Вспомогательные устройства источников

Осцилляторы и возбудители используются для начального зажигания дуги без короткого замыкания электрода на изделие. Они представляют собой источники высокого напряжения и высокой частоты, способные вызывать искровой разряд между электродом и деталью. Для пробоя межэлектродного промежутка длиной 1 мм в воздухе требуется напряжение около 1–3 кВ, в аргоне напряжение пробоя снижается. Серийные осцилляторы и возбудители изготовляются на напряжение – 20 кВ. Ток разряда достигает 1–10 А, а его энергия 0,05–1 Дж. Пробой межэлектродного промежутка приводит к его ионизации, благодаря чему возникает дуга от основного источника. Частота разряда у серийных осцилляторов и возбудителей составляет 100–1000 кГц. При такой частоте высокое напряжение безопасно для сварщика, поскольку высокочастотный ток протекает по поверхностным участкам тела и поэтому не вызывает электролиза крови и не повреждает жизненно важных органов. Различают поджигающие устройства непрерывного действия (осцилляторы) и импульсные (возбудители). С основным источником они могут включаться последовательно и параллельно.

Рассмотрим искровой осциллятор непрерывного действия параллельного включения типа ОСПЗ-2М (рис. 6.7, б). Напряжение сети U₁ с помощью повышающего трансформатора Т1 увеличивается до нескольких киловольт. При нарастании вторичного напряжения U₂ идет заряд конденсатора С5. К моменту достижения достаточно высокого напряжения U_проб разрядник FV пробивается искрой, его сопротивление резко снижается. Благодаря этому образуется колебательный контур С5–L3–FV, в котором в результате обмена энергией между конденсатором и катушкой возникает высокочастотный затухающий разряд U₃.

а)

б)

в)

Рис. 6.7. Принципиальная схема осцилляторов параллельного (б) и последовательного (в) включения и карты их напряжений (а)

С помощью катушки связи L4 высокое напряжение U₄ подается на межэлектродный промежуток и пробивает его. Вслед за этим вступает в действие основной источник G, при этом осциллятор отключают.

Приведем некоторые технические характеристики осциллятора. Для надежного зажигания дуги осциллятор генерирует затухающие импульсы длительностью менее 0,2 мс сериями до 10–15 за полупериод. Амплитуда напряжения каждого импульса достигает 6000 В. Частота колебаний зависит от величины емкости С5 и индуктивности L3 и может быть определена по соотношению , она достигает 500 кГц. Остальные характеристики осциллятора приведены в табл. 29.

Осциллятор создает помехи радиоприему, поэтому его непрерывная работа допускается в течение не более 1 с. Повторное его включение разрешается только по истечении 10 с. Чтобы помехи не проникали в питающую сеть, на входе осциллятора установлен фильтр С1–С4, L1–L2.

Для защиты основного источника от высокого напряжения осциллятора собирают фильтр высоких частот из защитных дросселя L и конденсатора С. Дроссель L обладает большим реактивным сопротивлением для тока высокой частоты, что снижает потери энергии осциллятора. Конденсатор С имеет малое реактивное сопротивление при высоких частотах, поэтому на нем, а значит, и в цепи основного источника падение напряжения осциллятора невелико. Необходимо обеспечить также защиту цепей осциллятора от мощного тока основного источника. С этой целью установлен защитный конденсатор С6, играющий роль низкочастотного фильтра.

Достоинством осциллятора является высокая эффективность бесконтактного зажигания дуги. Его недостатки — низкая надежность разрядника и опасность поражения сварщика высоким напряжением низкой частоты. Разрядник нуждается в частой зачистке электродов и настройке расстояния между ними. Поражение сварщика высоким напряжением (до 6 кВ) низкой частоты (50 Гц) возможно при попадании напряжения со вторичной обмотки трансформатора T1 непосредственно на дугу, от этого защищает конденсатор С6 и предохранитель F2. Также обязательно заземление корпуса осциллятора.

Недостатком осциллятора параллельного включения является еще и необходимость в громоздком дросселе L. У осциллятора последовательного включения, представленного на рис. 6.7, в, такого недостатка нет. Хотя катушка связи L4 этого осциллятора соединена последовательно с основным источником, высокочастотный ток замыкается по цепи L4–С–дуга. В этой цепи высокое напряжение осциллятора почти полностью приложено к дуге, а источник шунтирован конденсатором С, имеющим малое сопротивление для высоких частот. Недостатком такого осциллятора являются большие размеры катушки связи L4, по которой идет сварочный ток. Поэтому осцилляторы последовательного включения изготовляют на ток не более 400 А, в качестве примера можно привести осциллятор ОСППЗ-300 М.

На рис. 6.8 приведена схема импульсного возбудителя дежурной дуги при плазменной резке ВИР-101.

Он питается постоянным напряжением источника дежурной дуги. Этим напряжением заряжается мощный накопительный конденсатор С1 по цепи R7–VD1–T–C1. Одновременно в цепи релаксационного генератора заряжается конденсатор С2 по цепи R7–R1–R3–С2. При достижении на нем напряжения переключения динистора VD2 конденсатор С2 разряжается на управляющий электрод тиристора VS по цепи С2–VD2–R4–VS–С2. В результате проходит мощный импульс разряда конденсатора С1 через ключ VS на первичную обмотку повышающего трансформатора Т. Высоковольтный импульс с его вторичной обмотки заряжает конденсатор С3 и вызывает колебательный высокочастотный разряд в контуре C3–Т.

Рис. 6.8. Принципиальная схема возбудителя ВИР-101

После пробоя разрядника FV импульс с напряжением до 20 кВ и частотой около 1 МГц пробивает межэлектродный промежуток. Питание дуги от основного источника производится через дроссель L. Таким образом, возбудитель является комплектным устройством, поскольку содержит в себе и фильтр высоких частот, состоящий из L, С4 и С5. Возбудитель ценен и тем, что питается напряжением источника дежурной дуги и не нуждается в отдельных выключающих устройствах. Он сам прекращает генерировать импульсы после зажигания дуги, поскольку при этом напряжение источника станет недостаточным для переключения динистора VD2.

Блоки поджога дуги БП-80 и БП-315 (рис. 6.9) также являются импульсными возбудителями последовательного включения, но питаются переменным током.

Рис. 6.9. Упрощенная принципиальная схема устройства поджига дуги БП-80 УХЛ4 (БП-315 УХЛ4)

Их составными частями являются накопительный конденсатор С2, высоковольтный трансформатор Т и тиристорный коммутатор VS1, VS2 с системой управления. В одном из полупериодов питающего напряжения система управления откроет тиристор VS1. В результате мощный импульс тока пройдет по цепи L–Т–С2–VS1. По мере заряда конденсатора С2 ток убывает, а после окончания заряда тиристор VS1 выключается. Трансформированный вторичной обмоткой импульс напряжения с амплитудой 4–8 кВ по цепи, показанной пунктирной линией, подается на межэлектродный промежуток, вызывая зажигание дуги. В следующем полупериоде питающего напряжения открывается тиристор VS2, что вызовет перезаряд конденсатора С2 и новый поджигающий импульс. Таким образом, частота следования импульсов – 100 Гц. Дроссель L ограничивает ток в зарядном контуре, а конденсатор С1 защищает тиристоры от перенапряжения.

Ток основного источника G замыкается через вторичную обмотку трансформатора по цепи, показанной тонкой линией. Конденсатор С3 защищает основной источник от высокого напряжения импульса. Таким образом, блоки БП-80 и БП‑315 являются комплектными устройствами, они не требуют дополнения фильтрами при сборке сварочного поста.

Главным преимуществом импульсных возбудителей в сравнении с осцилляторами является отсутствие опасного высокого напряжения низкой частоты. Некоторые из них не имеют и разрядников, что повышает их надежность и снижает уровень радиопомех.

Импульсный стабилизатор предназначен для повторного зажигания дуги переменного тока, особенно при переходе к полупериоду обратной полярности. При сварке алюминия неплавящимся электродом стабилизатор должен генерировать пиковый импульс с амплитудой напряжения U_И = 200–600 В (рис. 6.10). На осциллограмме тока видно, что в процессе повторного зажигания он складывается из пикового тока I_И импульсного стабилизатора и медленно нарастающего тока основного источника. Для надежного зажигания необходимо, чтобы амплитуда тока I_И была около 20–80 А при длительности t_И не менее 60 мкс, а при его спаде общий преддуговой ток I_пд не снизился бы менее 3–7 А. При ограниченной мощности стабилизатора это условие выполняется, если включение задержать относительно момента перехода тока через 100 мкс. Стабилизатор с частотой следования импульсов 50 Гц стимулирует зажигание дуги только обратной полярности, с частотой 100 Гц – дуги и обратной, и прямой полярности.

Рис. 6.10. Осциллограмма тока и напряжения при импульсной стабилизации дуги переменного тока

Импульсный стабилизатор горения дуги (ИСГД) представляет собой генератор пиковых импульсов высокого напряжения, подаваемых на дугу в момент перехода тока через нуль. Благодаря этому обеспечивается надежное повторное зажигание дуги, что и гарантирует высокую устойчивость горения дуги переменного тока.

Рассмотрим схему стабилизатора СД-3 (рис. 6.11). Его основными частями являются трансформатор питания Т, коммутирующий конденсатор С и тиристорный коммутатор VS1, VS2 с системой управления А. Стабилизатор питает дугу параллельно основному источнику G – сварочному трансформатору.

а)

б) в) г) д)

Рис. 6.11. Импульсный стабилизатор горения дуги

Сначала проанализируем его работу при холостом ходе сварочного трансформатора. В начале полупериода открывается тиристор VS1, в результате по цепи, показанной тонкой линией, пройдет импульс тока. При этом согласно действующие ЭДС трансформатора T и источника G создают на конденсаторе заряд с полярностью, указанной на рисунке. Ток заряда конденсатора нарастает до тех пор, пока напряжение на нем не сравняется с суммарным напряжением трансформатора T и источника G. После этого ток начинает спадать, что вызовет появление в цепи ЭДС самоиндукции, стремящейся сохранить ток неизменным. Поэтому заряд конденсатора С будет продолжаться и далее, пока напряжение на конденсаторе не достигнет двойного напряжения питания. Напряжение заряда конденсатора, приложенное к VS1 в обратном направлении, закроет тиристор. Во втором полупериоде открывается тиристор VS2, и импульсный ток пойдет в противоположном направлении. В этом случае импульс будет уже мощнее, поскольку он вызывается согласным действием ЭДС трансформаторов Т и G, а также заряда конденсатора С. В результате произойдет перезаряд конденсатора до еще более высокого уровня. Такой резонансный характер перезаряда позволяет получить на межэлектродном промежутке стабилизирующие импульсы напряжения с амплитудой около 200 В при сравнительно низком напряжении трансформатора питания около 40 В (рис. 6.11, б). Частота генерирования импульсов – 100 Гц. На межэлектродный промежуток подается также напряжение от основного источника (рис. 6.11, г). При указанной на рис. 6.11, а фазировке трансформаторов Т и G полярности напряжений, подаваемых на межэлектродный промежуток от основного источника (показано пунктирной линией) и от стабилизатора (тонкая линия), противоположны. Такое включение стабилизатора названо встречным. На рис. 6.11, в показано напряжение на межэлектродном промежутке при совместном действии стабилизатора и основного источника.

Если сменить фазировку основного трансформатора G или стабилизатора, то полярности напряжений на дуге от основного источника и от стабилизатора будут совпадать (рис. 6.11, д). Такое соединение называется согласным, оно используется в конструкции других стабилизаторов. Повторное зажигание происходит в момент подачи стабилизирующего импульса, обычно время зажигания не превышает 0,1 мс.

При встречном включении стабилизирующий импульс, хоть и не совпадает по направлению с напряжением трансформатора G, также способствует повторному зажиганию (см. рис. 6.11, в). В то же время на рис. 6.11, а видно, что часть импульсного тока, проходящая по вторичной обмотке С (тонкая линия), совпадает с собственным током этой обмотки (пунктирная линия) и поэтому не препятствует быстрому нарастанию ее тока до необходимой для повторного зажигания величины.

В режиме нагрузки рассмотренные процессы будут иметь такой же характер, но амплитуда импульсов напряжения несколько снизится. Для эффективной работы стабилизатора важное значение имеет синхронизация его запуска с моментом перехода сварочного тока через нуль. В системе управления А с этой целью используется обратная связь по напряжению дуги U_д. После перехода напряжения через нуль стабилизатор с небольшой заданной задержкой подаст импульс на дугу.

Стабилизатор СД-3 может быть использован как при ручной сварке покрытым электродом, так и при сварке алюминия неплавящимся электродом. Система управления запускает стабилизатор только после зажигания дуги. После обрыва дуги он работает не более 1 с, что повышает безопасность труда.

Возбудитель-стабилизатор ВСД-01 (рис. 6.12) спроектирован так, чтобы удовлетворять условиям как начального, так и повторного зажигания.

Рис. 6.12. Упрощенная принципиальная схема возбудителя-стабилизатора дуги ВСД-01 УЗ

Он включается последовательно в цепь вторичной обмотки основного источника – трансформатора G. Возбудитель питается переменным напряжением сети через трансформатор Т1 и выпрямительный блок VD1 с фильтром С1. В первом цикле накопительный конденсатор С2 заряжается по цепи, показанной тонкой линией. Полярность заряда изображена знаками «+» и «–» без скобок. В начале каждого полупериода сварочного напряжения трансформатора С система управления отпирает тиристор VS, в результате чего по короткой цепи, показанной пунктирной линией, пройдет мощный импульс разряда конденсатора С2 на первичную обмотку повышающего трансформатора Т2. При этом конденсатор С2 перезарядится так, как показано знаком «+» и «–» со скобками, а тиристор к концу перезаряда запирается. В результате потенциалы блока VD1 и конденсатора С2 будут складываться, и в следующем цикле конденсатор зарядится до более высокого напряжения. Такой характер перезаряда приведет к тому, что напряжение С2 вчетверо превысит напряжение питания. Импульс перезаряда конденсатора С2 трансформируется во вторичную обмотку Т2, что приводит к возбуждению высокочастотного контура Т2–С3–С4. Высокочастотный разряд с конденсатора С4 подается на межэлектродный промежуток, возбуждая дугу или (при горящей дуге) стабилизируя ее в начале обоих полупериодов. Частота следования таких импульсов – 100 Гц. Генерация разряда может выполняться при переходе сварочного напряжения через нуль или несколько позже.

Разработано большое количество автономных и встроенных в сварочные трансформаторы импульсных стабилизаторов на 50 и 100 Гц.

Основные характеристики некоторых осцилляторов, возбудителей и стабилизаторов приведены в табл. 29.

Таблица 29

Технические характеристики осцилляторов, возбудителей, стабилизаторов

Марка осциллятора, возбудителя, стабилизатора	Тип	Первичное напряжение, В	Номинальный ток, А	Выходное напряжение, кВ	Частота выходного напряжения, кГц	Габаритные размеры, мм	Масса, кг
ОСПЗ-2М	Осц.	220	–	6	500	250170110	6,5
ОСППЗ-300М	Осц.	220	315	5	100-250	290225150	7,0
ВИР-101	Возб.	180-300	80	20	500	250175115	4,5
БП-80-УХЛ4	Возб.	220	80	8	–	315180160	10,7
БП-315-УХЛ4	Возб.	220	315	4	–	315180160	10,7
ВСД-01-У3	Возб.-осц.	380	500	5	–	365270130	13,5
СД-3-У2	Стаб.	380	–	0,2	0,1	208295152	6,5