Галина Серикова - Сварочные работы. Практический справочник
– источник питания дуги должен быть оснащен устройством, регулирующим сварочный ток (предел регулирования должен составлять приблизительно 30-130 % от номинального сварочного тока), тем более что это требуется для осуществления сварки электродами различного диаметра.
Источники питания отличаются своими свойствами, для описания которых введены следующие параметры:
1. Внешняя статическая характеристика. Это зависимость между напряжением на выходных зажимах источника питания и величиной сварочного тока. Различаются несколько типов внешних вольт-амперных характеристик источников питания (рис. 17), в частности:
– крутопадающая;
– пологопадающая;
– жесткая;
– возрастающая.
Рис. 17. Типы внешних вольт-амперных характеристик: 1 – крутопадающая; 2 – пологопадающая; 3 – жесткая; 4 – возрастающая
Каждому способу сварки должен соответствовать тип внешней характеристики. Для ручной дуговой сварки подходят источники с крутопадающей внешней характеристикой, поскольку у них при коротком замыкании напряжение падает до нуля, благодаря чему сила тока короткого замыкания не растет. Но при возбуждении сварочной дуги, когда ток минимален, мгновенно возникает повышенное напряжение. Источники питания с такой внешней характеристикой позволяет удлинять дугу, не опасаясь при этом, что она быстро оборвется, и сокращать ее без риска значительного увеличения тока.
Оставшиеся типы внешней характеристики источников питания (пологопадающая, жесткая и возрастающая) позволяют обеспечить существенное изменение величины сварочного тока при изменении длины дуги, что приводит к быстрому возрастанию или снижению скорости плавления электродной проволоки.
Источники питания с пологопадающей вольт-амперной характеристикой предназначаются для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом, а с жесткой и возрастающей внешней характеристикой – для сварки в среде защитных газов.
Необходимая характеристика источника питания задается при его изготовлении и обеспечивается конструкцией, а при сварке ее тип не изменяется.
Велико значение и динамических свойств источника питания, а именно быстрота, с которой напряжение при коротком замыкании восстанавливается с нулевой отметки до напряжения повторного возбуждения сварочной дуги. Это определяется индуктивностью источника питания: чем она больше, тем выше динамические свойства, при которых происходят равномерный перенос капель электродного металла и незначительное разбрызгивание.
2. Напряжение холостого хода. Так называется напряжение на выходных клеммах, когда нагрузка в сварочной цепи отсутствует, т. е. при разомкнутой сварочной цепи. Напряжение холостого хода источника питания с падающей вольт-амперной характеристикой всегда выше рабочего напряжения дуги, поэтому облегчаются возбуждение и повторное зажигание сварочной дуги. Если номинальное рабочее напряжение составляет 30 В, то напряжение холостого хода не должно быть более 75 В (чем оно выше, тем легче загорается сварочная дуга, но одновременно возрастает риск поражения сварщика током). Напряжение зажигания различно для источников постоянного и переменного тока и составляет не менее 30–35 В для первых и 50–55 В для вторых. В ГОСТе 7012-77 Е указано, что для трансформаторов, которые рассчитаны и выдерживают сварочный ток силой 2000 А, напряжение холостого хода не должно быть более 80 В. Увеличение напряжения холостого хода источника переменного тока влечет за собой снижение cos φ (напомним формулу мощности переменного тока: P = U х I х cos φ), т. е. снижение КПД источника питания.
3. Относительная продолжительность работы (ПР) и относительная продолжительность включения в прерывистом режиме (ПВ). Источник питания сварочной дуги функционирует в таком режиме, когда включения периодически сменяются выключениями, которые необходимы для удаления шлака со сварного шва, замены электрода и пр. Можно сказать, что данные показатели характеризуют повторнократковременный режим работы источника питания сварочной дуги. Разница между ПР и ПВ заключается в том, что при ПР источник питания в момент паузы не отключается от сети и продолжает функционировать в холостом режиме при разомкнутой цепи, а при ПВ источник питания во время паузы отключается от сети.
Величины ПР и ПВ выражаются в процентах и определяют возможную степень эксплуатации источника сварочной дуги:
где tсв – время сварки, т. е. работы под нагрузкой;
tхх – время холостого хода;
tп – время паузы.
Для расчетов условно принимается время сварки (tсв), равное 3 минутам, паузы (tп) – 2 минутам. Подставив значения в формулу, можно установить, что оптимальная величина ПР составляет 60 %. Если ПР равняется 20 %, то время сварки составит 1 минуту, а продолжительность паузы – 4 минуты.
Современная промышленность изготавливает различные источники питания для дуговой сварки и наплавки.
1. Источник питания, работающий от переменного тока и предназначенный для ручной дуговой сварки, автоматической сварки под флюсом и электрошлаковой сварки, называется сварочным трансформатором. Это устройство представляет собой статический электромагнитный аппарат, основная функция которого – преобразование имеющегося в электрической цепи напряжения (220 или 380 В) в более низкое напряжение вторичной электрической цепи, необходимое для возбуждения сварочной дуги и обеспечения ее горения. Энергия в трансформаторе преобразуется за счет переменного магнитного поля и использования необходимого количества витков в первичной и вторичной обмотках, расположенных на магнитопроводе. Так называется сердечник, выполненный из трансформаторной стали (из нее изготавливаются различные электрические изделия, которые в процессе эксплуатации попеременно на– и размагничиваются), которая является тонколистовой, низкоуглеродистой и отличается повышенным содержанием кремния (не более 4 %) и малым количеством вредных примесей – фосфора и серы (не более 0,02 %). Ее магнитопроницаемость определяет и вес устройства. Если магнитные свойства стали максимальны и магнитный поток протекает через нее с наименьшими потерями, то количество стали, необходимое для аппарата, значительно снижается.
В основе действия всех трансформаторов, применяемых для сварочных работ, лежит принцип электромагнитной индукции, т. е. переменный по направлению (с частотой тока) магнитный поток на магнитопроводе, образовавшийся от действия переменного тока первичной обмотки, пересекает витки вторичной обмотки трансформатора, после чего согласно закону электромагнитной индукции возбуждает в ней напряжение (ЭДС). Пока вторичная (сварочная) цепь не будет замкнута, тока в ней (кроме напряжения) не будет.
Сварочный ток регулируется благодаря изменению величины либо индуктивного сопротивления, либо вторичного напряжения холостого хода трансформатора, что осуществляется посредством секционирования числа витков первичной или вторичной обмотки. Это обеспечивает ступенчатое регулирование тока.
Главный минус всех сварочных трансформаторов – низкий коэффициент мощности cos φ, что объясняется конструкцией трансформатора, в котором падающая вольт-амперная характеристика порождается высокой индуктивностью сварочной цепи. Для стабильного возбуждения сварочной дуги требуется напряжение холостого хода трансформатора на уровне 65 В, в то время как напряжение сварочной цепи составляет 20–30 В. Вследствие возникшего индуктивного сопротивления потери мощности возрастают. Поэтому коэффициент мощности cos φ сварочных трансформаторов должен состалвять 0,4–0,5.
Сварочные трансформаторы на основании различных показателей классифицируются следующим образом:
1) по количеству обслуживаемых рабочих мест на:
– однопостовые, рассчитанные на одно рабочее место, поэтому обладают соответствующей вольт-амперной характеристикой;
– многопостовые, предназначенные для одновременного обслуживания нескольких рабочих мест. Они имеют жесткую характеристику, но благодаря включению в электрическую цепь дросселя создается падающая внешняя характеристика, обеспечивающая стабильное горение сварочной дуги;
2) по фазности на:
– однофазные.
– трехфазные.
3) по конструкции на устройства:
а) с нормальным магнитным рассеянием и отдельной реактивной (дроссельной) обмоткой, которая последовательно включается в сварочную цепь. Дроссель может заключаться в отдельный корпус или выполняться на общем сердечнике (рис. 18).
Рис. 18. Электрическая схема трансформатора с дросселем: а – в отдельном корпусе; 1 – реактивная катушка; 2 – зазор в регуляторе; б – на общем сердечнике; 1 – реактивная катушка; 2 – зазор в регулятореПадающая характеристика и регулировка сварочного тока происходят за счет электродвижущей силы (ЭДС) самоиндукции, которая возникает в обмотке дросселя исключительно при наличии в ней сварочного тока. Составная часть магнитопровода дроссельной катушки – подвижной пакет, который, в свою очередь, является частью магнитопровода дросселя. От величины зазора в магнитном пакете зависит величина магнитного потока в данном магнитопроводе: он тем больше, чем меньше зазор, и наоборот. Величина магнитного потока определяет величину индуктированной ЭДС самоиндукции. Последняя постоянно направлена навстречу движению сварочного тока в цепи, который бывает тем меньше, чем больше ЭДС. Максимальная же величина ЭДС самоиндукции наблюдается при минимальном зазоре в подвижном пакете магнитопровода. Если зазор большой, то магнитный поток и ЭДС будут наименьшими, поэтому сварочный ток будет максимальным, ведь при прохождении по проводнику на его пути нет препятствий.
Благодаря описанным явлениям величина тока плавно регулируется, что и обеспечивает падающую характеристику источника тока и точно настроенный режим сварки.
