1.7. Требования, предъявляемые к источникам питания

Источники питания сварочной дури как источники специального назначения должны удовлетворять специфическим требованиям, предъявляемым технологией производства конструкции.

Важнейшей задачей источника питания является поддержание ус­тойчивого горения дуги и заданного режима сварки. Необходимо чтобы статические характеристики источников питания имели соответствие с ВАХ дуг. Поэтому источники питания должны иметь характеристики:

крутопадащие для ручной дуговой сварки, т.к. изменение длины дуги мало сказывается на токе дуги;

крутопадающие для автоматической сварки под слоем флюса, если скорость подачи проволоки изменяется, и пологопадающие, если скорость подачи проволоки постоянна;

жесткие идя возрастающие для дуговой сварки в среде защит­ных газов, т.к. при изменения длины дуги сварочный режим восста­навливается метод м саморегулирования.

Выполнение этих требований в сочетании с мероприятиями по повышению устойчивого горения дуги (главным образом, включением индуктивного сопротивления а цепь дуги и увеличением у источника питания напряжения холостого хода до величины, обеспечивающей быстрое возбуждение дуги) позволяет обеспечить высокую стабиль­ность сварочного процесса и высокие свойства сварных соединений.

Источник энергии дуги должны обладать хорошими динамически­ми свойствами, т.е. малой электроинерционностью, что дает возмож­ность быстро отрабатывать возмущения и подавлять переходные про­цессы. Эти свойства характеризуются коэффициентом динамичности и скоростью нарастания тока в цепи дуги. Коэффициент динамичности (отношение тока короткого замыкания к заданному току дуги) должен быть в пределах I...2,5, а скорость нарастания тока – не менее I5...20 кА/с.

Кроме того, источники питания дуги, как всякие электротехни­ческие устройства, должны быть безопасны и просты в эксплуатации м ремонте.

2. Режим работы источников питания

2.1. Характеристика нагрева источников питания

Источники питания как и другие электротехнические установки рассчитываются на определенную нагрузку, обусловленную допустимым нагревом элементов, наименее стойких тепловым воздействиям. Такими элементами являются изоляционные материалы проводов обмоток и набора магнитопроводов во всех источниках питания и полупроводниковые вентили в выпрямителях.

Максимально допустимая температура источника питания, развиваемая в процессе длительной работы, определяется из выражения

T_max = T₀ + T, (2.1)

где Т₀ – температура окружающей среды, Т – температура нагрева элементов источников питания. Расчетная температура окружающей среды принимается по ГОСТу равной 40°С на высоте 1000 м над уровнем моря. Температура нагрева Т изменяется в пределах 75....90°С. Минимальные величины Т характерны для хлопчатобумажной (с лаковой пропиткой) изоляции проводов и лаковой изоляции набора магнитопроводов. В последние года при изготовлении этих узлов применяют синтетические изоляционные лаки и материалы на основе полимерных смол. Они выдерживают Т = 90°С. Таким образом, Тmax для источников питания с различными изоляционными материалами колеблется в пределах 115..135°С.

Полупроводниковые вентили, применяемые в силовых схемах выпрямления, не все могут выдержать такой нагрев. Например, максимально допустимая температура, при которой не происходит пробоя р-п переходов, составляет 80°С для германиевых, 100°С для селеновых и 125...150°С для кремниевых вентилей. Это обстоятельство является одной из причин, ограничивающих в последние года использование селеновых и германиевых вентилей для производства источников питания. Кроме того, с целью снижения Tmax практически все выпрямительные сварочные устройства имеют искусственное охлаждение в виде принудительной вентиляции.

2.1.1. Режимы работы источников литания. После включения источников питания температура нагрева Г нарастает по экспоненциальному закону до тех пор, пока не достигнет установившегося значения Т_у (рис. 2.1 ). При Т_у устанавливается равновесие между количеством теплоты, отводимым в окружающую среду в единицу времени, и количеством теплоты, создаваемым сварочным током внутри источника питания. При этом установившееся значение температуры Т_у – Т₀ + Т_у не должно превышать максимально допустимой температуры Tmax для данного источника питания.

Различают продолжительный, перемежающийся и повторно-кратковременный режимы работы источников питания (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Характеристики режимов работы источников питания: а, в, д – виды нагрузок для продолжительного, перемежающегося и повторно-кратковременного режимов; б, г, е – кривые нагрева для этих же режимов

Продолжительный режим характеризуется непрерывным включением источника постоянной мощности в течение длительного времени (рис. 2.1,а). Уравнение кривой нагрева (рис. 2,1,б) имеет вид

T = T₀ + Т (1 – e^{-t/нагр}), (2.2)

где _нагр – постоянная времени, характеризующая скорость нарастания температуры. За время t, равное _нагр, температура нагрева достигает 63% Т_у. В продолжительном режиме работают источники питания при выполнении длинных швов в крупногабаритных конструкциях, когда время сварки значительно превышает расчетное время цикла. Считается ПР = 100 %.

Перемежающийся режим отличается импульсным включением мощности, причем во время пауз источник питания потребляет минимальную мощность Рmin, равную мощности холостого хода (рис. 2.1, в). Температурная характеристика перемежающегося режима показана на рис. 2.1, г. В период прохождения импульса tp происходит нагрев источника питания. При наступлении паузы tn он охлаждается. Охлаждение так же, как и нагрев, описывается экспонентой. Но так как _охл > _нагр вследствие наличия дополнительного тепла из-за Рmin, то кривая охлаждения 3 будет более пологой по отношению к кривой 2. По истечении некоторого времени процесс нагрева установится, источник питания достигнет температуры Т_у, равной среднему значению между Т₁ и Т₂. При этом установившееся значение Ту для данного режима не только ниже максимально допустимой температуры, но и значительно уступает аналогичному показателю продолжительного режима.

Перемежающийся режим характеризуется относительностью работы источника под нагрузкой (%):

(2.2)

Повторно-кратковременный режим отличается от перемежающегося тем, что во время пауз источник питания отключается от силовой сети (рис. 2.1, д). В таком режиме работают установки для механизированной сварки и универсальные источники питания. Кривая нагрева показана на рис. 2.1, е. В расчетах принимают постоянную времени охлаждения равной постоянной времени нагрева, поэтому охлаждение для повторно-кратковременного режима происходит по экспоненте 2. В результате установившееся значение температуры Т_у будет ниже, чем для перемежающегося режима.

Повторно-кратковременный режим также характеризуется продолжительностью включения (%):

(2.3)

Длительность цикла работы источников питания, предназначенных для ручной дуговой сварки в перемежающемся или повторно-кратковременном режимах, принимается равной 5 минутам, для механизированной сварки и универсальных источников – 10 минутам.

Из анализа кривых нагрева (рис.2.1, б,г,е) видно, что при импульсном выделении мощности в источнике питания (при одном и том же уровне мощности) нагрев ниже, чем при непрерывном режиме (Тупр > Тупн > Тупв). Об атом свидетельствует расположение пилообразных кривых по отношению к кривой 1, описывающей нагрев при продолжительном режиме. Поэтому при расчете источников питания, работающих в режимах ПН и ПВ, следует увеличивать уровень мощности, как показано штриховыми линиями на рис. 2.1, в,д. При равенстве количества энергии, выделяемой в единицу времени в источнике при ПН и ПВ, количеству энергии при ПР, пилообразные кривые совпадут с кривыми 1, т.е. нагрев станет одинаковым. Однако ток и напряжение в случаях ПН и ПВ будет выше. Следовательно, в этих случаях более рационально и целесообразно будут использоваться основные конструкционные материалы источников: медь обмоток и электротехническая сталь, а в целом источники более эффективны и экономичны.

Наконец, из рассмотрения характеристик нагрева при перемещающемся и повторно-кратковременном режимах следует, что источники питания могут допускать прохождение тока, превосходящего номинальный. Величину этого тока определяют исходя из условий равенства энергий, выделяемых ими номинальным током:

(2.4)

(2.5)

где Iгф, ПНф и ПВф – фактические значения I₂, ПН и ПВ. Но практика показывает, что большинство источников питания работают на токах, меньше номинальных. В этих случаях можно из выражений (2.4) и (2.5) решить обратную задачу об уровне увеличения ПН и ПВ относительно их номинальных значений.