Сведения из теории. Назначение и классификация источников

Электрическая энергия подается в сварочную дугу от специального устройства – источника питания. Первый регулиру­емый сварочный источник питания был создан в 1905 г. австрийским профессором Розенбергом в виде генератора поперечного поля, у которого существовала связь между изменениями сварочного тока и напряжения на дуге. Первый в мире комбини­рованный однокорпусный трансформатор-регулятор для ручной дуговой сварки был изобретен в 1927 г. русским ученому Никитину. В 50-х годах прошлого сто­летия появились сварочные выпрямители на основе селе­новых диодов, а затем, в 70-е годы на основе силовых крем­ниевых тиристоров. Конструкция и параметры источника зависят от его тех­нологического назначения. Источник может быть предназначен для одного из следующих способов: ручной сварки покрытым электродом, механизированной (полуавтоматической) сварки плавящимся электродом в защитном газе или механизированной (автоматической) сварки под флюсом. Если на одном рабочем месте возникает необходимость сварки различными способами, применяют более сложные универсальные источники. Перечисленные источники объединяют в группу ис­точников общепромышленного назначения. Существенно отличаются от них конструкции так называемые специа­лизированные источники, предназначенные для сварки неплавящимся электродом в защитном газе, для плазмен­ной сварки и резки. Источники питания можно классифицировать в зави­симости от рода тока и принципа действия. В качестве источников переменного тока используют сварочные трансформаторы и специализированные установки на их основе, в качестве источников постоянного тока — сва­рочные выпрямители, преобразователи и агрегаты, а так­же специализированные источники на базе выпрямителей.

Сварочные трансформаторы преобразуют переменное сетевое напряжение в пониженное, необходимое для сварки. Это наиболее простые и дешевые источники, ши­роко используемые при ручной сварке покрытыми элек­тродами и автоматической сварке под флюсом. Специализированные установки на основе трансформаторов применяют для сварки алюминиевых сплавов неплавя­щимся электродом в защитном газе. Постоянный ток имеет некоторые преимущества, в частности более высокую устойчивость дуги по сравне­нию с дугой переменного тока. В тех случаях, когда ус­тойчивость оказывает заметное влияние на качество сварки или на возможность сварки (сварка на малых то­ках, сварка электродами с фтористо-кальциевыми по­крытиями, сварка в углекислом газе, наплавка под флю­сом), рекомендуется использовать источники постоянного тока. Из них наиболее совершенны сварочные выпрямители, которые имеют более высокий коэффициент полез­ного действия, меньшую массу, более удобны в изго­товлении и эксплуатации, обладают лучшими технологи­ческими свойствами. Их применяют для ручной, полуав­томатической и автоматической сварки, а также в качест­ве универсальных источников. В сварочном выпрямителе переменное напряжение сети сначала преобразуется в пониженное, а затем выпрямляется и подается на дугу. Сварочный преобразователь представляет собой ком­бинацию электродвигателя переменного тока и свароч­ного генератора постоянного тока. В этом случае элек­трическая энергия сети переменного тока преобразуется в механическую энергию электродвигателя, вращает вал генератора и преобразуется в электрическую энергию постоянного сварочного тока. Поэтому коэффициент по­лезного действия преобразователей невелик; из-за нали­чия вращающихся частей они менее надежны и удобны в эксплуатации по сравнению с выпрямителями. В насто­ящее время преобразователи выпускают только для руч­ной и полуавтоматической сварки. Сварочный агрегат состоит из двигателя внутреннего сгорания и генератора постоянного тока. Следовательно, в нем химическая энергия сгорания топлива преобразу­ется в механическую, а затем в электрическую энергию. Агрегаты используют в основном для ручной сварки в монтажных и полевых условиях, где отсутствуют элек­трические сети. Специализированные источники постоянного тока представляют собой выпрямители, дополненные различ­ными вспомогательными устройствами, расширяющими их технологические возможности. Так, источник постоян­ного тока для сварки неплавящимся электродом в за­щитном газе имеет устройство для возбуждения дуги, а также устройство для заварки кратера. Обычно отдельный источник предназначен для пита­ния током одной дуги, это однопостовый источник. В цехах с большим числом постов сварки экономично ис­пользование многопостовых источников. Их при­менение позволило плавно ре­гулировать величину свароч­ного тока и менять выходные вольтамперные характерис­тики сварочных аппаратов не за счет трансформатора, а на основе обратных связей и фазовой регулировки угла включения тиристоров. Однако, не смотря на при­менение новой элементной базы, сварочные источники питания оставались по-пре­жнему достаточно тяжелыми и громоздкими, т.к. их основ­ной вес был сосредоточен в трансформаторе. Сечение сердечника трансформатора можно определить по формуле:

где U₂₀ — напряжение хо­лостого хода трансформатора;

w₂ — количество витков вторичной обмотки;

В — индукция в сердечни­ке;

f — частота.

Уменьшить сечение сердечника, и вес трансформатора, можно за счет снижения U₂₀ или уве­личения w₂, В, f. По пути уменьшения U₂₀ шли разра­ботчики трансформаторов. Одна­ко, при U₂₀<50В зажигание дуги становится проблематичным, поэтому умень­шение U₂₀ позволяет незначительно уменьшить вес при нестабильнос­ти зажигании дуги. Уве­личение w₂ также практичес­ки ничего не дает, т.к. одно­временно увеличивается число витков первичной обмотки и, в общем увеличивается вес обмоток. Резко увеличить индукцию «В» невозможно из-за характеристик современных трансформатор­ных сталей. Поэтому единственным путем умень­шения веса источников питания явилось увеличение частоты. На основе использования этой идеи были созданы инверторные источники питания.

Рис. 1. Блок-схема инверторного источника питания.

В инверторных источниках питания напряжение от силовой лини преобразуется в постоянное входным выпрямителем (рис. 1). Инвертор преобразует его в переменное частотой до 100000 Гц. Далее напряжение подается на понижающий высокочастотный трансформатор. Через диодный выпрямитель и сглаживающий дроссель подключается электрод.

В Беларуси инверторные источники питания предлагаются шведской фирмой «ESAB» которые имеют диапазон изменения сварочного тока 5…250 А при массе источников 5,5…11 кг. Лучшие характеристики имеет сварочный аппарат «Грин Мастер» МК 500А российского производства.

Рис. 2. «Грин Мастер» МК 500А.

Рис. 3 Лицевая панель «Грин Мастер» МК 500А.

Характеристики «Грин Мастер» МК 500А: Сварочный ток –постоянный, пульсирующий, импульсный 5-650 А; масса – 7,5 кг; температура среды — -55 +125⁰С; возможна работа от аккумуляторов.