Источники питания сварочной дуги
Важным условием получения сварочного шва высокого качества является устойчивость процесса сварки. Для этого источник питания должен обеспечивать лёгкое и надёжное возбуждение дуги, устойчивое её горение в установившемся режиме, регулирование мощности (тока).
Для возбуждения дуги в атмосфере воздуха даже при небольшом расстоянии между электродом и свариваемым изделием, измеряемым несколькими миллиметрами, требуется очень высокое напряжение. Поэтому напряжение холостого хода источника питания должно быть достаточным для возбуждения дуги и в то же время не должно превышать нормы безопасности. Максимально допустимое напряжение холостого хода установлено для источников постоянного тока - 90 В, а для источников переменного тока - 80 В.
Источник питания должен обеспечивать быстрое установление или изменение напряжения в зависимости от длины дуги. Время восстановления рабочего напряжения от 0 до 30 В после каждого короткого замыкания должно быть не более 0,05 с.
Источник тока должен выдерживать частые короткие замыкания сварочной цепи, при этом ток короткого замыкания не должен превышать сварочный ток более чем на 40…50 %.
Для стабильного горения дуги требуется равенство тока и напряжения дуги току и напряжению источника питания:
Iд=Iп; Uд=Uп.
Для этого необходимо соответствие внешней вольт-амперной характеристики источника и статической вольт-амперной характеристики дуги.
Внешней характеристикой источника называется зависимость напряжения на его выходных клеммах от тока в электрической цепи. Внешние характеристики могут быть следующих основных видов: падающая - 1, пологопадающая - 2, жёсткая - 3 и возрастающая - 4 (рис. 3.4,а).
Рис.3.4. Внешние характеристики источников сварочного тока (а)
и соотношение характеристик дуги и падающей характеристики
тока при сварке (б)
Для питания дуги с жёсткой характеристикой применяют источники питания с падающей или пологоподающей внешней характеристикой (ручная дуговая сварка покрытыми электродами, автоматическая под флюсом, сварка в защитных газах неплавящимся электродом). Режим горения дуги определяется точкой пересечения характеристик дуги 6 и источника тока 1 (рис. 3.4,б). Точка С соответствует режиму устойчивого горения дуги, точка А - режиму холостого хода в работе источника питания в период, когда дуга не горит и сварочная цепь разомкнута. Режим холостого хода характеризуется повышенным напряжением. Точка D соответствует режиму короткого замыкания при зажигании дуги и её замыкании каплями жидкого электродного металла. Короткое замыкание характеризуется низким напряжением, стремящимся к нулю, и повышенным, но ограниченным током.
Источники сварочного тока с падающей характеристикой необходимы для облегчения зажигания дуги за счёт повышенного напряжения холостого хода, обеспечения устойчивого горения дуги и практически постоянной проплавляющей способности дуги, так как колебания её длины и напряжения (особенно значительные при ручной сварке) не приводят к значительным изменениям сварочного тока, а также для ограничения тока короткого замыкания, чтобы не допустить перегрева токопроводящих проводов и источников тока. Наилучшим образом приведённым требованиям удовлетворяет источник тока с идеализированной внешней характеристикой 5 (рис. 3.4)
Для обеспечения устойчивости горения дуги с возрастающей характеристикой применяют источники сварочного тока с жёсткой или возрастающей характеристикой (сварка в защитных газах плавящимся электродом и автоматическая под флюсом током повышенной плотности).
Для питания сварочной дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и источники постоянного тока (сварочные выпрямители и преобразователи).
Рис.3.5. Сварочный трансформатор: а - внешний вид;
б - схема регулирования сварочного тока; в - электрическая схема.
Сварочный трансформатор (рис.3.5) состоит из корпуса 1, внутри которого укреплён замкнутый магнитопровод 4 (сердечник), собранный из отдельных пластин, отштампованных из тонкой (0,5 мм) листовой электротехнической стали. На боковых стержнях магнитопровода расположены катушки первичной 12 и вторичной 11 обмоток трансформатора. Катушки первичной обмотки укреплены неподвижно и включаются в сеть переменного тока. Катушки вторичной обмотки подвижны и от них сварочный ток подаётся на электрод и изделие. Провода сварочной цепи присоединяются к зажимам 2. Сварочный ток плавно регулируется изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. Для этой цели служит вертикальный винт 9 с ленточной резьбой, который оканчивается рукояткой 5. При вращении рукоятки по часовой стрелке вторичная обмотка приближается к первичной, магнитная связь между ними увеличивается. И сварочный ток растёт. Для установления необходимого сварочного тока на крышке 8 корпуса трансформатора расположена шкала 7.
Рис.3.6. Сварочный выпрямитель: а - внешний вид;
б - схема регулирования сварочного тока.
Сварочный выпрямитель (рис. 3.6) состоит из понижающего трехфазного трансформатора с подвижными катушками, выпрямительного блока с вентилятором, пускорегулирующей и защитной аппаратуры, смонтированных в кожухе.
Понижающий трехфазный трансформатор снижает напряжение сети до необходимого рабочего, а также служит для регулирования сварочного тока путем изменения расстояния между первичной 10 и вторичной 7 обмотками. Катушки вторичной обмотки неподвижны и закреплены у верхнего ярма. Катушки первичной обмотки подвижны. Сердечник 8 трансформатора собран из пластин электротехнической стали. Внутри сердечника проходит ходовой винт 9 с закрепленным внизу подпятником. В верхнюю планку крепления первичной обмотки запрессована ходовая гайка. При вращении рукоятки 4 ходового винта вертикально перемещается ходовая гайка, а следовательно, и катушки первичной обмотки.
Выпрямительные блоки 6 собраны по трехфазной мостовой схеме. Для охлаждения выпрямительных блоков служит вентилятор 1, приводимый во вращение от асинхронного электродвигателя 2. Охлаждающий воздух, засасывается внутрь кожуха, проходит через блок, омывает трансформатор и выбрасывается с другой стороны.
Сварочный преобразователь (рис. 3.7) представляет собой машину, служащую для преобразования переменного тока в постоянный сварочный ток; он состоит из сварочного генератора постоянного тока и приводного трехфазного асинхронного электродвигателя 8, сидящих на одном валу и смонтированных в общем корпусе. Сварочный генератор состоит из корпуса 11 с укрепленными на нем магнитными полюсами 10 и приводимого во вращение якоря 12. Тело якоря набрано из отдельных лакированных пластин электротехнической стали. В продольных пазах его уложены витки обмотки. Рядом с якорем находится коллектор, состоящий из большого числа изолированных друг от друга медных пластинок 1, к которым припаяны начала и концы каждой группы витков якоря. Магнитное поле внутри генератора создается магнитными полюсами обмоток возбуждения, которые питаются постоянным током от щеток 2 самого генератора. В распределительном устройстве 4 размещены пакетный выключатель, регулировочный реостат 3, вольтметр 6, доски зажимов 5 высокого и низкого напряжения и другая аппаратура. При включении электродвигателя якорь начинает вращаться в магнитном поле и в витках его возникает переменный ток, который с помощью коллектора преобразуется в постоянный.
К коллектору прижимаются угольные щетки 2, с помощью которых постоянный ток снимается с коллектора и подводится к зажимам 5 ("+" и " - "). К этим же зажимам присоединяют сварочные провода, подводящие сварочный ток к электроду и изделию. Для охлаждения преобразователя во время работы на валу его имеется вентилятор 7.
Рис.3.7. Сварочный преобразователь
Наиболее широкое применение находит источник переменного тока благодаря простоте конструкции, меньшему расходу электроэнергии, высокому КПД и другим экономическим показателям.
Однако в некоторых случаях (сварка на малых токах покрытыми электродами и под флюсом) при питании переменным током дуга горит неустойчиво.
Постоянный ток предпочтителен в технологическом назначении, поэтому некоторые сорта легированной стали лучше сваривать постоянным током. При его применении повышается устойчивость горения дуги, улучшаются условия сварки в различных пространственных положениях, появляется возможность вести сварку на прямой и обратной полярностях и т.д.
Рис.3.8. Invertec-T - сварочный источник постоянного тока,
предназначенный для аргонодуговой сварки неплавящимся
электродом и ручной дуговой сварки штучными электродами.
В последние годы получили достаточно широкое распространение инверторные источники питания (рис.3.8) для сварки (ИИП). Небольшие размеры и масса, малая инерционность, улучшенные динамические свойства ИИП выгодно отличают их от традиционных технических решений. Источники питания на основе высокочастотных инверторных преобразователей применяют для дуговой сварки плавящимися и неплавящимися электродами, ультразвуковой и микроплазменной сварки, контактной сварки металла малых и средних толщин. Можно предположить, что в недалеком будущем на основе инверторов будут созданы также мощные ИИП для электрошлаковой сварки и сварки под флюсом.
Инвертор как составная часть ИИП представляет собой устройство, преобразующее постоянный ток в переменный. Он состоит из коммутирующих элементов, которые включены между источником постоянного напряжения и нагрузкой. Коммутация в силовом контуре инвертора производится циклически таким образом, что к нагрузке прикладывается знакопеременное напряжение. В результате через нагрузку течет переменный ток. Коммутация тока осуществляется с помощью полупроводниковых приборов, работающих поочередно в открытом или закрытом состоянии по заданному алгоритму.
Инверторный источник сварочного тока работает следующим образом. Напряжение однофазной или трехфазной сети промышленной частоты преобразуется входным выпрямителем в постоянное напряжение. Это напряжение в свою очередь преобразуется с помощью инвертора в переменное напряжение повышенной частоты (до десятков килогерц), которое затем поступает на понижающий высокочастотный трансформатор. Вторичная обмотка трансформатора нагружена на диодный выпрямитель, к выходу которого через сглаживающий дроссель подключены электрод и изделие.
Питание трансформатора напряжением высокой частоты позволяет существенно снизить массу и объем материалов, идущих на изготовление трансформатора. Так, при частоте питающего напряжения 10 кГц масса трансформатора и его габаритные размеры уменьшаются по сравнению с частотой 50 Гц примерно в 3 раза, а при частоте 50 кГц уже в 15 - 17 раз. Например, расчетная масса трансформатора мощностью 20 кВА при питании напряжением частотой 50 Гц составляет 120 кг, а при 50 кГц - 7 кг. Такое уменьшение массы активных материалов обуславливает существенное (в 25 раз) снижение потерь мощности, а значит, рост КПД источника питания. Росту КПД способствуют также малые коммутационные потери в ключевых элементах, в качестве которых для сварочных инверторов используют достаточно мощные тиристоры или транзисторы.
В первых образцах ИИП для дуговой сварки, которые появились в начале 80-х годов, были использованы инверторы на тиристорах. Основным недостатком тиристорных инверторов является сравнительно невысокая частота преобразования, которая зависит от времени выключения тиристоров. Современные быстродействующие тиристоры с минимальным временем выключения 20 мкс позволяют получить предельную частоту всего лишь 5 кГц. Инвертирование на более высокой частоте невозможно из-за вероятности возникновения аварийного режима, который называется опрокидыванием инвертора (короткое замыкание на выходе сетевого выпрямителя). Поэтому сейчас на ведущих мировых фирмах, выпускающих сварочные источники питания, отдают предпочтение более быстродействующим транзисторным инверторам.