ЭСО / Рем и наладка ИП

4. РЕМОНТ И НАЛАДКА ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

В зависимости от способа сварки для плавления основного и присадочного металлов используют различные источники тепловой энергии: электрический дуговой разряд, плаз­менную струю, шлаковую ванну и др. Их создание и устойчивое существование обеспечи­вают специальные устройства, называемые ис­точниками питания (ИП). ИП дают возмож­ность при сварке устанавливать необходимую мощность тепловой энергии за счет регулиро­ваний силы тока и напряжения. Они являются одним из основных компонентов в электро­сварочном оборудовании.

Мы рассмотрим ремонт и наладку ИП как переменного, так и постоян­ного токов, наиболее широко используемых в промышленности.

1. Требования к источникам питания

Прежде чем перейти к требованиям, предъ­являемым к ИП, рассмотрим кратко основные характеристики сварочной дуги.

Сварочная дуга представляет собой длитель­ный электрический разряд в ионизированной смеси газов и паров различных материалов между электродом и изделием, находящимся под напряжением. Сварочная дуга создает кон­центрированный источник теплоты для расплав­ления металла. Электрический разряд в газах образуют заряженные частицы — ионы и элект­роны. Электроны, развивая огромные скорости в столбе дуги, сталкиваются с атомами и молекулами газа, превращают их в ионы и тем самым увеличивают проводимость газа. Про­цесс образования электрически заряженных частиц в межэлектродном пространстве на­зывают ионизацией, при этом газ из непровод­ника электрического тока становится его про­водником, образуя новое четвертое агрегатное состояние вещества.

Сварочную дугу возбуждают разными спо­собами: разведением электродов после их со­прикосновения, пробоем межэлектродного промежутка током высоких напряжения и частоты и др.

Напряжение на дуге зависит от ее длины и силы тока, диаметра электрода, состава и дав­ления газов.

Рис. 21. Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги

Зависимость напряжения на дуге от силы сварочного тока называют статической вольт-амперной характеристикой (ВАХ) дуги (рис. 21). ВАХ дуги получают при постоянной ее длине и диаметре электрода (в данном случае 6 мм). При силе тока до 80 А все характерис­тики, независимо от различия диаметров электродов, практически совпадают и являют­ся падающими (область I). Это объясняется тем, что повышение силы тока до 80 А не вызы­вает увеличения площади сечения дуги и ее электропроводимости, что сопровождается рез­ким падением напряжения на дуге. Эта область характеристики находит ограниченное примене­ние в сварке. В области II (повышение силы тока выше 80 А) открытая дуга имеет жесткую, независимую от силы тока характе­ристику. В этой области площади сечения столба и активных пятен увеличиваются про­порционально силе тока, поэтому плотность тока и падение напряжения во всех участках дуги остаются постоянными. В области III повышение силы тока приводит к увеличению напряжения на дуге, так как с ростом плот­ности тока катодное пятно уже не растет, потому что занимает всю площадь торца электрода, и электрическое сопротивление дуги повышается. Чем меньше диаметр электрода, тем при меньших токах наблюдается рост на­пряженней на дуге.

Среда, в которой горит дуга, показывает значительное влияние на форму статической ВАХ. Например, обжатая газом дуга даже при относительно небольших токах имеет возрас­тающую характеристику. Дугу с возрастаю­щей статической ВАХ используют при сварке в среде защитных газов, плазменно-дуговых процессах.

Кроме того, сварочная дуга обладает так называемым свойством саморегулирования, заключающимся в том, что в процессе сварки плавящимся электродом с постоянной ско­ростью его подачи длина дуги, при случайных ее изменениях, самовосстанавливается за счет изменения скорости плавления электрода.

При дуговой сварке плавящимся электро­дом происходит процесс переноса электрод­ного металла в сварочную ванну. Капли рас­плавленного металла, отрываясь от электрода, периодически замыкают дуговой промежуток (рис. 24), изменяя силу тока и напряжение на дуге. Во время горения дуги (t₁) образуется и растет капля расплавленного металла (II— VI), затем при контакте между каплей и ванной (t₂) происходит короткое замыкание (VII— VIII) и напряжение на дуге падает до нуля, а сила тока возрастает до максимального значе­ния (I_max), что приводит к мгновенному сжа­тию шейки капли (пинч-эффект) и разруше­нию мостика между каплей и электродом. В дальнейшем напряжение мгновенно (t₃) воз­растает и сварочная дуга вновь возбуждается, после чего цикл сварки повторяется. Поэтому динамические характеристики системы ИП — сварочная дуга обусловлены характером пере­носа электродного металла в сварочную ванну. ИП должен обладать высокими динамическими свойствами, обеспечивающими необходимые скорости нарастаний напряжения и силы тока. От динамических свойств ИП в большой степени зависит количество брызг металла при сварке.

Рис. 24. Зависимость силы тока и напряжения на дуге от времени перехода капли с электрода в ванну жидкого металла:

1— электрод; 2—металлическая ванна; 3 — капля расплавленного ме­талла; 4 — сварочная дуга; I—IX — процесс образования и переноса капли металла при сварке; t₁ — время горения сварочной дуги; t₂— время короткого замыкания; t₃ — время восстановления напряжения после разрушения шейки капли; t₄— время между погасанием дуги и падением напряжения до нуля; I_дс — среднее значение силы тока сварочной дуги

Статические ВАХ сварочной дуги предъяв­ляют определенные требования к ИП для обес­печения устойчивых процессов сварки.

ИП должен обеспечить быстрое и безопас­ное возбуждение дуги. Напряжение холостого хода ИП должно быть в 1,8—2,5 раза выше рабочего, т. е. в пределах 60—80 В. После возбуждения дуги напряжение ИП должно снизиться до рабочего. В процессе сварки по тем или иным причинам происходит изменение длины дуги, ИП при этом не должен допускать значительного изменения силы сварочного тока. Иначе говоря, ИП должен быстро реагиро­вать на все изменения, происходящие в сва­рочной дуге, т. е. обладать высокими динами­ческими свойствами; время восстановления на­пряжения от нуля до рабочего не должно пре­вышать 0,03 с. ИП должен обеспечивать плав­ное регулирование силы сварочного тока и воз­можность настройки различных режимов свар­ки. Сила тока короткого замыкания ИП не должна превышать силу рабочего сварочного тока более чем на 40—50 %, т. е. Iкз = (1,21,5) Iсв. ИП не должен перегреваться выше допустимых норм при работе в номиналь­ном режиме.

О статических свойствах ИП судят по его внешней ВАХ. Сварочные ИП имеют следую­щие ВАХ (рис. 25, а): падающие 1, полого­падающие 2, жесткие 3 и возрастающие 4. Рабо­та системы ИП — сварочная дуга определяется двумя точками пересечения вольт-амперных характеристик (рис. 25, б) источника 1 и дуги 2, в которых осуществляется равновесие по силе тока и напряжению между ИП и сварочной дугой. Точка А₂ соответствует моменту возбуж­дения сварочной дуги; точка А₁ —установив­шемуся режиму работы этой системы.

Рис. 25. Внешние статические вольт-амперные характе­ристики:

а — источника питания; б —источника питания и дуги

При падающих статических ВАХ ИП регу­лирование длины сварочной дуги в процессе ручной сварки осуществляет сварщик, а при автоматической — система автоматического ре­гулирования длины дуги сварочного автомата. Таким образом, при падающих внешних ста­тических характеристиках ИП работает в режи­ме регулятора сварочного тока. Причем каждо­му значению сварочного тока соответствует определенное значение рабочего напряжения.

ИП с жесткими статическими ВАХ приме­няют при автоматической сварке под флюсом с постоянной скоростью подачи электродной проволоки, не зависящей от напряжения на дуге. В этом случае ИП работает как регулятор напряжения, обеспечивая саморегулирование длины сварочной дуги.

ИП классифицируют по роду тока (перемен­ного, постоянного), способам установки (стационарные, встроенные, передвижные), назна­чению (универсальные, специализированные) и по виду сварки и числу обслуживаемых постов.

Для сварки на переменном токе основ­ными ИП являются сварочные трансформато­ры. Они подразделяются на одно- и трехфаз­ные, одно- и многопостовые, с жесткими и падающими внешними ВАХ. По конструктив­ным особенностям их подразделяют на две ос­новные группы: с нормальным и повышенным магнитным рассеянием.

С повышенным магнитным рассеянием сва­рочные трансформаторы выпускают в однокорпусном исполнении. Повышенное маг­нитное рассеяние достигается за счет развитой проводимости между стержнями магнитной системы и расположением первичной и вторич­ной обмоток вдоль стержней магнитопровода на некотором расстоянии друг от друга. Внешние характеристики формируют изме­нением индуктивного сопротивления обмоток. Это достигается регулированием расстояния между подвижной и неподвижной обмотками, изменением положения магнитного шунта; подмагничиванием неподвижного шунта постоян­ным током; тиристорным регулированием.

Сварочные трансформаторы с подвижными катушками ТД, ТДМ.

Катушки первичной и вторич­ной обмоток расположены вдоль стержня магнитопровода на некотором расстоянии друг от друга. Магнитное рассеяние регулируют изменением расстояния между обмотками. При сближении обмоток сварочный ток возрастает, а при отдалении — уменьшается. Трансформаторы серии ТД на номинальные токи 160 и 250 А выпускают переносными, а на токи 315 и 500 А — передвижными.

У переносных трансформаторов первичные обмотки выполнены подвижными, а вторич­ные — неподвижными, закрепленными у верх­него ярма магнитопровода. У передвижных трансформаторов первичные обмотки непод­вижны и закреплены у нижнего ярма магнитопровода, а вторичные — подвижные. Переме­щение подвижной обмотки .осуществляют с помощью ходового винта и гайки, вмонтиро­ванной в обойму этой обмотки. Вращением ходового винта рукояткой, расположенной свер­ху трансформатора, изменяют расстояние меж­ду обмотками, регулируя силу сварочного тока.

Для расширения диапазона регулирования силы тока применено переключение обмоток на параллельное (диа­пазон больших токов) и последовательное (диапазон малых токов). Для переключения диапазонов в передвижных трансформаторах служат переключатели барабанного типа с вы­веденной рукояткой на крышу трансформатора.

Трансформаторы серии ТДМ по принципу регулирования, схеме соединения обмоток и конструктивному исполнению близки к пере­движным трансформаторам серии ТД. Приме­нением новых материалов удалось снизить массу и габариты трансформаторов ТДМ по сравнению с ТД. Кроме этого, усовершенство­вана конструкция переключателя диапазонов силы тока сварки и улучшен внешний вид трансформатора.

К сварочным трансформаторам с подвиж­ными магнитными шунтами относят трансфор­маторы серии СТШ. Катушки первичной и вторичной обмоток расположены на разных стержнях магнитопровода и соединены между собой параллельно. Между этими обмотками в окне магнитопровода располагают магнит­ный шунт, как раз на пути потоков рассеяния. Перемещением шунта внутри окна магнито­провода регулируют величину потоков рассея­ния, т. е. изменяют индуктивное сопротивле­ние, а следовательно, наклон ВАХ и сварочный ток.

Основным недостатком этих трансформато­ров является наличие подвижных частей. На подвижные части регулирующих устройств действуют электромагнитные силы, пульсирую­щие 100 раз в секунду. Другим недостатком этих ИП является высокая инерционность регу­лирования и трудности в осуществлении дистан­ционного и программного регулирований.

Но, несмотря на указанные недостатки, эти трансформаторы получили весьма широкое распространение для ручной дуговой сварки из-за высоких сварочных и энергетических показателей, малого расхода активных мате­риалов, обеспечивающих дешевизну и простоту конструкций.

К ИП с магнитными шунтами, подмагничиваемым постоянным током, относят сварочные трансформаторы серии ТДФ. Они служат для автоматической сварки под флюсом и рассчита­ны на продолжительный режим работы при при­нудительном воздушном охлаждении. Транс­форматоры имеют плавно-ступенчатое регули­рование сварочного тока. Для ступенчатого регулирования переключают число витков вто­ричной обмотки; плавное регулирование сва­рочного тока в пределах одной ступени осущест­вляют подмагничиванием магнитного шунта.

Однако трансформаторы этой серии, имея падающие ВАХ, не позволяют в режимах автомати­ческой сварки достичь высокого качества свар­ного шва. Небольшая выходная мощность не позволяет применять их на форсированных ре­жимах сварки. Поэтому выпуск этой серии сва­рочных трансформаторов прекращен, хотя экс­плуатация их продолжается.

Взамен сварочных трансформаторов серии ТДФ промышленность выпускает тиристорные трансформаторы (ТТ) серий ТДФЖ и ТДЭ. Это группа ИП, использующая способ фазового регулирования сварочного то­ка. Он основан на преобразовании синусоидаль­ного тока в знакопеременные импульсы. Амп­литуду и длительность этих импульсов опреде­ляет угол (фаза) открытия тиристоров. Поэто­му фазорегулятор (ФР), работающий с силовым трансформатором, является одним из основных узлов этого ИП. ФР состоит из двух тиристо­ров, соединенных встречно-параллельно, и си­стемы фазового управления.

Необходимо отметить, что способ фазового регулирования тока, применяемый в контактной сварке, считался неприемлемым для дуговой. Объясняется это тем, что повторное зажига­ние дуги затруднено из-за происходящей деио­низации дугового промежутка в паузах между импульсами тока. Однако в конце 70-х годов было разработано несколько конструкций ТТ, которые показали высокую стабильность горе­ния сварочной дуги. В результате этого при разработке тиристорных сварочных трансфор­маторов удалось снизить массу и упростить конструкцию не только силового трансформато­ра, но и всего ИП в целом. Эти ИП обеспечи­вали формирование внешней ВАХ требуемой формы, стабилизацию и автоматизацию про­цесса сварки, управление постоянной состав­ляющей тока, модуляцию тока сварки, что дало возможность снизить напряжение холостого хода источника.

Электрические схемы ТТ классифицируют по способу обеспечения процесса сварки (преры­вистым и непрерывным питанием сварочной дуги) и расположением ФР (в первичной и во вторичной цепях). Трансформаторы серий ТДФЖ и ТДЭ выпускают с прерывистой по­дачей сварочного тока и расположением ФР в первичной цепи. Следует отметить, что разработки ТТ с непрерывной подачей свароч­ного тока (применением цепей подпитки) и расположением ФР во вторичной цепи не нашли пока широкого применения в дуговой сварке.

Принцип работы ТТ серий ТДФЖ и ТДЭ поясняет схема (рис. 26). Параллельно первичной обмотке I силового трансформатора Т включена цепь, состоящая из конденсатора С и дополнительной импульсной обмотки III, расположенной в зоне вторичной обмотки II силового трансформатора Т. Тиристорами V1 и V2 управляет СИФУ (на схеме не показана). При открывании, например, тиристора V1 конденсатор С заряжается до текущего значе­ния сетевого напряжения. Ток заряда конден­сатора С протекает по дополнительной обмотке III и, трансформируясь во вторичной обмотке II, вызывает в дуговом промежутке импульс напряжения, достаточного для повторного воз­буждения сварочной дуги I. С окончанием периода проводимости тиристора V1 сварочная дуга 1 гаснет и конденсатор С разряжается на первичную обмотку I силового трансфор­матора Т. '

Рис. 26. Упрощенная схема силовой части и ФР сварочного ТТ:

1 — сварочная дуга; 2 — электродная проволока; 3 — изделие; Т — транс­форматор; I и II — обмотки; III — импульсная обмотка; VI, V2 — тиристо­ры; С — конденсатор

В следующий полупериод сетевого напря­жения СИФУ включает второй тиристор V2 и конденсатор С вновь заряжается, но уже в обратном направлении, и его зарядный ток снова индуктирует стабилизирующий импульс, повторно возбуждающий сварочную дугу 1. Амплитуду и длительность импульса опреде­ляют соотношение витков обмоток II, III и ем­кость конденсатора С (2—10 мкФ). Силовой трансформатор собран на двухстержневом магнитопроводе с фиксированным повышенным магнитным рассеянием и не имеет подвижных частей и магнитных шунтов, что делает его простым в изготовлении и надежным в экс­плуатации.

Источники питания постоянного тока делят на две основные группы: сварочные генера­торы и сварочные выпрямители. Сварочные генераторы в комплекте с двигате­лями внутреннего сгорания называют сварочными аг­регатами (АСД, АДД и др.). Сварочные вы­прямители — это статические преобразователи энергии трехфазной сети в энергию выпрям­ленного тока, используемую для сварочных работ.

Сварочные выпрямители состоят из силового трансформатора и выпрямительного блока. На­ибольшее распространение получили схемы выпрямления трехфазные мостовые (рис. 28, а), шестифазные с уравнительными реакторами (рис. 28, б) и кольцевые (рис. 28, в).

Силовые трансформаторы применяют с по­вышенным магнитным рассеянием, подвижны­ми обмотками, магнитными шунтами и ДН. Использование тиристорных блоков позволило унифицировать конструкцию силового транс­форматора, т. е. применять силовые понижаю­щие трансформаторы с естественными жест­кими характеристиками и нормальным магнит­ным рассеянием.

Рис. 28. Упрощенные электрические схемы сварочных выпрямителей

Выпрямительные блоки собирают на диодах или тиристорах. Они работают в условиях высоких электрических, тепловых и механи­ческих воздействий. Поэтому их защищают от перенапряжений RС-цепями, которые одновременно ограничивают коммутационные напряжения на диодах и тиристорах. Для защиты неуправляемых блоков (рис. 29, а) RС-цепь подключают к зажимам выпрямленного напря­жения; в тиристорных блоках (рис. 29, б) эту цепь соединяют со вторичными обмотками силового трансформатора Т через вспомога­тельный выпрямитель U1. Конденсатор С, служащий для защиты от перенапряжений, разряжается на резистор R2, который является шунтирующим совместно с резистором R1. Поэтому важно при текущих ремонтах и налад­ках проверять исправность защитных RС-цепей. Для тепловой защиты выпрямительных блоков силовые диоды и тиристоры монтируют в специальных радиаторах, которые в зависи­мости от токовой нагрузки охлаждают возду­хом или водой.

Промышленность выпускает однопостовые, многопостовые и специализированные сварочные выпрямители. Они имеют падающие, жест­кие, универсальные внешние ВАХ и снабжены различными системами регулирования силы сварочного тока и напряжения.

Однопостовые сварочные выпрямители с па­дающей внешней ВАХ нашли наиболее широ­кое применение для ручной дуговой и механи­зированной сварки под флюсом. Высокие сва­рочные свойства этих выпрямителей характе­ризуются легкостью возбуждения дуги, стабильностью процесса сварки, хорошим формирова­нием сварочного шва и небольшим разбрызги­ванием электродного металла при сварке. Их выпускают с механическим регулированием подвижными катушками или магнитными шун­тами (например, ВД-201, ВД-306, ВД-401 и др.) и с дросселями насыщения (например, ВД-502, ВД-502-2 и др.).

Рис. 29. Электрическая схема защиты выпрямительного блока от перенапряжений:

а — неуправляемый выпрямительный блок; б — тиристорный выпрямитель­ный блок; 1— электрод; 2— сварочная дуга; 3—изделие; T —силовой трансформатор; U — основной выпрямительный блок; U1 — дополнитель­ный выпрямительный блок; R1, R2 — резисторы; RS — шунт; РА— амперметр; С — конденсатор

Однопостовые сварочные выпрямители с жесткой внешней ВАХ изготовляют для механи­зированной сварки в СО2. С целью уменьшения разбрызгивания электродного металла при сварке в цепь постоянного тока включают дроссели с воздушным зазором (например, ВС-300А, ВДГ-303 и др.) или применяют трансформаторы с магнитной коммутацией (ВСЖ-303), или выпрямители снабжают регу­лируемыми тиристорными блоками (ВДГ-601).

Однопостовые универсальные сварочные выпрямители, имеющие тиристорные блоки, благодаря которым осуществляют переключе­ния для работы с жесткими или падающими ВАХ, находят растущее применение в свароч­ном производстве. Тиристорные сварочные вы­прямители — это качественно новые ИП для ду­говой сварки, осуществляющие функции и вы­прямления, и регулирования сварочного тока, и стабилизации режима сварки. Они дают возможность дистанционного регулирования и программного управления процессами сварки. Создание тиристорных выпрямителей с блока­ми регулирования и управления на аналоговых и логических элементах с применением интег­ральных микросхем позволило повысить надеж­ность их работы и ремонтоспособность.

7