Наименование тем лекционных занятий

Наименование тем лекционных занятий

ВВЕДЕНИЕ.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ

Список литературы:

1. Браткова O.K. Источники питания сварочной дуги: Учебник. -М. Высшая школа. 1982, - 182с., ил.

2. Технология и оборудование сварки плавлением: Учебник/ Г.Д. Никифоров, Г. В. Бобров. В.М Никитин, В.В. Дьяченко; Под обшей редакцией Т.Д. Никифорова. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 320с.: ил.

3. Куликов В.П. Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки: Учеб. пособие / В.П. Куликов. – Мн.: Экоперспектива, 2003. – 415 с.

4. Милютин В. С., Шалимов М. П., Шанчуров С. М. Источники питания для сварки.- М.: Айрис-пресс, 2007.- 384 с.

5. Милютин В. С., Шалимов М. П., Шанчуров С. М. Оборудование сварки плавлением.- М.: Айрис-пресс, 2010.- с.

Назначение и основные типы источников.

Источник питания входит в состав любой установки для дуговой и электрошлаковой сварки, Он снабжает дугу или электрошлаковый процесс электрической энергией необходимых параметров. При дуговой сварке применяются токи от 1 до 3000 А при напряжении 40-141 В. Сварка может выполняться на постоянном и переменном токе, как при непрерывной, так и при импульсной подаче энергии. В зависимости от вида энергии и характера ее преобразования различают следующие типы источников питания.

Трансформатор понижает переменное напряжение сети до необходи­мого при сварке.

Выпрямитель преобразует энергию сетевого переменного тока в энер­гию постоянного сварочного тока.

Генератор преобразует механическую энергию вращения его вала в электрическую энергию постоянного тока.

Преобразователь является комбинацией трехфазного асинхронного двигателя переменного тока и сварочного генератора и, следовательно, преобразует сетевую энергию в используемую для сварки энергию посто­янного тока.

Агрегат состоит из двигателя внутреннего сгорания и генератора по­стоянного тока, в нем для получения сварочного тока используется хи­мическая энергия сгорания жидкого топлива.

Различают источники общепромышленного и специального назна­чения. К общепромышленным относятся источники для ручной сварки покрытыми электродами и механизированной сварки плавящимся элек­тродом в защитном газе и под флюсом, они предназначены в основном для сварки углеродистых и легированных сталей средней толщины. Специа­лизированные источники предназначены для обслуживания более сложных технологических процессов, связанных с изготовлением тонколи­стовых конструкций, а также изделий из высоколегированных сталей и цветных металлов. Некоторые из процессов, родственных дуговой свар­ке — наплавка, напыление, резка, а также электрошлаковая сварка — тоже нуждаются в специализированном источнике. Эти источники отли­чаются относительной сложностью, насыщены элементами автоматики, обладают высокими сварочными свойствами.

ТЕМА 1.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА ДЛЯ СВАРКИ

ТЕМА 2

ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Устойчивость горения дуги при сварке на переменном токе ниже, чем на постоянном. Действительно, при частоте переменного напряжения сети 50 Гц сварочный ток 100 раз в секунду снижается до нуля и меняет направление на обратное, причем после каждого такого обрыва дуга должна возбуждаться снова. Таким образом, при сварке на переменном токе источник должен обладать специфическим свойством — обеспечи­вать многократное повторное зажигание дуги.

Процесс повторного зажигания дуги при переходе тока через нуль рассмотрим по осциллограммам (рис. 2.1,а). В конце предыдущего полупериода с момента t₁напряжение трансформатора становится недоста­точным для питания дуги, в результате дуга угасает, а ток резко снижается. С момента угасания t₁температура межэлектродного промежутка Т_МЭ падает, а его сопротивление R_МЭ резко возрастает (рис. 2.1,6).

Рис.2.1. Типичные осциллограммы дуги переменного тока: а — свароч­ные ток iд и напряжение ид, б — температура Тмэ и сопротивление RMЭ межэлектрод-ного промежутка

После перехода тока через нуль в момент t₀ анод и катод меняются местами, т.е. направление тока изменяется на обратное. Дуговой разряд мгновенно в момент t₀ восстановиться не может, для этого мало напряжение источника. Небольшой преддуговой ток, существующий при этом, создается за счет остаточной плазмы межэлектродного промежутка (не более 0,1 мс после угасания дуги) и термоэлектронной эмиссии с не остывшего еще катода (в течение 1-10мс). Таким образом, электриче­ский разряд в переходном периоде t₁–t₂не является дуговым, поскольку не обеспечивает генерирования заряженных частиц в количестве, доста­точном для самостоятельного существования дуги. По мере нарастания напряжения источника растет и преддуговой ток, но скорость его увели­чения di_д/dt, вплоть до момента t₂, существенно ниже, чем скорость сни­жения в момент времени t₁. В переходном периоде идут два встречных процесса: с одной стороны, ионизация межэлектродного газа и его на­грев нарастающим током, с другой стороны, деионизация и охлаждение за счет теплоизлучения и теплоотвода в электрод и изделие. Рассмотрим три варианта развития процессов в зависимости от условий сварки.

При достаточно благоприятных условиях (большой объем и высокая степень ионизации остаточной плазмы, мощная термоэлектронная эмис­сия с горячих неплавящихся электродов) из двух процессов существенно преобладает ионизация, поэтому при достижении напряжением источ­ника величины U_д дуговой разряд легко восстанавливается. Менее благо­приятные условия повторного зажигания (рис. 2.1) наблюдаются в большинстве случаев сварки (покрытыми электродами, под флюсом и т.д.). Термоэлектронная эмиссия со сравнительно холодных плавящихся элек­тродов не обеспечивает необходимого количества заряженных частиц. Поэтому дуга возобновляется только в момент t₂ при достижении напря­жением источника довольно высокой величины напряжения повторного зажигания U₃, достаточной для развития автоэлектронной эмиссии. На­конец, в неблагоприятных условиях (малая мощность дуги, большая ее длина, обдув газовыми потоками) из двух процессов преобладает деионизация, при этом температура Т_мэмежэлектродного промежутка резко снижается, а его сопротивление R_MЭтакже резко возрастает, как показано пунктиром на рис. 2.1, б, и дуга обрывается.

После зажигания напряжение на дуге снижается от U₃ до прибли­зительно постоянной величины U_д и сохраняется на этом уровне до сле­дующего угасания в момент t₄. Ток после зажигания резко возрастает и далее меняется по кривой, близкой к синусоиде, достигая максимума в момент t₃. Оценивая осциллограммы (рис. 2.1,а) в целом, заметим, что кривые тока и напряжения дуги отличаются от синусоидальных. Как по­казано выше, это объясняется нелинейностью нагрузки, т. е. непостоянством активного сопротивления дуги, а также непостоянством характера разряда.

Рис. 2.2. Динамическая ха­рактеристика дуги перемен­ного тока

Динамическая вольт-амперная характеристика дуги и_д = f(i_д), от­ражающая связь мгновенных значений напряжения и тока при их быстром изменении, характерном для сварки на переменном токе частотой 50 Гц, показана на рис. 2.2. Ее можно построить по данным осциллограм­мы (рис. 2.1, а) или получить на осциллографе, подавая на горизонталь­ную развертку сигнал, пропорциональный току, а на вертикальную — напряжение дуги. Номера характерных точек на рис. 2.2 совпадают с ин­дексами точек осциллограммы (рис. 2.1,а). Здесь на участке 1-0 изобра­жен процесс угасания дуги в полупериоде обратной полярности, 0-2 — процесс зажигания в полупериоде прямой полярности, 2-3 — дуговой разряд при нарастании тока, 3-4 — дуговой разряд при спаде тока, 4-— угасание дуги и т. д.

На динамической характеристике легко фиксируются напряжение U₃ и ток I₃ повторного зажигания. Обращает на себя внимание большой пик напряжения зажигания обратной полярности U_3.ОБР. Дело в том, что в этот момент катодом является сравнительно холодная сварочная ванна с невысокой эмиссионной способностью. Заметно также, что максималь­ное значение тока в полупериоде прямой полярности выше, а напряжение ниже соответствующих величин для полупериода обратной полярности. Следовательно, дуга частично выпрямляет ток, наблюдается так называ­емый вентильный эффект. Динамическая характеристика на участке 2-3 нарастания тока проходит выше, чем на участке спада 3-4. Таким обра­зом, при частоте 50 Гц проявляется инерционность тепловых процессов в дуге. На участке 2-3 температура столба дуги ниже, чем на участке 3-4 (рис. 2.1, б), поэтому сопротивление дуги больше и напряжение дуги также выше.

Статическая вольт-амперная характеристика дуги переменного тока U_д = f(I_д) строится не для мгновенных, а для действующих, т. е. среднеквадратичных значений. По рис. 2.1,а

В эксперименте такая характеристика получается при использовании приборов электромагнитной системы — вольтметра и амперметра. Ха­рактеристика U_д = f(I_д) подобна той, что была ранее описана для дуги постоянного тока (рис. 2.2). Поэтому для обеспечения устойчивого про­цесса последовательно со вторичной обмоткой трансформатора должен быть включен элемент, формирующий падающую характеристику ис­точника — резистор, катушка индуктивности или конденсатор.

ТЕМА 3

СВАРОЧНЫЕ СВОЙСТВА ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ ДУГИ

Начальное зажигание дуги

Под начальным зажиганием дуги понимают процесс возбуждения ду­ги в начале сварки. От него нужно отличать повторное зажигание после случайных обрывов дуги, которое выполняется теми же способами, что и начальное, но происходит в более благоприятных условиях при уже разо­гретых электродах. Практическое применение при дуговой сварке нашли два способа начального зажигания: высоковольтным искровым разрядом и разрывом цепи короткого замыкания электрода на изделие.

Зажигание дуги высоковольтным разрядом иллюстрирует рис. 3.1. При этом параллельно основному источнику подключается вспомогательный высоковольтный источник малой мощности. По соображениям без­опасности он выполняется импульсным или высокочастотным (частота f > 100 кГц). Назначение высоковольтного источника — пробить искрой, т. е. ионизировать межэлектродный промежуток, по которому затем пой­дет сварочный ток.

Рис. 3.1. Схема процесса (а), осциллограммы напряжения (б) и то­ка (в) при зажигании дуги высоковольтным разрядом

Механизм высоковольтного пробоя газового промежутка можно пред­ставить следующим образом. Высоковольтный источник создает между электродами мощное электрическое поле напряжением в несколько ты­сяч вольт. При любой температуре в межэлектродном промежутке име­ется небольшое количество свободных электронов. Такой электрон раз­гоняется полем и при столкновении с нейтральными частицами ионизи­рует их. При этом образуется лавина электронов, быстро несущихся к аноду, и облако положительных ионов, медленно движущихся к катоду. Другие свободные электроны, а также электроны, образованные фотоио­низацией от возбужденных атомов, вызывают новые короткие лавины, вливающиеся в первую. В результате образуется стример — плазменный канал, состоящий из заряженных частиц. Головка стримера, состоящая из положительно заряженных ионов, постепенно прорастает по направле­нию к катоду, из которого в результате вырывается рой электронов. Рой многократно усиливает ионизацию в стримере и увеличивает его прово­димость. Происходит пробой газового промежутка, между электродами образуется ионизированный плазменный мостик, по которому начинает протекать ток от основного источника.

Под действием тока основного и вспомогательного источников проис­ходит разогрев электродов и развитие термоэлектронной эмиссии с като­да. Если ток и напряжение основного источника достаточны для суще­ствования самостоятельного дугового разряда, вспомогательный источ­ник отключают.

Зажигание дуги разрывом цепи короткого замыкания внешне вы­глядит довольно просто (рис. 3.2). При замыкании электрода на изделие сопротивление нагрузки составляет всего 0,01-0,2 Ом, поэтому ток корот­кого замыкания достигает сотен ампер. С начала короткого замыкания (т. 1) напряжение источника резко уменьшается до сравнительно низкой величины U_ИК = 2 – 5 В, включающей в себя падения напряжения в кон­такте, на вылете электрода и в проводах. Ток короткого замыкания бы­стро возрастает до установившегося значения I_к. Разрыв цепи короткого замыкания (т. 2) происходит через t_K = 0,01-1 с после начала процесса в результате отвода электрода или разрушения перемычек между электро­дом и изделием. Дело в том, что площадь таких перемычек сравнительно мала, поэтому плотность тока в них настолько велика, что наблюдается их мгновенное расплавление и даже испарение.

Рис. 3.2. Стадии процесса (а) и ос­циллограммы напряжения (б) и то­ка (в) при зажигании дуги разрывом цепи короткого замыкания

После разрыва цепи короткого замыкания (т.2) наступает стадия раз­вития дугового разряда. Напряжение источника скачком увеличивается до значения U_дн , равного сумме приэлектродных падений напряжения U_дн = U_кат + U_ан), а затем более плавно в течение времени t_дy = 0,05-0,2 с по мере отвода электрода достигает установившегося значения U_и = U_д , соответствующего начальной длине l_дн (т. 3). Ток после короткого за­мыкания резко снижается и достигает установившегося значения I_д. На стадии дугового разряда ток создается движением первичных носителей (электронов и ионов), возникших в результате разрыва цепи короткого за­мыкания. Источником первичных электронов может служить автоэлектронная эмиссия с катода. Установлено, что на ранней стадии разведения электродов при расстоянии между ними около 10^-9 мм даже относитель­но низкое напряжение источника обеспечивает высокую напряженность электрического поля около 10¹¹ В/мм, достаточную для вырывания элек­тронов из катода. Возможным источником первичных электронов явля­ется и термоэлектронная эмиссия с катода, поскольку при плавлении и испарении перемычки металл на поверхности электрода достигает тем­пературы 2000-6000 К. Наконец, пар металла, образовавшийся между электродами при такой температуре, достаточно электропроводен благо­даря частичной ионизации. При последующем увеличении числа носите­лей возникает самостоятельный дуговой разряд.

Оценим условия надежного зажигания. На первой стадии необходимо обеспечить энергичный разрыв цепи короткого замыкания. При недоста­точной плотности тока в электроде (менее 20 А/мм²) жидкие перемычки между электродом и изделием не взрываются, а, наоборот, застывают. «Примерзание» или «прилипание» электрода можно предотвратить его резким отводом или кратковременным изменением тока. Заметный эф­фект от увеличения тока, горячий пуск, наблюдается лишь при I_к ³ 1,5 I_д. Результат дает и прием противоположного смысла, холодный пуск, т. е. начальное снижение тока до 0,1-0,3 от установленного значения. В этом случае металл в перемычках вообще не плавится, и поэтому прилипания не наблюдается. Естественное превышение тока короткого замыкания над сварочным в несколько раз, наблюдающееся при механизированной сварки плавящимся электродом, также гарантирует отсутствие прилипа­ния.

На второй стадии важно, чтобы напряжение источника было доста­точным для питания дуги (U_и ³ U_д). У малоинерционных источников, таких как диодные выпрямители, восстановление U_и происходит прак­тически мгновенно. Поэтому для них справедливо соотношение, из которого следует, что для надежного зажигания следует увеличивать напряжение холостого хода источника U_х и снижать его сопротивле­ние Z_И. Длину дуги с этой же целью снижают. Действительно, при чрезмерном удлинении возникшая дуга может оборваться.

Проблема осложняется для источников с большой электромагнитной инерцией – тиристорных выпрямителей с обратными связями. У них восстановление ЭДС после короткого замыкания идет сравнительно медленно, что может привести к опасному провалу тока до I_dmin и даже обрыву дуги.

При субъективной оценке по ГОСТ 25616-83 у источников для ручной сварки покрытым электродом непосредственным критерием надежности начального зажигания принято считать количество попыток до первой успешной. Близким смыслом обладает критерий в виде доли успешных попыток. В качестве объективного критерия надежности начального за­жигания можно принять предельную начальную длину дуги. Это рас­стояние, до которого удается отвести электрод от детали при начальном зажигании без обрыва дуги. У большинства источников для ручной свар­ки покрытым электродом l_дн = (2 – 5)d_э она увеличивается с ростом на­пряжения холостого хода и установленного тока. При оценке источника по этому критерию следует иметь в виду, что l_дн зависит также от свойств электрода. Поэтому при испытании источника постоянного тока рекомен­дуется использовать электроды с основным покрытием, например марки УОНИ-13/55. Источники же переменного тока испытывают при сварке электродами с рутиловым покрытием, обеспечивающим более легкое за­жигание.

ТЕМА 4.

ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКАМ ПИТАНИЯ ДУГИ ОБЩЕПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Источник питания должен обеспечивать легкое и надежное возбуждение дуги, устойчивое ее горение в установившемся режиме, регулирование мощности (тока). Источник питания должен быть рассчитан на конкретные режимы работы, т. е. на определенную нагрузку и определенные условия эксплуатации (температуру, влажность, давление, пространственное положение сварного шва), при которых все его свойства проявляются оптимально.

Для возбуждения дуги в атмосфере воздуха даже при небольшом расстоянии между электродом и свариваемым изделием, измеряемом несколькими миллиметрами, требуется очень высокое напряжение, порядка тысяч вольт. Если газы в дуговом промежутке частично ионизи­ровать, то для возбуждения дуги требуется напряжение, близкое к напряжению стабильного горения дуги. При горении в атмо­сферных условиях это напряжение составляет 20—30 В. В момент возбуждения дуги кратковременным замыканием электрода на изделие или высокочастотным разрядом в дуговом промежутке появляются пары металла и ионизированный газ. При наличии напряжения, близкого к напряжению зажигания дуги, произойдет ее возбуждение (рис. 4.1). Время восстанов­ления напряжения t_В от короткого замыкания U_K до напряжения, равного напряжению возбуждения U_З, должно быть минимальным, не более 0,05 с.

Надежное возбуждение дуги связано также с оптимальной скоростью нарастания тока короткого замыкания в начальный момент до пикового I_пк , а затем до установившегося I_к значения. При больших скоростях нарастания тока короткого замыкания наблюдается взрывной характер оплавления электрода; при ма­лых скоростях затрудняется образование ионизированного про­межутка между электродом и свариваемым изделием.

Рис. 4.1. Характерные изменения на­пряжения и тока дуги при сварке пла­вящимся электродом (t_к — время ко­роткого замыкания; t_в — время воз­буждения; t_г — время устойчивого го­рения дуги)

Источник питания при определенных режимах работы должен удовлетворять двум группам требований: технологическим и технико-экономическим.

Технологические требования.Эти требования определяются техническими возможностями достижения технологических свойств, которые определяются, в свою очередь, статическими и динамическими свойствами источника питания и свойствами нелинейных участков — разрядного промежутка и ванны.

Прежде всего источник должен легко настраиваться на требуемый режим сварки. Для этой цели в источниках необходимы регулирующие устройства, позволяющие получать семейство внешних вольт-амперных характеристик (рис 4.2). Для некоторых способов сварки большое значение имеет возможность дистанционной настройки режима работы источника.

Совершенствование способов и технологии дуговой сварки предъявляет к источникам разнообразные и многочисленные требования. Например, источники питания для сварки вольфрамовым электродом целесообразно снабжать осцилляторами для зажигания дуги без применения короткого замыкания, устройствами для плавного регулируемого во времени нарастания тока при зажигании дуги и гашения ее при окончании автоматической сварки.

При выборе внешней вольт-амперной характеристики источ­ника прежде всего необходимо соблюдать условия устойчивого горения дуги. Однако даже при соблюдении этих условий стабильность горения дуги может быть повышена при выборе наиболее рациональной формы вольт-амперной характеристики источника, определяемой из рас­смотрения конкретных условий ведения процесса сварки.

Рис. 4.2 - Граничные падающие внешние вольт-амперные характеристики источника питания дуги

При дуговой сварке покрытыми электродами и вольфрамовым электродом часто происходит изменение длины дуги. При руч­ной сварке эти изменения связаны с выполнением швов в трудно­доступных местах и квалификацией сварщика. При сварке воль­фрамовым электродом удлинение дуги возможно за счет его оплав­ления.

Колебания длины дуги при названных способах сварки должны приводить к незначительным изменениям сварочного тока. В про­тивном случае будет наблюдаться существенная разница в геоме­трических размерах сварочной ванны и шва.

Сварку покрытыми электродами и вольфрамовым электродом выполняют на небольших плотностях тока. Статическая вольт-ам­перная характеристика дуги имеет падающую форму. Для горения дуги необходимы источники только с падающими вольт-амперными характеристи­ками. Наименьшее изменение тока обеспечивается при применении источников с крутопадающими вольтамперными характеристи­ками (рис. 4.3):

DI_1К<DI_1П ; DI_2К<DI_2П ,

где DI_К и DI_П— изменение тока соответственно при крутопа­дающей и пологопадающей вольт-амперной характеристике ис­точника.

Рис. 4.3 - Влияние крутизны паде­ния вольт-амперной характеристи­ки источника на изменение свароч­ного тока (l, l1, l2 — длины дуг; l2 < l, l1> l К-крутопадающая; П-пологопадающая

Рис. 4.4 - Зависимость изменения тока от колебаний длины дуги (сплошная линия — вольтамперная характеристика источника)

При механизированной свар­ке плавящимся электродом под флюсом {по флюсу) и в среде защитных газов требуется автома­тическое поддержание основных параметров дуги — тока и на­пряжения. Для этих целей ис­пользуют саморегулирование дуги. Оно заключается в изменении скорости плавления электродной проволоки при колебаниях длины дуги. Сущность процесса само­регулирования ясна из графи­ческой зависимости, приведенной на рис. 4.4. Длина дуги при свар­ке изменяется от l₁ до l₂. Ско­рость подачи электродной про­волоки постоянна.

В установившемся режиме (при l_д = l) скорость подачи проволоки равна скорости ее плавления. При уменьшении длины дуги (l_д = l₂ и l₂ <l) возрастает сварочный ток (I_{l 2} > I_l). Благодаря этому увеличивается скорость плавления элек­трода, и заданная длина дуги восстанавливается l₂ ® l. При увеличении длины дуги (l_д = l₁ и l₁ >l) будет наблю­даться обратный процесс. Произойдет уменьшение свароч­ного тока (I_{l 1} < I_l) и соответственно скорость плавления электрода. Длина дуги сократится l₁ ® l.

Саморегулирование дуги особенно эффективно при сварке на больших плотностях тока и протекает тем активнее, чем больше изменения тока при колебаниях длины дуги.

При механизированной и автоматической сварке порошковой проволокой, а также в среде защитных газов под флюсом тонкой проволокой статическая характеристика дуги возрастающая. Для питания дуги принципиально пригодны источники с падающими П, жесткими Ж и возрастающими В вольтамперными характеристиками. Однако наибольшее изме­нение сварочного тока при колебаниях длины дуги, необходи­мое для активизации процесса саморегулирования, будет на­блюдаться при выборе источника питания с возрастающими вольт-амперными характеристиками (рис. 4.5).

Рис. 4.5 – Влияние формы внешней характеристики источника на изме­нение тока при колебаниях длины дуги

DI_1В>DI_1Ж>DI_1П ; DI_2В>DI_2Ж>DI_2П,

На практике применяют главным образом источники питания с пологопадающими и жесткими вольтамперными характеристи­ками.

Статические свойства источника отражены в его внешней статической характеристике и ее соответствии вольт-амперной характеристике дуги, так как способность энергетической системы источник — дуга — ванна поддерживать устойчивое горение дуги и заданный режим зависит от видов и взаимного расположения этих характеристик.

О динамических свойствах источника можно судить по характеру и скорости протекания переходных процессов в системе источник—дуга — ванна, сопровождающихся резкими изменениями сварочного тока при ступенчатых изменениях проводимости разрядного промежутка, которые вызываются резкими переходами из одного установившегося режима в другой (например, при переходе от холостого хода к короткому замыканию при первоначальном возбуждении дуги). Кроме того, при сварке могут наблюдаться относительно небольшие колебания напряжения на дуге и тока дуги, вызываемые процессами в разрядном промежутке (изменением длины дуги, переносом капель расплавленного металла, перемещением активных пятен на поверхностях электрода и изделия, возникновением в столбе дуги потоков ионизированного газа, колебаниями напряжения сети, неравномерностью скорости подачи сварочной проволоки и т. д.).

Технико-экономические показатели.К этим показателям относятся коэффициент полезного действия (к.п.д.), коэффициент мощности (соs j), габаритные размеры, массы, показатели надежности, эргономические (размещение) и технологические показатели конструкции источников, соответствие правилам безопасности и т. п.

Коэффициент полезного действия характеризует потери энергии в самом источнике

h_И = N_Д 100/ N_C,

где N_Д – мощность дуги, N_C – мощность, потребляемая из сети.

Для различных источников питания дуги h_И находится в широких пределах и составляет 45 – 98%.

Коэффициент мощности и к.п.д.

Большие индуктивные сопротивления обмоток трансформаторов с усиленными магнитными полями рассеяния приводят к большим индуктивным падениям напряжения, низкому коэффициенту мощности и большо­му потреблению реактивной мощности из сети. Практически при нагрузках, близких к номинальным, коэффициент мощности cos j₁» 0,5¸0,55, а при холостом ходе cos j₁» 0,1¸0,12.

Для увеличения cos j₁ и компенсации реактивной мощности параллельно первичной обмотке в некоторых типах трансформаторов включают емкости в виде конденсаторных батарей, обеспечивающих cos j_{1 ³} 0,8. На рисунке 9 приведена зависимость cos j₁ от коэффициента нагрузки b:

I_2H=500А (6)

К.п.д. сварочного трансформатора:

(7)

где P_Д - мощность сварочной дуги, a P₁ = U₁ I₁ cos j₁ = S₁ cos j₁ — активная мощность, потребляемая трансформатором из сети. Произведение действующих значений первичного напряжения и первичного тока называют полной первичной мощностью трансформатора S₁ . Полная мощность измеряется в киловольт-амперах. Из выражения (7) следует, что

S₁=U₁I₁ (8)

Коэффициент с = h cos j₁ называют коэффициентом использования полной мощности трансформатора.

Выражение для к.п.д. (8) можно написать иначе если подставить вместо Р_Д и Р₁ их значения. Мощность сварочной дуги равна

P_Д = U_Д I₂ d_Д (9)

P₂ = U₂ I₂ d_Д

где dд = 0,85¸0,95 учитывает снижение активной мощности дуги из-за искажения форм кривых тока и напряжения на дуге по сравнению с синусоидой. Коэффициент dд тем меньше, чем сильнее ис­кажение. Активная мощность, потребляемая из сети:

P₁ = U₁ I₁ cos j₁ = P_Д + DP_ОБМ + DP_C + DP_ДОБ (10)

где DP_ОБМ = I₁² R₁ + I₂² R₂ — потери на нагрев обмоток; DP_C —потери на нагрев стали сердечника трансформатора от вихревых токов и от перемагничивания; DP_ДОБ — добавочные потери на нагрев кожуха и других конструктивных элементов трансформатора из-за вихревых токов, индуктируемых усиленными полями рассеяния. Эти по­тери составляют около 3% от Р_Д. С учетом сказанного выражение (7) примет вид

(11)

На рисунках 4.6, 4.7 приведены зависимости к.п.д. и cos j₁ от коэффициента нагрузки b. Наибольшее значение h имеет при b » 0,5. При некотором дальнейшем увеличении нагрузки h мало изменяется, а затем резко снижается.

Рис. 4.6 - Зависимость cos j1 трансформатора от коэффициента нагрузки

Рис. 4.7 - Зависимость к.п.д. трансформатора от коэффициента нагрузки

Режимы работы источников питания. Источник питания для дуговой сварки рассчитывается на определенную нагрузку, при которой он работает, не перегреваясь выше установленных норм, т. е. рассчитывается по нагреву на определенный режим работы, определяемый характером изменения нагрузки во времени P = f(t). Источник питания рассчитывается также на заданную величину напряжения, которая определяет класс применяемых изоляционных материалов.

Ток, напряжение, мощность и режим работы источника питания, на которые он рассчитан, называются номинальными(I_Н, U_H, P_H).

При эксплуатации источника питания происходит нагрев его обмоток, ферромагнитных сердечников и ряда конструктивных элементов (кожуха, стяжных болтов и т. д.). Под перегревом понимают превышение температуры Т источника питания над температурой окружающей среды:

Q = T - T₀,

где Q—температура перегрева; Т — температура источника питания; Т₀ — температура окружающей среды. После включения источника питания температура Т повышается и температура перегрева Q нарастает, пока не достигнет установившегося значения Q_у, при котором повышение температуры Т прекращается. При изменениях нагрузки происходит изменение Т и Q.

Различают три режима работы источников питания для дуговой сварки: продолжительный, перемежающийся и повторно-кратковременный.

Продолжительным режимом называется такой режим, при котором источник успевает за время работы нагреться до температуры Q_у (рис. 4.8).

Уравнение кривой нагрева T=f(t) для продолжительного режима работы

Величина подкасательной t_НАГР называется постоянной времени нагрева. Она характеризует скорость возрастания во времени температур Q и Т данного источника. За время t, равное t_НАГР, температура перегрева достигает 63% от Q_У.

Рис. 4.8. Характеристики продолжительного режима работы: а график изменения нагрузки источника питания во времени P = f(t);б —кривая нарастания температуры во времени T = f(t) для продолжительного режима работы.

Перемежающийся режим характерен тем, что время t_p работы (сварки) чередуется со временем перерывов работе t_n (пауз). На рис. 4.9, а дан график изменения нагрузки во времени при перемежающемся режиме работы.

Рис. 4.9. Характеристики перемежающегося и повторно-кратковременного режима работы: а – график изменения нагрузки во времени при перемежающем­ся режиме; б – кривая нарастания температуры при переме­жающемся режиме; в – график изменения нагрузки во време­ни при повторно-кратковременном режиме

При этом режиме за время работы t_p температура источника не успевает достигнуть значения установившейся температуры Т_у, а за время перерывов в работе t_n источник не успевает охладиться до температуры окружающей среды Т₀ (рис. 4.9, б). Время t_П соответствует режиму холостого хода источника. Процесс охлаждения, так же как и процесс нагрева, описывается экспоненциальной кривой. По истечении некоторого промежутка времени температура источника колеблется между некоторым максимальным значением Т₂ и минимальным Т₁. Среднее значение этих двух температур Т_доп обычно выбирается как расчетное. У реальных источников питания постоянная времени охлаждения несколько больше постоянной времени нагрева.

Перемежающийся режим для нагрузки циклического типа характеризуется относительной продолжительностью нагрузки за время цикла t_ц= t_Р + t_П .

Повторно-кратковременный режим отличается от перемежающегося тем, что источник питания, получающий энергию от силовой сети, во время пауз в работе отключается от сети (рис. 4.9, в) Повторно-кратковременный режим характеризуется продолжительностью включения:

Если величина ПН% (или ПВ%) отличается от номинальной приведенной в паспорте установки, то величину сварочного тока соответствующую другому значению ПН% (или ПВ%), можно найти, пользуясь формулой

При этом максимальная величина тока ограничивается расчетными данными установки.

ТЕМА 5.

ОДНОФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ. ПРИНЦИП РАБОТЫ, КОНСТРУКЦИЯ, СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ, ВНЕШНИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ТЕМА 6

ОДНОФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ Д