой газового промежутка – осцилляторов);
- увеличении частоты напряжения (f) (применение специализированных
источников повышенной частоты).
2.2.2. Дуга переменного тока в цепи с индуктивным сопротивлением
При наличии в сварочной цепи катушки индуктивности L (см. рис. 2.2, б)
максимумы тока и напряжения, в отличие от цепи с активным сопротивлением,
не совпадают во времени. Это несовпадение между током дуги и напряжением
источника выражается величиной , называемой углом сдвига фаз. На рис. 2.2,
б приведена осциллограмма напряжения и тока при горении дуги с индуктивным сопротивлением. Пренебрегая активным сопротивлением, текущее напряжение источника можно записать в виде
. (2.5)
Отсюда следует, что при t=0, вследствие опережения по фазе на угол
напряжение источника не равно нулю, как это было в предыдущем случае (см.
рис. 2.2, а), а пропорционально sin
. (2.6а)
Напряжение на катушке индуктивности UL равно разности U2 и Uд (показано на рис. 2.2, б стрелками), оно пропорционально скорости изменения тока и
величине индуктивности
. (2.6б)
Таким образом, при наличии в сварочной цепи катушки индуктивности
зажигание дуги происходит в более благоприятных условиях, оно начинается
не после перехода напряжения U2 через нуль, как в случае на рис. 2.2, а, а в более поздний момент (см. рис. 2.2, б), когда напряжение трансформатора достигло UЗ (напряжение зажигания дуги). Условие зажигания дуги в этом случае
имеет вид
. (2.7)
Таким образом, катушка индуктивности благодаря подпитывающему
действию ЭДС самоиндукции создает благоприятные условия для зажигания
дуги при смене полярности.
Выполняя условие (1.24) равновесия системы «источник-дуга», запишем
. (2.8)
39
Здесь левая часть уравнения представляет собой мощность источника,
t
8
U
U
4
U
д
2
2
3
x
2
CLд2
UUUU
2
2
подаваемую в систему «источник-дуга», а правая – мощность, расходуемую дугой.
Из решения уравнения (2.8) при Uд = const и выполнении требования (2.7)
следует, что для горения дуги без перерывов, когда переход тока через нуль
происходит в момент не ранее, чем
, необходимо, чтобы напряжение на
клеммах источника U2 отвечало условию
. (2.9)
Из (2.9) следует, что для устойчивого горения дуги не переменном токе
напряжение, подаваемое на дугу от трансформатора (U2), определяется напряжением на дуге (Uд) и напряжением повторного зажигания (U3). Эти параметры
дуги, в основном, определяются ее длиной и химическим составом столба дуги.
Чем больше Uд и U3, тем выше должно быть напряжение на клеммах трансформатора (U2).
Например, при использовании электродов марки АНО-4 с рутиловым покрытием, обладающим высокими стабилизирующими свойствами Uз Uд
30 В, в соответствии с (2.9) напряжение трансформатора должно быть не ниже 40 В. В то время как при использовании электродов УОНИ-13/55 с фтористокальциевым покрытием, имеющим низкие стабилизирующие свойства,
напряжение зажигания при Uд в три раза выше (Uз = 90 В). Поэтому напряжение холостого хода источника для сварки электродами УОНИ-13/55 должно
быть не менее 72 В.
2.2.3. Дуга переменного тока в цепи с катушкой индуктивности
и конденсатором
Если в цепь переменного тока ввести конденсатор (емкость «С»), то
напряжение будет отставать от тока по фазе на
. Поэтому наибольший
эффект в повышении стабильности дуги достигается при одновременном включении в сварочную цепь катушки индуктивности «L» и конденсатора «С» (см.
рис. 2.1, в). При этом вторичное напряжение трансформатора U2 уравновешивается падением напряжения на дуге Uд, катушке UL и конденсатора UС
. (2.10)
Напряжение на катушке индуктивности UL опережает ток по фазе на
,
то есть облегчает зажигание дуги, а напряжение на конденсаторе UС отстает от
тока на
, то есть уменьшает скорость угасания дуги при снижении напряже-
ния источника. Таким образом, включение в сварочную цепь конденсатора спо-
40
собствует уменьшению времени охлаждения столба дуги, то есть повышает
2 ОР
1 1 1 О
2 2 2 2 2 ОР
Ф Ф Ф ;
Е U f Ф ;
E U f Ф f (Ф Ф ).
k
Фf
ФФf
U
U
k
О
РОx
T
1
2
1
2
1
2
)(
О
РО
Ф
ФФ
k
стабильность горения дуги.
2.3. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ
ОДНОФАЗНЫХ СВАРОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Сварочные трансформаторы принадлежат к специальным видам однофазных понижающих силовых трансформаторов и имеют некоторые особенности, вытекающие из основных функций источника питания дуги (см. раздел
1.2). Для обеспечения надежного первичного и устойчивого повторного зажигания дуги необходимо, чтобы трансформатор имел падающую статическую
вольт-амперную характеристику с высоким напряжением холостого хода во
вторичной цепи (U2Х – из соображений безопасности оно ограничивается величиной 80 В) и высокую скорость нарастания тока после короткого замыкания
(динамическая характеристика).
Как уже отмечалось (см. 1.1.4), в процессе работы сварочного источника
возможны три типовых режима: холостой ход, нагрузка, короткое замыкание.
Режим холостого хода возникает при разомкнутой цепи вторичной обмотки после подачи напряжения сети U1 на первичную обмотку (рис. 2.3). При
этом в первичной обмотке появляется ток холостого хода I1Х , который создает
магнитный поток ФО. Этот поток генерирует ЭДС (Е1) в первичной обмотке и
(Е2) – во вторичной.
Магнитный поток ФО, создаваемый первичной обмоткой, не весь доходит
до вторичной обмотки. Часть его – ФР – поток рассеяния (рис. 2.3) рассеивается
в зазоре между первичной и вторичной обмотками. То есть поток, пронизывающий вторичную обмотку, равен разности между общим потоком и потоком
рассеяния:
Отношение напряжения холостого хода во вторичной обмотке U2Х к первичному напряжению U1 называется коэффициентом трансформации kТ, или
согласно (2.11):
где отношение
зи,
и
2
– число витков во вторичной и первичной обмотках.
1
(2.11)
, (2.12)
называется коэффициентом магнитной свя-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]