Назад: 6.2. Стабилизаторы горения дуги

6.3. Возбудитель-стабилизатор

Стабилизатор УДГ-301. Стабилизатор работает как в режиме начального зажигания дуги, так и в режиме стабилизации при горении дуги. Цепь его коммутатора управляется при сварке напряжением дуги, при зажигании – напряжением холостого хода. Схема возбудителя-стабилизатора УДГ-301 показана на рис. 6.7. Конденсатор С2 заряжается от однополупериодного выпрямителя VD1 через резистор R1 и разряжается либо через первичную обмотку автотрансформатора TI (при разомкнутом контакте К – холостом ходе источника питания G), либо непосредственно на дуговой промежуток (через реактор LI и резистор R2) – при дуге (контакт К замкнут коммутатором VS).

Рис. 6.7. Принципиальная электрическая схема возбудителя-стабилизатора установки УДГ-301

При холостом ходе импульс, трансформируемый автотрансформатором TI, заряжает конденсатор CI (высоковольтный накопитель). При пробое разрядника FV возникают колебания в контуре, образованном конденсатором СI и реактором L1. Конденсатор С5 служит для защиты источника питания от высокого напряжения.

Тиристор VS управляется от двухбазового диода VT через импульсный трансформатор Т2. На эмиттер двухбазового диода поступает разность напряжений обратной полуволны и стабилитрона VD2 и заряжает конденсатор С4 до срабатывания диода VT. При резкой смене напряжения (в пик зажигания) напряжение поступает через конденсатор СЗ, что обеспечивает своевременное выделение импульса при сварке.

Возбудитель-стабилизатор ВСД-01, упрощенная схема которого дана на рис. 6.8, спроектирован так, чтобы удовлетворить условиям как начального, так и повторного зажигания дуги. Он включается последовательно в цепь вторичной обмотки сварочного источника G.

Рис. 6.8. Упрощенная схема возбудителя-стабилизатора ВСД-01

Напряжение сети подается на возбудитель через трансформатор TI и выпрямительный блок VD1 с фильтром СI. В первом цикле накопительный конденсатор С2 заряжается по цепи, указанной сплошной линией, такой полярностью, которая изображена знаками без скобок «+» и «-». В начале каждого полупериода сварочного напряжения система управления откроет тиристор VS, в результате чего по короткой цепи, показанной сплошной тонкой линией, пройдет мощный импульс разряда конденсатора C2 на первичную обмотку повышающего трансформатора Т2. При этом конденсатор С2 перезарядится полярностью, показанной знаками в скобках (+) и (-), а тиристор VS к концу перезаряда запрется. В результате потенциалы блока VD1 и конденсатора С2 складываются. Поэтому в следующем цикле конденсатор зарядится до более высокого напряжения. Такой характер перезаряда С2 приводит к тому, что его напряжение вчетверо превысит напряжение питания.

Импульс перезарядки конденсатора С2 трансформируется во вторичную обмотку Т2, что приводит к возбуждению высокочастотного контура Т2-С3-С4.Разряд конденсатора С4 подается на межэлектродный промежуток, возбуждает дугу или (при горящей дуге) стабилизирует ее в начале обоих полупериодов. Частота следования таких серий высокочастотных импульсов 100 с^–1. Момент генерации разряда может быть настроен системой управления так, чтобы совместить его с переходом сварочного напряжения через нуль или выполнять с небольшой задержкой.

Стабилизатор источника «Разряд». Этот стабилизатор посылает в дугу импульсы энергии с частотой 100 с^–1 в моменты прохождения кривой тока и напряжения через нулевую линию, не реагирует на понижение напряжения в промежутке до нулевых значений вследствие коротких замыканий каплями расплавленного металла. Такая избирательность позволяет не допустить передачу энергии в дуговой промежуток в моменты, когда она практически не нужна, и сохранить эту энергию до момента погасания дуги при прохождении кривых тока и напряжения через нуль. Достигается это управлением стабилизатора по току. Однако при обрывах дуги в случае переноса капель, превышающих по размеру критические, или обрывах, вызванных другими причинами, в том числе случайными, имеет место разрыв токовой цепи, и управление по току становится несущественным. Это указывает на необходимость управления стабилизатором по току и напряжению дуги. Схема стабилизатора с двойным управлением (рис. 6.9) состоит из системы управления 1 и силового блока на основе трансформатора Т3.

Рис. 6.9. Принципиальная электрическая схема источника типа «Разряд» со встроенным стабилизатором горения дуги

Сварочный трансформатор Т3 имеет обмотки w_3.3 и w_3.4 для питания коммутирующего конденсатора С2 стабилизатора, а также обмотку w_3.5 для питания схемы управления тиристорами VS1,VS2. Обмотка w_3.5 выполнена на путях потока рассеяния, что дает возможность автоматически отключать стабилизатор дуги после окончания сварки. Стабилизатор дуги состоит из силовой части и системы управления тиристорами. Силовая часть содержит последовательно включенные коммутатор, состоящий из тиристоров VS1,VS2, коммутирующих конденсатор С2, и обмоток питания w_3,2, w_3.3, w_3.4. Основная обмотка w_3.3 питания коммутирующего конденсатора С2 намотана на том же стержне, что и обмотка w_3.1. Обмотка w_3.4 создает в силовой цепи стабилизатора индуктивность для защиты тиристоров VS1,VS2 от перегрузок. Импульсы разряда и перезаряди С2 через обмотку w_3.2 стабилизируют горение дуги.

Система управления стабилизатора содержит блок питания, включающий в себя обмотку w_3.5 трансформатора ТЗ, резистор R7, диоды VD1 и VD2, конденсаторы C3 и C4; формирователь импульсов управления тиристорами VS1 и VS2, состоящий из транзисторов VT3 и VT4, конденсатора CI, трансформатора TI; нуль-орган схемы управления, включающий в себя транзисторы VT1 и VT2, на базу которых через R1, R2 подается суммарное напряжение от вторичной обмотки w_3.2 сварочного трансформатора ТЗ и трансформатора тока Т2, чем достигается управление стабилизатором по току и напряжению дуги.

Подача напряжения на конденсаторы С3 и С4 осуществляется, когда электрод накоротко замыкается на изделие и при подаче на вход схемы управления суммарного напряжения от сварочного трансформатора Т3 и трансформатора тока Т2. Схема управления начинает открываться в зависимости от знака результирующего входного сигнала на тиристорах VS1 и VS2. Если на вход схемы управления подается напряжение со знаком минус со стороны электрода – откроется VT2, и ток, протекающий через этот транзистор и резисторы R5 и R6, создаст падение напряжения на резисторе R6, которое, в свою очередь, откроет транзистор VT4. В цепи С4-w_1.1-T1-C1-VT4-C4 потечет ток заряда конденсатора C1, который наведет ЭДС в обмотке w_1.3 T1, открывающей тиристор VS1. Коммутирующий конденсатор С2 при этом разрядится и перезарядится через дуговой промежуток и обмотку w_3.2 сварочного трансформатора Т3, поддерживая горение дуги.

В следующий полупериод, при смене полярности на электроде с минуса на плюс, откроется транзистор VT1, и по цепи C3-R3-R4-VT1-С3 потечет ток, создающий падение напряжения на R3, которое откроет транзистор VТ3, что дает возможность C1 разрядиться по цепи C1-w_1.1-C3-VT3-C1. В обмотке w_1.2 T1 наводится ЭДС, открывающая VS2, и в дугу будет послан второй стабилизирующий импульс вследствие разряда конденсатора С2 по цепи С2-w_3.2- w_3.4- w_3.3-VS2-C2.

Управление VS1 и VS2 по току осуществляется с помощью Т2, подключенного на вход схемы управления через R1, а управление по напряжению на дуге – путем подключения входа схемы управления через R2 к дуговому промежутку. Трансформатор тока Т2 работает в режиме пик трансформатора и выдает импульс при каждом переходе тока через нулевое значение. Резистор R2 подобран так, что он может запустить VT1 и VT2 только при достижении на дуговом промежутке близкого к амплитудному значению напряжения трансформатора.

В настоящее время в промышленности применяются несколько типов устройств стабилизации горения дуги (УСГД) для параллельного подключения. Они выпускаются в двух исполнениях: автономные и встроенные в сварочный источник питания. УСГД типа СД-2 и СД-100М изготавливаются только в автономном исполнении в виде отдельных приборов. Они могут быть подключены к любому стандартному трансформатору для ручной дуговой сварки. УСГД типа СД-3 выпускаются в автономном и во встроенном исполнении.

Все УСГД, кроме УСГД-1У2, предназначены для работы с трансформаторами, имеющими U_xx не ниже 60 В. УСГД-1У2 рассчитан на работу со сварочными трансформаторами с пониженным (до 45 В) U_xx. Они в настоящее время изготавливаются как встраиваемые приборы для комплектации вновь создаваемых трансформаторов.

Со встроенными УСГД выпускаются источники типа И-120УЗ («Разряд-250» и «Разряд-160»), трансформатор дуговой комбинированный типа ТДК-315У2 и установка дуговая специальная типа УДС-251У2.

Устройство для бесконтактной коммутации реактора в сварочной цепи постоянного тока (рис. 6.10). Устройство может быть применено к сварочному оборудованию с любой конструкцией реактора. Устройство содержит сварочный реактор L с силовой обмоткой, одним концом подключенной к одной из клемм источника питания, а другим – к клемме реле тока КТ, включенного в сварочную цепь последовательно. Параллельно концам силовой обмотки реактора в проводящем направлении включен силовой тиристор VS, цепь управления которого состоит из включенных последовательно токоограничивающего резистора R и размыкающего контакта КТ [16].

Рис. 6.10. Устройство для бесконтактной коммуникации реактора в сварочной цепи постоянного тока

Для стабилизации процесса начального зажигания дуги необходимо увеличивать скорость нарастания тока, что достигается уменьшением индуктивности сварочной цепи путем шунтирования реактора источника питания.

В начале процесса сварки при соприкосновении электрода с изделием ток в обмотке реактора возрастает и наводит в ней ЭДС самоиндукции. Под действием этой ЭДС начинает проходить ток управления тиристора VS через резистор R, и размыкающий контакт КТ реле тока тиристор VS открывается. С этого момента анодно-катодная цепь тиристора шунтирует силовую обмотку реактора L. Через тиристор проходит часть сварочного тока – падение напряжения на силовой обмотке реактора начинает повторять характер зависимости по закону изменения напряжения прямой ветви вольтамперной характеристики для открытого тиристора. Поскольку анодно-катодная цепь тиристора – активное сопротивление, это приводит к быстрому нарастанию тока в сварочной цепи, более быстрому разогреву и расплавлению конца электрода и более стабильному зажиганию дуги при меньшем числе соприкосновений электрода с изделием с выбросом частей электрода. При достижении в сварочной цепи тока, равного току срабатывания, реле КТ включается, его размыкающие контакты разрывают цепь управления тиристора. По мере возрастания тока в сварочной цепи скорость его изменения уменьшается, ЭДС самоиндукции исчезает, а так как активное сопротивление силовой обмотки сварочного реактора мало, то и падение напряжения на ней мало. Параллельно силовой обмотке реактора включен тиристор в проводящем направлении, ток тиристора уменьшается, и он выключается по анодной цепи на прямой ветви вольтамперной характеристики при разомкнутом управляющем электроде, когда величина прямого тока тиристора становится меньше удерживающего тока.

Чтобы в процессе сварки повторно не включалась цепь управления тиристора размыкающим контактом реле тока КТ, ток отпускания реле выбран так, чтобы в рабочем диапазоне сварочных токов минимальная величина сварочного тока в процессе сварки была больше тока отпускания реле. Поэтому при установившемся процессе сварки размыкающие контакты реле тока в цепи управляющего электрода тиристора остаются в разомкнутом положении до окончания сварки, а тиристор выключен до следующего зажигания дуги в начале сварки.

В тех случаях, когда процесс сварки после первого соприкосновения электрода с изделием не устанавливается или при обрыве дуги, вызванном действующими возмущениями в процессе сварки, контакты реле тока вновь замыкают цепь управления тиристора. При последующем соприкосновении электрода с изделием или пробое межэлектродного промежутка происходит быстрое нарастание сварочного тока, и зажигается дуга.

Пригодность серийных сварочных источников для бесконтактного зажигания дуги. Зажигание дуги и установление устойчивого процесса при сварке плавящимся электродом диаметром 0,8…3,0 мм в большинстве сварочных автоматов и полуавтоматов предусматривает подачу электродной проволоки под напряжением холостого хода источника питания с постоянной скоростью к изделию до соприкосновения. Установление процесса сварки происходит, как указывалось ранее, после одного и более соприкосновений электрода с изделием, что связано с разогревом электрода током короткого замыкания, выбросом частей электрода, зажиганиями и погасаниями дуги.

Все многообразие сварочных источников питания по реализации в них способов зажигания дуги можно разделить на следующие группы:

1. Сварочные выпрямители, которые не содержат схемные решения, улучшающие процесс зажигания дуги (выпрямители серии ВД, ВС, ВДГ, ВСЖ, ВДУ-504).

2. Источники питания, содержащие схемные решения, улучшающие условия контактного зажигания дуги.

В системе управления специализированных источников питания серии ВСП осуществляется задержка сигналов обратной связи в начале процесса сварки. В этом случае ток короткого замыкания при первоначальном касании электрода изделия значительно превосходит сварочный ток, что обусловлено наличием излома в статической характеристике источника, благодаря чему быстро нагревается торец электродной проволоки и улучшаются условия зажигания дуги – «горячий пуск». Такими устройствами оснащены многие современные зарубежные источники, которые предназначены для обеспечения повышения тока на время 2…5с при начальном установлении процесса сварки. При этом происходит интенсивное оплавление конца электрода и измельчение переходящих капель, что уменьшает вероятность «примерзания» электрода. Зажигание дуги происходит при предельно короткой дуге без ухудшения газовой защиты.

Выпрямители серии ВДУ-505 содержат узлы коррекции задания и ограничения действия обратной связи по напряжению для повышения U_xx на всех режимах до постоянной величины 80 В в случаях при повторных зажиганиях дуги с интервалом более одной секунды, а при зажигании дуги с интервалами менее одной секунды повышение U_xx не происходит, и сохраняется режим жестких внешних характеристик.

Выпрямители серии ВДУ-506 имеют также схемные решения для улучшения зажигания дуги. На выходе выпрямителя формируется различное по величине U_xx. При длительном прекращении сварки напряжение холостого хода максимально – до 85 В, при кратковременном – ограниченно. То есть, происходит автоматическое дифференцированное регулирование U_xx.

3. Источники питания, реализующие бесконтактное зажигание дуги с помощью дополнительных устройств. При таком зажигании дуги осуществляют электрический пробой межэлектродного промежутка высоким напряжением (несколько киловольт) с помощью высокочастотного генератора – сварочного осциллятора.

Выпрямители ряда зарубежных фирм для сварки тонкими электродными проволоками имеют подобные устройства для улучшения зажигания дуги. Из зарубежной практики известно, что зажигание дуги в сварочных роботах осуществляется с помощью осцилляторов. Из-за известных недостатков, связанных с применением осцилляторов, возможность широкого их применения в заводских условиях для зажигания дуги при механизированных способах сварки плавящимся электродом нецелесообразна.

4. Системы зажигания дуги в робототехнологических комплексах, в которых применяются механические средства, облегчающие зажигание дуги. Так, в робототехнологическом комплексе для дуговой сварки РТК ДС с роботом РМ-01 и источником питания ВДУ-506 предусмотрены автоматические кусачки, которыми при окончании сварки откусывают конец электродной проволоки с образовавшейся каплей на конце, что стабилизирует процесс начального зажигания дуги.

Большинство отечественных источников питания для сварки плавящимся электродом не имеют специальных устройств для зажигания дуги, которые делали бы этот процесс управляемым, а применяемые схемные решения лишь улучшают условия установления процесса сварки. При этом реализуется контактное зажигание дуги, которому присущ ряд недостатков: установление процесса сварки происходит, как правило, после двух и более соприкосновений электрода с изделием; большие потери сварочных материалов; повышенный расход электроэнергии; повышенное время перехода к процессу сварки; непровар соединения в начале шва; увеличенная трудоемкость очистки изделий от брызг.

В работе [16] предложен способ бесконтактного способа зажигания дуги при механизированных способах сварки в защитном газе и под флюсом с использованием низковольтного импульсного разряда.

Схема бесконтактного зажигания дуги для выпрямителя ВДУ-506. Для обеспечения бесконтактного зажигания дуги при автоматической сварке под флюсом в схему управления выпрямителем ВДУ-506 встраивается плата А1М (рис. 6.11). При нажатии кнопки «Пуск» сварочного автомата включается двигатель подачи электродной проволоки. Напряжение питания реле, включающего двигатель или другой аналогичный сигнал, включает реле К2. Так как конденсатор С1 заряжен, то при включении К2 включается тиристор VS1 одиночным импульсом. Включается реле К1 по цепи: 3-S-K1-VД2-VД1-VSl-15. Замыкающие контакты К1 включают цепь управления тиристора VS3, подготавливая его к включению по анодной цепи при подходе электрода к изделию в начале сварки.

Рис. 6.11. Схема бесконтактного зажигания дуги при автоматической сварке от выпрямителя ВДУ-506

Одновременно входит в режим насыщения транзистор VT2, и конденсатор С4 заряжается до напряжения питания (стабилитрон VД7). Через открытый транзистор VT4 на клемму 19 подается напряжение управления программы задания (U_ПЗ), достаточное для увеличения напряжения выпрямителя.

Кроме этого, замыкающий контакт К1 подсоединяет анодную цепь тиристора VS2, подготавливая его к включению по цепи управления для отработки программы бесконтактного зажигания дуги.

Так как двигатель подачи проволоки включен, то электродная проволока под повышенным напряжением U_п (задаваемым программным устройством) движется к изделию, и в постоянно сокращающемся межэлектродном промежутке зажигается дуга при питании ее через тиристор VS3. По мере нарастания тока в сварочной цепи и развития дуги срабатывает датчик тока и своими контактами МК включает тиристор VS2, который включает транзистор VT1, запирая тиристор VS1. Реле К1 продолжает быть включенным, но уже по цепи эмиттер-коллектор транзистора VT1. Так как длительность насыщенного состояния VT1 определяется емкостью конденсатора С2, то при его закрытии выключается реле K1. Напряжение задания U_З продолжает существовать, но по заданной программе: по мере разряда конденсатора С4, выдерживая, а затем снижая напряжение на сварочных электродах, вплоть до перехода к напряжению режима сварки, устанавливаемого потенциометром RP16.

Далее следует процесс сварки без вмешательства схемы бесконтактного зажигания дуги.

При окончании процесса сварки, когда отключают подачу проволоки, реле К2 отключается, подключая конденсатор С1 для заряда. При этом реализуется программа для формирования конца электрода с целью получения малых размеров капли на конце – меньше двух диаметров электрода. Этим подготавливается электрод к следующему циклу сварки изделия на сварочном автомате, а вся схема А1М готова к следующему циклу бесконтактного зажигания дуги.

Далее: 6.4. Устройство подавления постоянной составляющей переменного тока