Источники питания электрической дуги для ручной дуговой сварки

 Несмотря на то, что дуга переменного тока менее устойчива, чем дуга постоянного тока, сварочные трансформаторы находят широкое применение. Это объясняется тем, что они более просты в изготовлении и менее прихотливы при обслуживании, чем другие источники.

Трансформаторы экономичны: их КПД достигает 85 %, они имеют меньшую стоимость. Сегодня на предприятиях встречаются сварочные трансформаторы с повышенным магнитным рассеянием с подвижной обмоткой серии ТС, ТСК, ТД, ТДМ. Среди них более удачное схемное и конструктивное решение воплощено в трансформаторах нового поколения с подвижными обмотками серии ТДМ [3].

Особенностью конструкции трансформаторов с повышенным магнитным рассеянием является то, что первичная и вторичная обмотки расположены на общем магнитопроводе на некотором уда-лении друг от друга. Причем одна из обмоток является подвижной. 

Принцип действия трансформаторов этих серий иллюс-трирует рис. 2.1. Они имеют стержневой удлинённый магнитопровод 3, цилиндрическую первичную 1 и вторичную 2 обмотки с числами витков W₁ и W₂ соответственно.

Каждая из обмоток разбиты на две катушки, охватывающие стержни магнитопровода. Основной магнитный поток трансформа-тора Ф _т замыкается по магнитопроводу, а потоки рассеяния Ф _1р и Ф _2р - по воздуху в пространстве между первичной и вторичной обмоткам. Поэтому значительная часть магнитных потоков рассеяния первичной обмотки не достигает витков вторичной и они рассеиваются. Другими словами, на пути движения магнитного потока из первичной обмотки во вторичную имеется значительное индуктивное сопротивление. Индуктивное сопротивление трансфо-рматора х _т сильно зависит от числа витков вторичной обмотки W ₂, а также конструктивных параметров трансформатора: ширины магни-топровода b, высоты катушек h _1об, h _2об и расстояния между ними C_ок:

                     (2.1)

В уравнении (2.1) все геометрические размеры по рис. 2.4 приведены в сантиметрах. Видно, что зависимость индуктивного сопротивления трансформатора х _т от расстояния между обмотками l _об линейная. В режиме нагрузки (рис. 2.2) сила тока во вторичной обмотке трансформатора будут соответствовать следующей зависимости:

                                                               (2.2)

где х _т - полное индуктивное сопротивление трансформатора (вклю-чающее индуктивное сопротивление рассеяния);

     U ₂ – напряжение во вторичной обмотке трансформатора (холо-стого хода), значение которого приводится в паспорте трансформа-тора. Для сварочных трансформаторов оно по условиям электро-безопасности при проведении сварочных работ не должно превышать 80 В. Чем выше напряжение холостого хода трансформа-тора, тем легче возбуждается дуга;

    U _{д -} – напряжение сварочной дуги.

      Из выражения (2.2) следует, что регулировку тока при сварке можно осуществлять изменением напряжения холостого хода U ₂, т. е. изменением соотношения числа витков W ₁ /W ₂и изменением х _т. Однако параметры U ₂ и W ₁ /W ₂  заложены в конструкцию трансформатора и имеют зависимость . Поэтому регулировку сварочного тока осуществляют изменением индуктивного сопротивления х _т, которое достигается изменением расстояния между обмотками.

Для регулирования режима сварки в обойму крепления катушек вторичной обмотки вмонтирована неподвижная гайка 6, в которую ввинчивается или вывинчивается из неё ходовой винт 4 при вращении рукоятки. При этом изменяется расстояние между подвижной и неподвижной обмотками трансформатора l _об, что приводит к измене-нию  магнитных потоков рассеяния Ф _р. При увеличении расстояния l _об между обмотками W ₁ и W ₂ магнитные потоки рассеяния возрастают, также возрастает индуктивное сопротивление вторичной обмотки (согласно 2.1), а сварочный ток уменьшается. При уменьшении расстояния между обмотками W ₁ и W ₂ идет обратный процесс. Так происходит плавное регулирование силы сварочного тока.

Падающая внешняя характеристика у трансформатора с подвиж-ными обмотками получается благодаря увеличенному магнитному рассеянию, вызванному размещением первичной и вторичной обмоток на значительном расстоянии l _об друг от друга, а также конструкции магнитопровода.

2.2. Сварочные выпрямители [1]

Для ручной сварки предназначены выпрямители с крутопадаю-щими характеристиками, которые формируются различными спосо-бами: 1) увеличением индуктивного сопротивления трансформатора (выпрямитель с трансформатором с подвижными обмотками или с магнитным шунтом); 2) использование обратной связи по току (тиристорный, транзисторный и инверторный выпрямители). Наибо-лее простой способ заключается в том, что сварочный выпрямитель комплектуется силовым трансформатором с падающей характерис-тикой. Трансформаторы для сварочных выпрямителей выполняются трехфазными. Это не только обеспечивает равномерное нагружение фаз питающей сети, но и снижает пульсацию выпрямленного тока. В любом сварочном выпрямителе можно выделить следующие элемен-ты: силовой понижающий трансформатор,  выпрямительный блок и пускозащитную аппаратуру. По такому принципу сконструированы сварочные выпрямители ВД – 201, ВД – 201 У1, ВД – 306, ВД – 306 У3, ВД – 306 С1.

Сварочный выпрямитель ВД–306 С1.   В него входят силовой трансформатор с подвижными катушками (рис. 2.2). На метал-лической раме 10 размещены выпрямительный блок 1 и трехфазный понижающий трансформатор 2 с усиленными магнитными полями рассеяния.

 С четырех сторон конструкция защищена кожухом, а сверху крышкой, на которой размещена рукоятка 3 плавного регулирования сварочного тока. На лицевой панели трансформатора расположены кнопки 4 «Пуск» и «Стоп», переключатель 5 диапазонов сварочного тока, амперметр 6, два разъема 8 для подключения сварочного кабеля, имеющих соответствующую полярность (+) и (—), и штепсельный разъем 9 для подключения выпрямителя к сети. Металлическая рама 10 установлена на двух колесах 7. Грубая регулировка тока осуществляется одновременным переключением первичной и вторичной обмоток трансформатора переключателем 5.

Рис. 2.2. Выпрямитель ВД – 306 С1: а – вид сбоку со снятым кожухом; б – общий вид

При включении по схеме «звезда-звезда» (Y/Y), обеспечивается ступень малых токов, а по схеме «треугольник-треугольник» (Δ/Δ) - ступень больших токов. В пределах каждой ступени плавное регули-рование тока производится изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками поворотом рукоятки 3. Значение сварочного тока определяется по указателю со шкалой 12, расположенные сбоку кожуха трансформатора.

Упрощенная принципиальная схема выпрямителя ВД – 306 С1 приведена на рис. 2.3. Выпрямительный блок собран на кремниевых диодах. Для обеспечения необходимого температурного режима диодов в выпрямительном блоке имеется вентилятор 11(см. рис. 2.2). Включение выпрямителя в работу и выключение производятся магнитным пускателем. Защитная аппаратура не позволяет включать выпрямитель, если на диоды не поступает воздушный поток, а также, если вышел из строя один из диодов или произошел пробой сетевого напряжения на корпус. Описанная пускозащитная аппаратура является традиционной для сварочных выпрямителей. Трехфазное сетевое напряжение промышленной частоты в 50 Гц трансформа-тором Тр понижается до 75 В. Затем пониженное напряжение той же частоты, что и сетевое, в выпрямительном блоке выпрямляется до U _вып и повышает свою частоту до 300 Гц.

Рис. 2.3. Упрощенная электрическая принципиальная схема выпрямителя ВД – 306 С1: Тр – трансформатор с падающей характеристикой; В – выпрямительный блок на кремниевых диодах

Внешние характеристики выпрямителя приведены на рис. 2.4.

Выпрямители   серий ВД – 201 и ВД – 306 просты в изготовлении и эксплуатации. Их недостатки - в отсутствии стабилизации режима при изменении напряжения сети и невозможности дистанционного управления.

2.3. Инверторные источники питания [1,3]

В начале 80-х годов финская фирма «Кемпи» начала произво-дить инверторные источники питания дуги. В них, с помощью транзисторов, сетевое напряжение частотой 50 Гц после выпрямления преобразовывается в высокочастотное. Высокая частота позволяет заменить железный сердечник сварочного трансформатора на ферритовый^[4], что уменьшает массу выпрямителя в ≈10 раз. До середины 90-х годов инверторные источники выпускались неболь-шой мощности (до 160 А). В середине 90-х годов появилось новое поколение, так называемых, полевых транзисторов, способных выдерживать большие токи. Это позволило приступить к выпуску промышленных инверторов на токи до 300…500 А.

Основным отличием инверторных источников питания от традиционных сварочных выпрямителей является наличие в его конструкции специальных устройств – инверторов.

 Инверторы – это устройства, которые преобразуют энергию постоянного тока в энергию переменного тока с заданной формой импульсов, частотой, амплитудой и выходным напряжением.

На практике в сварочных источниках питания наиболее часто применяются однофазные инверторы. Частота переменного тока инвертора f = 1/ Т, где Т – длительность его периода, ограничивается динамическими характеристиками применяемых электронных элементов. Она задается устройством (блоком) управления и устанавливается обычно 1…60 кГц.

С повышением частоты напряжения питания сварочной дуги при прочих равных условиях уменьшаются размеры и масса трансфо-рматора, а также увеличивается индуктивное сопротивление его обмоток. Поскольку частота на выходе инвертора не зависит от частоты питающей сети, то такой инвертор называют автономным.

  Инверторный сварочный аппарат ИН – 200ИУ2. Аппарат выполнен в металлическом корпусе (рис. 2.5), с воздушной принуди -

а – с лицевой стороны; б – с задней стороны

тельной системой охлаждения полупроводниковых элементов. На лицевой панели имеются регулятор величины сварочного тока 1, световая сигнализация 2, 3, выходные разъёмы для подсоединения сварочных проводов 4. На задней панели имеются автоматический выключатель 6 и выход питающего кабеля 7. Входной выпрямитель В _вх преобразует переменное напряжение сети 220 В (~ 50 Гц) в постоянное (рис. 2.6). Инвертор Ин на четырёх транзисторах преобразует постоянное напряжение в переменное высокочастотное (~ 50 кГц). Далее напряжение (~ 220 В) понижается высокочастотным трансформатором Тр до сварочного (~ 85 В), выпрямляется выходным выпрямителем В _вых и сглаживается дросселем Др (фильтром) L – C.

Рис. 2. 6. Функциональная схема инверторного сварочного аппарата

Использование ферритового сердечника в инверторном аппарате позволило уменьшить его массу до 8 кг (для сравнения – масса выпрямителя ВД–306 С1 составляет 80 кг).  

Кроме снижения массы выпрямителя большая частота транс-формируемого тока приводит к сокращению длительности пере-ходных процессов с 0,02 сек до 0,001 сек, что уменьшает разбрызгивание металла при сварке. Регулировка режима сварки (получение падающей вольт - амперной характеристики и регу-лировка вторичного напряжения) осуществляется путём изменения частоты. Падающая внешняя характеристика обеспечивается сле-дующим образом: с увеличением I _св автоматически снижается часто-та f, что влечет уменьшение выходного напряжения. Для его стабилизации вводится обратная связь по напряжению: например, при неожиданном уменьшении напряжения на дуге U _давтоматически увеличивается f и напряжение U _дувеличивается до заданного.

Таким образом, воздействие на параметры инвертора по­зволяет регулировать режим сварки и формировать внешние характеристики выпрямителя.

Сегодня в России сварочные инверторы выпускают несколько предприятий («Технотрон» г. Чебоксары, Рязанский радиозавод и др.). Инверторные сварочные выпрямители относятся к наиболее перспективным и интенсивно развивающимся сварочным источникам питания.