Различие теплофизических свойств и условий охлаждения элек­трода и изделия, особенно сильное при сварке вольфрамовым электро­дом алюминиевых сплавов, приводит к тому, что напряжение на дуге в одном полупериоде резко отличается от напряжения в другом полу- периоде. Имеет место так называемое выпрямляющее действие дуги. Если не принять специальных ограничительных мер, в сварочной цепи возникает большая по значению постоянная составляющая тока — до 70-80% от действующего значения рабочего сварочного тока.

Известно [22], что значение постоянной составляющей главным образом зависит от соотношения напряжений дуги обратной и прямой полярности е12 = иа1 /С/д2 и растет с увеличением этого соотношения.

Напряжение холостого хода источника U2о оказывает незначительное влияние на значение постоянной составляющей тока, причем увеличение соотношения Ual/U2o сопровождается снижением постоянной состав­ляющей.

Постоянная составляющая сварочного тока создает в трансформа­торе постоянную составляющую магнитного поля, вызывающую рост намагничивающего тока, снижение отдаваемой трансформатором мощ­ности и коэффициента мощности. Значительная постоянная состав­ляющая тока отрицательно сказывается на технологии сварки. Поэтому в источниках питания аргонодуговой сварки принимаются меры по устранению постоянной составляющей тока или ее ограничению до требуемого по технологическим соображениям значения.

До недавнего времени среди многих известных способов устранения или ограничения постоянной составляющей тока практическое при­менение имел только один - включение в сварочную цепь громоздкой и дорогостоящей конденсаторной батареи, препятствующей протеканию в цепи постоянного тока.

В последние годы во ВНИИЭСО разработано новое, компактное и экономичное диодно-тиристорное устройство ограничения постоянной составляющей тока [5], которое будет рассмотрено в четвертой главе.

Для пояснения сущности и принципа работы устройства в традицион­ных источниках с амплитудным регулированием тока рассмотрим динамику роста постоянной составляющей тока при симметричном фазовом регулировании тока.

Упрощенная схема замещения источника тока с фазорегулятором в сварочной цепи представлена на рис. 1.4, а, где Um sin (at + ф) — мгно­венное значение вторичного напряжения холостого хода идеального сварочного трансформатора; <р — угол включения тиристоров; L - эквивалентная индуктивность сварочного контура.

Анализ схемы проведен в предположении отсутствия активного сопротивления; напряжение на дуге принято не зависящим от тока:

Рис. 1.4. Упрощенная схема замещения источника тока с фазорегулятором в сва­рочной цепи (а) и зависимости у0 = f (у) (б) 1 - при е, = 0,25; е2 = -0,1; 2 - при е, = 0,15; є2 = -0,1; 3 - при е, = 0,3; е2 = -0,2

«д1=[/д1>0; ид2 = ищі< 0; |С/д11 > |і/д2|,

где ыд1, С/д1 — мгновенное и среднее (в зоне существования тока) зна­чения напряжения обратной полярности (’’плюс” на электроде); ищ2, Ua2 - мгновенное и среднее значения напряжения прямой полярности. Основное уравнение цепи

Um sin (at + ip) - L - Ua = 0,

at

где /1 — ток дуги.

Найдем в общем виде решение этого уравнения для тока дуги в от­носительных единицах.

За базовые величины примем напряжение Um и амплитуду тока короткого замыкания цепи/т = /г272к.3 = Um/u}L.

Уравнение тока дуги в относительных единицах

7 = - cos (0 + у?) - ед0 + С, (1.1)

где 7 = /2//т ; ед = UJUm; в = cof; С - Постоянная интегрирования.

Анализ уравнения (1.1) при несимметричной нагрузке [16] (| Ual > > | t/д21) показал наличие трех режимов работы схемы: полностью управляемого режима (режима прерывистых токов), полууправляемого режима, неуправляемого (полнофазного) режима.

Рис. 1.5. Диаграммы напряжения и тока при несимметричной нагрузке

Временные диаграммы напряжения и тока для режима прерывистых токов представлены на рис. 1.5, а.

Постоянную интегрирования для полупериодов прямой и обратной полярности найдем из условия 7 = 0 при 0 = 0 и 0 = я.

Уравнения тока полупериодов обратной 7i и прямой у2 полярности (в зоне существования токов от 0 до 0 і и от я до в 2):

7! = - cos(0 + ip) + cos ip — Єі9; (1.2)

72 = —COS (0 + p) - COS р - Є2 (0 - я) . (1.3)

Среднее значение токов полупериодов и значение постоянной состав­ляющей (7о):

1 г‘ 1 Г

— J 7idd = — I sin — sin(0л + p) + 0icos p - о 2ir [_

€1

Уо - Уіср + Уіср - ~~ - sin(0! + p) + sin(02 + p) +

ГL 1

+ (01 - 02)cosk>_- (610^ +e2el ) .

Решение уравнений (1.2) —(1.4) на ЭВМ позволяет проследить динамику роста постоянной составляющей тока для режима прерывис­тых токов в зависимости от угла включения тиристоров р при различных значениях и соотношениях Єї и е2 (рис. 1.4,6).

В первом режиме работы схемы по мере уменьшения угла вклю­чения р увеличивается как амплитуда, так и длительность полуволн тока прямой и обратной полярности, причем 0, < 02.

При некотором критическом угле включения ркр длительность полуволны тока прямой полярности становится равной полупериоду в2 — я. При этом момент окончания тока прямой полярности совпадает с моментом включения тиристора обратной полуволны тока, режим прерывистых токов заканчивается (рис. 1.5, б).

Из уравнения (1.3), положив 7 = 0 при 0 = 2я, найдем значение кри­тического угла включения:

cosV>Kp =~ ІЄ2>

из чего следует, что іркр зависит от соотношения напряжения дуги пря­мой полярности и напряжения холостого хода.

Определим среднее значение напряжения дуги при критическом угле включения.

Положив в уравнении (1.2) у = 0 при 0 = 0,, с учетом уравнения (1.5) И ТОГО, ЧТО В ЭТОМ режиме 9 2 = Я, получим

If

Є101 + є202 = - COS(0, +¥>кр) -C0S¥>Kp = - J sin(9+<pKf))de

(1.6)

или

^-(и*ід' + ипг°*)= Y J Umsm(9+pKp)d9.

IT — T

Таким образом, среднее значение напряжения дуги равно среднему за период напряжению на тиристорах (без учета падений напряжений на открытых тиристорах): £/Л = Uyscp-

Вольт-секундная площадка, соответствующая UVScp, на рис. 1.5,6 заштрихована.

Значение паузы т может быть приближенно вычислено из уравнения (1.6), если учесть, что 0, ~ я, а значение sin (0 + ркр) при я — т < 0 < я принять постоянным и равным — 1. Тогда

я

Є10, + е202 * - sin(ff + ¥>Kp) S de = r;

Я - Т

7 = я(Єі + 62).

При дальнейшем уменьшении угла включения (рис. 1.5, в) тиристор обратной полуволны тока теряет управление, так как он может прово­дить ток только после закрытия тиристора прямой полуволны (полу - управляемый режим).

Фаза включения полуволны прямой полярности уменьшается, дли­тельность ее растет; фаза включения полуволны обратной полярности возрастает, длительность ее сокращается, увеличивается значение по­стоянной составляющей сварочного тока (см. рис. 1.4, в).

Уравнение тока полупериода прямой полярности (1.3) остается без изменений. Ток обратной полярности найдем из уравнения (1.1). Поскольку в полууправляемом режиме в качестве угла включения тиристора обратной полярности выступает момент окончания тока пря­мой полярности, в уравнение (1.2) вместо ір подставим у = р + 02 — я:

?! = COS (0 + 1Р + 02) - cos (ip + 02 ) - Єї 0J. (1.8)

Резкое нарастание постоянной составляющей тока (см. рис. 1.4,6) продолжается до тех пор, пока не исчезнет бестоковая пауза т и не уста­новится неуправляемый (полнофазный) режим (рис. 1.5,г).

Фазовые сдвиги токов прямой и обратной полярности и =

= р + я в полнофазном режиме определим из уравнения (1.8), считая у = 0 при 0=0, = 2я - 02:

cos v? — cos (ip — 01) = є, 01;

, е>еІ в

Фі = - arc sin----------------- —+ я;

®і 2

2 sin —

2

г. е,0, в.

ф, = —arc sin-------------- + —- + п.

е, 2

2sin —

2

Поскольку в полнофазном режиме тиристоры полностью открыты (UyS = 0), то из соотношения (1.6) имеем Єіві + е202 = 0, а так как

в 1 + о 2 = 2тт, то

0, =-2п —— . (1.11)

*« -

Определив углы фазового сдвига фі и ф2 > перепишем уравнения тока в полнофазном режиме в виде

7i = - cos {в + фі) + cos ф і - є ід; уг — — cos (в + ф і) + cos ф і + є2 (2я — д). Постоянная составляющая тока

в і 2тг

То = ~ S + т" / 72^0;

2,г О 2,г Є, L

, 0.

7о = COS і//! - Єї— .

Приведенный анализ и численные расчеты показывают, что доля постоянной составляющей в действующем значении тока дуги резко возрастает при изменении угла включения от критического до полно - фазного значения; значения критического угла включения и бестоковой паузы г не зависят от индуктивного сопротивления цепи (уставки сва­рочного тока) и незначительно изменяются при изменении напряжения дуги в рабочих пределах (см. рис. 1.4,6). Таким образом, включив в сварочную цепь встречно-параллельно соединенные тиристоры и зафик­сировав угол их включения равным р = <ркр, можно добиться эффектив­ного ограничения постоянной составляющей тока с минимальной дли­тельностью бестоковых пауз при переходе от обратной полярности к прямой. Поскольку тиристор полуволны обратной полярности при критическом угле включения теряет управление, его можно заменить неуправляемым диодом.

Пример. Рассчитаем критический и полнофазиый режимы сварочной цепи с тиристорным фазорегулятором при напряжении холостого хода трансформатора иы = 70 В и токе короткого замыкания цепи /21СЗ = 500 А.

Напряжение дуги обратной полярности 1/д1 = 20 В, прямой полярности {/д2 = = - 10В (е, = 0,2; е2 = -0,1).

cos ^кр = “ ' О*1: ¥>кр = 81° эл.;

вг = я; т = 0,1 ir(18°); е1=п-т( 162°);

71ср = 0,242; т2ср = -0,314; 7о =-0,072;

/lep = licp^m ~ 12ср = — А, ^

Использованы уравнения (1.4), (1.5), (1.7). Полнофазный режим:

„ -°д 2

0, =-2я-------------- = - я (120°);

0,2+ 0,1 3

2

О,1 • — it

= arcsin -------- ;----- + ——— + я (46° + 180°);

2 sin

Ф1 = *,- 0j =106°;

¥> = 46°; 7о = cos ф, - — є, = -0,485; /0 = -343 А. Использованы уравнения (1.9)— (1.12).