Назад: 6.1. Устройства для начального зажигания дуги

6.2. Стабилизаторы горения дуги

Для возникновения в межэлектродном промежутке свободных электронов и возбуждения дуги необходим кратковременный импульс напряжения, который обеспечил бы пробой и последовательное развитие искрового разряда вплоть до дугового. Такой импульс обеспечивается осциллятором или возбудителем.

Дуга переменного тока характеризуется низкой стабильностью горения. Повышение стабильности ее горения достигается различными путями:

во-первых, изменением физических свойств междугового газа – введением в дуговой промежуток легкоионизируемых веществ, увеличением эмиссии электронов в результате легирования электрода элементами с низкой работой выхода электронов;

во-вторых, электрическим путем – повышением U_xx трансформатора, применением источников питания переменного тока прямоугольной формы, повышением частоты сварочного тока или наложением на ток основной частоты колебаний повышенной частоты, а также различных приставок к стандартному сварочному трансформатору: вольтодобавочных трансформаторов, осцилляторов, устройств стабилизации горения дуги и др.

Из всех перечисленных методов стабилизации горения дуги наиболее радикальным является использование стабилизирующих устройств. Они не требуют существенных материальных затрат, изменения технологии сварки. При этом не исключается возможность применения других методов повышения стабильности горения дуги. В момент изменения полярности сварочного тока устройства стабилизации горения дуги подают в дуговой промежуток импульс энергии, обеспечивая надежное повторное зажигание разряда, особенно при переходе к полупериоду обратной полярности.

При сварке алюминиевых сплавов неплавящимся электродом стабилизатор должен генерировать пиковый импульс с амплитудой напряжения U_и = 200…600 В (рис.6.4,б). Известно, что стабилизатор должен поддерживать преддуговой ток I_под не ниже 1…10 А (рис.6.4,а). На практике это достигается, если импульс тока имеет амплитуду I_и = 20…80 А при длительности t_и = 60…80 мс и генерируется с задержкой t₃ = 60…100 мкс после перехода тока через нуль.

Рис. 6.4. Импульсная стабилизация дуги переменного тока

Стабилизатор с частотой следования импульсов 50 с^-1 стимулирует зажигание дуги только обратной полярности, с частотой 100 с^-1 - также и дуги прямой полярности.

Все стабилизаторы делятся на активные и пассивные. Активными называют стабилизаторы, в которых энергия импульса, накопленная в каком-либо накопителе (индуктивном или емкостном), вводится в цепь дуги по команде управляющего устройства. В пассивных стабилизаторах импульс генерируется за счет процессов, происходящих в цепи дуги. Практическое распространение получили стабилизаторы активного типа. Широко применяются стабилизаторы с емкостным накопителем.

Важнейшей частью стабилизатора является схема управления моментом генерации импульса. Импульс стабилизации должен генерироваться после смены полярности напряжения на дуге с некоторой задержкой, определяемой временем развития разряда. Возможны два пути генерации импульса управления: потенциальный и дифференциальный. В первом случае импульс управления генерируется при достижении напряжения дуги некоторого уровня, во втором - при резком изменении напряжения дуги. В случае если запаздывание схемы невелико, не более 1…2 мкс, целесообразно применять потенциальный метод. При значительном запаздывании входной сигнал схемы управления должен быть выделен в начальной стадии процесса восстановления напряжения. Здесь целесообразно применение дифференциальных схем. В схемах дифференциального управления в цепь коммутатора вводится принудительная задержка. Время задержки (60…200 мкс) зависит от тока и скорости восстановления напряжения. Стабилизаторы являются частью установок для сварки на переменном токе.

На рис. 6.5 приведена схема активного импульсного стабилизатора горения дуги. Форма изменения тока сварочного источника во времени может быть синусоидальной, трапецеидальной, прямоугольной. Конденсатор С_н заряжается от трансформатора Т через вентиль V1 и токоограничивающий резистор R1. Наличие вентиля V1 предотвращает разряд конденсатора на трансформатор Т при снижении напряжения U_ав. В цепи разряда конденсатора включены тиристор VS2 и ограничительный балластный резистор R2. Разряд конденсатора на дуговой промежуток происходит при подаче положительного потенциала на управляющий электрод тиристора VS2 от системы управления (на рис. 6.5. схема управления не показана).

Рис.6.5. Принципиальная электрическая схема импульсного стабилизатора горения дуги переменного тока

Открытие тиристора произойдет тогда, когда на его аноде будет положительный потенциал относительно катода. Запирается тиристор после полного разряда конденсатора. Разрядный импульс обеспечивает повторное зажигание дуги на токе обратной полярности. Параметры импульса: амплитуда 600 В, длительность 60…80 мкс – устанавливаются в соответствии с требованиями технологии. Пик тока импульса может достигать 60…80 А.

Стабилизатор горения дуги типа СД-3. Укрупненная схема стабилизатора представлена на рис. 6.6. Она состоит из трансформатора питания Т2, коммутирующего конденсатора С и тиристорного коммутатора VS1,VS2 с системой управления А. Стабилизатор питает дугу параллельно основному источнику – сварочному трансформатору Т1. При работе сварочного трансформатора Т1 на холостом ходу в начале полупериода прямой полярности открывается тиристор VS1. В результате по цепи, показанной тонкой линией, пройдет импульсный ток. При этом согласно действующей ЭДС трансформатора Т2 и источника Т1 заряжается конденсатор С полярностью, указанной на рис.6.6. Ток заряда конденсатора нарастает до тех пор, пока напряжение на нем не сравняется с суммарным напряжением трансформатора Т2 и сварочного источника Т1.

После этого ток начинает спадать, что вызывает появление в цепи C-VS1-дугa-T2-C ЭДС самоиндукции, стремящейся сохранить ток неизменным. Поэтому процесс заряда конденсатора С будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не достигнет суммарного напряжения питания (U_T1 + U_Т2). Напряжение конденсатора, приложенное к VS1 в обратном направлении, закроет тиристор. В полупериод обратной полярности открывается тиристор VS2, и импульсный ток пойдет в противоположном направлении. В этом случае импульс будет уже мощнее, поскольку он вызывается согласным действием ЭДС трансформаторов Т2 и Т1, а также заряда конденсатора С. В результате произойдет перезаряд конденсатора до еще более высокого уровня. Такой резонансный характер перезаряда позволяет получить на межэлектродном промежутке стабилизирующие импульсы напряжения с амплитудой около 200 В при сравнительно низком напряжении трансформатора питания 40 В (рис. 6.6,в). Частота генерирования импульсов – 100 с^–1. На межэлектродный промежуток подается также напряжение от основного источника (рис. 6.6, б).

Рис. 6.6. Импульсный стабилизатор СД-3: а – упрощенная схема; б – напряжение основного источника; в – стабилизирующие импульсы; г – напряжение на межэлектродном промежутке

При указанной на рис. 6.6,а фазировке трансформаторов Т2 и Т1 полярность напряжения, подаваемого на межэлектродный промежуток от основного источника (показано пунктирной линией) и стабилизатора (сплошная линия), противоположна. Такое включение стабилизатора названо встречным. На рис. 6.6,г показано изменение напряжения на межэлектродном промежутке при совместном действии стабилизатора и основного источника. Импульс стабилизатора в этом случае, как и при согласном включении, способствует повторному зажиганию дуги. В то же время на рис. 6.6,а видно, что часть импульсного тока, проходящая по вторичной обмотке Т1 (сплошная линия), совпадает с собственным током этой обмотки (пунктирная линия) и поэтому не препятствует быстрому нарастанию ее тока до необходимой для повторного зажигания величины.

В режиме нагрузки рассмотренные процессы будут иметь такой же характер, но амплитуда импульсов напряжения несколько снизится. Для эффективной работы стабилизатора имеет значение синхронизация его запуска с момента перехода сварочного тока через нуль. В системе управления А с этой целью используется обратная связь по напряжению дуги U_д. После перехода напряжения через нуль стабилизатор с небольшой заданной задержкой подаст импульс на дугу.

Стабилизатор СД-3 может быть использован как при сварке алюминия неплавящимся электродом, так и при ручной сварке покрытыми электродами. Система управления запускает стабилизатор только после зажигания дуги. После обрыва дуги он работает не более одной секунды, что повышает безопасность труда.

Далее: 6.3. Возбудитель-стабилизатор