Сварочные трансформаторы. Общие сведения о сварочных трансформаторах

• Назначение сварочных трансформаторов

• Статические вольт-амперные характеристики сварочных трансформаторов

• Форма кривой сварочного тока

• Постоянная составляющая тока

• Компенсация реактивной мощности

Назначение сварочных трансформаторов

Источники переменного тока находят широкое применение при ручной дуговой сварке штучными электродами, при механизированной сварке под флюсом и при аргонодуговой сварке легких сплавов.

Основным узлом современных источников переменного тока является специальный, как правило, однофазный сварочный трансформатор той или иной конструкции. Трансформатор разделяет сварочную цепь и силовую сеть, понижает напряжение сети до необходимого для сварки значения, самостоятельно или в комплекте с дополнительными устройствами обеспечивает формирование требуемых статических внешних характеристик и регулирование сварочного тока. По этому основному узлу источники переменного тока часто называют просто сварочными трансформаторами.

Конструкции сварочных трансформаторов весьма разнообразны. В зависимости от способа регулирования сварочного тока их можно подразделить на три группы устройств:

• устройства, связанные с применением подвижных магнитопроводов и обмоток;

• устройства, связанные с подмагничиванием магнитопроводов постоянным током;

• устройства тиристорного регулирования;

↑ наверх

Статические характеристики

ПВХ - падающая внешняя характеристика
ЖВХ - жесткая внешняя характеристика
ВАХ - вольт-амперная характеристика

Статической внешней характеристикой источника называют зависимость напряжения вторичной цепи от тока U₂=f(I₂). Ток вторичной цепи является сварочным током. Вторичное напряжение при разомкнутой сварочной цепи называется напряжением холостого хода U₂₀, а при некотором значении сварочного тока - рабочим напряжением на зажимах источника.

Условно внешние характеристики подразделяются на крутопадающие (ПВХ) и пологопадающие (жесткие - ЖВХ). Вид внешних характеристик обычно связан с особенностями сварочного процесса, для которого предназначен источник.

Требования к виду внешних характеристик определяются такими показателями сварочного процесса, как тип электрода (плавящийся, неплавящийся), характер среды, в которой происходит сварка (открытая дуга, дуга под флюсом, в защитных газах), степень механизации процесса (ручная, полуавтоматическая, автоматическая сварка), способ регулирования режима горения дуги (саморегулирование, автоматическое регулирование напряжения дуги).

Так, для ручной дуговой сварки покрытыми штучными электродами, аргонодуговой сварки вольфрамовым электродом, механизированной сварки под флюсом на автоматах с регулированием скорости подачи электродной проволоки в зависимости от напряжения дуги используются ПВХ (рис 1, а). При ПВХ источник работает в режиме регулятора сварочного тока. При этом сварочный ток может регулироваться в заданном диапазоне от минимального I₂₁ до максимального I₂₂ значения плавно или ступенями. По технологическим (сварочным) и экономическим соображениям наиболее часто используется плавно-ступенчатое регулирование, когда две (или более) ступени регулирования сочетаются с плавным регулированием тока внутри каждой ступени. Регулирование сварочного тока при ПВХ производится при приблизительном постоянстве напряжения холостого хода U₂₀. Часто при плавно-ступенчатом регулировании переход на ступень малых токов сопровождается повышением напряжения холостого хода U'₂₀.

Рис 1. Внешние вольт-амперные характеристики

Каждому значению сварочного тока соответствует определенное условное значение рабочего напряжения. Так, при ручной дуговой сварке штучными электродами согласно требованию ГОСТ 95-77 рабочее напряжение (в вольтах) и сварочный ток связаны соотношением:

U₂ = 20 + 0,04I₂

Каждому виду сварки соответствует определенная крутизна наклона ПВХ. Так, например, наиболее крутые характеристики используются для аргонодуговой сварки, более пологие - для ручной сварки штучными электродами, еще более пологие - для сварки под флюсом.

Регулирование длины дуги в процессе сварки при ПВХ осуществляется рукой сварщика или системой регулирования длины дуги сварочного автомата.

При автоматической сварке под флюсом при постоянной, не зависящей от напряжения дуги скорости подачи электродной проволоки используются ЖВХ (рис 1, б).

Источник питания при ЖВХ работает как регулятор напряжения. Рабочее напряжение регулируется в заданных пределах от минимального до максимального значения, причем диапазон регулирования его выбирается в строгом соответствии с заданным диапазоном сварочного тока. Регулирование напряжения при ЖВХ также может быть плавным, ступенчатым и смешанным. Значение сварочного тока определяется скоростью подачи электродной проволоки, а источник питания задает напряжение дуги и обеспечивает саморегулирование длины дуги.

В сварочных трансформаторах для сварки под флюсом согласно ГОСТ 7012-77 рабочее напряжение (в вольтах) и сварочный ток связаны соотношением:

для сварочных трансформаторов на номинальный ток 1000 А

U₂ = 19 + 0,037I₂

для трансформаторов на номинальный ток 2000 А

U₂ = 13 + 0,0315I₂

Скорость нарастания напряжения на дуговом промежутке при обрыве сварочного тока. Известно, что скорость нарастания напряжения на дуговом промежутке (при обрыве сварочного тока в предыдущем полупериоде) определяется его проводимостью. При этом происходит своеобразное саморегулирование процесса повторного зажигания: чем быстрее убывает проводимость, тем больше скорость нарастания напряжения.

При полном разрыве сварочной цепи напряжение на электродах должно мгновенно возрасти до текущего значения напряжения холостого хода сварочного трансформатора. Однако в реальных сварочных трансформаторах вследствие демпфирующего действия вихревых токов, возникающих в магнитопроводах и конструктивных элементах трансформатора, процесс нарастания напряжения происходит в два этапа.

Рис 4. Кривые напряжения на вторичной обмотке сварочного трансформатора и разрядного тока

Скорость нарастания напряжения, измеренная непосредственно на дуговом промежутке во время сварки, не может характеризовать динамические свойства сварочных трансформаторов, так как на нее существенно влияет остаточная проводимость дугового промежутка. Поэтому сравнение динамических свойств трансформаторов предложено производить на физической модели. Первичная обмотка исследуемого сварочного трансформатора замыкается накоротко, а вторичная обмотка подсоединяется через переключатель полярности и тиристор к предварительно заряженному конденсатору. Кривая разрядного тока i_p представляет собой полуволну синусоиды (рис 4, б). Под действием разрядного тока создается поле рассеяния, которое наводит вихревые токи в элементах конструкции сварочного трансформатора. В конце полупериода разряда вследствие односторонней проводимости тиристора происходит обрыв тока и создаются условия, свойственные сварочной цепи в начале каждого полупериода сварки. Спад напряжения u₂ на вторичной обмотке происходит сначала скачком, а потом по экспоненте.

Величина ∆U и время t₃ характеризуют динамические свойства сварочных трансформаторов; очевидно, чем больше эти величины, тем хуже динамические свойства.

Во ВНИИЭСО проведена сравнительная оценка динамических свойств различных конструкций сварочных трансформаторов. Исследовались массовые сварочные трансформаторы с подвижными катушками ТД-500 и подвижным шунтом СТШ-500, а также трансформаторы с подмагничиванием установок аргонодуговой сварки УДГ-301, УДАР-300 и трансформаторы экспериментальных установок ТСГП-200 с прямоугольной формой кривой тока.

Характер изменения напряжения u₂ на вторичной обмотке сварочного трансформатора и разрядного тока iр регистрировался двухлучевым импульсным осциллографом с калиброванной длительностью развертки. Типичные осциллограммы процесса приведены на рис 4, в. Ввиду того что для оценки динамических свойств источников необходим только конечный участок кривой 2 с момента обрыва разрядного тока, этот участок осциллографировался при больших скоростях развертки (рис 4, г).

Результаты исследований показывают, что исключительно высокие динамические свойства во всем диапазоне регулирования имеет источник ТСГП-200 с дросселем насыщения на тороидальных магнитопроводах, что согласуется с его высокими сварочными показателями. Его динамические свойства существенно выше, чем у признанных сварочных трансформаторов с механическим регулированием (ТД, СТШ).

Динамические свойства источников установок УДГ-301 и УДАР-300 существенно зависят от режима (от тока подмагничивания).

↑ наверх

Форма кривой сварочного тока

Устойчивость процесса сварки на переменном токе в значительной степени зависит от формы кривой сварочного тока. При искажении формы кривой тока относительно синусоидальной, с замедлением его прохождения через нулевые значения, наблюдается снижение стабильности горения дуги. При изменении формы тока до синусоидальной и далее до трапецеидальной и прямоугольной устойчивость горения дуги возрастает. Это явление полностью согласуется с современными представлениями о физических процессах, происходящих при повторном возбуждении открытых дуг переменного тока. Как известно, основным механизмом развития открытой дуги в начале каждого полупериода переменного тока является разогрев дугового газа после некоторого его охлаждения при смене полярности. Все меры, способствующие ускорению нагрева газа после перехода тока через нуль, направлены на повышение стабильности дуг.

Рис 5. Осциллограммы мощности и напряжения дуги. Режим сварки 180 А, 16 В

На рис 5 представлены осциллограммы мощности и напряжения дуги при аргонодуговой сварке от источника с прямоугольной (а) и синусоидальной (б) формой тока. Более равномерное распределение мощности дуги в источнике с прямоугольной формой тока сопровождается снижением пика напряжения повторного зажигания.

Надежное повторное зажигание дуги в источниках с тиристорным фазовым регулированием при искажении формы кривой сварочного тока практически невозможно без использования импульсных генераторов.

↑ наверх

Постоянная составляющая тока

Различие физических свойств электрода и изделия, особенно сильное, например, при сварке вольфрамовым электродом алюминиевых сплавов, приводит к тому, что напряжение дуги в одном полупериоде резко отличается от напряжения дуги в другом полупериоде. При этом, если не принять специальных ограничительных мер, в сварочной цепи возникнет значительная постоянная составляющая тока.

Постоянная составляющая сварочного тока создает в сварочном трансформаторе постоянное магнитное поле, вызывающее рост намагничивающего тока, снижение отдаваемой трансформатором мощности и коэффициента мощности. Значительная постоянная составляющая тока отрицательно сказывается на технологии сварки.

Среди многих известных способов устранения или ограничения постоянной составляющей тока практическое применение находит только один - включение в сварочную цепь громоздкой и дорогостоящей конденсаторной батареи, препятствующей протеканию в цепи постоянного тока.

В последние годы предложено новое, компактное и экономичное диодно-тиристорное устройство для ограничения постоянной составляющей тока. Устройство прошло промышленные испытания и внедрено в установках аргонодуговой сварки УДГ-301-1 и УДГ-501-1.

↑ наверх

Компенсация реактивной мощности

Сварочные трансформаторы являются потребителями энергии с низким коэффициентом мощности. Коэффициент мощности трансформаторов для ручной дуговой сварки, которые обычно не отключаются от сети при холостом ходе, можно увеличить, подключив параллельно первичной обмотке сварочного трансформатора косинусный конденсатор соответствующей мощности. Средневзвешенный коэффициент мощности такого трансформатора, работающего при продолжительности нагрузки ПН = 0,6, может быть определен по формуле

где Р_1Н, Р₀ - активная мощность сварочного трансформатора при нагрузке и холостом ходе; Q_1x, Q_1x0 - реактивная мощность при нагрузке и холостом ходе без конденсатора; Q_c - мощность конденсатора.

Коэффициент мощности трансформатора ТД-502 на ток 500 А с конденсатором мощности Qc = 9,4 квар, работающего при номинальной нагрузке, составляет. 0,86, средневзвешенный коэффициент мощности при работе с ПН = 0,6 равен 0,98. Те же значения при работе без конденсатора равны соответственно 0,71 и 0,7.

↑ наверх

Требования к сварочным трансформаторам

Сварочные трансформаторы должны отвечать следующим требованиям:

• Напряжение холостого хода на вторичной обмотке сварочного трансформатора должно быть таким, чтобы была возможность начального и повторных возбуждений дуги и поддержания ее горения в процессе сварки при всех значениях сварочного тока, на который рассчитан трансформатор.
• Внешняя характеристика сварочных трансформаторов, предназначенных для ручной, автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом, должна быть падающей.
• Должна быть обеспечена возможность регулирования режима сварки в широких пределах.

Как и в других источниках питания, при работе сварочного трансформатора постоянно чередуются три режима: холостой ход, работа под нагрузкой и короткое замыкание. Для современных источников питания дуги переменного тока падающую внешнюю характеристику получают путем искусственного увеличения индуктивного сопротивления. Конструктивно трансформаторы для питания сварочной дуги можно разделить на следующие основные группы:

• трансформаторы с дросселями, выполненные в виде двух раздельных аппаратов или в виде одного аппарата;
• трансформаторы с развитым магнитным рассеянием;
• трансформаторы с подмагничиванием постоянным током.

Сварочные трансформаторы в каталоге оборудования:

• трансформатор с для ручной дуговой сварки покрытым электродом Artika 222;
• трансформатор Nordica 4.161 для ручной дуговой сварки.

  ↑ наверх

сварочные трансформаторы с механическим регулированием :: сварочные трансформаторы регулируемые подмагничиванием :: тиристорные трансформаторы :: серийные трансформаторы :: подключение и наладка сварочных трансформаторов