Как формируются падающие характеристики в сварочном трансформаторе

Основные характеристики источника питания и сварочной дуги

Внешняя характеристика источника питания дуги. Кроме таких осязаемых параметров трансформатора как форма и геометрические размеры его магнитопровода, количество витков первичной и вто­ричной обмоток, величина входного и выходного напряжения, по­требляемый и развиваемый на выходе ток и т. д., существуют еще и такие характеристики электросварочной системы, которые в обыч­ных условиях оценить визуально или измерить с помощью измери­тельной аппаратуры невозможно, однако именно их показатели оп­ределяют пригодность трансформатора в качестве источника тока для ручной сварки или же обуславливают качество горения дуги и формирования сварного шва. То, что разные трансформаторы по-раз­ному варят, сварщикам известно хорошо. В одном случае дуга зажи­гается и горит стабильно, швы ложатся ровно, работать таким аппа­ратом легко — сварщики говорят: «варит мягко». В другом же слу­чае наоборот: удерживать дугу тяжело, она мерехтит и часто гаснет, металл сильно разбрызгивается, и швы получаются какими-то рва­ными и размытыми, притом что трансформатор развивает необходи­мый ток, даже вроде бы обладает запасом по мощности и с выход­ным напряжением у него тоже все в порядке. В чем же дело? А при­чина как раз в способности трансформатора стабильно держать рабочий ток, что характеризуется таким показателем, как внешняя вольт-амперная характеристика (ВАХ) источника питания. Под ис­точником питания в общем случае понимается трансформатор с при­соединенными к нему дополнительными устройствами, которыми могут быть активная или реактивная нагрузка (дроссель) или ка­кие-либо другие компоненты, улучшающие внешнюю характеристи­ку такого скомпонованного источника тока. Важно, что рабочий ток снимается с выхода всей этой системы. Если же сварочный транс­форматор используется как источник питания дуги сам по себе, без другого оборудования, то имеет смысл говорить о внешней вольт-ам­перной характеристике самого трансформатора. Притом, что в по­следнем случае оценка будет более наглядной, — хорошо, когда для ручной сварки используется трансформатор, обладающий хорошей характеристикой без каких-либо дополнительных средств ее улучше­ния. К тому же практика показывает, что в легких бытовых и пере­носных промышленных сварочных аппаратах громоздкие элементы для улучшения выходных характеристик не применяются вообще и источником питания дуги здесь является сам трансформатор.

Для ручной сварки применима только крутопадающая характеристика, жесткая и пологопадающая применяются при автоматической электросварке. Таким образом, из­готавливаемый сварочный трансформатор должен обладать крутопа­дающей внешней характеристикой — только тогда процесс сварки бу­дет происходить качественно. Дело здесь в том, что только при круто­падающей характеристике довольно-таки значительные колебания напряжения на дуге, как это видно на середине участка из графика, вызывают относительно небольшое изменение сварочного тока. А ведь величина напряжения на сварочной дуге в свою очередь зави­сит от длины дуги, которая поддерживается в процессе горения вруч­ную, потому не может быть стабильной. Вот почему только при кру­топадающей характеристике трансформатора колебания кончика электрода в руках сварщика будут не сильно сказываться на стабиль­ности горения дуги и качестве наплавки. Чтобы в полной мере понять этот процесс, полезно также более подробно рассмотреть особенно­сти горения дуги и определить ее характеристики.

Характеристики сварочной дуги. Сварочная дуга представляет собой длительный электрический разряд между концом электрода и областью дуговой зоны металла изделия. Сварочная дуга характеризуется значительной плотностью тока и высокой температурой катодной области электрода, превы­шающей 3000 градусов, при относительно небольшом значении раз­ности потенциалов — 20. 25 В. При зажигании дуги сначала проис­ходит пробой газового промежутка электронами, потом, в течение микросекунд, процесс стабилизируется и в дуговом промежутке, в результате ионизации электронами молекул газов, появляется также ионная проводимость. Кроме того, стабилизатором горения дуги является плавящаяся и испаряющаяся обмазка электродов.

При сварке плавящимся элек­тродом, под действием высокой температуры, на его конце происхо­дит плавление металла, образова­ние капли, ее отрыв от электрода и перенос на металл изделия. При ручной сварке в виде капель пере­носится до 95% электродного ме­талла, некоторая его часть превра­щается в пары и брызги (рис, 1.8). Диаметр капель и скорость их обра­зования зависят от силы тока, диа­метра электрода, длины дуги и ряда других условий. При сварке покры­тыми электродами большинство ка­пель окутано в оболочку из шлака, образующегося при плавлении покрытия, поэтому при прохождении они не замыкают дуговой промежуток. Однако короткое замыкание дугового промежутка некоторыми каплями все же происходит, что приводит к кратковременным падениям напряжения и скачкам сва­рочного тока. Для стабильности процесса горения дуги важна способ­ность трансформатора к быстрому восстановлению тока и напряже­ния. В сварочной дуге происходит нелинейное распределение темпе­ратуры и падение напряжения, зависящих от силы тока.

Статическая вольт-амперная характеристика дуги. Наибольший практический интерес при рассмотрении сварочной дуги для нас представляет ее статическая вольт-амперная характери­стика. Ни в коем случае не стоит путать вольт-амперные характери­стики источника питания (трансформатора) и дуги, так как они обу­словлены совершенно разными по сути физическими процессами. Статической вольт-амперной характеристикой дуги называют зави­симость падения напряжения на дуге от силы сварочного тока при постоянной длине дуги и прочих постоянных условиях горения дуги.

Вольт-амперные характеристики дуги снимаются в лаборатор­ных условиях, от специального источника с регулируемыми пара­метрами. Проведение данного эксперимента связано со значительны­ми трудностями из-за сложности измерения и поддержания длины дуги, а также поддержания неизменными других физических усло­вий. Трудности особенно усугубляются при проведении эксперимен­та с плавящимися электродами, длина дуги в процессе плавления ко­торых постоянно меняется, кроме того, происходит влияние на дугу капель переносимого расплавленного металла вплоть до замыкания в некоторых случаях этими каплями дугового промежутка. Однако эм­пирические результаты для такого рода дуг были давно получены и исследованы (рис. 1.9), их форма сохраняет свой вид и в случае руч­ной электросварки.

Статическую вольт-амперную характеристику дуги условно мож­но разделить на три участка: падающая — с ростом сварочного тока напряжение уменьшается (1); жесткая — с ростом тока напряжение остается практически неизменным (2); возрастающая — рост тока вызывает увеличение напряжения дуги (3). Зажигание дуги происхо­дит при напряжениях 40. 50 В. По мере увеличения тока дуги на­пряжение на ней падает до 20. 25 В, уменьшение напряжения пре­кращается при достижении тока 70. 80 А. При дальнейшем росте тока напряжение дуги стабилизируется — именно этот участок луч­ше всего использовать для электросварки. При токах свыше 800 А напряжение дуги начинает расти, однако такие значения недостижи­мы для бытовой электросварки и потому для нас малоинтересны. По­ложение вольт-амперных характеристик различно для дуг различной длины. При увеличении длины дуги график вольт-амперной зависи­мости сдвигается вверх — в сторону возрастания напряжения (рис. 1.10). Так, вольт-амперная характеристика (L3) соответствует короткой дуге; зависимость (L1) — длинной дуге для того же элек­трода и источника питания.

Что же мы видим? На рис. 1.12 изображены две статические ха­рактеристики одной и той же дуги на разных длинах LI, L2 — колеба­ние длины дуги естественно при ручной сварке. Далее будем считать, что мы запитываем дугу от двух разных трансформаторов: с крутопа­дающей и пологопадающей внешней характеристикой. Графики со­ответствующих ВАХ трансформаторов изображены здесь же, и они пересекают кривые статических ВАХ дуги. Горение дуги возможно только в точках пересечения кривых внешних характеристик транс­форматоров со статическими кривыми дуги на длинах LI, L2. Теперь обратите внимание, как изменяется ток в точках горения в первом и во втором случае, при переходе дуги с длины L1 на длину L2. Так, в первом случае, для трансформатора с крутопадающей внешней характеристикой, изменение тока между крайними точками горения сварочной дуги соответствует значению ΔIкр.хар, которое относи­тельно небольшое. Во втором же случае, при тех же колебаниях дли­ны дуги, но уже в точках горения дуги для трансформатора с полого-падающей характеристикой, мы видим значительную разницу в изме­нении сварочного тока — ΔIпол.хар.

Выводы очевидны: стабильное горение дуги и высокое качество сварного шва возможны только при минимальных колебаниях рабо­чего тока, что может обеспечить только источник с крутопадающей внешней характеристикой.

Источник

ЭЛЕКТР О ТЕХНОЛОГИЯ

электронный учебно-методический комплекс

Содержание

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

Электросварочный трансформатор

Изучить режим работы и конструктивные особенности сварочного трансформатора.

1. Ознакомиться с теоретическими сведениями.
2. Изучить методику и выполнить работу.
3. Составить и защитить отчёт.

Общие теоретические сведения

Сварочные трансформаторы представляют собой источники переменного тока. Сварка дугой переменного тока менее качественна, чем на постоянном токе, однако сварочные трансформаторы дешевле и проще в эксплуатации.

Это одно- или трёхфазные понижающие трансформаторы со вторичным напряжением холостого хода 60…75 В, рассчитанные на большие сварочные токи.

Преобразователь постоянного напряжения (рис. 7.1)содержит тиристорный резонансный инвертор с обратными диодами основной и вспомогательный резонансный LC-контур, Силовой трансформатор, выпрямитель и ёмкостный выходной фильтр. Дополнительный LC-контур плечом в диагональ переменного тока инвертора; последовательно с ним включены дополнительная обмотка дросселя основного LC-контура и двунаправленный ключ. Благодаря этому преобразователь сохраняет работоспособность во всех режимах от холодного хода до короткого замыкания, поскольку в цепи вспомогательного контура всегда формируются импульсы прямого и обратного тока стабильный амплитуды и длительности. Протекая по обратному диоду, инвертора обратная полуволна тока вспомогательного контура запирает тиристор инвертора, даже если в цепи основного LC-контура обратная полуволна тока не формируется.

Рис. 7.1. Преобразователь постоянного напряжения.

В трансформаторах с нормальным магнитным рассеянием (СТЭ, СТН, ТСД) в сварочную цепь включают дроссель с регулируемым воздушным зазором магнитопровода.

Дроссели выполняют функцию регулирования сварочного тока.

В трансформаторах с увеличенным магнитным рассеянием (ТС, ТСХ) силу сварочного тока регулируют расстоянием между первичной и вторичной обмотками.

При сближении обмоток ток увеличивается, при раздвижении — уменьшается. Основными характеристиками источников сварочного тока являются: напряжение холостого хода, внешняя характеристика и способ регулирования сварочного тока.

Сварочные трансформаторы имеют различные характеристики и конструктивное оформление в зависимости от того, для какого способа сварки они предназначены — дугового, контактного или электрошлакового, контактно-точечного, лазерного.

Сварочный трансформатор для дуговой сварки должен иметь достаточное для зажигания дуги напряжение холостого хода (60…70 В) и соответствующую внешнюю характеристику (падающую или жёсткую).

При жёсткой внешней характеристике сварочный трансформатор в конструктивном отношении ничем не отличается от обычных силовых трансформаторов. Для получения требуемой падающей внешней характеристики сварочные трансформаторы выполняются с относительно большим магнитным рассеянием или в самом трансформаторе, или в отдельном реакторе. Регулирование сварочного тока может производиться ступенями — путём переключения одной или нескольких обмоток.

Способ сварки трением. Сварку трением производят в температурном интервале сверхпластичности металла одной из свариваемых заготовок, давление нагрева прикладывают импульсно. Длительность первого импульса давления нагрева ограничивают достижением температуры сверхпластичности на поверхности свариваемого стыка. Количество прикладываемых импульсов и пауз давления, их длительности определяют выравниванием температуры сверхпластичности металла по всей площади стыка. Давление нагрева в паузе составляет 40-60 % давления в импульсе. Сварка повышает стабильность прочности и качества сварных соединений.

Плавное регулирование сварочного тока осуществляется посредством изменения магнитного сопротивления самого трансформатора или соединенного с ним реактора.

Работу трансформатора изучают при двух предельных режимах его работы: холостом ходе и коротком замыкании.

Изучение режимов холостого хода и короткого замыкания трансформатора важно в двух отношениях:

1. Любой нагрузочный режим трансформатора можно рассматривать как промежуточный между двумя предельными режимами его работы и получить этот нагрузочный режим путем наложения одного нагрузочного режима на другой, например, режима короткого замыкания на режим холостого хода;
2. Холостой ход и короткое замыкание трансформатора позволяют определить ряд величин, имеющих весьма важное значение с точки зрения эксплуатации трансформатора — его КПД.

Опыт холостого хода производится по схеме (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Схема опыта холостого хода .

Напряжение холостого хода не должно быть меньше 50…55 В (напряжение зажигания дуги) и не выше 60…75 В (напряжение безопасное для сварщика).

Внешняя характеристика — это зависимость напряжения на его выходных зажимах от силы тока, нагрузки. Характеристика может быть круто и полого падающей, жёсткой, возрастающей (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Внешняя характеристика: 1, 2-круто и полого падающая; 3-жёсткая; 4-возрастающая.

В большинстве случаев целесообразна падающая внешняя характеристика.

Регулирование сварочного тока. Оно необходимо при сварке деталей различной толщины. Возможны два способа регулирования: изменением холостого хода и изменением эквивалентного сопротивления.

При холостом ходе трансформатор не совершает полезной работы, поэтому мощность холостого хода Р хх тратится только на покрытие потерь холостого хода, которые включают: потери в меди первичной обмотки P xx1 , основные потери в стали Р хх.ст , добавочные потери Р доб .

В сварочном трансформаторе ввиду малых потерь Р хх1 и Р доб , ими можно пренебречь. Следовательно, мощность холостого хода Р хх определяет потери в стали, т.е. Р хх =Р хх.ст . Холостой ход трансформатора позволяет определить коэффициент трансформации k, под которым понимают отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения:

где Е 1 , Е 2 — ЭДС обмотки высшего и низшего напряжения, В;

f — частота переменного тока, Гц;

W 1 , W 2 — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора;

Ф Т — магнитный поток в сердечнике трансформатора, Вб.

Так как при холостом ходе E 1 =U xx 1 и E 2 =U xx2 , то k = U xx1 /U xx2 .

Опыт короткого замыкания производится по схеме (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Схема опыта короткого замыкания.

Из опыта короткого замыкания определяют параметры короткого замыкания трансформатора: U 1к , I к и Р к ; он производится при пониженном напряжении.

Первичное напряжение подбирается такой величины, чтобы ток в накоротко замкнутой вторичной цепи равнялся номинальному току данного трансформатора (при ПВ=65%). Мощность Р к практически тратится только на покрытие потерь в меди первичной и вторичной обмоток P 1xx и P 2xx . Следовательно, параметры короткого замыкания трансформатора можно определить, используя следующие соотношения:

где r к — активное сопротивление, Ом;

Z к — полное сопротивление, Ом;

Х к — индуктивное сопротивление трансформатора или регулятора, Ом.

Коэффициент полезного действия трансформатора определяем по формуле:

где К нг — коэффициент нагрузки;

Р кн — мощность, потребляемая трансформатором в режиме короткого замыкания при номинальном первичном токе, кВт;

Р н — номинальная активная мощность трансформатора: кВт;

Р хх — мощность, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода, кВт.

Собрать схему опыта холостого хода (рис. 7.1), провести опыт холостого хода. Опыт холостого хода необходимо проводить при напряжении сети, соответствующем номинальному напряжению трансформатора, подлежащего исследованию. Результаты измерений и вычислений занести в табл. 7.1.

Результаты опыта и расчётов опыта холостого хода

U 10 , B

U 20 , B

Р 0 , Вт

k

Собрать схему опыта короткого замыкания трансформатора (рис. 7.3), провести опыт короткого замыкания (при номинальном первичном токе I 1н ). По результатам опыта короткого замыкания определить Z к , r к , Х к , сos φ к . Результаты опыта и вычислений занести в табл. 7.2.

Результаты опыта и расчётов опыта короткого замыкания

U 1K ,B

I 1к ,А

Р к ,Вт

I 2к ,А

Z к ,ОМ

r к , кOм

Х к ,Oм

Cosφ к

1. Электрические схемы установки для исследования электросварочного трансформатора.
2. Расчётные формулы, таблицы опытных и расчетных данных.
3. Графики зависимостей U 2 =(f 2 ) по опытным и расчётным данным.
4. Выводы по работе.

1. Как формируются падающие характеристики в сварочном трансформаторе?
2. Перечислите способы регулирования сварочного тока.
3. Какие величины определяют из опытов холостого хода и короткого замыкания?
4. Назовите способы сварки сварочными трансформаторами.
5. Как осуществляется плавное регулирование сварочного тока?
6. Каким должно быть безопасное напряжение для работы сварщика?
7. Для каких целей при сварке необходимо регулирование сварочного тока?

Электросварочные трансформаторы

220;50Гц

220;50Гц

380;50Гц

220;50Гц

380;50Гц

380;50Гц

220;50Гц

220;50Гц

220;50Гц

380;50Гц

220;50Гц

220;50Гц

220;50Гц

380;50Гц

380;50Гц

220;50Гц

220;50Гц

380;50Гц

Марка	Напря- жение, В	Сва- роч- ный ток, А	Диапазон регули- рования свароч- ного тока, А	Диапазон регули- рования скорости подачи сварочной прово локи, м/час	Диапазон регули- рования рабочего напря- жения, В	Напря- жение холос- того хода, не более, В	Вмести- мость катушки для прово- локи, не менее, кг	Диапазон сварочной прово- локи, мм	Потреб- ляемая мощ- ность, не более, кВт	Габаритные размеры, не более, мм	Масса, не более, кг (без свароч- ной прово- локи)
ТС‑151	150	—	—	—	—	—	—	9,6	290×470×400	40
ТСБ‑103	100	—	—	—	—	—	—	8	189×320×320	21
А 547	200	40-315	—	16-32	—	—	0,8-1,4	1	—	—
ПДГ 201	120	30-200	60-350	16-27	36	4	0,8-1,2	6	620×255×455	38
ПДГ 252	190	30-250	50-1100	16-36	46	15	0,8-1,2	10	600×315×555	70
ПДГ 403	300	30-400	—	16-36	56	—	0,8-3,2	24	800×320×795	95
Торнадо 160М	100	30-160	96-360	16-25	36	—	0,8-1	4,4	200×150×305	16
Торнадо 180М	100	30-180	84-360	16-25	36	—	0,8-1	4,4	205×190×325	17
Русич 165	165	—	—	20-26	34	—	2,5-3	3,6	360×320×190	9
ТДРЖ-1002	100	—	—	—	—	—	—	—	1430×760×1220
Русич 200	205	140-200	—	20-26	34	—	3-4	5,2	360×320×190	17
ТСБ 145	95	60-145	—	—	—	—	—	—	350×220×340	19
ТДМ 169	100	60-160	—	—	—	—	2-4	—	386×225×406	—
ТДМ 252	190	60-250	—	—	—	—	2-4	—	280×230×300	30
ТДМ 503	300	120-500	—	—	—	—	2-8	—	410×380×380	95
Терминатор	100	80-200	—	—	—	—	—	—	—	13
ДУГА 318 МА	170	30-160	—	—	—	—	—	8,3	400×200×360	25
ДУГА 318 М1	300	50-300	—	—	—	—	—	8,3	400×280×360	50

© ФГОУ ВПО Красноярский государственный аграрный университет, 2006
© Центр дистанционного обучения КрасГАУ, 2006

Источник