§ 1. Общие сведения

К специализированным относятся источники питания дуги, обладающие технологическими свойствами, обеспечивающими устойчивое горение дуги как постоянного, так и переменного тока, при ручной, механизированной и автоматизированной сварке пла­вящимся и неплавящимся электродом легких металлов и сплавов, коррозионно-стойких сталей, меди и др., а также изделий из тонких и особо тонких материалов. В специализированных источниках пи­тания дуги широко используются обратные связи по выходным па­раметрам или сами источники выполняются параметрическими.

По принятой в данном учебнике классификации (см. § 8 гл. 1) специализированные источники питания сварочной дуги составля­ют группу С.

§ 2. Вспомогательные устройства источников питания

В схемах специализированных источников широко применяются различные вспомогательные устройства: осцилляторы, импульсные стабилизаторы горения дуги переменного тока, устройства для плавного снижения сварочного тока в конце сварки (заварка кра­тера), регуляторы тока и напряжения и др. Рассмотрим некоторые специфичные вспомогательные устройства источников питания сва­рочной дуги.

Осцилляторы. При сварке неплавящимся электродом в среде .защитных газов первоначальное возбуждение дуги производится бесконтактным способом. Напряжение холостого хода источника питания (60—80 В) недостаточно для того, чтобы вызвать электри­ческий разряд или даже искру в промежутке между изделием и электродом, хотя промежуток может составлять лишь доли милли­метра. Для возникновения в промежутке свободных электронов и возбуждения дуги необходим кратковременный импульс напряже­ния, который обеспечил бы пробой и последовательное развитие искрового разряда вплоть до дугового. Такой импульс может быть ■обеспечен осциллятором.

Осциллятор представляет собой генератор затухающих по амп­литуде знакопеременных импульсов высокого напряжения (около 3 кВ) и высокой частоты (порядка 100—3000 кГц). При подаче им­пульсов на промежуток между изделием и электродом происходит пробой промежутка искрой и появление свободных электронов. Кратковременный искровой разряд развивается в дуговой, созда­вая условия для горения сварочной дуги, питаемой от основного источника питания.

С источниками питания постоянного тока осцилляторы приме­няют для первоначального возбуждения дуги; с источниками пере-

менного тока как для первоначального возбуждения дуги, так и для возбуждения дуги после смены полярности (после перехода тока через нуль). Применяют осцилляторы параллельного и по­следовательного включения.

На рис. 6.1 приведена схема осциллятора параллельного вклю­чения. Трансформатор 77 промышленной частоты повышает 'на­пряжение питающей сети до 3—6 кВ. Напряжение вто­ричной обмотки І/ подведено к разряднику F, входящему в колебательный контур Ск—LK—F, в котором возникают вы­сокочастотные колебания. При возрастании синусоидального на­пряжения на вторичной обмотке 77 конденсатор Ск заряжается. В его электрическом поле накапливается энергия CKU2j2. По дости-

жении определенной величины напряжения происходит пробой воздушного промежутка разрядника. Конденсатор Ск разряжается на индуктивность Ьк, являющуюся первичной обмоткой высокоча­стотного трансформатора Т2, осуществляющего магнитную связь осциллятора со сварочным контуром. В колебательном контуре Ск—7-к—F возникает ток і. Энергия поля конденсатора Ск при его разряде (за вычетом потерь в резистивных сопротивлениях) преоб­разуется в энергию магнитного поля индуктивности LK, равную LKi2/2. В колебательном контуре возникает знакопеременный зату­хающий по амплитуде колебательный процесс с угловой Частотой,, зависящей от величины Ск и LK. Трансформатор Т2 через вторичную обмотку 7-е осуществляет ввод высокочастотного высокого напря­жения на дуговой промежуток (выводы cud). Защита источника питания 7/77 от воздействия этого напряжения осуществляется с помощью Г-образного фильтра, состоящего из индуктивности Ьф и емкости Сф. Если трансформатор источника питания имеет повы­шенное магнитное рассеяние, то наличие индуктивного фильтра Ьф, не обязательно. Блокировочные конденсаторы Сб создают условия безопасной работы сварщика и предотвращают повреждение источ­ника питания при пробое конденсатора Ск. В осцилляторе имеется помехозащитный фильтр ПЗФ, защищающий питающую сеть (вы­воды а и Ь) от высокочастотных колебаний. Колебания, возникшие в контуре, затухают примерно за 2 мс. Если осциллятор не отклю­чают, то импульсы колебаний периодически повторяются после

восстановления электрической прочности разрядника F. Осцилля­торы параллельного включения применяют, как правило, с источ­никами питания постоянного тока.

Принципиальная электрическая схема осциллятора последова­тельного включения приведена на рис. 6.2. Катушка индуктивно-

сти U колебательного контура Ск—Ьк—F включена последователь­но с дугой. Сечение ее обмотки рассчитывается на сварочный ток. Защита источника питания ИП от воздействия высокочастотного высокого напряжения, возникающего на индуктивности LK при раз­ряде конденсатора Ск, осуществляется шунти­рованием источника конденсатором Сф. Ос­цилляторы последова­тельного включения компактнее и проще, чем параллельного. Ос­цилляторы описанного вида генерируют широ­кий спектр частот, по­падающих в питающую сеть и мешающих ра­диоприему. Кроме того, искровой разряд, воз­никающий при пробое промежутка между изделием и электродом, также является источ­ником помех.

В схемах источников предусмотрено автоматическое отключе­ние осцилляторов после возбуждения сварочной дуги (на рис. 6.1 и 6.2 не показано).

Импульсный стабилизатор горения дуги (ИСГД) переменного тока применяют при сварке переменным током неплавящимся элек­тродом изделий из легких сплавов в среде защитного газа. При этом способе сварки возникают трудности повторного возбужде­
ния дуги при переходе на обратную полярность. На рис. 6.3 приведена принци­пиальная схема ИСГД. Фор­ма изменения сварочного то­ка источника во времени мо­жет быть синусоидальной, трапецеидальной, прямо­угольной. Конденсатор Сн заряжается от трансформа­тора Т через вентиль VI и токоограничивающий рези­стор Rsav Наличие вентиля VI предотвращает разряд конденсатора на трансфор­матор Т при снижении на­пряжения иаь■ В цепи разря­да конденсатора включены тиристор V2 и ограничитель­ный балластный резистор /?бал - Разряд конденсатора на дуговой промежуток про­исходит при подаче положи­тельного потенциала на уп­равляющий электрод УЭ ти­ристора V2 от системы уп­равления (на рис. 6.3 схема системы управления не при­ведена) . Открывание тири­стора произойдет тогда, ког­да на его аноде будет поло­жительный потенциал отно­сительно катода. Запирается тиристор после полного раз­ряда конденсатора. Разряд­ный. импульс обеспечивает повторное возбуждение дуги на обратной полярности сва­рочного тока. Параметры импульса — амплитуда по­рядка 600 В, длительность 60—80 мкс — устанавлива­ются в соответствии с требо­ваниями технологии. Пик то­ка импульса может дости­гать 60—80 А.

Регулятор снижения сва­рочного тока (РССТ) в кон­це сварки. При быстром

прекращении сварочного тока в шве образуется кратер. Для исклю­чения этого технологического дефекта шва необходимо плавно снижать сварочный ток в конце сварки до нуля примерно за 5— 6 с. При питании дуги от вращающихся преобразователей умень­шение величины сварочного тока в конце шва происходит при от­ключении двигателя от сети. Скорость двигателя плавно снижает­ся, что определяется инерцией вращающихся частей преобра­зователя (естественный выбег), уменьшается плавно и свароч­ный ток.

В автоматизированных процессах сварки при питании дуги от статических источников для плавного снижения величины тока в конце шва могут применяться специальные конденсаторные бата­реи, обеспечивающие подачу непосредственно на вход регулятора тока источника управляющего напряжения, спадающего при раз­ряде по экспоненте. Однако для разряда на цепь регулятора тока, имеющего малое резистивное сопротивление, требуется батарея весьма большой емкости. Для уменьшения емкости батареи в со­временных источниках питания используют промежуточные усили­тели на транзисторах, что дает не только резкое снижение емко­сти батареи, но и создает возможность регулирования в широких пределах времени снижения сварочного тока. На рис. 6.4, а при­ведена принципиальная электрическая схема регулятора плавного снижения сварочного тока в конце процесса сварки (в конце шва).

Усилитель регулятора собран на транзисторах по схеме с об­щим эмиттером (на рис. 6.4, а условно показан один транзистор V). В процессе сварки ключ (выключатель) 5 замкнут; конденса­тор С заряжен до напряжения Ua, снимаемого с потенциометра П, который питается от сети через выпрямитель VI. К коллекторной цепи транзистора подведено напряжение Uv от выпрямителя V2. При этом ток базы тиристора определяется выражением

I Un 6 Яб + R3.6

где Яб+Я8.в — сопротивление цепи эмиттер — база транзистора.

Резистор Кн условно представляет (замещает) в схеме обмотку управления регулятора тока источника.

Таким образов, при установившемся процессе сварки ток /к определяется напряжением Uv, сопротивлением /?н и током h-

В конце процесса сварки выключатель 5 автоматически размы­кается, но ток /б не прерывается и, следовательно, не прерывается ток /к. Это оказывается возможным потому, что некоторое время напряжение и ток /б поддерживаются разряжающимся на цепь эмиттер — база конденсатором С. Таким образом, с момента размы­кания выключателя S весь процесс сварки управляется конденса­тором С, напряжение на котором при разряде спадает по экспо­ненте.

Выходные (коллекторные) характеристики транзистора /к= =f([/e. к) для разных значений тока базы приведены на рис. 6.4, б. Здесь же показана характеристика нагрузки, определяемая

величиной При /к=/к макс и Uэ. к —Uэ. к мни транзистор работает в области насыщения, где /к мало зависит от тока базы /б, при этом С/э. к мало и потери в транзисторе минимальны.

При разряде конденсатора С на цепь эмиттер — база ток h по­следовательно проходит значения от /бі до /б мин, изменяясь по экспоненте; одновременно С ЭТИМ уменьшается ТОК /к ДО /к мин и растет напряжение На. п ДО f/э. кмакс. Кривые изменения напряже­ния и токов при разряде конденсатора в интервале времени t—t2 приведены на рис. 6.4, в. Постоянная времени разрядной цепи опре­деляется выражением

^__ В (Вб Ч~ /?э. б) ^

В + /?б + /?э. б

Ток базы /б и ток коллектора ік, так же как «с, изменяются по экспонентам. При этом /к = ріб, где р — коэффициент усиления тран­зистора по току, равный примерно 30—40 [5].

Если вольт-амперная характеристика регулятора тока линейна в интервале изменения тока управления от /кмакс до /кмин, то сва­рочный ток, так же как ис и tg, будет изменяться по экспоненте. В момент времени t2 снижение сварочного тока заканчивается и источник питания отключается от сети.

Из сказанного следует, что применение РССТ с промежуточным транзисторным усилителем действительно снижает емкость конден­саторной батареи и создает условия для регулирования времени снижения сварочного тока после окончания процесса сварки.