1. Сварочные трансформаторы, принцип их действия Силовые трансформаторы предназначены для пи тания током силовых и осветительных установок, они обычно трансформируют ( преобразовывают ) ток вы сокого напряжения, поступающий по линиям электропередачи, в ток более низкого рабочего напряжения ( В ). Это вторичное напряжение постоянно и не должно меняться от нагрузки. Режим короткого замыкания для них является аварийным, так как при этом растет ток до недопустимых пределов, происхо дят перегрев и выход из строя обмоток трансформа тора. В отличие от силовых сварочные трансформаторы работают в режиме меняющихся напряжений и тока и рассчитаны на кратковременные короткие замыка ния сети. Для сварки переменным током широко применяют однофазные трансформаторы, которые разделяют си ловую и сварочную цепи и понижают высокое напря жение 380 или 220 В до величины не более 80 В. Внеш няя вольтамперная характеристика вторичной цепи этих трансформаторов, т. е. зависимость между вели чиной сварочного тока и напряжением, должна обе спечивать ведение устойчивого сварочного процесса, учитывающего статическую характеристику сварочной дуги. Наличие индуктивного сопротивления необходимой расчетной величины обеспечивает в трансформаторах стабилизацию дуги и ее восстановление при частом изменении полярности переменного тока. Сварочные трансформаторы применяются для руч ной дуговой сварки штучными электродами и в защит ном газе, а также для сварки под флюсом. Внешние вольтамперные характеристики трансформаторов для ручной дуговой сварки подразделяются на крутопадающие / и полого падающие //. Эти трансформаторы работают в режиме регулятора сварочного тока, который осуществляется путем изменения индуктивного сопротивления обмоток. Трансформаторы, предназна ченные для питания автоматизированной сварки при постоянной, не зависящей от напряжения дуги скоро сти подачи электродной проволоки, имеют жесткую внешнюю характеристику
Рис.1. Сварочный трансформатор с развитым магнитным рассеива нием и подвижными обмотками ( разрез ) 1 ходовой винт ; 2 магнитопровод ; 3 ходовая гайка ; 4 и 5 вторичная и первичная обмотки ; 6 рукоятка Рис.2. Электрические схемы сва рочных трансформаторов я ТД -102 и ТД -306; б ТД -300 и ТД - 500
2. Устройство однофазных сварочных трансформаторов для ручной сварки К однофазным сварочным трансформаторам отно сится большая группа трансформаторов серии ТД. По своей электромагнитной схеме это трансформаторы с увеличенным ( развитым ) магнитным рассеянием и подвижными обмотками ( рис. 1). Они снабжены механическими регуляторами тока в виде ходового винта, пропущенного через верхнее ярмо стержневого магнитопровода и ходовую гайку обоймы подвижной обмотки. Ходовой винт вращается вручную рукояткой 6, ввинчиваясь в гайку, передвигает обмотку. Стерж невой магнитопровод состоит из набора листовой ста ли толщиной 0,5 мм высокой магнитной проницаемо сти. Дисковые первичная 5 и вторичная 4 обмотки расположены вдоль стержней. Увеличенное магнитное рассеяние достигается за счет взаимного расположения обмоток. Одна из обмоток подвижная, другая не подвижная. При перемещении обмоток изменяется магнитное поле рассеяния. При увеличении расстояния увеличивается индуктивное сопротивление рассеяния, и ток уменьшается, при уменьшении расстояние уменьшается индуктивное сопротивление, и ток растет. При этом вторичное напряжение холостого хода практически остается почти неизменным. При большом раздвижении обмоток для получения малых токов надо увеличивать длину и массу магнитопровода. Для расширения возможности регулирования тока без уве личения массы магнитопровода применяют плавно - ступенчатое регулирование. В переносных трансформаторах ТД -102 и ТД -306 с номинальными токами соответственно 160 и 250 А подвижной является первичная обмотка, а вторичная неподвижно закреплена у верхнего ярма магнитопровода ( рис. 2, а ). При больших токах катушки первичной обмотки включе ны последовательно, а вторичной обмотки парал лельно ( положение 1); при переходе на малые токи одна катушка вторичной обмотки отключается ( поло жение 2). В передвижных сварочных трансформаторах ТД -300 и ТД -500 с номинальными токами соответст венно 315 и 500 А подвижными являются вторичные катушки, а неподвижными первичные, которые за креплены у нижнего ярма магнитопровода ( рис. 2, б ). Для работы на больших токах витки первичной, а так же вторичной обмоток
соединяются параллельно ( положение /); для перехода на малые токи витки обмо ток соединяются последовательно ( положение 2), при этом часть витков первичной обмотки отключается, что приводит к некоторому повышению напряжения холо стого хода и, как следствие, лучшению стабильности дуги на малых токах. Трансформаторы ТД -502 для токов до 500 А снабжены встроенными конденсаторами мощности, луч шающими коэффициент мощности. Трансфор маторы ТД дополнительно снабжены устройст вом для снижения напряжения холостого хода с 80 до 12 В, что значительно уменьшает возможность пора жения током сварщика при смене электродов. Трансформаторы серии ТД в настоящее время за меняются трансформаторами серии ТДМ ( рис. 3) более совершенной конструкции. В них применена холоднокатаная специальная сталь толщиной до 0,35 мм, обеспечивающая более высокие электромаг нитные свойства сердечников. Кроме того, использова ны новые, более эффективные изоляционные и обмоточные материалы, усовершенствованы переключатели диапазонов сварочного тока и подключение проводов за счет переключателей ножевого типа и штыревых разъемов, лучшены внешний вид и эксплуатационные характеристики трансформаторов, в частности устра нена вибрация, характерная для трансформаторов ТД и других, более ранних серий. Серия ТДМ включает базовые трансформаторы ТДМ -317, ТДМ -401 и ТДМ -503 на токи соответственно 315, 400. и 500 А, а также ряд их модификаций. Трансформаторы серии ТДМ по принципу регулирования, электрической схе ме и конструктивному исполнению близки серий ТД. Для ручной дуговой сварки также используют трансформаторы с развитым магнитным рассеянием и подвижным магнитным шунтом, которые имеют на стержневых магнитопроводах частично разнесенные вторичные обмотки. Как видно из рис. 4, а, на стерж нях 1 расположены катушки первичной обмотки 2 и частично разнесенной обмотки 3 и 4. В окне между катушками и стержнями помещен магнитный шунт, который изготовлен из трансформаторной стали, и его можно перемещать. Регулируя передвижение шунта, можно изменить индуктивное сопротивление и вели чину сварочного тока. Для работы на больших токах катушки вторичной обмотки соединяются параллельно ( рис. 4. б, положение Х 1 ), а для работы на малых токах основные катушки 3 соединяются последователь но, а катушка 4 отключается ( положение Х 2 ). Плав ное регулирование токов осуществляется передвиже нием шунта ручным приводом, но может быть механизировано. Трансформаторы этого типа марки CTIII имеют хорошие энергетические показатели, однако получили ограниченное распространение из - за большой трудоемкости изготовления по сравнению с тран сформаторами серии ТД.
Рис. 3. Сварочный трансформа тор ТДМ -317 У 2 1 корпус ; 2 ручка для переме щения трансформатора ; 8 рукоятка для плавного регулирования сварочного тока ; 4 рукоятка для переключения диапазонов
Рис. 4. Трансформатор с подвижным магнитным шунтом а схема конструкции ; б электрическая схема ; U 1 первичное напря жение сети ; U 2 вторичное напряжение холостого хода ; 1 стержни ; 24 обмотки ; 5 магнитный шунт
Сварочные трансформаторы с нормальным магнит ным рассеянием и дросселями, имеющими воздушный зазор СТЭ -24 и СТЭ -34 ( рис. 4.5, а ), были обычными понижающими трансформаторами с жесткой характеристикой, а для создания падающей характеристики они комплектовались отдельными дросселями проволочными катушками со стальными сердечниками, имеющими большое индуктивное сопротивление ; эти трансформаторы использовались в начальный период развития сварки. Регулирование величины тока осу ществлялось изменением воздушного зазора k путем передвижения подвижной части дросселя. Были также распространены трансформаторы со встроенным дрос селем ( рис. 5, б ) серии GTH, предложенные акаде миком В. П. Никитиным для ручной сварки, и транс форматоры серии ТСД для механизированной сварки на больших токах, имеющие дистанционное управле ние током путем включения с пульта управления ме ханизма перемещения подвижной части дросселя и из менения воздушного зазора Однако трансформато ры со встроенным дросселем серии СТН подвержены сильной вибрации и в настоящее время не применяются. Мощные трансформаторы ТСД и ТСД еще используются для автоматизирован ной сварки под флюсом, но промышленностью уже не выпускаются.
Рис. 5. Трансформаторы с нормальным магнитным рассеиванием а с дросселями, имеющими воздушный зазор ; б с встроенным дрос селем ; 1 понижающий трансформатор ; 2 дроссель ; 3 подвижная часть дросселя
Рис. 6. Трансформатор, регулируемый подмагничиванием шунта а схема конструкции ; б электрическая схема ; в схема конструкции шунта ; г электрическая схема шунта ; U 1 первичное напряжение сети ; U 2 вторичное напряжение холостого хода ; U у напряжение управления шунтом ; внешний магнитопровод ; 25 катушки обмотки ; 6 внут ренний магнитопровод ; 7 катушки обмотки управления
3. Трансформаторы для автоматизированной сварки под флюсом Для автоматизированной сварки под флюсом при меняют трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием, регулируемые подмагничиванием шунта ( рис. 6). Большими преимуществами таких трансформаторов является отсутствие подвижных частей, что ликвидировало вибрацию, обеспечило малую инерционность и простоту дистанционного управления. На стержнях внешнего магнитопровода расположена катушки первичной обмотки 2 и частично разнесенное катушки вторичной обмотки 5, 4, 5. Внутренний магнитопровод это магнитный шунт, имеющий четыре катушки обмотки управления 7 и питаемый постоян ным током. Трансформатор имеет два диапазона ре гулирования сварочного тока ; в диапазоне малых то ков нагрузка подключается к зажимам и а при переходе на большие токи часть витков основной обмотки 4 отключается и подключается столько же витков обмотки 5, нагрузка подключается к зажимам и. Управление током в пределах диапазона механи зировано путем дистанционного изменения тока в об мотке управления. Трансформаторы этого типа серии ТДФ имеют падающую внешнюю характеристику, В настоящее время они заменены более совершенными тиристорными трансформаторами ( ТТ ), имеющими пологопадающую и жесткую внешние характеристики. Тиристорами называются управляемые полупровод никовые приборы диоды. Диод благодаря полупро водниковым кристаллам обладает свойством односторонней проводимости тока. Тиристоры более сложные управляемые диоды. Тиристорный силовой транс форматор ( рис. 7) с повышенным магнитным рассея нием состоит из двух катушек первичной обмотки 2 и вторичной 1. Для создания диапазона малых и сред них токов служит реакторная воздушная дисковая обмотка 5, установленная в окне трансформатора в плоскости, параллельной его стержням. Тиристор ный трансформатор имеет фазорегулятор, с помощью которого синусоидальные гармонические колебания переменного тока преобразовываются в знакоперемен ные импульсы, амплитуда и длительность которых зависят от угла ( фазы ) включения тиристоров фазо регулятора. Сейчас разработан ряд конструкций тиристорных трансформаторов, например серии ТДФЖ, в которых предусмотрены возможность автоматизации процесса сварки, программирование режима и т. д. На рис. 8 приведена диаграмма напряжений и токов, получаемых при импульсной стабилизации фазорегулятором. В момент окончания безтоковой паузы при угле сдвига
между током и напряже нием холостого хода на дугу накладывается стаби лизирующий импульс тока что обеспечивает повтор ное зажигание дуги. Могут быть и другие схемы тиристорной стабилизации дуги. Для ручной сварки, резки и наплавки разработан ТТ ТДЭ с аналогич ной импульсной стабилизацией и дистанционным уп равлением. В его схеме предусмотрено снижение на пряжения холостого хода до 12 В при смене электрода. Рис. 7. Тиристорный силовой трансформатор 1 и 2 катушки вторичной и первичной обмотки; 3 дисковая обмотка Рис. 8. Диаграмма напряжений и токов тиристорного трансформатора с импульсной стабилизацией θ длительность импульса тока; ι, u 20 значения тока и напряжения в периоде
4. Эксплуатация сварочных трансформаторов Сварочные трансформаторы являются основным источником питания сварочной дуги при ручной дуго вой сварке различных строительных конструкций ( табл. 1). Для ручной сварки на строительных пло щадках предпочтительно используются мобильные трансформаторы ТД -500 и ТДМ -503 и др., которые могут работать на малых и больших сварочных токах от 90 до 560 А. Трансформаторы ТД -300, ТДМ -317 и даже ТДМ -401 по мощности не удовлетворяют стро ителей. Эти трансформаторы большей частою исполь зуются в производственных цехах и на ремонтных ра ботах. У всех современных трансформаторов серии ТД и ТДМ иногда наблюдаются плохое крепление магнитопровода к каркасу, неплотности ходового регулировочного устройства и контактов, плохое крепление кожуха и другие недостатки, допущенные при изготов лении и подготовке к эксплуатации. Они вызывают усиление вибрации, что приводит к преждевременному выходу трансформатора из строя. Очень опасно нару шение изоляции обмоток, которое может вызвать их разрушение, а также замыкание на корпус тока высо кого напряжения. Перед включением трансформатора в сеть необхо димо удалить его смазку, затем продуть трансформа тор сухим сжатым воздухом, подтянуть ослабленные крепления, убедиться, что на трансформаторе нет ви димых повреждений, после чего проверить мегоммет ром на 500 В сопротивление изоляции между первич ной обмоткой и корпусом, между первичной и вторич ной обмотками и между вторичной обмоткой и корпусом. После этого можно подсоединить кабель нужного сечения и затянуть все контактные зажимы. Особенно тщательно необходимо заземлить трансфор матор и зажим вторичной обмотки, к которому подклю чается провод к изделию, а также свариваемую кон струкцию. Затем нужно установить нужный диапазон и сварочный ток по шкале, проверить соответствие напряжения сети напряжению, указанному на завод ской табличке, после чего подключить трансформатор к сети через рубильник и предохранители. Ежедневно перед работой следует осматривать трансформатор для устранения замеченных поврежде ний и недостатков. Один раз в месяц очищать трансформатор от пыли и грязи и при необходимости подтягивать кон такты. Один раз в три месяца следует проверять наружным осмотром состояние конденсаторов фильт ра защиты от радиопомех и при необходимости заме нять их, тщательно зачищая контакты и затягивая винтовые соединения ; проверять сопротивление изоля ции. Один раз в шесть месяцев следует очищать контакты и изоляционное части переключателя диапазона от медной пыли и грязи, смазывать контактные поверхности и части тугоплавкой смазкой.
Рис. 9. Электрическая схема па раллельного соединения трансфор маторов : и первичное и вторичное напряжения трансформаторов ; Т 1 и Т 2 трансформаторы ; Др 1 и Др 2 дроссели ; Пр предохрани тели
При работе на открытом воздухе и во взрывоопас ных помещениях и опасных условиях работы необхо димо применять ограничитель холостого хода до 12 В для уменьшения напряжения при смене электрода. Наиболее характерные неисправности сварочных трансформаторов, выявляемые при сварке : повышен ная вибрация и гудение ; повышенное напряжение хо лостого хода ; толчки силовых катушек ; повышенный нагрев ( подгорание ) контактов ; замыкание высокого напряжения на корпус ; перегрев трансформатора. Все неисправности должны быть устранены элект ромонтажником при выключенном от силовой сети трансформаторе. Если мощности и номинальный сва рочный ток имеющихся на строительной площадке трансформаторов недостаточны для сварки на боль шом токе, трансформаторы одного типа могут быть подсоединены параллельно ( рис. 9). Однако при этом необходимо, чтобы напряжение холостого хода подсоединяемых трансформаторов было одинаково, свароч ный ток каждого был отрегулирован на одно и то же значение. При сварке необходимо постоянно контро лировать приборами ( вольтметрами и амперметрами ) значение напряжения и тока соединенных параллель но трансформаторов. Дистанционное регулирование тока при сварке зна чительно упрощает работу сварщика, уменьшает по тери его рабочего времени на переходы к источнику питания дуги для регулирования тока и, следователь но, повышает производительность труда. В новой модели тиристорного трансформатора для ручной сварки ТДЭ -402 можно осуществлять дистанционное регулирование с переносного пульта управления. В трансформаторе ТДФ дистанционно включается ток подмагничивания шунта, а в ТДФЖ регулирование силы сварочного тока осуществляется автоматически путем изменения скорости подачи сварочной прово локи.
5. Сварочные генераторы переменного тока повышенной частоты Для ручной дуговой сварки переменным током стали небольшой толщины (13 мм ) штучными элек тродами и сварки конструкций из алюминиевых спла вов неплавящимся вольфрамовым электродом в инерт ном газе требовалось повысить стабильность дуги, которая резко ухудшалась из - за необходимости при менения малых сварочных токов. Повысить стабильность можно увеличением часто ты сварочного тока. Для этой цели использовался сварочный преобразователь переменного тока ПС повышенной частоты ( рис. 10). Преобразо ватель состоит из генератора однофазного переменно го тока и приводного асинхронного трехфазного элек тродвигателя, имеющих общий вал и заключенных в один корпус. Генератор состоит из статора и ротора. Статор имеет две постоянные обмотки 5, соединен ные последовательно, и обмотку возбуждения 4, питаемую постоянным током от селенового выпрямителя « В », который подключен к одной из фаз обмотки элек тродвигателя. Статор и ротор состоят из пакетов тон колистовой электролитической стали. При вращении зубчатого ротора наводится магнитный поток, вызывае мый постоянным током обмотки возбуждения 4, в ре зультате чего в постоянных обмотках создается элек тродвижущая сила ( ЭДС ), частота которой пропор циональна числу оборотов и числу зубцов ротора. Преобразователь ПС был рассчитан на ток до 115 А с частотой 480 Гц. Для получения падающей характеристики и регу лирования тока в сварочную цепь включался последо вательно специальный дроссель.
Рис. 10. Электрическая схема преобразователя ( генератора ) ПС электродвигатель ; 2 генера тор ; 3 и 4 обмотки
6. Аппаратура для возбуждения и стабилизации дуги при ручной сварке Для возбуждения и стабилизации дуги применяют ся специальные аппараты ( устройства ), приспособлен ные для работы с серийными источниками питания переменного и постоянного тока. Эти аппараты обеспечивают наложение тока высо кого напряжения и высокой частоты на сварочную цепь. Они разделяются на два типа : возбудители не прерывного действия и возбудители импульсного пи тания. К первым относятся осцилляторы, которые, ра ботая совместно с источниками питания дуги, обеспе чивают ее возбуждение наложением на сварочные провода тока высокого напряжения ( В ) и высокой частоты ( к Гц ). Такой ток не пред ставляет большой опасности для сварщика при соблю дении им правил электробезопаспости, но дает воз можность возбуждать дугу, не касаясь электродом из делия. Высокая частота обеспечивает спокойное горение дуги даже при малых сварочных токах основного источника. Электрическая схема осциллятора ОСПЗ -201 приведена на рис. 11. Как видно из схемы, осциллятор включен в сварочную цепь параллельно и в цепь переменного тока напряжением 220 В и час тотой 50 Гц, Предохранитель обеспечивает без аварийную работу помехозащитного фильтра ПЗ, со стоящего из батареи конденсаторов. Высоковольтный низкочастотный трансформатор Т 1 повышает напря жение до 6 кВ. На стороне высокого напряжения трансформатора ТТ находится высокочастотный ис кровой генератор, состоящий из разрядника ФВ, кон денсатора и первичной обмотки трансформатора высокой частоты и напряжения Ί 2. Этот генератор является колебательным контуром, в котором беспре рывно, с большой скоростью, накапливаются в кон денсаторе и разряжаются через искровой разрядник импульсы тока высокого напряжения, создавая высок очастотную характеристику трансформатора Т 2. Для защиты источника от тока высокого напряжения слу жит фильтр в виде конденсатора а предохранитель защищает обмотку трансформатора Т 2 от пробоев фильтра Осциллятор может питаться не от сети, а непосредственно от сварочной цепи, что лучшает его свойства. Осцилляторы последовательного включения ( рис. 12) считаются более эффективными, так как не требуют установки в цепи источника специальной защи ты от высокого напряжения. Как видно из схемы, ка тушка включена последовательно со сварочной ду гой, остальные обозначения схемы аналогичны рис. 11. При работе осциллятора разрядник издает тихое потрескивание ; искровой зазор величиной 1,52 мм может быть установлен регулировочным винтом, но только при отключенном от сети осцилляторе. Следу ет иметь в виду, что установка и ремонт осцилляторов требуют более высокой квалификации электротехни ческого персонала.
Рис. 11. Электрическая схема осциллятора, включенного в сварочную цепь параллельно Рис.12. Электрическая схема осциллятора последовательного включения
Рисунок. Устройство сварочного трансформатора ( с подвижными обмотками )
Регулирование силы тока в таком сварочном трансформаторе осуществляется с помощью подвижной обмотки. Рисунок. Схема регулирования тока в сварочном трансформаторе с подвижными обмотками
Рисунок. Трансформатор с увеличенным рассеянием и подвижными катушками Рисунок. Трансформатор с нормальным рассеянием и отдельной реактивной катушкой ( дросселем )
Тиристорный сварочный трансформатор состоит из силового трансформатора и тиристорного фазорегулятора, размещенного в первичной или вторичной цепи с двумя встречно - параллельно соединенными тиристорами и системой управления. Принцип фазового регулирования заключается в преобразовании тока синусоидальной формы в знакопеременные импульсы, длительность и амплитуда которых определяются фазой ( углом ) включения тиристоров фазорегулятора. При фазовом регулировании возникают бестоковые паузы, что приводит к снижению устойчивости горения дуги. Для повышения устойчивости горения дуги используются импульсная стабилизация или ток подпитки, например, от вспомогательного трансформатора. Внешняя падающая характеристика формируется за счет трансформатора с увеличенным магнитным рассеянием или при помощи отрицательных обратных связей по току. Чем больше угол включения тиристоров, тем меньше сила тока и круче наклон падающих внешних характеристик. Преимущества сварочных трансформаторов дешевизна изготовления ( сварочный трансформатор примерно в 2–4 раза дешевле сварочного выпрямителя и в 6–10 раз дешевле сварочного агрегата аналогичной мощности ); высокий КПД ( обычно 70–90%); сравнительно низкий расход электроэнергии ; простота эксплуатации и ремонта. Недостатки сварочных трансформаторов для качественной сварки обычно требуются специальные электроды для переменного тока, обладающие повышенными стабилизирующими свойствами ; низкая стабильность горения дуги ( при отсутствии встроенного стабилизатора горения дуги ); в простых трансформаторах – зависимость от колебаний сетевого напряжения.
Литература Алексеев Е. К., Мельник В. И. Сварка в промышленном строительстве. Μ.· Стройиздат, с. Алешин Н. Пм Щербинский В. Г. Контроль качества свароч ных работ. М.: Высш. школа, с. Безопасность производственных процессов / Под ред. С. В. Бе лова М.: Машиностроение, с. Блинов As H.t Лялин К. В - Организация и производство сварочно - монтажных работ, М : Стройиздат, с. Думов С. И. Технология электрической сварки плавлением. Л.: Машиностроение, с. Корольков П. Мм Хананетов М. В. Современные методы тер мической обработки сварных соединений. М.: Высш. школа, с Малышев Б. Д. и др. Ручная дуговая сварка : Учеб. для проф.- техн, училищ / Б. Д. Малышев, В. И. Мельник, И. Г. Ге - тия. М.: Стройиздат, с : ил. Мусияченко В. Ф., Миходуй Л. Н. Дуговая сварка высоко прочных легированных сталей. М.: Машиностроение, с. Новиков О. В, Охрана окружающей среды. М.: Высш. шко ла, с. Рыбаков В. М. Дуговая и газовая сварка. М.: Высш. шко ла, С. 439, 94127,