Принципиальная устойчивость системы «источник-дуга»

Дуговой разряд называется устойчивым, если он существует непре­рывно в течение длительного времени без обрывов и коротких замыка­ний. Поэтому в качестве непосредственного критерия для оценки устой­чивости можно принять частоту обрывов дуги или количество обрывов при полном расплавлении одного электрода. Устойчивость зависит как от технологических, так и электрических характеристик процесса.

Понятие принципиальной устойчивости поясним на основе анали­за электрических процессов в системе «источник—дуга» в случае малого возмущения по длине дуги D l_д = l_д2 – l_д1 (рис. 3.3). Рассмотрим процес­сы при сварке неплавящимся электродом от источника постоянного тока без обратных связей с индуктивностью L в цепи. Это облегчает анализ, поскольку при сварке неплавящимся электродом отсутствуют саморегу­лирование по плавлению электрода и капельный перенос. Будем также пренебрегать динамическими свойствами дуги и источника, что позволя­ет при анализе электрических процессов воспользоваться статическими характеристиками дуги U_д = f (I_д) и источника U _И = f(I_d) (рис. 3.4, а). Система «источник-дуга» равновесна в точках А и В пересечения харак­теристик. Действительно, в этих точках наблюдается равенство токов и напряжений дуги и источника, а следовательно, и равенство энергии, вы­деляемой источником и потребляемой дугой. Следует выяснить, устойчи­во ли это равновесие, например, в точке В.

При резком, но малом удлинении дуги D l_д (рис. 3.4, а) также скачком увеличится напряжение дуги в соответствии с уравнением:

а характеристика дуги сместится вверх на D U_д в положение U_{д 2} ⁼ f(I_d). В этот момент состояние дуги отражается точкой В ₁, а источника — по-прежнему точкой В, т. е. равновесие в системе нарушилось. Как видно, напряжение дуги U_{dB 1} для этого случая выше, чем напряжение источника U _{и B}. Увеличение напряжения дуги вызвано увеличением ее сопротивле­ния R_д, что должно привести к снижению сварочного тока I_д.

Рис. 3.3. Система «источник- дуга» при малом возмущении по длине дуги

 

Рис. 3.4. К оценке устойчивости при малом возму­щении по длине дуги: а — D l_д > 0; б — D l_д < 0

 

Пренебрегая динамическими свойствами дуги и источника, можно считать, что точка, соответствующая параметрам дуги, станет переме­щаться из положения B ₁в В ₂, а точка, соответствующая параметрам ис­точника, — из В в В ₂ (показано стрелками). В результате система в целом приходит в новое равновесное состояние в положении В ₂. Очевидно, что малое удлинение дуги D l_д > 0 привело лишь к малым отклонениям напря­жения D U_д и тока D I_д, не нарушив характера дугового разряда. Можно доказать, что укорочение дуги D l_д < 0 система отработает так же успешно (рис. 3.4, б). Все это позволяет считать, что система в точке В устойчива.

Подобным образом проанализируем процессы в точке А. После воз­мущения по длине дуги D l_д > 0 (рис. 3.4, а) состояние дуги будет отра­жаться точкой A ₁, а источника — по-прежнему точкой А. Поскольку и в этом случае U_{dА 1}> U _{и А} , то ток будет снижаться, и параметры дуги будут изменяться по ее характеристике от точки A₁ влево, а параметры источ­ника — по его характеристике от точки А влево. Но поскольку слева от точки А характеристики не пересекаются, то снижение тока будет прохо­дить до нуля, т. е. до обрыва дуги. С другой стороны, малое укорочение дуги D l_д < 0 (рис. 3.4, б) привело бы систему из точки А к длительному непрерывному движению с увеличением тока вплоть до прихода в равно­весие в точке В₂. Следовательно, система в точке А неустойчива.

Сформулируем понятие принципиальной устойчивости энергетиче­ской системы «источник питания - дуга».

Система «источник—дуга» принципиально устойчива, если в резуль­тате отработки малых возмущений она приходит в установившееся со­стояние, характеризующееся равенством подаваемой и потребляемой энергии и малыми отклонениями тока и напряжения от исходного со­стояния.

С помощью рис. 3.4 попытаемся выяснить причину наличия устой­чивости системы в точке В и отсутствия устойчивости в точке А. Очевидно, она заключается в том, что движение системы при отработке возмущения вблизи точки В всегда приводит ее в новое равновесное состояние В ₂, а вблизи точки А не приводит. А это в свою очередь объясняется тем, что в отличие от точки А наклон характеристики источника в точке В круче, чем у дуги. Как известно, наклон характеристик источника и дуги приня­то оценивать величиной дифференциальных сопротивлений r_и = dU_И/dI_д и r _д = dU_д/dI_д.

Нетрудно доказать, что устойчивость дуги обеспечивается только при выполнении не­равенства r _д > r_и. Поэтому в качестве косвенного критерия принципи­альной устойчивости системы принята разность дифференциальных со­противлений дуги и источника, и условие устойчивости имеет вид

 

k_у= r _д – r_и > 0,

 

где k_y — коэффициент (критерий) устойчивости.

Для повышения запаса устойчивости системы, т. е. для увеличения k_y, следует увеличивать дифференциальное сопротивление дуги r _д и уменьшать дифференциальное сопротивление источника r_и.

Система «источник—дуга» устойчива при малых возмущениях, если разность дифференциальных сопротивлений дуги и источника в точке пересечения их характеристик положительна.

Пример оценки принципиальной устойчивости приведен на рис. 3.5. Покажем, какие внешние характеристики должны иметь ис­точники для того, чтобы обеспечить принципиальную устойчивость при питании дуг с различным наклоном характеристик. При использовании дуги на падающем участке ее характеристики в точке В, где дифференци­альное сопротивление дуги отрицательно (r _д < 0), характеристика источника 1 должна быть еще более крутопадающей (r_и << 0) для получения положительного значения коэффициента устойчивости k_y.

Рис. 3.5. К выбору характеристики ис­точника в зависимости от характеристики дуги

 

При использовании дуги на жестком участке ее характеристики (r _д» 0) в точке С характеристика источника может быть и крутой 2, и пологой 3, но непременно падающей (r_и < 0).

Если дуга имеет возрастающую характеристику в точке D (r _д > 0), то для обеспечения устойчивости источник может иметь падающую 4 (r_и < 0), жесткую 5 (r_и = 0) и даже пологовозрастающую 6 (r_и > 0) ха­рактеристику, если r _д > r_и. Наибольшим запасом устойчивости в точке D обладает, естественно, система с источником, имеющим характеристику 4, поскольку при этом k_y максимальный.

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. И сточник 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