2. Свойства и характеристики источников питания

2.1.1. Статические характеристики источников

    Внешняя вольт-амперная характеристика источника представляет собой зависимость Uи= f(Iд), которую в общем виде получим из анализа схемы энергетической системы «источник- дуга» (рис. 2.1,а). В ней источник имеет постоянную электродвижущую силу Eи и внутреннее сопротивление Zи, состоящее из активной Rи и индуктивной Хи составляющих. На внешних зажимах источника имеем напряжение Uи. В последовательно соединенной цепи «источник- дуга» идет сварочный ток Iд , одинаковый для дуги и источника. Нагрузкой источника является дуга с активным сопротивлением Rд, падение напряжения на нейUд= IдRд .      Источник может pаботать в одном из тpех pежимов: холостой ход, нагpузка, коpоткое замыкание.      Пpи холостом ходе дуга не гоpит, ток отсутствует (Iд= 0). В этом случае напpяжение источника, называемое напpяжением холостого хода, имеет максимальное значение Uи= Uо= Еи.

Рис.2.1.Обобщённая схема системы "источник-дуга" (а) и её векторная диаграмма (б)

  Пpи нагpузке по дуге и источнику идет ток Iд, напpяжение Uиниже, чем пpи холостом ходе, на величину падения напpяжения внутpи источника.      Пpи коpотком замыкании Uд= 0, поэтому и напpяжение источника Uи= 0. Ток коpоткого замыкания Iк=Uо/Zи.      Экспериментально внешняя характеристика источника снимается измерением напряжения Uи и тока Iд при неизменных значениях Uo, Rи, Xии плавном изменении сопротивления нагрузки Rд, при этом дуга обычно имитируется линейным активным сопротивлением- балластным реостатом.      Графическое представление полученной зависимости Uи= f (Iд) и есть внешняя вольт- амперная характеристика источника. При уменьшении сопротивления нагрузки Rд увеличивается ток Iд и снижается напряжение источника Uи. Таким образом, в общем случае внешняя вольт- амперная характеристика источника- падающая.      Внешняя ватт-амперная характеристика Pи= f (Iд), построенная при тех же условиях, что и Uи= f ( Iд), показывает, как при изменении сопротивления нагрузки Rд (и тока Iд) будет меняться полезная активная мощность Pи, т.е. мощность, отдаваемая источником нагрузке. Максимум полезной мощности достигается при равенстве сопротивления нагрузки и источника (Rд = Zи). Такой режим называют согласованным.      Оценим энергетическую эффективность различных источников и режимов их работы. Источник, рассчитанный для работы в согласованном режиме, наименее материалоемок, т.е. наиболее экономичен при изготовлении. Однако это не значит, что он также наиболее экономичен при эксплуатации.      Очевидно, что для повышения коэффициента полезного действия, т.е. повышения эффективности расходования энергии, следует уменьшать внутреннее сопротивление источника Rии увеличивать сопротивление нагрузки Rд. Самый высокий коэффициент, близкий к 1, получается при самых малых сварочных токах, когда Rд приближается к бесконечности. В согласованном режиме коэффициент существенно ниже.

2.1.2. 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 рис. 2.1, от режима холостого хода к короткому замыканию, а затем к режиму нагрузки.      Переходные процессы в реальной системе «источник — дуга» чрезвычайно динамичны. Интер-валы 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 про-цессы 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 и формированием шва. Но чаще пульсирующий характер питающего напряжения считается недостатком, такое напряжение имеют, например, трехфазные сварочные выпрямители и особенно однофазные выпрямители без сглаживающего фильтра. В режиме непрерывного переходного процесса идет сварка дугой переменного тока. 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 pаспpостpаняются и на нее.      В простейших источниках необходимый уровень динамических свойств обеспечивался подбором таких параметров источника, как напряжение холостого хода Uо, внутреннее сопротивление Zи, а также индуктивность сварочной цепи L.      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. Лучшим быстродействием обладают инвер-торные 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.      Разумеется, в конкретном источнике могут сочетаться несколько принципов управления.

 

3.СВАРОЧНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ 3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СВАРОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ 3.1.1. Дуга переменного тока цепи с резистором Устойчивость горения дуги при сварке на переменном токе ниже, чем на постоянном. Действительно, при чистоте переменного напряжения сети 50 Гц сварочный ток 100 раз в секунду снижается до 0 и меняет направление на обратное, причём после каждого такого обрыва дуга должна возбуждаться снова. Таким образом при сварке на переменном токе источник должен обладать специфическим свойством-обеспечивать надёжность многократного повторного зажигания. Рис.3.1. Схема питания дуги перемен-  ного тока в цепи с резистором Рассмотрим работу источника переменного тока - трансформатора с резистором в цепи дуги (рис 3.1) . Трасформатор понижает сетевое напряжение до необходимого при сварке, резистор формирует падающую внешнюю характеристику и используется для настройки тока .       Процес повторного зажигания дуги при переходе тока через ноль рассмотрим по осцилограммам. В конце придыдущего полупериода с момента t1 напряжение трасформатора становится недостаточным для питания дуги (u2<Uд), в результате дуга угасает, а ток резко снижается. С момента угасания t1 температура межэлектронного промежутка Тэ падает (рис.3.2,б), а его сопротивление Rэ резко возрастает (рис.3.2,в).       Динамическая вольт-амперная характеристика дуги uд=f(i2), отражающая связь мгновен-ных значений напряжения и тока при их быстром изменении, характерном для сварки на переменном токе с частотой 50 Гц, показана на рисунке 3.3. Её можно построить по данным осцилограммы рис. 3.2,а или получиить на осцилографе, подаввая на горизонтальную развёртку сигнал, пропорциональный току, а на вертикальную - напряжение дуги. 3.1.2. Дуга переменного тока в цепи с индуктивностью Если включить в цепь дуги и вторичной обмотки трансформатора катушку индуктивности L (рис. 3.4.), она будет выполнять несколько функций. Обладая значительным реактивным сопро-тивлением XL=wL, она обеспечивает значение падающей внешней характеристики. По этой же причине её используют для регулирования режима. Наконец, как будет показано ниже, она способствует повышению устойчивости горения дуги переменного тока. Благодаря введению индустриальности в цепь дуги переменного тока наблюдается сдвиг фаз тока и напряжения, поэтому переход тока через нуль происходит при высоком напряжении трансформатора, что повышает надёжность повторного зажигания и устойчивость гарения дуги переменного тока. 3.1.3. Требования к параметрам источника переменного тока   Амплитуда напряжённости на индуктивности должна быть не ниже напряжения повторного зажигания дуги.          Для обеспечения устойчивого горения дуги переменного тока напряжение холостого хода трансформатора назначают тем больше, чем больше напряжение дуги и напряжение повторного зажигания. 3.1.4. Назначения, достоинства и недостатки сварочных трансформаторов Сварочный трансформатор преобразуует сетевое напряжение (220 или 380 В) в пониженное (меньше 140 В), необходимое для сварки. В массовом порядке выпускаются только однопосто-вые трансформаторы, предназначеные для ручной дуговой сварки покрытыми электродами и для механизированной сварки под флюсом. Требования к их конструкции и техничческим характеристикам изложены в ГОСТ 95-77 «Трансформаторы однофазные однопостовые для автоматической дуговой сварки под флюсом».        Трансформаторы должна обеспечивать лёгкое зажигание и устойчивое горение дуги при использовании электродов с высокими стабилизирующиме свойствами, придназначеных специально для сварки на переменном токе. Если использовать  электроды с низкими стабилизирующими свойствами, например, с фтористо-кальциевым покрытием, то сварочные сввойства трансформатора становятся неудовлетворительными, особенно при токе ниже 100 А. Вообще, низкая устойчивость горения дугипеременного тока является недостатком сваррочных транс-форматоров. Другой важный недостаток простейших трансформаторов - низкая стабильность режима, обусловленная зависимостью от колебаний напряжения сети.         Главным ддостоинством трансформаторов является низкая стоимостть их изготовления, они в 2-4 раза дешевле выпрямителей и в 6-10 раз дешевле агрегатов одинаковой мощности. Они де-шевле и в эксплуатации, имеют сравнительно высокий коэффициент полезного действия (около 0.7-0.9) и низкий удельный расход электроэнергии (около 2-4 кВт*ч на 1кг расплавленного электродного металла).  Трансформаторы проще в эксплуатации, легко поддаются ремонту.         В зависимости от электромагнитной схемы и способа регулирования с нормальным рассея-нием:         1.Трансформаторы амплитудного регулирования с нормальным расеянием:          а) с дросселем с воздушным зазором;          б) с дросселем насыыщения;          в) со встроенной реактивной обмоткой.         2.Трансформаторы амплитудного регулирования с увеличеным рассеянием:          а) с подвижными обмотками;          б) с подвижным магнитным шумтом;          в) с подмагничиваемым шумтом;          г) с реактивной обмоткой;          д) с разнесёнными обмотками.         3.Трансформаторы фазового регулирования (тиристорные):          а) с импульсной стабилизацие;          б) с подпиткой;          в) циклоконвертор.