Благодаря описанным явлениям величина тока плавно регулируется, что и обеспечивает падающую характеристику источника тока и точно настроенный режим сварки.

Подобная схема была распространена приблизительно до 1967 года и хорошо работала, хотя не была лишена недос­татков: трансформаторы, например, весили достаточно мно­го, вследствие потерь отмечалось падение КПД, а также уве­личивался расход цветных металлов. Сейчас трансформаторы с дросселем в отдельном кор­пусе сняты с производства и заменены устройствами в одно- корпусном варианте, например трансформаторы типа ТСД и СТН (рис. 19 ) с аналогичным принципом действия;

б) с развитым магнитным рассеянием. При увеличенных магнитных потоках во вторичной обмотке трансформатора возникает реактивная ЭДС. Трансформаторы данной группы неоднородны и подразделяются на конструкции:

Таблица 11. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СВАРОЧНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ РАЗЛИЧНЫХ МАРОК

Для обеспечения эффективной и бесперебойной работы трансформаторов их необходимо правильно эксплуатиро­вать. Перед этим надо внимательно осмотреть и заземлить устройство, проконтролировать обмотки на предмет обрыва и проверить изоляцию обмоток от корпуса, а при обнаруже­нии механических повреждений устранить их.

Если предполагается вести работы на открытом воздухе, следует позаботиться о защите трансформатора от осадков, поскольку отсыревшая изоляция может быть пробита. Тогда замыкания между витками не избежать.

Во время работы нельзя допускать перегрева транс­форматора, что негативно отразится на состоянии изоля­ции обмоток. Для недопущения этого не следует размещать трансформатор рядом с источниками тепла. Кроме того, надо регулярно очищать контакты от грязи, которая может препят­ствовать охлаждению рабочих частей устройства.

(Что нужно знать сварщику о сварочном оборудовании)

Сварочные трансформаторы служат для преобразования высокого напряжения электрической сети (220В или 380В) в низкое напряжение вторичной электрической цепи до требуемого для сварки уровня, определяемого условиями для возбуждения и стабильного горения сварочной дуги. Вторичное напряжение сварочного трансформатора при холостом ходе (без нагрузки в сварочной цепи) составляет 60-75В. При сварке на малых токах (60-100А) для устойчивого горения дуги желательно иметь напряжение холостого хода 70-80В.

Сварочные трансформаторы по фазности электрического тока подразделяются на однофазные и трехфазные, а по количеству постов - на однопостовые и многопостовые.

Однопостовой трансформатор служит для питания сварочным током одного рабочего места и имеет соответствующую внешнюю характеристику. Многопостовой трансформатор служит для одновременного питания нескольких сварочных дуг (сварочных постов) и имеет жесткую характеристику. Для создания устойчивого горения сварочной дуги и обеспечения падающей внешней характеристики в сварочную цепь дуги включают дроссель. Для дуговой сварки сварочные трансформаторы подразделяются по конструктивным особенностям на две основные группы:

• трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием, конструктивно выполненные в виде двух раздельных аппаратов (трансформатор и дроссель) или в едином общем корпусе;
• трансформаторы с развитым магнитным рассеянием, конструктивно различающиеся по способу регулирования (с подвижными катушками, с магнитными шунтами, со ступенчатым регулированием).

Трансформаторы с нормальным магнитным рассеянием и с отдельным дросселем

Жесткая внешняя характеристика такого трансформатора получается за счет незначительного магнитного рассеяния и малого индуктивного сопротивления обмоток трансформатора. Падающие внешние характеристики создаются дросселем, имеющим большое индуктивное сопротивление. Комплект источников питания состоит из понижающего трансформатора и дросселя (регулятора активной катушки).

Понижающий трансформатор, основой которого является магнитопровод (сердечник), изготовлен из большого количества тонких пластин (толщиной 0,5 мм) трансформаторной стали, стянутых между собой шпильками. На магнитопроводе имеются первичная и вторичная (понижающая) обмотки из медного или алюминиевого провода.

Дроссель состоит из магнитопровода, набранного из листов трансформаторной стали, на котором расположены витки медного или алюминиевого провода, рассчитанного на прохождение сварочного тока максимальной величины. На магнитопроводе имеется подвижная часть, которую можно перемещать с помощью винта, вращаемого рукояткой.

Первичная обмотка трансформатора подключается в сеть переменного тока напряжением 220В или 380В. Переменный ток высокого напряжения, проходя по обмотке, создает действующее вокруг магнитопровода переменное магнитное поле, под действием которого во вторичной обмотке индуктируется переменный ток низкого напряжения. Обмотку дросселя включают в сварочную цепь последовательно со вторичной обмоткой трансформатора.

Величину сварочного тока регулируют путем изменения воздушного зазора между передвижной и неподвижной частями магнитопровода. При увеличении воздушного зазора магнитное сопротивление магнитопровода увеличивается, магнитный поток соответственно уменьшается, а, следовательно, уменьшается индуктивное сопротивление катушки и увеличивается сварочный ток. При полном отсутствии воздушного зазора дроссель можно рассматривать как катушку на железном сердечнике; в этом случае величина тока будет минимальной. Следовательно, для получения большей величины тока воздушный зазор можно увеличить (рукоятку на дросселе вращать по часовой стрелке), а для получения меньшей величины тока зазор уменьшить (рукоятку вращать против часовой стрелки).

Регулирование сварочного тока рассмотренным способом позволяет настраивать режим сварки плавно и с достаточной точностью. Конструкция дросселя со ступенчатым регулированием сварочного тока позволяет изменять величину сварочного тока при помощи передвигающегося контакта путем включения определенного количества витков обмотки. В этом случае регулирование сварочного тока будет ступенчатым. Магнитопровод дросселя в этом случае изготавливают неразъемным, вследствие чего конструкция его значительно упрощается. Современные сварочные трансформаторы типа ТД, ТС, ТСК, СТШ и другие выпускаются в однокорпусном исполнении.

Трансформаторы с нормальным магнитным рассеиванием и реактивной обмоткой на общем сердечнике. Реактивная обмотка включена в сварочную цепь последовательно с таким расчетом, что ее поток направлен навстречу основному потоку трансформатора. Действие реактивной обмотки и регулирование сварочного тока аналогичны действию дросселя.

Трансформаторы с подвижными обмотками с увеличенным магнитным рассеянием. Трансформаторы с подвижными обмотками (к ним относятся сварочные трансформаторы типа ТС, ТСК и ТД) получили широкое применение при ручной дуговой сварке. Они имеют повышенную индуктивность рассеяния и выполняются однофазными, стержневого типа, в однокорпусном исполнении. Могут применяться для наплавки и сварки под флюсом тонкими проволоками. В трансформаторах типа ТСК параллельно первичной обмотке подключен конденсатор для повышения коэффициента мощности.

Рис. 69. : 1 - сетевые зажимы для проводов; 2 - сердечник; 3 - рукоятка для регулирования тока; 4 - зажимы для подсоединения проводов; 5 - ходовой винт; 6 - катушка вторичной обмотки; 7 - катушка первичной обмотки; 8 - компенсирующий конденсатор

Катушки первичной обмотки такого трансформатора неподвижные и закреплены у нижнего ярма, катушки вторичной обмотки подвижные. Величину сварочного тока регулируют изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. Наибольшая величина сварочного тока достигается при сближении катушек, наименьшая - при удалении. С ходовым винтом 5 связан указатель примерной величины сварочного тока (см. рис. 69), Точность показаний шкалы составляет 7,5% от значения максимального тока. Отклонения величины тока зависят от подводимого напряжения и длины сварочной дуги. Для более точного замера сварочного тока должен применяться амперметр.

На рис. 69 показана конструктивная схема трансформатора ТСК-500. При повороте рукоятки 3 трансформатора по часовой стрелке катушки обмотки 6 и 7 сближаются, вследствие чего магнитное рассеяние и вызываемое им индуктивное сопротивление обмоток уменьшаются, а величина сварочного тока увеличивается. При повороте рукоятки против часовой стрелки катушки вторичной обмотки удаляются от катушек первичной обмотки, магнитное рассеяние увеличивается, и величина сварочного тока уменьшается.

Трансформаторы снабжены емкостными фильтрами, предназначенными для снижения помех радиоприему, создаваемых при сварке. Трансформаторы типа ТСК отличаются от ТС наличием компенсирующих конденсаторов 8, обеспечивающих повышение коэффициента мощности. Принципиальная электрическая схема трансформатора ТД-500 аналогична.

ТД-500 представляет собой понижающий трансформатор с повышенной индуктивностью рассеяния. Сварочный ток регулируют изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. Обмотки имеют по две катушки, расположенные попарно на общих стержнях магнитопровода. Трансформатор работает на двух диапазонах: попарное параллельное соединение катушек обмоток дает диапазон больших токов, а последовательное - диапазон малых токов. Последовательное соединение обмоток за счет отключения части витков первичной обмотки позволяет повысить напряжение холостого хода, что благоприятно отражается на горении дуги при сварке на малых токах.

При сближении обмоток уменьшается индуктивность рассеяния, что приводит к увеличению сварочного тока; при увеличении расстояния между обмотками увеличивается индуктивность рассеяния, а ток соответственно уменьшается. Трансформатор ТД-500 имеет однокорпусное исполнение с естественной вентиляцией, дает падающие внешние характеристики и изготавливается только на одно напряжение сети - 220 В или 380 В.

Трансформатор ТД-500 - однофазный стержневого типа состоит из следующих основных узлов: магнитопровода - сердечника, обмоток (первичной и вторичной), регулятора тока, переключателя диапазонов токов, токоуказательного механизма и кожуха.

Уход за трансформаторами сводится в основном к регулярной проверке сопротивления изоляции, контактов, наблюдению за нагревом обмоток сердечника и его деталей (после отключения трансформатора от сети). Необходимо часто смазывать регулировочный механизм, удалять грязь с рабочих частей трансформатора. При плохом уходе слой грязи может достигнуть большой толщины, что нарушит охлаждение и приведет к перегреву обмоток, а это вызовет замыкание токоведущих частей на корпус. Наиболее опасна грязь, содержащая металлическую пыль.

Плохие контакты, особенно в сварочной цепи, вызывают большие падения напряжения и недопустимые перегревы. Значительное число сварочных трансформаторов выходит из строя из-за небрежного подключения сварочного кабеля к зажимам и нерегулярного наблюдения за состоянием его контактов.

• 
  Переменный ток, в широком смысле электрический ток, изменяющийся во времени.
• 
  Наиболее часто применяется синусоидальный переменный ток.
• 
  Переменный ток для промышленных целей и для освещения вырабатывается мощными генераторами, приводимыми во вращение паровыми или водяными турбинами и двигателями внутреннего сгорания.

КАФЕДРА «ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ»

УТВЕРЖДАЮ

ПЕРВЫЙ ПРОРЕКТОР

ПАТРУШЕВ А.А.

Методические указания

к выполнению лабораторных работ

«»

Для студентов 2 курса

Факультет ТС в АПК

по специальности 03 05 00.01 Профессиональное обучение (агроинженерия)

Челябинск

СНЯТИЕ ВНЕШНИХ ХАРАКТЕРИСТИК СВАРОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ТД-300

Цель работы: ознакомиться с требованиями к источникам питания для электродуговой сварки; изучить принцип работы сварочного трансформатора и метод регулирования сварочного тока. Ознакомиться с вольтамперной статической характеристикой дуги; снять внешние характеристики сварочного трансформатора, определить режим наибольшей устойчивости сварочной дуги и оптимальные параметры сварки.

Оснащение рабочего места

Плакаты со схемами сварочных трансформаторов.

Трансформатор-стенд.

Трансформатор ТД-300.

Жидкостный реостат.

Измерительные приборы: вольтметр, амперметр.

Штанга для короткого замыкания.

Резиновые коврики, перчатки.

Основные положения

Техническая характеристика сварного трансформатора ТД-300.

Т - трансформатор;

Д - дуговой;

«300» - максимальный из номинальных сварочный ток I св. m ах = 300А (из номинальных, т.е. рекомендованных величин тока при продолжительности сварки ПР=60%). Таким образом, рекомендуются номинальные (рабочие) сварочные токи

I св. ≤ 300А.

ПР – повторно-кратковременный режим (отношение продолжительности рабочего периода (собственно сварки) к продолжительности цикла сварки. Продолжительность цикла сварки равна сумме времени сварки рабочего периода и холостого хода, когда оборудование подключено к сети, но сварка не ведётся.

ТД-300 служит для питания одного сварочного поста при ручной дуговой сварке, резке и наплавке металлов переменным током промышленной частоты (50 Гц).

Толщина свариваемых кромок - от 3 до 14 мм и более. Сварка производится электродами диаметром от 3 до 8 мм.

Максимальный рабочий сварочный ток 300 А.

Пределы регулирования сварочного тока:

при диапазоне малых токов 60-160 А;

при диапазоне больших токов 160-385 А.

Номинальное первичное напряжение 380 В.

Первичный ток 53,5 А.

Вторичное напряжение (холостого хода):

при диапазоне малых токов 78 В;

при диапазоне больших токов 60 В.

Условное номинальное рабочее напряжение под нагрузкой

(при длине дуги 5 мм) 32 В.

7. Потребляемая мощность 20,5 кВт.

Сварочные трансформаторы просты по устройству и в эксплуатации, имеют более высокий КПД, чем генераторы постоянного тока, способны работать непосредственно от силовой сети переменного тока, благодаря чему они нашли широкое применение.

Основные требования к сварочным трансформаторам:

1) наличие падающей внешней характеристики;

2) обеспечение постоянных по величине тока и напряжения.

Внешней характеристикой любой электрической машины называется зависимость напряжения от силы тока на ее зажимах. Различают жесткие, падающие и возрастающие внешние характеристики (рис. 1).

При работе на жестких характеристиках по мере увеличения нагрузки во внешней цепи напряжение не изменяется (осветительная, силовая цепь). Во время коротких замыканий в такой сети сила тока достигает больших величин, что ведет к перегоранию предохранителей или загоранию проводов.

Возрастающие характеристики применяются при автоматической сварке. При ручной дуговой сварке используются аппараты только с падающими характеристиками, так как именно они способны ограничить токи короткого замыкания, весьма часто возникающие в процессе сварки. Режим короткого замыкания имеет место в момент возбуждения дуги сварщиком путем касания электродом изделия, через каплю металла, накоротко замыкающую дуговой промежуток и т.д., то есть является равноправным с рабочим режимом.

Если бы у сварочных аппаратов не было падающих характеристик, то обмотки трансформаторов воспламенялись бы, в случае отказа предохранителей.

Сварочные трансформаторы являются понижающими и так же, как обычные, основаны на принципе магнитной индукции. Однако они отличаются от обычных трансформаторов тем, что для получения падающих характеристик в их вторичную, то есть сварочную цепь, включена катушка индуктивности - так называемый дроссель. Дроссель вырабатывает ЭДС самоиндукции, направленную противоположно наводимой ЭДС индукции со стороны первичной обмотки и взаимодействует с нею алгебраически. Чем больше ток в сварочной цепи, тем больше противо - ЭДС и тем меньше суммарное напряжение. При максимально возможном токе - токе короткого замыкания, суммарное напряжение равно нулю, а на оси «I» отсекается отрезок величины тока короткого замыкания I кз

При обрыве сварочной дуги противо - ЭДС становится равной нулю, и таким образом, в отсутствие тока в цепи напряжением снова станет равным ЭДС индукции, то есть напряжение холостого хода U x . x . (отрезок на оси «U» - рис. 1).

Рисунок 1 - Внешние характеристики: 1 – жесткая, 2 – возрастающая, 3 – падающая

Для регулирования потока самоиндукции магнитопровод в дросселях делают разъемным с регулируемым воздушным зазором. Изменяя величину воздушного зазора, можно получить бесчисленное множество внешних характеристик трансформатора и столько же величин сварочного тока (I св), т.е. можно регулировать (менять или задавать) величину I св.

Однако ТД-300 относится к группе трансформаторов с повышенным рассеянием магнитного потока, роль дросселя в которых выполняют подвижные катушки вторичной обмотки. При сближении первичной и вторичной обмоток достигается уменьшение индуктивности рассеяния, что приводит к уменьшению суммарного напряжения (противо-ЭДС рассеялось немного и ее вычитание из основной ЭДС дает малое суммарное напряжение) и увеличению сварочного тока. Увеличением же расстояния между обмотками достигается увеличение рассеяния и уменьшение сварочного или настроечного тока. Поэтому такие трансформаторы называют трансформаторами с повышенным магнитным рассеянием. Таким образом, эти трансформаторы способны выработать бесчисленное множество внешних характеристик (рис. 2) и столько же величин сварочных токов.

Рисунок 2 - Внешние характеристики сварочного трансформатора для ручной дуговой сварки (а – крутопадающая; б – пологопадающая)

Упрощенная схема трансформатора с повышенным рассеянием магнитного потока представлена на рис. 3.

Рисунок 3 - Упрощенная схема сварочного трансформатора с повышенным рассеянием магнитного потока

Сварочный трансформатор состоит из следующих основных узлов:

1 - магнитопровод; 2 - первичная обмотка; 3 - вторичная обмотка.

Сварочная цепь (5) включает в себя вторичную обмотку (3), электрододержатель (4) и сварочный столик (6).

Через верхнее ярмо трансформатора пропущен ходовой винт (7), опирающийся на подпятник (8). Ходовой винт ввинчивается в ходовую гайку (9), вмонтированную в траверсу подвижной вторичной обмотки. При вращении ходового винта, осуществляемого с помощью рукоятки (10), находящейся сверху трансформатора, перемещается вторичная обмотка, и, тем самым, изменяется расстояние между обмотками (регулируется величина сварочного тока).

На рис. 3 показано параллельное соединение парных катушек в первичной и вторичной обмотках. При такой схеме подключения получают диапазон больших настроечных токов (160-365 А).

Если катушки соединить между собой (попарно) последовательно, то получится диапазон малых настроечных токов (60…160 А), который с успехом можно использовать при сварке тонких листов и т. п.

Диапазоны тока (на последовательное или параллельное соединение катушек) обеспечиваются переключателем барабанного типа, рукоятка которого выведена на крышку трансформатора и на рис. 3 не указана.

Проведение эксперимента

Источник питания и сварочная дуга представляют собой единую энергетическую систему. Это означает равенство токов и напряжения на дуге и зажимах трансформатора. Однако характер проводимости в этих участках единой цепи различен, поскольку дуга является проводником 2-го рода (с ионной проводимостью), а трансформатор - 1-го рода (с электронной проводимостью).

Важным различием их является то, что при повышении температуры проводника 2-го рода его проводимость увеличивается, а 1-го рода - снижается.

В электрических цепях наиболее сильное влияние на повышение температуры в в проводниках оказывает сила тока. Согласно закону Джоуля – Ленца, (калорий)

Q=0,24×I 2 ×R×t, (1)

где Q - количество тепла;

I- сила сварочного тока, А;

R - сопротивление, Ом;

t - время, с;

0,24 - тепловой эквивалент.

Квадратичная зависимость между током и тепловыделением показывает, что даже небольшие изменения силы сварочного тока могут вызвать резкие колебания скорости оплавления электрода, привести к неровностям наплавки и нарушению расчетного сечения сварного шва, т.е. к браку.

Сварочная дуга также имеет свою внешнюю характеристику, которую называют статической вольтамперной характеристикой. Статической она называется потому, что справедлива только для одной ее длины. Если изменить длину дуги, то получится новая вольтамперная характеристика. Таким образом, и дуга может иметь бесчисленное множество характеристик (рис. 4).

Напряжение на дуге:

Uд=a ка +b×lд, (2)

где a ка - сумма напряжений в катодной и анодной областях (a ка =10В);

b- падение напряжения в столбе дуги (b = 2 В/1 мм дуги);

lд - длина дуги, мм (lд = 2...5...8 мм)

На рис. 4 видно, что при ручной дуговой сварке, характеризующейся применением токов в диапазоне 80...1000 А, напряжение не зависит от силы тока. Однако оно сильно зависит от длины дуги (по вертикали, т. е. от ее сопротивления).

Рабочие режимы сварки при данной длине дуги и данном настроечном токе определяют путем наложения вольтамперной характеристики дуги на внешнюю характеристику источника питания и нахождения точек их пересечения (рис. 5, точки 1 и 2).

Предположим, что при одном и том же настроечном токе трансформатора, которому соответствует внешняя характеристика на рис. 5, длина дуги изменяется на 5 мм, что соответствует изменению напряжения дуги на 10 В. Поскольку сварка на режимах точек 1 и 1 ¢ никогда не ведется из-за слишком малых токов и неустойчивого состояния дуг, необходимо определить какое изменение тока в сварочной цепи получится при уменьшении длины дуги на 5 мм при переходе от режима точки 2 (I 2 ; U 2) к режиму точки 2 ¢ (I 2 ¢ ; U 2 ¢). Разность DI и составит искомую величину разбаланса тока в сварочной цепи.

Рисунок 4 - Статическая вольтамперная характеристика сварочной дуги. (l – длина дуги; l 1 > l 2 > l 3)