Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Осцилляторы. Осцилляторы применяют главным образом при аргонно-дуговой сварке вольфрамовым электродом на переменном токе, в установках для сварки импульсной или малоамперной дугами, в плазменно-дуговой аппаратуре. Это искровой генератор высокочастотных колебаний высокого напряжения. Так как напряжение, подводимое к дуге осциллятором при холостом ходе очень велико (2000-6000 В), а частота составляет 150-500 кГц, дугу можно зажечь даже без предварительного соприкосновения электрода с изделием. Благодаря высокой частоте и малой мощности осциллятора высокое напряжение неопасно для человека.

Сварочные осцилляторы делятся на две основные группы: параллельно подключаемые к дуговому промежутку (ОСП-1, М-2, М-3 и др.) и включаемые последовательно сварочной дуге (ОСП-3-1, ОСП-3-2М и др.).

1. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОДЖИГА ДУГИ

Главное достоинство поджига касанием - отсутствие высоковольтных устройств и вызываемых ими при пробое дугового промежутка радиопомех. Благодаря широкому применению тиристорных и транзисторных источников сварочного тока, систем АРНД в автоматах поджиг касанием более перспективен. Такой системой поджига снабжены установки УДГ-201, автоматы АДГ-201 и АДГ-301. Однако из-за опасности образования вольфрамовых включений и усложнения сварочной головки при автоматической сварке в специализированных установках для ручной сварки и автоматах пока более распространен поджиг дуги через зазор путем пробоя промежутка высоковольтными импульсами.

Основные требования к устройствам для поджига через зазор (возбудителям дуги или осцилляторам) таковы:

· возбудитель дуги должен обеспечивать надежное возбуждение дуги во всех возможных режимах работы сварочной установки за время, пренебрежимо малое по сравнению со временем сварки;

· возбудитель дуги не должен угрожать безопасности сварщика. Для этого генерируемый возбудителем импульс имеет обычно характер высокочастотных колебаний, не опасных для жизни человека. В связи с колебательным характером генерируемого импульса возбудитель называют также осциллятором;

· возбудитель не должен влиять на работу сварочной установки и, в частности, ухудшать ее надежность.

Требования к параметрам импульса зависят от условий в дуговом промежутке и свойств источника питания сварочной дуги.

Возбудители могут иметь независимое питание от сети или питаться непосредственно дуговым напряжением. Последние возбудители обладают преимуществами перед первыми: они не нуждаются в дополнительной питающей цепи, автоматически включаются при подаче напряжения на дуговой промежуток и автоматически же прекращают работу после возбуждения дуги.

Основными составными частями возбудителя являются источник высокого напряжения, высокочастотный генератор и устройство ввода высокого напряжения в цепь сварочной дуги.

По типу источника высокого напряжения различают возбудители непрерывного и импульсного питания. В первом случае (примером может служить осциллятор ОСП3-2М, схема которого показана на рис. 1.) высокое напряжение получается при трансформации напряжения с помощью высоковольтного низкочастотного трансформатора TV1. Достоинством такого питания является простота схемы. Оно проявляется лишь при питании возбудителя переменного тока, т.е. для возбудителей дуги постоянного тока - при независимом питании. Преобразование постоянного тока в переменный сводит это достоинство к нулю и поэтому никогда не применяется.

Недостатками возбудителей непрерывного питания являются наличие высокого напряжения промышленной частоты, опасного для жизни обслуживающего персонала, сложность и высокая стоимость высоковольтного трансформатора и невозможность управления моментом генерации импульсов высокого напряжения на стороне низкого напряжения, которое бывает целесообразно при поджиге дуги переменного тока.

В возбудителе с импульсным питанием (пример - возбудитель ВИР-101, схема которого представлена на рис. 2.) предварительно запасенная в накопителе энергия выделяется за короткое время на каком-либо из элементов высокочастотного контура, чаще всего на конденсаторе C_н.

Одним из важнейших элементов высоковольтного источника является трансформатор. В системах непрерывного питания надежность трансформатора определяет, как правило, надежность всего возбудителя. Это вызвано противоречивостью требований к трансформатору. С одной стороны, это высоковольтный трансформатор с повышенным рассеиванием и он должен изготовляться по всем правилам высоковольтного трансформаторостроения. С другой стороны, его габариты и стоимость должны быть малы по сравнению с габаритами и стоимостью всей технологической установки, что может быть достигнуто лишь в условиях крупносерийного производства. Такие условия трудно обеспечить при незначительном выпуске изделия. При импульсном питании уменьшаются объем и габариты трансформатора. Кроме того, значительно снижаются требования к его изоляции. Наконец, в качестве импульсного трансформатора T1 могут использоваться изделия, выпускаемые серийно в других отраслях промышленности, в частности катушки зажигания батарейной системы зажигания двигателей внутреннего сгорания (бобины). Эти изделия выпускаются большими сериями, рассчитаны на тяжелые условия работы и обладают высокой надежностью.

Важным достоинством систем импульсного питания является отсутствие высокого напряжения промышленной частоты, опасного для жизни обслуживающего персонала. При непрерывном питании возбудитель принадлежит к классу устройств с напряжением выше 1000 В, что значительно затрудняет его ремонт и настройку; при импульсном питании возникающее высокое напряжение не опасно для жизни из-за малой длительности его действия - возбудитель относится к классу устройств с напряжением до 1000 В, как и вся сварочная установка. Наконец, еще одним достоинством импульсной системы является простота управления возбудителем, осуществляемого с помощью коммутатора. В частности, в цепь управления коммутатором может быть включено пороговое устройство, отключающее возбудитель после зажигания дуги.

Накопитель может быть как емкостным (конденсатор C_н), так и электромагнитным (дроссель). В первом случае перекачка энергии происходит при замыкании цепи разряда накопителя (коммутатор - тиристор VS2), необходим импульсный трансформатор для повышения напряжения; во втором - энергия перекачивается при разрыве цепи накопителя, в качестве накопителя может использоваться сам импульсный трансформатор. На таком принципе работает система батарейного зажигания двигателей внутреннего сгорания. Системы с емкостным накопителем существенно надежнее электромагнитных.

Высокочастотный генератор (разрядник FV, конденсатор C_г и первичная обмотка трансформатора высокой частоты TV2) находится, как правило, на стороне высокого напряжения. В противном случае необходимо было бы трансформировать высокочастотное напряжение до высокой величины. При этом выходное сопротивление возбудителя определялось бы внутренним сопротивлением трансформатора, вторичная обмотка которого должны была бы иметь большое число витков ( не менее нескольких десятков). В то же время сопротивление шунтирующих дуговой промежуток цепей (низковольтный источник питания дуги) не может быть слишком большим. Обычно для увеличения этого сопротивления высокочастотному току возбудителя применяется защитный дроссель, включаемый последовательно в цепь дуги. Падение напряжения на дросселе от тока дуги (постоянного или низкочастотного) должно быть мало по сравнению с дуговым напряжением (доли вольта), и, следовательно, активное сопротивление дросселя должно быть малым (сотые или тысячные доли Ома); в то же время на высокой частоте сопротивления дросселя должно быть не менее чем на порядок выше выходного сопротивления возбудителя на этой частоте (составляющего обычно несколько кОм). При таких требованиях добротность дросселя должна быть недостижимо высока (порядка 10⁸ - 10⁹). Достижимая добротность на шесть порядков ниже.

Другая причина того, что почему высокочастотный генератор должен находиться на стороне высокого напряжения, заключается в необходимости иметь возможность после пробоя передать в дуговой промежуток большую энергию за короткое время (большую мощность) для создания преддуговой проводимости. Высокую мощность в дешевом устройстве проще всего можно получить при наличии накопителя на стороне высокого напряжения.

Высокочастотные генераторы высокого напряжения выполняются обычно на разрядниках (искровые генераторы). Искровые генераторы обладают существенными недостатками. Они генерируют широкий спектр частот, что мешает эффективно подавлять помехи, посылаемые обратно в питающую сеть; колебания в контуре генератора затухают из-за потерь в разряднике. Однако по дешевизне, простоте конструкции, КПД и надежности искровые генераторы не имеют конкурентов. Следует отметить также, что при пробое дугового промежутка возникает искровой разряд, являющийся мощным источником помех в широком диапазоне частот, так что замена искрового генератора каким-либо другим (с более стабильной частотой) мало изменяет общий уровень помех.

Напряжение, образующееся на индуктивном элементе колебательного контура высокочастотного генератора, должно быть приложено к дуговому промежутку (ДП). По тому, как осуществляется ввод напряжения в цепь дуги, различаются возбудители параллельного и последовательного включения.

В первом случае колебательный контур изолируется от цепи дуги с помощью фильтра низких частот, защищающего элемент контура от протекания больших токов от источников питания дуги. Обычно для этой цепи используется проходной конденсатор небольшой емкости C_п, имеющий большое полное сопротивление для тока промышленной частоты и малое - для высокочастотного тока. Источник питания дуги должен быть защищен от воздействия высокого напряжения. Для этой цели служит фильтр высоких частот. Обычно применяется Г-образный индуктивно-емкостный фильтр, состоящий из высокочастотного дросселя (воздушного или с ферритовым сердечником) и конденсатора (в состав осциллятора ОСП3 не входит). Дроссель включается в цепь дуги последовательно, и его обмотка рассчитана на прохождения полного тока дуги. Конденсатор фильтра включается параллельно источнику питания дуги. Для эффективной защиты источника питания необходимо, чтобы на частоте возбудителя сопротивления дросселя было намного больше сопротивления конденсатора. Для этого, в частности, должны быть малы паразитные параметры дросселя и конденсатора: емкость между обмоткой и корпусом в дросселе и собственная индуктивность конденсатора. Первое достигается специальным исполнением дросселя, а второе - применение малоиндуктивных конденсаторов или параллельным включением конденсаторов двух типов: высокоиндуктивного большой емкости (например, металлобумажного с L?200 нГн) и безиндуктивного (например, слюдяного или керамического с L?5 нГн) малой емкости. Провода, соединяющие защитный конденсатор с зажимами источника питания дуги, должны иметь небольшую длину (небольшую собственную индуктивность).

Фильтр высоких частот служит нагрузкой для высокочастотного генератора возбудителя. Поэтому его полное сопротивление должно быть значительно выше выходного полного сопротивления возбуждения. При большом сечении обмотки дросселя этого трудно достигнуть. Учитывая это, более целесообразно применять последовательное включение возбудителя. В этом случае катушка индуктивности колебательного контура генератора L_ф или вторичная обмотка высокочастотного трансформатора включается в цепь последовательно. Источник питания шунтируется конденсатором большой емкости. Требования к конденсатору аналогичны к требованиям конденсатора с фильтром высоких частот. Требования же к катушке индуктивности контура значительно снижены по сравнению с требованиями к дросселю фильтра; степень защиты и нагрузка генератора не зависят от индуктивности дросселя. Фильтр низких частот в этом случае не нужен вовсе.

Возбудитель последовательного включения более эффективен, чем возбудитель параллельного включения. В первом в дуговом промежутке после пробоя выделяется почти вся энергия, накопленная в колебательном контуре генератора (небольшая часть ее расходуется в шунтирующем конденсаторе), во втором значительная часть энергии расходуется в фильтрах высоких и низких частот, часть энергии расходуется на внутреннем сопротивлении контура. Важным достоинством возбудителей последовательного включения является то, что они не требуют установки в цепи источника питания дополнительных элементов для защиты от высокого напряжения (конденсатор защиты обычно включается в состав возбудителя), в то время как возбудители параллельного включения нуждаются в отдельном фильтре высоких частот.

2.КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЗБУДИТЕЛЕЙ

Важнейшими выходными параметрами возбудителя являются выходное напряжение, энергия импульса и ток возбуждаемой дуги.

По выходному напряжению различаются возбудители на 3-5 кВ для аргонодуговой сварки и на 10-20 кВ для воздушно-плазменной резки.

Анализ существующих осцилляторов показывает, что энергия импульса в них изменяется от 0,01 до 0,2 - 0,3 Дж. В возбудителях последних лет энергия импульса доведена почти до 1 Дж. Этот параметр определяет возможности возбудителя и требования к источнику питания дуги. Возбудители с малой энергией импульса (до 0,2 Дж) не обеспечивали возбуждения дуги в установках для воздушно-плазменной резки и плазменной сварки в углекислом газе.

По току возбуждаемой дуги маркируются возбудители последовательного включения или защитные дроссели возбудителей параллельного включения. Возбудители, предназначенные для возбуждения вспомогательной дуги в плазменных установках, рассчитаны, как правило, на малый действующий ток дуги (до 10 А с учетом ПН). Возбудители для возбуждения основной дуги должны вписываться по току в ряд номинальных токов сварочных установок (обычно 200, 315 и 500 А при ПН=60%).

По конструктивному исполнению различаются возбудители переносные, встраиваемые и универсальные. Как правило, переносные возбудители стремятся изготовлять в виде моноблочного прибора (ОСП3-2М, ВИР-101), для встроенных, наоборот, характерно многоблочное исполнение. Универсальные возбудители, предназначенные как для переноски, так и для размещения внутри шкафов управления технологической установкой, выполняются в виде 1-2 блоков.

Промышленность выпускает несколько различных типов возбудителей дуги. Для сварки выпускаются осциллятор типа ОСПП3-300-М и возбудитель УПД-1 для последовательного включения и осциллятор ОСП3-2М для параллельного включения. Осцилляторы ОСПП3 и ОСП3 принадлежат к возбудителям, питающимся от сети переменного тока 220 В, с непрерывным питанием, с искровым высокочастотным генератором. Технические данные этих возбудителей приведены в табл. 1.

Устройство поджига дуги УПД-1 представляет собой импульсный возбудитель, генерирующий импульсы с частотой 100 Гц. Его важной особенностью является отсутствие коммутатора (разрядника) на стороне высокого напряжения, где контур возбуждается методом ударного возбуждения. Важным результатом этого является низкий уровень помех, создаваемых этим устройством.

Для плазменной резки выпускаются модификация возбудителя УПД-1 и возбудитель ВИР-101. Последний принадлежит к типу возбудителей с питанием непосредственно от цепи дуги постоянного тока и автоматически прекращает работу после возбуждения.

Генерация высокого напряжения в нем осуществляется путем разряда емкостного накопителя через импульсный трансформатор; на стороне высокого напряжения размещен высоковольтный искровой генератор. Его технические данные приведены в табл. 1.

Осциллятор ОСП3-2М (рис. 1.) является типичным осциллятором непрерывного действия, предназначенным для параллельного подключения. Осциллятор питается от сети переменного тока через предохранитель F1, помехозащитный фильтр (ПЗФ). Источником высокого напряжения служит трансформатор низкой частоты TV1.

Разрядник FV, конденсатор C_р и первичная обмотка трансформатора высокой частоты образуют колебательный контур высокочастотного генератора. Проходной конденсатор C_п образует фильтр низких частот. Предохранитель F2 защищает обмотку трансформатора TV2 при пробое конденсатора C_п.

Возбудитель ВИС-501 и ВИР-101 (рис. 2.) представляют собой устройства для возбуждения дуги постоянного тока, питающиеся от цепи дуги через предохранитель F.

Резисторы R1, R2, конденсатор C и диодный тиристор (динистор) VS1 образуют релаксатор, при срабатывании которого конденсатор C разряжается через управляющую цепь тиристора VS2.

При этом тиристор открывается и разряжает через первичную обмотку импульсного трансформатора T1 заряженный через дроссель L и диод VD накопительный конденсатор C_н. Разрядник FV, конденсатор C и дроссель L_ф образуют генератор высокой частоты; конденсатор C_ф совместно с дросселем L_ф образуют фильтр высоких частот.

Для возбуждения и стабилизации горения дуги переменного тока выпускается возбудитель-стабилизатор дуги ВСД-01.

3.СТАБИЛИЗАТОРЫ ГОРЕНИЯ ДУГИ

Стабилизатор горения дуги является необходимым элементом оборудования для дуговой сварки неплавящимся электродом на переменном токе промышленной частоты.

Его задача - обеспечение повторного возбуждения дуги при смене полярности с прямой на обратную. Требования к стабилизатору определяются необходимостью перехода разряда из тлеющего в дуговой через стадию аномального тлеющего разряда. Стабилизатор должен генерировать импульсы достаточной энергии и длительности, чтобы обеспечить повторное возбуждение дуги. Стабилизатор, кроме того, не должен быть опасен для сварщика и оборудования. Обычно амплитуда импульса напряжения стабилизатора достигает 400-600 В. На это напряжение должны быть рассчитаны все элементы, присоединенные к сварочной сети, в том числе и полупроводниковые, например тиристоры.

Активными называют стабилизаторы, в которых энергия импульса накоплена в каком-либо накопителе (индуктивном или емкостном) и вводится в цепь дуги по команде управляющего устройства. В пассивных стабилизаторах импульс генерируется за счет процессов, происходящих в цепи дуги.

Практическое распространение получили лишь стабилизаторы активного типа. По тем же причинам, что и для возбудителей, широко применяются стабилизаторы с емкостным накопителем.

Важнейшей частью стабилизатора является схема управления моментом генерации импульса. Импульс стабилизатора должен генерироваться после смены полярности дугового напряжения с некоторой задержкой, определяемой временем развития тлеющего разряда. Возможны два пути генерирования 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. Он позволяет выделить импульс тогда, когда он необходим, т.е. при формировании аномального тлеющего разряда. 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. Обычно вводится задержка 60-100 мкс, которая вместе с запаздыванием срабатывания коммутаторов обеспечивает необходимое запаздывание импульса.

Стабилизаторы, как правило, являются частью установок для сварки на переменном токе и отдельно не выпускаются.

В сборных постах для стабилизации используются возбудители дуги - осцилляторы, генерирующие большое число импульсов в полупериод. Генерируемые ими импульсы обеспечивают повторное зажигание дуги, однако задержка в зажигании при этом не контролируется, действующий ток дуги колеблется и качество сварки невысоко. Кроме того, несинхронизированные осцилляторы создают значительные радиопомехи.

Для стабилизатора дуги могут использоваться возбудители-стабилизаторы, управляемые напряжением дуги. К числу таких устройств относится возбудитель-стабилизатор дуги установок УДГ-301 и УДГ-501. Схема возбудителя-стабилизатора представлена на рис. 3.

Он работает в различных режимах при возбуждении и стабилизации. Цепь его коммутатора управляется при сварке напряжением дуги, при возбуждении - напряжением холостого хода. Здесь накопитель C2 заряжается от однополупериодного выпрямителя VD1 через резистор R1 и разряжается либо через первичную обмотку автотрансформатора T1 (при разомкнутом контакте K - холостом ходе источника питания), либо непосредственно на дуговой промежуток (через дроссель L1 и резистор R2) - при дуге (контакт K замкнут коммутатором VS).

При холостом ходе импульс, трансформированный автотрансформатором T1, заряжает конденсатор C1 (высоковольтный накопитель). При выборе разрядника FV возникают колебания в контуре, образованном конденсатором C1 и дросселем L1. Конденсатор C5 служит для защиты источника питания от высокого напряжения. Тиристор управляется от двухбазового диода VT через импульсный трансформатор T2.

На эмиттер двухбазового диода поступает разность напряжений обратной полуволны и стабилитрона VD2 и заряжает конденсатор C4 до срабатывания диода VT. При резкой смене напряжения (в пик зажигания) напряжение поступает через конденсатор C3, что обеспечивает своевременное выделение импульса при сварке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Осцилляторы для сварки, благодаря своим свойствам, широко используются в оборудовании для работ с цветным металлом. Когда требуется наложить шов на нержавейку, алюминий, или медь, то применение осциллятора позволяет быстро возбудить дугу и начать сварку, вместо утомительного постукивания и чирканья об изделие электрода.

Осциллятор сварочный применяется еще и для работы с тонкими листами металлов. Как правило, ток инвертора в таких случаях выставляется на низких значениях, и малейшее удаление конца электрода из сварочной ванны ведет к прерыванию дуги. Внедрение в схему осциллятора позволяет стабилизировать электросварку в работе на малых токах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Браткова О.Н. Источники питания сварочной дуги. М.: Высшая школа, 1982. - 182 с.

2. Оборудование для дуговой сварки. Справочное пособие / Под ред. В.В. Смирнова. Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 380 с.

3. Александров А.Г., Заруба И.И., Пиньковский И.В. Источники питания для дуговой и электрошлаковой сварки. Справочное пособие. Днепропетровск: Проминь, 1976. - 156 с.

Размещено на Allbest.ru