Снятие внешних характеристик сварочного трансформатора тд-300

Цель работы: ознакомиться с требованиями к источникам питания для электродуговой сварки; изучить принцип работы сварочного трансформатора и метод регулирования сварочного тока. Ознакомиться с вольт-амперной статической характеристикой дуги; снять внешние характеристики сварочного трансформатора, определить режим наибольшей устойчивости сварочной дуги и оптимальные параметры сварки.

Оснащение рабочего места

1. Плакаты со схемами сварочных трансформаторов.

2. Трансформатор-стенд.

3. Трансформатор ТД-300.

4. Жидкостный реостат.

5. Измерительные приборы: вольтметр, амперметр.

6. Штанга для короткого замыкания.

7. Резиновые коврики, перчатки.

Основные положения

Техническая характеристика сварного трансформатора ТД-300 (Т - трансформатор; Д – дуговой) «300» - максимальный из номинальных сварочный ток I_св.mах = 300 А (из номинальных, т.е. рекомендованных величин тока при продолжительности сварки ПР=60%). Таким образом, рекомендуются номинальные (рабочие) сварочные токи I_св ≤ 300 А.

ПР – повторно-кратковременный режим (отношение продолжительности рабочего периода (собственно сварки) к продолжительности цикла сварки. Продолжительность цикла сварки равна сумме времени сварки рабочего периода и холостого хода, когда оборудование подключено к сети, но сварка не ведётся.

ТД-300 служит для питания одного сварочного поста при ручной дуговой сварке, резке и наплавке металлов переменным током промышленной частоты (50 Гц).

Толщина свариваемых кромок - от 3 до 14 мм и более. Сварка производится электродами диаметром от 3 до 8 мм.

Максимальный рабочий сварочный ток	300 А
Пределы регулирования сварочного тока:
при диапазоне малых токов	60-160 А
при диапазоне больших токов	160-385 А
Номинальное первичное напряжение	380 В
Первичный ток	53,5 А
Вторичное напряжение (холостого хода):
при диапазоне малых токов	78 В
при диапазоне больших токов	60 В
Условное номинальное рабочее напряжение под нагрузкой
(при длине дуги 5 мм)	32 В
Потребляемая мощность	20,5 кВт

Сварочные трансформаторы просты по устройству и в эксплуатации, имеют более высокий КПД, чем генераторы постоянного тока, способны работать непосредственно от силовой сети переменного тока.

Основные требования к сварочным трансформаторам:

1) наличие падающей внешней характеристики;

2) обеспечение постоянных по величине тока и напряжения.

Внешней характеристикой любой электрической машины называется зависимость напряжения от силы тока на ее зажимах. Различают жесткие, падающие и возрастающие внешние характеристики (рис. 1).

При работе на жестких характеристиках по мере увеличения нагрузки во внешней цепи напряжение не изменяется (осветительная, силовая цепь). Во время коротких замыканий в такой сети сила тока достигает больших величин, что ведет к перегоранию предохранителей или загоранию проводов.

Возрастающие характеристикиприменяются при автоматической сварке. При ручной дуговой сварке используются аппараты только с падающими характеристиками, так как только они способны ограничить токи короткого замыкания, весьма часто возникающие в процессе сварки. Режим короткого замыкания имеет место в момент возбуждения дуги сварщиком путем касания электродом изделия, через каплю металла, накоротко замыкающую дуговой промежуток и т.д., то есть является равноправным с рабочим режимом.

Если бы у сварочных аппаратов не было падающих характеристик, то обмотки трансформаторов воспламенялись бы в случае отказа предохранителей.

Сварочные трансформаторы являются понижающими и так же, как обычные основаны на принципе магнитной индукции. Однако они отличаются от обычных трансформаторов тем, что для получения падающих характеристик в их вторичную, то есть сварочную цепь, включена катушка индуктивности - так называемый дроссель. Дроссель вырабатывает ЭДС самоиндукции, направленную противоположно наводимой ЭДС индукции со стороны первичной обмотки и взаимодействует с нею алгебраически. Чем больше ток в сварочной цепи, тем больше противо-ЭДС и тем меньше суммарное напряжение. При максимально возможном токе - токе короткого замыкания - суммарное напряжение равно нулю, а на оси «I» отсекается отрезок величины тока короткого замыкания I_кз.

При обрыве сварочной дуги противо - ЭДС становится равной нулю, и таким образом, в отсутствие тока в цепи напряжением снова станет равным ЭДС индукции, то есть напряжение холостого хода U_xx (отрезок на оси «U» - рис. 1).

Рисунок 1 - Внешние характеристики: 1 – жесткая; 2 – возрастающая; 3 – падающая

Для регулирования потока самоиндукции магнитопровод в дросселях делают разъемным с регулируемым воздушным зазором. Изменяя величину воздушного зазора, можно получить бесчисленное множество внешних характеристик трансформатора и столько же величин сварочного тока I_св, т.е. можно регулировать (менять или задавать) величину I_св.

Однако ТД-300 относится к группе трансформаторов с повышенным рассеянием магнитного потока, роль дросселя в которых выполняют подвижные катушки вторичной обмотки. При сближении первичной и вторичной обмоток достигается уменьшение индуктивности рассеяния, что приводит к уменьшению суммарного напряжения (противо-ЭДС рассеялось немного, и ее вычитание из основной ЭДС дает малое суммарное напряжение) и увеличению сварочного тока. Увеличением же расстояния между обмотками достигается увеличение рассеяния и уменьшение сварочного или настроечного тока. Поэтому такие трансформаторы называют трансформаторами с повышенным магнитным рассеянием. Таким образом, эти трансформаторы способны выработать бесчисленное множество внешних характеристик (рис. 2) и столько же величин сварочных токов.

Рисунок 2 - Внешние характеристики сварочного трансформатора для ручной дуговой сварки (а – крутопадающая; б – пологопадающая)

Упрощенная схема трансформатора с повышенным рассеянием магнитного потока представлена на рис. 3.

Рисунок 3 - Упрощенная схема сварочного трансформатора с повышенным рассеянием магнитного потока

Сварочный трансформатор состоит из следующих основных узлов: магнитопровода (1); первичной обмотки (2); вторичной обмотки (3).

Сварочная цепь 5 включает в себя вторичную обмотку, электрододержатель 4 и сварочный столик 6.

Через верхнее ярмо трансформатора пропущен ходовой винт 7, опирающийся на подпятник 8. Ходовой винт ввинчивается в ходовую гайку 9, вмонтированную в траверсу подвижной вторичной обмотки. При вращении ходового винта, осуществляемом с помощью рукоятки 10, находящейся сверху трансформатора, перемещается вторичная обмотка, и тем самым изменяется расстояние между обмотками (регулируется величина сварочного тока).

На рис. 3 показано параллельное соединение парных катушек в первичной и вторичной обмотках. При такой схеме подключения получают диапазон больших настроечных токов (160-365 А).

Если катушки соединить между собой (попарно) последовательно, то получится диапазон малых настроечных токов (60…160 А), который с успехом можно использовать при сварке тонких листов и т. п.

Диапазоны тока (на последовательное или параллельное соединение катушек) обеспечиваются переключателем барабанного типа, рукоятка которого выведена на крышку трансформатора (на рис. 3 не указана).

Проведение эксперимента

Источник питания и сварочная дуга представляют собой единую энергетическую систему. Это означает равенство токов и напряжения на дуге и зажимах трансформатора. Однако характер проводимости в этих участках единой цепи различен, поскольку дуга является проводником второго рода (с ионной проводимостью), а трансформатор - первого рода (с электронной проводимостью).

Важным различием их является то, что при повышении температуры проводника второго рода его проводимость увеличивается, а первого рода - снижается.

В электрических цепях наиболее сильное влияние на повышение температуры в в проводниках оказывает сила тока. Согласно закону Джоуля – Ленца, (калорий)

Q=0,24I²×Rt, (1)

где Q - количество тепла;

0,24 - тепловой эквивалент;

I- сила сварочного тока, А;

R - сопротивление, Ом;

t - время, с.

Квадратичная зависимость между током и тепловыделением показывает, что даже небольшие изменения силы сварочного тока могут вызвать резкие колебания скорости оплавления электрода, привести к неровностям наплавки и нарушению расчетного сечения сварного шва, т.е. к браку.

Сварочная дуга также имеет свою внешнюю характеристику, которую называют статической вольт-амперной характеристикой. Статической она называется потому, что справедлива только для одной ее длины. Если изменить длину дуги, то получится новая вольтамперная характеристика. Таким образом, и дуга может иметь бесчисленное множество характеристик (рис. 4).

Напряжение на дуге

U_д=a_ка+blg, (2)

где a_ка - сумма напряжений в катодной и анодной областях (a_ка=10 В);

b - падение напряжения в столбе дуги (b = 2 В/1 мм дуги);

lg - длина дуги, мм, lg = 2...5...8.

На рис. 4 видно, что при ручной дуговой сварке, характеризующейся применением токов в диапазоне 80...1000 А, напряжение не зависит от силы тока. Однако оно сильно зависит от длины дуги (по вертикали, т. е. от ее сопротивления).

Рабочие режимы сварки при данной длине дуги и данном настроечном токе определяют путем наложения вольт-амперной характеристики дуги на внешнюю характеристику источника питания и нахождения точек их пересечения (рис. 5, точки 1 и 2).

Предположим, что при одном и том же настроечном токе трансформатора, которому соответствует внешняя характеристика на рис. 5, длина дуги изменяется на 5 мм, что соответствует изменению напряжения дуги на 10 В. Поскольку сварка на режимах точек 1 и 1` никогда не ведется из-за слишком малых токов и неустойчивого состояния дуг, необходимо определить какое изменение тока в сварочной цепи получится при уменьшении длины дуги на 5 мм при переходе от режима точки 2 (I<sub>2</sub>; U<sub>2</sub>) к режиму точки 2` (I₂`; U<sub>2</sub><sup>`</sup>). Разность DI и составит искомую величину разбаланса тока в сварочной цепи.

Рисунок 4 - Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги (l – длина дуги; l₁> l₂> l₃)

Задание студенту

В задачу настоящего исследования входит определение разбалансов тока (DI₁, DI₂, DI₃) при трех настроечных режимах: I₁=110 А; I₂=200 А; I₃=300 А и при изменении длины дуги на одну и ту же величину 5 мм (эквивалентных изменению напряжения в ней на 10 В). Необходимо изучить влияние настроечных режимов трансформатора ТД – 300 и электрических свойств дуги на устойчивость ее горения, разбаланс токовой нагрузки и тепловыделение в дуге, а также качество шва и производительность сварки.

Для этого необходимо:

1. при каждом настроечном режиме замерить с помощью вольтметра напряжение холостого хода U_хх и записать в журнал для лабораторных работ;

2. с помощью жидкостного реостата задать в сварочную цепь токи в 50 А, 100 А и т.д. и записать соответствующие им рабочие напряжения;

3. извлечь пластины из электролита и с помощью хорошо изолированной медной проволоки произвести короткое замыкание в сварочной цепи. Зафиксировать величины токов короткого замыкания;

4. по полученным данным построить три внешние характеристики трансформатора;

5. произвести графический анализ полученных кривых.

Рисунок 5 - Наложение вольтамперной характеристики дуги на внешнюю характеристику источника питания (рабочие режимы: 1 - 2; 1` - 2`)

Для этого:

1. Нанести на плоскость графика условную вольт-амперную характеристику, соответствующую длине дуги 3 мм, на уровне 16 В (U₁=a_к.а+bl = 10+2×3 = 16 В).

Отметить точки ее пересечения с внешними характеристиками (точки 2).

2. Нанести вторую вольт-амперную характеристику на уровне 26 В:

(U₂=a_к.а+bl = 10+2×8 = 26 В) в предположении, что длина дуги будет колебаться от 3 до 8 мм, и так же четко отметить точки пересечения с внешними характеристиками (точки 2).

3. Спроецировать точки пересечения первой внешней характеристики с двумя вольт-амперными характеристиками дуг на ось и четко выделить на ней полученный отрезок DI₁ (можно попытаться определить его в амперах).

4. Проделать то же со второй и третьей внешними характеристиками и определить отрезки DI₂ и DI₃.

5. Сопоставить величины отрезков в математической форме.

Очевидно, что DI₁<DI₂ <DI₃. Записать это неравенство рядом с графиком, поскольку его установление было основной целью эксперимента и анализа данных.

6. На основании полученного неравенства и графических построений сделать выводы о том, какие настроечные режимы трансформатора способствуют наибольшей устойчивости токов в сварочной цепи при одинаковом разбалансе длин дуг, на разных настроечных токах, а также получению ровных наплавок и высококачественных швов (крутопадающие - мягкие или пологопадающие - жесткие).

7. В выводах необходимо отразить, к каким последствиям может привести нарушение технологии сварки в случае завышения настроечных токов против оптимально расчетного I_р=d_э×50 и в случае его занижения.

В формуле «50» - количество ампер, приходящееся на 1 мм диаметра стального стержня электрода d_э.

Сделав выводы, следует еще раз прочитать «Цель работы» (см. начало текста) и убедиться в ее достижении и соответствии выводов.

В конце занятия состоится программированный контроль знаний по проработанной теме.

U, B

50 100 150 200 250 300 350 J, A

Рисунок 6 - График зависимости напряжения от силы тока в сварочной цепи

Содержание письменного отчета

1. Записать паспортную техническую характеристику ТД-300.
2. Привести упрощенную электрическую схему ТД-300.
3. Внести в таблицу значения рабочих напряжений и токов при каждом из указанных режимов.
4. По полученным данным построить три внешние характеристики (3-х режимах: I₁=100 А; I₂ = 200 A; I₃ = 300 A) и выполнить их графический анализ путем наложения на них двух условных вольт-амперных характеристик (при колебании руки сварщика и разной длине дуги).
5. Сделать выводы.
6. Ответить на контрольные вопросы.

Таблица 1 – Результаты эксперимента

Режим работы	Iн=100 А	Iн=200 А	Iн=300 А
I, А	U, В	I, А	U, В	I, А	U, В
Холостой ход
Рабочие режимы
Короткое замыкание

Контрольные вопросы

1. Какие параметры указываются в технической характеристике сварочного трансформатора?
2. Устройство, работа, особенности сварочных трансформаторов.
3. Что такое номинальный сварочный ток?
4. Дать определение повторно-кратковременного режима работы. ПР=60%?
5. Что такое внешняя вольт-амперная характеристика сварочного трансформатора?
6. Изобразить график зависимости напряжения от силы тока в сварочной цепи.
7. Перечислить основные требования, предъявляемые к источникам питания сварочной дуги.
8. Что такое напряжение холостого хода сварочного трансформатора, какова должна быть его величина и почему?
9. Для чего делается заземление электрических установок?
10. Как влияет величина настроечного тока на качество сварочного шва?

Литература

1. Кнорозов Б. В. Технология металлов и материаловедение. М.: Металлургия, 1987, с. 524.

2. Дальский А. М. Технология конструкционных материалов. М.: Машиностроение, 1985, с. 187.

3. Солнцев Ю. П. Металловедение и технология металлов. М.: Металлургия, 1988, с. 388.

Лабораторная работа № 14