4. Источники питания для сварки.

Устойчивость горения дуги зависит от характеристик электрической цепи, в которую включена сварочная дуга. Напряжение на дуге зависит от состава атмосферы, в которой горит дуга, характеристик электродов и длины дуги. На рис. 4.1 приведена зависимость напряжения на дуге от ее длины, которая описывается уравнением U_д = а + bl, где а - сумма анодного и катодного падения напряжений в приэлектродных областях, В; b - градиент напряжения в столбе дуги, В/мм; l - длина дуги, мм. Величина а зависит главным образом от материала электродов, b - от состава атмосферы столба дуги.

Рис. 4.1. Зависимость напряжения на дуге от ее длины

Для поддержания постоянства напряжения на дуге, а значит, и ее длины, необходимо, чтобы скорость подачи электрода в зону сварки была бы равна скорости его плавления. Однако некоторые колебания длины дуги без ухудшения формирования шва возможны.

Источники питания дуги могут быть подразделены на 2 группы: источники питания переменным током (сварочные трансформаторы) и источники питания постоянным током (выпрямители и сварочные генераторы).

У

1. Сварочные транс форматоры. Для сварки на переменном токе применяются специальные сварочные трансформаторы. Такие трансформаторы могут изготавливаться как с отдельным дросселем, обеспечивающим создание падающей внешней характеристики, так и объединенным с дросселем (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Сварочные трансформаторы:

а–с отдельным дросселем, б–объединенный с дросселем; 1–первичная обмотка; 2–вторичная обмотка; 3–обмотка дросселя; 4–подвижный пакет, Ф_т–магнитный поток в трансформаторе, Ф_др–магнитный поток в дросселе, Э–электрод, И–изделие

Изменение сопротивления дросселя, а значит и силы сварочного тока осуществляется изменением величины воздушного зазора в цепи магнитопровода регулятора (дросселя).

Кроме сварочных трансформаторов с дросселями в настоящее время для сварки на переменном токе применяются трансформаторы с подвижной обмоткой и трансформаторы с магнитным шунтом; эти трансформаторы, как и вышеописанные, обеспечивают получение падающей внешней характеристики. Падающая внешняя характеристика источника питания необходима как для ограничения токов короткого замыкания, которыми всегда сопровождается процесс сварки до величины, обеспечивающей безопасность сварочного оборудования, так и для устойчивого горения дуги.

Устойчивый электрошлаковый процесс может быть получен при питании автомата от трансформатора с относительно небольшим сопротивлением короткого замыкания.

Для электрошлаковой сварки наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, приспособленные для работы в однофазном режиме при удвоенном номинальном сварочном токе.

Основна я особенность трансформаторов для электрошлаковой сварки - широкий диапазон ступенчатого регулирования вторичного напряжения, как правило, с использованием секционных обмоток.

Трансформаторы для электрошлаковой сварки производятся на сварочные токи до 3000 А включительно;

2. Выпрямители. Выпрямительные сварочные установки собираются из полупроводниковых элементов - вентилей. Полупроводниковый вентиль обладает свойством проводить ток только в одном направлении (прямом). В прямом направлении электропроводность вентиля очень высока, в обратном же направлении полупроводниковый вентиль практически не пропускает электрический ток, так как его проводимость крайне мала.

Сварочный выпрямитель состоит из двух основных узлов: трансформатора с соответствующим регулирующим устройством и блоком вентилей. В комплект могут также входить секционный дроссель, обеспечивающий улучшение динамических характеристик за счет замедления скорости нарастания тока короткого замыкания и тем самым улучшающий динамические характеристики для нормального переноса капель электродного металла в шов.

В сварочных выпрямителях используются преимущественно кремниевые и селеновые вентили, причем кремниевые нашли применение главным образом для выпрямителей с падающими внешними характеристиками,

Выпрямители могут быть однофазными (рис. 4.3, а) и трехфазными (рис. 4.3, б).

Рис. 4.3. Схемы выпрямителей:

а–однофазного двухполупеиодного, б–трехфазного: i=f(t)-вид кривой выпрямленного тока

В о днофазной мостовой схеме вентили включены в четыре плеча, образующие мост, сходный по схеме с измерительным мостом. В одну из диагоналей моста включаются нагрузка - сварочная дуга. Для улучшения формы кривой выпрямленного тока в схему включают, как минимум, две реактивные катушки L₁ и L₂.

В трехфазной мостовой схеме (рис. 4.3, б) вентили включены в шесть плечей моста; в трех плечах между собой соединены все катоды, образующие катодную группу, в остальных трех - все аноды (анодная группа). От общих точек этих соединений делаются выводы для подключения нагрузки.

В трехфазной мостовой схеме выпрямления в каждый момент времени проводят ток только два плеча, соединенные последовательно через нагрузку.

В мостовой трехфазной схеме выпрямляются обе полуволны во всех трех фазах, благодаря чему пульсация выпрямленного напряжения значительно уменьшается, а число их за период равно удвоенному числу фаз системы, т. е. шести пульсациям за период.

Как кремниевые, так и селеновые полупроводниковые вентили требуют интенсивного принудительного охлаждения, для чего их располагают на радиаторах, охлаждаемых потоком воздуха от вентилятора.

Наряду с однопостовыми сварочными выпрямителями изготавливают многопостовые (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Схема питания сварочных постов ручной дуговой сварки от многопостового выпрямителя:

СВ–сварочный выпрямитель, R–балластные раостаты, Э-электрод, И–изделие

3. Сварочные генераторы могут быть однопостовые (предназначенные для питания только одного сварочного поста) и многопостовые (для одновременного питания нескольких сварочных постов). Наибольшее распространение получили однопостовые сварочные генераторы.

Так как процесс сварки всегда сопровождается большим числом коротких замыканий (как при возбуждении дуги, так и в процессе переноса электродного металла в сварочную ванну), то сварочные генераторы должны иметь устройство, ограничивающее ток короткого замыкания безопасной для машины величиной. Наряду с этим сварочный генератор должен обладать такой динамической характеристикой, которая обеспечивала бы высокую стабильность горения дуги в этих условиях.

Для этого магнитный поток, создаваемый магнитной системой генератора, должен обеспечивать снижение напряжения при увеличении нагрузки, т. е. генератор должен иметь падающую внешнюю характеристику (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Падающая внешняя характеристика сварочного генератора

Рис. 4.6. Принципиальная схема сварочного генератора:

а–с независимым возбуждением и размагничивающей последовательной обмоткой, б–с намагничивающей параллельной и размагничивающей последовательной обмотками возбуждения; НО–немагничивающая обмотка; Ф_н–основной магнитный поток; Ф_р–размагничивающий магнитный поток; а,в–основные щетки; с–дополнительная щетка; ПР–размагничивающая последовательная обмотка;I_н–намагничивающий ток; Р–реостат для плавного регулирования режима; I_Д–сварочный ток

Для создания падающей внешней характеристики в однопостовых сварочных генераторах используют различные способы.

Так, в генераторах с независимым возбуждением (рис. 4.6, а) сварочный ток пропускается через размагничивающую обмотку, так как магнитный поток, создаваемый этой обмоткой, направлен навстречу основному потоку. Поэтому, чем больше ток, тем меньше результирующий поток, а значит и напряжение на клеммах генератора.

В сварочных генераторах с намагничивающей параллельной и размагничивающей

последовательной обмотками возбуждения магнитные потоки направлены навстречу друг другу (рис. 4.6, б). Поэтому и при работе этих генераторов с увеличением силы тока будет уменьшаться результирующий поток, а следовательно, будет снижаться напряжение на клеммах, т. е. внешняя характеристика их также будет падающей.

Существуют и другие способы создания падающей внешней характеристики сварочных генераторов, например, за счет взаимодействия магнитных потоков, создаваемых полюсами с различной степенью магнитного насыщения (так называемые генераторы с расщепленными полюсами), а также генераторы «поперечного поля», в которых для создания падающей внешней характеристики используется короткозамкнутая обмотка якоря.

Многопостовые сварочные генераторы обычно используют в крупных сварочных цехах со стационарными рабочими местами. Ток от многопостового генератора подводится к рабочим местам по шинам большого сечения, проложенным по цеху. На стационарных рабочих местах (сварочных постах) предусматриваются устройства, к которым подключаются балластные реостаты, обеспечивающие на рабочем месте падающие внешние характеристики при включении различных сопротивлений балластного реостата (рис. 4.7).

Для поддержания постоянства напряжения на клеммах генератора при увеличении нагрузки (жесткой внешней характеристики 1, рис. 4.7), кроме основной шунтовой обмотки ШО, предусмотрена действующая согласно с основной последовательная обмотка ПН, усиливающая магнитный поток при возрастании нагрузки (рис. 4.8).

Рис. 4.7. Внешняя харак теристика многопостового генератора (1) и характеристики системы питания проста для различных значений сопротивления балластного реостата (прямые 2–5):

Rδ2>Rδ3>Rδ4>Rδ5; Uд–напряжение на дуге для одного из возможных режимов сварки; Rδ–сопротивление балластного реостата; I_Д∙Rδ–падение напряжения в балластном реостате при сварке на этом режиме: I_к∙Rδ–падение напряжения в балластном реостате при коротком замыкании.

Рис. 4.8. Принципиальная электрическая схема многопостового сварочного генератора:

Ф_ш–магнитный поток, создаваемый параллельной обмоткой возбуждения ШО; Р–реостат; ПН–последовательная (подмагничивающая) обмотка; Ф_с–магнитный поток подмагничивающей обмотки