Сварочные генераторы, применяемые в сварочных агрегатах Сварочные генераторы подразделяют по конструкции на коллекторные и вентильные, а по принципу действия на генераторы с самовозбуждением и с независимым возбуждением. Генераторы коллекторного типа с независимым возбуждением применялись в сварочных преобразователях, выпуск которых в нашей стране прекращен в 90х годах 20 века, но пока еще в некоторых организациях эксплуатируются. Остальные виды генераторов в настоящее время являются составной частью сварочных агрегатов. КОЛЛЕКТОРНЫЕ СВАРОЧНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ Коллекторные генераторы являются машинами постоянного тока, содержащими статор с магнитными полюсами и обмотками, а также ротор с обмотками, концы которых выведены на пластины коллектора. Графитовые щетки осуществляют подвижный контакт с пластинами коллектора. Щетки машины располагаются на электрической (геометрической) нейтрали коллектора, где ЭДС в витках меняет свое направление. Если сдвинуть щетки с нейтрали, то напряжение генератора понизится, а переключение обмоток будет происходить под напряжением, что в режиме нагрузки приведет к очень быстрому расплавлению коллектора электрической дугой от проходящего через него сварочного тока. При вращении ротора витки его обмотки пересекают силовые линии магнитного поля и в них индуцируется ЭДС, которая пропорциональна магнитному потоку, создаваемому магнитными полюсами E2 cФ , где Ф - магнитный поток; с — постоянная генератора, определяемая его конструкцией и зависящая от числа пар полюсов, количества витков в якорной обмотке, скорости вращения якоря. Напряжение на выходе генератора при нагрузке U 2 E2 J св Rг где U 2 - выходное напряжение на клеммах генератора при нагрузке; Jсв - сварочный ток; Rг - суммарное сопротивление участка цепи якоря внутри генератора и щеточных контактов. Поэтому ВСХ такого генератора полого падающая. Для получения круто падающей ВСХ в коллекторных генераторах применяется принцип внутреннего размагничивания машины, что обеспечивается статорной обмоткой размагничивания. При необходимости получения жесткой ВСХ используется подмагничивающая обмотка статора. Генератор с независимым размагничивающей обмоткой возбуждением и Отличительной особенностью такого генератора является то, что на магнитных полюсах расположены две обмотки возбуждения. Одна (намагничивающая) питается от постороннего источника тока (с независимым возбуждением), а по другой (размагничивающей) протекает сварочный ток. С учетом двух обмоток возбуждения уравнение ЭДС генератора запишется в виде E r cФ c (Ф н Ф р ) с ( i н Wн R н J св W р R р ) где iн - ток в намагничивающей обмотке с числом витков Wн; Jсв -ток в размагничивающей обмотке с числом витков Wp; Rн , Rp - магнитное сопротивление на пути намагничивающего Фи и размагничивающего Фр потоков соответственно. Поскольку намагничивающая и размагничивающая обмотки располагаются на одних и тех же полюсах, то сопротивление Rн , и Rp будут равны. С учетом этого уравнение ЭДС для холостого хода J св 0 запишется в виде iнWн U xx Er cФн с R , а уравнение выходного напряжения генератора под нагрузкой U r U 2 E r J св Rr c(Фн Ф р ) J св Rr cW р J свW р iнWн c c J св Rr U о J св Rr R R R Слагаемыми в скобках являются активное сопротивление и параметры, характеризующие свойства размагничивающей обмотки. Это позволяет заключить, что по своему действию размагничивающая обмотка эквивалентна сопротивлению, включенному последовательно в якорную цепь генератора Rэ cW р R Тогда уравнение генератора принимает вид U 2 U xx J св ( Rэ Rr ) из которого можно определить величину тока J U0 U Д R э Rr где UД - напряжение сварочной дуги, которое равно напряжению генератора при нагрузке. Таким образом, размагничивающая обмотка, играя роль сопротивления, включенного последовательно с дугой, обеспечивает падающую характеристику генератора, а при ее секционировании ступенчато регулирует величину тока. ВСХ генератора с размагничивающей обмоткой Включение в работу всех витков размагничивающей обмотки дает ступень малых токов, а включение части витков - ступень больших токов. Плавное регулирование сварочного тока осуществляется за счет изменения напряжения холостого хода, для чего служит реостат R в цепи намагничивающей обмотки. Увеличение сопротивления R приводит к снижению iн намагничивающего тока снижению потока намагничивания Фн, напряжения холостого хода генератора и, наконец, к уменьшению сварочного тока. Генератор обеспечивает падающую ВСХ только при вращении в одну сторону, указанную на корпусе стрелкой. В сварочных преобразователях необходимо контролировать правильное направление вращения электродвигателя до проведения сварки на холостом ходу. Генератор с самовозбуждением размагничивающей обмоткой и Главное отличие этого типа генераторов в том, что намагничивающая обмотка возбуждения питается не от постороннего источника, а от самого генератора. Поэтому они называются генераторами с самовозбуждением. Принципиальная электрическая схема и устройство магнитной системы четырех полюсного генератора с самовозбуждением. В коллекторных генераторах, кроме основных полюсов и обмоток, есть ещё 2 дополнительных полюса, на которых размещается по витку дополнительной последовательной обмотки. Это необходимо для компенсации магнитного потока реакции якоря и сохранения положения электрической нейтрали машины при изменении нагрузки. Для нормальной работы генератора с самовозбуждением необходимо, чтобы напряжение, подаваемое на намагничивающую обмотку, не изменялось в процессе сварки, т.е. не зависело от режима сварки. С этой целью в генераторе установлена третья дополнительная щетка z, которая располагается между двумя основными щетками a и b. При анализе работы данного генератора необходимо учитывать магнитный поток Фя, создаваемый сварочным током, протекающим по виткам якорной обмотки, так называемый поток реакции якоря. Картина распределения магнитных потоков под полюсом полярности N четырехполюсного генератора Из рисунка видно, что под одной половиной полюсов силовые линии поля якоря усиливают намагничивающий поток Фн. а под другой - ослабляют его. В целом подмагничивающее действие потока реакции якоря компенсируется его размагничивающим действием. Поэтому при анализе работы генераторов с независимым возбуждением влияние потока реакции якоря не учитывалось. В генераторах с самовозбуждением параметры обмотки якоря и размагничивающей обмотки подобраны так, что под одной половиной полюсов (между щетками b—z) магнитный поток размагничивающей обмотки компенсируется потоком реакции якоря. В результате напряжение на щетках b-z будет определяться только половиной магнитного потока намагничивающей обмотки. Таким образом, напряжение, питающее намагничивающую обмотку, оказывается независящим от сварочного тока. Падающая же характеристика генератора обеспечивается за счет размагничивающего действия размагничивающей обмотки, второй половиной полюсов. U ав ( E ав Eсв ) J св Rr проявляющегося под 1 1 1 1 1 1 c Фн Ф я Ф р Фн Ф я Ф р J св Rr 2 2 2 2 2 2 c(Фн ФР ) J св Rr U о J св ( Rэ Rr ) Это позволяет заключить, что регулировка режима в коллекторных генераторах с самовозбуждением такая же как и в генераторах с независимым возбуждением. Особенность генераторов с самовозбуждением состоит в том, что их запуск возможен только при вращении якоря. Это связано с тем, что первоначальное возбуждение генератора при его запуске происходит благодаря остаточному намагничиванию полюсов. При вращении якоря в противоположную сторону в обмотке возбуждения потечет ток обратного направления, который своим нарастающим магнитным полем в какойто момент времени компенсирует остаточное намагничивание полюсов, т.е. суммарный магнитный поток под полюсами станет равным нулю. Агрегат АДД-303 с коллекторным генератором ВЕНТИЛЬНЫЕ СВАРОЧНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ Появились в середине 70-х годов 20 века после освоения производства силовых кремниевых вентилей. В этих генераторах функцию выпрямления тока вместо коллектора выполняет полупроводниковый выпрямитель, на который подается переменное напряжение генератора. В сварочных агрегатах применяются генераторы три типа конструкции генераторов переменного тока: индукторный, синхронный и асинхронный Конструкции генераторов переменного тока: а — индукторного, б — синхронного, в — асинхронного В России сварочные агрегаты выпускаются с индукторными генераторами с самовозбуждением, независимым возбуждением и со смешанным возбуждением. Схема вентильного генератора с самовозбуждением Конструктивная схема и связь параметров индукторного генератора В индукторном генераторе неподвижная обмотка возбуждения питается постоянным током, но создаваемый ею магнитный поток имеет переменный характер. Он максимален при совпадении зубцов ротора и статора, когда магнитное сопротивление на пути потока минимально, и минимален при совпадении впадин ротора и статора. Следовательно ЭДС, наводимая этим потоком, тоже переменная. Поскольку три рабочие обмотки расположены на статоре со сдвигом на 120° на выходе генератора образуется трехфазное переменное напряжение. Падающая ВСХ генератора получается за счет большого индуктивного сопротивления самого генератора. Реостат в цепи возбуждения служит для плавной регулировки сварочного тока. Отсутствие скользящих контактов (между щетками и коллектором) делает такой генератор более надежным в эксплуатации. Кроме того, у него более высокий КПД, меньшие масса и габариты, чем у коллекторного генератора. Значительно можно улучшить и динамические характеристики. Принципиальная электрическая схема вентильного генератора типа ГД-312 с самовозбуждением ВСХ генератора ГД-312 Для обеспечения работы на холостом ходу питание обмотки возбуждения осуществляется от трансформатора напряжения, а для питания ее в режиме короткого замыкания – от трансформатора тока. В режиме нагрузки – сварки – на обмотку возбуждения подается смешанный сигнал управления пропорциональный части выходного напряжения и пропорциональный току. Вентильные генераторы выпускаются марки ГД-312 и применяются для ручной сварки металлов в составе агрегатов типа АДБ Схемы соединения обмоток трехфазного индукторного генератора при ступенчатом регулировании тока Вентильный генератор ГД-4006 Принципиальная схема генератора ГД-4006 ВСХ генератора ГД-4006 В России выпускают несколько конструкций многопостовых агрегатов с количеством постов от 2х до 4х. На рынке представлены и универсальные агрегаты для нескольких способов сварки или сварки и плазменной резки. В частности агрегат АДДУ-4001ПР Устройство агрегата АДДУ-4001ПР Формирование ВСХ агрегата АДДУ-4001ПР обеспечивается тиристорным силовым блоком с микропроцессорным управлением. Более широкие технологические возможности обеспечивает применение в агрегатах инверторных силовых блоков, как, например, в агрегате Vantage 500. Инверторные источники питания. Инвертирование в преобразовательной технике – это преобразование постоянного напряжения в переменное. Инверторы сварочных источников питания выполняются на силовых тиристорах и транзисторах. Тиристорные инверторы проигрывают транзисторным по максимальной частоте преобразования (на порядок) и соответственно по массогабаритным показателям. Поэтому в производстве сварочных ИП они в настоящее время почти полностью вытеснены транзисторными инверторами. Рассмотрим одну из широко применяемых схем транзисторного инвертирования. Выпрямитель V1 преобразует напряжение сети (~380В, 50Гц) в постоянное, неравномерность которого сглаживается фильтром L1—С1. Инвертор на транзисторах VT1-VT2 преобразует постоянное напряжение в переменное высокочастотное (~ 50 кГц). Далее напряжение (~ 380 В) понижается трансформатором Т до сварочного ( 80 В), выпрямляется выпрямителем V2 и сглаживается фильтром L2-C2. Поскольку трансформируется переменный ток большой частоты, то трансформатор изготавливается не с железным, а с ферритовым сердечником, что снижает его вес примерно в 10 раз. Поскольку частота трансформируемого тока большая, то сокращается длительность переходных процессов с n*10-2 с до 10-3с и менее. В настоящее время основную часть инверторного оборудования для сварочного производства составляют ИП с высокочастотными трансформаторами, поскольку условия электробезопасности при ручной сварке и сварке шланговыми полуавтоматами, а также при плазменной резке требуют гальванической развязки вторичной цепи от силовой сети. Регулировка режима (получение падающей вольтамперной характеристики и регулировка вторичного напряжения на жёсткой характеристике) как правило осуществляется путём изменения частоты. Осциллограммы при регулировании напряжения изменением амплитуды (а), частоты (б) и ширины (в) импульсов Для получения падающей характеристики вводится обратная связь по току: с его увеличением автоматически снижается частота, что влечет уменьшение выходного напряжения. Для стабилизации выходного напряжения на жестких характеристиках вводится обратная связь по напряжению. Внешние характеристики выпрямителей с инвертором В 80-х годах и до середины 90-х годов инверторные выпрямители выпускались небольшой мощности (до 160 А), для работы на монтаже и для бытовых нужд. В середине 90-х появилось новое поколение так называемых полевых транзисторов, способных выдерживать большие токи. Это позволило приступить к выпуску промышленных инверторов на токи 300...500 А. Современные переключающие приборы: МОП-транзистор (а); биполярный транзистор с изолированным затвором (б); транзисторно-диодный модуль — чоппер (в); силовой модуль с оптимизированным управлением и комплексной внутренней защитой (г) Некоторые упрощенные электрические схемы сварочных ИП инверторного типа приведены ниже. Выпрямитель Сaddy Arc 150 Выпрямитель ДС.250.33 Выпрямитель Invertec V350-РRО Выпрямитель Форсаж-160 Преимущества инверторных ИП: 1. Минимальные масса и габариты. У инверторных ИП при ультразвуковой частоте преобразования масса как минимум на порядок меньше, чем у традиционных ИП. Это позволяет многократно снизить затраты на перебазирование оборудования в монтажных условиях. 2. Наилучшие динамические характеристики: У трансформаторов и выпрямителей максимально возможная скорость регулирования определяется частотой сети. У инверторных ИП скорость регулирования определяется частотой преобразования. Динамические характеристики как минимум на 2 порядка лучше, чем у традиционных. Это позволяет реализовать новые технологические возможности. При сварке в защитных газах это позволяет вести сварку почти без разбрызгивания электродного металла за счет высокой скорости регулирования тока. Динамические характеристики позволяют эффективно реализовать режим горячего старта при сварке плавящимся электродом, снизить напряжение холостого хода в 2 и более раз, что позволяют получить более высокий КПД как правило выше 90%. В итоге по технологическим возможностям и КПД инверторные ИП существенно превосходят традиционные ИП. По надежности лучшие образцы инверторных ИП не уступают выпрямителям. Гарантийный срок на большинство сварочных ИП - один год. Изготовители первых серийных инвертоных ИП в России: 1. Чебоксары, фирма «Технотрон»; 2. Рязань, Приборостроительный завод – инверторы «Форсаж»; Специализированные ИП и установки. В настоящее время уже не четкой границы специализации, поскольку есть много видов универсального оборудования для нескольких способов сварки. К специализированному оборудованию относят плазменно-дуговое оборудование (для плазменной сварки и наплавки, плазменной резки, плазменного напыления), а также установки для сварки вольфрамовым электродом легких сплавов на переменном токе и импульсами разной полярности, импульсные ИП, и иногда ИП для электрошлаковой и трехфазной сварки. Отличительной особенностью такого оборудования является наличие блоков, выполняющих специальные функции. В оборудовании для плазменных процессов – это вспомогательный ИП, встроенный осциллятор, блок управления циклом, блок газовой аппаратуры и т.д. В установках для сварки легких сплавов – осциллятор, генератор стабилизирующих импульсов, блок подавления постоянной составляющей тока, блок цикла сварки, блок газовой аппаратуры (см . ТРЕБОВАНИЯ К ИП). Установки для дуговой сварки наряду с ИП включают в себя обычно газовое оборудование, сварочные горелки или плазматроны, блоки газовой аппаратуры, блоки жидкостного охлаждения и т.д. Установки для сварки кроме ИП содержат сварочный трактор или сварочную головку для автоматической сварки, механизм подачи электродной проволоки для полуавтоматической сварки. Осцилляторы рассмотрены ранее. Импульсный стабилизатор горения дуги Блок подавления постоянной составляющей тока У современных услановок типа УДГ предусмотрена фиксированная подстройка коррекции постоянной составляющей с применением тиристорно- диодного моста. Блок заварки кратера Он предназначен для плавного уменьшения тока в конце сварки с тем, чтобы сварочная ванна успела принять равновесное положение в процессе кристаллизации с регулировкой спада тока в пределах 10 секунд. Аналогично можно получить плавное нарастание тока в начале сварки. Это рекомендуется при сварке вольфрамовыми электродами для уменьшения их разрушения в момент зажигания дуги. Блок импульсного тока Он предназначены для формирования импульсов с длительностью от микросекунд до обычно одной секунды. Преимущества импульсной сварки: 1.При импульсном токе давление дуги больше, чем при постоянном токе ( более глубокое проплавление ). 2.Кристаллизация ванны управляемая – регулируемая структура металла шва. 3.Объем ванны получается меньше, чем при постоянной дуге, что снижает вероятность прожогов. Недостаток: 1.Пониженная производительность при той же мощности источника питания. В импульсном блоке используют электронное реле времени обычно со ступенчатой регулировкой. Для не инвертирующих ИП минимальная длительность импульса 0.02 сек определяется частотой силовой сети. Дополнительный блок питания дуги Он предназначены для питания вспомогательной дуги в оборудовании для плазменных процессов или дежурной дуги при импульсной сварке. Блок управления циклом В специализированных установках, как правило, содержит ряд электронных или электромагнитных реле, которые включает или выключает другие блоки или цепи управления. Во многих установках также имеется газовая аппаратура (газовые краны с электромагнитным управлением) и устройства регулирования и измерения расхода газа (обычно ротаметры). Примеры специализированных установок отечественного производства приведены ниже. Специализированные установки УПС для плазменной сварки, УПН для плазменной наплавки, УПР для плазменной резки, УПРС для плазменной сварки и резки. Специализированные установки УДУ и УДГУ для сварки неплавящимся электродом в инертных газах, Автоматы для дуговой сварки под флюсом АДФ. Автоматы для дуговой сварки в среде защитных газов АДГ. Механическое оборудование для дуговой наплавки, резки. сварки, Это оборудование предназначено для установки изделий в удобное для технологической обработки положение или для перемещения изделия с требуемой по технологии скоростью сварки. Большую часть такого оборудования составляют сварочные вращатели. Наиболее широко применяемым вариантом являются универсальные вращатели с номинальной грузоподъемностью от 63 до 1000кг. У них вращение планшайбы и ее разворот электромеханическое (два двигателя с редукторами). При выборе типоразмера универсального вращателя необходимо учитывать: 1. Возможность установки изделия на планшайбу (диаметр). 2. Скорость вращения планшайбы должна обеспечивать нужную линейную скорость сварки на изделии. 3. Грузоподъемность вращателя уменьшается по мере увеличения плеча центра тяжести изделия (обычно сваривают изделие длиной до 1м). Т.к. стоимость механического оборудования пропорциональна массе, то для серийного и крупносерийного производства выбирают оборудование меньшее по массе. Горизонтальные вращатели предназначены для обработки длинных изделий. Серийно выпускаются с длиной между планшайбами до 6.3м. Т.к. задняя опора подвижная, то ее располагают на рельсовом пути с возможностью фиксацией в нужном положении. Вертикальные вращатели применяют в крупносерийном производстве, где нецелесообразно использовать универсальное оборудование. К механическому оборудованию относят также роликовые стенды (вращатели) и кантователи. Для подвесных и самоходных сварочных головок, также механизмов подачи проволоки выпускаются сварочные колонны высотой от 3 до 7м - весма дорогое оборудование. Его целесообразно использовать в мелкосерийном и серийном производстве для крупногабаритных изделий. Если изделие малогабаритное и производство крупносерийное, то дешевле сделать специальные регулируемые стойки для крепления сварочных горелок.