Seznamte se se zdroji střídavého proudu pro ruční svařování a základními požadavky na ně. Proveďte studii a získejte experimentální voltampérové charakteristiky svařovacího transformátoru a oblouku s poklesem napětí naprázdno.
2. PŘEDBĚŽNÉ TEORETICKÉ INFORMACE
2.1. Svařovací zdroje
Zdroje svařovacího oblouku se rozlišují: a) podle druhu proudu:
– zdroje střídavého proudu;
b) podle typu vnějších charakteristik:
c) způsobem získávání energie:
– závislý, tzn. příjem energie ze stacionární elektrické sítě;
– nezávislý, tzn. jejich zdrojem energie je spalovací motor.
d) podle počtu obsluhovaných míst:
V průmyslu jsou nejpoužívanějšími zdroji střídavého proudu svařovací transformátory a vysokofrekvenční měniče. Zbytek svařovacích zdrojů jsou stejnosměrné generátory a usměrňovače.
Mezi tzv. obecné průmyslové patří zdroje pro ruční obloukové svařování, mechanizované svařování pod
tok. Tyto zdroje jsou určeny pro svařování nízkouhlíkových ocelí o tloušťce větší než 1 mm a mají zpravidla poměrně jednoduchou konstrukci a elektrický obvod.
Mezi specializované zdroje patří zdroje určené pro svařování lehkých kovů a jejich slitin, tenkých a zvláště tenkých ocelí všech jakostí i pro zvláště kvalitní spoje.
2.2. Základní požadavky na zdroje pro ruční obloukové svařování
Elektrický svařovací oblouk je druh zátěže, který se liší od ostatních spotřebitelů elektřiny tím, že napětí potřebné k zapálení oblouku je výrazně vyšší než k udržení jeho spalování; oblouk hoří přerušovaně, při čemž se elektrický obvod buď přeruší, nebo dojde ke zkratu. Při hoření oblouku se jeho napětí mění s délkou oblouku, proto se mění i síla svařovacího proudu. Při zkratu (ve chvíli, kdy dojde k zapálení oblouku a kapka roztaveného kovu projde na výrobek) klesne napětí mezi elektrodou a výrobkem na nulu.
Tyto vlastnosti oblouku určují následující požadavky na zdroje energie pro ruční obloukové svařování.
1. Napětí naprázdno by mělo být 2-3krát vyšší než napětí oblouku. To je nutné pro snadné zapálení oblouku, zároveň to musí být bezpečné pro svářeče za předpokladu, že dodrží potřebná pravidla. Napětí naprázdno je obvykle 50-70 V. GOST 12.3.003-86 nastavuje maximální napětí naprázdno na ne více než 80 V pro zdroje střídavého proudu a 90 V pro zdroje stejnosměrného proudu.
2. Síla proudu při zkratu musí být omezena. Normální proces obloukového svařování je zajištěn, pokud:
kde I zkrat – zkratový proud; I St – síla svařovacího proudu. V některých případech může tento poměr dosáhnout 2.
3. Změna napětí oblouku, ke které dochází v důsledku změny jeho délky, by neměla způsobit výraznou změnu síly sekundárního proudu, a tedy změnu tepelných podmínek svařování.
4. Doba obnovy napětí z 0 na 25 V po zkratu by neměla překročit 0,05 s, což zajišťuje stabilitu oblouku.
5. Zdroj proudu musí mít zařízení pro regulaci síly svařovacího proudu. Kontrolní limity svařovacího proudu by měly být (přibližně) 30 až 130 % jmenovitého svařovacího proudu. To je nezbytné pro svařování elektrodami různých průměrů z jednoho zdroje energie.
Požadavky na zdroje určené k napájení jiných typů obloukového svařování se liší od uvedených. Například u zdrojů proudu pro poloautomatické svařování v ochranné atmosféře by napětí naprázdno mělo být téměř stejné jako napětí oblouku.
2.3. Charakteristika svařovacího oblouku
Vztah mezi napětím a proudem při konstantní délce hořícího oblouku se obvykle nazývá charakteristika statický proud-napětí.
Jsou známy statické charakteristiky proud-napětí (voltampérové charakteristiky) svařovacích oblouků tří typů:
1. Klesající – s rostoucím svařovacím proudem IU g klesá
2. Tvrdý – s rostoucí IU se g prakticky nemění (obr. 1, b).
3. Zvyšování – zvýšení I způsobuje zvýšení U g (obr. 1, c).
Obr. 1. Proudově-napěťové charakteristiky oblouku: a – dopadající; b – tvrdý; c – rostoucí
Charakteristiky klesajícího proudu-napětí mají volné nízkoampérové oblouky hořící ve vzdušné atmosféře a v prostředí argonu při proudech od několika do 70 – 80 A. Důvodem poklesu napětí na oblouku je pokles
oblouk sloupec délka U st. S rostoucím proudem dochází k intenzivnější ionizaci plynu obloukového sloupce, zvyšuje se vodivost obloukového sloupce a zvětšuje se plocha průřezu obloukového sloupce. Potenciální rozdíly v oblastech katody a anody prakticky nezávisí na velikosti proudu, ale závisí pouze na fyzikálních podmínkách, ve kterých oblouk existuje.
Svařovací oblouky s proudy 80 A a vyššími při ručním obloukovém a mechanizovaném svařování pod tavidlem mají tuhou proudově-napěťovou charakteristiku. S rostoucím svařovacím proudem se zvětšuje plocha obloukového sloupce, v důsledku čehož vodivost výbojové mezery zůstává prakticky nezměněna. Zvýšení proudu se současným zvětšením plochy průřezu sloupce oblouku vede k tomu, že plocha hustoty proudu ve sloupci oblouku a síla elektrického pole zůstávají konstantní.
Při mechanizovaném svařování pod tavidlem, když je průměr drátu elektrody malý, je proudová hustota v elektrodě mírně vyšší než u volného nízkoampérového oblouku hořícího ve vzduchu nebo argonu. Počínaje přibližně 300 – 400 A a výše se charakteristika proudového napětí při hoření pod tavidlem postupně zvyšuje. Na obr. 1 b je taková charakteristika znázorněna tečkovanou čarou.
A konečně, když počet nabitých částic potřebných ke zvýšení proudu nelze získat rozšířením sloupce (aktivní bod zabírá celou plochu elektrodového drátu) a ke zvýšení jejich počtu je zapotřebí zvýšené napětí, zvyšující se I-V se získá charakteristika oblouku.
Typicky je charakteristika klesajícího oblouku pozorována během svařování, pokud je hustota proudu na elektrodě menší než 10 A/mm2, tvrdý – 10 – 50 A/mm2, rostoucí – 50 – 200 A/mm2.
Vnější proudově-napěťová charakteristika elektrického obloukového zdroje je závislost napětí na svorkách zdroje na hodnotě svařovacího proudu.
Obloukové zdroje energie mohou mít následující typy vnějších charakteristik (obr. 2):
Strmá spádová charakteristika se používá pro ruční obloukové svařování obalenými elektrodami, plochá spádová charakteristika pro poloautomatické a automatické svařování stavnými elektrodami s konstantní rychlostí podávání svařovacího drátu do zóny oblouku.
Obr.2. Typy vnějších proudově-napěťových charakteristik obloukových zdrojů
Stabilní hoření oblouku při svařování je možné za předpokladu, že se statická charakteristika oblouku protíná s vnější charakteristikou
který zdroj (U oblouk = U zdroj) v pracovním bodě.
Obrázek 3 ukazuje strmě klesající vnější charakteristiku zdroje energie a tři proudově napěťové charakteristiky oblouku různých délek L 1, L 2, L 3, který se s ním protíná. Pracovní bod A odpovídá průsečíku vnější charakteristiky zdroje s charakteristikou oblouku.
Obr.3. Průsečík strmě klesající vnější charakteristiky s charakteristikami oblouků délky L 1, L 2, L 3 (L 1 > L 2 > L 3)
Při hoření oblouku a přenosu elektrodového kovu na výrobek se mění délka oblouku, proudově-napěťová charakteristika oblouku mění svou polohu v rozsahu od B do C, v důsledku čehož hodnota napětí a svařovací proud se změní. Stabilní oblouk bude hořet, když se v případě náhodného odpojení z ustáleného stavu (bod A) rychle obnoví svařovací režim. Pokud se například náhodně zkrátí délka oblouku (bod C)
proud se zvýší na I 3, elektroda se rychle roztaví a obnoví se předchozí délka oblouku. Opačný proces nastane s rostoucí délkou oblouku (bod B).
Vnější charakteristiky zdroje proudu se nazývají statické. To znamená, že určují konečnou hodnotu proudu měřeného při určitém napětí a neodrážejí zákon změny proudu a napětí během přechodného období.
3. POPIS LABORATORNÍHO ZAŘÍZENÍ
Obvod osazený na laboratorní lavici (obr. 4) slouží ke studiu parametrů svařovacího transformátoru s poklesem napětí naprázdno.
Na předním panelu stojanu jsou:
– voltmetry V1, V2, V3;
– ampérmetry A1, A2;
– signálky – „Síť“, „U > 12 V“;
– tlačítko pro sledování funkce obvodu „Řízení“ – S1;
– přepínač režimu uzemnění: „chybný“, „chybný“;
– ochranná tónovaná skla svařovací komory.
Na obr. 5 je uvnitř svařovací komory držák elektrody. Zpětný mechanismus držáku elektrody je umístěn v horní části svařovací komory a jedná se o dopředný pohybový systém, který pomocí páky 3 zajišťuje translační pohyb elektrody ve vnitřním prostoru svařovací komory. jehož horní konec je připevněn ke šroubu 3, který zajišťuje izolátory 4 horního krytu 5 pro horní polici stojanu. Izolátor 6 zabraňuje elektrickému spojení pružiny s kovovým tělem svařovací komory a zajišťuje snadné klouzání pružiny při translačním pohybu páky 7.
Rýže. 4. Schéma elektrického zapojení
Rýže. 5. Držák elektrody
Druhý konec pružiny 4 je zajištěn pomocí lisované matice 8 do těla druhého izolátoru 9. Matice 8 je pokryta dielektrickou deskou 10, která chrání před elektrickým kontaktem mezi pákou 3 a kovovou základnou 11. izolátor 9 je ke kovové základně připevněn pomocí příruby 12, dotažené k základně šrouby 13. K základně je přivařen elektrický držák 1, do kterého je vložena elektroda 2 a šroubem 14 přitlačena.
Napájecí vodič „elektroda“ je připojen k elektrickému držáku měděnou ohebnou přípojnicí 15 pomocí šroubového spojení.
Celá konstrukce svařovací komory zajišťuje bezpečnost laboratorní práce a vizuální pozorování oblouku.
Konstrukce stojanu se skládá z následujících hlavních částí:
– svařovací transformátor TS;
– řídicí obvod řídicího systému;
– snímač svařovacího proudu – proudový transformátor TA.
3.1. Princip činnosti laboratorního stojanu
Na předním panelu stojanu je automatický přívod napětí do stojanu, který zapíná a dodává napětí do primárního vinutí svařovacího transformátoru a do transformátoru, který napájí řídicí obvod. O přivedení napětí na primární vinutí svářečky
Hlavní transformátor a řídicí obvod jsou signalizovány červenou kontrolkou „Network“ a údaji voltmetru V1. Na sekundárním vinutí svařovacího transformátoru je použit voltmetr V2 pro odběr napětí naprázdno U xx.
Snížení napětí naprázdno se dosáhne odpojením elektrického držáku od svařovacího transformátoru a přivedením sníženého stejnosměrného napětí na elektrodu z řídicího obvodu. Vyplývá to z odečtu voltmetru V3.
Prvek, který spíná svařovací obvod, je stykač. Stykač uzavře silový obvod a spojí svařovací transformátor s elektrickým držákem, když se svařovací elektroda krátce dotkne výrobku. Doba odezvy nepřesahuje 0,04 s, což prakticky neruší svářečské práce. Napětí mezi elektrickým držákem a obrobkem se automaticky sníží po době přidržení (0,64 s) po přerušení oblouku. Při sepnutí silového obvodu stykačem se rozsvítí kontrolka „U > 12 V“, která indikuje přítomnost nebezpečného napětí na elektrickém držáku, které umožňuje zapálení oblouku. Když hoří oblouk, odečítají se také údaje ze zařízení A1 a A2, které ukazují sílu proudu tekoucího v primárním a sekundárním okruhu svařovacího transformátoru.
Tlačítko „Control“ se používá k testování obvodu stojanu. Při krátkém stisku tlačítka (méně než 1 s) se simuluje kontakt svařovací elektrody s kovovou konstrukcí. Řídicí obvod sepne stykač KM 1 a po odpočítání doby zpoždění jej vypne. Sepnutý stav stykače je sledován rozsvícením kontrolek „U > 12 V“.
Na předním panelu je přepínač režimu uzemnění: „správně“, „nesprávně“. Slouží k simulaci zemního spojení. Pokud je uzemnění vadné, držák napájení je zcela bez napětí a provoz stojanu není možný. Práce bez uzemnění sekundárního vinutí svařovacího transformátoru, svařovaného výrobku a ovládacího obvodu nejsou přípustné!
3.2. Provoz obvodu, když je na něj přivedeno síťové napětí.
Po přivedení napětí (příloha 1) do sítě se nabíjí kondenzátor C7, přes existující logickou „nulu“ na kolíku „5“ prvku DD 3.2 jej spoušť nastaví do stavu, kdy
Kontrolní limity pro svařovací proud Iw transformátoru TD-300 jsou 60 400 A. Napětí naprázdno je 61 a 79 V. Provozní napětí je 30 V.
Hlavní prvky svařovacího transformátoru (obr. 6, 7) jsou:
pevné cívky s primárním vinutím;
pohyblivé cívky se sekundárním vinutím.
Velikost svařovacího proudu se nastavuje změnou vzdálenosti mezi primární a sekundární cívkou díky pohyblivým sekundárním cívkám.
Cívky primárního vinutí jsou stacionární. Cívky sekundárního vinutí spočívají na velké ploché matici. Když se rukojeť otáčí, šroub s ní spojený je zašroubován do této matice. Šroub je spojen se skříní transformátoru přes axiální ložisko. Když se rukojeť šroubu otáčí, matice stoupá nebo klesá podél šroubu spolu se sekundárním vinutím. Dochází k plynulé změně síly svařovacího proudu.
Jak se vzdálenost mezi vinutími zvětšuje, magnetický tok procházející sekundární cívkou klesá. Čím větší je mezera, tím více magnetického toku se ztrácí v důsledku rozptylu v prostoru. Proto svařovací proud klesá. Zmenšení vzdálenosti mezi vinutími vede ke zvýšení proudu.
1.4. Provozní režimy svařovacího transformátoru
Provoz svařovacího transformátoru je založen na jevu elektromagnetické indukce.
Režim nečinnosti transformátor (obr. stanovit s otevřeným sekundárním vinutím v okamžiku připojení primárního vinutí na střídavou síť s napětím U1. V tomto případě proud I protéká primárním vinutím1, který vytváří střídavý magnetický tok Ф1. Tento tok indukuje v sekundárním vinutí střídavé napětí U2. Protože obvod sekundárního vinutí je otevřený, neprotéká v něm žádný proud I2 = 0 a v sekundárním okruhu nedochází k žádné spotřebě energie. Proto je sekundární napětí naprázdno maximální a tato hodnota se nazývá napětí naprázdno U2 = Uхх.
Poměr napětí primárního a sekundárního vinutí naprázdno se nazývá transformační poměr K. Rovná se také poměru počtu závitů primárního vinutí w1 a sekundární vinutí w2.
U svařovacích transformátorů se síťové napětí 220 V nebo 380 V převádí na nižší napětí naprázdno U2= Uхх = 60 V,
režim zatížení (viz obr. instalováno kvůli uzavření obvodu sekundárního vinutí v okamžiku zapálení oblouku. Přitom pod vlivem napětí U2 proud I se objeví v sekundárním vinutí a oblouku2 = Ist. Tento proud v jádru vytváří střídavý magnetický tok, který má tendenci snižovat množství toku vytvářeného primárním vinutím Fk. Proti tomu se proud v primárním vinutí zvyšuje. Zvýšení spotřeby energie v primárním vinutí se musí rovnat zvýšení energetického výdeje do oblouku sekundárním vinutím v souladu se zákonem zachování energie.
Napětí v sekundárním vinutí transformátoru na zatížení rovná se
kde Ud je úbytek napětí na oblouku; XL – indukční odpor svařovacího obvodu.
Ohmický odpor svařovacího obvodu R včetně vysunutí elektrody je výrazně menší než indukční odpor XL. Z tohoto důvodu při výpočtu U2 zanedbáváme hodnotu R.
Část magnetického toku Фр podél cesty od primárního vinutí k sekundárnímu vinutí je rozptýlena v prostoru. Čím větší je vzdálenost mezi vinutími, tím větší je magnetický únikový tok (viz obr. 7 a 8). Výsledkem je, že sekundární vinutí proniká magnetickým tokem F2. Klesající vnější proudově napěťová charakteristika svařovacího transformátoru je získána v důsledku změny velikosti ztráty magnetického toku Fr.
V tomto případě napětí oblouku Ud klesá Ud = U2 – Ist XL s rostoucím svařovacím proudem Iw a indukční reaktancí XL.
Jak je znázorněno na Obr. 9, můžete upravit transformátor:
změna indukční reaktance svařovacího transformátoru XL
změna napětí naprázdno Uхх.
První způsob je běžnější a umožňuje plynule regulovat svařovací proud. Druhá metoda se používá jako doplňková metoda. Transformátor má zpravidla jednu nebo dvě pevné hodnoty Uхх a U’хх. U’xx se získá instalací dalších sekcí do primárního nebo sekundárního vinutí. Při hodnotě napětí naprázdno U’хх, stejně jako při Uхх, lze indukční reaktanci X plynule nastavitL, a tedy svařovací proud Iw a zkratový proud Is.
Plynulá dvourozsahová regulace proudu umožňuje snížit hmotnost a rozměry transformátoru. Pro získání rozsahu vysokých proudů jsou obě cívky primárního a sekundárního vinutí zapojeny do párů paralelně, jak je znázorněno na obr. 6. Pro získání rozsahu nízkých proudů jsou cívky primárního a sekundárního vinutí zapojeny do série.
Regulace svařovacího proudu Iw (i Ic) při konstantním napětí naprázdno transformátoru Uхх je možná pouze změnou indukční reaktance.
Ve stávajících konstrukcích transformátorů lze regulaci indukční reaktance sekundárního obvodu provést:
změna vzdálenosti mezi primárním a sekundárním vinutím;
změna mezery magnetického obvodu induktoru, vyrobeného odděleně od transformátoru.
První možnost je zajímavá díky jednoduchému a spolehlivému designu. Pokud je však nutné svařovat ve vzdálenosti 10 metru od transformátoru, pak bude pro svářeče vždy po ruce samostatný regulátor. Váží výrazně méně než transformátor. Proto je snazší se pohybovat.
na krátký zkrat elektroda se dotýká produktu Kd = 0. Napětí v sekundárním vinutí U2 = Ikz • XL.
Regulace zkratového proudu je tedy možná pouze změnou indukční reaktance XL.
