Что такое динамические свойства сварочных источников питания?

Что такое динамические свойства сварочных источников питания?

Источник питания сварочной дуги должен, с одной стороны, обладать свойствами, обеспечивающими необходимые технологические требования, предъявляемые к конкретному сварочному процессу, а с другой стороны, как каждое электротехническое устройство, обеспечивать номинальные электрические параметры (ток, напряжение, мощность и т. д.) в заданных условиях эксплуатации (температура, влажность, давление и т.д.), а также отвечать современной эстетике.

Свойства источника питания определяются его внешними характеристиками: статической и динамической.

Статическая характеристика источника питания — это зависимость выходного напряжения (Дых от тока нагрузки при постоянном значении напряжения питающей сети в установившемся режиме, т.е. (Ун) при I)пит = const. Статическая характеристика источника питания может быть трех видов: падающая, жесткая и возрастающая.

В установившемся (статическом) режиме устойчивость горения дуги определяется видом и соответствием статических характеристик источника питания и сварочной дуги. Статическая характеристика дуги (см. гл. 1, § 2) определяет свойства сварочной дуги.

При ручной дуговой сварке на токах 200—500 А статическая характеристика дуги жесткая. Для обеспечения высокого качества сварных изделий при этом способе сварки необходимо соблюдать следующие условия: изменения сварочного тока должны быть минимальными, напряжение холостого хода источника питания должно быть больше напряжения дуги, а сила тока короткого замыкания не должна превышать удвоенное значение сварочного тока. Этим условиям отвечает крутопадающая характеристика источника питания.

При автоматической сварке под флюсом статическая характеристика дуги также жесткая, но для обеспечения саморегулирования сварочного процесса статическая характеристика источника питания должна быть полого падающей или жесткой.

При сварке на постоянном токе в среде защитного газа на больших плотностях тока статическая характеристика дуги возрастающая. Для обеспечения саморегулирования сварочного процесса в данном случае необходимо, чтобы источник питания имел жесткую или возрастающую статическую характеристику.

Динамическая характеристика — это зависимость между мгновенными значениями выходного напряжения и тока нагрузки при постоянном в данный момент времени мгновенном значении напряжения питающей сети, т.е при const. Динамическая характеристика показывает реакцию источника питания на характер и скорость протекания переходных процессов, возникающих в системе источник — дуга — ванна при действии внешних возмущений (изменение напряжения сети, напряжения дуги и сварочного тока, а также при переходе из одного установившегося режима в другой). Чем меньше время переходного процесса, тем лучше динамические свойства источника питания.

Источник питания, как каждая электротехническая установка, должен обеспечивать определенные выходные параметры при заданном режиме работы, не перегреваясь выше установленной температуры. Значение тока, напряжения и мощности, на которые рассчитан источник питания при работе в заданном режиме, называют номинальными и указывают в паспорте или записывают на щитке источника питания.

При работе источника питания происходит нагрев отдельных узлов его конструкции в результате прохождения тока по обмоткам трансформатора, а также вследствие гистерезиса и вихревых токов.

Температура перегрева источника питания — это разница между температурой источника питания и температурой окружающей среды

где Щ—температура перегрева источника питания; Т — температура источника питания в рассматриваемый период; то — температура окружающей среды.

После включения источника питания его температура повышается, вызывая нарастание температуры перегрева. При достижении температурой перегрева своего установившегося значения для данного режима температура источника питания не повышается, так как количество теплоты, выделяемой источником питания в единицу времени, равно количеству теплоты, отдаваемой в окружающую среду. При нарушении отвода выделяемой теплоты отдельными узлами источника питания температура перегрева становится выше установившегося значения, что приводит к нарушению работы и преждевременному выходу из строя источника питания.

Для источников питания сварочной дуги, как и любого электротехнического устройства, установлены три режима работы: продолжительный, перемежающийся и повторно-кратковременный.

В продолжительном режиме источник питания работает под нагрузкой длительное время при установившейся температуре. В этом режиме работают однопостовые и многопостовые источники питания для автоматической сварки. В данном режиме источник питания работает с постоянной выходной мощностью (рис. 9, а), а его температура (рис. 9,6) в первый момент времени возрастает до установившейся температуры по экспоненте

Источника питания в продолжительном ре- питания в перемежающемся режиме, где Гпу — установившаяся температура перегрева источника питания, °С; / — время режима работы; с; т — постоянная времени нагрева, с.

Постоянная времени нагрева характеризует скорость возрастания температуры источника питания и температуры перегрева и определяется точкой пересечения касательной, проведенной к экспоненте, с прямой Установившейся температуры источника питания. За время / = т температура перегрева составляет 63 % установившейся температуры перегрева Ту.

Перемежающийся режим отличается от продолжительного тем, что источник питания, постоянно включенный в сеть, периодически подключается к нагрузке, т. е. режим нагрузки в течение времени сменяется режимом холостого хода в течение времени. Этот режим характеризуется относительной продолжительностью нагрузки, где /н — время работы источника питания под нагрузкой, с; /х — время, в течение которого источник питания находится в режиме холостого хода, с; — время полного цикла работы источника питания, равное сумме.

При работе в перемежающемся режиме (рис. 10, а) выходная мощность источника питания имеет циклический характер, т. е. изменяется. При этом режиме температура (рис. 10,6) за время не успевает достигнуть установившейся температуры ^ источника питания, равной Гпу + Г0, а за время — снизиться до температуры окружающей среды Т0. По истечении времени работы источника питания его температура Т колеблется между некоторыми максимальным и минимальным Т значениями температур. Среднее значение этих температур соответствует значению выходной мощности, отдаваемой источником питания в нагрузку. Перемежающийся режим работы источников питания характерен для ручной и механизированной дуговой сварки. Повторно-кратковременный режим отличается от перемежающегося тем, что во время пауз в работе источник питания отключается от напряжения сети. Этот режим характеризуется относительной продолжительностью включения, где t„ — время паузы, в течение которой источник питания отключен от напряжения сети, с; /ц — время цикла работы источника питания, равное.

При повторно-кратковременном режиме выходная мощность источника питания (рис. II, а) изменяется циклически от нуля до P max, а изменение температуры источника питания (рис. 11,6) характеризуется экспонентой с более крутым нарастанием температуры при прохождении пускового тока во время подключения источника питания к напряжению сети и к нагрузке.

Длительность цикла работы источников питания для ручной дуговой сварки принимают равной 5 мин, а для автоматической и механизированной сварки — 10 мин. Например, при ПН-60 % источник питания подключен к нагрузке в течение 6 мин, а в режиме холостого хода находится в течение 4 мин.

Если значение ПН % (или ПВ %), при котором должен работать источник питания, выше значения, приведенного в паспорте, то сварочный ток уменьшается, исходя из практического опыта или использования справочных данных для электроустановок.

В СССР принята единая система обозначения источников питания сварочной дуги, состоящая из буквенно-цифровых индексов. Первая

буква единой системы, обозначения показывает сокращенное название изделия (А — агрегат; В — выпрямитель; Г — генератор; П — преобразователь; Т — трансформатор); вторая буква—вид сварки (Г — в, защитных газах; О — открытой дугой; Ф — под флюсом); четвертая буква М — много- постовой источник питания, а ее отсутствие — однопостовой источник питания; пятая буква показывает тип двигателя для агрегатов с приводным двигателем внутреннего сгорания (Б — бензиновый; Д —

При кратковременном режиме сварочного тока в сотнях ампер; третья и четвертая цифры — номер модификации источника питания. Следующие после цифр буквенно-цифровые индексы показывают: первая буква — климатическое исполнение (ХЛ — для эксплуатации в районах с холодным климатом; У — в районах с умеренным климатом; Т — в районах с тропическим климатом); вторая цифра — категорию размещения источника питания (1 — открытый воздух; 2 — неотапливаемые помещения; 3.— помещения с естественной вентиляцией; 4— помещение с принудительной вентиляцией и отоплением; 5— помещение с повышенной влажностью).

Примеры. ВДГМ-1602УЗ — выпрямитель для дуговой сварки в защитных газах, многопостовой, с значением сварочного тока 1600 А, имеет вторую модификацию, предназначен для эксплуатации в районах с умеренным климатом и для работы в закрытых помещениях.

АДОД-305Т1 — агрегат для ручной дуговой сварки с дизелем в качестве автономного привода, с значением сварочного тока 300 А, имеет пятую модификацию, предназначен для эксплуатации в районах с тропическим климатом и для работы на открытом воздухе.

Климатическое использование и категория размещения источников питания сварочной дуги регламентируются соответствующими стандартами.

Вопросы для повто/p/tdрения

Опишите строение сварочной дуги.
Опишите характеристики, сварочной дуги.
Какие физические процессы протекают при горении сварочной дуги постоянного тока?
В чем заключаются особенности горения сварочной дуги переменного тока?
Какие требования предъявляют к источникам питания сварочной дуги?

Глава XXI. Источники питания сварочной дуги

§ 96. Основные требования к источникам питания дуги

Электрическая сварочная дуга представляет собой такой вид нагрузки, который отличается от других потребителей электроэнергии тем, что для зажигания дуги требуется напряжение значительно выше, чем для поддержания ее горения; дуга горит с перерывами, во время которых электрическая цепь либо разрывается, либо происходит короткое замыкание. Во время горения дуги напряжение ее меняется с изменением длины дуги, следовательно, меняется и сила сварочного тока. При коротком замыкании (в моменты зажигания дуги и перехода капли расплавленного металла на изделие) напряжение между электродом и изделием падает до нуля.

Читайте также  Линейная сварка трением

Эти особенности дуги обусловливают следующие требования, предъявляемые к источникам питания (для ручной дуговой сварки):

1. Напряжение холостого хода должно быть в 2 — 3 раза выше напряжения дуги. Это необходимо для легкого зажигания дуги; в то же время оно должно быть безопасным для сварщика при условии выполнения им необходимых правил. Напряжение холостого хода обычно равно 50 — 70 В. ГОСТ устанавливает максимальное напряжение холостого хода не более 80 В для источников питания переменного тока и 90 В — постоянного тока.

2. Сила тока при коротком замыкании должна быть ограничена. Нормальный процесс дуговой сварки обеспечивается, если

где Iк.з — сила тока короткого замыкания;

Iсв — сила сварочного тока.

В некоторых случаях это отношение может достигать 2.

3. Изменения напряжения дуги, происходящие вследствие изменения ее длины, не должны вызывать существенного изменения силы сварочного тока, а следовательно, изменения теплового режима сварки.

4. Время восстановления напряжения от 0 до 25 В после короткого замыкания не должно превышать 0,05 с, что обеспечивает устойчивость дуги.

5. Источник питания должен иметь устройство для регулирования силы сварочного тока. Пределы регулирования тока должны быть (приблизительно) от 30 до 130% к номинальному сварочному току. Это необходимо для того, чтобы от одного источника питания производить сварку электродами разных диаметров.

Требования к источникам, предназначенным для питания других процессов сварки, отличаются от приведенных выше. Например, в источниках питания для полуавтоматической сварки в защитных газах напряжение холостого хода должно практически равняться напряжению дуги.

Выбор источника питания зависит от вида вольт-амперной характеристики сварочной дуги (см. гл. III).

Внешней вольт-амперной характеристикой источника питания называется зависимость напряжения на клеммах источника от величины сварочного тока (рис. 110).

Источники питания могут иметь следующие виды внешних характеристик: крутопадающую (1), пологопадающую (2), жесткую (3) и возрастающую (4) (рис. 110). Крутопадающая характеристика применима для ручной дуговой сварки, пологопадающая — для автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом, жесткая и возрастающая — для сварки в защитных газах.


Рис. 110. Виды внешних вольт-амперных характеристик источников питания дуги: 1 — крутопадающая, 2 — пологопадающая, 3 — жесткая, 4 — возрастающая

Устойчивое горение дуги возможно при условии пересечения ее статической характеристики с внешней характеристикой источника, т. е, когда Uдуги=Uист.

На рис. 111 показана крутопадающая внешняя характеристика источника питания и пересекающаяся с ней статическая характеристика дуги длиной L1. Точка А характеризует устойчивое горение дуги, так как Uдуги=Uист. В случае уменьшения сварочного тока напряжение источника, как видно из графика, станет больше напряжения дуги (точка 5); при этом токе устойчивой была бы дуга длиной L2. Ток увеличится до того значения, которое он имел в точке А. При увеличении сварочного тока напряжение источника станет меньше напряжения дуги (точка С), поэтому ток уменьшится до первоначального значения (точка А).


Рис. 111. Статистические характеристики дуги длиною L1, L2 и L3

Для устойчивого горения дуги, имеющей возрастающую статическую характеристику, требуется жесткая характеристика источника питания.

Динамическая характеристика источника питания. Источник питания дуги должен быстро реагировать на изменение тока и напряжения в дуге, происходящее в процессе плавления электрода; это выражается временем восстановления напряжения от нулевого значения в момент короткого замыкания до напряжения повторного зажигания дуги. Это время и есть динамическая характеристика источника. Оно не должно превышать 0,05 с на 25 В. Динамические свойства источника питания в основном определяются взаимной индуктивностью обмоток возбуждения, качеством сердечника и обмоток трансформатора. Повышенные динамические свойства источника питания обеспечивают спокойный перенос электродного металла, уменьшение разбрызгивания металла и шлака при сварке и улучшение качества шва.

Режим работы источника питания. Работа источника питания обычно происходит с чередующимися включениями и выключениями нагрузки (например, во время смены электрода, очистки шва от шлака, переходах и т. д.) и характеризуется продолжительностью работы (ПР) или продолжительностью включения (ПВ). Это позволяет допускать временную перегрузку источника. Обе эти величины выражаются в процентах:

где tсв — время сварки, tx.x — время холостого хода, tп — время паузы.

Практически ПР=ПВ. Для расчета ПР или ПВ берется время цикла сварки tц=tсв+tx.x=tсв+tп=5 мин (иногда принимают t=10 мин).

Как правило, для ручной сварки tсв=3 мин, tп=2 мин.

В паспорте каждого источника питания указывается величина номинального сварочного тока (Iн) и номинальное значение продолжительности работы ПРн (или ПВн). Номинальный (расчетный) ток определяется допустимым нагревом основных частей источника. Максимально допустимый сварочный ток определяется по формуле

где ПРд — допустимое значение ПР.

Пользуясь этой формулой, можно всегда правильно использовать источник без перегрузки (без перегрева).

Пример 1. Определить допустимый сварочный ток для источника, в паспорте которого приведены Iн=500 А и ПРн=65%, если источник работает непрерывно более 10 мин, т. е. ПР=100 %.

Таким образом, данный источник питания может работать непрерывно при сварочном токе не более 400 А.

Пример 2. Определить допустимый ЯРД сварочного трансформатора при токе 1200 А, если по паспорту Iн= 1000 А и ПРн=75%. Из приведенной выше формулы:

Данный трансформатор можно применять для сварки током 1200 А, но при ПР не более 52%.

Величина номинальных токов в источниках питания. В соответствии с ГОСТ 10594 — 74 оборудование для дуговой сварки должно изготавливаться на номинальные токи: 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150; 4000; 5000 А.

Для ручной и полуавтоматической сварки обычно пользуются источниками с номинальным током до 500 А.

Сварочная дуга. Характеристика сварочной дуги

Различают два режима работы этой системы: 1) статический, когда величины напряжения и тока в системе в течение достаточно длительного времени не изменяются; 2) переходной (динамический), когда величины напряжения и тока в системе непрерывно изменяются. Однако во всех случаях режим горения сварочной дуги определяется током (IД), напряжением (UД), величиной промежутка между электродами (так называемым дуговым промежутком) и связью между ними.

В дуговом промежутке IД (рис. 1, а) различают три области: анодную 1, катодную 2 и столб дуги 3. Падение напряжения в анодной и катодной областях постоянно для данных условий сварки. Падение напряжения в единице длины столба дуги — также величина постоянная. Поэтому зависимость напряжения дуги от ее длины имеет линейный характер (рис. 1, б).

Устойчивость сварочной дуги определяется соотношением между током и напряжением. Графическое изображение этой зависимости (рис. 2) при постоянной длине дуги называется статической вольт-амперной характеристикой дуги. На графике отчетливо видны три основных участка: увеличение тока на участке I сопровождается понижением напряжения на дуге; на участке II напряжение на дуге изменяется мало; на участке III напряжение возрастает. Режимы горения сварочной дуги, соответствующие первому участку, неустойчивы при напряжениях существующих источников питания. Практически сварочная дуга будет устойчивой на втором и третьем участках вольт-амперной характеристики. С увеличением или уменьшением длины дуги характеристики сместятся соответственно в положение 2 и 3 (см. рис. 2). Для электродов меньшего диаметра характеристики смещаются влево, большего диаметра — вправо.

Рис. 1. Сварочная дуга, горящая между неплавящимися электродами:а — схема дуги, б — зависимость напряжения дуги (Уд) от величины дугового промежутка (/д): 1 — анодная область, 2 — катодная область, 3 — столб дуги

Рис.2 Вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ)

Показанная на рис. 2 вольт-амперная характеристика дуги снята при постоянной длине сварочной дуги. При сварке плавящимся электродом непрерывно меняется длина дугового промежутка. В этих случаях следует пользоваться характеристиками, определяющими зависимость между напряжением и током дуги при постоянной скорости подачи электродной проволоки (рис. 3, кривые 1 и 2). Каждой скорости подачи соответствует определенный диапазон токов, при котором устойчиво горит сварочная дуга и плавится электрод. В этом случае при малых изменениях тока напряжение изменяется в больших пределах. Эту зависимость принято называть характеристикой устойчивой работы. Она так же, как и вольт-амперная характеристика, зависит от длины вылета электрода и скорости подачи.

Эти закономерности справедливы для постоянного и переменного тока, так как род тока не влияет на форму вольт-амперных характеристик электрической дуги. На форму характеристики влияют геометрия и материал электродов, условия охлаждения столба дуги и характер среды, в которой происходит разряд.

Устойчивость сварочной дуги и режима сварки зависят от условий существования дугового разряда и свойств, параметров источников питания и электрической цепи. Внешней характеристикой источника питания (кривая 3 на рис. 3) называется зависимость напряжения на его зажимах от тока нагрузки. Различаются следующие внешние характеристики источников питания (рис. 4): падающая 1, полого-падающая 6, жесткая 5, возрастающая 3 и вертикальная 2. Источник питания с той или иной внешней характеристикой выбирается в зависимости от способа сварки. Регулировочное устройство каждого источника дает ряд внешних характеристик («семейство характеристик»). Установившийся режим работы системы: «сварочная дуга — источник питания» определяется точкой пересечения А внешней характеристики источника питания (1, 2, 3, 5 или 6) и вольт-амперной характеристики 7 сварочной дуги.

Читайте также  Как исправляются свищи в сварном шве?

Рис.3 Вольт-амперная характеристика сварочной дуги (ВАХ) 1,2 при постоянной скорости подачи проволоки (характеристика устойчивой работы) и внешние характеристики источников питания 3, 4 и 5

Рис.4 Внешние характеристики источников питания 1, 2, 3, 5, 6 и вольт-амперные характеристики сварочной дуги 4, 7

Процесс сварки будет устойчив, если в течение длительного времени дуговой разряд существует непрерывно при заданных значениях напряжения и тока. Как видно из рис. 4, в точках А и В пересечения внешних характеристик дуги 7 и источника питания будет иметь место равновесие по току и напряжению. Если по какой-либо причине ток в сварочной дуге, соответствующий точке А, уменьшится, напряжение ее окажется меньше установившейся величины напряжения источника питания; это приведет к увеличению тока, т. е. к возврату в точку А. Наоборот, при случайном увеличении тока установившиеся напряжения источника питания оказываются меньше напряжения дуги; это приведет к уменьшению тока и, следовательно, к восстановлению режима горения сварочной дуги. Из аналогичных рассуждений ясно, что в точке Б сварочная дуга горит неустойчиво. Всякие случайные изменения тока развиваются до тех пор, пока он не достигнет величины, соответствующей точке устойчивого равновесия А или до обрыва дуги. При пологопадающей внешней характеристике (кривая 6) устойчивое горение дуги будет также происходить в точке А.

При работе на падающем участке вольт-амперной характеристики дуги внешняя характеристика источника в рабочей точке должна быть более крутопадающей, чем статическая характеристика сварочной дуги. При возрастающих характеристиках дуги внешние характеристики источника могут быть жесткими 5 или даже возрастающими 3.

При ручной сварке, когда возможны изменения длины дуги, она должна обладать достаточным запасом устойчивости.

При прочих равных условиях запас устойчивости возрастает с ростом крутизны внешней характеристики источника питания. Поэтому для ручной сварки применяют источники с крутопадающими характеристиками: сварщик может удлинить дугу, не опасаясь, что она оборвется, или укоротить ее, не боясь чрезмерного увеличения тока.

Саморегулирование сварочной дуги. При автоматической или полуавтоматической сварке плавящимся электродом скорость подачи его (va) равна скорости плавления. При случайном уменьшении дугового промежутка (кривая 4 на рис. 4) ток увеличивается и проволока начнет плавиться быстрее. В итоге дуговой промежуток постепенно увеличится и сварочная дуга достигнет первоначальной длины. То же произойдет при случайном удлинении дуги. Это явление называется саморегулированием сварочной дуги, так как восстановление исходного режима происходит без воздействия какого-либо регулятора. Саморегулирование происходит тем активнее, чем положе внешняя характеристика источника питания и больше скорость подачи электрода. Поэтому для механизированной сварки плавящимся электродом следует выбирать источники питания с пологопадающими внешними характеристиками. При сварке на постоянном токе в защитных газах, когда статическая характеристика сварочной дуги приобретает возрастающую форму, для систем саморегулирования рационально применять источники с жесткой характеристикой. Однако их напряжение холостого хода невелико и может быть даже меньше рабочего напряжения дуги, что затрудняет ее первоначальное возбуждение. В этих случаях желательно применение источников питания, у которых внешняя характеристика в рабочей части жесткая или пологовозрастающая вольт-амперная характеристика, а напряжение холостого хода несколько повышенное, как это показано пунктиром на рис. 4.

Сварочная дуга переменного тока требует от источников питания надежного повторного возбуждения сварочной дуги. Это достигается правильным выбором соотношений между напряжениями холостого хода, зажигания и горения дуги и параметрами сварочной цепи. Наиболее простой способ получения устойчивой сварочной дуги — включение в сварочную цепь реактивного сопротивления. Благодаря этому, в момент повторного возбуждения дуги напряжение на дуге может резко увеличиться (рис. 5) до значения напряжения зажигания (U3). Пунктирная кривая t/xx изображает напряжение источника питания при холостом ходе. При нагрузке, в связи с наличием реактивного сопротивления, сварочный ток отстает по времени от напряжения.

При обрыве дуги напряжение на дуговом промежутке должно подняться до величины, соответствующей мгновенному значению напряжения холостого хода источника питания. Благодаря отставанию тока от напряжения, такое напряжение оказывается достаточным для повторного возбуждения сварочной дуги (Un).

Перенос металла в сварочной дуге и требования к динамическим свойствам источников питания. Различают следующие виды переноса металла электрода в сварочную ванну: крупнокапельный, характерный для малых плотностей тока; мелкокапельный, струйный, когда металл стекает с электрода очень мелкими каплями. Капли расплавленного металла периодически замыкают дуговой промежуток, либо если не происходят короткие замыкания, периодически изменяют длину дуги. При большой плотности тока в электроде наблюдается мелкокапельный перенос металла, без заметных колебаний длины и напряжения сварочной дуги.

Напряжение, ток и длина дуги претерпевают периодические изменения от холостого хода к короткому замыканию; в рабочем режиме происходит горение дуги, образование и рост капли. В дальнейшем при коротком замыкании между каплей и ванной ток резко увеличивается. Это приводит к сжатию капли и к разрушению мостика между каплей и электродом. Напряжение почти мгновенно возрастает и сварочная дуга снова возбуждается, т. е. процесс периодически повторяется. Смена режимов происходит в течение долей секунды. Поэтому источник питания должен обладать высокими динамическими свойствами, т. е. большой скоростью повышения напряжения при разрыве цепи и нужной скоростью нарастания тока.

Рис. 5 Осциллограмма тока и напряжения дуги при сварке переменным током.

При малой скорости нарастания тока в ванну поступает нерасплавленная проволока. Она сравнительно медленно разогревается па большом участке, которым затем разрушается. Если ток возрастает слишком быстро, мостик между ванной и каплей электродного металла быстро перегревается и разрушается со взрывом. Часть расплавленного металла разбрызгивается и не попадает в шов.

Чтобы избежать разбрызгивания, необходимо повысить электромагнитную инерцию источника питания путем увеличения индуктивности сварочной цепи.

Динамическая вольт-амперная характеристика дуги

В реальных установках ток может меняться довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения тока.

Зависимость напряжения на дуге от тока при быстром его изменении называется динамической вольт-амперной характеристикой.

При возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической (кривая В на рис. 1.4), так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток. При уменьшении — ниже, поскольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С на рис.1.4).

Рисунок 1.4. — Динамическая вольт-амперная характеристика

Динамическая характеристика в значительной степени определяется скоростью изменения тока в дуге. Если в цепь ввести очень большое сопротивление за время, бесконечно малое по сравнению с тепловой постоянной времени дуги, то в течение времени спада тока до нуля сопротивление дуги остается постоянным. В этом случае динамическая характеристика изобразится прямой проходящей из точки 2 в начало координат (прямая Д), т.е. дуга ведет себя как металлический проводник, так как напряжение на дуге пропорционально току.

Падение напряжения на дуговом промежутке:

где Uз = Uк + Uа — околоэлектродное падение напряжения, Ed — продольный градиент напряжения в дуге, Id — длина дуги.

Из формулы следует, что с увеличением длины дуги падение напряжения на дуге будет увеличиваться, и ВАХ будет располагаться выше.

Чем быстрее уменьшать ток, тем ниже будут лежать динамические ВАХ. Это объясняется тем, что при снижении тока такие параметры дуги, как сечение ствола, температура, не успевают быстро измениться и приобрести значения, соответствующие меньшему значению тока при установившемся режиме.

Тема 1.3. Характеристики и свойства источника питания

Система «источник-дуга». Статические характеристики источников. Внешняя ВАХ источника. Графическое представление ВАХ источника: пологопадающие, крутопадающие, жесткие. Динамические свойства источников. Сварочные свойства источников питания. Надежность зажигания дуги. Устойчивость и стабильность процесса сварки. Начальное зажигание дуги. Схема зажигания дуги высоковольтным разрядом. Осциляторы. Влияние длины дуги на устойчивость системы. Влияние колебаний напряжения сети. Настройка режимов сварки. Эффективность регулирования параметров режима. Принцип саморегулирования. Системы управления сварочными источниками: АРДС и АРНД. Управление переносом электродного металла. Управление формированием сварного шва. Оценка сварочных свойств источников. Параметры источников питания. Основные требования к источникам питания.

Источники питания сварочной дуги имеют также свои вольт-амперные характеристики, которые могут быть падающими (рис. 1.4,а), жесткими (рис. 1.4,б,) и возрастающими (рис. 1.4,в).

а б в

Рисунок 1.4. — Вольт-амперные характеристики источников питания

Для стабильного горения дугинеобходимо, чтобы было равенство между напряжениями и токами дуги (Uд, Iд) и источника питания (Uп, In).

Источники питания с падающей и жесткой характеристиками применяют при ручной дуговой сварке, с возрастающей характеристикой — при полуавтоматической сварке, с жесткой и возрастающей — при автоматической сварке под флюсом и для наплавки.

Устойчивое горение сварочной дуги возможно только в том случае, когда источник питания сварочной дуги поддерживает постоянным необходимое напряжение при протекании тока по сварочной цепи.

Читайте также  Акт ревизии запорной арматуры примеры заполнения

Работу сварочной цепи и дуги нужно рассматривать при наложении статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) сварочной дуги на статическую вольт-амперную характеристику источника питания (называемую также внешней характеристикой источника питания).

Ручная электросварка обычно сопровождается значительными колебаниями длины дуги. При этом дуга должна гореть устойчиво, а ток дуги не должен сильно изменяться. Также часто требуется увеличить длину дуги, поэтому дуга должна иметь достаточный запас эластичности при удлинении, т. е. не обрываться.

Статическая характеристика сварочной дуги при ручной сварке обычно является жесткой, и отклонение тока при изменении длины дуги зависит только от типа внешней характеристики источника питания. При прочих равных условиях эластичность дуги тем выше, а отклонение тока дуги тем меньше, чем больше наклон внешней характеристики источника питания. Поэтому для ручной электросварки применяются источники питания с падающими внешними характеристиками. Это дает возможность сварщику удлинять дугу, не опасаясь ее обрыва, или уменьшать длину дуги без чрезмерного увеличения тока. Также обеспечиваются высокая устойчивость горения дуги и ее эластичность, стабильный режим сварки, надежное первоначальное и повторное зажигание дуги благодаря повышенному напряжению холостого хода, ограниченный ток короткого замыкания.

Ограничение этого тока имеет большое значение, так как при ручной дуговой сварке происходит переход капли расплавленного металла электрода на изделие, и при этом возможно короткое замыкание.

При больших значениях тока короткого замыкания происходят прожоги металла, прилипание электрода, осыпание покрытия электрода и разбрызгивание расплавленного металла. Обычно значение тока короткого замыкания больше тока дуги в 1,2-1,5 раз.

Основными данными технических характеристик источников питания сварочной дуги являются напряжение холостого хода, номинальный сварочный ток, пределы регулирования сварочного тока.

Напряжение холостого хода источника сварочного тока — напряжение на его зажимах при отсутствии дуги, номинальный сварочный ток — допустимый по условиям нагрева источника питания ток при номинальном напряжении на дуге.

В процессе сварки непрерывно меняются значения тока и напряжения на дуге в зависимости от способа первоначального возбуждения дуги и при горении дуги — характера переноса электродного металла в сварочную ванну.

При сварке капли расплавленного металла замыкают дуговой промежуток, периодически изменяя силу тока и длину дуги, происходит переход от холостого хода к короткому замыканию, затем к горению дуги с образованием капли расплавленного металла, которая вновь замыкает дуговой промежуток. При этом ток возрастает до величины тока короткого замыкания, что приводит к сжатию и перегоранию мостика между каплей и электродом. Напряжение возрастает, дуга вновь возбуждается, и процесс периодически повторяется.

Изменения тока и напряжения на дуге происходят в доли секунды, поэтому источник питания сварочной дуги должен обладать высокими динамическими свойствами, т. е. быстро реагировать на все изменения в дуге.

В реальном аппарате после размыкания контактов расстояние между ними меняется и дуга имеет переменную длину. В этом случае процесс отключения можно представить следующим образом.

Разобьем путь, который проходит контакт, на участки и нанесем статические вольт-амперные характеристики, соответствующие концу каждого участка (рис. 1.5). Если индуктивность цепи мала, то по мере увеличения длины дуги ток будет быстро принимать значения, соответствующие точке пересечения статических характеристик с прямой U-iR. В точке ток достигнет критического значения. При дальнейшем увеличении длины дуги наступят условия для гашения.

Длина дуги, при которой статическая характеристика касается прямой U-iR, называется критической длиной дуги. После точки ток быстро уменьшается до нуля, дута гаснет.

Рисунок 1.5. — Динамическая вольт-амперная характеристика с участками

В цепи с большой индуктивностью спадание тока из-за большой величины индуктивности замедляется; вольт-амперная характеристика дуги сразу же после расхождения контактов поднимается выше прямой U-iR. В момент гашения дуги возможны большие перенапряжения.

При отключении активной нагрузки гашение происходит быстро, никаких перенапряжений не происходит.

Вольт-амперные характеристики источников сварочного тока

Статические характеристики источников сварочного тока

Вольт-амперной характеристикой дуги называют зависимость между напряжением и током дуги в установившемся (статическом) режиме. Напряжение в процессе сварке зависит от длины дуги, чем длиннее сварочная дуга, тем выше напряжение. Чем круче вольт-амперная характеристика источника сварочного тока, тем меньше влияет длина сварочной дуги на сварочный ток.

Статическая вольт-амперная характеристика дуги показывает зависимость между установившимися значениями тока и напряжения дуги при постоянной ее длине.

При ручной сварке статическая характеристика сварочной дуги обычно является жесткой, и отклонение тока при изменении длины дуги зависит только от типа внешней характеристики источника питания.

Внешняя вольт-амперная характеристика представляет собой зависимость Uи= f(Iд), которую в общем виде получим из анализа схемы энергетической системы «источник- дуга»

Источник может pаботать в одном из тpех режимов: холостой ход, нагpузка, коpоткое замыкание.

При холостом ходе дуга не горит, ток отсутствует. В этом случае напряжение источника, называют напряжением холостого хода, максимальное напряжение источника

При нагрузке по дуге и источнику идет ток, напряжение, ниже, чем при холостом ходе, на величину падения напряжения внутри источника.

Экспериментально внешняя характеристика источника снимается измерением напряжения и тока при плавном изменении сопротивления нагрузки, при этом дуга обычно имитируется линейным активным сопротивлением-балластным реостатом.

Графическое представление полученной зависимости напряжения от тока и есть внешняя вольт- амперная характеристика источника. При уменьшении сопротивления нагрузки увеличивается ток и снижается напряжение источника. Таким образом, в общем случае внешняя вольт- амперная характеристика источника- падающая.

Оценим коэффициент полезного действия источников тока и режимов их работы. Очевидно, что для повышения коэффициента полезного действия, т.е. повышения эффективности расходования энергии, следует уменьшать внутренние сопротивление источника. Самый высокий коэффициент, близкий к единице, получается при самых малых сварочных токах, когда сопротивление приближается к бесконечности.

Динамические свойства источника сварочного тока

Динамические свойства характеризуются временем восстановления напряжения с момента короткого замыкания, до рабочего значения, когда горит дуга. Чем быстрее восстанавливается напряжение, тем лучше динамичнее свойства источника тока

Процессы в реальной системе «источник — дуга» чрезвычайно быстры. Интервалы установившегося состояния длятся не более нескольких секунд. Переходные процессы возникают от 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. Процессы могут вызываться внешним воздействием, 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 не сглаженного 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, внутреннее сопротивление, а также индуктивность сварочной цепи.

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.

Проверка свойств сварочных свойств источников питания

Для испытания источников питания ручной дуговой сварки применяют дифференцированный и совокупный методы.

Дифференцированный метод применяют для оценки:

  • начального зажигания дуги;
  • стабильности процесса сварки;
  • разбрызгивания металла;
  • качества формирования шва;
  • эластичности дуги.

Совокупный метод испытаний применяют при сравнительных испытаниях для оценки сварочных свойств в целом по единичному обобщенному показателю, при этом сравнение проводят с двумя образцовыми источниками питания с заранее известными и различными по значению показателями сварочных свойств.

Для испытания источников питания автоматической и полуавтоматической сварки в углекислом газе применяют дифференцированный метод, по которому оценивают:

  • надежность установления процесса сварки;
  • потери металла;
  • качество формирования шва.

Дифференцированный метод оценки сварочных свойств источников питания ручной дуговой сварки применяют при периодических, типовых, предварительных и приемочных испытаниях, а источников питания сварки в углекислом газе, кроме того, при сравнительных испытаниях.

При предварительных, приемочных и сравнительных испытаниях, наряду с оценкой сварочных свойств источников, проводят оценку сварочных свойств серийного источника того же назначения.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: