Свойства источников питания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Свойства источников питания



Качество сварного шва зависит как от количества энергии, поступающего от источника питания в зону сварки, так и от закона изменения этой энергии во времени. Электрическая проводимость разрядного промежутка определяется расстоянием между электродом и изделием и целым рядом факторов, связанных с физическими условиями при данном способе сварки: свойствами газовой среды, химическим составом свариваемых изделий и электрода, давлением, от которого зависит плотность окружающего газа, и т.д. При этом свариваемые изделия отличаются толщиной и конструкцией, пространственное положение места соединения изделий также может быть различно. Различны и требования к качеству сварного соединения и к структуре металла шва.

Исходя из конкретных требований и степени автоматизации процесса применяется тот или иной способ сварки и соответствующий ему источник переменного или постоянного тока.

Современные источники питания для дуговой сварки получают энергию либо в виде механической энергии от двигателя (асинхронного или внутреннего сгорания), либо в виде электрической энергии от трехфазной сети. Если сварка производится переменным током', то электрическая энергия, получаемая от сети, преобразуется с помощью трансформатора источника питания в электрическую энергию другого напряжения, которое подводится к разрядному промежутку. Если сварка производится выпрямленным током, то энергия поступает из сети через трансформатор, входящий в состав сварочного выпрямителя, и выпрямленное напряжение подводится к разрядному промежутку.

В процессе сварки в энергетической системе источник питания - сварочная дуга - ванна возникают возмущения, причинами которых являются изменения длины дуги, колебания напряжения сети, изменения скорости подачи электродной проволоки, а также изменения физических условий в разрядном промежутке. При возмущениях изменяются напряжение на дуге и сварочный ток, что приводит к нарушению установившегося процесса сварки. Это отражается на глубине проплавления, геометрических размерах шва п структуре металла сварного соединения.

Изменение проводимости разрядного промежутка вызывает в системе источник питания - дуга - ванна переходные процессы. Во время переходных процессов происходит преобразование энергии электрического поля в энергию магнитного поля, а также обратное преобразование, сопровождающееся выделением тепла в резистивных сопротивлениях цепей. Характер переходных процессов и скорость их протекания зависят от свойств источника энергии, параметров сварочного контура, физических условий в разрядном промежутке и гидродинамических явлений в ванне.

В сварочной технике применяется как дуга непрерывного горения (стационарная), так и импульсная дуга. Длительность существования дуги непрерывного горения намного больше времени протекания переходных процессов, вызываемых возмущениями, поэтому изменения проводимости разрядного промежутка незначительны и напряжение на дуге, а следовательно, и сварочный ток изменяются мало. Практически их можно считать в процессе сварки постоянными.

Если изменение проводимости разрядного промежутка производится во времени по определенной программе, которая осуществляется путем наложения на стационарно горящую дугу импульсов напряжения, создаваемых источником питания, то такая дуга называется импульсной.

При сварки импульсной дугой осуществляются программное тепловложение в место соединения изделий за счет циклического изменения величины сварочного тока; при этом создаются благоприятные условия для капельного переноса металла. Источник питания для сварки импульсной дугой должен позволять регулировать амплитуду импульса тока, его длительность, длительность пауз между импульсами. Управление процессом переноса металла создает условия для снижения разбрызгивания металла.

Характеристики сварочной дуги:

При изучении свойств сварочной дуги и определении требований к источнику питания для дуговой сварки пользуются понятиями статических и динамических характеристик сварочной дуги. Рассмотрим статические характеристики сварочной дуги.

Зависимость напряжения на дуге от длины дуги. Проводимость разрядного промежутка, являющегося нелинейным участком сварочного контура, зависит от длины дуги L_д и от физических условий, в которых существует дуга. Как показано выше, L_дLcn. Если ток дуги L=const и неизменны все факторы, влияющие на физические условия существования дуги, то зависимость между U_д и L_д, которые связаны в этом случае соотношением

линейная (рис. 1.6). Действительно, это справедливо для изотропных сред, в которых

y= и

Заметим, что для малоамперных сварочных дуг (см. ниже) эта зависимость нелинейно.

Зависимость напряжения на дуге от тока дуги. Вольтамперная характеристика нелинейного участка сварочного контура, которая строится по данным эксперимента, представляет собой зависимость напряжения на дуге U_K от тока дуги при данных длине дуги /_№ проводимости G разрядного промежутка и постоянстве остальных физических факторов, влияющих на условия существования и горения сварочной дуги. При проведении эксперимента питание дуги осуществляется от специального отдельного источника постоянного тока c регулируемым выходным напряжением.

Зависимость напряжения на дуге от длины дуги при I=const и у=const в изотропной среде

Расчеты электрических нелинейных цепей производятся, как правило, графоаналитическими методами. Для расчета вводится понятие дифференциального сопротивления нелинейного участка цепи (в нашем случае разрядного промежутка, где горит дуга). Дифференциальное сопротивление равно отношению бесконечно малого приращения напряжения на дуге к бесконечно малому приращению сварочного тока:

Форма вольтамперной характеристики сварочной дуги отражает свойства дуги данной длины I_д, существующей в определенных физических условиях, которые обусловливают проводимость G разрядного промежутка. Проведение опыта для построения по его данным вольтамперной характеристики дуги связано со значительными трудностями из-за сложности измерения длины дуги L_д и поддержания неизменными физических условий в разрядном промежутке. Действительно, даже при неизменных напряженности Е электрического поля в разрядном промежутке и длине дуги L_д физические условия изменяются с изменением тока, так как изменяется ряд факторов, оказывающих влияние на физические условия существования дуги: Получение опытных данных для построения вольтамперных характеристик сварочной дуги с неплавящимся электродом хотя и представляет определенные трудности, но возможно. Длину дуги L_д в этом случае можно установить и поддерживать во время опыта постоянной при практической неизменности всех остальных физических условий. Понятие статической вольт - амперной характеристики для дуги с плавящимся электродом, строго говоря, является несостоятельным, так как в реальных условиях при горении дуги происходит непрерывное изменение L_д в связи с переносом через разрядный промежуток капель жидкого металла в ванну на изделии. Даже если этот перенос не сопровождается замыканием разрядного промежутка каплей, то все же неизбежны в определенных пределах изменения длину дуги при прохождении капли в ванну. В этом случае, по-видимому, целесообразно говорить.

Не об одной характеристике U_R=f(I), а о некотором семействе характеристик или зоне, ограниченной характеристиками Up, - f (I), которые соответствуют предельным значениям проводимостей G разрядного промежутка данного процесса сварки при неизменности всех прочих параметров, обусловливающих физические условия существования дуги.

Статическая вольтамперная характеристика дает представление о том, как изменяется в определенных условиях проводимость G_д дугового промежутка длиной L_д при изменении величины напряжения, подводимого к дуге.

Поскольку напряжение U_д на дуговом промежутке есть сумма разностей потенциалов в приэлектродных областях и в столбе дуги

Вольтамперные характеристики дуги:

а - падающие; б - жесткие; в-возрастающие



То от характера изменения каждой составляющей в зависимости от тока при неизменных физических условиях в разрядном промежутке зависит вид статической вольтамперной характеристики.

Известны статические вольтамперные характеристики сварочных дуг трех видов:

падающая - с ростом сварочного тока I U_Д уменьшается.

жесткая - с ростом I U_Д остается практически неизменным

возрастающая - рост I вызывает увеличение U_д.

Падающие вольтамперные характеристики имеют свободные малоамперные дуги, горящие в атмосфере воздуха и в-среде аргона при токах от нескольких ампер до 70-80 А. Причиной снижения напряжения на дуге является уменьшение напряжения столба дуги U_ст.С ростом тока более интенсивно протекает ионизация газа столба дуги, проводимость столба дуги увеличивается, а площадь поперечного сечения столба возрастает. Разности потенциалов в анодной u_а и в катодной и_к областях практически не зависят от величины тока, а только от физических условий, в которых существует дуга. При неизменной длине дуги с ростом тока уменьшается U_ст и напряжение на дуге; при этом дифференциальное сопротивление R_диф < O так как угол тупой.

Жесткую вольтамперную характеристику имеют сварочные дуги с токами от 80 А и выше при ручной дуговой и механизированной сварке под флюсом. С ростом сварочного тока увеличивается площадь столба дуги, в результате чего проводимость разрядного промежутка практически не изменяется. Увеличение тока с одновременным увеличением площади столба дуги приводит к тому, что плотность тока в столбе дуги и напряженность электрического поля Е_ст остаются постоянными. Этим объясняется то, что при постоянстве U_а и U_к напряжение U_ст практически не зависит от величины тока. При L_д=const напряжение U_Д с ростом тока не изменяется, при этом R_Диф =O.

При механизированной сварке под флюсом, когда диаметр электродной проволоки невелик, плотность тока в электроде несколько больше таковой при свободной малоамперной дуге, горящей в воздухе или в аргоне. Начиная примерно с 300-400 А и выше вольт - амперная характеристика дуги, горящей под флюсом, становится полого возрастающей. На такая характеристика показана пунктиром. Жесткие и полого возрастающие характеристики дуги обычно строят по эмпирической формуле, связывающей напряжение на дуге с величиной сварочного тока, в которую вводится опытный коэффициент Ј, учитывающий увеличение плотности тока при данном диаметре электродной проволоки:

где U_{Д расч.} - расчетное рабочее напряжение. Значения коэффициента Ј даются, как правило, в технических описаниях источников питания.

При сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа и сжатой дугой в среде аргона неплавящимся электродом вольтамперная характеристика сварочной дуги крутовозрастающая. С ростом сварочного тока напряжение на дуге возрастает, при этом R_Диф0 и угол Плотность тока б_э в электроде для указанных способов сварки больше, чем плотность тока при сварке свободной малоамперной дугой в атмосфере воздуха и в среде аргона, а также при ручной дуговой сварке и при сварке под флюсом.

Динамическая вольтамперная характеристика. Зависимость между мгновенными значениями сварочного тока и напряжения дуги называют динамической характеристикой дуги. Динамическая вольтамперная характеристика дуги строится по данным осциллограмм, полученных с помощью светолучевого осциллографа. Запись осциллограммы источника питания дуги осуществляется в реальных условиях его работы; нагрузкой является сварочная дуга. Форма динамической вольтамперной характеристики определяется в основном свойствами источника питания. Так, если сварочная дуга при одинаковых статических вольтамперных характеристиках питается от источников с различными свойствами, ее динамические вольтамперные характеристики будут различными. С помощью динамической вольтамперной характеристики дуги можно оценивать пригодность данного источника для питания данной дуги.

Устойчивость горения сварочной дуги при малых отклонениях напряжения на дуге.

Влияние формы внешней статической характеристики источника питания и формы статической вольтамперной характеристики дуги на устойчивость горения дуги впервые было показано в исследованиях Кауфмана, который установил, что дуга постоянного тока данной длины, с падающей вольтамперной характеристикой при малых токах, переходящей в пологопадающую, горит устойчиво при питании от генератора с постоянным выходным напряжением лишь в том случае, когда последовательно с дугой включено определенной величины добавочное сопротивление R. Условие устойчивого горения дуги было записано в форме следующего неравенства:

dU_д/dI+R>O

где dU_Д/dI - производная вольтамперной характеристики дуги в данной точке, a R - добавочное резистивное сопротивление в цепи дуги.

Дальнейшее развитие этот вывод получил в работах В.П. Никитина, И.Я. Рабиновича, К. К - Хренова, Ю.П. Петрунькина (1934) и ряда других авторов применительно к специальным генераторам, имеющим падающую внешнюю характеристику.

В работах выявляются условия, при которых дуга горит устойчиво, не переходя в другие виды электрического разряда, при питании от генератора постоянного тока,^- имеющего падающую внешнюю характеристику. Сделало предположение, что вольтамперная характеристика дуги также падающая. Обе характеристики являются нелинейными зависимостями напряжений от тока I. Для генератора это U-f(I), а для дуги U_R-f(I). Сделано также предположение, что сварка производится вручную плавящимся электродом, что дуга горит стационарно и замыканий дугового промежутка каплей не происходит. На рис. 1.9 приведена электрическая схема замещения энергетической системы источник питания дуги. Источник питания не имеет корректирующих обратных связей. Дуга замещена нелинейным резистивным сопротивлением R_Д. На схеме Е - э. д. с.; R₀ - внутреннее сопротивление генератора; резистивное сопротивление сварочного контура, включающее и сопротивление вылета электрода; L - индуктивность сварочного контура. Условные положительные направления токов и напряжений здесь и далее указаны стрелками.

На рис. 1.10 приведены внешняя статическая характеристика генератора U=f(I) и вольтамперная статическая характеристика дуги Up,=f(I). Эти характеристики имеют две точки пересечения В и А, которые являются точками равновесия энергетической системы, когда при данном значении сварочного тока I_р. U_p>=U_Др (токи и напряжения, соответствующие состоянию равновесия, записаны с индексами «р»: I_РВ; I_РА; U_РB; U_РA; U_д._р.в; U_Д.Р.А). Выясним, какая из точек пересечения характеристик является точкой устойчивого равновесия, т.е. при каких условиях при малом изменении, например, длины дуги, вызвавшем изменение тока и напряжения, система в состоянии поддерживать устойчивый дуговой разряд. Составим для сварочного контура уравнение по второму закону Кирхгофа. Используя схему рис. 1.9 и обходя контур по условному положительному направлению тока i, получаем



Если учесть, что 1 а е_L =-Ldi/dt, получим

u= u_Д +Ldi/dt

Из уравнения следует, что:

di/dt=(u, - uД)/L,

а это значит, что скорость изменения сварочного тока во время переходных процессов в энергетической системе тем меньше, чем больше индуктивность сварочного контура Когда энергетическая система в равновесии, то и=и_Д при допущении, что R = 0, di/dt = 0.

К определению коэффициента устойчивости Ку для точек равновесия А к В энергетической системы источник питания - дуга при падающей внешней характеристике источника и падающей вольт - амперной характеристике дуги.

При данном токе в цепи дуги I=Iр в точке пересечения внешней характеристики генератора и статической вольтамперной характеристики дуги

U=Uл (U - это Up, UД - это Uд.р.).

Исследуем на устойчивость горение дуги при токе 1_Рв и напряжении U_рв, т.е. в точке В пересечения характеристик, соответствующих длине дуги L_д и проводимости G разрядного промежутка (рис. 1.10)

Допустим, что в некоторый начальный момент времени t= 0 возникло возмущение по длине дуги. Длина дуги стала l_д2, причем lд2>l_Д. Длине дуги lд2 соответствует уже другая вольтамперная характеристика дуги. В новых условиях уменьшилась проводимость G разрядного промежутка G_Д2<G_Д, что явилось причиной уменьшения тока I_Рв на . В последующие моменты времени малое отклонение тока будет изменяться во времени. При изменении тока в энергетической системе возникает переходный процесс и все величины, связанные с током, изменяются. Для аналитического исследования процессов, протекающих в энергетической системе генератор сварочная дуга, возникающих при малых отклонениях тока () вблизи точек равновесного состояния системы, в технике пользуются методом линеаризации нелинейных функций U=f(I) и U_Д=f(I) вблизи точек В и А. Небольшой участок [17] нелинейной характеристики заменяют отрезком прямой, касательной к соответствующей нелинейной характеристике в точке равновесия. В литературе [9, 11] делают, кроме того, еще два допущения: исключают влияние динамических свойств сварочного генератора и не учитывают явления саморегулирования дуги при сварке плавящимся электродом при небольших плотностях тока, что позволяет рассматривать этот процесс сварки как эквивалентный процессу с неплавящимся электродом. Применяя метод линеаризации при малых отклонениях от установившегося состояния [10,12], выражают напряжения генератора U=f(I) и дуги U_Д-f(I) через их значения при равновесии U_Р и U_Д.Р и при приращении тока разлагая нелинейные функции U=f(I_р+ ) и U_Д=f(I_р+ ) в ряд Тейлора по степеням . Отбрасывая члены ряда второго и больших порядков, получают выражения для напряжения дуги и генератора вблизи точки равновесия В:



где R_диф.д и R_диф - дифференциальные сопротивления соответственно нелинейного участка электрической цепи с дугой и генератора при I=I_р (напомним, что индекс «р» означает в данном случае равновесное состояние при отсутствии возмущения.

Для получения закона изменения приращения тока =f(t) следует подставить в исходное дифференциальное уравнение (1.12) вместо и и и_д их значения, соответствующие равновесному состоянию энергетической системы (имеющей в качестве источника энергии генератор постоянного тока), т.е. U и U_Д которые в равновесном состоянии равны, а затем вместо производной сварочного тока di/dt подставить выражение . Проделав эти преобразования, получим

1.16

Если рассматривать разность дифференциальных сопротивлений как дифференциальное сопротивление системы генератор - дуга (R_Диф.с) и допустить, что величина индуктивности L, включенная последовательно с дугой, не зависит от значения сварочного тока, то можно получить линейное однородное дифференциальное уравнение первого порядка, описывающее переходных процесс изменения =f(i):



Корень характеристического уравнения дифференциального уравнения

где - постоянная времени цепи, равная L/R_Диф.с. После решения уравнения (1.17) получим закон изменения AI = f (t):

В реальных условиях величина индуктивности цепи сварочного тока L>0. Для того чтобы при t приращение тока затухало (), необходимо, чтобы R_диф.с было больше нуля. Возникшее приращение затухает, если р<0.

В литературе дифференциальное сопротивление энергетической системы источник питания дуга обозначают K_y и называют коэффициентом (критерием) устойчивости, для которого можно записать:

Условием устойчивости горения сварочной дуги без корректирующих обратных связей является неравенство: K_y>O

Рассмотрим на конкретном примере, устойчиво ли горит дуга в случае ручной дуговой сварки при малых отклонениях сварочного тока в точке равновесия В пересечения падающих статических характеристик источника и дуги. В качестве источника питания принят генератор постоянного тока, в сварочный контур которого последовательно с дугой включена индуктивность.

Для точки В дифференциальное сопротивление дуги так как угол тупой (рис. 1.10). Пусть, например, =160°, tg=-0,36. Дифференциальное сопротивление источника. dU/dI=tg =-1,73. Дифференциальное сопротивление энергетической системы:

R_диф.с=R_диф.д-R_диф.и=-0.36 - (-1.73)=1.37

Следовательно, в точке пересечения характеристик дуги и источника питания коэффициент устойчивости K_y>0. Возникшее отклонение сварочного тока затухает. Скорость затухания малого отклонения тока зависит от абсолютного значения к_у и величины , что следует из выражения:

Дадим физическое толкование критерию устойчивости к_у. Допустим, что при горении дуги, когда U_p было равно U_д.р произошло отклонение сварочного тока I от значения I_р до (1_рВ-). Изменение тока вызовет появление э. д. с. самоиндукции в индуктивности L, включенной в сварочный контур генератора. Э. д. с. самоиндукции складывается с напряжением генератора. Напряжение на разрядном промежутке возрастает, что вызывает увеличение напряженности электрического поля в разрядном промежутке. Ток вследствие этого возрастает до значения 1_рв. Горение дуги устойчиво. Для точки В коэффициент к_у>0.

Определим коэффициент устойчивости для точки А. Из рис. 1.10 следует, что

;



Коэффициент устойчивости к_у для точки А меньше нуля и равновесное состояние энергетической системы неустойчивое. Если при горении дуги произошло по какой либо причине увеличение тока, то - ток f(I) i=i_рВ не станутнут равными. Если же ток 1_ра уменьшился на влево от точки А будет уменьшаться до тех пор, пока дуговой разряд не прекратится из-за недостаточной напряженности электрического поля в разрядном промежутке.

Определим к_у для точки В пересечения падающей внешней характеристики источника питания U=f(I) с жесткой и возрастающей вольтамперными характеристиками дуги (рис. 1.11). Дифференциальное сопротивление дуги в точке В для кривой 1 равно нулю, так как

а для кривой 2

Определив к_у по (1.19), получаем, что коэффициент устойчивости системы в рассмотренных конкретных условиях работы положителен для обоих случаев.

Допустим, что вольтамперная характеристика дуги возрастающая. Тогда, как следует из (1.19), коэффициент устойчивости к_у получается положительным, если источник питания имеет падающую, жесткую и возрастающую внешнюю характеристику; в последнем случае при условии, если

Выполнение неравенства к_у>0 является необходимым, но недостаточным условием устойчивого горения сварочной дуги при сварке плавящимся электродом.

Современные источники питания для сварки неплавящимся и плавящимся электродом имеют корректирующие обратные связи, обеспечивающие устойчивое горение дуги и установленный режим или используются источники питания параметрического типа (см. гл. 6).

К определению коэффициента устойчивости

Для точки равновесия В при падающей внешней характеристике источника питания и жесткой 1 или возрастающей 2 вольт - амперных характеристиках дуги

Требования к источникам питания

Для получения качественного сварного соединения источники питания дуги должны обладать свойствами, требуемыми процессом сварки и проявляющимися при высоких технико-экономических показателях. С другой стороны, как всякое электротехническое устройство, 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.

Таким образом, можно сказать, что источник питания должен при определенных режимах работы 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.

Статические свойства источника отражены в его внешней статической характеристике и ее соответствии вольтамперной 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 (cosб), габаритные размеры, массы, показатели надежности, эргономические и технологические показатели конструкции источников, соответствие правилам безопасности и т.п.

Некоторые технико-экономические показатели источников питания (к.п.д., cos ф, надежность) рассматриваются в настоящем пособии, другие служат предметом изучения в других курсах.

Режимы работы источников питания. Электротехническая установка, в том числе и источник питания для дуговой сварки, рассчитывается на определенную нагрузку, при которой она 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. Номинальные величины (I_н, U_H, Р_н и режим работы) записываются на щитке источника и приводятся в паспорте, а также в описании и инструкции по эксплуатации.

При эксплуатации источника питания происходит нагрев его обмоток, ферримагнитных сердечников и ряда конструктивных элементов (кожуха, стяжных болтов и т.д.). Большему нагреву подвергаются те узлы источника питания, которые находятся во внутренних частях конструкции. При работе источника питания, например, сварочного трансформатора в результате прохождения тока нагреваются обмотки, а магнитопровод трансформатора греется при перемагничивании вследствие гистерезиса и от вихревых токов. Одновременно теплота отдается узлами источника окружающей среде.

Под перегревом понимают превышение температуры Т источника питания над температурой окружающей среды:

После включения источника питания температура Т повышается и температура перегрева нарастает, пока не достигнет установившегося значения_У, при котором повышение температуры Т прекращается. При 0_У количество теплоты, отдаваемой в окружающую среду в единицу времени, равно количеству теплоты, выделяемой в источнике питания. При изменениях нагрузки происходит изменение Т и

Неоднородность нагрева различных частей источника питания и сложность явлений теплообмена чрезвычайно затрудняют аналитические исследования теплового состояния источника питания, поэтому при тепловых расчетах делают ряд допущений. Различают три режима работы источников питания для дуговой сварки: продолжительный, перемежающийся и повторно-кратко временный. Продолжительным режимом называется такой режим, при котором источник успевает за время работы нагреть до температуры у.

На рис. а приведен график изменения нагрузки источника питания во времени P=f(t), а на рис. 1, б - кривая нарастания температуры во времени T=f(t) для продолжительного режима работы. Уравнение кривой нагрева T=f(t) для продолжительного режима работы при сделанных допущениях имеет вид:

Характеристики продолжительного режима работы источника питания: а - график изменения нагрузки во времени; б - кривая нарастания температуры

Величина подкасательной экспоненциальной кривой = f(t), имеющая размерность времени, называется постоянной времени нагрева. Она характеризует скорость возрастания во времени температур и Т данного источника. За время t, равное , температура перегрева достигает 63% от _У. Перемежающийся режим характерен тем, что время работы (сварки) чередуется со временем перерывов работе (пауз).

На рис. 24, а дан график изменения нагрузки во времени при перемежающемся режиме работы. При этом режиме за время работы t_р температура источника не успевает достигнуть значения установившейся температуры T_y, а за время перерывов в работе t_n источник не успевает охладиться до температуры окружающей среды Т₀ (рис. 1.24, 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 обычно выбирается как расчетное. На рис. 1.24, б оно обозначено Т_доп. 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. Перемежающийся режим записывают следующими выражениями:

или

Повторно-кратковременный режим отличается от перемежающегося тем, что источник питания, получающий энергию от силовой сети, во время пауз в работе отключается от сети (рис. 1.24, в). В таком режиме, например, работают источники питания для механизированной сварки под флюсом и универсальные источники (см. гл. 3). Повторно-кратковременный режим характеризуется продолжительностью включения, выражаемой в процентах:



Характеристики перемежающегося и повторно нагрева кратковременного режимов работы источника питания: 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.

Длительность цикла работы источников, предназначенных для ручной дуговой сварки, имеющих перемежающийся и повторно кратковременный режимы, принята равной 5 мин, а источников для механизированной сварки и универсальных - 10 мин.

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 известной из курса электропривода формулой

При этом, конечно, максимальная величина тока ограничивается расчетными данными установки.

Источники питания, предназначенные для внутрисоюзных поставок и для поставок на экспорт в страны с умеренным климатом, изготовляются в климатическом исполнении T с категориями размещения 2, 3, а также в исполнении УХЛ4 по ГОСТ 15150-69.

Для отдельных источников в исполнении У нижние значения температур окружающей среды могут отличаться от норм, указанных в стандартах. В этих случаях нижние значения температур оговариваются дополнительно. Источники питания, предназначенные на экспорт в страны с тропическим климатом, изготовляются в климатическом исполнении Т с категориями размещения 2, 3, а также в исполнении 04 по ГОСТ 15150-69 и ГОСТ 15969-70.

Единая система обозначений. Начиная с 1974 г. для электросварочного оборудования, выпускаемого промышленностью, принята система обозначений типов, описываемая структурой, приведенной на рис. 1.25, которую мы рассмотрим применительно к источникам питания. В структуре на месте буквы А проставляется сокращенное название изделия (Л - агрегат, В-выпрямитель, И - источник питания, П - преобразователь, Т - трансформатор); на месте буквы Б проставляется буква, обозначающая вид сварки (в нашем случае Д-дуговая); на месте буквы В проставляется буква (буквы), обозначающая способ сварки (Д - ручная штучным электродом, ДО-открытой дугой, ДФ - под флюсом, ДГ - в защитном газе). Так как буква Д повторяется под индексами Б к В, то в названиях она проставляется один раз (только для дуговой сварки). Дополнительно в буквенной части обозначения могут появляться буквы М-для многопостовых источников (однопостовые дополнительного обозначения не имеют), а также буквы Б или Д, обозначающие соответственно вид двигателя - бензиновый или дизельный - для агрегатов с приводным двигателем внутреннего сгорания.



Структура обозначений типов электросварочного оборудования

Цифровая часть обозначения, как правило, должна состоять из одного трех- или четырехзначного числа, первые одна или две цифры которого есть значение сварочного тока, округленное до целых десятков или сотен ампер, а две последние цифры (01, 02, 03 и т.д.) - регистрационный номер разработки.

После цифровой части без разделяющих знаков вводятся буквы (на месте буквы Г) и цифры, обозначающие климатическое исполнение и категорию размещения по ГОСТ 15150-69.

Приведем примеры обозначений:

1) выпрямитель многопостовой, для ручной дуговой сварки с номинальным током 1000 А, регистрационный номер разработки 01. климатическое исполнение У, категория размещения ВДМ-1001УЗ;

2) трансформатор сварочный однопостовой для ручной дуговой сварки с номинальным током 315 А, регистрационный номер разработки 01, климатическое исполнение У, категория размещения ТД-301У2.

Инвертор - новое поколение в ручной сварке. Он обладает совсем небольшими размерами и весом и способен работать в течение продолжительного времени. В отличие от других типов устройств, инверторы используют высокочастотный ток, следовательно, чтобы передать на электрод необходимую энергию не нужно мощного трансформатора. Сам процесс сварки происходит при постоянном токе, качество шва получается более высоким. Современные инверторы состоят из 2 выпрямителей, преобразователя, трансформатора и схемы управления. Все устройства этого типа снабжены силовыми транзисторами. Область применения сварочных инверторов это все виды электродуговой и плазменной сварки и резки, ограничений здесь нет. Полный переход всей сварочной техники и технологии на инверторные источники питания сдерживает только инерция мышления и повсеместно налаженное производство традиционных сварочных аппаратов. На перепрофилирование развернутого производства обычных трансформаторов и выпрямителей, конечно же, необходимо и время и деньги. Инверторы успешно применяются в следующих видах сварки:

Ручная дуговая сварка штучным электродом, часто обозначаемая аббревиатурой ММА (metal manual arc).Здесь сварочные инверторы получили наиболее широкое распространение. Это обусловлено, в первую очередь, малым весом и низким энергопотреблением аппарата. Сварщик легко перемещается вместе с аппаратом, подключая его к любой, в том числе бытовой электропроводке.

Аргонно-дуговая сварка (TIG - tungsten inert gas) на постоянном и переменном токе. Здесь преимущества инверторной схемы проявляются не столько в весе и энергопотреблении аппарата, сколько в возможности точной регулировки многочисленных параметров режима. Для аргонно-дуговой сварки это очень важно, так как с ее помощью варят ответственные изделия с высокими требованиями к качеству и внешнему виду шва.

Полуавтоматическая сварка (MIG/MAG - metal inert/active gas). Здесь инверторные схемы источников питания дают уникальную возможность так регулировать перенос металла (капельный, струйный, с периодическими замыканиями и т.д.), что можно почти устранить разбрызгивание металла, а это один из главных недостатков этого вида сварки.

Плазменно-дуговая резка (PAC - plasma arc cutting) - это новая передовая технология. Скорость резки высокая, а кромка ровная и аккуратная - сразу под сварку. И здесь инверторные аппараты CUT нашли свое достойное место благодаря их «умению» обеспечить стабильность основной и дежурной дуги, а главное вследствие мобильности этих аппаратов. Технические возможности сварочных инверторов. Они совершенно уникальны. Практически, инвертор с микропроцессорным управлением «думает» за сварщика, непрерывно анализируя ситуацию на дуге. Вот только некоторые программы, заложенные в микросхемы процессора:

Отключение напряжения на дуге при коротком замыкании (КЗ) электрода на свариваемую деталь (функция «anti sticking»). Срабатывает, через 0,5 сек. после начала КЗ. Прилипания, или как еще говорят «примораживания» электрода и нагрева аппарата не происходит.

А вот при правильном возбуждении дуги - легким касанием («чирканьем») электрода о деталь, инвертор генерирует дополнительный импульс тока (функция «hot start»). Возбуждение дуги существенно облегчается.

При неизбежных небольших местных КЗ в процессе сварки, инвертор генерирует серию коротких, но мощных импульсов тока, которые разрушают образующиеся перемычки из жидкого металла (функция «arc force»). Это особенно важно при сварке короткой дугой.

В результате, используя сварочный инвертор, мы получаем:

Стабильный постоянный ток, не зависящий от скачков входного напряжения;

Очень незначительное разбрызгивание металла при сварке;

Широкие возможности настройки режима для всех видов сварки плавлением - штучным электродом, аргонно-дуговой и полуавтоматической;

Исключительно низкое энергопотребление, что очень важно при включении инвертора в бытовую сеть или при его питании от электрогенератора;

Высокое качество сварного шва - за счет высокочастотной составляющей, происходит обжатие и стабилизация дуги, отсутствует эффект магнитного дутья, улучшается структура наплавленного металла.

Таким образом, возникает задача комплексного анализа источников питания дуги на основе технологической применимость, оптимальности технических характеристик и экономической эффективность источников питания дуги в технологических процессов сварки.

Размещено на Allbest.ru

...