13.3. Випрямляч з транзисторним інвертором

Двотактний мостовий інвертор зображено на рис.13.8 а. У першому півперіоді (такті) система керування запускає транзистори VT1 та VT4, струм іде по первинній обмотці трансформатора в напрямку, вказаному тонкою лінією. У другому півперіоді шлях струму через транзистори VT2 та VT3 вказано пунктирною лінією.

Однотактний півмостовий інвертор (рис.13.8 б) входить до складу конвертора і має лише два транзистори. У момент t₁ при відпиранні транзисторів VT1 і VT2 по первинній обмотці трансформатора проходить імпульс струму, напрямок якого вказано тонкою лінією. Потім іде пауза t₂ - t₄, після чого в тому ж напрямку проходить такий самий імпульс струму (рис.13.8 в). Таким чином, в однотактному інверторі струм виявляється змінним тільки за величиною, але не за напрямком. Недоліком схеми є значні перенапруги на транзисторах у момент їх увімкнення. Для усунення такого недоліка встановлюються діоди VD1, VD2, в результаті чого

127

з моменту t₂ вимикання транзисторів, енергія, що накопичена в індуктивності первинного кола, повертається в мережу. При цьому по первинній обмотці через діоди проходить струм (пунктирна лінія), поступово знижуючись до моменту t₃.

Рис. 13.8. Схеми транзисторних інверторів

Імпульс струму, трансформований у вторинній обмотці з моменту t₁, передається навантаженню через діод VD3. З моменту t₂ струм у навантаженні підтримується в основному завдяки енергії, накопиченій в індуктивності L. З цією метою використовується зворотний діод VD4. При достатньо великій індуктивності L випрямлена напруга U_B може бути зглажена до рівня, прийнятного за умовами технічного процесу.

Надійність транзисторного інвертора невелика, оскільки найвразливішим елементом є транзистори. При конструюванні випрямляча прагнуть знизити кількість вентилів, понизити струм та напругу на них. При недостатньо припустимому струмі потрібно в кожне плече встановлювати декілька паралельно з’єднаних транзисторів. При цьому ускладнюється система керування і виникає проблема підбору вентилів з близькими характеристиками. Тому раціональним є паралельне з’єднання не транзисторів, а транзисторних модулів, кожен з яких споряджений власними елементами керування і захисту. У цьому випадку може бути реалізовано і принцип резервування, за яким несправні модулі відмикаються без збитку для загальної працездатності всього випрямляча.

Випрямляч зварювальний ВД-150 “MiniSELMA-150”, в подальшому іменуємий “випрямляч”, призначений для зварювання вуглецевих, легованих і

128

корозіонностійких сталей на постійному струмі (MMA-DC) металевими електродами з покриттям, а також зварювання неплавким електродом на постійному струмі в середовищі агону (ТИГ-DC) всіх металів, за виключенням алюмінія та його сплавів. Випрямляч має спадні зовнішні характеристики. Він виготовлений за технічними умовами ТУ У 20732066.063-99.

Працездатність випрямляча забезпечується при коливаннях напруги живильної мережі від мінус 10% до плюс 10% від номінального.

Охолодження випрямляча здійснюється за допомогою вмонтованого вентилятора. На охолоджувачі силових транзисторів встановлено датчик контролю температури з метою захисту випрямляча від перегрівання. При спрацьовуванні датчика запалюється індикатор в миготливому режимі.

Випрямляч в режимі ММА має автоматичні функції “гарячий старт” і “протиприлипання”.

“Гарячий старт”- для покращення запалювання дуги, на початку зварювання джерело формує імпульс струму тривалістю 0,3 секунди. Величина імпульса перевищує на 30% величину попередньо встановленого зварювального струму.

“Протиприлипання”- за 1-2 секунди після виникнення короткого замикання між електродом і деталлю зварювання випрямляч припиняє подавання струму в зварювальне коло. Працездатність випрямляча відновлюється автоматично після зняття короткого замикання.

Спосіб збудження дуги при зварюванні в режимі ТИГ-DC -контактний. Тобто на початку зварювання необхідно короткочасно доторкнутися вольфрамовим електродом до зварювальної деталі, після чого відвести пальник від основного металу.Технічні характеристики ВД-150 “MiniSELMA-150” наведено в табл.3.

Інверторний випрямляч LHL-315 шведської фірми «ЕСАБ» призначений для ручного дугового зварювання покритими електродами і має крутоспадну зовнішню характеристику, сформовану системою керування. Він має два однакових паралельно з’єднаних конвертори. Інвертор у складі конверторів зібраний за однотактною півмостовою схемою, при цьому в кожне плече встановлено по шість швидкодіючих МДП - транзисторів.

Конструкція випрямляча LUC-500 фірми «ЕСАБ» з транзисторним інвертором універсальна тому, що придатна для ручного дугового зварювання, механізованого в захисних газах та імпульсно-дугового зварювання. У джерелі використовується інвертор з частотою 48 кГц на потужних МОП - транзисторах. З випрямлячем постачається мікропроцесорний прилад, що реалізує принцип синергетичного

129

керування, тобто автоматичного налагоджування режиму за математичною моделлю. Із запропонованого приладом меню, зварювальник обирає тип переносу електродного металу (з короткими замиканнями крапель, струменевий чи керований імпульсами), марку та діаметр дроту та тип захисного газу, а мікропроцесор за програмою обчислює і передає джерелу задані значення напруги неробочого ходу, індуктивності, частоти, амплітуди та тривалості імпульсів і пауз. Передбачено, щоб зварювання завжди закінчувалось потужним імпульсом, який скидає останню краплю з електрода. Мікропроцесор забезпечує індикацію та зберігання інформації про режими. Зварювальник може вручну скоректувати параметри процесу, а підібраний режим зберігати в пам’яті мікропроцесора.

Випрямляч TS-330 “Транссинергетик” австрійскої фірми «Фроніус» із транзисторним інвертором на 60 кГц також є універсальним синергетичним джерелом. Установка режиму виконується за допомогою регуляторів, на яких вказані марка зварюваного металу та діаметр електродного дроту. У пам’яті машини є широкий вибір варіантів програмного керування процесом зварювання. Та ж фірма виготовляє компактне джерело ТР-200 “Транспокет” для ручного дугового зварювання з транзисторним інвертором з частотою 30 кГц.

Гарними зварювальними властивостями володіє також інверторний випрямляч “Мастер - 3500” фінської фірми “Кемппі”, призначений для ремонтних та монтажних робот з використанням покритих електродів. У ньому застосовуються біполярні транзистори з покращеним охолодженням, що значно підвищує їх надійність.

Із джерел з транзисторним інвертором слід також відзначити випрямлячі ДС140.3 та ДС250.3. Останній зібраний за однотактною півмостовою схемою з широтно-імпульсним регулюванням та призначений для ручного дугового зварювання, в тому числі на імпульсному режимі. Він має окрім плавного регулювання зварювального струму ще й незалежне налагоджування струму короткого замикання. Передбачено також форсування режиму при запалюванні дуги та зниження напруги неробочого ходу до безпечного значення.

13.4. Конструкцiя i робота джерела живлення з тиристорним iнвертором

Джерело мiстить у собi вхiдний випрямляч, зiбраний за трифазною мостовою схемою випрямлення (VD1...VD6), вхiдний фiльтр (L1, C1), який слугує для згладжування пульсацiй випрямленої напруги (рис.13.9).

130

Рис. 13.9. Принципова електрична схема інверторного випрямляча

Як ланка високої частоти застосовується пiвмостовий послiдовний iнвертор. З наявних схем тиристорних iнверторiв найбiльш доцiльною є пiвмостова схема з резонансною комутацiєю i дiодами зворотного зв’язку. Вона має мiнiмальне число елементiв, здатна працювати в широкому дiапазонi зварювальних навантажень i здiйснювати глибоке регулювання зварювального струму за рахунок змiни частоти вмикання тиристорiв. Iнвертор складається з комутувальних конденсаторiв С2 i С3, тиристорiв VS1 i VS2, навантаженням є первинна обмотка трансформатора Т. Для пiдвищення комутацiйної стiйкостi VS1 i VS2, а також виключення їх з ланки в момент комутацiї через велику швидкiсть наростання напруги використовуються дроселi L2, L3, резистори R2, R3 i конденсатори С6, С7. У схему введенi зворотнi дiоди VD9, VD10, якi забезпечують повернення реактивної енергiї, що накопичується в зварювальному трансформаторi Т, i усувають резонанснi процеси в колi робочих конденсаторiв С2, С3, завдяки чому напруга на конденсаторах не перевищує припустимих значень у режимах неробочого ходу i короткого замикання. L2, C6,

131

R2 i L3, C7, R3 виконанi чисто реактивними оскільки R2, R3 шунтованi в прямому напрямку дiодами VD11, VD12 i слугують для стiкання зарядiв з конденсаторiв С6, С7 у промiжках часу мiж комутацiями тиристорiв. Резистори R2, R3 регульованi для забезпечення згасального процесу в резонансному контурi схеми. Малогабаритний трансформатор Т слугує для зниження напруги до 30-40 В, необхiдної для зварювання. Вторинна обмотка трансформатора через вихiдний випрямляч VD7, VD8 i вихiдний фiльтр L4, C4, C5 увiмкнута до зварювальної дуги. Осердя лiнiйного дроселя L4 має повiтряний проміжок, що запобiгає його насиченню при значних величинах зварювального струму. Дросель знижує швидкiсть наростання струму i його максимальне значення при збудженнi дуги, а також згладжує пульсацiї випрямленого зварювального струму. Регулювання електричних режимiв джерела виконується блоком керування БКI, який живиться вiд мережi через спецiальний трансформатор. Для пiдтримання потужностi живлення, що пiдводиться до дуги слугує зворотний зв’язок за струмом i за напругою. Сигнали надходять до блоку керування з шунта RS i з дугового промiжку. Для примусового охолодження силових елементiв схеми джерела слугує вентилятор. Захист елементiв схеми вiд перенапруги здiйснюється автоматичним вимикачем QF, а захист двигуна вентилятора i блоку керування БКI - за допомогою запобiжникiв.

Плавне регулювання зварювальної напруги здiйснюється за рахунок змiни частоти вмикання тиристорiв iнвертора. Можливе також i ступiнчасте регулювання шляхом змiни ємностi комутувальних конденсаторiв. При збiльшеннi ємностi зростає зарядний струм i тривалiсть зарядки конденсатора, що призводить до збiльшення випрямленої напруги i струму.

132

ЛЕКЦІЯ 14

14.1. Зварювальнi генератори, перетворювачi i агрегати. Призначення,

класифiкацiя

Зварювальний генератор є електричною маши133ною, яка забезпечує легке збудження дуги i утворення якiсного зварного з’єднання шляхом перетворення механiчної енергiї обертання якоря в електричну енергiю постiйного струму.

Перетворювач являє собою комбiнацiю зварювального генератора, якiр якого приводиться в обертання за допомогою трифазного асинхронного двигуна змiнного струму, i застосовується в основному для ручного дугового i механiзованого зварювання в захисних газах i пiд флюсом у цехових умовах.

Зварювальний агрегат вiдрiзняється вiд перетворювача тим, що для обертання ротора генератора замiсть електричного привода застосовується бензиновий або дизельний двигун. Агрегати застосовуються в основному для ручного дугового зварювання в умовах вiдсутностi живлення електричної мережi.

Оскільки генератор є основним електроапаратом, який створює умови для живлення зварювальної дуги, то докладно розглядаються конструктивнi особливостi, принцип дiї, характеристики тiльки зварювальних генераторiв.

Генератори подiляються на колекторнi (мотор-генератори) i вентильнi (індукторні).

Колекторнi генератори складаються з частин що обертаються (якiр з колектором), i нерухомих (статор з магнiтними полюсами, щiтки для знiмання струму i.т.п.).

Вентильнi генератори складаються з трифазного генератора змiнного струму i силового випрямного блоку, зiбраного за мостовою схемою випрямлення. Колекторнi генератори однопостової системи класифiкують у залежностi вiд способу збудження i вольт-амперних характеристик.

Генератори із самозбудженням i спадною ВАХ:

- поперечного магнiтного кола;

- з розщепленними полюсами;

- з паралельною намагнiчувальною i послiдовною розмагнiчувальною обмотками збудження.

Генератори із самозбудженням i жорсткою ВАХ:

- з несиметричною або рiзнонасиченою магнiтною системою.

133

Генератори з незалежним збудженням i спадною ВАХ:

- з незалежною обмоткою збудження i послiдовною розмагнiчувальною обмоткою.

Генератори з незалежним збудженням i жорсткою ВАХ:

- з незалежною обмоткою збудження i послiдовною пiдмагнiчувальною обмоткою.

Унiверсальнi зварювальнi генератори:

- в яких спадна i жорстка ВАХ створюється за рахунок обмотки незалежного збудження i послiдовної обмотки, що працює як в режимi розмагнiчування, так i пiдмагнiчування.

Колекторнi генератори багатопостової системи застосовуються в основному як генератори із самозбудженням i послiдовною пiдмагнiчувальною обмоткою, що створює жорстку ВАХ.

У процесi роботи в промисловостi з’явився основний тип зварювальних генераторiв зі спадними i жорсткими характеристиками, технологiчнi властивостi яких вiдповiдають сучасним вимогам технологiї дугового зварювання. Такими виявились генератори з незалежним збудженням i самозбудженням з послiдовною розмагнiчувальною i пiдмагнiчувальною обмотками а також вентильні генератори. Крiм них у менших обсягах застосовуються універсальні, багатопостові та генератори з несиметричною магнiтною системою. Зварювальнi генератори поперечного магнiтного поля i з розщепленими полюсами, в силу гiрших технологiчних властивостей докладно розгляненi в спецiальнiй лiтературi і в цьому посiбнику не розглядаються.

Технiчнi характеристики зварювальних обертальних джерел живлення порiвняно низькi. Крiм того, вони займають значну виробничу площу, створюють при роботi сильний шум та вiбрацiю.

14.2. Зварювальний генератор системи незалежного збудження з

послiдовною розмагнiчувальною обмоткою. Конструкція i принцип дiї

Генератори даної системи широко застосовуються у виглядi зварювальних перетворювачiв, оскільки незалежна обмотка збудження живиться вiд тiєї ж мережi, що пiдводиться до електродвигуна. Вони призначенi в основному для ручного дугового зварювання i рiзання плавленням, а також частково i для зварювання пiд флюсом.

134

Генератор має нерухому частину - статор з чотирма головними полюсами i обертову частину - ротор - якiр з колектором з двома спареними щiтками. На двох геометрично протилежних одноiменних N полюсах вкладена обмотка незалежного збудження НО, на двох iнших S полюсах - послiдовна розмагнiчувальна обмотка ПР.

Обмотка НО живиться вiд мережi через знижуючий трансформатор та випрямний блок, який змонтовано в корпусi генератора. Обмотка ПР увiмкнена послiдовно з якорем i навантаженням. Магнiтнi потоки Ф_Н i Ф_Р, якi створюються цими обмотками, замикаються на полюси, залiзо якоря, корпус генератора i направленi зустрiчно (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Спрощена електрична схема генератора незалежного збудження з

послідовною розмагнічувальною обмоткою

При обертаннi ротора генератора в якiрнiй обмотцi наводиться змiнна ЕРС, яка завдяки колекторному пристрою перетворюється в постiйну ЕРС при незмiннiй величинi магнiтних потокiв. Розмагнiчувальна дiя послiдовної обмотки дає

135

можливiсть отримати в генераторi спадну вольт-амперну характеристику. Плавне регулювання зварювального струму здiйснюється за рахунок змiни струму збудження I_Н в незалежнiй обмотцi за допомогою регулятору струму R1, ступiнчасте регулювання - змiною числа виткiв послiдовної розмагнiчувальної обмотки.

Принцип регулювання струму i створення зовнiшньої характеристики визначається з аналiзу роботи генератора в рiзних режимах.

Робота генератора

Аналiз роботи генератора проводиться в трьох режимах: неробочий хiд, навантаження та коротке замикання.

Неробочий хiд. Умови роботи генератора I_Д=0, I_Н¹0, Ф_Н¹0, Ф_С,Ф_Я=0.

Струм намагнiчування I_Н проходячи по обмотцi НО, створює магнiтний потiк Ф_Н, завдяки чому в якiрнiй обмотцi наводиться ЕРС генератора Е_Г.

E Г  С F Н 

С

Rm

I Н Н W  U 20 (14.1)

де С - постiйна генератора, W_Н - число виткiв незалежної обмотки збудження,

Rm ^Ø

^{- магнiтний опiр на шляху потоку Ф}Н^{Величина} Е_Г без втрат подається на клеми генератора i дорiвнює напрузi

неробочого ходу генератора U₂₀. З виразу (14.1) випливає, що U₂₀ можна плавно регулювати змiною струму збудження I_Н в незалежнiй обмотцi за допомогою R1. Навантаження. Умови роботи генератора I_Д¹0, Ф_Н, Ф_Р, Ф_Я¹0. В режимi навантаження по зварювальному колу, по якiрнiй та розмагнiчувальній обмотках проходить струм I_Д, який створює магнiтнi потоки Ф_Р i Ф_Я. Поток Ф_Р направлений назустрiч потоку Ф_Н, а потiк реакцiї якоря Ф_Я замикається по тiлу якоря та полюсного башмака i направлений перпендикулярно Ф_Н та Ф_Р. Тому результуючий магнiтний потiк Ф_S=Ф_Н-Ф_Р. Сумарний потiк Ф_S створює ЕРС генератора Е_Г.

I

E Г  СF S  C ( F Н - F Р )  С

I W I W

W

Н Н

R m

I W

Д Р

-С (14.2)

R m

Ê CW ˆ

U Г  E Г -I Д A R  С

Н Н

R m

Д Р

-С -I Д A R  U

R m

136

20 -I Д Á

Ë

P

 R A ˜ (14.3)

R m

¯

де -I_ДR_А - падiння напруги за рахунок втрат в активному опорi генератора (опiр провiдникiв якоря, колектора, щiток i т. п.).

Заключний вигляд виразу (14. 3) характеризує рiвняння зовнiшньої характеристики генератора незалежного збудження з послiдовною розмагнiчувальною обмоткою. З виведеного рiвняння видно, що iз зростанням струму навантаження I_Д напруга генератора U_Г спадає за рахунок магнiтного потоку послiдовної розмагнiчувальної обмотки i частково падiння напруги в серединi генератора.

Фiзичний зміст формування спадної вольт-амперної характеристики полягає в тому, що зі збiльшенням зварювального струму I_Д потiк Ф_Р зростає, що призводить до зменшення результуючого магнiтного потоку Ф_S , до зниження ЕРС Е_Г i напруги U_Г генератора, тобто:

I_Д ­fi F_Р ­fi F_S Øfi E_Г Øfi U_Г Ø .

Iз виразу (14.3) за умови рiвності напруги дуги i генератора (U_Г=U_Д) можна

визначити величину зварювального струму:

I Д 

U 20 -U Д

( СW Р / R m )  R A

(14.4)

З наведеної формули видно, що при постiйнiй величинi U_Д струм навантаження можна регулювати шляхом змiни напруги неробочого ходу генератора (плавне регулювання) або змiною числа виткiв послiдовної обмотки W_Р (ступiнчасте регулювання).

Основний спосiб регулювання -плавна змiна струму навантаження регулятором струму R1 в колi незалежної обмотки збудження. При цьому за рахунок регулювання струму намагнiчування I_Н вiдбувається змiна напруги U₂₀. Фiзичне пояснення цього способу полягає в наступному. Зі збiльшенням струму намагнiчування I_Н зростає Ф_Н, отже, i результуючий потiк Ф_S. В результатi цього збiльшується ЕРС Е_Г, напруга U_Г i струм I_Д генератора.

I_Н ­fi F_Н ­fi F_S ­fi E_Г ­fi U_Г ­fi I_Д ­ .

Кратнiсть плавного регулювання зварювального струму I_{Д max} / I_{Д min} невелика i складає приблизно 2...3. Це пояснюється тим, що зі зростанням I_Д збiльшується i напруга неробочого ходу генератора, яка обмежена вимогами технiки безпеки i складає 60-100 В.

137

Ступiнчасте регулювання струму здiйснюється змiною числа виткiв послiдовної розмагнiчувальної обмотки. При 100% увімкненні числа виткiв W_Р-ступiнь малих струмiв, при 40%-ступiнь великих струмiв.

На рис.14.2 наведено графічне зображення спадної зовнішньої характеристики генератора. З ростом струму І_Д (при зміні опору навантаження) напруга генератора U_Г спадає:

I_Д ­fi U _Г Ø .

Рис.14.2. Зовнішня характеристика генератора з незалежним збудженням

Фізичне пояснення формуванню спадної ВАХ можна дати наступним чином. При збільшенні зварювального струму І_Д зростає потік послідовної обмотки Ф_Р, що призводить до зниження результуючого потоку Ф_S і, отже, до зниження Е_Г та напруги U_Г генератора, тобто

I_Д ­fi F_Р ­fi F_S Øfi E_Г Øfi U_Г Ø

Спадна зовнішня характеристика у генераторі з послідовною обмоткою

створюється завдяки її розмагнічувальній дії.

Коротке замикання Режим к.з. можна розглядати як випадок режиму

навантаження. При спадній ВАХ в режимі короткого замикання U _Г  U _д ª 0 . Тодi

з рiвняння (14.4) струм I_КЗ буде дорівнювати

138

I КЗ 

U 20

(14.5)

(СW_Р / R_m )  R _A

В режимi короткого замикання, так само як i в режимi навантаження плавне регулювання струму I_КЗ здiйснюється за рахунок змiни напруги неробочого ходу U₂₀, а ступiнчасте - шляхом змiни числа виткiв обмотки W_Р. Рідше ступінчасте регулювання виконують за допомогою баластового реостату R_Б , встановленого послідовно з дугою.

Рівняння зовнішньої характеристики генератора з баластовим реостатом має вигляд:

U Г  U Д  U 20 -I

Ê С ˆ

Д Á W Р  R A ˜ -I

Ë Rm ¯

R Д Б , (14.6)

а рівняння регулювання зварювального струму І_Д має вигляд:

I Д 

U 20 -U Д

( СW Р / R m )  R  A Б

(14.7)

R

З рівняння (14.7) витікає, що при збільшенні R_Б сила струму І_Д знижується.

В такому випадку плавне регулювання режиму виконується зміною струму незалежної обмотки, а ступінчасте - секціонуванням послідовної обмотки та вмиканням баластового реостату.

14.3. Конструкцiя i робота генераторiв та перетворювачiв

Розглянемо конструкцiю i роботу перетворювачiв на прикладi ПД-502У2, до складу якого входить генератор з незалежною обмоткою збудження та послiдовною розмагнiчувальною обмоткою (рис.14.3).

До складу перетворювача входить трифазний асинхронний двигун-10 з короткозамкненим ротором та зварювальний генератор-9 типу ГСО-500. Колектор генератора закрито щитками-1, щiточний пристрій встановлено на щитi-4. На розподiльчiй коробцi-5 крiпляться дошки зажимiв двигуна -3 i генератора-2, амперметр-7 та пакетний вимикач двигуна -6. Пристрій для регулювання зварювального струму в вигляді реостата-8 може бути винесено на вiдстань до 20 метрiв. Магнiтна система має чотири головних полюси. На двох N полюсах розмiщена незалежна обмотка збудження HO, на двох S полюсах-послiдовна

139

розмагнiчувальна обмотка ПР. У зв’язку з тим, що цi обмотки рознесенi на рiзних полюсах, зменшується їх взаємна iндуктивнiсть, що призводить до значного покращення запалювання зварювальної дуги та динамiчних властивостей самого генератора. Є також два додаткових S полюса ДП з обмотками для полiпшення комутацiї, що в свою чергу зменшує iскроутворення i збiльшує термін роботи генератора . Для ступiнчастого регулювання струму послiдовна обмотка секцiонована перестановкою перемикача на дошцi затискачів (рис.14.4).

Рис. 14.3. Конструкція перетворювача ПД-502У2

Рис. 14.4. Конструкція перетворювача ПД-502 У2

140

Роботу генератора можна розглядати за його принциповою електричною схемою (рис.14.5).

Рис. 14.5. Електрична схема перетворювача ПД-502 У2

Конденсатори С1-С3 являють собою фiльтр для зменшення перешкод радiоприйому. Пакетний перемикач QF служить для запуску двигуна М в роботу. На дошцi Х2 передбачено з“єднання обмоток двигуна в «зiрку» напругою 380 В.

141

Обмотка збудження генератора НО живиться вiд мережi через трансформатори Т2 i Т3 i випрямний мiст VD5-VD8. Для живлення пiдмагнiчувальних обмоток трансформаторiв Т2 i Т3 застосовується трансформатор Т1 та випрямний блок VD1-VD4. Плавне регулювання струму зварювання i напруги неробочого ходу виконується реостатом R1 обмотки збудження, який змонтований на виносному пультi дистанцiйного керування. Зі зменшенням R1 струм пiдмагнiчування в обмотках III збiльшується, вiдбувається насичення залiза магнiтопроводiв трансформаторiв і, вiдповiдно, знижується струм намагнiчування в незалежнiй обмотцi збудження генератора. При цьому зварювальний струм буде знижуватись.

Стабiлiзацiя зварювального струму при коливаннях напруги мережi досягається за рахунок iндуктивно-ємнiсного перетворювача, тобто перетворювача джерела напруги в джерело струму, яке зiбране за схемою трифазної зiрки. Для цього в фази увiмкнені ємнiсть С4, трансформатори Т2 i Т3 і iндуктивнiсть у виглядi дроселя

L. Таке з’єднання створює резонанс напруг мережi, внаслiдок чого струм в первинних обмотках трансформаторiв стабiлiзується. Крiм того, стабiлiзацiя струму досягається за рахунок зворотного зв’язку за напругою мережi, який вводиться в схему iндуктивно-ємнiсного перетворювача через пiдмагнiчувальні обмотки III трансформаторiв Т2 i Т3. При збiльшеннi напруги мережi струм в пiдмагнiчувальних обмотках трансформаторiв зростає, що перешкоджає збiльшенню струму намагнiчування незалежної обмотки.

Ступiнчасте регулювання зварювального струму здiйснюється за рахунок зміни числа витків послiдовної обмотки ПР, яка виконана з вiдводами. При вмиканнi навантаження на клему «125» в дiапазонi малих струмiв зварювальний струм обмежується баластовим реостатом R2. Перемикання послiдовної розмагнiчувальної обмотки та баластового реостата здiйснюється на дошцi затискачів ДЗГ, де показанi граничнi значення зварювального струму, якi складають 125, 300 i 500 А.

142

ЛЕКЦІЯ 15

4.2.1. Генератори з паралельною намагнiчувальною i послiдовною

розмагнiчувальною обмотками збудження

Конструктивнi особливостi та принципова електрична схема

Генератори входять до складу агрегатiв і перетворювачiв. Вони мають спадну зовнiшню характеристику i призначенi для ручного дугового зварювання, наплавлення, рiзання та частково для зварювання пiд флюсом.

На рис.4.1. показано будову магнiтної системи генератора з самозбудженням у виглядi чотирьох основних полюсiв iз звичайним чергуванням полярностi N-S- N-S i двох додаткових полюсiв пiвденної полярностi S-S для покращення комутацiї i зменшення iскроутворення.

Рис. 15.1. Конструкція генератора з самозбудженням

Намагнiчувальна обмотка НО розташована тiльки на основних полюсах полярностi N-N, а послiдовна розмагнiчувальна обмотка ПР - на полюсах S-S. Генератор має п’ять щiток, з яких двi з’єднанi щiтки «а» утворюють додатнiй, а двi щiтки «б» - вiд’ємний вихiд генератора. Мiж основними щiтками «а» i «б» є додаткова щiтка «с», яка використовується для живлення обмотки НО. Для полегшення розумiння принципу дiї джерела розглядається робота у виглядi

143

двополюсного генератора (рис.4.2 а). Він має паралельну намагнiчувальну обмотку НО на полюсi полярностi N i послiдовну розмагнiчувальну обмотку ПР на полюсi

S. Магнiтнi потоки обмоток НО i ПР у виглядi потокiв Ф_Н i Ф_Р направленi назустрiч, а потiк реакцiї якоря Ф_Я направлений за правилом “буравчика”. Додаткова щiтка “с” ніби дiлить якiр генератора на двi симетричнi частини, лiву «ас» i праву «сб». В полюсах непрацюючого генератора завжди існує залишковий магнетизм у виглядi потоку Ф_ЗАЛ. Пiсля запуску генератора у витках якiрної обмотки пiд дiєю Ф_ЗАЛ виникає залишкова ЕРС 3-5 В, яка i створює в намагнiчувальній обмотцi намагнiчувальний струм I_Н. В свою чергу I_Н викликає створення поступово наростаючого потоку намагнiчування Ф_Н. Процесс самозбудження закiнчується при повному насиченi полюсiв генератора. Для цього необхiдно, щоб потоки Ф_Н i Ф_ЗАЛ збігалися з напрямком обертання якоря генератора.ря

генератора.

Робота генератора i створення спадної зовнiшньої характеристики

Для аналiзу роботи в рiзних режимах розглядається взаємодiя магнiтних потокiв як в лiвiй, так i в правiй частинi генератора (рис.15.2.а).

Неробочий хiд.

Умови роботи генератора у даному режимi:

IН^.

^¹0, ^IД^{=0, тодi Ф}Н^{¹0, Ф}Р^{=0, Ф}Я^{ЕРС в лiвiй частинi генератора (рис. 4.2 б) визначається як:}

E ac 

C F Н

2

СI W Н Н

 , (15.1)

2 Rm

де С-постiйна генератора, яка дорiвнює

де р-число пар полюсiв;

n-число обертiв генератора в хвилину;

pn

Na ,

N-число активних проводiв обмотки якоря;

а-число пар параллельних гiлок якiрної обмотки;

IНWН^W_р- число виткiв послідовної розмагнічувальної обмотки;

Rm144

Рис. 15.2. Електромагнітна схема (а), електрична схема (б)генератора з самозбудженням і послідовною розмагнічувальною обмоткою

У правiй частинi генератора Е_сб=СФ_Н/2=СI_НW_Н/2R_m. Сумарна ЕРС генератора

Еаб^=0.

^{-струм в паралельнiй обмотцi збудження, А;}

^{- число виткiв паралельноi обмотки збудження;}

^{-магнiтний опiр на шляху проходження магнiтного потоку Фн.}

^=Еас^+Есб^=СФН^=СIН^WН^/Rm^=U20^де U₂₀-напруга неробочого ходу генератора, В.

(15.2)

Виходячи з виразу (15.2) видно, що регулювання U₂₀ можна проводити за рахунок змiни струму I_Н в паралельнiй обмотцi збудження.

Навантаження.

Умови роботи генератора в режимi навантаження:

IН^,

^{¹0, I}Д^{¹0,тодi Ф}Н^{¹0, Ф}Р^{¹0, Ф}Я^{ЕРС в лiвiй частинi генератора:}

Еас^¹0.

^=С(ФН^-ФР^-ФЯ^)/2=СIН^WН^/2Rm^-СIД^WР^/2Rm^-СIД^WЯ^/2RmЕРС в правiй частинi генератора

Есб^.

^=С(ФН^-ФР^+ФЯ^)/2=СIН^WН^/2Rm^-СIД^WР^/2Rm^+СIД^WЯ^/2Rm

^(15.3)

^(15.4)

^{При розрахунку генератора число виткiв розмагнiчувальної обмотки} W_Р i число

145

виткiв якiрної обмотки W_Я добирають таким чином, щоб магнiтнi потоки цих обмоток Ф_Р i Ф_Я компенсували один одного, тобто W_РªW_Я. Тодi сумарний магнiтний потiк на дiлянцi мiж щiтками «с-б» залишається таким, як i при неробочому ходi, i отже ЕРС Е_сб практично не змiнюється порiвняно з ЕРС в режимi неробочого ходу. При цьому забезпечується незалежнiсть збудження вiд струму навантаження.

Сумарна ЕРС на основних щiтках генератора буде рiвна

Еаб^.

^=Еас^+ЕсбЕаб^{, або}

^=СIН^WН^/Rm^-СIД^WР^/2Rm^-СIД^WЯ^/2Rm^=U20^-СIД^WР^/2Rm^-СIД^WЯ^/2Rm.

U_Г=Е_аб-I_ДR_А,

(15.5) (15.6)

де I_ДR_А - падіння напруги за рахунок активних опорiв генератора (провiдникiв

якоря, колекторно-щiточних пристроїв, з’єднувальних проводiв). Тодi

U_Г=U₂₀-СI_ДW_Р/2R_m-СI_ДW_Я/2R_m-І_ДR_А=U_Д. (15.7.)

З рiвняння (15.7) бачимо, що з ростом струму навантаження I_Д напруга генератора U_Г зменшується, що свiдчить про спадну зовнiшню характеристику. Спадна характеристика утворюється за рахунок розмагнiчувальної дiї магнiтних потокiв серiєсної (розмагнічувальної) i якiрної обмоток, а також частково за рахунок падiння напруги I_ДR_А генератора.

Iз спiввiдношення (15.7) за умови W_рªW_Я визначається струм навантаження:

I Д 

U 20 -U Д

( СW Р / R m )  R A

(15.8)

Плавне регулювання струму виконується за рахунок змiни напруги неробочого ходу генератора U₂₀, рівень якої в основному визначається величиною струму намагнiчування I_Н в паралельнiй обмотцi збудження за допомогою реостату R. Оскiлькi кратнiсть регулювання U₂₀ обмежена умовами надiйного самозбудження, то i кратнiсть плавної змiни зварювального струму I_{Д maх}/I_{Д min} невелика i складає приблизно 2,-2,5. Ступінчасте регулювання струму забезпечується за рахунок змiни числа виткiв послiдовної розмагнiчувальної обмотки W_Р. Якщо W_Р=100% - ступiнь малих струмiв, при W_Р=40% - ступiнь великих струмiв.

Коротке замикання

Виходячи з того, що вольт-амперна характеристика генератора спадна, то

U _Г  U _д ª 0 . Тому

146

I КЗ 

U 20

(15.9)

(СW_Р / R_m )  R _A

В режимi короткого замикання так само, як i в режимi навантаження плавне регулювання струму І_К.З.. здiйснюється змiною U₂₀ за допомогою реостату R за рахунок регулювання струму збудження I_Н. Ступінчасте регулювання струму І_К.З.. виконується шляхом змiни числа виткiв W_Р послiдовної обмотки.

Графiки зовнiшнiх характеристик генератора наведені на рис.4.4.

Рис. 15.3. Зовнішні характеристики генератора із самозбудженням

При невеликих значеннях струму навантаження сумарний магнiтний потiк Ф_Р i Ф_Я буде менше потоку Ф_Н. Тодi з рiвняння (15.3) Е_ас>0, отже ЕРС Е_аб мiж основними щiтками «а-б» буде більше 0. При визначенiй величинi зварювального струму настає момент, коли Ф_Р+Ф_Я стає рiвною (за абсолютною величиною) потоку Ф_Н. При цьому ЕРС на щiтках «а-с» спадає до нуля, а Е_аб=Е_сб (точка В, рис.15.4.). З подальшим ростом струму навантаження, коли Ф_Р+Ф_Я>Ф_н напруга на щiтках «а-с» змiнює свiй знак i Е_аб=Е_сб-Е_ас.

15.2. Конструкцiя зварювальних генераторiв, агрегатiв i перетворювачiв

Генератори із самозбуджуванням використовуються у складi зварювальних агрегатiв, перетворювачiв.

Розглянемо конструкцiю одного iз агрегатiв на прикладi АДД-303У1 (рис.15.4).

147

Рис. 15.4. Конструкція агрегата АДД-303 У1

Вiн складається з генератора-1 типу ГСО-300-12У2 i дизельного двигуна-5 типу Д-144-80, з’єднаних в єдиний блок за допомогою фланцевого з’єднання. Генератори та двигуни закрiпленi на металевiй рамi-7 на гумових амортизаторах. Генератор має двi пари основних N-S i пару додаткових полюсiв S. Паралельна намагнiчувальна обмотка НО розмiщена на N полюсах, а послiдовна розмагнiчувальна ПР - на полюсах S, завдяки чому зменшується взаємна iндуктивнiсть обмоток i значно покращуються динамiчнi властивостi генератора.

Агрегат має металевий кожух-3, паливний бак-2, який забезпечує безперервну роботу агрегату протягом 4,5 годин. Для нормальної роботи передбачена апаратура керування, контрольно-вимiрювальні прилади, якi розмiщенi на пультi керування-

4. Двигун чотирицiлiндровий з повiтряним охолодженням, з генератором, стартером i електричними датчиками. Двигун запускається за допомогою двох акумуляторних батарей-6.

За такою самою схемi працюють генератори в зварювальних перетворювачах для ручного дугового зварювання типу ПСО-300-5У2, ПСО-315-МУ2 i ПС - 500, який випускався ранiше.

148

ЛЕКЦІЯ 16

16.1. Призначення та особливостi IДЗ плавким електродом

При iмпульсно-дуговому зварюваннi плавким електродом здiйснюється кероване перенесення електродного металу, що дозволяє у 3-8 разiв пiдвищити продуктивнiсть працi, значно знизити зварювальнi напруження i деформацiї порiвняно із зварюванням неплавким електродом. Цей метод може застосовуватись для зварювання конструкцiй вiдповiдального призначення із рiзних марок сталей, алюмiнiєвих, нiкелiєвих сплавiв i титану товщиною 1 мм i бiльше при накладаннi швiв в усiх просторових положеннях.

При зварюваннi плавким електродом на краплю електродного металу дiють такi сили: (рис.16.1),

Рис. 16.1. Дія сил на краплю електродного металу при ІДЗ плавким

електродом

де F_ЕР - радіальна складова електродинамiчної сили F_ЕД; - F_ПН - сила поверхневого натягу;

- F_Р - реактивна сила;

- F_Т сила тяжiння;

- F_EO - осьова складова електродинамічної сили F_ЕД.

149

Електродинамiчна сила F_ЕД виникає в результатi радiального стиснення краплi електромагнiтним полем, її радiальна складова F_ЕР, пропорцiйна квадрату сили струму, намагається перетиснути шийку краплi, а осьова складова F_ЕО - вiдкинути краплю до зварювальної ванни. Сила поверхневого нагягу F_ПН викликана молекулярним зчепленням краплi з електродом i заважає її вiдокремленню так само, як i реактивна сила F_Р, що створюється в результатi реакцiї випаровування металу краплi. Сила тяжiння F_Т в залежностi вiд просторового положення зварювального шва може сприяти (нижнє положення) або заважати (стельове положення) вiдокремленню краплi. Вона проявляє свою дiю тiльки при великокрапельному перенесеннi металу, яке не знайшло практичного застосування через низьку стiйкость процесу зварювання i неякісне формування шва.

За характером горiння дуги розрiзняють зварювання при безперервному горiннi дуги i зварювання з перiодичними короткими замиканнями дугового промiжку. Зварювання з короткими замиканнями можливе як на великих, так i на малих струмах. В якостi захисного середовища може застосовуватись газ СО₂ або аргон. Однак перенесення металу в такому випадку характеризується значним розбризкуванням i несплавленнями, якi створюють умови для зародження трiщин. Тому зварювання з короткими замиканнями не застосовується для конструкцiй вiдповiдального призначення.

Iмпульсно-дугове зварювання плавким електродом застосовується в основному при безперервному горiннi дуги з використанням у якості захисного середовища аргона або аргоноокислювальних сумiшей. Застосування таких газiв обумовлено тим, що зварювання при безперервному горiннi дуги можливе за умови F_ЕД>F_Р. У середовищi вуглекислого газу IДЗ не застосовується.

При iмпульсному зварюваннi плавким електродом на базовий (постiйний) струм перiодично накладаються iмпульси струму з частотою в декiлька десяткiв герц, що призводить до зростання електродинамiчної сили i, вiдповiдно, до вiдокремлення краплi. Вiдбувається кероване перенесення електродного металу з частотою перенесення рiвною або кратною частотi iмпульсiв.

16.2. Вимоги до джерел для IДЗ плавким електродом

На рис.16.2 зображена крива струму при IДЗ плавким електродом з такими основними параметрами:

150

Рис. 16.2. Крива струму для зварювання плавким електродом

де I_Б - базовий (постiйний) струм з невеликим степенем пульсацiї;

_Ii ^{- iмпульсний струм (заштрихованi дiлянки), тобто імпульси струму середнє} значення яких перевищує базовий струм;

I_КР - критичний струм, тобто рiвень струму, нижче якого без накладання iмпульсiв перенесення металу стає великокрапельним;

I - зварювальний струм, який визначається як середнє значення струму I=I_Б+I_i;

IІM_ti ^{- тривалiсть iмпульсiв струму, мс;}

t - час перенесення, або промiжок часу, протягом якого струм або iмпульс струму бiльший I_КР, мс;

Т, f - відповідно перiод i частота проходження iмпульсiв.

Базовий струм I_Б обирається в залежностi вiд товщини виробу, положення шва у просторi і створюється джерелом постiйного струму. IДЗ плавким електродом здiйснюється в основному пристроями з незалежною швидкiстю подачi електродного дроту. При зварюваннi великих товщин оплавлення кiнця електродного дроту вiдбувається як при базовому, так i при iмпульсному струмi. Тому ВАХ за базовим та iмпульсним струмом повиннi бути жорсткими з нахилом 0,01-0,03 В/А, що сприяє саморегулюванню довжини дуги. При зварюваннi малих товщин базовий струм незначний i служить тiльки для пiдтримання горiння зварювальної дуги в промiжку мiж iмпульсами, а оплавлення електродного дроту i скидання краплi вiдбувається пiд час iмпульсу. Для запобiгання обривiв базового струму необхiдна його стабiлiзацiя шляхом застосування крутоспадних ВАХ базового струму з нахилом 0,5-1,5 В/А при збереженнi iмпульсних ВАХ жорсткими.

151

При зварюваннi на великих струмах основну частину становить базовий струм I_Б. Зі зниженням зварювального струму і швидкості подавання дроту розмiр крапель зменшується. При цьому зростає сила поверхневого натягу F_ПН, що ускладнює перенесення крапель електродного металу. Тому необхiдна енергiя iмпульсiв i, отже, значення iмпульсного струму суттєвих змiн не зазнають, i зниження зварювального струму вiдбувається в основному за рахунок зменшення базового струму. Якщо подальше зниження базового струму неможливе, переходять на меншу частоту iмпульсiв, що дозволяє зменшити iмпульсний струм I_i. Iмпульсний струм призначений для надiйного скидання краплi повинен перевищувати I_КР. При механiзованому зварюваннi дротом дiаметром 0,8-2,5 мм струм I_i складає вiд 300 до 1500 А.

Тривалiсть iмпульса t_і має регулюватись вiд 1 до 10 мс. Iмпульс повинен круто наростати зі швидкiстю до 2000 кА/с i мати бiльш плавне спадання. Це забезпечує вiдрив краплi на спадi iмпульса з невеликою швидкiстю її руху, що призводить до зменшення розбризкування.

Якщо дiаметр краплi перевищує дiаметр шийки, що з’єднує її з електродом, то з моменту, коли електродинамiчна сила F_ЕД, яка виникає пiд час iмпульсу, набуває переважного значення, крапля починає рухатись до зварювальної ванни. При цьому вона витягується в напрямку виробу, а дiаметр шийки зменшується. Зі зниженням струму iмпульсу з моменту, коли F_ЕД стає меншою за силу утримання F_У, що дорiвнює F_ПН+F_Р, швидкiсть перемiщення центру тяжiння краплi починає зменшуватись. Однак за рахунок нагромадженої кiнетичної енергiї крапля продовжує перемiщення в попередньому напрямку до моменту обриву шийки. Пiсля скидання крапля рухається з незмiнною швидкiстю через дуговий промiжок i потрапляє в зварювальну ванну. Такий режим перенесення вважається оптимальним.

У випадку перевищеної енергiї iмпульса крапля вiдокремлюється вiд електрода ранiше, нiж F_ЕД стане меншою за F_У. Тодi вона має дуже велику швидкiсть, що супроводжується сильним розбризкуванням. При заниженiй величинi А швидкiсть краплi знижується ранiше, нiж вiдбувається обрив шийки i крапля знову притягується до кiнця електрода.

Другим важливим параметром iмпульсiв є їхня частота f. Частота iмпульсiв (величина, зворотна перiоду проходження iмпульсiв f=1/Т) може складати 100, 50, 33 i 25 Гц. При незмiннiй швидкостi подачi електродного дроту маса крапель збiльшується пропорцiйно перiоду Т. Для отримання крапель однакового розмiру

152

необхiдно змiнювати частоту iмпульсiв пропорцiйно швидкостi подачi. Однак, при дрiбнокрапельному перенесеннi частота iмпульсiв мало впливає на формування шва, глибину i форму проплавлення. У достатньо широкому дiапазонi змiни зварювального струму її можна залишити незмiнною i застосовувати вiд двох до чотирьох ступенiв частоти.

16.3. Способи формування струму при IДЗ плавким електродом

Формування струму при iмпульсно-дуговому зварюваннi плавким електродом може здiйснюватись за рахунок iмпульсних приставок з ємнiсним нагромаджувачем енергiї, тиристорних джерел, джерел з транзисторним комутатором.

Найбiльш досконалими є приставки (генератори iмпульсiв) з тиристорним випрямним блоком типу ГИД або ГИ-ИДС, якi живлять дугу паралельно з основним джерелом живлення. При цьому способi дуга живиться базовим струмом

Iб ^{- амплiтуда iмпульсiв струму;}

^{вiд джерела постiйного струму, G а iмпульсами струму I}i

^{Рис. 16.3. Спрощена електрична схема (а) і осцилограма імпульсного струму}

^{(б) при використанні тиристорного блока}

^{Протягом одного пiвперiоду змiнного струму, iмпульсний струм проходить по колу} Т-VS1-дуга-VD2-T. Тиристор VS1 вiдкривається на спадi пiвхвилi, тому iмпульс має форму вiдрiзку синусоїди. При зменшеннi кута керування тиристором амплiтуда i тривалiсть iмпульса збiльшуються. При вмиканнi одного тиристора частота iмпульсiв складає 50 Гц, при почерговому вмиканнi двох тиристорiв - 100 Гц (рис.16.3 б). Перевагою цього способу є можливiсть використання достатньо простого генератора iмпульсiв з джерелами постiйного струму, що виробляються серійно. До недолiкiв можна вiднести комутацiю базового струму, тобто його зниження пiсля закiнчення iмпульса до неприпустимо малого значення, що часто призводить до обриву дуги.

153

Iнший спосiб формування струму полягає в шунтуванні згладжуючого дроселя (рис.16.4).

Рис. 16.4. Схема формування струму за допомогою тиристорного

регулятора при ІДЗ плавким електродом

Силова частина джерела живлення містить у своєму складі тиристорний регулятор UD, згладжуючий дросель L i тиристор VS, що формує iмпульси. Тиристорний регулятор складається з однофазного зварювального трансформатора i двопiвперiодного тиристорного випрямляча. Криву напруги U зображено на рис.16.5 у виглядi штрихової лiнiї. Середнє значення напруги визначається кутом a вмикання тиристорiв регулятора VS.

Рис. 16.5. Крива напруги, що сформована тиристорним регулятором

З моменту t₁ починається наростання зварювального струму, що згладжується дроселем L. В момент t₂ вмикається iмпульсний тиристор VS i напруга U у виглядi iмпульса накладається на дугу. Через VS протiкають два зустрiчних струми: прямий

154

струм iмпульса i зворотний струм, який запасено дроселем L. Поки прямий струм бiльший за зворотний, струм тиристора дорiвнює їхній рiзницi i VS вiдкритий. Зі зменшенням напруги U iмпульс струму знижується. Поки тиристор вiдкритий, струм дроселя (базовий струм) за час iмпульса практично не встигає змiнитися. У момент t₃, коли iмпульсний струм знижується до рiвня базового струму, VS закривається, iмпульс згасає i дуга живиться базовим струмом I_Б за рахунок енергiї, яку запасено дроселем. Таким чином, на дiлянцi t₁-t₂ I_Б наростає i одночасно дросель запасається енергiєю. В iнтервалi t₂-t₃ I_Б залишається незмiнним, енергiя L не витрачається. З моменту t₃ до моменту появи чергової дiлянки синусоїдної напруги на виходi тиристорного регулятора базовий струм знижується, i енергiя дроселя вiддається до зварювального кола. Таким чином, при змiнi кута керування тиристора VS вiдбувається перерозподiл значень базової та iмпульсної напруг (струмiв) при незмiннiй напрузi дуги. Розглянений спосiб формування струму реалiзований в випускаємих iмпульсних випрямлячах типу ВДГИ що випускаються серійно i має наступнi переваги:

- вiдсутня комутацiя базового струму, тому що дросель пiд час iмпульсу зашунтовано;

- значно зниженi масо-габаритнi показники, тому що джерело виготовлено в однокорпусному виконаннi;

- є можливiсть стабiлiзацiї базової напруги i змiни нахилу базових ВАХ завдяки наявностi тиристорного регулятора.