Источники питания для сварки

 

Методические указания к лабораторной (практической) работе №5

«Изучение конструкции и принципа работы

сварочного трансформатора типа ТД» для студентов специальностей 15.03.01 и всех форм обучения

Нижний Новгород

Г.

Составитель Р.И. Шевелев, И. К. Козлов

УДК 621.751.

Источники питания для сварки: метод указания к лабораторной работе по общему курсу сварки для студентов всех форм обучения /НГТУ; сост.: И.К.Козлов Н. Новгород, 2014. 12 с.

 

 

Даны основные сведения об источниках питания для сварки, устройство и принцип работы трансформатора типа ТД-500 для ручной сварки.

 

 

 

Нижегородский государственный технический университет.

Типография НГТУ. 603950, Н.Новгород, ул. Минина, 24.

 

 

                                                 © Нижегородский государственный

                                                     технический университет, 2014

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить конструкцию и принцип работы источников питания для дуговой сварки. Снять внешнюю характеристику трансформатора ТД-5ОО.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1. Основные требования к источникам питания дуги

Сварочная дуга как потребитель энергии и источник питания образуют взаимосвязанную энергетическую систему. Дуга представляет собой мощный, длительно существующий электрический разряд, происходящий в атмосфере газов и паров металла между электродом и изделием или между двумя электродами, находящимися под напряжением. Электрическая дуга характеризуется большим сварочным током и высокой температурой столба дуги                   (5500 - 7500 °С). Вольтамперная характеристика (ВАХ) дуги (зависимость между напряжением и током) представлена на рис. 1.

1

2

3

I св, А

U д, В

0

 

 

Рис. 1. Статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) сварочной дуги

 

Сварка производится на постоянном и переменном токе. Источниками питания для сварки на переменном токе являются сварочные трансформаторы, на постоянном - сварочные выпрямители и сварочные преобразователи и агрегаты.

К источнику питания для дуговой сварки предъявляются следующие требования.

Он должен обладать достаточной мощностью и обеспечивать получение тока большой величины. Внешняя характеристика источника питания должна соответствовать ВАХ дуги. Если сварка производится на токах, соответствующих 1 - 2 участкам ВАХ дуги (например, при ручной дуговой сварке), источник питания должен обладать крутопадающей (рис.2, кривая 1) характеристикой; если ток в дуге соответствует третьему участку ВАХ дуги (при механизированной и автоматической сварке плавящимся электродом в защитном газе или под слоем флюса), источник питания должен обладать жесткой (3), пологопадающей (2) или реже возрастающей (4) внешней характеристикой (рис.2).

 

1

2

3

4

I св, А

U, В

U хх

 

 

                                                                                1 – крутопадающая

                                                                                                     2 – пологопадающая

                                                                                                     3 – жесткая

                                                                                                     4 - возрастающая

 

 

Рис. 2. Статические вольтамперные (внешние) характеристики источников

питания для дуговой сварки

 

Всякий источник питания должен обеспечивать возможность регулирования сварочного тока (I _св), так как для сварки металлов различной толщины необходим сварочный ток различной величины.

Источник питания должен обладать напряжением холостого хода (U _xx), достаточным для легкого зажигания дуги и в то же время безопасным для работы.

Для сварочных выпрямителей U _xx должно быть не более 100 В, для сварочных трансформаторов U _хх должно быть не более 80 В.

Источник питания дуги должен обладать достаточно высокими динамическими свойствами. Под динамическими свойствами источника питания принимается время нарастания напряжения от 0 до 25 В. Это время по международным стандартам должно быть не более 0,02 с. Это требование легко выполняется в сварочных трансформаторах и выпрямителях, в сварочных генераторах принимают специальные меры.

Сварочные трансформаторы

Сварочные трансформаторы бывают двух типов:

- а) с нормальным магнитным рассеянием и дополнительным индуктивным сопротивлением - дросселем в однокорпусном или двух-корпусном исполнении (рис. 3, а);

- б) с искусственно увеличенным магнитным рассеянием, с подвижным магнитным шунтом (рис. 3, б) или подвижной вторичной обмоткой (рис.3, в).

Все сварочные трансформаторы являются понижающими. Мощность, потребляемая из сети, равна S ₁ = U ₁ I ₁ , если пренебречь потерями, то можно записать S ₁ = S ₂ или U ₁ I ₁  = U ₂ I ₂  т.е. за счет уменьшения напряжения во вторичной обмотке получаем сварочный ток большой величины. Снижение напряжения U ₁ обеспечивается уменьшением числе витков во вторичной обмотке по сравнению с первичной (коэффициент трансформации). В первичной обмотке трансформатора создается магнитный поток, магнитопровод служит для уменьшения магнитного рассеяния.

в)

б)

 

 

Рис. 3. Принципиальная схема сварочных трансформаторов:

а) с дросселем,

б) с подвижным шунтом;

в) с подвижной вторичной обмоткой,

 

1 – предохранители; 2 – рубильник; 3 – первичная обмотка; 4 – вторичная обмотка;

5 – магнитопровод; 6 – катушки дросселя; 7 – подвижная часть магнитопровода дросселя;

8 – винтовое приспособление для изменения зазора; 9 – электродержатель; 10 – изделие; 11 – шунт

Во вторичной обмотке индуцируется вторичное напряжение, обеспечивающее протекание в сварочной цепи большого тока.

Падающая внешняя характеристика в трансформаторах первой группы получается за счет дополнительного индуктивного сопротивления дросселя. При сварке напряжение во вторичной обмотке (U ₂) равно векторной сумме падения напряжения на сварочном посту (U _д) и в дросселе (U _др). Считая дугу чисто активным приемником энергии и пренебрегая омическим сопротивлением дросселя, имеем

.

В трансформаторах второй группы падающая внешняя характеристика получается за счет искусственно увеличенного магнитного рассеяния. Это конструктивно достигается тем, что первичные и вторичные обмотки разнесены на определенные расстояния друг от друга. Индуктивное сопротивление рассеяния создает тот же эффект, что и отдельный дроссель.

 

 

Сварочный ток в трансформаторах первой группы регулируется путем изменения зазора d в дросселе. Дроссель включен в сварочную цепь последовательно. При уменьшении зазора d в магнитопроводе дросселя увеличивается магнитный поток в дросселе и возрастает индуктивное сопротивление дросселя. Активное сопротивление дросселя остается постоянным, т.е. при уменьшении зазора d возрастает общее сопротивление дросселя, а следовательно, уменьшается сварочный ток во вторичной цепи. Напряжение холостого хода U _2хх при этом неизменно.

В настоящее время трансформаторы первой группы не выпускаются.

В трансформаторах типа (б) изменение сварочного тока достигается за счет введения магнитного шунта. При отсутствии шунта весь магнитный поток проходит через вторичную обмотку, I _св - максимальный. При введении шунта магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, раздваивается, часть его идет через шунт, а остальной поток через вторичную обмотку. Уменьшение магнитного потока, проходящего через вторичную обмотку, приводит к уменьшению I _св; так как шунт вводится и выводится плавно, также регулируется плавно I _св.

В выпускавшихся до недавнего времени сварочных трансформаторах ТДФ-1001, ТДФ-1601 шунт неподвижен (сердечник трансформатора выполнен без воздушного зазора). Регулирование тока осуществляется путем подмагничивания шунта с помощью управляющей обмотки, питаемой постоянным током. Увеличение этого тока увеличивает степень насыщения шунта и его магнитное сопротивление, что приводит к увеличению I _св. Трансформаторы используются для автоматической сварки под флюсом с зависимой от напряжения дуги скоростью подачи электродной проволоки.

В трансформаторах типа (в) I _св регулируется плавно за счет изменения расстояния между первичной и вторичной обмотками. При сближении обмоток уменьшается рассеянии и I _св увеличивается, при увеличении расстояния между ними I _св уменьшается. Одновременно несколько уменьшается U _хх.

В настоящее время выпускаются трансформаторы серии ТДМ (типов б и в) на токи до 500 А.

В последнее время появилась новая группа источников питания дуги переменного тока - тиристорные трансформаторы, в основу которых положен способ фазового регулирования тока. Основным узлом является тиристорный регулятор, работающий в комплекте с силовым трансформатором.

Регулятор состоит из двух встречно-параллельно соединенных тиристоров и системы управления фазой их включения. Формирование требуемой внешней характеристики обеспечивается с помощью обратных связей по току дуги (крутопадающие характеристики) или напряжению дуги (пологопадающие характеристики). Серийно выпускаются трансформаторы для ручной дуговой сварки ТДЭ-402 с крутопадающими характеристиками и трансформаторы для автоматической сварки под флюсом ТДФЖ-1002 и ТДФЖ-2002 с пологопадающими характеристиками, которые применяются в сварочных автоматах с независимой от напряжения дуги скоростью подачи электродной проволоки.

Сварочные выпрямители

Сварочные выпрямители состоят в основном из двух узлов: понижающего трансформатора и выпрямительного блока. Принципиальная электрическая схема выпрямителей представлена на рис. 4. Трехфазная схема позволяет лучше использовать трансформатор и равномерно загрузить трехфазную сеть.

В ряде выпрямителей требуемые значения тока и напряжения дуги, падающая внешняя характеристика, регулирование сварочного тока обеспечиваются либо трансформатором с подвижной первичной обмоткой, либо трансформатором с подмагничиваемым магнитным шунтом, либо дросселем насыщения, выпрямительный блок лишь преобразует переменный ток в постоянный.

Универсальные выпрямители серии ВДУ (с жесткой и падающей характеристикой) выполнены на управляемых полупроводниковых вентилях – тиристорах. Регулирование тока, требуемая внешняя характеристика обеспечиваются с помощью фазорегулировки - изменения угла включения тиристоров. При этом можно получить как крутопадающую, так и жесткую характеристики. Для более интенсивного использования выпрямительного блока применяется принудительное охлаждение с помощью вентилятора.

 

Рис. 4. Принципиальная схема сварочного выпрямителя

 

По сравнению со сварочными преобразователями выпрямители имеют следующие преимущества:

- более высокий КПД;

- более высокую надежность в работе (нет движущихся частей);

- более высокие динамические свойства;

- более просты в эксплуатации;

- создают меньше шума при работе.

Сравнительно недавно (80-е - 90 –е годы) начал выпускаться новый тип источников питания – инверторные источники.

В инверторных источниках переменное напряжение сети преобразуется в постоянное (выпрямляется), затем высокое постоянное напряжение преобразуется с помощью полупроводниковых ключей в переменное напряжение частотой 4 – 100 кГц, после чего понижается силовыми трансформатором до рабочего значения, далее выпрямляется и подается на сварочную дугу. В результате резко уменьшаются габаритные размеры и масса трансформатора и всего источника в целом, значительно повышаются динамические свойства источника. Инверторные источники широко используются для ручной дуговой сварки покрытыми электродами и механизированной сварки плавящимся электродом на токах до 400 А.