5.2. Электрические характеристики сварочного контура

При рассмотрении задачи управления технологическими параметрами дуговой сварки необходимо проанализировать физико-технологические свойства элементов контура источник питания — дуга.

Сварочная дуга. Дуга представляет собой мощный установившийся электрический разряд в ионизированной смеси газов и паров веществ, входящих в состав электрода, электродного покрытия и флюса. Электропроводность межэлектродного промежутка обусловлена наличием электрически заряженных частиц — электронов и ионов. Под действием напряжения источника электроны перемещаются к аноду, а ионы — к катоду. Электрические свойства дуги определяются процессами, протекающими в трех характерных зонах — столбе дуги, катодной области и анодной области дуги.

Статическая характеристика (СВАХ) представляет собой зависи­мость напряжения дуги от ее тока U_д =f(I_д) (рисунок. 5.2). Ее строят по эк­спериментальным данным при плавном изменении тока и сохранении неизменными физических условий ее горения. В частности, должны ос­таться постоянными диаметр электрода d_э, длина дуги l_д материал электрода и состав газа. Дуга имеет криволинейную статическую харак­теристику (рисунок. 5.2) и, следовательно, является нелинейным элементом электрической цепи, т.е. таким, у которого активное сопротивление не постоянно, а меняется с изменением тока. На характеристике выделяют три участка: падающий (I), жесткий (II) и возрастающий (III). Наклон характеристики принято оценивать величиной дифференциального сопротивления ρ_д, которое представляет собой производную напряжения дуги по току в данной точке А характеристики, т.е. предел отношения приращения напряжения к соответствующему приращению тока:

Рисунок. 5.2 – Статическая вольт-амперная характеристика дуги

Типы внешних вольт-амперных характеристик современных источ­ников чрезвычайно разнообразны (рисунок. 5.3), используются как возраста­ющие 1, так и жесткие 2 и падающие 3 характеристики. В общем случае эти характеристики являются нелинейными, поэтому полезно ввести понятие дифференциального сопротивления источника, соответствую­щего tgα_д (см. рисунок. 2.7, б)

Рисунок. 5.3 – Типичные внешние вольт-амперные характеристики источников

5.3 Динамические свойства источника

Переходные процессы в системе «источник постоянного тока — линейное активное сопротивление» проще, чем в системе с дугой, это облегчает анализ динамических свойств источника. Рассмотрим осцил­лограмму тока при переходе такой системы, показанной на рисунок. 5.4, от режима холостого хода к короткому замыканию, а затем к режиму нагрузки (рисунок. 5.5). В интервалах I, III и V энергетическая система находится в установившемся состоянии, характеризующемся относитель­ным постоянством тока (и напряжения). В переходных процессах II и IV происходит изменение параметров.

Рисунок. 5.4 – Обобщенная схема системы «источник—дуга»

Рисунок. 5.5 – Осциллограмма переходных процессов в системе «источник — линейное сопротивление»

Рисунок. 5.6 – Осциллограммы напряжения типичных сварочных источников

Переходные процессы в реальной системе «источник — дуга» чрез­вычайно динамичны. Интервалы установившегося состояния длятся не более нескольких секунд. Реальная осцил­лограмма сварочного тока выявляет непрерывную череду пе­реходных процессов, редко завершающихся до конца, а зачастую накладывающихся друг на друга. Переходные процессы возни­кают как в результате целесообразных уп­равляющих, так и вредных возмущающих воздействий. Управляющие воздействия со стороны сварщика вызывают переход от ре­жима холостого хода к короткому замыка­нию и далее к режиму нагрузки, плавное снижение тока при удлинении дуги в конце сварки и т.д. Возмущающие воздействия мо­гут быть внешними, такими, как колебания напряжения сети, или внутренними, возни­кающими, например, при капельном перено­се электродного металла. Импульсные воз­действия могут генерироваться источником для управления переносом электродного ме­талла (рисунок. 5.6, а) и формированием шва (рисунок. 5.6, б). Но чаще пульсирующий харак­тер питающего напряжения считается недо­статком, такое напряжение имеют, напри­мер, трехфазные сварочные выпрямители (рисунок. 5.6, в) и особенно однофазные выпрямители без сглаживающего фильтра (рисунок. 5.6, г). В режиме непрерывного переходного процесса идет сварка дугой переменного тока (рисунок. 5.6, д). В этой связи возникает воп­рос о правомерности понятия статической вольт-амперной характерис­тики применительно к источникам переменного и выпрямленного несглаженного тока. Однако доказано, что если статическая характеристика такого источника построена для действующих (или средних) значений тока и напряжения, то почти все выводы, полученные для источника по­стоянного тока, с известной точностью распространяются и на нее.

Общие принципы управления динамикой, укладываю­щиеся в три классификационных подразделения.

В простейших источниках необходимый уровень динамических свойств обеспечивался подбором таких параметров источника, как на­пряжение холостого хода U_хх, внутреннее сопротивление Z_H, а также индуктивность сварочной цепи L. Различные переходные процессы предъявляют к перечисленным параметрам различные, зачастую про­тиворечивые требования, поэтому принятые при конструировании или настройке режима, но не меняющиеся при сварке параметры обычно удовлетворяют не всем требованиям. Этот принцип управления дина­микой назван параметрическим.

Другой принцип (координатный) заключается в программном уп­равлении, т.е. изменении тока и напряжения во времени в соответствии с жестким алгоритмом. Быстродействие таких систем связано с частотой срабатывания силовых элементов источника. Так, современные управ­ляемые выпрямители работают с частотой включения тиристоров не более 300 Гц, поэтому продолжительность любого интервала программы не может быть меньше 1/300 ~ 0,003 с. Такое быстродействие удовлет­воряет требованиям систем управления формой шва, но не всегда достаточно при управлении переносом электродного металла. Лучшим быстродействием обладают инверторные выпрямители, у которых на промежуточной стадии преобразования энергии частота достигает 1-100 кГц.

Развиваются также источники с обратными связями. В них с помощью датчиков тока и напряжения контролируется фактическое значение характеристик переходного процесса (пикового тока, длительности короткого замыкания и т.д.), а после сопоставления их с регламентированными значениями система управления воздействует на источник, приводя эти характеристики в норму. Этот принцип управления динамическими свойствами назван компенсационным.