4.1. ИМПУЛЬСНЫЕ ВОЗБУДИТЕЛИ И СТАБИЛИЗАТОРЫ ГОРЕНИЯ ДУГИ

При сварке неплавящимся, а в ряде случаев и плавящимся электродом нежелательно или недопустимо зажигание дуги касанием электрода об изделие. В этих случаях первоначальный поджиг дуги производят путем пробоя дугового (межэлектродного) промежутка высоковольтными высокочастотными импульсами напряжения. Пред* назначенные для этой цели электрические генераторы получили название возбудителей горения дуги или осцилляторов.

Известно, что эффективность работы возбудителей повышается, если момент генерации импульсов согласован с фазой напряжения источника питания дуги. Так, при аргонодуговой сварке легких сплавов первоначальное возбуждение дуги наиболее вероятно в полупериоды обратной полярности (катод—изделие). Оптимальный момент генерации и пробоя дугового промежутка соответствует фазе напряжения 70—80°. Процесс нарастания сварочного тока в образовавшемся проводящем канале будет проходить без бросков при максимальной скорости на­растания, что будет способствовать развитию и становлению дугового разряда.

Многообразные схемы возбудителей могут быть подразделены на две основные группы — с непрерывным и импульсным питанием.

Основы построения первой группы возбудителей закладывались в 50-е годы, когда еще не имели широкого распространения силовые тиристоры и полупроводниковые схемы управления.

В возбудителях с непрерывным питанием (рис. 4.1) источником высокого напряжения является высоковольтный трансформатор Т2

с повышенным электромагнитным рассеянием, рассчитанный на полное напряжение сети и подключаемый к сети выключателем SA1 на все время работы возбудителя. Источни­ками высокой частоты в таких возбудителях, как правило, служат искровые генераторы.

Рис. 4.1. Возбудитель горения дуги с не-
прерывным питанием

Разрядник F, конденсатор С2 и первичная обмотка высокочастот­ного выходного трансформатора ТЗ (или обмотка выходного дросселя) образуют колебательный контур высокочастотного генератора. Вто­ричная обмотка выходного трансформатора ТЗ (или обмотка дросселя) может подключаться параллельно дуговому промежутку или вклю­чаться последовательно в сварочный контур, как показано на рис. 4.1.

Защита источника сварочного тока Т1 от напряжения высокой частоты в возбудителях последовательного включения осуществляется конденсатором фильтра С1. Как известно [8], возбудители последова­тельного включения более эффективны, так как в них практически вся энергия возбудителя выделяется в дуговом промежутке, в то время как в возбудителях параллельного включения часть энергии ответвля­ется во включенный между возбудителем и источником тока защитный ХС-фильтр.

Конденсатор С2 заряжается от трансформатора Т2 до напряжения пробоя разрядника, после чего в контуре возникают высокочастотные затухающие колебания, частота которых зависит от параметров кон­тура, а амплитуда - от напряжения пробоя разрядника. После восста­новления электрической прочности разрядника процесс повторяется. За каждый полупериод напряжения питания возбудитель генерирует 10-15 затухающих высокочастотных импульсов с интервалом около 0,5 мс. Собственная частота колебания в таких генераторах составляет 0,2—2 МГц, напряжение 3—6 кВ, энергия одного импульса не превышает 0,1 Дж.

Путем настройки разрядника начало генерации согласуют с фазой напряжения питания (40-50°), которое должно быть в фазе с напряже­нием источника сварочного тока.

Возбудители с непрерывным питанием имеют ряд серьезных недо­статков. Наличие сложного и громоздкого низкочастотного высоко­вольтного трансформатора обусловливает высокую материалоемкость изделий. Наличие высокого напряжения низкой частоты делает такие возбудители источниками повышенной опасности для персонала. Нали­чие искрового генератора, генерирующего широкий спектр частот, повышает уровень радиопомех, создаваемых возбудителем; этому же способствует и большая повторяемость генераций (10—15 в по­лупериод), эффективность которых, как было показано ранее, невы­сока.

Несмотря на то что такие возбудители снабжаются громоздкими помехозащитными фильтрами ПЗФ (рис. 4.1), уровень радиопомех не удается снизить до допустимых норм. Поэтому время работы и часто­та включения таких возбудителей должны быть строго ограничены — их следует отключать сразу же после возбуждения дуги.

Совокупность этих недостатков характеризует возбудители с не­прерывным питанием как устаревшие изделия. Однако в связи с про­стотой схемы и конструкции они до настоящего времени широко используются в промышленности и даже продолжают выпускаться рядом неспециализированных предприятий.

Вторая группа возбудителей, с импульсным питанием, строится на основе схем тиристорных формирователей импульсов с емкостным накопителем энергии. Заряд накопителя происходит от вспомогатель­ного маломощного источника постоянного напряжения, разряд — через тиристор на первичную обмотку повышающего импульсного транс­форматора. Генерация импульсов производится один раз в полупе - риод сетевого напряжения, причем момент генерации строго согласу­ется с выбранной фазой (70—80°) напряжения источника сварочного тока.

В возбудителях с импульсным питанием первого поколения в ка­честве импульсного трансформатора широко использовали катушку зажигания двигателей внутреннего сгорания (бобину). Во вторичной цепи импульсного трансформатора устанавливали искровой генератор. Как и возбудители непрерывного питания, такие импульсные возбу­дители являются источниками радиопомех высокого уровня и после возбуждения дуги их необходимо отключать от сети.

Однако и после возбуждения дуги переменного тока нередко суще­ствует необходимость искусственной стабилизации ее горения. Для облегчения повторного зажигания дуги при смене ее полярности служат импульсные стабилизаторы горения дуги.

Применение стабилизаторов необходимо при аргонодуговой сварке легких сплавов. Рекомендуемые параметры импульсов: амплитуда напряжения 500—600 В, амплитуда тока импульсов 60—80 А, длитель­ность импульса не ниже бОмкс. Импульсы должны генерироваться через 60-100 мкс после смены полярности сварочного тока (дугового напряжения) один раз в период при формировании катода на алюминии.

Стабилизаторы строятся также на основе схем тиристорно-емкост­ных формирователей.

Возбудители-стабилизаторы установок УДГУ-301 и УДГ-501-1 завода ’’Электрик” имени Н. М. Шверника работают в двух режимах, но имеют единые емкостный накопитель и тиристорный коммутатор. В режиме возбуждения дуги формирователь работает на высоковольтный транс­форматор (бобину) и далее на искровой генератор, в режиме стабили­зации - непосредственно на выходной дроссель, включенный последо­вательно в сварочный контур. Переключение с одного режима на другой производится контактами реле, катушка которого включена на вто­ричную обмотку сварочного трансформатора; реле срабатывает при напряжении холостого хода и отключается при напряжении дуги.

В последние годы во ВНИИЭСО разработано устройство, в котором функции возбудителя и стабилизатора полностью совмещены.

Возбудитель-стабилизатор ВСД-01УЗ предназначен для возбуждения и стабилизации горения дуги при аргонодуговой сварке и может при­меняться для стабилизации горения дуги при сварке качественными штучными электродами, предназначенными для сварки на постоянном токе.

Аппарат ВСД-01УЗ выпускается в универсальном однокорпусном исполнении.

Возбудитель-стабилизатор подключается к сети переменного тока параллельно со сварочным трансформатором 77 (рис. 4.2) и управляется от напряжения на его вторичной обмотке. Оптимальным является выбор таких параметров элементов схемы, которые обеспечивают рассматри­ваемый далее резонансно-диодный режим работы устройства.

Накопительный конденсатор СЗ заряжается от вспомогательного маломощного источника постоянного тока (ИПТ) через зарядный дроссель Ы и диод VD1; после окончания резонансного заряда на конденсаторе установится напряжение, близкое к двойному значению напряжения ИПТ. При включении тиристора VS1 произойдет резонанс­ный разряд конденсатора СЗ на первичную обмотку высокочастотного трансформатора Т2 с ферритовым магнитопроводом. Высокая доброт­ность контура обеспечивает перезаряд конденсатора до напряжения, близкого к двойному обратному напряжению. При следующем цикле заряда конденсатора зарядный ток определяется суммой напряжения ИПТ и согласного с ним напряжения конденсатора СЗ. Происходит циклический рост напряжения на конденсаторе. С учетом активных потерь в контурах напряжение на конденсаторе установится равным 4-5-кратному значению напряжения ИПТ.

Такой режим работы схемы позволяет значительно уменьшить емкость конденсатора, обеспечить работу высокочастотного трансфор­матора в режиме симметричного перемагничивания, снизить коэффи­циент трансформации трансформатора и его массу.

В связи с тем что генерация импульсов производится с частотой 100 Гц, заряд и разряд; конденсатора СЗ происходят в течение одного полупериода сетевого напряжения; при этом собственная частота коле­баний зарядного контура в 3—4 раза превышает частоту сети.

Собственная частота разрядного контура около 20 кГц. Разрядный ток имеет практически синусоидальную форму, напряжение на обмотках

трансформатора Т2 изменяется по закону косинуса. Мгновенно нараста­ющий импульс напряжения во вторичной обмотке, шунтированный высокочастотным конденсатором С2, обеспечивает в этом контуре ударное возбуждение высокочастотных колебаний с частотой 2—3 МГц, которые поступают на дуговой промежуток через конденсатор высоко­частотного фильтра С1.

Цепь управления тиристором VS1 содержит оптронный тиристор VS2 и конденсатор С4, заряженный по цепочке R3, VD3.

Светодиод тиристора VS2 включен на выходе транзистора VT1, управляемого операционным усилителем DA1. Прямой вход усилителя подключен к нулевой точке схемы, и, следовательно, усилитель вклю­чается (насыщается) при поступлении на его инверсный вход отрица­тельного потенциала. Этот момент определяет угол включения возбу­дителя-стабилизатора дуги. Стабилитрон VD2 защищает вход усилителя от перенапряжений.

Потенциал инверсного входа усилителя зависит от состояния схемы, собранной на транзисторах VT2, VT3, диодах VD4- VD7, резисторах R6-R16. На схему поступает напряжение со вторичной обмотки свароч­ного трансформатора ТІ. В полупериоды обратной полярности напря­жения холостого хода или дуги (плюс на электроде) происходит заряд (или подзаряд) конденсатора С5 через диод VD4 и резисторы R6,R7, транзистор VT3 при этом открыт. Потенциал коллектора транзистора VT3 равен нулю, а потенциал коллектора транзистора VT2 определяется потенциалом конденсатора С5.

В полупериод прямой полярности транзистор VT2 открыт, а потен­циал коллектора транзистора VT3 определяется потенциалом конден­сатора С6.

Напряжение на инверсном входе усилителя в каждый полупериод определяется разностью усредненного и мгновенного напряжений своей полуволны, снимаемых соответственно с конденсатора С5 (или Сб) и резисторов Rll, R12. В момент сравнения этих напряжений в каждый полупериод происходит включение усилителя DA1 и, следовательно, возбудителя-стабилизатора.

При холостом ходе возбудитель-стабилизатор включается при оди­наковой фазе 70-80°, подстраиваемой резистором R12. При напряжении дуги включение возбудителя-стабилизатора происходит в момент смены полярности сварочного тока и достижения напряжением на дуге некото­рого уровня, своего для каждой полуволны, определяемого напряже­нием на конденсаторе С5 или С6.

Благодаря отсутствию искрового генератора уровень помех радио­приему соответствует установленным нормам и возбудитель-стабили­затор может работать в длительном режиме, генерируя импульсы напряжением 5 кВ, с энергией до 0,7 Дж.