Источники питания для дуговой сварки солодский

Обновлено: 15.05.2024

В учебном пособии изложены технические и технологические разработки источников питания для дуговой сварки, позволяющие понять принцип действия, устройство и требования, предъявляемые к источникам питания сварочной дуги. Описаны источники переменного тока, выпрямители и генераторы. Приведено устройство сварочных установок для сварки легких сплавов и специальных сталей. Предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальности 150202 "Оборудование и технология сварочного производства" и инженерно-технических работников, занятых в области сварочного производства.

СОДЕРЖАНИЕ
Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДУГОВОГО РАЗРЯДА
1.1. Общие сведения
1.2. Электрическая сварочная дуга
1.2.1. Катод и катодное пространство
1.2.2. Столб дуги
1.2.3. Анодная область
1.2.4. Ионизированные потоки газа в разрядном промежутке
1.2.5. Магнитное поле сварочной дуги
1.2.6. Статическая вольтамперная характеристика дуги
1.2.7. Статическая устойчивость системы источник питания - дуга
1.2.8. Эластичность дуги
1.3. Особенности горения дуги переменного тока
1.3.1. Постоянная составляющая сварочного тока
1.3.2. Трехфазная сварочная дуга
1.3.3. Требования к форме внешних характеристик источников питания
Глава 2. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ
2.1. Требования к источникам питания
2.1.1. Технико-экономические показатели
2.1.2. Структура обозначений типов электросварочного оборудования
2.1.3. Примеры обозначения оборудования для дуговой сварки
2.1.4. Классификация источников питания
Глава 3. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
3.1. Сварочные трансформаторы с механическим регулированием
3.1.1. Трансформаторы с подвижными обмотками
3.1.2. Трансформаторы с подвижными магнитными шунтами
3.1.3. Трансформаторы с нормальным магнитным рассеиванием и последовательно включенным дросселем
3.2. Сварочные трансформаторы с электронным регулированием
3.2.1. Работа тиристорного трансформатора
3.3. Трансформаторы с цепью подпитки
3.4. Трансформатор с прерывистым питанием дуги
Глава 4. СВАРОЧНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
4.1. Однопостовые сварочные выпрямители с механическим регулированием
4.1.1. Функциональные блок-схемы
4.1.2. Многофазные схемы выпрямления
4.1.2.1. Трехфазная мостовая схема выпрямления
4.1.2.2. Двойная трехфазная схема с уравнительным реактором
4.1.2.3. Простая шестифазная схема с нулевой точкой
4.1.2.4. Кольцевая схема выпрямления
4.1.3. Сварочный дроссель
4.1.4. Блоки подпитки
4.1.5. Датчики тока
4.1.6. Блок фазового управления
4.2. Многопостовые сварочные выпрямители
4.2.1. Многопостовые выпрямители для ручной дуговой сварки
4.2.2. Многопостовые выпрямители для механизированной сварки в углекислом газе
Глава 5. ИНВЕРТОРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
5.1. Параллельные инверторы
5.2. Последовательные инверторы
5.3 Двухтактный мостовой инвертор
5.4 Однотактный полумостовой инвертор
5.5 Резонансные преобразователи
5.6. Инверторный источник питания - энерго- и ресурсосберегающий фактор сварочного производства
Глава 6. СВАРОЧНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
6.1. Генераторы с независимым возбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой
6.2. Генераторы с самовозбуждением
6.3. Вентильные генераторы
Глава 7. УСТАНОВКИ ДЛЯ АРГОНОДУГОВОЙ СВАРКИ
7.1. Специализированные источники питания постоянного тока
7.2. Источники переменного тока
7.3. Блок цикла сварки
7.4. Блок поджига дуги
7.5. Блок нарастания тока и заварки кратера
7.6. Импульсный стабилизатор горения дуги
7.7. Устройство ограничения постоянной составляющей тока
Глава 8. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ СВАРОЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
8.1. Общие правила соединения источников питания для сварки на параллельную работу
8.2. Параллельное соединение сварочных трансформаторов
8.3. Параллельное соединение сварочных генераторов
Список литературы

экзам вопросы ИП / учебник ИП

С60 Источники питания для дуговой сварки: учебное пособие / С.А. Солодский, О.Г. Брунов, Д.П. Ильященко; Юргинский технологический институт – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 165 с.

В учебном пособии изложены технические и технологические разработки источников питания для дуговой сварки, позволяющие понять принцип действия, устройство и требования, предъявляемые к источникам питания сварочной дуги. Описаны источники переменного тока, выпрямители и генераторы. Приведено устройство сварочных установок для сварки легких сплавов и специальных сталей. Предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства» и инженернотехнических работников, занятых в области сварочного производства.

УДК 621.791.75.037 (075) ББК 30.61.я73

Заведующий кафедрой «Механики и инженерной графики» ЮТИ ТПУ, доктор технических наук, доцент

Главный научный сотрудник Института физики прочности и материаловедения СО РАН, доктор физико-математических наук, профессор

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДУГОВОГО РАЗРЯДА .

1.1. Общие сведения .

1.2. Электрическая сварочная дуга .

1.2.1. Катод и катодное пространство.

1.2.3. Анодная область .

1.2.4. Ионизированные потоки газа в разрядном промежутке.

1.2.5. Магнитное поле сварочной дуги .

1.2.6. Статическая вольтамперная характеристика дуги .

1.2.7. Статическая устойчивость системы источник питания - дуга

1.2.8. Эластичность дуги .

1.3. Особенности горения дуги переменного тока .

1.3.1. Постоянная составляющая сварочного тока.

1.3.2. Трехфазная сварочная дуга.

1.3.3. Требования к форме внешних характеристик источников

Глава 2. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ.

2.1. Требования к источникам питания .

2.1.1. Технико-экономические показатели.

2.1.2. Структура обозначений типов электросварочного

2.1.3. Примеры обозначения оборудования для дуговой сварки.

2.1.4. Классификация источников питания.

Глава 3. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА .

3.1. Сварочные трансформаторы с механическим регулированием . 57

3.1.1. Трансформаторы с подвижными обмотками.

3.1.2. Трансформаторы с подвижными магнитными шунтами .

3.1.3. Трансформаторы с нормальным магнитным рассеиванием и

последовательно включенным дросселем.

3.2. Сварочные трансформаторы с электронным регулированием .

3.2.1. Работа тиристорного трансформатора .

3.3. Трансформаторы с цепью подпитки .

3.4. Трансформатор с прерывистым питанием дуги .

Глава 4. СВАРОЧНЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ .

4.1. Однопостовые сварочные выпрямители с механическим

4.1.1. Функциональные блок-схемы .

4.1.2. Многофазные схемы выпрямления.

4.1.2.1. Трехфазная мостовая схема выпрямления.

4.1.2.2. Двойная трехфазная схема с уравнительным реактором

4.1.2.3. Простая шестифазная схема с нулевой точкой .

4.1.2.4. Кольцевая схема выпрямления .

4.1.3. Сварочный дроссель.

4.1.4. Блоки подпитки.

4.1.5. Датчики тока.

4.1.6. Блок фазового управления .

4.2. Многопостовые сварочные выпрямители .

4.2.1. Многопостовые выпрямители для ручной дуговой сварки 100

4.2.2. Многопостовые выпрямители для механизированной сварки

в углекислом газе .

Глава 5. ИНВЕРТОРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ.

5.1. Параллельные инверторы. .

5.2. Последовательные инверторы.

Двухтактный мостовой инвертор.

Однотактный полумостовой инвертор .

5.6. Инверторный источник питания – энерго- и

ресурсосберегающий фактор сварочного производства

Глава 6. СВАРОЧНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ.

6.1. Генераторы с независимым возбуждением и последовательной

6.2. Генераторы с самовозбуждением.

6.3. Вентильные генераторы .

Глава 7. УСТАНОВКИ ДЛЯ АРГОНОДУГОВОЙ СВАРКИ .

7.1. Специализированные источники питания постоянного тока .

7.2. Источники переменного тока .

7.3. Блок цикла сварки.

7.4. Блок поджига дуги .

7.5. Блок нарастания тока и заварки кратера .

7.6. Импульсный стабилизатор горения дуги .

7.7. Устройство ограничения постоянной составляющей тока .

Глава 8. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ СВАРОЧНЫХ

8.1. Общие правила соединения источников питания для сварки

на параллельную работу.

8.2. Параллельное соединение сварочных трансформаторов .

8.3. Параллельное соединение сварочных генераторов .

Глава 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДУГОВОГО РАЗРЯДА

1.1. Общие сведения

Сварка – технологический процесс получения неразъемного соединения частей изделия путем местного сплавления или совместного деформирования металлов этих частей по их примыкающим поверхностям, в результате чего возникает прочное сцепление металлов, основанное на межатомном взаимодействии. Одним из видов сварки для осуществления неразъемных соединений металлических изделий является дуговая сварка, при которой для плавления металлов используется энергия электрического дугового разряда, возбуждаемого и поддерживаемого в пространстве между электродом и изделием.

В зависимости от характера среды, в которой происходит дуговой разряд, существуют три вида электрической дуговой сварки:

1) дуговая электрическая сварка открытой дугой покрытым плавящимся металлическим или неплавящимся электродом;

2) дуговая электрическая сварка закрытой дугой под флюсом плавящимся металлическим электродом;

3) дуговая электрическая сварка плавящимся или неплавящимся электродом в среде защитных газов.

Электрическая дуга различается также по роду тока, переменного или постоянного, а также по характеру воздействия дуги как источника теплоты на свариваемый металл. Существуют дуги прямого, косвенного и смешанного действия. При сварке дугой прямого действия дуга горит между электродом и свариваемым изделием. При сварке дугой косвенного действия изделие не включено в сварочную цепь, а дуга горит между двумя электродами.

Зажигание дуги операция, предшествующая процессу сварки. Зажигание дуги осуществляется двумя способами. Первый, когда зажигание дуги осуществляется путем соприкосновения электрода и изделия непосредственно, что при небольшом давлении вызывает разогрев и испарение микровыступов. При последующем размыкании цепи путем отвода электрода от изделия в разогретом газовом промежутке возникает термоэлектронная эмиссия и совместно с напряженностью электрического поля приводит к ионизации дугового промежутка, в результате чего возникает электрическая дуга. При втором способе между электродом и изделием пропускается высоковольтный, высокочас-

тотный разряд, при этом дуговой промежуток ионизируется и возникает электрическая дуга.

Основная операция сварки изделия состоит в образовании сварного шва. Сварной шов образуется в результате расплавления электродного или присадочного материала и проплавления основного металла тепловой энергией дуги. Форма и площадь сечения сварного шва зависят не только от общей мощности дуги, но и от параметров режима ее горения, тока и напряжения дуги.

Скорость расплавления электродного металла увеличивается с увеличением сварочного тока и повышением плотности тока в электроде. При механизированной сварке в среде СО 2 с увеличением тока увеличивается глубина проплавления, а с увеличением напряжения дуги увеличивается ширина шва.

1.2. Электрическая сварочная дуга

Различают два состояния работы дугового разряда:

1. Состояние установившегося равновесия или работа в статическом режиме, когда напряжение и ток в системе (источник питаниясварочная дуга) в течение достаточно длительного времени не изменяют своей величины. Графическое изображение зависимости между напряжением и током дуги или источника ее питания в установившемся состоянии называются соответственно статической вольтамперной характеристикой дуги и внешней характеристикой источника питания.

2. Состояние неустановившегося равновесия или работа в переходном (динамическом) режиме, когда ток и напряжение в системе изменяют свою величину под влиянием внешних воздействий на систему или в результате изменения каких-либо параметров (изменение длины дуги, напряжения источника питания или сопротивления сварочной цепи и т.п.). Графическое изображение зависимости между напряжением и током дуги или источника питания в неустановившемся режиме называется динамической характеристикой.

Свойства дуги и источника ее питания в значительной степени определяются этими характеристиками. От вида этих характеристик и их соответствия друг другу зависит главным образом работа всей энергетической системы как в статическом, так и в переходном (динамиче-

ском) режиме. Статическая характеристика дуги U д = f(I д ) определяется свойствами дуги как нелинейного элемента электрической цепи, сопротивление которого зависит от тока. Это свойство дуги отличает ее от некоторых других видов потребителей электрической энергии, яв-

ляющихся линейными элементами, у которых сопротивление не зависит от тока, а напряжение нагрузки является линейной функцией тока.

Природа зависимости сопротивления дуги от тока и, следовательно, вид статической характеристики дуги как потребителя электрической энергии могут быть выяснены в результате изучения физических основ дугового разряда.

Электрическая дуга есть мощный разряд электричества в сильно ионизированной смеси газов и паров различных материалов, к которым

в первую очередь относятся материал электродов и вещество электродных покрытий или флюсов.

Дуговой разряд при сварке обычно происходит при более высоком давлении, чем атмосферное. Газы и пары различных материалов при низких температурах состоят из нейтральных молекул и атомов, т.е.,

в отличие от металлических проводников, не содержат свободных электронов. Поэтому газовый промежуток, в котором происходит мощный дуговой разряд, должен быть ионизирован, т.е. содержать электроны и ионы. Для ионизации газовой молекулы или атома необходимо сообщить им соответствующую энергию. Энергия ионизации, т.е. энергия выделения из нейтрального атома или молекулы одного электрона с образованием положительного иона, равна

где U i , - потенциал ионизации смеси газов или паров вещества, в которых горит дуга, В; е - заряд электрона в кулонах, равный 1,59·10 -19 Кл.

Среду, в которой происходит мощный дуговой разряд, можно в первом приближении рассматривать как газовый проводник, имеющий в средней части кругло-цилиндрическую форму. Вблизи электродов газовый проводник несколько сужается, до размеров активных пятен на электроде.

Активными пятнами называются локализованные наиболее нагретые участки на поверхности электродов, через которые проходит весь ток дуги. Активное пятно на отрицательном полюсе дуги - катоде – называется катодным пятном, а на положительном полюсе - анодным. Поперечные размеры средней части газового проводника несколько больше активных пятен и, как показали исследования, зависят от последних, в первую очередь от катодного пятна.

Газовый проводник по длине распределяется на три области, отличающиеся процессами, происходящими в них. Непосредственно к

электродам прилегают катодная и анодная области, а между ними расположена средняя часть - положительный столб дуги.

На рисунке 1–2 приведены графики, отражающие качественную картину распределения потенциалов по длине дуги, горящей в Ar при ручной дуговой сварке неплавящимся электродом и плавящимся электродом при механизированной сварке в СО 2 .

Рис. 1. Сварочная дуга: 1 – электрод (катод); 2 - столб дуги; 3 - поток раскаленных газов; 4 – изделие (анод)

Рис. 2. Схема дуги при сварке плавящимся электродом в защитных газах и схема распределения потенциала по длине дуги: 1 - плавящийся электрод

(анод); 2 - капля жидкого металла; 3 - столб дуги; 4 – поток раскаленных газов; 5 - жидкая ванна; 6 – изделие (катод)

Характерным для графиков является то, что в приэлектродных областях наблюдаются резкие изменения потенциалов по сравнению с изменением потенциалов в столбе дуги. Это объясняется различием физических процессов, протекающих в этих областях и в столбе дуги. Напряжение на дуге U д есть сумма разностей потенциалов в анодной области U а , в столбе дуги U с и в катодной области U к

U д U к U c U a , В.

По своей протяженности катодная область очень мала, ее длина не превышает нескольких длин свободного пробега ионов, т.е. ≈ 10 -4 мм. Анодная область имеет несколько большую протяженность и приблизительно равна длине свободного пробега электрона, около 10 -5 -10 -6 мм. Столб дуги можно рассматривать как однородный по всему объему проводник.

Общая длина дуги равна сумме длин всех трех областей. Так как протяженность приэлектродных областей чрезвычайно мала по сравнению с длиной столба дуги, то можно считать длину дуги равной длине столба

l д . l к . l с l а l c , мм.

1.2.1. Катод и катодное пространство

Процессы, происходящие на катоде в катодной области, имеют весьма большое значение для возникновения и устойчивости дугового разряда.

Электрические проводники при обычных низких температурах, в отличии от непроводников обладают некоторым количеством свободных электронов, связанных с орбитами каких-либо атомов. Эти свободные электроны при отсутствии электрического поля находятся в хаотическом движении и свободно перемещаются во всем объеме тела. Однако они не могут вылетать за пределы тела, так как равнодействующая сил притяжения между положительными ионами и свободными электронами направлена внутрь тела. Для выхода или вырывания свободного электрона за пределы тела необходимо сообщить ему дополнительную энергию или совершить работу против сил, удерживающих электрон внутри тела. Эта работа выхода или энергия освобождения одного электрона из твердого или жидкого тела выражается обычно в электрон-вольтах U e . Работа выхода, выраженная в эВ, определяется по уравнению

A в =U в ∙e = 1,59 -19 U В , эВ,

где U B - потенциал выхода электрона, В.

Работа выхода электрона из твердого тела обычно в 2-4 раза меньше энергии ионизации для того же вещества в газообразном состоянии. Для первичной ионизации смеси газов (паров) в дуговом про-

Источники питания сварочной дуги

Для дуговой сварке применяют как постоянный, так и переменный ток. Источниками постоянного тока являются сварочные генераторы (сварочные преобразователи и агрегаты), и сварочные выпрямители (селеновые и кремниевые). Источником переменного тока – сварочные трансформаторы, их применяют значительно чаще. Они более просты в изготовлении в эксплуатации, имеют небольшую массу и стоимость, а также обладают более высоким КПД и более долговечны. Однако при питании переменным током дуга горит неустойчиво, так как 100 раз в секунду напряжение и ток дуги проходят через нулевое значение, что приводит к временной деионизации дугового промежутка.

Постоянный ток предпочтителен в технологическом отношении, при его применении повышается устойчивость горения дуги, улучшаются условия сварки в различных пространственных положениях, появляется возможность вести сварку прямой и обратной полярности.

К источникам сварочного тока предъявляются следующие требования: они должны обеспечить легкое зажигание и устойчивое горение дуги, ограничивать величину тока короткого замыкания, должны быть безопасными в работе и обладать хорошими динамическими свойствами. Динамические свойства определяются временем восстановления напряжения от момента короткого замыкания, когда оно почти равно нулю, до значения 18−20В, когда происходит зажигание дуги. Это время не должно превышать 0,05 с, чем быстрее восстанавливается напряжение, тем динамичнее свойства источника питания.

Рис. 3. Внешние характеристики источников питания и сварочной дуги

Режим горения сварочной дуги определяется точкой пересечения характеристик дуги 1 и источника тока 2 (рис 3, б). Точка А называется точкой холостого хода – источник тока включен, развивая максимальное напряжение (60−80В), а сварочная цепь разомкнута. Точка В – точка неустойчивого горения дуги. При изменении соответствующей ей тока дуга либо гаснет, либо ток дуги возрастает до режима устойчивого горения. Точка С является точкой устойчивого горения дуги (U_р = 15−30В). Точка D соответствует режиму короткого замыкания, который имеет место при зажигании дуги и ее замыкании характеризуется малым напряжением, стремящимся к нулю, и повышенным, но ограниченным током (I_кз ≤ 1,5I_р), чтобы не допустить перегрева токопроводящих проводов и источников тока.

Сварочный трансформатор (рис. 4) снижает высокое напряжение сети (220 или 380В) до напряжения холостого хода (60−80В). Кроме того, трансформатор создает на дуге падающую внешнюю характеристику. Для этого последовательно с дугой и вторичной 2 обмоткой трансформатора включают реактивную (дроссельную) катушку 3. Во время прохождения сварочного тока в витках дроссельной обмотки 3 индуктируется ЭДС самоиндукции противоположно направленная основной ЭДС трансформатора. Поэтому напряжение, подведенное к дуге, снижается от значения холостого хода до 18−30В во время горения дуги и почти до нуля при коротком замыкании. Ток в трансформаторе регулируется изменением величины самоиндукции дросселя при увеличении или уменьшении воздушного зазора S между подвижной 1 (надо рисовать) и неподвижной 2 частями его сердечника. С увеличением зазора S самоиндукция дросселя, которая зависит от магнитного потока сердечника, уменьшается, а напряжение на дуге и, следовательно, сварочный ток увеличивается. При уменьшении зазора – на оборот. Благодаря наличию индуктивного сопротивления достигается падающая внешняя характеристика источника сварочного тока.

Рис. 4. Схема сварочного трансформатора

Сварочные преобразователи. Для сварки источниками постоянного тока служат сварочные преобразователи и сварочные агрегаты. Сварочный преобразователь состоит из генератора постоянного тока и приводного электродвигателя, сварочный агрегат – из генератора и двигателя внутреннего сгорания (д.в.с.). Сварочные агрегаты применяются для работы в полевых условиях и в тех случаях, когда в питающей электрической сети сильно колеблется напряжение. Генератор и д.в.с. (бензиновый или дизельный) монтируются на общей раме без колес, на катках, колесах, в кузове автомашины и на базе трактора.

Рис. 5. Схема сварочного генератора

Рассмотрим схему генераторов с намагничивающей параллельной и разма-гничивающей последовательной обмотками возбуждения (рис. 5). Отличительной особенностью генераторов такой схемы является использование принципа само-возбуждения. Поэтому их полюса изготовляются из феромагнитной стали, имеющий остаточный магнетизм.

Как видно из схемы (рис. 5 ) генератор имеет на основных полюсах две обмотки: обмотку возбуждения Н и последовательно включенную размагничивающую обмотку С. Обмотка Н подключена к дополнительной с и основной а щеткам генератора, напряжение между которыми постоянно по величине и не меняется с изменением нагрузки. Магнитный поток Ф_н этой обмотки постоянен по величине, поэтому обмотку Н называют обмоткой независимого возбуждения.

При холостом ходе э.д.с. генератора индуктируется только магнитным потоком Ф_н. При зажигании дуги сварочный ток проходит через последовательную обмотку С, которая подключена к основным щеткам а и б так, что магнитный поток Ф_с направлен против магнитного потока Ф_н. Этим обуславливается размагничивающее действие последовательной обмотки. ЭДС, индуктируемая в якоре генератора, тем меньше, чем больше магнитный поток Ф_с, величина которого зависит от тока сварочной цепи. Чем меньше ток в сварочной цепи, тем меньше Ф_с и тем выше напряжение генератора. При коротком замыкании, т.е. при максимальном токе в сварочной цепи, магнитный поток Ф_с последовательной обмотки почти равен магнитному потоку Ф_н обмотки независимого возбуждения, и напряжение на зажимах генератора близко к нулю. Взаимодействием магнитных потоков двух обмоток обеспечивается падающая внешняя характеристика сварочного генератора..

Сварочные выпрямители. Сварочные выпрямители – это устройства, преобразующие с помощью полупроводниковых элементов (вентилей) переменный ток в постоянный и предназначенные для питания сварочной дуги. Их действие основано на том, что полупроводниковые элементы проводят ток только в одном направлении.

Принципиальная электрическая схема сварочного выпрямителя представлена на рис. 6. Сварочный выпрямитель состоит из двух основных частей: понижающего трехфазного трансформатора I с регулирующим устройством и выпрямительного блока ВС, состоящего из селеновых (или кремниевых) вентилей. Конструкцию сварочного выпрямителя несколько усложняет входящий в него вентилятор ДВ для охлаждения выпрямительного блока. Включение выпрямителя в работу производится пакетным выключателем ПВ. Вентилятор сблокирован с выпрямителем воздушным реле РКВ. При нормальной работе вентилятора срабатывают реле контроля вентиляции РКВ, включаемое потоком воздуха от вентилятора, и магнитный пускатель ПМ, соединяющий обмотки сварочного трансформатора с сетью. Если вентилятор поврежден, то выпрямитель не включается, если повреждение произойдет во время работы, то выпрямитель выключится.

Рис. 6. Схема трехфазного выпрямителя

Сварочные выпрямители перед преобразователи имеют следующие преимущества: более высокий КПД и меньше потери на холостом ходу, лучшие динамические свойства, меньшую массу, большую надежность и простоту обслуживания при эксплуатации, бесшумность при работе, большую экономичность при изготовлении. Основной недостаток сварочных выпрямителей – их большая чувствительность к колебаниям напряжения сети, чем у сварочных преобразователей. Подобно сварочным генераторам они могут быть однопостовыми и многопостовыми и иметь падающую, пологую или жесткую внешнюю характеристики. Для создания падающей характеристики используются сварочные трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием или для этой цели служит дроссель. Для ручной сварки применяют выпрямители с падающей внешней характеристикой.

Источники питания для дуговой сварки

Источники питания для дуговой сварки обеспечивают процесс сварки электрической энергией. В тоже время, они оказывают существенное влияние на характер протекания процесса сварки (в первую очередь, на качество и производительность). Поэтому более глубокое понимание свойств источников питания и принципов их работы является обязательным для тех, кто собирается работать в области сварки (хотя, конечно, нижеприведенная краткая классификация источников питания и несколько упрощенное рассмотрение их свойств не предполагают предоставления полной информации по этому вопросу). В статье мастер сантехник рассмотрит виды источников питания электрической дуги при сварке.

Источник питания для сварочных работ любого вида и класса должен удовлетворять следующим ключевым характеристикам:

Обеспечивать легкость зажигание дуги;
Поддерживать стабильное горение;
Контролировать верхний порог тока короткого замыкания;
Обладать хорошей динамикой;
Соответствовать требованиям по электробезопасности.

Под динамикой в данном случае понимается скорость восстановления напряжения от момента контакта электрода с массой (возникновения короткого замыкания) до вспыхивания дуги, то есть образования электрического пробоя воздуха.

Дуга вспыхивает при напряжении около 20 В. Время от момента короткого замыкания до вспышки дуги у хорошего источника питания должно составлять не более 0,05 секунды. Чем оно меньше, тем динамика выше.

Краткая классификация источников питания для дуговой сварки

По предназначению — для ручной сварки, сварки под флюсом или в среде защитного газа (например, аргонодуговой);
По числу сварочных постов, которые можно подключить единовременно;
По способности передвигаться — мобильные и стационарные;
По способу производства энергии — преобразователи или производители;
По роду выходного тока;
По ВАХ (вольт-амперная характеритика).

Основными параметрами сварочного аппарата для сварщика являются назначение данного конкретного агрегата и сварочный ток, который он выдает. Во многих случаях ключевым требованиям является подбор нужной вольт-амперной характеристики (ВАХ).

Так, например, для сварки в среде защитных газов требуются устройства с жесткой характеристикой, варящие постоянным током. Для ручной и полуавтоматической сварки под флюсом применяются аппараты переменного и постоянного тока с падающей характеристикой.

Некоторые современные источники питания сварочной дуги универсальны: имеют много режимов работы, в том числе позволяют менять род сварочного тока и изменять его ВАХ.

Четыре вида преобразователей

Основное различие между источниками питания сварочной дуги, определяющее их технические характеристики, массу, габариты и сферу применения — это различия по принципу преобразования электротока.

Существуют следующие виды источников:

Трансформаторы;
Выпрямители;
Преобразователи;
Инверторы.

Особняком стоят генераторы, так называемые агрегаты. Эти машины — не вторичные, а первичные источники энергии, они не преобразуют тем или иным способом питание от городской или промышленной сети, а вырабатывают его сами.

Как правило, агрегаты строятся на базе двигателя внутреннего сгорания — бензинового или дизельного. Первые — дешевле, вторые имеют большую мощность и моторесурс.

Это самый простой тип сварочного аппарата. Основой ему служит дроссель — реактивная катушка индуктивности.

Простой понижающий трансформатор понижает вольтаж сети до величины холостого хода — 60…80 В. В дальнейшем при работе поддерживается напряжение сварки в 20 В.

Трансформатор варит только переменным током. Его достоинство состоит в простоте конструкции (можно изготовить своими руками, рассчитав число витков обеих намоток).

Он имеет высокий КПД, сравнительно небольшой расход энергии, отличается надежностью в сочетании с ремонтопригодностью. Трансформаторный источник питания дуги бесшумно работает, относительно немного стоит.

Но использование для сварки переменного тока имеет и определенные недостатки. У такого источника питания сварочной дуги большие габариты и очень большая масса.

Дуга горит нестабильно, и сильно зависит от скачков питающего напряжения. Возникает необходимости в использовании специальных покрытых электродов. Перечень металлов и сплавов, которые можно варить переменным током (в основном это низкоуглеродистые стали), ограничен.

Как следует из названия, это устройство, выпрямляющее переменный ток, то есть преобразующее его в постоянный. Для этого используются полупроводниковые элементы на основе селена либо кремния.

У выпрямителей есть много достоинств. Это бесшумная работа, высокий КПД (выше, чем у трансформаторов), широкий диапазон использования (можно варить любые металлы и сплавы). У такого источника питания малые потери на холостом ходу, сравнительно небольшие габариты и вес и малое потребление энергии.

Недостатков у них немного, но, к сожалению, они довольно существенные. Выпрямители, как источники питания сварочной дуги, очень сильно нагреваются во время рабочего процесса, поэтому нуждаются в хорошей системе охлаждения, за которой надо тщательно следить.

Кроме того, они очень чувствительны к скачкам напряжения, не любят пыли, которая может вывести из строя систему охлаждения, и достаточно дороги.

Ниже представлены наиболее распространенные типы сварочных выпрямителей:

Однофазный сварочный выпрямитель с регулировкой тока сварки с помощью магнитного шунта трансформатора

Выпрямители этого типа обычно небольших размеров, недорогие и предназначаются для дуговой сварки покрытыми электродами.

Трехфазный сварочный выпрямитель с регулировкой тока сварки с помощью подвижных обмоток трансформатора

Обычно промышленные сварочные выпрямители выполняются по трехфазной схеме. Главными достоинствами такой схемы являются:

Равномерное распределение нагрузки по трем фазам силовой сети;
Более высокое качество выпрямления (кривая выпрямленного напряжения имеет меньшие пульсации и по форме близка к прямой).

Трехфазный сварочный выпрямитель с регулировкой напряжения холостого хода секционированием витков обмоток трансформатора

Секционированием витков первичной обмотки трансформатора можно изменять его коэффициент трансформации и, соответственно, выходные параметры. Это простой, надежный и дешевый способ регулирования, но изменять параметры с его помощью можно только ступенчато. Причем, если не предусмотрено двухдиапазонного регулирования или если число ступеней регулирования мало, настройка напряжения будет довольно грубой. При этом способе регулирования также невозможно использовать дистанционное управление. Однако он часто используется в дешевых источниках питания для сварки МИГ/МАГ.

Тиристорный сварочный выпрямитель

Тиристор представляют собой управляемый диод. Внешне тиристор выглядит также как и диод, но имеет дополнительный управляющий электрод, по которому он получает сигналы управления, и которые его отпирают (открывают) в заданный момент полупериода напряжения. Этот момент называется углом отпирания тиристора. Запирается тиристор автоматически (самостоятельно) при окончании полупериода напряжения, т.е. когда напряжение на нем снизится до нуля. Регулирование напряжения и тока на выходе источника питания осуществляется изменением угла отпирания тиристора. Чем меньше угол отпирания тиристора, т.е. чем большую часть полупериода напряжения он оказывается открытым, тем выше сила тока на выходе выпрямителя. При использовании больших углов отпирания тиристора значение выходных параметров снижается при одновременном повышении их пульсаций. Для снижения пульсации напряжения и тока на выходе тиристорных источников питания устанавливают большие катушки индуктивности. Индуктивность является эффективным средством по сглаживанию электрических сигналов, но, в то же время, она ухудшает динамические свойства источника питания.

Тиристорные выпрямители являются, как правило, универсальными, т.е. такими которые обеспечивают как падающие, так и пологопадающие внешние вольтамперные характеристики и таким образом, могут быть использованы как для ручной дуговой сварки покрытыми электродами, так и для полуавтоматической и автоматической сварки в защитных газах и под флюсом.

Преобразователь — устройство, механическим способом превращающее переменный ток в постоянный. По сути своей это электродвигатель, который вращает вал генератора постоянного тока. Когда-то это были первые устройства, способные производить сварку постоянным током.

По похожему принципу работают и генераторы, питающиеся от бензинового или дизельного мотора.

Несмотря на кажущуюся нелогичность конструкции, преобразователи также имеют свои плюсы и минусы. Основное их достоинство в том, что эти аппараты нечувствительны к перепадам напряжения — ток на выходе всегда имеет стабильную характеристику.

Кроме того, они могут выдавать очень большой ток — 300, 500, некоторые модели 1000 А. В некоторых видах работ, например, при сварке толстых металлических плит, это принципиально.

Их недостатки заключаются в большой массе (до 500 кг), а также в необходимости регулярного ТО из-за наличия вращающихся с высокой скоростью деталей. КПД преобразователей невысок из-за трат энергии на раскрутку вала двигателя.

Основные свойства сварочных инверторов

Инверторы — особый класс источников питания сварочной дуги. Это сварочные аппараты, которые оптимально подходят для бытовых нужд.

Благодаря малым размерам и удобству в обращении они активно используются там, где нужна мобильность, а также есть ограничения по мощности, которую можно взять от сети.

Большинство инверторных источников питания сварочной дуги можно включать в обычную розетку, не боясь перегруза сети.

Принцип действия этих устройств заключается в инверсии — зеркальном превращении одного состояния энергии в другое. Инверторный аппарат осуществляет сварку переменным током высокой частоты, который он получает из постоянного тока, а его, в свою очередь — из промышленного переменного.

Инверсия позволяет увеличить частоту тока в 1000 раз — до 50 кГц. За счет этого удалось добиться существенного снижения размеров и веса аппарата.

Благодаря некоторым инверторным источникам питания сварочной дуги можно производить сварку и постоянным, и переменным током, в зависимости от режима.

К их достоинствам, кроме габаритов, относится малое энергопотребление, высокий уровень безопасности, плавная регулировка выходного тока и малое разбрызгивание расплава при сварке.

Список недостатков невелик. Аппарат нуждается в тщательном уходе и защите от пыли, не любит морозов, и не очень дешев в ремонте. Инвертор можно назвать оптимальным аппаратом для ручной сварки.

Читайте также: