О. Н. БРАТКОВА
ИСТОЧНИКИ
ПИТАНИЯ
СВАРОЧНОЙ
ДУГИ
Допущено
Министерством высшего и среднего
специального ^Образования СССР
в качестве учебника для студентов вузов,
обучающихся по специальности
«Оборудование и технология
сварочного производства»
МОСКВА «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1982
Издательство
«Высшая школа»
выпустит в свет в 1982 году
для студентов вузов, обучающихся по специальности
«Оборудование и технология
сварочного производства»,
следующие учебные пособия:
Николаев Г. А., Куркин С. А., Винокуров В. А. Свар-
ные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации
конструкций: Учеб, пособие. — 22 л. ил. — В пер.: 1 р. 10 к.
В данной книге рассмотрены вопросы прочности и пластичности
сварных соединений в условиях низких и высоких температур при
статических и переменных нагрузках, методы расчета их на проч-
ность, а также деформации конструкций от сварки.
Николаев Г. А., Куркин С. А., Винокуров В. А. Свар-
ные конструкции. Технология изготовления. Автоматизация произ-
водства и проектирование сварных конструкций: Учеб, пособие.—
28 л., ил. — В пер.: 1 р. 30 к.
В книге рассмотрены конструктивные особенности различных
типов сварных изделий, вопросы технологии и изготовления, рас-
четы и проектирование, а также вопросы автоматизации, производ-
ства и проектирования.
УВАЖАЕМЫЕ ЧИТАТЕЛИ!
Издательство «Высшая школа» выпускает учебники, учебные
и методические пособия, плакаты. Подробнее познакомиться с учеб-
ной литературой вам поможет аннотированный план выпуска ли-
тературы на 1982 год (вузы и техникумы), который имеется в книж-
ных магазинах.
Предварительные заявки на книги вы можете сделать в мага-
зинах Книготорга или потребительской кооперации.
ББК 34.641
Б87
УДК 621.791 (075.8)
Рецензенты:
кафедра технологии сварочного производства
Ленинградского политехнического института
(зав. кафедрой проф. Г. Л. Петров),
акад. АН УССР В. К. Лебедев
Браткова О. Н»
Б87 Источники питания сварочной дуги: Учебник. — М.:
Высш, школа, 1982.— 182 с., ил.
40 к.
Изложены принцип действия и свойства источников питания дуговой
сварки плавящимся и неплавящимся электродами. Обобщены современные
требования к источникам, обусловленные свойствами сварочной дуги и кон-
кретными физическими условиями при данном виде сварки. Рассмотрены
 источники питания общепромышленного и специализированного назначения,
выпускаемые отечественной промышленностью.
Предназначается для студентов вузов, обучающихся по специальности
«Оборудование и технология сварочного производства».
2704060000—194
Б --------------— 71—82
001(01)—82
ББК 34.641
6П4.3
© Издательство «Высшая школа», 1982
ПРЕДИСЛОВИЕ
Курс «Источники питания сварочной дуги» непрерывно изменя-
ется в связи с развитием техники сварки и с широким внедрением
в электротехнические устройства магнитных элементов и полупро*
водниковых приборов, создающих условия для более легкого осу-
ществления требований, предъявляемых к источникам технологией
сварки.
Настоящий учебник предназначен для студентов вузов, обучаю-
щихся по специальности «Оборудование и технология сварочного
производства».
При написании учебника учитывалось, что, приступая к изуче-
нию источников питания для дуговой сварки, студенты уже знако-
мы с технологией дуговой сварки, теоретическими основами сварки,
физико-химическими процессами в дуговом разряде, электротехни-
кой и электроникой. С другой стороны, учитывая, что для понимания
физических явлёний в источниках питания и принципа действия ис-
точников знания студентов специальности 0504 по курсам электро-
техники и электроники оказываются недостаточными, автор счел
необходимым рассмотреть теоретические основы работы трансфор-
маторов с усиленными магнитными полями рассеяния и дросселей
насыщения в режимах свободного и вынужденного намагничивания,
а также некоторые другие вопросы. В связи с этим возникла необ-
ходимость более глубокого рассмотрения работы магнитных эле-
ментов, выпрямителей и усилителей на полупроводниковых прибо-
рах, необходимость описания работы трехфазной схемы выпрямле-
ния с учетом индуктивностей в анодных цепях. Учитывалось, что
расчет и проектирование источников питания для дуговой сварки в
функции инженера-сварщика не входят, поэтому расчеты источни-
ков в пособие не включены.
В книге сделана попытка рассмотреть систематизированно ис-
точники питания сварочной дуги, выпускаемые серийно отечествен-
ной промышленностью, а также планируемые к выпуску.
Электрические схемы большинства источников питания для ду- '
говой сварки достаточно сложны. Поэтому для описания принципа
действия ряда источников автор использовал функциональные
блок-схемы, с помощью которых удалось доступнее объяснить наз-
начение и функции отдельных блоков (частей) электрических схем.
Значительное внимание в книге уделено сварочным выпрями-
тельным установкам как перспективным источникам питания. В от-
дельную главу вынесено описание специализированных источников
питания для сварки изделий из легких сплавов, сварки особо тонких
изделий, сварки и резки сжатой дугой.
3
В книге широко использованы результаты исследований, прове-
денных многими советскими учеными, аспирантами и инженерами
за последние годы в ряде научно-исследовательских организаций,
на кафедрах учебных заведений, а также в лабораториях предприя-
тий, выпускающих электросварочное оборудование. Использованы
материалы статей, опубликованных в журналах «Автоматическая
сварка», «Сварочное производство», «Электротехника» и др., в сбор-
никах научных трудов вузов, в сборниках докладов на научных
симпозиумах, конференциях, семинарах и т. д., а также результаты
исследований, проведенных рядом соискателей при работе над док-
торскими и кандидатскими диссертациями (Э. Д. Гладков,
Л. Н. Гольдфарб, С. А. Диржис, Н. Г. Дюргеров, Б. А. Дьячков,'
М. И. Закс, И. И. Заруба,. Б. Л. Ибатуллин, И. И. Каросас,
Г. М. Каспржак, М. Л. Катрушенкова, Н. П. Корицкий, А. И. Лау-
жадис, В. Р. Лепп, И. А. Ломов, И. Р. Нарушкявичус, В. А. Троиц-
кий, Е. С. Федер, В. С. Хаустов, С. Б. Шилинскас, 9. М. Эсибян,
В. М. Ямпольский и др.). Автор приносит глубокую благодарность
всем лицам и организациям, благодаря помощи которых стало
возможным обобщить и изложить в книге достижения советской
науки и техники в области источников питания для дуговой сварки.
Автор
ГЛАВА 1
СВОЙСТВА СВАРОЧНОЙ ДУГИ
И ТРЕБОВАНИЯ К ИСТОЧНИКАМ ПИТАНИЯ
ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ
§ 1. Общие сведения
Использование дугового разряда для сварки. Одним из видов
сварки для осуществления неразъемных соединений металлических
изделий является дуговая сварка, при которой для плавления ме-
таллов используется энергия электрического дугового разряда, воз-
буждаемого и поддерживаемого в пространстве между электродом
и изделием. Энергию для поддержания дугового разряда доставляет
источник питания. Исходя из конкретных условий, связанных со
свойствами свариваемых металлов, конструкции изделий, требова-
ний к качеству сварного шва применяется тот или иной способ
сварки и тот или иной источник питания переменного или постоянно-
го тока, обладающий свойствами, удовлетворяющими требованиям
технологии. Для источника питания дуга является нагрузкой. Про-
странство между электродом и изделием, где создается дуговой
разряд, в дальнейшем будем называть разрядным или межэлектрод-
ным промежутком. От источника питания к этому промежутку под-
водится напряжение. В зависимости от знака потенциала, подведен-
ного от источника, изделие или электрод выполняют функции анода
или катода.
При подведении напряжения к разрядному промежутку в нем
создается электрическое поле. Электрическая проводимость разряд-
ного промежутка до возникновения электрического разряда равна
нулю. Для его возникновения необходимо, чтобы в созданном элект-
рическом поле имелись свободные электроны, которые, двигаясь
ускоренно под действием сил поля к аноду, будут ионизировать га-
зовую среду разрядного промежутка. Для получения свободных
электронов осуществляют первоначальное возбуждение (зажига-
ние) дуги, что достигается либо контактным способом при сварке
плавящимся электродом, либо бесконтактным с помощью осцилля-
тора при сварке неплавящимся электродом.
Качество сварного шва зависит как от количества энергии, по-
ступающего от источника питания в зону сварки, так и от закона
изменения этой энергии во времени. Электрическая проводимость
разрядного промежутка определяется расстоянием между электро-
дом и изделием и целым рядом факторов, связанных с физическими
условиями при данном способе сварки: свойствами газовой среды,
химическим составом свариваемых изделий и электрода, давлением,
от которого зависит плотность окружающего газа, и т. д. При этом
5
свариваемые изделия отличаются толщиной и конструкцией, прост-
ранственное положение места соединения изделий также может
быть различно. Различны и требования к качеству сварного соеди-
нения и к структуре металла шва.
Исходя из конкретных требований и степени автоматизации про-
цесса применяется тот или иной способ сварки и соответствующий
ему источник переменного или постоянного тока.
Современные источники питания для дуговой сварки получают
энергию либо в виде механической энергии от двигателя (асинхрон-
ного или внутреннего сгорания), либо в виде электрической энергии
от трехфазной сети. Если сварка производится переменным током',
то электрическая энергия, получаемая от сети, преобразуется с по-
мощью трансформатора источника питания в электрическую энер-
гию другого напряжения, которое подводится к разрядному проме-
жутку. Если сварка производится выпрямленным током, то энергия
поступает из сети через трансформатор, входящий в состав свароч-
ного выпрямителя, и выпрямленное напряжение подводится к раз-
рядному промежутку.
В процессе сварки в энергетической системе источник питания —
сварочная дуга — ванна возникают возмущения, причинами которых
являются изменения длины дуги, колебания напряжения сети, изме-
нения скорости подачи электродной проволоки, а также изменения
физических условий в разрядном промежутке. При возмущениях
изменяются напряжение на дуге и сварочный ток, что приводит к
нарушению установившегося процесса сварки. Это отражается на
глубине проплавления, геометрических размерах шва и структуре
металла сварного соединения.
Изменение проводимости разрядного промежутка вызывает в
системе источник питания — дуга — ванна переходные процессы. Во
время переходных процессов происходит преобразование энергии
электрического поля в энергию магнитного поля, а также обратное
преобразование, сопровождающееся выделением тепла в резистив-
ных сопротивлениях цепей. Характер переходных процессов и ско-
рость их протекания зависят от свойств источника энергии, парамет-
ров сварочного контура, физических условий в разрядном проме-
жутке и гидродинамических явлений в ванне.
В сварочной технике применяется как дуга непрерывного горе-
ния (стационарная), так и импульсная дуга. Длительность сущест-
вования дуги непрерывного горения намного больше времени проте-
кания переходных процессов, вызываемых возмущениями, поэтому
изменения проводимости разрядного промежутка незначительны и
напряжение на дуге, а следовательно, и сварочный ток изменяются
мало. Практически их можно считать в процессе сварки постоян-
ными.
Если изменение проводимости разрядного промежутка произйо-
дится во времени по определенной программе, которая осуществля-
ется путем наложения на стационарно горящую дугу импульсов
напряжения, создаваемых источником питания, то такая дуга на-
зывается импульсной. При сварке импульсной дугой осуществляется
6
Рис. 1.1. Цилиндрическая
каналовая модель сварочной
дуги:
dK — диаметр катодного пятна;
dCT — диаметр столба дуги;
da — диаметр анодного пятна
программное тепловложение в место соединения изделий за счет
циклического изменения величины сварочного тока; при этом созда-
ются благоприятные условия для капельного переноса металла.
Источник питания для сварки импульсной дугой должен позво-
лять регулировать амплитуду импульса тока, его длительность, дли-
тельность пауз между импульсами. Управление процессом переноса
металла создает условия для снижения разбрызгивания металла.
Физические явления, протекающие
в сварочной дуге. Впервые дуговой раз-
ряд обнаружил и описал русский уче-
ный В. В. Петров (1802). Исследова-
нию процессов, протекающих при ду-
говом разряде и, в частности, в сва-
рочной дуге, посвящено много исследо-
вательских работ как в СССР, так и
за рубежом. В пространстве между из-
делием и электродом, где горит дуга,
протекают весьма сложные физико-хи-
мические и электромагнитные процес-
сы, трудно исследуемые как теоретиче-
ски, так и экспериментально. Обще-
принятой теории сварочной дуги, осо-
бенно с плавящимся электродом, до се-
го времени нет.
Сварочную дугу принято изобра-
жать графически в виде цилиндра или
усеченного конуса, опирающегося боль-
шим основанием на изделие. Для рас-
смотрения строения дуги в данном пособии принято изображение
сварочной дуги в виде цилиндра — так называемая каналовая мо-
дель (рис. 1.1) *. В осевом направлении различают: столб дуги —
ее центральную часть, имеющую длину /ст порядка десятых долей
сантиметра и температуру порядка шести и более тысяч градусов;
приэлектродные области — катодную и анодную. В приэлектродных
областях происходит снижение температуры столба дуги до тем-
ператур плавления и кипения металла изделия и электрода или до
необходимой температуры нагрева конца электрода при сварке не-
ллавящимся электродом. Приэлектродные области (1К и 1а) имеют
длины, порядка (10-5—10-3) см. Обнаружены эти области экспе-
риментально; ввиду их малой протяженности за длину дуги при-
нимают длину столба дуги, т. е. считают, что /Д~/Ст-
Столб дуги — это ионизированный газ, содержащий нейтральные
атомы и молекулы газов и паров, свободные электроны и положи-
тельные ионы, возникающие при ионизации газа. При обычно при-
меняемых способах дуговой сварки число отрицательных ионов нич-
тожно мало. Столб дуги является анизотропной средой, свойства
* На рис. 1.1 и последующих сварочный электрод обозначен Э, свариваемое
изделие — И.
7
которой (температура, напряженность электрического поля, элект-
рическая проводимость, давление и др.) в осевом и в радиальном
направлениях различны. Дуговой разряд является устойчивым
электрическим порядком — он может существовать длительное вре-
мя, пока условия, при которых горит дуга, не будут нарушены ка-
ким-либо возмущением.
В столбе дуги наблюдаются две формы движения заряженных
частиц: хаотическое тепловое и упорядоченное движение под дейст-
вием сил электрического поля. Упорядоченное движение свободных
электронов обусловливает электронную составляющую тока дуги, а
положительных ионов — ионную составляющую тока. Электронная
составляющая тока дуги в сотни раз больше ионной. Обе составля-
ющие тока создают свои магнитные поля. Сварочным током / счита-
ют ток проводимости, обусловленный упорядоченным движением
свободных электронов, а магнитным полем дуги — поле, создавае-
мое этим током.
Под действием сил электрического поля свободные электроны,
ускоряясь, движутся к аноду, а положительные ионы, скорость ко-
торых значительно меньше вследствие их большей массы, — к ка-
тоду, где благодаря разным скоростям свободных электронов и по-
ложительных ионов образуется пространственный (объемный) по-
ложительный заряд. Ионизация газа столба дуги происходит за
счет неупругих столкновений свободных электронов с нейтральными
частицами газа. При столкновении и ионизации свободные электро-
ны теряют часть своей кинетической энергии. Если кинетическая
энергия свободного электрона недостаточна для ионизации, то про-
исходит возбуждение нейтральной частицы, которая затем возвра-
щается в исходное нейтральное состояние, если не произойдет ново-
го столкновения со свободным электроном и не наступит ионизация.
В столбе дуги наблюдается ступенчатая ионизация. Энергией, кото-
рую передают движущиеся положительные ионы нейтральным час-
тицам газа при столкновениях, вследствие малой плотности ионного
тока пренебрегают. Столб дуги не создает своего электрического
поля, так как в единице объема ионизированного газа одинакова
концентрация отрицательно и положительно заряженных частиц.
Столб дуги считают квазинейтральным. Степень ионизации газа в
столбе дуги составляет несколько процентов. Такой ионизированный
газ называется низкотемпературной плазмой. Степень ионизации
газа определяется температурой нейтрального газа, потенциалами
ионизации Vi и возбуждения Ув компонентов смеси газов и паров
межэлектродного промежутка. Компоненты смеси газов и паров
веществ, имеющие более низкий потенциал ионизации, такие, напри-
мер, как калий, кальций и др., ионизируются в большей степени.
Как известно из физики и электротехники, ток проводимости I
является скалярной величиной, условное положительное направле-
ние которой выбирается, а значение определяется по формуле
/=К di,
5
(1.1)
8
где 6 — вектор плотности тока проводимости (рис. 1.2); ds — вектор
элемента ds поверхности S (перпендикулярный ей), через которую
проходят частицы, несущие заряд q. За условное положительное
направление тока проводимости / в проводящей среде, как извест-
но, принято направление, противоположное направлению движения
свободных электронов. Вследствие этого в столбе дуги движение
свободных электронов под действием сил электрического поля и ус-
ловное положительное направление тока проводимости / противо-
положны.
Между векторами плотности тока 6 и напряженности электриче-
ского поля Е в данной точке межэлектродного промежутка сущест-
вует зависимость, которая представляет собой закон Ома, записан-
ный в дифференциальной форме:
8 = уЁ,	(1.2)
Рис. 1.2. Взаимное
расположение векто-
ра ds и вектора плот-
ности тока проводи-
мости б
где у — удельная проводимость среды. Для линейных изотропных
сред у постоянна во всех точках электрического поля, и векторы 6
и Е совпадают по направлению. Если между изделием и электродом
среда анизотропная и уconst, то 6, у и Е — тензорные величи-
ны [7].
Плотность тока в столбе дуги практически
вычислить затруднительно, так как для этого
необходимо учитывать большое число взаимо-
зависящих физико-химических факторов. На-
пряженность электрического поля в столбе ду-
ги Ест невысока — порядка 10—35 В/см. Это
объясняется высокой проводимостью столба
дуги. Измерить длину столба дуги при сварке
плавящимся электродом практически невоз-
можно. Часть дуги погружена в кратер ванны,
длина дуги непрерывно изменяется вследствие
переноса капель через разрядный промежуток,
и понятие «длина» дуги — чисто условное.
В при электродных областях протекают процес-
сы, трудно исследуемые не только теоретиче-
ски, но и экспериментально. Напряженности
электрического поля Е1; и Еа в приэлектрод-
ных областях вследствие появления там при горении дуги простран-
ственных (объемных) зарядов значительно больше, чем в столбе
дуги, и могут достигать значений порядка (1—2) -106 В/см.
Распределение потенциалов по длине дуги. На рис. 1.3 приведен
график, отражающий качественную картину распределения потен-
циалов по длине дуги, горящей в воздухе при ручной дуговой сварке.
Величины потенциалов для построения графика определяются
экспериментальным путем (существуют разработанные методы экс-
периментального определения потенциалов, например метод зонди-
9
Рис. 1.3. График распределения по-
тенциалов по длине дуги
рования; эти методы в данной книге не рассматриваются). Харак-
терным для графика является то, что в приэлектродных областях,
наблюдаются резкие изменения потенциалов по сравнению с изме-
нением потенциалов в столбе дуги. Это объясняется различием фи-
зических процессов, протекающих, в этих областях и в столбе дуги.
Напряжение на дуге ик есть сумма разностей потенциалов в анод-
ной области иа, в столбе дуги пст и в катодной области ик:
Ид=:йа-|-йст-|-йк.
Ионизированные потоки газа в разрядном промежутке. На про-
цессы, протекающие в разрядном промежутке при горении свароч-
ной дуги, значительное влияние
оказывают потоки ионизирован-
ного газа, называемые плазменны-
ми. Они возникают у активных пя-
тен и направлены в сторону стол-
ба дуги. Появление этих потоков
связано с интенсивным испарени-
ем материалов электрода и из-
делия. Потоки, направленные
встречно, взаимодействуют и да-
ют результирующий плазменный
поток в дуге. Плазменные потоки
возникают в дугах как с плавя-
щимся, так и с неплавящимся
электродом, как в воздухе, так и
в среде защитного газа; вообще
возникновение плазменных пото-
ков типично для сварочных дуг.
Плазменные потоки кроме
нейтральных атомов испаряющегося материала электрода и изде-
лия содержат заряженные частицы ионизированного газа. Возни-
кая у активных пятен, плазменные потоки хаотично перемещаются
в пространстве, поскольку сами активные пятна хаотично переме-
щаются по поверхности электрода и изделия. Хаотичное перемеще-
ние плазменных потоков в пространстве усиливают анизотропию
разрядного промежутка. Скорость перемещения плазменных пото-
ков порядка 105 см/с. Эта скорость на 1—2 порядка ниже скорости
упорядоченного движения электронов. Плазменные потоки не ока-
зывают влияния на скорость движущихся свободных электронов.
Скорость положительных ионов соизмерима со скоростью плазмен-
ных потоков и поэтому ионы увлекаются плазменными потоками,
что оказывает влияние на состояние объемных зарядов в приэлек-
тродных областях. Это сказывается на величинах напряженностей
электрического поля в приэлектродных областях, на распределе-
нии потенциалов и в конечном счете на условиях, в которых горит
дуга, а следовательно, на ее устойчивости. Особенно заметное влия-
ние оказывают плазменные потоки на процесс сварки плавящимся
электродом. Потоки воздействуют на относительно медленно пере-
10
мешающуюся каплю жидкого металла, вызывают ее отбрасывание
и увеличивают потери металла на разбрызгивание.
Магнитное поле сварочной дуги. Как известно из физики и
электротехники (2, 3], при движении заряженных частиц в твердом,
жидком или газообразном проводнике в окружающей среде возни-
кает магнитное поле. Магнитным полем сварочной дуги принято счи-
тать магнитное поле, созданное упорядоченным движением частиц
с зарядом q, который по абсолютной величине равен заряду элект-
рона |?| = 1?эл|, т. е. магнитное поле дуги — это поле, созданное в
разрядном промежутке током проводимости. На движущиеся в маг-
нитном поле дуги заряженные частицы действуют механические си-
лы. Сила F, действующая на частицу с зарядом q, определяется вы-
ражением
(1.4)
где v — вектор скорости движущейся частицы в точке т электриче-
ского поля разрядного промежутка; В—вектор магнитной индук-
ции магнитного поля дуги в той же точке т; [иВ] — векторное произ-
ведение векторов v и В. Абсолютное значение силы F равно [2]
F^q'vB sin а,	(1.5)
где а — угол между векторами v и В, a q — заряд движущейся час-
тицы. Направление вектора В лежит в плоскости, перпендикулярной
направлению тока проводимости I дуги, а направление вектора ско-
рости v зависит от направления вектора напряженности электриче-
ского поля Е в точке, через которую проходит частица, несущая
заряд q. Из (1.5) следует, что при а=0 F=0, а при а=л/2, когда
векторы v, В и Е взаимно перпендикулярны, E=FMaKc. При а—л
Е=0, а при а>л вектор F изменяет направление. Большое значение
для величины и направления вектора F имеет конфигурация элек-
трического поля в разрядном промежутке, так как направление век-
тора v определяется направлением вектора Е, совпадающим с ка-
сательной к силовой линии электрического поля. Величина силы F
определяется значениями напряженностей электрического и магнит-
ного полей и зависит от параметров среды, т. е. от физических
условий межэлектродного промежутка. По известному из электро-
техники мнемоническому правилу левой руки определяется направ-
ление вектора силы F, действующей в точке т на движущуюся час-
тицу с зарядом q в ионизированном газе столба дуги. Точка т
(рис. 1.4) взята на силовой линии магнитного поля тока I дуги в
плоскости сечения, которое перпендикулярно оси столба дуги. По-
ложительное направление силовой линии магнитного поля связано
11
с направлением тока I правоходовым винтом, что определяет на-
правление вектора магнитной индукции В. Вектор v параллелен оси
столба и совпадает с направлением вектора Е. Между v и В угол
а = л/2. Как видно из рис. 1.4, возникающие силы направлены ра-
диально от наружной поверхности столба дуги к его оси и оказы-
вают сжимающее действие на столб дуги.
Сжимающее действие сил F называют пинч-эффектом (от англ,
глагола to pinch — сжимать). Столб дуги уплотняется, чему проти-
водействует давление. В случае равенства сил сжатия и давления
процессы в столбе протекают в условиях равновесия.
Рис. 1.4. К определению
направления вектора си-
лы F, действующей на
частицу с зарядом q,
движущуюся в столбе
дуги
Рис. 1.5. К определению
направления вектора си-
лы, действующей на ча-
стицу с зарядом q, дви-
жущуюся в жидкой пе-
ремычке
Изменение полярности не изменит направления сил F. По-преж-
нему будет наблюдаться эффект сжатия столба дуги. Это объясня-
ется тем, что при изменении направления вектора напряженности Е
электрического поля в разрядном промежутке изменяется и направ-
ление векторов скорости v и магнитной индукции В.
При сварке плавящимся электродом на конце электрода образу-
ется капля жидкого металла, соединенная с торцом электрода жид-
кой перемычкой, имеющей площадь поперечного сечения Si меньше
сечения S2 капли (рис. 1.5). В этих условиях происходит искривле-
ние силовых линий электрического поля по отношению к оси столба
дуги. Вектор скорости v частицы с зарядом q, движущейся в раз-
рядном промежутке, составляет в точке т с вектором В угол а=/=
12
=/=л/2. В этом случае вектор силы F, определяемой по правилу ле-
вой руки, имеет две составляющие: радиальную Fpaa и осевую Foc,
которая направлена вдоль оси проводящей среды от меньшего сече-
ния к большему. Сила Foc — это проекция силы /7, которая перпен-
дикулярна вектору скорости и, на линию, лежащую в плоскости, пер-
пендикулярной вектору магнитной индукции В. Благодаря результи-
рующему действию радиальных сил происходит сжатие жидкой пе-
ремычки, соединяющей каплю с торцом электродной проволоки, а
под действием осевых сил происходит перемещение капли вдоль оси
столба дуги. Если свариваемый стык находится на горизонтальной
поверхности, то отрыв капли происходит в основном при взаимо-
действии радиальных и осевых сил, сил поверхностного натяжения
и сил тяжести. Важное значение для переноса расплавленного ме-
талла через разрядный промежуток и для степени разбрызгивания
металла при сварке плавящимся электродом имеет направление сил
F, величины которых зависят не только от сварочного тока и созда-
ваемого им магнитного поля, но и от скорости изменения их во вре-
мени. Если изменяется сварочный ток, то изменяются проводимость
разрядного промежутка и напряжение на дуге. Силы, которые име-
ют значение для переноса металла через разрядный промежуток
при сварке плавящимся электродом, зависят от конкретных физи-
ческих условий в нем — химических свойств электрода, изделия,
среды, толщины изделия, диаметра электродной проволоки, от кон-
фигурации электрического поля, что связано с размерами и распо-
ложением активных пятен на электроде и изделии.
§ 2. Характеристики сварочной дуги
При изучении свойств сварочной дуги и определении требований
к источнику питания для дуговой сварки пользуются понятиями ста-
тических и динамических характеристик сварочной дуги. Рассмот-
рим статические характеристики сварочной дуги.
Зависимость напряжения на дуге от длины дуги. Проводимость
разрядного промежутка, являющегося нелинейным участком свароч-
ного контура, зависит от длины дуги /д и от физических условий, в
которых существует дуга. Как показано выше, /дл/ст. Если ток ду-
ги /=const и неизменны все факторы, влияющие на физические ус-
ловия существования дуги, то зависимость между UR и /д, которые
связаны в этом случае соотношением
(L6>
линейная (рис. 1.6). Действительно, это справедливо для изотроп-
ных сред, в которых у=6ст/Ест = const [см. формулу (1.2)] и SCT =
= const. Заметим, что для малоамперных сварочных дуг (см. ниже)
эта зависимость нелинейна.
13
Зависимость напряжения на дуге от тока дуги. Вольт-амперная
характеристика нелинейного участка сварочного контура, которая
строится по данным эксперимента, представляет собой зависимость
напряжения на дуге UR от тока дуги при данных длине дуги /д, про-
водимости G разрядного промежутка и постоянстве остальных фи-
зических факторов, влияющих на условия существования и горения
сварочной дуги. При проведении эксперимента питание дуги осуще-
ствляется от специального отдельного источника постоянного тока
- Рис. 1.6. Зависимость
напряжения на дуге от
длины дуги при /=const
и у=const в изотропной
среде
с регулируемым выходным напряжением.
Расчеты электрических нелинейных це-
пей производятся, как правило, графо-
аналитическими методами. Для расчета
вводится понятие дифференциального со-
противления [14] нелинейного участка це-
пи (в нашем случае разрядного проме-
жутка, где горит дуга). Дифференциаль-
ное сопротивление равно отношению бес-
конечно малого приращения напряжения
на дуге к бесконечно малому приращению
сварочного тока:
А?(1.7)
диф д/^о д/ а/ '
Форма вольт-амперной характеристи-
ки сварочной дуги отражает свойства ду-
ги данной длины /д, существующей в опре-
деленных физических условиях, которые обусловливают проводи-
мость G разрядного промежутка. Проведение опыта для построения
по его данным вольт-амперной характеристики дуги связано со зна-
чительными трудностями из-за сложности измерения длины дуги
/д и поддержания неизменными физических условий в разрядном
промежутке. Действительно, даже при неизменных напряженности
Е электрического поля в разрядном промежутке и длине дуги /д
физические условия изменяются с изменением тока, так как изме-
няется ряд факторов, оказывающих влияние на физические условия
существования дуги: Получение опытных данных для построения
вольт-амперных характеристик сварочной дуги с неплавящимся
электродом хотя и представляет определенные трудности, но воз-
можно. Длину дуги /д в этом случае можно установить и поддер-
живать во время опыта постоянной при практической неизменности
всех остальных физических условий. Понятие статической вольт-
амперной характеристики для дуги с плавящимся электродом, стро-
го говоря, является несостоятельным, так как в реальных условиях
при горении дуги происходит непрерывное изменение /д в связи с
переносом через разрядный промежуток капель жидкого металла
в ванну на изделии. Даже если этот перенос не сопровождается
замыканием разрядного промежутка каплей, то все же неизбежны
в определенных пределах изменения длину дуги при прохождении
капли в ванну. В этом случае, по-видимому, целесообразно говорить-
14
не об одной характеристике UR=f(I), а о некотором семействе ха-
рактеристик или зоне, ограниченной характеристиками
которые соответствуют предельным значениям проводимостей G
разрядного промежутка данного процесса сварки при неизменности
всех прочих параметров, обусловливающих физические условия су-
ществования дуги.
Статическая вольт-амперная характеристика дает представле-
ние о том, как изменяется в определенных условиях проводимость
бд дугового промежутка длиной /д при изменении величины напря-
жения, подводимого к дуге.
Поскольку напряжение ид на дуговом промежутке есть сумма
разностей потенциалов в приэлектродных областях и в столбе дуги
Рис. 1.7. Вольт-амперные характеристики дуги:
с —падающие; б —жесткие; а — возрастающие; 1 — 1д1, Сд1; 2 — 1Д2, Сд2; для 1 и I
и СД1>ОД2
(1.3), то от характера изменения каждой составляющей в зависимо-
сти от тока при неизменных физических условиях в разрядном
промежутке зависит вид статической вольт-амперной характерис-
тики.
Известны статические вольт-амперные характеристики свароч-
ных дуг трех видов:
падающая — с ростом сварочного тока I UR уменьшается
(рис. 1.7, а);
жесткая — с ростом / UR остается практически неизменным
(рис. 1.7, б);
возрастающая — рост I вызывает увеличение UR (рис. 1.7, в).
Падающие вольт-амперные характеристики имеют свободные
малоамперные дуги, горящие в атмосфере воздуха и в- среде арго-
на при токах от нескольких ампер до 70—80 А. Причиной снижения
напряжения на дуге является уменьшение напряжения столба дуги
Пет- С ростом тока более интенсивно протекает ионизация газа
столба дуги, проводимость столба дуги увеличивается, а площадь
поперечного сечения столба возрастает. Разности потенциалов в
анодной иа и в катодной ик областях практически не зависят от ве-
личины тока, а только от физических условий, в которых существует
дуга. При неизменной длине дуги с ростом тока уменьшается пст и
напряжение на дуге; при этом дифференциальное сопротивление
₽диф<0, так как угол 0Д тупой (рис. 1.7, а).
15
Жесткую вольт-амперную характеристику имеют сварочные дуги
с токами от 80 А и выше при ручной дуговой и механизированной
сварке под флюсом (рис. 1.7, б). С ростом сварочного тока увеличи-
вается площадь столба дуги, в результате чего проводимость раз-
рядного промежутка практически не изменяется. Увеличение тока
с одновременным увеличением площади столба дуги приводит к то-
му, что плотность тока в столбе дуги и напряженность электрическо-
го поля Ест остаются постоянными. Этим объясняется то, что при
постоянстве на и ик напряжение нст практически не зависит от ве-
личины тока. При /д=const напряжение ия с ростом тока не изменя-
ется, ПрИ ЭТОМ /?диф=0.
При механизированной сварке под флюсом, когда диаметр элект-
родной проволоки невелик, плотность тока в электроде несколько
больше таковой при свободной малоамперной дуге, горящей в воз-
духе или в аргоне. Начиная примерно с 300—400 А и выше вольт-
амперная характеристика дуги, горящей под флюсом, становится
пологовозрастающей. На рис. 1.7, б такая характеристика показана
пунктиром. Жесткие и пологовозрастающие характеристики дуги
обычно строят по эмпирической формуле, связывающей напряжение
на дуге с величиной сварочного тока, в которую вводится опытный
коэффициент учитывающий увеличение плотности тока при дан-
ном диаметре электродной проволоки:
^д=^д.расч+$/,	(1.8)
где Пдрасч— расчетное рабочее напряжение. Значения коэффициен-
та £ даются, как правило, в технических описаниях источников пи-
тания.
При сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа
и сжатой дугой в среде аргона неплавящимся электродом вольт-ам-
перная характеристика сварочной дуги крутовозрастающая. С рос-
том сварочного тока напряжение на дуге возрастает, при этом /?диф>
>0 и угол Рд<л/2. Плотность тока бэ в электроде для указанных
способов сварки больше, чем плотность тока при сварке свободной
малоамперной дугой в атмосфере воздуха и в среде аргона, а также
при ручной дуговой сварке и при сварке под флюсом.
Динамическая вольт-амперная характеристика. Зависимость
между мгновенными'значениями сварочного тока и напряжения ду-
ги называют динамической характеристикой дуги. Динамическая
вольт-амперная характеристика дуги строится по данным осцилло-
грамм, полученных с помощью светолучевого осциллографа. Запись
осциллограммы источника питания дуги осуществляется в реальных
условиях его работы; нагрузкой является сварочная дуга. Форма ди-
намической вольт-амперной характеристики определяется в основ-
ном свойствами источника питания. Так, если сварочная дуга при
одинаковых статических вольт-амперных характеристиках питается
от источииковт^ввяичными свойствами, ее динамические вольт-ам-
перные характеристики будут различными. С помощью динамиче-
ской вольт-амперной характеристики дуги можно оценивать при-
годность данного источника для питания данной дуги.
16
§ 3. Схема замещения сварочной дуги
Для расчетов и анализа процессов, происходящих в источнике
питания, изобразим схему замещения реальной дуги и заменим
вольт-амперную характеристику дуги аналитическим выражением
Un=f(I). При составлении схемы замещения необходимо учитывать
возможные виды характеристик дуги — падающую, жесткую и воз-
растающую. Составим уравнение по второму правилу Кирхгофа
для схемы рис. 1.8, а, беря обход контура по условному положитель-
ному направлению тока I:
U и — ^л +W’
(1-9)
где Ед — э. д. с. схемы замещения сварочной дуги; Едиф= й(7д/(di) =
= Wjitg|3 — дифференциальное сопротивление нелинейного участка
сварочного контура, которым является разрядный промежуток.
Угол р образован касательной к данной точке вольт-амперной
Рис. 1.8. Схема замещения сварочной дуги:
а — цепь дуги и схема; б—к определению дифференциального
сопротивления дуги для падающей жесткой и возрастающей вольт-
ам лерных характеристик
характеристики дуги и осью тока, a mR=B[A — масштабы напряже-
ния и тока на рис. 1.8, б. Для вольт-амперной падающей характе-
ристики /?ДИф<0, так как tg (КО (для падающих характеристик по-
ложительное приращение тока сопровождается отрицательным при
ращением напряжения). Касательная к характеристике дуги в
данной точке отсекает на оси ординат (оси напряжений) отрезок,
соответствующий э. д. с. Ед схемы замещения.
Для жесткой вольт-амперной характеристики дуги ЕДИф=0. Про-
должая характеристику до пересечения с осью напряжения, полу-
чаем отрезок, соответствующий э. д. с. Ед.
17
Для возрастающей характеристики /?даФ>0 (положительное при-
ращение тока сопровождается положительным приращением напря-
жения). Касательная к характеристике дуги отсекает на оси орди-
нат отрезок, соответствующий э. д. с. Ея.
§ 4. Устойчивость энергетической системы
источник питания — дуга — ванна
Работа энергетической системы источник питания — сварочная
дуга — ванна протекает устойчиво, если источник доставляет до-
статочное количество энергии для процесса сварки и покрытия по-
терь в системе. Возникающие при горении дуги возмущения наруша-
ют устойчивое состояние системы и вызывают переходные процес-
сы, характер и скорость протекания которых связаны с энергией,
накопленной в магнитных и электрических полях системы, а также
энергией, переходящей в тепло. Если после прекращения действия
возмущения система возвращается в исходное равновесное состоя-
ние, то равновесие является устойчивым, если не возвращается —
неустойчивым. При возвращении системы после окончания действия
возмущения в состояние равновесия могут наблюдаться отклонения
величин, характеризующих режим сварки (тока, напряжения), оц
их значения до начала действия возмущения. Если при наличии этих
отклонений качество сварного соединения остается в допустимых
пределах, то свойства энергетической системы признают удовлетво-
рительными.
Современная сварочная техника использует для питания дуги
кроме хорошо известных источников питания (трансформаторов,
коллекторных генераторов постоянного тока) источники нового ти-
па, имеющие корректирующие обратные связи по энергетическим
параметрам (ток, напряжение), предназначенные для создания ус-
ловий устойчивого горения дуги и поддержания установленного ре-
жима. Такие обратные связи имеют источники питания для сварки
как плавящимся, так и неплавящимся электродом, как на посто-
янном, так и на переменном токах. Благодаря корректирующим
обратным связям й энергетической системе создаются условия для
возникновения воздействия, направленного на подавление возму-
щений, возникающих в процессе сварки.
Устойчивость горения сварочной дуги при малых отклонениях
напряжения на дуге. Влияние формы внешней статической харак-
теристики источника питания и формы статической вольт-амперной
характеристики дуги на устойчивость горения дуги впервые было
показано в исследованиях Кауфмана *, который установил, что ду-
га постоянного тока данной длины, с падающей вольт-амперной ха-
рактеристикой при малых токах, переходящей в пологопадающую,
горит устойчиво при питании от генератора с постоянным выходным
* W. Kaufmann (1900).
18
напряжением лишь в том случае, когда последовательно с дугой
включено определенной величины добавочное сопротивление R. Ус-
ловие устойчивого горения дуги было записано в форме следующе-
го неравенства:
d^/d/-}-/?> О,	(1.10)
где dUjJdJ—производная вольт-амперной характеристики дуги в
данной точке, а — добавочное резистивное сопротивление в цепи
дуги.
Дальнейшее развитие этот вывод получил в работах В. П. Ники-
тина [9], И. Я. Рабиновича [11], К. К- Хренова [15], Ю. П. Петрунь-
кина (1934) и ряда других авторов применительно к специальным
Рис. 1.9. Схема замещения энергети-
ческой системы источник питания —
дуга
генераторам, имеющим падаю-
щую внешнюю характеристику.
В работах [9, 11] выявляются
условия, при которых дуга горит
устойчиво, не переходя в другие
виды электрического разряда, при
питании от генератора постоянно-
го тока/ имеющего падающую
внешнюю характеристику. Сдела-
но предположение, что вольт-ам-
перная характеристика дуги так-
же падающая. Обе характеристи-
ки являются нелинейными зависимостями напряжений от тока I.
Для генератора это	а для дуги UR—f(I). Сделано также
предположение, что сварка производится вручную плавящимся
электродом, что дуга горит стационарно и замыканий дугового про-
межутка каплей не происходит. На рис. 1.9 приведена электриче-
ская схема замещения энергетической системы источник питания —
дуга. Источник питания не имеет корректирующих обратных свя-
зей. Дуга замещена нелинейным резистивным сопротивлением /?д.
На схеме Е — э. д. с.; Ео — внутреннее сопротивление генератора;
7?— резистивное сопротивление сварочного контура, включающее
и сопротивление вылета электрода; L—индуктивность сварочного
контура. Условные положительные направления токов и напряже-
ний здесь и далее указаны стрелками.
На рис. 1.10 приведены внешняя статическая характеристика ге-
нератора U=f(I) и вольт-амперная статическая характеристика ду-
ги UR=f(I). Эти характеристики имеют две точки пересечения В
и А, которые являются точками равновесия энергетической системы,
когда при данном значении сварочного тока /р Up=Un.p (токи и
напряжения, соответствующие состоянию равновесия, записаны с
индексами «р»: /рВ; /рА; ДРв‘, UpA; UK.pA). Выясним, какая из
точек пересечения характеристик является точкой устойчивого рав-
новесия, т. е. при каких условиях при малом изменении, например,
длины дуги, вызвавшем изменение тока и напряжения, система в
состоянии поддерживать устойчивый дуговой разряд. Составим для
сварочного контура уравнение по второму закону Кирхгофа. Ис-
19
пользуя схему рис. 1.9 и обходя контур по условному положительно-
му направлению тока i, получаем
eL=iR— « + «д.	(1.11)
Если учесть, что |Z/?| <С |^ь|, а	—LdiR\t, получим
и = Z/d t.	(1.12)
Из уравнения (1.12) следует, что
dZ/d/=(a-ttJ/Z,	(1.13)
а это значит, что скорость изменения сварочного тока во время пе-
реходных процессов в энергетической системе тем меньше, чем боль-
ше индуктивность сварочного контура. Когда энергетическая систе-
ма в равновесии, то и=ид при допущении, что Z? = 0, dt/dZ=O.
Upe —t
UpA
^А • ^А
Рис. 1.10. К определению
эффициента устойчивости
для точек равновесия А
энергетической системы источ-
ник питания — дуга при пада-
ющей внешней характеристике
источника и падающей вольт-
амперной характеристике дуги
1
А ^0 1рА А ‘О
А1ц 1рв
ко-
КУ
и В


При данном токе в цепи дуги /=/р в точке пересечения внешней
характеристики генератора и статической вольт-амперной характе-
ристики дуги U=Un (U — это Uv, а С'д — это 1/д.р).
Исследуем на устойчивость горение дуги при токе 1Рв и напря-
жении 17рв, т. е. в точке В пересечения характеристик, соответствую-
щих длине дуги 1д и проводимости G разрядного промежутка (рис.
1.10). Допустим, что в некоторый начальный момент времени Z = 0
возникло возмущение по' длине дуги. Длина дуги стала /д2, причем
1Д2>/д. Длине дуги 1р2 соответствует уже другая вольт-амперная ха-
рактеристика дуги. В новых условиях уменьшилась проводимость G
разрядного промежутка 6д2<6д, что явилось причиной уменьшения
тока 1рв на Д/о. В последующие моменты времени малое отклонение
тока Д/о будет изменяться во времени. При изменении тока в энер-
гетической системе возникает переходный процесс и все величины,
связанные с током, изменяются. Для аналитического исследования
процессов, протекающих в энергетической системе генератор — сва-
20
рочная дуга, возникающих при малых отклонениях тока (Л7) вбли-
зи точек равновесного состояния системы, в технике пользуются ме-
тодом линеаризации нелинейных функций U=f(I) и Un=f(I) вбли-
зи точек В и А. Небольшой участок [17] нелинейной характеристики
заменяют отрезком прямой, касательной к соответствующей нели-
нейной характеристике в точке равновесия. В литературе [9, 11]
делают, кроме того, еще два допущения: исключают влияние дина-
мических свойств сварочного генератора и не учитывают явления
саморегулирования дуги при сварке плавящимся электродом при
небольших плотностях тока, что позволяет рассматривать этот про-
цесс сварки как эквивалентный процессу с неплавящимся электро-
дом. Применяя метод линеаризации при малых отклонениях от ус-
тановившегося состояния [10,12], выражают напряжения генератора
U=f(I) и дуги Un—f(I) через их значения при равновесии Uv и С7д.р
и при приращении тока А7, разлагая нелинейные функции U=f(Iv+
+А7) и (7Д=/(7Р+А7) в ряд Тейлора по степеням А/. Отбрасывая
члены ряда второго и больших порядков, получают выражения для
напряжения дуги и генератора вблизи точки равновесия В:
77д=77д.Р+Д77д>р=77,р-Ц^-)	Д7 = ^л.Р+₽диф,(Д7; (1.14)
£7=Ц,4-Д£У=7УР + (-^)	Д/=17Р+/?дифД/,	(1.15)
\ 01
где ^диф.д и /?диф — дифференциальные сопротивления соответствен-
но нелинейного участка электрической цепи с дугой и генератора
при 7=7Р (напомним, что индекс «р» означает в данном случае рав-
новесное состояние при отсутствии возмущения).
Для получения закона изменения приращения тока Al=f(t) сле-
дует подставить в исходное дифференциальное уравнение (1.12)
вместо и и Ид их значения, соответствующие равновесному состоя-
нию энергетической системы (имеющей в качестве источника энер-
гии генератор постоянного тока), т. е. U и 17д, которые в равновес-
ном состоянии равны, а затем вместо производной сварочного тока
di/dZ подставить выражение
—(/р-]-Д/). Проделав эти преобразо-
вания, получим
^^£-+№Иф.д-^Иф)Д/=°.	(1.16)
Если рассматривать разность дифференциальных сопротивлений
как дифференциальное сопротивление системы генератор — дуга
(7?дИф.с) и допустить, что величина индуктивности L, включенная
последовательно с дугой, не зависит от значения сварочного тока,
то можно получить линейное однородное дифференциальное урав-
нение первого порядка, описывающее переходный процесс измене-
ния Al=f(t):
_1А£+^±1Д7=О.	(1.17)
dt L	v ’
2Г
Корень характеристического уравнения дифференциального
уравнения (1.17)
^Лиф.с	1
/ dUK	дЦ \
дГ	di Jf=ip
где т — постоянная времени цепи, равная L/Ддиф.с. После решения
уравнения (1.17) получим закон изменения А7=f(t):
Д/=Д/ое-</\	(1.18)
В реальных условиях величина индуктивности цепи сварочного
тока £>0. Для того чтобы при t-^-oo приращение тока затухало
(А/->0), необходимо, чтобы ДДИф.с было больше нуля. Возникшее
приращение АЛ) затухает, если р<0.
В литературе [10, 12] дифференциальное сопротивление энерге-
тической системы источник питания — дуга обозначают ку и назы-
вают коэффициентом (критерием) устойчивости, для которого мож-
но записать:
^?диф.с -^диф. д ^?диф
Условием устойчивости горения сварочной дуги без корректиру-
ющих обратных связей является неравенство
ку>0.	(1.20)
Рассмотрим на конкретном примере, устойчиво ли горит дуга в
случае ручной дуговой сварки при малых отклонениях сварочного
тока в точке равновесия В пересечения падающих статических ха-
рактеристик источника и дуги. В качестве источника питания принят
генератор постоянного тока, в сварочный контур которого последо-
вательно с дугой включена индуктивность.
Для точки В дифференциальное сопротивление дуги
(dUK/dI)i=ip =tg рд<0, так как угол рд тупой (рис. 1.10). Пусть, на-
пример, р=160°, tg рд=—0,36. Дифференциальное сопротивление
источника. dU]dI=ig ри= —1,73. Дифференциальное сопротивление
энергетической системы 7?Диф.с=Ддиф,д—/?ДИф.и=—0,36—(—1,73) =
= 1,37. Следовательно, в точке пересечения характеристик дуги и
источника питания коэффициент устойчивости ку>0. Возникшее от-
клонение сварочного тока затухает. Скорость затухания малого
отклонения тока зависит от абсолютного значения ку и величины
.Д/о, что следует из выражения
Дадим физическое толкование критерию устойчивости ку. Допу-
стим, что при горении дуги, когда Ср было равно (7Д.Р, произошло
отклонение сварочного тока I от значения /р до (1рВ—А/о) • Измене-
ние тока вызовет появление э. д. с. самоиндукции в индуктивности
L, включенной в сварочный контур генератора. Э. д. с. самоиндук-
ции складывается с напряжением генератора. Напряжение на раз-
22
рядном промежутке возрастает, что вызывает увеличение напряжен-
ности электрического поля в разрядном промежутке. Ток вследствие
этого возрастает до значения 1рв. Горение дуги устойчиво. Для точ-
ки В коэффициент ку>0.
Определим коэффициент устойчивости для точки А. Из рис. 1.10
следует, что
<0; (—)	<0.
дГ )'='РА I di /'='рА^
Коэффициент устойчивости ку для точки А меньше нуля и равновес-
ное состояние энергетической системы неустойчивое. Если при горе-
нии дуги произошло по какой-либо причине увеличение тока, то-
ток будет возрастать до тех пор, пока не достигнет значения 1рВ »
пока напряжения	и fZn=f(7)/=i в не станут равны-
ми. Если же ток 1рА уменьшился на АД (влево от точки А на рис.
1.10), то он будет уменьшаться до тех пор, пока дуговой разряд не
прекратится из-за! недостаточной напряженности электрического по-
ля в разрядном промежутке.
Определим ку для точки В пересечения падающей внешней ха-
рактеристики источника питания U=f(I) с жесткой и возрастающей
вольт-амперными характеристиками дуги (рис. 1.11). Дифференци-
альное сопротивление дуги в точке В для кривой 1 равно нулю, так
как (dUa/dI)i==iB =0, а для кривой 2 (dUR/dI)j=iв>0.
Определив ку по (1.19), получаем, что коэффициент устойчиво-
сти системы в рассмотренных конкретных условиях работы положи-
телен для обоих случаев.
Допустим, что вольт-амперная характеристика дуги возрастаю-
щая (см. рис. 1.7, в). Тогда, как следует из (1.19), коэффициент
устойчивости ку получается положительным, если источник питания
имеет падающую, жесткую и возрастающую внешнюю характери-
стику; в последнем случае при условии, если
I дия I .	й/_|
I Ы |/“'рв д!
Однако практика показывает, что при питании дуги от источника
с жесткой или пологовозрастающей внешней характеристикой про-
цесс сварки протекает более устойчиво, чем при питании от источ-
ника с падающей и особенно крутопадающей внешней характери-
стикой. Это объясняется следующими причинами: 1) при выводе вы-
ражения для определения ку были сделаны допущения о том, что
источник энергии (генератор) безынерционен, и 2) не учитывалось
явление саморегулирования сварочной дуги. Фактически процесс
сварки плавящимся электродом был заменен процессом с неплавя-
щимся электродом. В подтверждение можно привести пример, хо-
рошо известный технологам-сварщикам. При сварке под флюсом
устойчивость горения дуги выше, если источник питания обладает
жесткой или возрастающей внешней характеристикой, а не падаю-
щей характеристикой.
23
Выполнение неравенства ку>0 является необходимым, но недо-
статочным условием устойчивого горения сварочной дуги при сварке
плавящимся электродом.
Современные источники питания для сварки неплавящимся и
плавящимся электродом имеют корректирующие обратные связи,
обеспечивающие устойчивое горение дуги и установленный режим
или используются источники
Рис. 1.11. К определению коэффици-
ента устойчивости «у для точки рав-
новесия В при падающей внешней
характеристике источника питания и
жесткой 1 или возрастающей 2 вольт-
амперных характеристиках дуги
питания параметрического ти-
па ( см.гл. 6).
Эластичность дуги. Для
устойчивости горения дуги важ-
ное значение имеет эластич-
ность. Дуга считается эластич-
ной, если дуговой разряд про-
должает существовать при от-
носительно значительном уве-
личении длины дуги, вызван-
ном разными технологическими
причинами. Исследования пока-
зали, что при данных физико-
химических условиях существо-
вания дугового разряда в зави-
симости от плотности тока су-
ществует некоторый минималь-
ный ток дуги, при котором ду-
говой разряд становится не-
устойчивым, а при дальнейшем
уменьшении тока переходит в недуговые формы. Эластичность ду-
ги оценивают и количественно. Критерием эластичности дуги явля-
ется ее наибольшая длина /ДМакс, при которой еще сохраняются
условия для устойчивого дугового разряда. При этом ток в сва-
рочной цепи, несмотря на значительные отклонения от /р, все же ос-
тается больше минимального тока /д мин, при котором меняется вид
электрического разряда. При токе /</ДМин дуга угасает, но про-
водимость G разрядного промежутка не равна нулю, что в первую
очередь объясняется остаточной ионизацией плазмы, а также эмис-
сионной способностью электродов. Величина /дмин зависит от ве-
личины сварочного тока при устойчивом горении дуги. Чем больше
I, тем при прочих равных условиях дугу можно растянуть на боль-
шую длину. Эластичность дуги зависит также от вида характерис-
тик источника питания дуги, а также от их взаимного расположе-
ния в точке пересечения В, когда £7р=£/д.р при I=IVB, от величины
напряженностей электрического поля в столбе дуги и в приэлек-
тродных областях от величины эффективного потенциала ионизации
столба дуги и величины /дмин от динамических свойств источника
энергии и параметров сварочного контура.
Если электромагнитная инерция источника энергии незначитель-
на, а его динамические свойства высоки, то при уменьшении тока и
увеличении /д быстро возрастает э. д. с. источника, благодаря чему
24
увеличиваются его выходное напряжение, напряжение на разрядном
промежутке и напряженность электрического поля в нем. Таким об-
разом сохраняются условия для поддержания дугового разряда.
Уменьшение сварочного тока вызывает перераспределение энергии:
энергия, накопленная в магнитном поле индуктивности (при нали-
чии таковой) при токе 1Р, преобразуется в энергию электрического
поля разрядного промежутка вследствие появления в сварочной це-
пи э. д. с. самоиндукции, индуктированной при изменении магнит-
ного поля, сцепленного с витками индуктивности, включенной по-
следовательно с дугой. Э. д. с. складывается с напряжением источ-
ника и увеличивает напряженность электрического поля разрядного
промежутка.
§ 5. Сварочная дуга переменного тока
Особенности горения дуги переменного тока. Условия существо-
вания дуги при ее питании от источника переменного тока, напри
мер от трансформатора с синусоидальным напряжением, отличают
ся от условий ее существования при питании постоянным током
При синусоидальном напряжении
частоты 50 Гц активное пятно на
катоде сто раз в секунду изменя-
ет свое расположение. К концу
каждого полупериода синусои-
дальное напряжение уменьшается
до нуля; при этом уменьшается
Рис. 1.12. Принципиальная электри-
ческая схема питания дуги от транс-
форматора с жесткой внешней харак-
теристикой при включении в цепь
дуги резистивного сопротивления К
напряженность электрического
поля разрядного промежутка.
Вследствие этого уменьшается
степень ионизации газа в столбе
дуги, рассасывается пространст-
венный объемный заряд в при-
электродных областях и уменьшаются напряженности электриче-
ского поля Ек и £а- Все это ухудшает условия Поддержания ста-
бильного дугового разряда.
На рис. 1.12 приведена принципиальная электрическая схема
питания дуги от источника переменного тока. Источник состоит из
однофазного понижающего трансформатора Т с ничтожно малой
индуктивностью обмоток, обладающего жесткой внешней характе-
ристикой, и регулятора тока R, представляющего собой регулируе-
мое линейное резистивное сопротивление. Резистор формирует
внешнюю падающую характеристику источника и служит для регу-
лирования сварочного тока.
Графики изменений во времени мгновенных значений вторичного
напряжения и2 трансформатора, сварочного тока i2 и напряжения
на дуге ид приведены на рис. 1.13, (Для большей наглядности вели-
чины тока i2 и соответствующие им отрезки времени на рисунке
сильно увеличены.) Графики представляют собой осциллограммы,
полученные светолучевым осциллографом. Напряжение и ток запи-
25
саны в отрицательный и положительный полупериоды синусоидаль-
ного напряжения w2. Ток i2 и напряжение на дуге ия несинусоидаль-
яы. Последнее объясняется тем, что нагрузкой трансформатора
является нелинейная среда разрядного промежутка, проводимость
которого зависит от величины тока i2 дуги. При наличии в сварочном
контуре только резистивного сопротивления максимумы и нулевые
значения i2 и и2 совпадают во времени. В отрицательный полупери-
од при t=ty, когда синусоидальное напряжение уменьшается до зна-
чения Ua, недостаточного для создания между изделием и электро-
дом напряженности электрического поля, необходимой для сущест-
вования дугового разряда, последний практически угасает. До t=tB
Рис. 1.13. Графики изменений во времени мгновенных значе-
ний вторичного напряжения «2 трансформатора, сварочного
тока /2 и напряжения на дуге иа
в положительный полупериод ток i2 практически равен нулю. Интер-
вал времени от t=ty до t=tB называют временем перерыва/п в горе-
нии сварочной дуги. По осциллограмме (рис. 1.13), однако, видно,
что в течение времени /и ток i2 в сварочном контуре не равне нулю.
Осциллограф фиксирует наличие тока t2, т. е. то, что проводимость
участка цепи между изделием и электродом не равна нулю. Наличие
проводимости G разрядного промежутка обусловливается проводи-
мостью плазмы и эмиссионной способностью нагретых электродов.
Однако в течение времени /п электрический разряд является неду-
говым разрядом. В следующий полупериод, когда синусоидальное
напряжение п2 начинает возрастать от нуля и достигает значения
^2=С/П.в, в момент t = tB вновь создаются условия для существова-
ния дугового разряда и дуга повторно возбуждается. Напряжение
Кп.в, называемое напряжением повторного возбуждения дуги, за-
висит от многих факторов и прежде всего от физико-химических
-свойств среды между изделием и электродом. Когда и2 в момент
26
времени /в становится равным UB.B, в дуговом промежутке обеспе-
чивается напряженность электрического поля такой величины, при
которой возможны интенсивное зарождение свободных электронов
и восстановление условий для существования самостоятельного
дугового разряда. Возбуждение дуги после перехода и2 через нуль
произойдет, как только будет создана требуемая напряженность
электрического поля в дуговом промежутке.
Из рассмотренного можно сделать вывод, что при наличии в сва-
рочном контуре только резистивного сопротивления в течение вре-
мени /п дуговой разряд отсутствует — дуга угасает. Следовательно,
в этих условиях наблюдается нестабильность процесса сварки. Ве-
личина тока i2 электрического разряда и скорость изменения тока
di2/d? при смене полярности незначительны. Можно считать, что
в течение времени /п сварочный контур практически разомкнут. По
исследованиям [11] величина тока i2 при t=tB составляет 1—2% от
действующего значения тока i2. После повторного возбуждения дуг»
начиная с t=tB ток i2 и di2/d/ резко возрастают.
Для уменьшения времени перерыва tn в горении дуги и увеличе-
нии dt2/d/ при смене полярности можно идти двумя путями: умень-
шать Uh.b> изменяя физико-химические свойства среды между элект-
родом и изделием, или изменять свойства источника питания. Un.B
можно уменьшить, вводя в парогазовую среду между электродом
и изделием химические элементы с низкими потенциалами иониза-
ции. Это можно осуществить путем покрытия стержневых электро-
дов слоем, содержащим требуемые элементы, а при механизирован-
ной сварке вводить их в состав флюса или в состав фитиля, нахо-
дящегося внутри полой электродной проволоки. Снижение 17п.в
можно осуществить также, снижая давление среды.
При том .же значении Un.B время перерыва в горении дуги
можно уменьшить за счет увеличения амплитудного значения нап-
ряжения и2 трансформатора. На рис. 1.14, а видно, что при увеличе-
нии t/2m трансформатора дуга повторно возбуждается в момент t'Br
благодаря чему уменьшается_/п.
Величина отношения ]/2172х.х/17д=п, где t/гх.х — действующее
значение напряжения холостого хода, зависит от способа сварки и
физико-химических свойств среды. Как показывают исследования
[11], п«2-т-4. Однако увеличение U2m, а следовательно, и 172х.х ог-
раничено не только технико-экономическими показателями (увели-
чивается сечение сердечника, растет расход обмоточных материалов
трансформатора), но в первую очередь условиями безопасности при
выполнении сварочных работ. Исходя из этого, желательно не уве-.
личение, а уменьшение С2х.х.
Из рис. 1.14, б .видно, что уменьшить /п можно увеличением час-
тоты напряжения и2. При f>f (f=50 Гц) дуга повторно возбуж-
дается при tB <tB. Экспериментально установлено оптимальное
значение частоты: наиболее устойчиво горит дуга при частоте
f'= (5-=-9)f. Следует отметить, что сварочная дуга повышенной час-
тоты издает резкий звенящий звук и неблагоприятно воздействует
на сварщика!
27
Облегчить повторное возбуждение дуги переменного тока мож-
но применением специальных устройств — осцилляторов и импуль-
сных возбудителей. На практике питание дуги переменным током
при ручной дуговой сварке в атмосфере воздуха плавящимся элек-
Рис. 1.14. Уменьшение времени перерыва tn горения
дуги:
а — при увеличении амплитуды вторичного напряжения
трансформатора (bT2w,	б— при увеличении частоты
вторичного напряжения (f, f)
Рис. 1.15. Принципиальная электрическая
схема питания дуги оТ трансформатора с
жесткой внешней характеристикой при
включении в цепь дуги катушки индуктив-
ности L (R условно изображает резистив-
ное сопоставление катушки)
тродом и при сварке под флюсом осуществляют, включая в цепь
дуги не резистор, а катушку с ферромагнитным сердечником, обла-
дающую значительной индуктивностью, или осуществляют питание
дуги от трансформатора, об-
мотки которого обладают
большой индуктивностью.
Устойчивость горения
сварочной дуги при включе-
нии в сварочный контур ли-
нейной индуктивности. Прин-
ципиальная электрическая
схема источника питания ду-
ги переменным током с ка-
тушкой индуктивности в сва-
рочном контуре приведена
на рис. 1.15. Катушка обла-
дает индуктивностью L и ре-,
зистивным сопротивлением
/?. Для облегчения анализа процессов, происходящих в схеме, при-
мем, что цепь линейная. Дуга замещена линейным резистивным со-
противлением Дд. На схеме е2— вторичная э.д. с. трансформатора;
еа2— э.д.с. рассеяния вторичной обмотки; Д2— резистивное сопро-
тивление этой обмотки.
При прохождении сварочного тока i2 по обмотке катушки ин-
дуктивности магнитодвижущая сила wK i2 возбуждает в сер-
дечнике катушки изменяющееся во времени магнитное поле, кото-
28
рое индуктирует в обмотке э.д.с. самоиндукции е^. По второму
правилу Кирхгофа можно составить уравнение для сварочного кон-
тура, обходя его по направлению тока z'2
— Ид-|-^?2*2'Ь^2»	(1.22)
где ид — мгновенное значение напряжения на дуге.
Если дуга горит устойчиво, то напряжение ия можно считать
постоянным и равным Ua. Кроме того, в (1.22) R2I2 пренебрежимо
мало по сравнению с э.д.с е2, т. е. |/?2i2|	1ег|. Примем, что сва-
Рис. 1.16. Графики изменений во времени мгновенных значе-
ний «2, 4, «д, «ь
рочный ток i2=Z2mSincof, т. е. начальная фаза тока ф{=0. Тогда
U2=U2mSin(at +tf2), где <р2— угол сдвига между и2 и 12
%= arctg ~R + k '==arctg '	(k23)
К ~Г Кд	К ~Г Кд
При	и x2<xt величинами резистивного и индуктивного со-
противлений вторичной обмотки трансформатора по сравнению с
xL можно пренебречь и тогда из (1.22) при сделанных допущениях
получим линейное уравнение
zz2—(1-24)
где uL — — eL = L d z2/d t=-r£/2m sin (<0/ л/2).
Подставив вместо zz2 и иь их выражения, записанные выше- в
(1.24), получим
U2т ^(^t-Y^==U^XL12m	(<о/-|-л/2).	(1.25)
На рис. 1.16 приведены графики изменений во времени мгновен-
ных значений и2, /2, «д и Ul.
29
В окрестности значения тока i2 — 0 остаточная проводимость
плазмы в дуговом промежутке чрезвычайно мала. Можно считать,
что разрядный промежуток после угасания дуги практически разом-
кнут. Из (1.25) при /=0 имеем
Z72m sin <?2=xLI2m.	(1.26)
Напряжение, подведенное к разрядному промежутку, представ-
ляет собой алгебраическую сумму двух э.д.с. е2 и еь'.
«д=е2+^-	(1-27)
Когда ток i2 при смене полярности, пройдя нуль, возрастает,
то в магнитном поле индуктивности L накапливается энергия.
В дальнейшем при уменьшении синусоидального напряжения иг.
ток i2 также уменьшается, спад магнитного поля в сердечнике ка-
тушки вызывает появление в ее обмотке э.д.с. самоиндукции еь,
которая, складываясь с убывающим по абсолютной величине на-
пряжением «2> поддерживает разность потенциалов на разрядном
промежутке. Благодаря этому поддерживается напряженность
электрического поля в межэлектродном промежутке, необходимая
для существования тока i2.
При уменьшении напряжения «2 трансформатора до нуля про-
цесс сварки производится за счет запасенной энергии магнитного
поля катушки, так как при w2, близком к нулю и равном нулю,
энергия от сети в зону сварки не поступает. Кривая тока практиче-
ски синусоидальна. Ток i2 отстает по фазе от w2 на угол <р2, опреде-
ляемый соотношением индуктивного и резистивного сопротивлений
сварочного контура. Важно отметить, что при сделанных допуще-
ниях величина u2 = t/2TOsin(p2 не может быть больше амплитудного
значения U2m. Чтобы дуга горела устойчиво и ^п—>0, значение и2=
= t/2msin<p2 должно быть не меньше величины напряжения повтор-
ного возбуждения дуги 1/п.в. При данном действующем значении
тока /2 величина w2=t/2msin<p2 определяется величиной xl = wL.
Ток i2 в рассматриваемых условиях при наличии в цепи дуги индук-
тивности L имеет синусоидальную форму и tn практически равно
нулю.
Порядок величины угла <р2 между и2 и i2 можно определить для
•конкретного способа сварки, пользуясь опытными данными для со-
отношения между величинами- U2^=U2mlV^ и напряжения
UR при устойчивом горении дуги. В [11] приводится соотношение
для ручной дуговой сварки плавящимся электродом
^2хЛ>1.8^-2,5.	(1.28)
Используя (1.24) и (1.25), пренебрегая падением напряжения
от сварочного контура, можно определить порядок величины угла
<р2, создаваемого за счет включения последовательно с дугой ин-
дуктивности L. С учетом (1.24) получаем
и2т 5т(о>/+?2)=г/д+Л^-=г/д+соЛ^- .	(1.29)
30
Интегрируя (1.29), находим, что
12= — COS (<d/ + ?2)-------+ А,
ML	u)L
где А = U2т cos <р2/ (соЕ) — постоянная интегрирования;
4 = -2т-Г cos <р2 — cos (со/+?г)-1,	(1 -30)
юЛ L	wZ, J
При со/=л ток 12=0, что дает возможность определить из фор-
мулы (1.30) cosjp2. После несложных преобразований оказывается,
что cos <р2=]/2л/(2/г), где n—Ui^jU^. Если принять п«*2 пэ
(1,28), то cos <р2=0,56, что соответствует <р2=55° и соотношению
Хь/Кд=5. Таким образом, для известного способа сварки и при из-
вестных соотношениях {72x.x/C/H можно полу-
чить данные для подбора величины индук-
тивности сварочного контура по соотноше-
нию xL/Ra.
Условие устойчивого горения дуги пере-
менного тока при включенной последова-
тельно с дугой индуктивностью можно сфор-
мулировать-^гаким образом: амплитуда па-
дения напряжения на индуктивности XiJzm
должна быть не меньше напряжения повтор-
ного возбуждения Ur,.E дуги для данного спо-
соба сварки. При анализе явлений, протека-
ющих в сварочном контуре, предполагалось,
что цепь линейна, индуктивность цепи L не
зависит от величины тока цепи, а дуга бы-
ла замещена линейным резистивным сопро-
тивлением. Ток i2 был принят синусоидальным. При этих допуще-
ниях можно построить векторную диаграмму сварочного контура
(рис. 1.17).
В реальных условиях сварки разрядный промежуток является
нелинейной средой, и его проводимость G зависит не только от
величины тока, но и от целого ряда физико-химических факторов,
о чем говорилось выше. При исследовании процессов, происходя-
щих в нелинейных цепях электротехнических устройств, когда ана-
литическое решение нелинейных дифференциальных уравнений,
описывающих эти процессы, затруднительно, то прибегают к каче-
ственному исследованию процессов с помощью фазовой плоско-
сти [2].
Фазовой плоскостью называют плоскость, по оси абсцисс кото-
рой откладывается исследуемая величина, например сварочный
ток i2, а по оси ординат — его производная di2/dt Любому сочета-
нию i2 и di2/dZ сварочной цепи соответствует вполне определенная
так называемая изображающая точка y4(di2/d/, i2) на фазовой
плоскости. Для получения фазовой траектории на горизонтальные
отклоняющие пластины светолучевого осциллографа подводится
31
напряжение, пропорциональное изменению тока /2, а на вертикаль-
ные — напряжение, пропорциональное di2/dZ. Это напряжение по-
дается с дифференцирующего контура, обладающего малой посто-
янной времени. Фазовая траектория является интегральной кривой
и соответствует заданным начальным условиям. Если исследуемый
процесс периодический, то фазовая траектория является замкнутой
кривой. Скорость изменения сварочного тока при его переходе че-
рез нуль, а следовательно, и форма фазовой траектории зависят
как от физико-химических свойств среды между изделием и элект-
родом, так и от свойств источника питания.
Легко показать, что фазовой траекторией синусоидального про-
цесса в линейной электрической цепи является эллипс (рис. 1.18).
Действительно если принять начальную фазу сварочного тока рав-
ной нулю, то для тока и его производной можно записать i2 =
= 72msin (о£ и di2/d/ = co72?ncos at и, преобразовав, получить sinco£=
= *2/^2™, cos at= d г'2^ Имея в виду, что sin2 coZ+cos2 at= 1, no-
°^2т
лучим уравнение эллипса в координатах (i2, dz2/d£):
d z2/d t \2
Вернувшись несколько
cosco£=l, di2/di = a>72}„, а
Рис. 1.18. Изображение синусоидального
процесса в линейной электрической цепи
на фазовой плоскости
“Дт J
выше, получим при t=0 sincoi = 0, i2=0,
при t=n!2 sinat= 1, i2=Z2TO, cosco£=0,
di2/d/==0. Расположение эллип-
са на фазовой плоскости зави-
сит от начальных условий. Вы-
бором масштабов по осям фа-
зовой плоскости можно свести
эллипс к окружности. Градуи-
рование осей производят при
записи di2/dt и i2 в режиме ко-
роткого замыкания сварочного
контура, когда G=oo (исклю-
чен нелинейный участок цепи
дуга — ванна).
В реальных условиях, ког-
да 0<G<oo, происходит иска-
жение фазовой траектории по
сравнению с окружностью. По форме фазовой траектории можно
судить об устойчивости горения сварочной дуги переменного тока
в данных конкретных условиях, т. е. объективно оценивать техно-
логические свойства энергетической системы источник питания —
дуга — ванна при сварке переменным током (см. гл. 6). Если фа-
зовая траектория тока i2 представляет собой незамкнутую кривую,
то это свидетельствует о перерывах в горении дуги. В реальных
условиях сварки фазовая траектория отличается от окружности;
это объясняется тем, что контур источник питания — дуга — ванна
является нелинейным. Фазовая траектория тока i2 несимметрична
относительно осей.
32
Устойчивость горения сварочной дуги при включении в свароч-
ный контур индуктивности и емкости. При включении в сварочный
контур катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником L
и батареи конденсаторов С (рис. 1.19) устойчивость дуги перемен-
ного тока при определенном соотношении сопротивлений хг. и хс
повышается. Будем считать, что иследуемая цепь линейна. Тогда
возможно использование
векторных диаграмм и комп-
лексных функций, что суще-
ственно упрощает анализ це-
пи и делает результаты бо-
лее наглядными. Вычислив
xL и Хс, требуется их величи-
ны уточнить в реальных ус-
ловиях сварки путем записи
фазовой траектории свароч-
ного тока i2. Характер про-
текающих процессов и устой-
чивость горения дуги зави-
сят от соотношения xL и Хс-
Когда xL>Xc, ток i2 отстает
от выгодного напряжения
й2	1
— {72msm (ю/+ф2), так как
фг=О); если ХдСхс, то и2 = t/2msin(со/—ф2).
Уравнение для сварочного контура источника
Катушка
индуктивности
Рис. 1.19. Принципиальная электрическая
схема питания дуги от трансформатора с
жесткой внешней характеристикой при
включении в цепь дуги катушки индуктив-
ности L (R условно изображает резистив-
ное сопротивление катушки) и емкости
(конденсаторной батареи) С
трансформатора: й2=
i2=I2msin го/ (начальная фаза
тока
й2 — U	UL-\- Uc,	(1.31)
где ис=хс12т sin (со/—л/2); йг=—eL=xLl2m sin (со/+л/2); uR =
—Rlim sin со/.
В реальных сварочных цепях всегда |йн| значительно меньше
|ис\ и UR. При /=0, когда /2=0, напряжение ис на конден-
саторной батарее равно амплитудному значению
йс=—хс12т.	(1-32)
Из (1.31) и (1.32) следует, что как при xL>Xc, так и при Xl<Xc
мгновенное значение й2 равно ХьЪт- Дуга повторно возбуждается,
если мгновенное значение напряжения источника будет не меньше
напряжения повторного возбуждения /7П.В дуги. Отсюда понятна
роль емкости в цепи дуги. Чем больше tic, тем при меньшем значе-
нии «2 = t/2tn sin ф2 дуга возбуждается после перехода тока i2 через
нуль. На рис. 1.20 приведены векторные диаграммы, построенные,
как уже говорилось, в предположении, что проводимость разряд-
ного промежутка не зависит от тока.
Анализ процессов, происходящих в цепи дуги, с использованием
линейных уравнений носит лишь качественный характер. Величины
L и С, определенные аналитическим путем, как сказано выше, тре-
буют уточнений с использованием метода фазовой траектории.
Использованием энергии, накапливаемой в магнитном поле ин-
2—2504	33
дуктивности и в электрическом поле емкости, удается создать ус-
ловия для легкого повторного возбуждения дуги переменного тока
промышленной частоты без применения специальных устройств
(осцилляторов, импульсных возбудителей). Наличие в цепи дуги
переменного тока не только индуктивности, но и емкости при их
вполне определенных для данного способа сварки величинах позво-
ляет снизить напряжение холостого хода трансформатора, что
имеет экономическое и эксплуатационное значение. Описание
свойств источника переменного тока
промышленной частоты с xL и Хс в
цепи дуги приведено в гл. 6.
Динамическая характеристика
сварочной дуги переменного тока.
При исследовании свойств свароч-
ных дуг переменного тока, горящих
в разных физико-химических усло-
виях при различных способах свар-
ки, пользуются их динамической ха-
рактеристикой, которая представля-
ет собой зависимость между мгно-
Рис. 1.20. Векторная диаграм-
ма источника питания
(рис. 1.19),:
а — при xL>xc-, б —при xL<xc
Рис. 1.21. Динамическая характери-
стика сварочной дуги переменного'
тока
венными значениями цд и сварочного тока, построенную по данным
осциллограмм, полученных на светолучевом осциллографе. На
рис. 1.21 приведена динамическая характеристика дуги, горящей
в атмосфере воздуха при ручной дуговой сварке. Характеристика
имеет две расходящиеся ветви: восходящую Ъс и нисходящую cd„
полученные при возрастании и убывании тока (показано стрелка-
ми). Заметное расхождение этих ветвей наблюдается у дуги, го-
рящей в среде, содержащей примеси паров легко ионизирующихся
элементов (калия, кальция, натрия), а также у дуг, горящих в
средах с высокими потенциалами ионизации, с ростом частоты на-
пряжения, питающего дугу. Расхождение ветвей больше при свар-
34
ке меньшими токами. Часть ветвей динамической характеристики
для двух полупериодов на рис. 1.21 показана пунктиром (оа и do).
Эти части ветвей соответствуют преддуговому состоянию межэлек-
тродного пространства и не улавливаются светолучевым осцилло-
графом. Нарушение устойчивости в горении дуги при малых зна-
чениях di/dt при смене полярности приводит к нестабильному про-
цессу сварки, что отрицательно отражается на качестве сварного
шва.
§ 6. Трехфазная сварочная дуга
Трехфазной дугой называют сварочную дугу, получающую пита-
ние от трехфазной силовой сети. Трехфазная дуга для сварки изде-
лий значительных толщин имеет преимущества по сравнению с
однофазной дугой. Производитель-
ность сварки трехфазной дугой в 2—
2,5 раза выше, чем производительность
сварки однофазной дугой.
Принципиальная электрическая схе-
ма питания трехфазной дуги приведе-
на на рис. 1.22. Два провода от источ-
ника присоединяются к электродам Э1
и Э2. Трехфазная дуга состоит из трех
отдельных<дуг, горящих в общей газо-
вой среде и имеющих общее плавиль-
ное пространство. Дуги 1 и 2 являются
дугами прямого, а дуга 3 — косвенного
действия. При трехфазном питании воз-
можны и другие варианты: две дуги
прямого действия, имеющие только об-
щее плавильное пространство, и две ду-
ги, имеющие раздельные парогазовые
среды и раздельные плавильные прост-
ранства. Такую сварку называют двух-
дуговой сваркой.
Источник питания трехфазной дуги
состоит из трехфазного сварочного
трансформатора и регуляторов тока
(катушек индуктивности La, Lb и Lc),
включаемых в цепи электродов и изде-
лия. В качестве регуляторов применяют
И I----------
Рис. 1.22. Принципиальная
электрическая схема пита-
ния трехфазной сварочной
дуги
катушки индуктивности,
имеющие ферромагнитные сердечники с регулируемыми воздушны-
ми зазорами (см. ниже). В цепь изделия включен электромагнитный
контактор 7<. Замыкающий контакт $ этого контактора включа-
ется в цепь одного из электродов. При обрыве одной из дуг прямого
действия обеспечивается автоматическое гашение дуги косвен-
ного действия. Обмотка контактора К включена на разность потен-
циалов выводов катушки индуктивности Lc. Последовательность
и длительность горения дуг зависят от последовательности чередо-
2*
35
вания фаз источника и параметров цепей электродов и изделия.
Возбуждение трехфазной дуги производится контактным способом.
При трехфазном питании создаются условия для раздельного регу-
лирования величин токов в цепях электродов и в цепи изделия. При
трехфазной дуге появляется возможность распределять теплоту,
затрачиваемую на расплавление электродов и на проплавление
металла изделия. Наличие индуктивностей в сварочных контурах
создает условия для устойчивого горения трехфазной дуги, лучшие,
чем у однофазной. В любой момент времени в трехфазной дуге
горит, по крайней мере, одна из трех дуг. Вследствие этого среда
между изделием и электродами ионизирована, что благоприятно
сказывается на устойчивости. При равных напряжениях, подведен-
ных к трехфазной дуге, может гореть не более двух дуг. Объясня-
ется это тем, что на торце электрода не могут существовать одно-
временно анодное и катодное пятна. Большая, устойчивость трех-
фазной дуги позволяет рассчитывать источник питания на более
низкое напряжение холостого хода, что дает уменьшение габаритов
трансформатора, а следовательно, экономию материалов при его
изготовлении. Соотношение между напряжением холостого хода и
рабочим напряжением принимают равным t/x.x/f7p~ 1,174-1,25 [11].
Регуляторы тока в цепях электродов и изделия могут иметь мень-
шую индуктивность, что увеличивает коэффициент мощности
cos ф установки до 0,7.
Сварочная дуга для трехфазного источника питания представ-
ляет собой нагрузку, состоящую из трех нелинейных резистивных
сопротивлений, соединенных как бы треугольником. Величины этих
сопротивлений или соответствующие им проводимости разрядных
промежутков зависят от значений токов в дугах. Таким образом,
энергетическая система источник питания—трехфазная дуга —
ванна является нелинейной системой. Анализ работы такой систе-
мы и получение количественных соотношений между основными
электрическими величинами представляют значительные трудности.
При анализе работы нелинейной системы без ряда допущений
нельзя пользоваться комплексными числами и применять вектор-
ные диаграммы, хотя это упростило бы расчеты в цепях трехфаз-
ной дуги. Некоторые исследователи [12] все же прибегают к исполь-
зованию комплексных чисел и векторных диаграмм, считая прово-
димости разрядных промежутков трехфазной дуги линейными ве-
личинами, не зависящими от тока. Несинусоидальные токи в дуге
при этом заменяются эквивалентными по действующим значениям
синусоидальными токами.
Широкого применения сварка трехфазной дугой не получила,
так как оказалась неконкурентоспособной по сравнению с элект-
рошлаковой сваркой. В ограниченных масштабах она применяется
для механизированной сварки изделий больших толщин из стали и
алюминия. Основные соотношения между электрическими величи-
нами, характерными для пеней с трехфазной дугой, и описания
источников питания, выпускавшихся промышленностью, приведе-
ны в [12].
36
§ 7. Требования к источникам питания
Для получения качественного сварного соединения источники
питания дуги должны обладать свойствами, требуемыми процес-
сом сварки и проявляющимися при высоких технико-экономиче-
ских показателях. С другой стороны, как всякое электротехниче-
ское устройство, источник питания должен быть рассчитан на конк-
ретные режимы работы, т. е. на определенную нагрузку и опреде-
ленные условия эксплуатации (температуру, влажность, давление,
пространственное положение сварного шва), при которых все его
свойства проявляются оптимально.
Таким образом, можно сказать, что источник питания должен
при определенных режимах работы удовлетворять двум группам
требований: технологическим и технико-экономическим.
Технологические требования. Эти требования определяются тех-
ническими возможностями достижения технологических свойств,
которые определяются, в свою очередь, статическими и динамиче-
скими свойствами источника питания и свойствами нелинейных
участков — разрядного промежутка и ванны.
Статические свойства источника отражены в его внешней ста-
тической характеристике и ее соответствии вольт-амперной харак-
теристике дуги, так как способность энергетической системы источ-
ник — дуга — ванна поддерживать устойчивое горение дуги и за-
данный режим зависит от видов и взаимного расположения этих
характеристик^
О динамических свойствах источника можно судить по характе-
ру и скорости протекания переходных процессов в системе источ-
ник— дуга-—ванна, сопровождающихся резкими изменениями сва-
рочного тока при ступенчатых изменениях проводимости разрядно-
го промежутка, которые вызываются резкими переходами из одно-
го установившегося режима в другой (например, при переходе от
холостого хода к короткому замыканию при первоначальном воз-
буждении дуги). Кроме того, при сварке могут наблюдаться отно-
сительно небольшие колебания напряжения на дуге и тока дуги,
вызываемые процессами в разрядном промежутке (изменением
длины дуги, переносом капель расплавленного металла, перемеще-
нием активных пятен на поверхностях электрода и изделия, возник-
новением в столбе дуги потоков ионизированного газа, колебания-
ми напряжения сети, неравномерностью скорости подачи сварочной
проволоки и т. д.).
В настоящем пособии подробно рассматриваются статические
и динамические свойства источников для современных способов
сварки на основе изучения электромагнитных процессов, что дает
возможность объективно оценить технологические свойства источ-
ников и степень удовлетворения требованиям технологии процесса
сварки.
Технико-экономические показатели. К этим показателям отно-
сятся коэффициент полезного действия (к.п.д.), коэффициент
мощности (cosip), габаритные размеры, массы, показатели надеж-
37
ности, эргономические и технологические показатели конструкции
источников, соответствие правилам безопасности и т. п.
Некоторые технико-экономические показатели источников пита-
ния (к.п.д., costp, надежность) рассматриваются в настоящем посо-
бии, другие служат предметом изучения в других курсах.
Режимы работы источников питания. Электротехническая уста-
новка, в том числе и источник питания для дуговой сварки, рас-
считывается на определенную нагрузку, при которой она работает,
не перегреваясь выше установленных норм, т. е. рассчитывается по
нагреву на определенный режим работы, определяемый характером
изменения нагрузки во времени P=f(t). Источник питания рассчи-
тывается также на заданную величину напряжения, которая опре-
деляет класс применяемых изоляционных материалов.
Ток, напряжение, мощность и режим работы источника питания,
на которые он рассчитан, называются номинальными. Номинальные
величины (7Н, UB, Рн и режим работы) записываются на щитке
источника и приводятся в паспорте, а также в описании и инструк-
ции по эксплуатации.
При эксплуатации источника питания происходит нагрев его
обмоток, ферромагнитных сердечников и ряда конструктивных
элементов (кожуха, стяжных болтов и т. д.). Большему нагреву
подвергаются те узлы источника питания, которые находятся во
внутренних частях конструкции. При работе источника питания,
например, сварочного трансформатора в результате прохождения
тока нагреваются обмотки, а магнитопровод трансформатора гре-
ется при перемагничивании вследствие гистерезиса и от вихревых
токов. Одновременно теплота отдается узлами источника окружаю-
щей среде.
Под перегревом понимают превышение температуры Т источни-
ка питания над температурой окружающей среды:
е = Т-То,	(1.33)
где 0—температура перегрева; Т — температура источника пита-
ния; То — температура окружающей среды. После включения источ-
ника питания температура Т повышается и температура перегрева
© нарастает, пока -не достигнет установившегося значения 0У, при
котором повышение температуры Т прекращается. При 0У количе-
ство теплоты, отдаваемой в окружающую среду в единицу време-
ни, равно количеству теплоты, выделяемой в источнике питания.
При изменениях нагрузки происходит изменение Т и 0.
Неоднородность нагрева различных частей источника питания и
сложность явлений теплообмена чрезвычайно затрудняют анали-
тические исследования теплового состояния источника питания,
поэтому при тепловых расчетах делают ряд допущений. Так, ис-
точник питания рассматривают как однородное тело, имеющее бес-
конечно большую теплопроводность. Принимают, что теплоотдача
в окружающую среду пропорциональна разности температур.
Различают три режима работы источников питания для дуговой
?варки: продолжительный, перемежающийся и повторно-кратко-
18
Рис. 1.23. Характеристики про-
должительного режима работы
источника питания:
а — график изменения нагрузки во
времени; б — кривая нарастания
температуры
временный. Продолжительным режимом называется такой режим,
при котором источник успевает за время работы нагреться до тем-
пературы 0у.
На рис. 1.23, а приведен график изменения нагрузки источника
питания во времени P=f(t), а на рис. 1.23, б — кривая нарастания
температуры во времени T=f(t) для продолжительного режима
работы. Уравнение кривой нагрева T=f(t) для продолжительного
режима работы при сделанных до-
пущениях имеет вид
Г=Го4-0у(1-е~'/т"агр). (1.34)
Величина подкасательной тнаГр
экспоненциальной кривой 0 = f(/),
имеющая размерность времени, на-
зывается постоянной времени нагре-
ва. Она характеризует скорость воз-
растания во времени температур 0
и Т данного источника. За время t,
равное Тнагр, температура перегрева
достигает 63% от 0У.
Перемежающийся режим харак-
терен тем, что время tp работы
(сварки) чередуется со временем
перерывов работе tn (пауз).
На рис. L24, а дан график изме-
нения нагрузки во времени при пе-
ремежающемся режиме работы. При
этом режиме за время работы tp
температура источника не успевает
достигнуть значения установившей-
ся температуры Ту, а за время перерывов в работе tn источник не
успевает охладиться до температуры окружающей среды То (рис.
1.24, б). Время tn соответствует режиму холостого хода источника.
Процесс охлаждения, так же как и процесс нагрева, описывается
экспоненциальной кривой. По истечении некоторого промежутка
времени температура источника колеблется между некоторым мак-
симальным значением Т? и минимальным. Гр Среднее значение этих
двух температур обычно выбирается как расчетное. На рис. 1.24, б
оно обозначено 7%)n- У реальных источников питания постоянная
времени охлаждения несколько больше постоянной времени на-
грева.
Перемежающийся режим для нагрузки циклического типа ха-
рактеризуется относительной продолжительностью нагрузки за вре-
мя цикла tn.—tP+tn- Перемежающийся режим записывают следую-
щими выражениями:
ПН % = — 100, или ПН % = —- 100.
ta	if + tn
(1.35)
39
Повторно-кратковременный режим отличается от перемежаю-
щегося тем, что источник питания, получающий энергию от сило-
вой сети, во время пауз в работе отключается от сети (рис. 1.24,в).
В таком режиме, например, работают источники питания для меха-
низированной сварки под флюсом и универсальные источники (см.
гл. 3). Повторно-кратковременный режим характеризуется продол-
жительностью включения, выражаемой в процентах:
пв % =—100.
Рис. 1.24. Характеристики перемежающегося и повтор-
но-кратковременного режимов работы источника пита-
ния:
а — график изменения нагрузки во времени при перемежающем-
ся режиме; б—«кривая нарастания температуры при переме-
жающемся режиме; в — график изменения нагрузки во време-
ни при повторно-кратковременном режиме
(1.36)
Длительность цикла работы источников, предназначенных для
ручной дуговой сварки, имеющих перемежающийся и повторно-
кратковременный режимы, принята равной 5 мин, а источников для
механизированной сварки и универсальных — 10 мин.
Если величина ПН % (или ПВ%) отличается от номинальной,
приведенной в паспорте установки, то величину сварочного тока,
соответствующую другому значению ПН°/о (или ПВ%), можно най-
ти, пользуясь известной из курса электропривода [21] формулой
/ — /н КПНн%/ПН% = /н /ПВН%/ПВ%.	(1.37)
При этом, конечно, максимальная величина тока ограничивается
расчетными данными установки.
Источники питания, предназначенные для внутрисоюзных поста-
вок и для поставок на экспорт в страны с умеренным климатом,
40
изготовляются в климатическом исполнении У с категориями раз-
мещения 2, 3, а также в исполнении УХЛ4 по ГОСТ 15150—69.
Для отдельных источников в исполнении У нижние значения
температур окружающей среды могут отличаться от норм, указан-
ных в стандартах. В этих случаях нижние значения температур ого-
вариваются дополнительно. Источники питания, предназначенные
на экспорт в страны с тропическим климатом, изготовляются в кли-
матическом исполнении Т с категориями размещения 2, 3, а также
в исполнении 04 по ГОСТ 15150—69 и ГОСТ 15969—70.
Единая система обозначений. Начиная с 1974 г. для электро-
сварочного оборудования, выпускаемого промышленностью, приня-
та система обозначений типов, описываемая структурой, приведен-
А Б В 00 00 Г 0
Т Категория размещения
по ГОСТ 15150~Б9
Климатическое исполнение
по ГОСТ 15150-69________
Регистрационный номер разработки
0 или 00 глаВный параметр изделия
буква, обозначающая способ сварки
буква, обозначающая вид сварки
буква, обозначающая наименование издёпия
Рис. 1.25. Структура обозначений типов электро-
сварочного оборудования
ной на рис. 1.25, которую мы рассмотрим применительно к источ-
никам питания. В структуре на месте буквы А проставляется сокра-
щенное название изделия (А — агрегат, В — выпрямитель, И — ис-
точник питания, 77 — преобразователь, Т — трансформатор); на мес-
те буквы Б проставляется буква, обозначающая вид сварки (в на-
шем случае Д—дуговая); на месте буквы В проставляется буква
(буквы), обозначающая способ сварки (Д —ручная штучным элек-
тродом, ДО—открытой дугой, ДФ — под флюсом, ДГ — в защит-
ном газе). Так как буква Д повторяется под индексами Б и В,
то в названиях она проставляется один раз (только для дуговой
сварки). Дополнительно в буквенной части обозначения могут по-
являться буквы М—для многопостовых источников (однопостовые
дополнительного обозначения не имеют), а также буквы Б или Д,
обозначающие соответственно вид двигателя — бензиновый или
дизельный — для агрегатов с приводным двигателем внутреннего
сгорания.
Цифровая часть обозначения, как правило, должна состоять из
одного трех- или четырехзначного числа, первые одна или две
цифры которого есть значение сварочного тока, округленное до
целых десятков или сотен ампер, а две последние цифры (01, 02,
03 и т. д.) — регистрационный номер разработки.
41
После цифровой части без разделяющих знаков вводятся бук-
вы (на месте буквы Г) и цифры, обозначающие климатическое ис-
полнение и категорию размещения по ГОСТ 15150—69.
Приведем примеры обозначений:
1) выпрямитель многопостовой, для ручной дуговой сварки с
номинальным током 1000 А, регистрационный номер разработки
01, климатическое исполнение У, категория размещения 3 —
ВДМ-1001УЗ;
2) трансформатор сварочный однопостовой для ручной дуговой
сварки с номинальным током 315 А, регистрационный номер разра-
ботки 01, климатическое исполнение У, категория размещения
2 —ТД-301У2.
§ 8. Классификация источников питания
Источники питания можно классифицировать по различным
признакам в зависимости от поставленных задач, как, например,
изучение конкретных свойств и характеристик, сравнение технико-
экономических показателей, определение автономности использо-
вания, применение для сварки изделий разных толщин из разли
ных материалов, характеристика по количеству обслуживаемых
постов и т. д.
Приведем классификацию по некоторым основным признакам,
нашедшим выражение в настоящем пособии.
Источники питания можно классифицировать:
по роду тока — на источники постоянного и переменного тока;
по виду внешних характеристик — на имеющие падающие, поло-
гопадающие жесткие и пологовозрастающие характеристики;
по способу получения энергии — на зависимые и независимые
(или зависимые и автономные), т. е. получающие энергию от ста-
ционарной электрической сети или имеющие источником энергии
двигатель внутреннего сгорания, агрегатированный с источником
питания дуги;
по количеству обслуживаемых постов — на однопостовые и мно-
гопостовые;
по применению — на общепромышленные и специализирован-
ные.
Классификация по применению сложнее классификации по дру-
гим признакам и требует пояснений. ~
К так называемым общепромышленным относятся источники
питания для ручной дуговой сварки, а также для механизирован-
ной сварки под флюсом. Эти источники предназначены для сварки
низкоуглеродистых сталей толщиной более 1 мм и, как правило,
имеют достаточно простую конструкцию и электрическую схему.
К специализированным относятся источники, предназначенные
для сварки легких металлов и их сплавов, тонкой и особо тонкой
стали всех марок, для особо качественных соединений, работаю-
щие сжатыми и импульсными сварочными дугами, удовлетворяю-
42
щие не только требованиям технологии, но и требованиям высокого
уровня автоматизации процесса, что обеспечивается более широким
применением обратных связей по выходным параметрам, примене
нием источников параметрического типа, применением сложных
современных схем управления выпрямителями, дополнительных
специальных узлов и т ,п. Эти источники по электрическим схемам
и конструкции значительно сложнее общепромышленных.
Для упрощения изложения здесь и далее общепромышленные ,
источники будем называть источниками группы О, специалп—
ванные — группы С.	
Следует добавить, что по ряду npH3HajMg0B межДу группами О и
С нет резко очерченной границы и чт' ^ ПрИ описании конкретных
ипов источников их признаки буг,1цуТ уточняться и дополняться.
ГЛАВА 2
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ
ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ
§ 1. Общие сведения
В настоящей главе рассматриваются однопостовые источники
питания, относящиеся по классификации к группе О и представ-
ляющие собой различной конструкции трансформаторы с падаю-
щими внеГипими характеристиками.
Существует два принципиально отличных пути создания таких
источников. Первый — на основе трансформатора с жесткой внеш-
ней характеристикой. Падающая характеристика источника обеспе-
чивается в этом случае дополнительным включением в цепь дуги
катушки с ферромагнитным сердечником—дросселя (т. е. большо-
го индуктивного сопротивления). Представитель — источник (сва-
рочный трансформатор) типа СТЭ, предназначенный для ручной
сварки плавящимся электродом.
Второй — на основе трансформатора с падающей внешней ха-
рактеристикой, которая обеспечивается созданием различными
способами усиленных магнитных полей рассеяния (т. е. большего
индуктивного сопротивления} самого трансформатора. Представи
тели — сварочные трансформаторы типа ТД для ручной сварки
резки и наплавки плавящимся электродом; стабилизированные сва-
рочные трансформаторы типа ТДФ для механизированной сваркг
под флюсом.
Кроме перечисленных трансформаторов выпускались также
сварочные трансформаторы типа СТН для ручной сварки и типа
ТСД для механизированной сварки под флюсом. Эта группа транс-
форматоров являлась по свойствам смешанной, так как сочетала
как свойства трансформатора типа СТЭ, так и частично свойства
трансформатора типа ТДФ.
43
§ 2. Источник питания типа СТЭ
Источник состоит из двух узлов: трансформатора с жесткой
внешней характеристикой t/2=f (12) и дросселя L с ферромагнит-
ным сердечником.
На рис. 2.1, а приведена функциональная блок-схема, на рис.
& конструкция дросселя, а на 2.1, в — принципиальная элек-
трическая схема источника.
Сердечник дросселя имеет
регулируемый воздушный зазор
и нерегулируемый зазор А,
обусловленный технологией из-
готовления.
Подвижный пакет ПП сер-
дечника дросселя, перемещаю-
Рис. 2.1. Источник питания типа СТЭ:
с— функциональная блок-схема [Uz=
— внешняя характеристика транс-
форматора; U=f(I2) — внешняя характери-
стика источника]; б — конструкция дрос-
селя (Фь — основной магнитный поток
дросселя); в — принципиальная электриче-
ская схеуа
Рис. 2.2. Характеристики источни-
ков питания типа СТЭ и дуги:
1 — жесткая внешняя характеристика
трансформатора; 2,	3 — падающие
внешние характеристики источника при
зазорах дросселя /в2 и /В1 соответст-
венно; 1в2>1В|; 4 — жесткая вольт-ам-
перная характеристика дуги
щийся с помощью рукоятки Р, набран из листов электротехниче-
ской стали.
Дроссель формирует падающие внешние характеристики источ-
ника U2=f(12) (рис. 2.2). С помощью дросселя производится на-
стройка режима, т. е. он является одновременно и регулятором
сварочного тока. Наличие значительной индуктивности в свароч-
ном контуре обусловливает сдвиг кривой тока i2 в сторону отстава-
ния от вторичного синусоидального напряжения и2, чем создаются
условия для устойчивого горения дуги переменного тока. Исполь-
зуя принципиальную электрическую схему источника и пренебре-
гая магнитными полями рассеяния дросселя, замыкающимися че-
44
рез неферромагнитные среды (воздух, изоляционные материалы,
медь обмотки), составим уравнение по второму закону Кирхгофа:
EL=U-YI2RL-U2,	(2.1)
где	—jhxL = —jh2jifL — действующее комплексное значение
э.д.с. дросселя; RL— резистивное сопротивление обмотки дросселя.
Из формулы (2.1) при Rl<^xl получаем
/2=-^2—(2.2)
J*L
При коротком замыкании, когда 17=0, из (2.2)
Лгк =—» ИЛИ ^2к~‘(2-3)
JXL	XL
Зависимость сварочного тока /2 от величины регулируемого
воздушного зазора /в (регулировочная характеристика) приведена
на рис. 2.3. Существенным недостатком дросселя с регулируемым
воздушным зазором является вибрация подвижного пакета вслед-
ствие возникновения силы (рис. 2.4), которая стремится свести
Рис. 2.3. Регулировочные ха-
рактеристики источников
питания типа СТЭ (С/д —
=30 В—номинальное рабо-
чее напряжение дуги)
Рис. 2.4. Схема действия
сил, вызывающих вибра-
ции подвижного пакета
сердечника дросселя
к нулю установленный зазор /в, оторвав подвижный пакет ПП от
неподвижной части сердечника с нерегулируемым зазором Д. Силе
Fi противодействует сила Г2, притягивающая ПП к неподвижной
части сердечника, а также сила Гц, создаваемая прижимным уст-
ройством. Величины сил F\ и F2 пропорциональны квадрату индук-
ции магнитного поля дросселя, которое изменяется во времени с
•частотой напряжения сети 50 Гц. При недостаточной жесткости креп-
ления вибрации подвижного пакета сердечника, происходящие с
-частотой 100 Гц, вызывают изменение установленного зазора 1В, а
следовательно, и режима-сварки. Особенно сильно сказывается из-
менение зазора /в при его малой величине, когда амплитуда коле-
баний вибраций соизмерима с ним. Это влияет на устойчивость
45
процесса сварки, особенно при режимах малых сварочных токов..
Вибрации приводят к разрушению регулировочного механизма и к
выходу из строя дросселя. Из-за значительных эксплуатационных
недостатков и низких технико-экономических показателей источ-
ники типа СТЭ сняты с производства, но они еще имеются в экс-
плуатации на ряде предприятий. Подробное описание источников
приводится в [10, 12].
§ 3. Источники питания [трансформаторы]
с усиленными магнитными полями рассеяния
(магнитный шунт — это
«2
Рис. 2.5. Функциональная
блок-схема трансформа-
тора с усиленными маг-
нитными полями рассеяния
[U2=f (12) — внешняя ха-
рактеристика трансформа-
тора]
Трансформаторы с усиленными магнитными полями рассеяния
делятся на две основные группы: трансформаторы с подвижными
катушками обмоток и трансформаторы с магнитными шунтами
пакет, набранный из листов электротехни-
ческой стали и расположенный в окне
трансформатора на пути силовых линий
полей рассеяния, замыкающихся от стер-
жня к стержню). Последние в свою оче-
редь могут иметь две модификации: с под-
вижным шунтом и с неподвижным шун-
том, подмагничиваемым м. д. с. обмотки,
расположенной на нем.
К трансформаторам с подвижными ка- '
тушками обмоток относятся трансформаг
торы типа ТД, к трансформаторам с по-
движным шунтом — СТШ, с неподвиж-
ным — ТДФ.
Трансформаторы типа СТШ имеют те
же недостатки, что и источники типа СТЭ
в настоящее время с производства сняты.
(см. § 2 данной главы)
Функциональная блок-схема трансформатора с усиленными маг-
нитными полями рассеяния приведена на рис. 2.5. Трансформатор
Т в данном случае выполняет следующие функции: формирует па-
дающую внешнюю характеристику, создает условия для устойчи-
И
вого горения дуги, служит для плавного регулирования сварочно-
го тока в широком диапазоне.
Трансформаторы типа ТД. На примере этих трансформаторов
рассмотрим устройство и принципы работы трансформаторов с уси-
ленными магнитными полями рассеяния.
Катушки обмоток трансформатора (рис. 2.6, а) расположены
иначе, чем у обычного силового трансформатора (рис. 2.6, б).
Первичные и вторичные обмотки разделены на две равные части
W\/2 и ®г/2 каждая; катушки первичной обмотки (в принципе без-
различно какой) закреплены около одного из ярм. Катушки дру-
гой обмотки (в нашем случае вторичной) могут с помощью специ-
ального ходового винта перемещаться вдоль боковых стержней сер-
дечника в пределах расстояния Ь. Из сравнения рис. 2.6, а и б вид-
46
но, что у' силового трансформатора обмотки предельно сближены,
вследствие' чего потоки рассеяния минимальны и внешняя харак-
теристика практически жесткая; у трансформатора же типа ТД
•обмотки разнесены, рассеяние принудительно резко увеличено и
внешняя характеристика падающая.
Основные уравнения. Для облегчения понимания элек-
тромагнитных процессов, происходящих в трансформаторе с усилен-
а)
^,/2
W^/2
S)
Рис. 2.6. Конструкции сер-
дечников и взаимное распо-
ложение обмоток транс-
форматоров:
а — типа ТД; б — силового
иыми магнитными полями рассеяния, на электрической схеме
рис. 2.7 все витки wt первичной обмотки и все витки вторичной
показаны расположенными на одном стержне. Сварочная дуга за-
мещена регулируемым линейным резистором 7?д. Для анализа про-
исходящих явлений необходимо составить три уравнения: для пер-
вичной и вторичной цепей трансформатора и магнитодвижущих сил
на основе закона полного тока. Для составления уравнений необхо-
димо выбрать условные положительные направления напряжений,
токов, э.д.с. и силовых линий магнитных полей. Положительные на-
правления величин, как известно, выбираются произвольно в зави-
симости от принятой при анализе процессов методики. В данной
книге принята традиционная методика [3], при которой условные
положительные направления напряжений, токов и э.д.с. в обмотках
трансформатора выбраны совпадающими; условное положительное
47
направление вторичного напряжения совпадает с условны)/положи-
тельным направлением вторичного тока. Условное положительное
направление магнитного потока в магнитопроводе трансформатора
связано с положительными направлениями токов в обмотках транс-
форматора правилом правого винта.
Если при невключением выключателе S2 включить выключатель
Si и этим подвести к первичной обмотке переменное напряжение utr
то в первичной обмотке пойдет ток ij и м.д.с. первичной обмотки,
равная создаст переменное магнитное поле. Преобладающая
часть силовых линий магнитного поля сосредоточена в ферромаг-
нитном сердечнике, обладающем малым магнитным сопротивлением
по сравнению с окружающей немагнитной средой. Силовые линии
переменного магнитного поля, замыкающиеся по сердечнику и сцеп-
ленные со всеми витками обеих обмоток, называют основным маг-
нитным потоком трансформатора Ф, который, изменяясь во време-
ни, индуктирует в обмотках э.д.с.:
ег = —	d Ф/d /; е2 =—w2d®/d/.	(2.4)
Коэффициент трансформации трансформатора к, равный w\jw2,
может быть записан через отношение э.д.с. обмоток: к=е\1е2.
В режиме холостого хода (S2 не включен, ток 1’2=0) в первичной
обмотке индуктируется э.д.с. самоиндукции а во вторичной —
э.д.с. взаимоиндукции е2. М.д.с. первичной обмотки кроме основно-
го потока создает еще магнитное поле рассеяния, силовые линии
которого замыкаются через неферромагнитные среды. К этим сре-
дам относят воздух, материал обмоток (медь, алюминий), все изо-
ляционные материалы. Магнитное сопротивление неферромагнит-
ных сред в десятки тысяч раз больше магнитного сопротивления
ферромагнитного сердечника. Магнитный поток рассеяния, создан-
ный м.д.с. первичной обмотки в режиме холостого хода, изменяясь
во времени, индуктирует в обмотках трансформатора э.д.с. рассея-
ния, действием которых в режиме холостого хода можно прене-
бречь, так как они пренебрежимо малы по сравнению с eL и е2.
Если включить S2, то под действием э.д.с. е2 в сварочном конту-
ре возникает ток i2, м.д.с. вторичной обмотки i2w2 создает перемен-
ное магнитное поле. Преобладающая часть силовых линий магнитно-
го поля вторичной обмотки замыкается по сердечнику трансформато-
ра. Остальные силовые линии замыкаются через неферромагнитные
среды и представляют собой поток рассеяния. При протека-
нии токов по обеим обмоткам трансформатора основной поток со-
здается результирующей м.д.с. обеих обмоток. При принятых нами
условных положительных направлениях электрических и магнитных
величин результирующая м.д.с. равна
ги'рез=(2.5)
Как известно из электротехники, если э.д.с. возникает при возрас-
тании основного потока, когда dO/d/>0, то м.д.с. вторичной обмот-
ки создает в сердечнике поток, препятствующий возрастанию ос-
новного, а если при убывании dO(/)/d/<0, то создаваемый поток
48
препятствует спаданию основного. Магнитные поля рассеяния, из-
меняясь во времени, индуктируют
рассеяния еа1 и е02:
eoi=-dkWal/dZ;
где Чгс1 и Чго2 — потокосцепления
Для установления матема-
тической зависимости между
£О1 и Lo2 и соответствующими
потокосцеплениями обмоток
изобразим картины магнитных
полей рассеяния для каждой
обмотки раздельно, а затем
применим метод наложения, ко-
торый допустим, если прене-
бречь магнитным сопротивлени-
ем полей рассеяния в сердечни-
ке по сравнению с магнитным
сопротивлением в неферромаг-
нитных средах. Такое допуще-
ние ПОЗВОЛИТ СЧИТаТЬ, ЧТО Фа! и
от токов обмоток зависят
линейно. На рис. 2.8, а показа-
на картина магнитного поля,
созданного только м.д.с. ijWi.
Магнитное поле, создаваемое
вторичной обмоткой, на этом
рисунке не показано. Здесь
Oj — магнитный поток в сер-
дечнике, 4fan — потокосцепле-
ние самоиндукции, 4ra2i — по-
токосцепление взаимоиндукции
(в индексе символа для пото-
косцепления рассеяния первая
цифра указывает, с витками ка-
кой обмотки сцеплены силовые
линии магнитного поля рассея-
ния, а вторая — м. д. с. какой
обмотки создано поле рассея-
ния; так, Чгац обозначает, что
силовые линии магнитного по-
ля рассеяния созданы м.д.с.
первичной обмотки и сцеплены
с витками этой же обмотки, а
Woei созданы м. д. с. первичной
обмотки, а сцеплены с витками
вторичной). В реальном тран-
сформаторе потокосцепление
самоиндукции данной обмотки
в обмотках трансформатора э.д.с.
eo2=-dWa2/d/,	(2.6)
первичной и вторичной обмоток.
49
всегда больше потокосцепления взаимоиндукции. На рйс. 2.8,6 по-
казана картина магнитного поля, созданного м. д. с. iaW2 вторичной
обмотки. Магнитное поле, создаваемое первичной обмоткой, не по-
казано. Здесь Ф2— магнитный поток в сердечнике/Тагг— потоко-
сцепление самоиндукции, ЧЛиг — потокосцепление,взаимоиндукции.
Основной поток Ф, как уже указывалось, создаётся результирую-
щей м. д. с. обеих обмоток.
Картина магнитных полей трансформатора, созданных основным
потоком Ф и потокосцеплениями взаимоиндукции, показана на
рис. 2.8, в.
Результирующие потокосцепления рассеяния связаны с мгновен-
ными значениями токов в обмотках известными зависимостями:
ЧГО1== Aoiij; Чго2=L<ni2,	(2.7)
где Lai и La2 — индуктивности рассеяния обмоток.
Из (2.7) определяются индуктивности рассеяния обмоток:
£о1=®’а1/Л; Дй = ЧГа2/4-	(2.8)
При сделанных допущениях индуктивности рассеяния Loi и La2 яв-
ляются постоянными величинами, не зависящими от значения на-
грузки, т. е. при изменении остаются теми же при фиксирован-
ном расстоянии Ь. Как известно из электротехники, действие э.д.с.
рассеяния учитывается в расчетах и при анализе процессов в транс-
форматоре с синусоидальными входными напряжениями как индук-
тивное сопротивление обмоток трансформатора, обусловленное яв-
лением магнитного рассеяния. Чем больше величины индуктивно-
стей рассеяния Lai и La2, тем больше при тех же величинах токов
и частоты индуктивные сопротивления обмоток:
Xj=шЬл- x2=mLS2,	(2.9)
где <в = 2л/ — угловая частота синусоидального входного напряже-
ния трансформатора.
Для расчета величин Lai и Laz необходимо располагать карти-
ной пространственного распределения магнитных полей рассеяния.
Вывод формул имеется в специальной литературе, посвященной
расчету сварочных,трансформаторов. Для вывода формул, по ко-
торым можно найти величины Lai и Lo2 трансформатора, реальную
картину магнитного поля упрощают, делая ряд допущений. Так, на-
пример, пренебрегают магнитным сопротивлением путей силовых
линий полей рассеяния в стали и учитывают только магнитное со-
противление путей силовых линий в пространстве между обмотками
и в самих обмотках, считая, что на остальных участках неферро-
магнитных сред силовые линии полей рассеяния могут свободно
расширяться (см. выше). Указанные допущения таковы, что вно-
симые ими расхождения вычисленных величин с найденными опыт-
ным путем находятся в пределах, допускаемых для инженерных
расчетов.
Магнитное рассеяние влияет на свойства трансформатора как
в установившемся, так и в переходных режимах. В установившемся
Г>()
режиме величины индуктивных сопротивлений обмоток определяют
форму внешней характеристики трансформатора Uz—ffjz), а в пе-
реходных режимах — поля рассеяния сказываются на величине
мгновенного тора короткого замыкания и на скорости его возраста-
ния. Следует иметь в виду, что силовые линии изменяющегося во
времени поля рассеяния идут по пути наименьшего магнитного
сопротивления и частично замыкаются через имеющиеся вблизи
стальные части конструкции, например близко расположенные стен-
ки стального кожуха трансформатора, стяжные болты и др. В ста-
ли изменяющиеся во времени поля рассеяния индуктируют вихре-
вые токи, вызывающие нагрев и снижающие к.п.д. трансформатора.
Если в трансформаторе устанавливают магнитные шунты на пути
силовых линий полей рассеяния, то индуктированные в шунтах
вихревые токи также вызывают нагрев, из-за чего снижается величи-
на к.п.д. трансформатора.
Уравнения первичной и вторичной цепей. Для
анализа работы трансформатора с усиленными магнитными поля-
ми рассеяния, вывода уравнения внешней характеристики и рас-
смотрения процесса регулирования сварочного тока необходимо
располагать уравнениями цепей обмоток, магнитодвижущих сил и
токов трансформатора. Вначале запишем эти уравнения через
мгновенные значения величин, а затем — в комплексной форме.
Уравнения цепей обмоток составляются по второму правилу Кирх-
гофа. Учитывая выбранные условные положительные направления
электрических величин и обходя (см. рис. 2.7) контуры по условным
положительным направлениям токов, получаем для первичной цепи
Wl= —Cj — ва1-|-(2.10)
где uLl=—еа\—Laidii/dt;	=
Для идеализированного трансформатора * в пределах нагрузки,
не превышающей номинальную, из (2.10) получим
их~ — ег или |W1| = |— ej.	(2.11)
Для такого трансформатора при синусоидальном входном напря-
жении ui = Z71TOsin<o/ на основании (2.4) и (2.11) можно найти за-
кон изменения во времени основного магнитного потока Ф:
Ф=——	(2.12)
J
г
где К — постоянная интегрирования (равная нулю, если отсутству-
ет подмагничивание сердечника дополнительной обмоткой,’ обтека-
емой постоянным током).
Входное напряжение щ в принципе может изменяться во време-
ни по любому закону. Если щ синусоидально, то из (2.12) получим
Ф= — Фт Cos ш1 = Фт sin (wf — л/2).	(2.13)
* Идеализированным здесь и далее будем называть трансформатор, у кото-
рого нет полей рассеяния, нет потерь на нагрев сердечника, сопротивления об-
моток и пренебрежимо малы, трансформация напряжения происходит без
изменения его формы.
51
из (2.19). Форма кривой тока io зависит от свойств ферромагнит-
ного материала сердечника, т. е. от формы петли гистерезиса.
В обычных силовых трансформаторах средней мощности с жест-
кими внешними характеристиками ток i0 при номинальной нагруз-
ке составляет несколько процентов от номинального. Если током io
пренебречь, то коэффициент трансформации можно приближенно
вычислить через отношение токов:
K=w1/w2=e1/e2=|z2/i1|.	(2.20)
На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что
в случае синусоидального первичного напряжения у трансформато-
ТРис. 2.10. Электрическая схема цепей
трансформатора с усиленными магнит-
ными полями рассеяния:
S — выключатель цепи нагрузки
ра с усиленными магнитны-
ми полями рассеяния не
только основной магнитный
поток Ф, но и индуцирован-
ные им э.д.с. и токи в обмот-
ках несинусоидальны.
В литературе при иссле-
довании процессов в транс-
форматорах применяют ком-
плексные числа и строят век-
торные диаграммы, что воз-
можно лишь при замене не-
синусоидальных электриче-
ских величин эквивалентны-
ми синусоидальными с рав-
ными действующими значениями [3]. На рис. 2.10 приведена элект-
рическая схема цепей трансформатора с усиленными магнитными
полями рассеяния. На схему нанесены условные положительные на-
правления электрических величин, записанных в комплексной фор-
ме. Дуга заменена резистивным линейным сопротивлением /?д.
Уравнение (2.10) для первичной цепи в комплексной форме за-
писи имеет вид
Л/?!,	(2.21)
где Ё1 — комплексное действующее значение э.д.с. первичной об-
мотки. Модуль
(2.22)
ЁО1=—jxili, a Xi = (oLai — индуктивное сопротивление первичной
обмотки, обусловленное полем рассеяния. Из (2.21) можно полу-
i7i= —	1 (Z?i -j- jxx) =	(2.23)
где _Zi — полное комплексное сопротивление первичной цепи, мо-
дуль которого
Zl = \ZY\ = V^ + xt-
(2.24)
54
Уравнение (2.14) для вторичной цепи трансформатора в ком-
плексной форме записи
£2={7д-£о2+72/?2,	(2.25)
где Сл=^С2, а Ёг— комплексное действующее значение э.д.с. вто-
ричной обмотки. Модуль
|£2|=4,44/™2Фт.	(2.26)
ЁО2=—/х2/2, а х2=(о£а2 — индуктивное сопротивление вторичной
обмотки, обусловленное полем рассеяния. Из (2.25) получим урав-
нение вторичной цепи
• £2=^д+/2(/?24-;х2)=^д+/2г2,	(2.27)
где Z2— полное комплексное сопротивление вторичной цепи, мо-
дуль которого
Z2=1Z2| = 1/^+4.	(2.28)
Пользуясь формулами (2.22) и (2.26), коэффициент трансфор-
мации, записывают как отношение действующих значений э.д.с. об-
моток:
e=Wi/w2=£1/£2.	(2.29)
Из уравнения (2.27) можно получить уравнение внешней характе-
ристики трансформатора в комплексной форме записи
-/2 (/?2+/х2)=£2 - /2Z2.	(2.30)
Так как /?2<§Сх2, то
йЛ=Ё2-.ji2x2.	(2.31)
Схема замещения. У реального трансформатора с усилен-
ными магнитными полями рассеяния всегда Wi=^w2, Е\^Е2 и £Л>
>П2. Обмотки, находясь на общем сердечнике, имеют только маг-
нитную связь. Для анализа электромагнитных процессов в транс-
форматоре и для расчетов электрических схем с трансформаторами
магнитную связь между обмотками заменяют электрической связью,
что чрезвычайно упрощает анализ процессов и расчеты схем. Ре-
альный трансформатор заменяют схемой замещения. Из теории
трансформаторов известно, что переход от магнитной связи между
обмотками к электрической справедлив при любой форме кривой
первичного напряжения иь в том числе и при синусоидальной. На
рис. 2.11, а изображена Т-образная схема замещения сварочного
трансформатора. Дуга на схеме замещения заменена резистивным
линейным сопротивлением 7?д. При использовании схемы замеще-
ния необходимо все электрические величины (напряжения, токи,
э.д.с.) и параметры, относящиеся к одной из обмоток, приводить к
другой по формулам приведения. В теории трансформаторов элек-
трические величины и параметры вторичной обмотки и нагрузки
приводят к первичной. Приведенные электрические величины и па-
раметры записывают теми же буквами, что и для реального транс-
форматора и его нагрузки, но со штрихом, например ток //, напря-
жение на дуге сопротивления R2, Rn и т- Д-
Участок схемы замещения (рис. 2.11, а) между точками т и п,
где идет ток /0, называют намагничивающим контуром. Ток /0 име-
ет активную составляющую /Оа и реактивную /ор [3]. Составляющая
/оа обусловлена потерями в стали сердечника, а /Ор необходима для
создания основного магнитного потока трансформатора. При
^д'=оо ток /2'=0, а ток /1 является током первичной обмотки в
режиме холостого хода.
Рис. 2.11. Схемы замещения трансформатора типа ТД:
а — Т-образная; б — упрощенная
Приведение заключается в том, что реальный сварочный транс-
форматор с коэффициентом трансформации к=# 1 заменяют приве-
денным трансформатором, у которого к = 1 при w2'=wt, где w2 —
число витков вторичной обмотки приведенного трансформатора.
При приведении и выводе формул соблюдают следующие условия:
м.д.с. приведенной обмотки принимают равной м.д.с. обмотки реаль-
ного трансформатора; приведенный трансформатор считают экви-
валентным реальному в энергетическом отношении; падения напря-
жений в приведенной обмотке составляют тот же процент от э.д.с.,
наводимой основным магнитным потоком при номинальном токе,
что и в реальном трансформаторе.
Если пренебречь током /0, то от Т-образной схемы замещения
можно перейти к упрощенной, Это в принципе возможно, так как у
трансформаторов с усиленными магнитными полями рассеяния ток
/о в режиме холостого хода составляет не более 10% от тока при
номинальной нагрузке. На рис. 2.11, б изображена упрощенная
схема замещения. Как следует из этой схемы, активное сопротив-
ление трансформатора
Як=Я14-/&
Индуктивное сопротивление трансформатора
*к = *1 + *2.
(2.32)
(2.33)
56
Полное сопротивление трансформатора
zK=V Rl+xl	(2.34)
Величины RK, хк и zK определяются по данным опыта короткого
замыкания и поэтому называются параметрами короткого замыка-
ния трансформатора. Опыт короткого замыкания у силовых транс-
форматоров с жесткой внешней характеристикой, как известно, про-
водится при пониженном напряжении на первичной обмотке, вы-
бираемом так, чтобы в обмотках трансформатора протекали номи-
нальные токи [3].
Другую упрощенную схему замещения, называемую Г-образной
£3], для анализа процессов, происходящих в трансформаторе с уси-
ленными магнитными полями рассеяния, применять не следует,
так как упрощение основывается на допущении, что /^1=0 [см.
формулу (2.23)], что дает значительные погрешности из-за большой
величины индуктивного сопротивления хь
Векторная диаграмма. Как известно, векторная диа-
грамма является наглядной иллюстрацией работы трансформатора.
Строится векторная диаграмма для синусоидальных электрических
величин (напряжений, токов, э.д.с.) по уравнениям цепей транс-
форматора, записанных в комплексной форме формулами (2.23),
(2.27). Для построения диаграммы необходимо знать напряжение
на дуге Ua и ток дуги /2, величины резистивных (7?i, R%), индуктив-
ных (%i, х2) сопротивлений, коэффициент трансформации к, угол а
потерь в стали сердечника, величину тока 10. Предварительно все
величины, входящие в уравнение (2.27), необходимо пересчитать
по формулам приведения. Пересчет необходим для того, чтобы поль-
зоваться одним масштабом при построении векторов обеих цепей
трансформатора. При значительных величинах к построение диа-
граммы будет затруднительным, а она сама — не наглядной. После
пересчета уравнение (2.27) записываем в приведенных величинах
так:
Ё =U'K + /И^2 + Аг)>	(2-35)
где &R—напряжение на дуге; х2 =2nfLa2K2\ Т.о2 — индуктивность
рассеяния вторичной обмотки, обусловленная магнитным полем рас-
сеяния, сцепленного с витками вторичной обмотки. При построении
векторной диаграммы несинусоидальный ток /0 трансформатора за-
менен эквивалентным синусоидальным. На диаграмме вектор тока
7 о (рис. 2.12) опережает вектор амплитуды основного магнитного
потока на угол а (угол потерь в стали, равный 5—8°).
Построение векторной диаграммы трансформатора начинают
либо с вектора амплитуды Ф,Г1 основного магнитного потока, распо-
лагая его по горизонтальной оси, либо с вектора Од' *. На рис. 2.12
построение начато с вектора 77/, направленного от точки 0 верти-
* Если построение диаграммы начинать с вектора Фи, то необходимо знать
кроме всех указанных величин величину угла между векторами Ё2 и 12.
57
Рис. 2.12. Векторная диаграм-
ма трансформатора типа ТД
кально вниз. Вектор тока дуги 12 совпадает по фазе с вектором {7ДЛ.
По уравнению (2.35) найдем вектор Ё2, что определит направле-
ние вектора Фт, который опережает вектор Ё2 на угол л/2. Вектор
тока /о (его составляющие /Оа и70р на рис. 2.12 не показаны) опере-
жает вектор Фт на угол потерь в стали а. Для нахождения вектора
{71 следует использовать уравнение
(2.23). Из соображений большей на-
глядности диаграммы величины век-
торов падений напряжений в обмот-
как трансформатора сильно увели-
чены.
Рассмотрим, что происходит при
росте потребления мощности на ду-
ге при неизменном напряжении. Ток
12 возрастает При Щ =const тран-
сформатор станет получать из сети
большую мощность за счет увели-
чения тока У]. Возрастает при этом
падение напряжения в первичной об-
мотке 71^1, что происходит за счет
увеличения Цх^. Активное падение
напряжения hRi тоже возрастает,
но его величина ничтожно мала по
сравнению с I\Xi. Вследствие посто-
янства 771 и возрастания Цгх не-
сколько уменьшается э.д.с. Ь'ь что
свидетельствует по соотношению (2.22) об уменьшении основного
потока и его амплитуды Фт- Е2 также уменьшается, так как свя-
зана с Е\ соотношением (2.29), что при росте 72x2 ведет к увеличе-
нию I2z2. Напряжение 77д с ростом тока 12 уменьшается. Внешняя
характеристика становится падающей (рис. 2.13, а). При замыка-
нии вторичной цепи сварочного трансформатора накоротко
(7?д=0) ток 12 достигает наибольшего значения, равного 7Й(. В этом
случае отношение IzkUzs— 1,24-1,3 при 772=30 В; у силовых транс-
Рис. 2.13. Виды внешних характеристик трансформаторов:
а — падающая сварочного трансформатора типа ТД; б — жесткая —-
силового
58
форматоров с жесткой внешней характеристикой (рис. 2.13, б)
/tXi и 12х2 сведены к минимуму; с ростом 72 в пределах, не превы-
шающих, номинальную нагрузку, э.д.с. Е2 и Ei остаются практиче-
ски постоянными; при коротком замыкании вторичной цепи такого
трансформатора отношение /2к//2н—12-.-20.
Коэффициент мощности и к.п.д. Большие индуктивные
сопротивления обмоток трансформато-
ров с усиленными магнитными полями
рассеяния приводят к большим индук-
тивным падениям напряжения, низко-
му коэффициенту мощности и большо-
му потреблению реактивной мощности
из сети.
Действительно, если вернуться к
векторной диаграмме (см. рис. 2.12),
то можно видеть, что угол cpi велик,
cos (pi мал (практически при нагруз-
ках, близких к номинальным, coscpj —
— 0,54-0,55, а при холостом ходе
cos cpi =-0,14-0,12) и Qi = UlIlsin <p( зна-
чительна при большом sin фр
Для увеличения coscpi и компенса-
ции реактивной мощности параллель-
но первичной обмотке в некоторых ти-
пах трансформаторов включают емкости
фициента мощности транс-
форматора от коэффициен-
та нагрузки
в виде конденсаторных ба-
тарей, обеспечивающих coscpi^0,8. На рис. 2.14 приведена зависи-
мость coscpi от коэффициента нагрузки р:
₽ = Л/Лн~/2//2н-
(2.36)
При проектировании сварочных трансформаторов стремятся по-
лучить максимальное значение к.п.д. для всего диапазона рабочих
нагрузок. К-П.д. сварочного трансформатора
=	(2.37)
где Ря — мощность сварочной дуги, a Pi — Uih cos <pi =Si cos <pi —
активная мощность, потребляемая трансформатором из сети. Про-
изведение действующих значений первичного напряжения и первич-
ного тока называют полной первичной мощностью трансформатора
и обозначают буквой Si. Полная мощность измеряется в киловольт-
амперах. Из выражения (2.37) следует, что
Рд = 'f}P1 — Т] COS фр?»! = £.?>!.	(2.38)
Коэффициент c=T]COS(pi называют коэффициентом использования
полной мощности сварочного трансформатора. При cos <pi^0,55 ко-
эффициент с невысок (0,3—0,5). Улучшить с можно, повышая cos <pi
(см. выше).
Выражение для к.п.д. (2.37) можно написать иначе, если подста-
вить вместо Рп и Pt их значения. Мощность сварочной дуги равна
Ря=ид12\,	(2,39)
59
где бд=0,854-0,95 учитывает снижение активной мощности дуги
из-за искажения форм кривых тока и напряжения на дуге по срав-
нению с синусоидой. Коэффициент бд тем меньше, чем сильнее ис-
кажение. Активная мощность, потребляемая из сети,
Рг=и,Ц СО5<Р1=РЯ + ДРО6М + ДРс4-ДРяо6, (2.40)
где АРобм=Л2Р1+/22Р2 — потери на нагрев обмоток; АРС— потери
на нагрев стали сердечника трансформатора от вихревых токов и
от перемагничивания; АРДОб — добавочные потери на нагрев кожуха
и других конструктивных элементов трансформатора из-за вихре-
вых токов, индуктируемых усиленными полями рассеяния. Эти по-
тери составляют около 3% от Рп. С учетом сказанного выражение
(2.37) примет вид
__ бАд/гЭд
Uili cos
На рис. 2.15 приведена зависимость к.п.д. от коэффициента на-
грузки р. Наибольшее значение т] имеет при р « 0,5. При некотором
дальнейшем увеличении нагрузки т] мало изменяется, а затем резко-
снижается.
Регулирование сварочного тока. Пользуясь упро-
щенной схемой замещения сварочного трансформатора (см. рис.
2.11, б), получим выражение для комплексного действующего зна-
чения приведенного сварочного тока 12, равного току Д:
•	Ui — U’9	Ui — U'
h = Ii =--------------------=--------5, (2.41)
(У?1 + Л?2) + J (-*i + -^2)	(^i + Р?) + I (•*! + xz)
где бг2,=бгд/=/1/?д/ — комплексное действующее значение напря-
жения на выходных выводах сварочного трансформатора, подводи-
мое к разрядному промежутку.
Сумма резистивных сопротивлений обмоток (7?i+7?2/) пренебре-
жимо мала по сравнению с суммой индуктивных (Х|4-х2/). Следо-
вательно, при коротком замыкании сварочного контура ток
Учитывая, что k=Wi]w2^I2II\ и переходя к модулям векторов Uj
и /[к, получаем
/2К = —.	(2.43)
W2 (Х1 + х2)
Из выражения (2.43) видно, что сварочный ток в трансформато-
рах с усиленными магнитными полями рассеяния можно регулиро-
вать за счет изменения следующих величин: подводимого к пер-
вичной обмотке напряжения t7i; чисел витков обмоток; индуктив-
ных сопротивлений обмоток.
60
У рассматриваемых трансформаторов регулирование сварочно-
го тока комбинированное: ступенчатое и плавное. На рис. 2.16 при-
ведены внешние характеристики трансформаторов типа ТД
(ТД-500), представляющие режимы больших БТ и малых МТ то-
ков, т. е. режимы, получаемые при ступенчатом регулировании (две
Рис. 2.15. Зависимость
к. п. д. трансформатора от
коэффициента нагрузки
трансформаторов типа ТД-500 дли ре-
жимов больших (БТ) и малых (МТ)
токов
ступени). Осуществляется ступенчатое регулирование одновремен-
ным переключением катушек первичной I и вторичной II обмоток
с параллельного на последовательное (рис. 2.17). Параллельное
соединение соответствует режиму больших, а последовательное —
малых токов. При последовательном соединении часть витков пер-
Рис. 2.17. Схемы переключения ка-
тушек первичной (/) и вторичной
(II) обмоток при ступенчатом ре-
гулировании сварочного тока:
а — ступень больших токов; б — сту-
пень малых токов
Рис. 2.18. Зависимость на-
пряжения холостого хода
трансформатора типа ТД
от расстояния b между ка-
тушками обмоток
61
вичной обмотки отключается (на рис. 2.17 не показано) и напряже-
ние холостого хода трансформатора повышается, что благоприятно
оказывается на стабильности горения дуги на малых токах. При
номинальном входном напряжении £/1н величина вторичного напря-
жения при холостом ходе U2x.* для данной ступени регулирования
зависит от расстояния b между катушками обмоток. При Ь=0 на-
пряжение на 3—5%
Нис. 2.1 у. характеристи-
ки трансформатора ти-
па ТД:
1 — регулировочная; 2 — за-
висимость индуктивного со-
противления хк от расстоя-
ния b между катушками об-
моток
выше, чем при Ь—Ьмакс (рис. 2.18).
Для того чтобы напряжение холостого
хода (приближенно t/2x.x~fA-w2/®i) не
уменьшилось, что ухудшило бы условия
возбуждения дуги, в трансформаторе пре-
дусмотрено отключение части витков пер-
зичной обмотки при переключении на
эежим малых токов. Ступенчатое регули-
рование сварочного тока нельзя произво-
дить под нагрузкой, необходимо транс-
форматор отключать от сети, что являет-
ся определенным эксплуатационным не-
достатком. Плавное регулирование сва-
рочного тока в пределах установленной
ступени осуществляется изменением рас-
стояния b между катушками обмоток.
При повороте по часовой стрелке ру-
коятки ходового винта (см. выше) про-
исходит сближение катушек и сварочный
ток увеличивается, кри повороте рукоят-
ки в обратную сторону — ток уменьшает-
ся (шкала сварочного тока расположена
на крышке кожуха трансформатора),
шкалы составляет 7,5% от максималь-
Точность показаний
ного тока. На рис. 2.19 дана кривая зависимости индуктивного
•сопротивления хк трансформатора от расстояния b между катуш-
ками обмоток. На том же рисунке приведена регулировочная ха-
рактеристика для данной ступени регулирования /2=[(Ь) при UR=
=const.
Трансформаторы с подвижными катушками обмоток выпуска-
ются в передвижном (ТД-300, ТД-500, ТД-502) и переносном
{ТД-306, ТД-102) исполнениях, причем переносные предназначены
для работы с более низкими значениями ПН %, т. е. для сварки ко-
роткими швами с большими паузами.
Технические данные трансформаторов типа ТД приведены
в табл. 2.1.
Основными недостатками трансформаторов с подвижными ка-
тушками обмоток являются: а) трудность надежного крепления
подвижных катушек, на которые действуют ‘значительные силы,
пульсирующие с частотой 100 Гц и приводящие к преждевременно-
му разрушению регулировочного механизма; б) необходимость пе-
ремещения катушек вдоль осей стержней трансформатора для плав-
ного регулирования сварочного тока, что увеличивает габариты и
Таблица 2.i
Технические данные	Тип трансформатора				
	ТД-300	ТД-500	ТД-502	ТД-102	ТД-306
Климатическое исполнение, категория размещения		У2, Т2	У2, Т2	У2	У2	У2
Нижнее значение температу- ры окружающего воздуха, “С	—40	—40	—40	—40	—40
Номинальный	сварочный ток, А		315	500	500	160	250
Пределы регулирования сва- рочного тока, А		0—365	100—560	100—560	55—175	90—300
Режим работы, ПН % . . - Продолжительность цикла,	60	60	60	20	30
сварки, мин		5	5	5	5	5
Номинальное рабочее на- пряжение, В		32	40	40	26,4	30
Напряжение холостого хода, В, не более 		80	80	80	80	80
Номинальное напряжение пи- тающей сети, В		220, 380	220, 380	220, 380	220, 380	220, 380
. Первичная мощность, кВ-А	20,5	32	26,5	11,4	19,4
1 К. п. д., %		88	85	85	72	72
Габаритные размеры, мм	620Х	570Х	780Х	290Х	370X
	Хб92х	Х720Х	Х720Х	Х435Х	Х630Х.
	Х710	Х835	Х835	Х535	Х585
Масса, кг, не более ....	140	210	240	38	71
массу трансформатора; в) возникновение добавочных потерь из-за
полей рассеяния в кожухе и других конструктивных элементах
трансформатора, что требует увеличения расстояния между об-
мотками и кожухом, снижает к.п.д. и ведет к увеличению габарит-
ных размеров трансформатора.
Стабилизированные сварочные трансформаторы типа ТДФ
с неподвижным магнитным шунтом. В основу конструкции транс-
форматоров этого типа положен стержневой трансформатор с уве-
личенными магнитными потоками рассеяния, которые обеспечива-
ются специальным размещением обмоток.
На рис. 2.20 приведены конструкция сердечника и размещение
обмоток. Сердечник неподвижного магнитного шунта, предназна-
ченного для уменьшения сопротивления магнитным потокам рассея-
ния, т. е. для регулирования сварочного тока (см. ниже), распо-
ложен в окне сердечника трансформатора, перпендикулярно его
боковым стержням и делит окно на два —аир. Между стержнями
и шунтом имеются нерегулируемые воздушные зазоры А. На боко-
вых стержнях расположены первичная Wi и вторичная w2 обмотки.
Первичная расположена у нижнего ярма НЯ. Вторичная обмотка
состоит из двух: основной w2₽, расположенной у верхнего ярма ВЯ,
и дополнительной ге>2а— у нижнего ярма НЯ.
63
Обмотки w2a и w2fi включены последовательно и согласно, сле-
довательно,
е2—
(2.44)
Эта суммарная э.д.с. определяет величину сварочного тока.
Кроме основного магнитного потока Ф в магнитной системе име-
ется поток рассеяния Фо, замыкающийся через нерегулируемые
воздушные зазоры А и сердечник
ф	в я	шунта. Магнитный поток Фш, созда-
ваемый м.д.с. Wmly обмотки шунта
при питании ее током /у, замыкается
в сердечнике шунта, не проходя че-
рез зазоры А (см. рис. 2.20). Таким
Рис. 2.20. Конструкция сердечника
и размещение обмоток трасфор-
матора типа ТДФ:
ВЯ, НЯ — соответственно верхнее и
нижнее яРма« МШ сердечник маг-
нитного шунта; ОШ — обмотка шуита
Рис. 2.21. Внешние характери-
стики трансформатора типа
ТДФ для режимов больших
(БТ) и малых (МТ) токов
образом, изменяя величину тока /у, можно менять магнитное со-
стояние сердечника шунта, что в конечном счете дает возможность
изменять Фо, Ф, э.д.с. е2 и сварочный ток.
На рис. 2.21 приведены внешние характеристики трансформа-
тора.
Трансформаторы имеют ступенчатое регулирование сварочного
тока 12, которое осуществляется в две ступени переключением вит-
ков вторичной обмотки. При переходе со ступени малых токов МТ
«4
На ступень больших токов БТ часть витков обмотки о>2₽ отключает-
ся и подключается часть витков обмотки w2a- При таком переклю-
чении уменьшаются индуктивные сопротивления обмоток и свароч-
ный ток увеличивается. Плавное регулирование тока в пределах
Каждой ступени осуществляется изменением тока /у. Регулировоч-
ная характеристика /2=/(/у) для одной ступени регулирования при
Пд=const приведена на рис. 2.22.
Описанный трансформатор имеет ряд недостатков:
так как ток /у достаточно велик, то источник питания обмотки
должен иметь большую мощность при плавном регулировании
Рис. 2.22. Вид регулиро-
вочной характеристики
одной ступени регулиро-
вания трансформатора
типа ТДФ
Рис. 2.23. Функциональная блок-схе-
ма стабилизированного трансформа-
тора типа ТДФ:
Т — стержневой трансформатор с непо-
движным магнитным шунтом; РТ — регу-
лятор тока; ТРТ — тиристорный регулятор
тока; СФУ — блок системы фазового уп-
равления; БУ блок управления; ВА —
блок вспомогательной и защитной аппа-
ратуры
ыходного тока. Это чрезвычайно усложняет дистанционное управ-
ение при эксплуатации, увеличивает габариты шунта и трансфор-
атора в целом. У трансформатора при этом оказываются очень
изкими коэффициенты усиления по току (fej=/2//y^75) и по мощ-
ости (kp=PjJPyzSi50y,
отсутствует стабилизация режима от изменений величины на-
ряжения сети;
отсутствует стабилизация режима от изменений величины 1У,
вязанных с нагревом обмотки при работе.
В реальных трансформаторах для обеспечения удобства дистан-
f ионного регулирования /у и стабилизации установленного режима
водится специальный регулятор тока. Функциональная блок-схема
стабилизированного трансформатора приведена на рис. 2.23. Вве-
дение в схему регулятора тока, охваченного обратными связями по
65
напряжению сети и по изменению сопротивления обмотки ге>ш, по-
зволяет стабилизировать устанавливаемые режимы и обеспечивать
дистанционное регулирование 1У (и, следовательно 12), затрачивая
незначительную мощность на управление. Это улучшает эксплуа-
тационные свойства трансформатора и повышает его технико-эко-
номические показатели (^<«2000; kpfalOOO).
Величины номинального вторичного напряжения U2H в зависи-
мости от величины сварочного тока /2 определяются по следующим
эмпирическим формулам: U2s=204-0,04 /2 при /2<600 А; U211=
=50+0,0062512 при /2>600 А.
Трансформаторы типа ТДФ промышленностью выпускаются в
двух исполнениях (ТДФ-1001 и ТДФ-1601), рассчитанных на про-
должительный режим работы при принудительном воздушном ох-
лаждении.
Технические данные трансформаторов представлены в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Технические данные	Тип трансформатора	
	ТДФ-1001	ТДФ-1601
Климатическое исполнение, категория разме- щения 	 Нижнее значение температуры окружающего воздуха, °C	 Номинальный сварочный ток, А	 Пределы регулирования сварочного тока, А Режим работы, ПН %	 Пределы регулирования рабочего напряже- ния, В . . . 		 Напряжение холостого хода, В, не более . Номинальное напряжение питающей сети, В Первичная мощность, кВ-А	 К. п. д., %	 Габаритные размеры, мм	 Масса, кг, не более		УЗ, ТЗ —10 1000 400—1200 100 36—44 80 220, 380 82 87 830X1200X1200 720	УХЛ4 +1 1600 600—1800 100 50—60 НО 380 182 88 830X1200X1200 1000
Трансформаторы типа СТН*. Трансформаторы этого типа, также
как и трансформаторы типа ТСД *, относятся, как указывалось вы-
ше, к источникам питания с подвижными частями сердечников и бу-
дут рассматриваться совместно.
Сердечники трансформаторов и расположение обмоток пред-
ставлены на рис. 2.24, а (СТН) и б (ТСД). Оба сердечника имеют
боковые стержни, нижние НЯ и средние СЯ ярма. Сердечник СТН
имеет также верхнее ярмо ВЯ и подвижный пакет ПП, между ко-
торыми имеется регулируемый воздушный зазор 1Ь\ сердечник ТСД
* Предложены в 1924 году акад. В. П. Никитиным.
66
имеет только подвижный пакет 7777, который отделен от боковых
стержней регулируемыми воздушными зазорами 1ь12-\-1ъ1%.
У обоих типов трансформаторов первичные Wi и вторичные w2
обмотки расположены на боковых стержнях в виде коаксиальных
цилиндрических катушек. Оба типа трансформаторов имеют так
называемую реактивную обмотку wL, расположенную, как пока-
зано на рис. 2.24, а, б, и включенную последовательно и встречно
СО ВТОРИЧНОЙ W2-
Основной магнитный поток Фь создаваемый м.д.с. IiWi, замыка-
ется в основном через СЯ, и лишь незначительная его часть замы-
кается через ВЯ и 7777. Магнитный поток Ф2, создаваемый м.д.с.
72ш2, замыкается так же, как поток Фь Магнитный поток Ф1 от
м.д.с. 72о>ь замыкается в основном через СЯ и регулируемый воз-
душный зазор 1ь-
Рис. 2.24. Конструкции сердечников и расположение обмоток трансформаторов:
в —CTH; б—тсд
Регулирование тока 72 осуществляется плавным изменением ве-
личины 1ь, т. е. изменением магнитного потока фь и, следовательно,
магнитного состояния СЯ. Регулировочные характеристики приве-
дены на рис. 2.25. Для обеспечения регулирования должны быть
выполнены следующие условия: 1) в любой момент времени С Я не
должно насыщаться; 2) воздушный зазор 1ь должен находиться
внутри катушки обмотки wL, что расширяет диапазон регулирова-
ния; 3) величина 1ъ должна быть наименьшей, что необходимо
для регулирования, так как чем больше 1Ь, тем сильнее оказывается
явление выпучивания силовых линий магнитного поля в зазоре, что
при больших зазорах может привести к нарушению линейности за-
висимости 72=f(/b) и снижению эффективности регулирования.
Для выполнения первого условия обмотка Wl, как сказано выше,
включается встречно обмотке w2; при этом поток Фь в СЯ всегда
3*
67
направлен встречно суммарному потоку Ф1+Ф2 и СП не насыща-
ется. Второе условие выполняется расположением катушек, как
показано на рис. 2.24, а, б. Третье условие выполнено в трансфор-
маторах типа ТСД, в которых зазор заменен двумя последователь-
ными (см. выше) одновременно регулируемыми зазорами 1ь/2.
Трансформаторам типа СТН свойственны те же эксплуатацион-
ные недостатки, что и источникам питания типа СТЭ (см. § 1 на-
стоящей главы), так как регулирующий узел и схема воздействия
сил на ПП у него такие же (см. рис. 2.1). У выпускаемого промыш-
ленностью трансформатора СТН-450 регулирование тока осущест-
вляется рукояткой вручную.
В трансформаторах ТСД схема воздействия сил на ПП иная:
отсутствуют силы, заставляющие ПП перемещаться параллельно
торцам боковых стержней, на ПП действует сила тяжести, направ-
Рис. 2.25. Вид регулиро-
вочных характеристик
трансформаторов СТН и
ТСД
Рис. 2.26. Вид внешних характеристик
трансформаторов СТН и ТСД
ленная в сторону уменьшения воздушного зазора. Для предупреж-
дения вибраций и перекосов перемещение ПП осуществляется с по-
мощью двух синхронно вращающихся винтов.
Вторичное напряжение холостого хода трансформаторов СТН
и ТСД имеет две ступени, для установления которых у СТН имеют-
ся дополнительные витки обмотки йу2, а у ТСД секционирована об-
мотка W{. К переключениям на повышенное напряжение холостого
хода рекомендуется прибегать при значительных снижениях напря-
жения питающей сети, при больших падениях напряжения в длин-
ных соединительных проводах и при режимах малых токов тля по-
вышения устойчивости процесса сварки.
Вид внешних характеристик трансформаторов СТН и ТСД при-
веден на рис. 2.26, а их технические данные — в табл. 2.3 (транс-
форматоры СТН-500, СТН-700 и ТСД в настоящее время не выпус-
каются, но имеются в эксплуатации на ряде предприятий).
Подробно трансформаторы СТН и ТСД описаны в [10, 12].
68
Таблица 2.3
Технические данные	Тип трансформатора					
	СТН-450	СТН-500	CTH-700	ТСД-500	ТСД-1000	ТСД-2000
Номинальный сва рочный ток, А . . .	450	500	700	500	1000	2000
Пределы регулиро- вания сварочного то- ка, А 		120—500	150—700	200—900	200—600	400—1200	800—2200
Режимы работы, пн%		65	65	60	60	60	50
Продолжительность цикла сварки, мии . .	5	5	5	10	10	10
Номинальное рабо- чее напряжение, В . .	30	30	30	40	42	42
Напряжение холо- стого хода, В . . .	1—70,	30	60	80	69—78	72—84
Номинальное на- пряжение питающей сети, В		11—90 220, 380	220, 380	220, 380	220, 380	220, 380	220, 380
Первичная мощ- ность, кВ-А		30	33	43,5	42	76	180
К. п. д, % . . . .	85	85	85	87	90	90
Габаритные раз- меры, мм		827Х	796Х	796Х	950Х	950Х	1050Х
	Х410Х	Х410Х	Х429Х	Х818Х	Х818Х	Х900Х
	Х835	Х840	Х840	Х1250	Х1215	Х1300
Масса, кг, не более	320	270	380	450	534	550
ГЛАВА 3
СВАРОЧНЫЕ ОДНОПОСТОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ
§ 1.	Общие сведения
В настоящее время в качестве источников питания сварочной
дуги постоянным током применяются сварочные выпрямители и
вращающиеся электромашинные преобразователи и агрегаты. В на-
стоящей главе рассматриваются однопостовые сварочные выпрями-
тели группы О (вращающиеся электромашинные преобразователи
и агрегаты — в гл. 4).
Сварочные однопостовые выпрямители — это статические преоб-
разователи энергии трехфазной сети переменного тока в энергию
выпрямленного тока, используемую для дуговой сварки. Они ис-
пользуются для питания дуги при ручной дуговой сварке штучными
электродами, при механизированной сварке под флюсом и при
сварке плавящимся электродом в среде углекислого газа.
Первые промышленные сварочные выпрямители с полупровод-
никовыми вентилями появились за рубежом в конце 30-х годов. Раз-
69
работкой сварочных выпрямителей в СССР стали заниматься поз-
же, что объясняется отсутствием в то время вентилей отечественного
производства со свойствами, удовлетворяющими условиям рабо-
ты в установках для дуговой сварки. В дальнейшем быстрое разви-
тие производства полупроводников и, как следствие, снижение их
стоимости создали возможности для увеличения выпуска свароч-
ных выпрямителей. В настоящее время в СССР сварочные выпря-
мители разработаны для всех основных способов дуговой сварки,
включая сварку в среде защитного газа, при пониженном давлении
среды, сварку сжатой и импульсной дугами.
§ 2.	Функциональные блок-схемы
Типовая функциональная блок-схема сварочного выпрямителя
с падающими и жесткими внешними характеристиками для сварки
плавящимся электродом приведена на рис. 3.1, а.
Рис. 3.1. Сварочный выпрями-
тель с падающими и жесткими
внешними характеристиками:
а — типовая функциональная блок-
схема; Т — силовой трехфазный по-
нижающий трансформатор, РТ —
регулятор тока, PH— регулятор на-
пряжения, V — силовой выпрями-
тельный блок, Ад — линейный дрос-
сель; б — кривые изменения сва-
рочного тока во времени при воз-
буждении дуги; 1 — без дросселя,
2 — с дросселем
Трансформатор ,Г предназначен для преобразования энергии,
получаемой от силовой сети, в энергию, необходимую для процесса
сварки. Кроме того, с помощью этого трансформатора осуществля-
ется согласование величин напряжений сети с выходным напряже-
нием. Обмотки трансформатора обладают малыми индуктивными
сопротивлениями; внешняя характеристика трансформатора жест-
кая.
Регуляторы РТ (или PH) предназначены для формирования па-
дающей или жесткой внешней характеристики выпрямителя. С их
помощью устанавливается требуемый режим сварки и соответст-
вующая величина сварочного тока.
Выпрямление переменного напряжения происходит в блоке V,
схема выпрямления которого определяет [5, 13] частоту пульсаций
выпрямленного напряжения.
70
В силовых выпрямительных блоках сварочных однофазных вы-
прямителей применяют трехфазную мостовую схему выпрямления,
дающую шестифазные пульсации выпрямленного напряжения с час-
тотой пульсации 300 Гц. Выпрямитель, собранный по этой схеме,
равномерно загружает трехфазную силовую сеть и имеет достаточ-
но высокие технико-экономические показатели. Однофазные одно-
и двухполупериодные схемы выпрямления в силовых блоках сва-
рочных однопостовых выпрямителей не применяются из-за значи-
тельных пульсаций вы-
ходного напряжения,
которые отрицательно
сказываются на качест-
ве сварного, соедине-
ния.
Сердечник линейно-
го дросселя имеет воз-
душный зазор, предот-
вращающий его насы-
щение при значитель-
ных величинах свароч-
ного тока. Дроссель
снижает скорость нара-
стания сварочного тока
и его максимальное
Рис. 3.2. Практически применяемые варианты
типовой функциональной блок-схемы:
а — в схеме Г — блок трансформатора — регулятор тока
(напряжения); б— в схеме Т—блок трансформатора —
регулятор тока (напряжения) — выпрямитель (остальные
обозначения см. рнс. 3.1)
значение (пик) при возбуждении дуги, уменьшает разбрызгивание
металла при сварке плавящимся электродом, способствуя плавно-
му переносу металла в ванну, а также выполняет роль индуктив-
ного фильтра, сглаживая пульсации выпрямленного сварочного
тока.
На рис. 3.1, б приведены кривые i=f(t) при возбуждении дуги
с дросселем и без дросселя.
На рис. 3.2 приведены практически применяемые варианты ти-
повой функциональной блок-схемы. Блок-схему (рис. 3.2, а) имеют
сварочные выпрямители типов БД (внешняя характеристика пада-
ющая) и ВС (внешняя характеристика жесткая). Блок-схему (рис.
3.2, б) имеет сварочный выпрямитель типа ВДГ, предназначенный
для сварки в среде углекислого газа (при этом способе сварки
вольт-амперная характеристика сварочной дуги возрастающая, а
источник питания — сварочный выпрямитель — должен иметь жест-
кую внешнюю характеристику).
Схема источника питания с выпрямителем, как правило, имеет
еще блок защиты выпрямителя в аварийных режимах. Схема вклю-
чения этого блока рассматривается при изучении схем конкретных
типов сварочных выпрямителей.
Выбор схемы выпрямления и ее отдельных узлов зависит от
способа сварки и свойств дуги, для питания которой предназнача-
ется данный выпрямитель.
Схема выпрямления в основном определяет технологические
свойства всей установки.
71
§ 3.	Свойства полупроводниковых вентилей и условия
их работы в сварочных выпрямителях
Общие сведения. В сварочных выпрямителях в СССР и за ру-
бежом применяются только силовые полупроводниковые вентили,
которые появились в 50-х годах и почти полностью вытеснили дру-
гие типы электрических вентилей, в частности ионные, так как об-
ладают по сравнению с ними рядом технико-экономических пре-
имуществ (безынерционность, высокий к.п.д., большая надежность,
широкий температурный диапазон работы, компактность и т. д.).
Силовые полупроводниковые вентили изготовляются в насто-
Рис. 3.3. Вольт-амперная характеристика полупро-
водникового вентиля
ящее время почти исключительно на основе кремния, который вы-
теснил германий. Это объясняется тем, что хотя к.п.д. у германие-
вых вентилей несколько выше, чем у кремниевых, кремний дает
возможность устанавливать для вентилей более высокие рабочие
температуры и применять более высокие значения рабочего напря-
жения. В сварочных выпрямителях применяются также и селеновые
вентили.
Вольт-амперная характеристика полупроводникового вентиля
приведена на рис. 3.3.
Ветвь характеристики в первом квадранте соответствует прово-
дящему направлению вентиля, когда через р-п-переход идет прямой
ток 1а, а ветвь в третьем квадранте соответствует непроводящему
направлению, когда через р-п-переход идет обратный ток /&. При
увеличении обратного напряжения до значения, равного пробивно-
му, ток 1ь мало изменяется. После этого значения обратный ток
быстро нарастает. Это объясняется тем, что повышается концен-
трация неосновных носителей в связи с увеличением выделяемой
в р-п-переходе мощности и теплоты.
7S
Значение допустимого обратного напряжения Ub доп приводится
в технических данных вентиля. Она нормируется с определенным
запасом по отношению к пробивному напряжению Ub проб- Масшта-
бы для прямого и обратного токов на рис. 3.3 различны.
На основе изучения свойств полупроводникового вентиля мож-
но утверждать, что если в цепь, содержащую линейный резистор Дн,
включить полупроводниковый вентиль V (рис. 3.4, а), то цепь ста-
новится нелинейной, обладает односторонней проводимостью и про-
пускает прямой ток i—ia лишь в случае, если к аноду-—слою р
вентиля — подведен положительный потенциал по отношению к ка-
— слою п вентиля.
Если напряжение и си-
нусоидальное, то пря-
мой синусоидальный
ток ia будет идти по
цепи лишь в проводя-
щую часть периода
(рис. 3.4, б). В непро-
водящую часть периода
по цепи будет течь не-
значительный обрат-
ный ток z6. Начало про-
текания прямого тока
ia называется момен-
том открытия вентиля
(включения в работу),
окончание протекания
(выключения). Цепь, по
Рис. 3.4. Иллюстрация к процессам, происхо-
дящим в полупроводниковом вентиле:
а — схема выпрямления; б — графики изменения i
и и во времени
прямого тока — моментом его закрытия
которой идут прямой и обратный токи,
называется силовой цепью вентиля. Рассмотренный вентиль явля-
ется полупроводниковым диодом. Полупроводниковые вентили мо-
гут быть управляемыми. В этом случае кроме двух силовых элект-
родов вентиль имеет третий электрод УЭ, являющийся управляю-
щим (рис. 3.5, а). Такие полупроводниковые приборы называют
тиристорами.
Тиристоры могут быть полууправляемыми (однооперационны-
ми) и полностью управляемыми (двухоперационными). В насто-
ящем пособии рассматриваются только однооперационные и схемы
на их основе. На рис. 3.5, б приведен график изменения прямого
тока однооперационного тиристора.
Для того чтобы управляемый вентиль открылся, на его аноде
должен быть положительный потенциал относительно катода. Тогда
тиристор можно открыть (включить) в любой момент проводящей
части периода, подав на управляющий электрод положительный
потенциал от системы управления (рис. 3.5, в). Тиристор запирает-
ся автоматически при спаде прямого тока в силовой цепи до нуля.
Кремниевый тиристор выполняется иа основе четырехслойного
кристалла кремния со слоями
Вольт-амперная характеристика тиристора приведена на рис.
3.6. Включение осуществляется подачей положительного потенциа-
73
ла от системы управления на управляющий электрод, а выключе-
ние происходит автоматически при спаде тока ia до нуля (см. рис.
3.5, б}.
Рассмотрим процесс включения (или отпирания) тиристора.
В начале предположим, что напряжение (7у=0 и тока /у в цепи уп-
Рис. 3.5. Управляемый полупроводниковый вентиль
(тиристор):
а — графическое изображение вентиля; б — график измене-
ния прямого тока полууправляемого (однооперационного)
тиристора; е — график изменения прямого тока полностью
управляемого (двухоперационного) тиристора
равления нет. Тиристор- откроется тогда, когда напряжение достиг-
нет определенного значения Ua отп- Этому напряжению соответству-
ет малый прямой ток 1а 0Тп. После открытия тиристора происходит
скачок анодного тока от значения 1а отп до значения, определяемого
величиной Uа и сопротивлением нагрузки jRb в силовой цепи венти-
74
ля. На рис. 3.6 это ток
1а, определяемый точ-
кой пересечения N ли-
нии нагрузки RH и ра-
бочего участка ВС
вольт-амперной харак-
теристики тиристора.
Величину напряжения
Uа отп можно резко
уменьшить, подав на
управляющий электрод
и катод тиристора на-
пряжение Uy, обеспе-
чивающее в цепи уп-
равления ток /у. Вели-
чина этого тока зависит
от типа тиристора и па-
раметров цепи управ-
ления. Чем больше ток
1у, тем меньше напря-
жение Ua, при котором
тиристор отпирается.
Ua, при котором от-
крывается тиристор при
данном значении /у, за-
висит от Гп р-п-перехо-
да. Чем выше эта тем-
пература, тем при
меньшем значении Ua
откроется тиристор при
неизменном значении
тока в цепи управле-
ния.
Пробой тиристора,
так же как и неуправ-
ляемого вентиля (дио-
да), может произойти
при увеличении обрат-
ного напряжения I7&
свыше Пьдоп, которое
обычно составляет око-
ло 60% от Ub пробив-
ного.
Для оценки свойств
отдельных типов полу-
проводниковых венти-
лей познакомимся с
величинами, которые
являются параметрами
Рис. 3.7. Однополупериодное выпрямление с не-
управляемым и управляемым полупроводниковым
вентилем:
а — схема выпрямления с неуправляемым вентилем;
б, в, г —графики изменений во времени токов и напря-
жений в схемах; (б — с реальным неуправляемым вен-
тилем; в с идеальным неуправляемым вентилем; г —
с реальным управляемым вентилем)
вентилей, характеризуют их свойства и позволяют оценить возмож-
ности их применения в выпрямительном блоке того или иного ис-
точника питания. Рассмотрим работу простейшей схемы однополу-
периодного выпрямления (рис. 3.7, а) с неуправляемым полупро-
водниковым вентилем V; потребителем выпрямленного тока являет-
ся линейный резистор RH.
В цепях с вентилями за положительные направления принима-
ются направления напряжения и тока, которые относятся к прово-
дящей части периода.
Как только начинается положительный полупериод напряжения,
т. е. в момент времени 6 = 0, через вентиль V начинает течь прямой
ток i—ia. В вентиле происходит падение напряжения, называемое
прямым падением напряжения и обозначаемое Аиа (рис. 3.7, б).
Очевидно, что в проводящую часть периода мгновенное значение
напряжения на резисторе
ud=u — Lua.	(3.1)
У кремниевых вентилей, применяемых в сварочных выпрямите-
лях, внутреннее прямое падение напряжения составляет величину
порядка 0,5 В. В связи с этим с достаточной для инженерной прак-
тики точностью можно величиной Дио пренебречь и считать, что у
работающего вентиля все напряжение и окажется приложенным к
резистору /?н, т. е. что u = u<j.
В непроводящую часть периода к вентилю приложено обратное
напряжение иь (положительный потенциал на катоде вентиля). Это
напряжение вызывает обратный ток it>. Падением напряжения ibRH
пренебрегаем, так как мал. Отношение действующих значений
токов 1а и 1Ь для вентилей сварочных выпрямителей равно пример-
но 104. В связи с этим при анализе схем с вентилями током 1ъ и вы-
зываемым им падением напряжения на сопротивлении нагрузки /?н
пренебрегают. Участок цепи, где включен вентиль в непроводящую
часть периода, фактически представляет собой разрыв цепи, и все
напряжение и приложено к вентилю. В рассматриваемой схеме од-
нополупериодного выпрямления максимальное значение обратного
напряжения Ubm равно Um.
На рис. 3.7, в приведены графики изменения напряжений и то-
ков во времени идеального вентиля при Диа = 0 и 7ь = 0. Как видно,
выпрямленный ток м, равный току цепи и току, проходящему через
вентиль, имеет прерывистый характер. В течение проводящей поло-
вины периода в цепи течет ток, а в непроводящую часть периода —
ток i<j = 0. Для получения непрерывной кривой тока id применяют
многофазные схемы выпрямления. Среднее значение тока id за пе-
риод обозначают Id и находят по формуле
2-гс
/d=_±_b-dd6.	(3.2)
zJT J
о
График /d=f(6) имеет вид прямоугольника высотой Id- Среднее
значение напряжения Ud на нагрузке за период, т. е. выпрямленное
76
напряжение на выводах выпрямителя, находят по формуле
2к
^=4-\^de’	<3-3)
J
О
где Ud=idjRn- Величину Ud можно выразить через действующее зна-
чение синусоидального напряжения U:
(3.4)
Л
откуда следует, что
U=2,22Ud.	(3.5)
Максимальное значение обратного напряжения <7Ь для схемы
однополупериодного выпрямления
Ubm=Um=V~2U.	(3.6)
Если вентиль управляемый, то прямой ток i=ia=id появится не
сразу при 6 = 0, а с задержкой во времени, т. е. при 6 = 61, когда на
управляющий электрод будет подан положительный отпирающий
импульс от системы управления. На рис. 3.7, г приведены графики
изменения напряжений и токов во времени, соответствующие рабо-
те схемы рис. 3.7, а в случае использования в ней управляемого вен-
тиля. Величина выпрямленного тока Id зависит от угла a=6i, назы-
ваемого углом управления. Величина угла а отсчитывается от мо-
мента естественного отпирания вентиля (появление положительного
потенциала на аноде) и выражается в электрических градусах. Из
графиков рис. 3.7, г видно, что при a=0i вентиль начал пропускать
прямой ток.
Очевидно, что при а=0° величина тока Id наибольшая — прямой
ток идет в течение всего положительного полупериода напряжения,
как при неуправляемом вентиле. В интервале времени 62—63 прямой
ток равен нулю, вентиль заперт. Ток начнет течь в момент времени
64, когда будет вновь подан открывающий положительный импульс
на управляющий электрод вентиля. Реальный вентиль характеризу-
ется следующими параметрами: средним значением выпрямленного
тока Id', максимальным значением прямого тока макс; величиной
внутреннего падения напряжения от прямого тока &Ua, вычисляе-
мого как среднее значение прямого падения напряжения за период
Аиа, являющееся постоянной величиной:
2х
A74=-A_\A«ad0;	(3.7)
0
максимальным значением обратного напряжения Ubm, при котором
обратный ток 1Ъ не превышает допустимого значения; долговеч-
ностью вентиля (в часах).
77
При работе вентиля в нем выделяется теплота, обусловленная
мощностью, мгновенное значение которой
Lpa=Luaia.	(3.8)
Мощность, выделяемая в вентиле за период,
2л
ДРв= \	d 0=UJa 1а,	(3.9)
о
где 1а — среднее значение тока в вентиле за период; AUa— среднее
значение внутреннего падения напряжения.
Мощность, выделяемая в нагрузке
Pa=UaIa-	(3.10)
К. п. д. вентиля, работающего в схеме рис. 3.7, а, можно найти, если
учесть, что Id=Ia-
п=------------------------------------.	(3.11)
Рd + &Рa	Udla~^~ ala &d + a
. К. п. д. вентиля тем выше, чем меньше внутреннее падение на-
пряжения от прямого тока, а при том же AUa> чем больше Ud-
Особые условия работы вентилей в сварочных выпрямителях.
Следует назвать два условия: первое связано с перегрузками вен-
тилей прямыми токами, второе — с возникающими в электрических
цепях выпрямителя перенапряжениями.
При возбуждении дуги контактным способом в выпрямительном
блоке источника питания с внешними падающими характеристика-
ми при сварке плавящимся электродом сварочный ток превосходит
номинальное значение тока стационарного горения дуги в 1,5—2 ра-
за. В случае замыкания разрядного промежутка каплей переносимо-
го металла ток также превосходит номинальное значение.
Если источник питания имеет жесткую внешнюю характеристику
и сварка производится неплавящимся электродом в среде защит-
ного газа, то при возбуждении дуги неконтактным способом с ис-
пользованием осциллятора при пробое разрядного промежутка воз-
никает пик тока, который превосходит установившийся сварочный
ток в 4—8 раз.
В связи с этим полупроводниковые вентили должны обладать
высокой теплостойкостью, легко выдерживать перегрузки по току.
Этим требованиям удовлетворяют селеновые и кремниевые вентили,
рассчитанные на сотни ампер. Германиевые вентили уступают в
этом отношении селеновым и кремниевым. Вольт-амперные харак-
теристики вентилей приведены на рис. 3.8, а. Максимальные значе-
ния температуры, которые выдерживают без пробоя р-п-переходы,
следующие: у германия Ge до 80° С; у селена Se до 100° С; у крем-
ния Si — до 125—150° С. На рис. 3.8, б приведены структурные схе-
мы кремниевого, селенового и германиевого вентилей.
78
При работе вентилей в сварочных выпрямителях в их цепях
возникают перенапряжения, которые являются причиной пробоя
р-п-переходов в непроводящую часть периода. Эти перенапряжения
появляются благодаря индуктирующимся в цепях э. д. с. самоиндук-
5)
Рис. 3.8.. Полупроводниковые вентили:
а — вольт-амперные характеристики; б — структурные схемы
ции, которые могут значительно превосходить значение —рас-
четного обратного допускаемого напряжения. Э. д. с. самоиндукции
возникают при переходе вентилей от проводящего к непроводящему
состоянию. Их величины в сварочных установ-
ках достигают весьма больших значений в свя-
зи с большими значениями индуктивностей в
цепях.
Перенапряжение возникает на катоде —
аноде вентиля. Для того чтобы предохранить
р-п-переход вентиля от пробоя, применяют
шунтирование вентиля цепью R—C (рис. 3.9),
влияние которой заключается в том, что при
Рис. 3.9. Схема вклю-
чения цепи 7?р—Ср
появлении на выводах вентиля возрастающей
разности потенциалов происходит заряд емкости Ср, а затем ее раз-
ряд через силовую цепь вентиля в направлении прямого тока. Па-
рамеры цепи 7?р—Ср выбирают из следующих соотношений:
СР>С„ и RP^VL/Cv,
(3.12)
79
где Cv — собственная емкость вентиля; L — индуктивность контура
(индекс «р» в данном случае обозначает разрядный). Наиболее
стойки к пробою селеновые вентили, которые имеют относительно
большой обратный ток, но его
Рис. 3.10. Вольт-амперная харак-
теристика кремниевого вентиля
возрастание до аварийных значений
происходит при больших величинах
б^Ьпроб-
В . выпрямительном блоке источ-
ника писания, эдмекицего внешние
падающие : характеристики, приме-
няются ’мощные кремниевые неуп-
равляемые вентили.
Принудительное воздушное или
водяное охлаждение для мощных
полупроводниковых вентилей явля-
ется обязательным, так как предо-
храняет р-п-переход от пробоя. При
перегрузках, когда 1а длительно пре-
вышает 7ан, вентиль выходит из
строя, так как из-за малой теплоем-
кости р-м-перехода с повышением
температуры резко возрастает ток
1Ъ и вентиль теряет свои выпрямляющие свойства (заметим, что
обратный ток 1ь у кремниевых вентилей на несколько порядков
меньше, чем у германиевых, что является еще одним существенным
преимуществом кремниевых вентилей). Если значение тока через
вентиль при расчете пара-
метров схемы превосходит 7аа
(рис. 3.10), то кремниевые
вентили необходимо вклю-
чать параллельно по схеме
рис. 3.11, а так, чтобы плот-
ность тока для каждого вен-
тиля была в пределах 60—
80 А/см2. Вследствие нали-
чия технологического раз-
броса вольтамперных харак-
теристик отдельных1 экземп-
ляров вентилей одного типа
при осуществлении парал-
лельного соединения требу-
ется включать уравнитель-
ные резисторы /?.
Величина номинального
обратного напряжения £76н
Рис. 3.11. Схемы соединения кремниевых
вентилей:
а — параллельное с уравнительными резистора-
ми R; б — последовательное с делителем из ре-
зисторов
вентиля определяет его
класс и связана с Пьпроб коэффициентом технологического запаса,
обозначаемым к, величина которого колеблется в пределах 0.5—
0,6. Класс обозначается отношением 176н к 100. Например, для вен-
тиля 6-го класса [7=6« 100=600 В. Если вентиль оказывается под
80
обратным напряжением Ub>Ubn, то р—«-переход вентиля может
быть пробит. В этом случае вентили включаются последовательно.
Кремниевые вентили при последовательном соединении требуют
применения делителя напряжения (рис. 3.11, б) вследствие техно-
логического разброса обратных ветвей вольт-амперных характери-
стик, имеющих весьма малые наклоны.
У селеновых вентилей перегрузочная способность выше, чем у
кремниевых, так. как их теплоемкость больше. Слоем р-проводимос-
ти у них служит кристаллический селен, который наносится на алю-
миниевую пластину прямоугольной формы. Слой с «-проводимостью
образуется в селене при диффузии в него, например, атомов кад-
мия. Между слоями с р- и «-проводимостями возникает р-«-переход.
С увеличением температуры прямая ветвь вольт-амперной характе-
ристики селенового вентиля проходит более круто, т. е. при том же
напряжении Ua с увеличением температуры возрастает плотность
тока.
Если в схеме выпрямления на вентиль приходится более высокое
напряжение, то вентили надо включить последовательно без приме-
нения делителя напряжения, требующегося при последовательном
соединении (рис. 3.11, б) кремниевых вентилей, имеющих значи-
тельно меньший наклон обратной ветви вольт-амперной характерис-
тики, чем селеновые. Если селеновый вентиль подвергается воздей-
ствию случайного перенапряжения, то может произойти пробой р-п-
перехода, но место пробоя автоматически застекловывается,
полезная площадь пластины уменьшается, но вентиль может рабо-
тать при меньших значениях тока 1а- Недостатком селеновых венти-
лей является старение. При эксплуатации и даже просто при хра-
нении наблюдается увеличение внутреннего сопротивления вентиля
в прямом направлении, что уменьшает ток 1а при том же Ua. Из-за
перечисленных недостатков селеновые вентили не нашли такого
распространения, как кремниевые, хотя они дешевле кремниевых.
§ 4. Трехфазная мостовая схема выпрямления
Работа трехфазной мостовой схемы при мгновенной или естест-
венной коммутации. Электромагнитные процессы, происходящие в
реальных сварочных выпрямителях, весьма сложны. Это обуслов-
лено тем, что выпрямитель работает на дугу, которая является не-
линейным несимметричным элементом электрической цепи, сами по-
полупроводниковые вентили также нелинейные несимметричные
элементы, отдельные узлы выпрямителя обладают значительной ин-
дуктивностью. В связи с этим явления, происходящие в цепях вып-
рямителя, с трудом поддаются аналитическому исследованию. Если
при выводе основных соотношений между токами и напряжениями
считать выпрямитель идеальным, что значительно упрощает анали-
тическое исследование, то результаты получаются достаточно дале-
кими от реальных. Под идеальным выпрямителем понимают выпря-
митель, в состав которого входят идеальный трансформатор без
полей рассеяния и потерь энергии и идеальные вентили, у которых
81
Аиа, обратный ток ib и сопротивление прямому току Ra равны нулю,
а 7?ь = оо. Такое допущение справедливо для мощных вентилей. На
рис. 3.12 приведены вольт-амперные характеристики идеального
(рис. 3.12, а) и реального вентилей (рис. 3.12, б; см. также рис.
3.10). При анализе электромагнитных процессов, происходящих в
мощных сварочных выпрямителях, можно пренебрегать потерями в
трансформаторе, но необходи-
мо учитывать: индуктивности
рассеяния обмоток, если маг-
нитное рассеяние трансформа-
тора повышенное; индуктив-
ность сварочной цепи, если по-
следовательно с дугой включен
линейный дроссель; реальные
характеристики вентилей; не-
линейность вольт-амперной ха-
рактеристики дуги. Лишь при
этом можно получить основные
количественные соотношения
Рис. 3.12. Вольт-амперные характе-
ристики вентиля:
а — идеального; б — реального
между токами и напряжениями в выпрямителе, близкие к реаль-
ным. Достаточно часто при анализе сварочную дугу замещают ли-
нейным резистивным сопротивлением.
Исходными данными для выбора и расчета выпрямителя явля-
ются величины выпрямленных напряжения Ua и тока 1а, а также
действующее значение напряжения питающей сети.
Работу вентиля в
данной схеме выпрям-
ления определяют сле-
дующие величины:
среднее 1а ср и действу-
ющее 1а значения пря-
мых токов вентиля при
номинальной нагрузке
и стационарной дуге,
Рис. 3.13. Функциональная блок-схема простей-
шего выпрямителя:
Т — трехфазный силовой трансформатор; V — силовой
выпрямительный блок; L — линейный дроссель
а также при перегруз-
ках, возникающих в процессе сварки плавящимся электродом (при
возбуждении дуги контактным способом, замыкании дугового про-
межутка каплей жидкого металла, а также при случайном каса-
нии изделия неплавящимся электродом); максимальное значение
обратного напряжения Ubm на запертом вентиле; максимальное
значение прямого напряжения Uam на управляемом вентиле.
Величинами, определяющими расчетные данные трансформатора
выпрямительной установки, являются: действующие значения U2 и
/2 вторичной обмотки; действующее значение тока Ц первичной об-
мотки; расчетная ST (типовая) мощность трансформатора.
Для выявления области применения данного выпрямителя и ус-
тановления его технико-экономических показателей весьма важны-
ми критериями являются: гармонический состав выпрямленных на-
пряжения и тока; форма внешней статической характеристики, ре-
82
Сеть
Рис. 3.14. Принципиальная электриче-
ская схема выпрямителя с неуправ-
ляемыми вентилями для исследования
процессов с учетом сделанных допу-
щений:
Т — трехфазиый силовой трансформатор;
V — выпрямительный блок (трехфазный
мост)
гударевочная характеристика, а также коэффициент мощности
cos ср и к. п. Д. Т).
На рис. 3.13 приведена функциональная блок-схема простей-
шего выпрямителя.
При анализе работы схемы сделаем следующие допущения: вен-
тили идеальные; трансформатор идеальный (см. выше); индуктив-
ность сварочного контура равна
нулю; дуга замещена линейным
резистивным сопротивлением, т. е.
£д=0, а ^диф=,^д (см. § 3 гл. 1).
На рис. 3.14 изображена схема
выпрямителя, в которой учтены
сделанные допущения. Для ана-
лиза работы выпрямительного
моста не имеет принципиального
значения, как соединены обмотки
трансформатора — звездой- или
треугольником. Работу схемы бу-
дем анализировать при соедине-
нии фаз обмоток трансформатора
звездой. Работа протекает в ус-
ловиях мгновенной коммутации
токов. К трехфазному мосту V
подведены линейные напряжения
вторичной обмотки трансформато-
ра. В каждом плече моста услов-
но показано по одному неуправ-
ляемому вентилю. При допуще-
нии, что резистивные сопротив-
ления и /?2, индуктивности
рассеяния фаз Lal и Lo2 обмоток
трансформатора равны нулю,
э.д.с. фаз обмоток равны фазным
напряжениям е2ф=»ц2ф. Выпрями-
тельный мост содержит две груп-
пы вентилей: катодную (нечет-
ную) — вентили VI, V3, V5, у которой все катоды электрически
соединены и образуют положительный полюс выпрямителя; анод-
ную (четную) —вентили V2, V4, V6, у которой все аноды электри-
чески соединены и образуют отрицательный полюс выпрямителя.
При сделанных допущениях всегда работают два вентиля —
один из катодной и один из анодной групп. В катодной открыт тот
вентиль, у которого в данный момент времени наибольший по аб-
солютному значению положительный потенциал анода, а в анод-
ной — тот, у которого наибольший по абсолютному значению отри-
цательный потенциал катода. На рис. 3.15 приведены графики изме-
нения во времени фазных э. д. с., токов и выпрямленного напряже-
ния, которые иллюстрируют работу сварочного выпрямителя, рабо-
 тающего на резистивную нагрузку в условиях мгновенной коммута-
83
ции токов (напомним, что под коммутацией понимается процесс
перехода тока с одной фазы трансформатора на другую).
Открытие вентилей из нечетной группы происходит в моменты
h, is и т. д., соответствующие точкам wK пересечения положитель-
Рис. 3.15. Графики изменения во времени величин, характери-
зующих работу выпрямителя:
а — фазных э. д. с.; б — фазных токов; в — выпрямленного напряже-
ния. Цифры 2—5 обозначают номера вентилей
ных участков мгновенных фазных э.д.с. ега, е^ь, егс вторичной об-
мотки трансформатора, сдвинутых друг относительно друга по фа-
зе на 120 эл. град (2л/3), так же как сдвинуты фазные э.д.с. транс-
форматора. Открытие вентилей V2, V4, V6 четной группы происхо-
84
дит в моменты t2, it и т. д., соответствующие точкам ша пересечения
отрицательных участков фазных э. д. с. вторичной обмотки. Точки
wa сдвинуты друг относительно друга на 120 эл. град. Отпирание
каждого вентиля происходит один раз за период. Моменты отпира-
ния вентилей тех же фаз, но относящихся к разным группам, сдви-
нуты на 180 эл. град, или на Т/2.
Моменты открытия вентилей, относящихся к разным группам
(точки w-и. и wo), сдвинуты во времени на 60 эл. град (2л/6). В мо-
мент /1 (точка w„ пересечения синусоид е2с и е2а) мгновенно откры-
вается вентиль VI нечетной группы, а в момент t2 (точка wa пере-
сечения синусоид е2с и е2ъ — вентиль V2 четной группы. Начиная с
момента времени t\ вентиль VI имеет наибольший положительный
потенциал на аноде, а вентиль V2 — наибольший отрицательный по-
тенциал катода. До момента ток i2a проходил через открытые
вентили V5 из нечетной группы и V6 из четной группы.
В промежуток времени от до t2 ток идет через VI и V6. В мо-
мент t2 вместо V6 включается вентиль V2, а VI продолжает рабо-
тать до момента t$, когда мгновенно открывается V3 из нечетной
группы. Каждый вентиль пропускает ток в течение 2л/3, т. е. одной
трети периода. Переход тока с одного вентиля данной группы (на-
пример, VI) на другой вентиль этой же группы (например, V3),
т. е. переход тока с одной фазы на другую, совершается мгновенно,
если анодные цепи содержат только резистивные сопротивления.
Такая коммутация тока называется мгновенной или естественной.
Если же в анодных цепях имеются индуктивности, то переход тока
совершается не мгновенно. В течение времени, определяемого углом
коммутации у (продолжительность коммутации тока), ток в венти-
ле, который заканчивает работу, спадает до нуля, а в вентиле, ко-
торый вступает в работу, возрастает до значения, которое было до
коммутации.
При сделанных допущениях (LCTi и LCT2 равны нулю), как уже
говорилось, ток переходит с одного вентиля на другой той же груп-
пы (в точках wK и wa) мгновенно. Коммутация с учетом индуктив-
ностей в анодных цепях рассматривается ниже.
В каждый момент времени lid определяется как разность потен-
циалов положительного и отрицательного полюсов (« + » и «—»)
выпрямительного моста. С другой стороны, мгновенное значение
выпрямленного напряжения равно разности фазных. Например, для
промежутка времени ti—12, когда работают вентили V/ и V6, вып-
рямленное напряжение
^d==«2a	^2# 1 ^2д	^26’	(3.13)
где е2а = и2а и е2ь = «26 — соответственно мгновенные значения э. д. с.
фаз a u b вторичной обмотки трансформатора при сделанных допу-
щениях. Аналогично можно найти мгновенное значение выпрямлен-
ного напряжения. На основании выражения (3.13) построен на рис.
3.15, в график Ud=f(6). Поскольку при сделанных допущениях фаз-
ные напряжения вторичной обмотки равны фазным э. д. с., то полу-
ченный график линейной вторичной э. д. с. е2л является графиком
85
напряжения на выводах вентиля во времени в режиме холостого
хода: Ud0=f(Q). Выпрямленное напряжение иц имеет пульсации;
кратность которых по отношению к напряжению сети равна шести,
а частота 300 Гц. При чисто резистивном сопротивлении нагрузки
когда ia=Hd/jRib график ia повторяет график иц. Среднее значе-
ние Ud выпрямленного напряжения Ud, равное напряжению на вы-
водах выпрямителя в режиме холостого хода Udx.x, находится как
среднее значение интеграла за период повторяемости для Ud=f(&),
который, как видно из рис. 3.15, в, равен 2л/3:
+”/б
^=^х.х=-^- \ /2^ cos 06 0=1,35^=2,34^. (3.14)
—1С/6
ПрИ Ё2л=^2л.х.х ИЗ (3.14) ПОЛуЧИМ
^.x.x=0,7467dx.x;	(3.15)
При C7dX.x=65 В значение линейного напряжения вторичной об-
мотки трансформатора сварочного выпрямителя ^2л.х.х=48 В, а
фазное и2ф.1.х=27 В. При чисто активной нагрузке выпрямителя
среднее значение анодного тока Ia=Id=Ud!Rn- Это ток, идущий че-
рез два вентиля, фазу трансформатора и сопротивление нагрузки /?н-
Как видно из схемы рис. 3.14, максимальное значение обратного
напряжения Ubm, под воздействием которого находится вентиль в
непроводящем состоянии, равно амплитуде вторичного линейного
напряжения:
67йт=/2£2л.х.х=Г2]/3 £2ф=1,41 • 1,735-0,426£7rfx.x^
^l,05£7dxJc.	(3.16)
Это обстоятельство чрезвычайно важно для эксплуатации вен-
тилей. В соответствии с (3.16) обратное напряжение при трехфаз-
ной мостовой схеме выпрямителя практически не превосходит ве-
личину напряжения в режиме холостого хода.
Полученные пудьсации выпрямленного тока id можно умень-
шить, включив в цепь дуги линейный дроссель в качестве сглажива-
ющего индуктивного фильтра. На рис. 3.16 приведены графики из-
менений во времени и& и id. При включении дросселя ток id практи-
чески не имеет пульсаций.
Работа трехфазной мостовой схемы выпрямления с учетом ин-
дуктивностей рассеяния обмоток трансформатора. Как уже говори-
лось, режим мгновенной коммутации является идеализированным.
В реальном выпрямителе переход тока с вентиля данной группы на
другой вентиль этой же группы, т. е. переход тока с одной фазы
трансформатора на другую, не происходит мгновенно. При измене-
ниях во времени токов обмоток переменные магнитные поля рассе-
яния индуктируют в витках, сцепленных с ними, э. д. с. рассеяния,
обусловливающие индуктивные сопротивления фаз обмоток. В сы-
86
Рнс. 3.16. Графики изменения во вре-
мени ил н id'.
а — без дросселя в цепи дуги; б — с дроссе-
лем
Сеть
Рис. 317. Принципиальная электриче-
ская схема выпрямителя с неуправляе-
мыми вентилями для исследования про-
цессов с учетом индуктивностей рас-
сеяния фаз трансформатора и линейно-
го дросселя в цепи дуги:
Т — трехфазный силовой трансформатор; V —
выпрямительный блок (трехфазный мост);
L — линейный дроссель
лу симметрии фаз обмоток трансформатора имеем: Xia = x1b=Xic =
— CoAqi, Х2а = Х2Ъ = Х2с ~ w7/<72.
В трехфазной мостовой схеме выпрямления (рис; 3.17) в каждую
фазу вторичной обмотки трансформатора введена индуктивность
рассеяния
(3.17)
где L oi —Loiwl/w 1 — индуктивность рассеяния фазы первичной об-
мотки, приведенная ко вторичной. Индуктивное сопротивление од-
ной фазы трансформатора
(3.18)
где « = 314 рад/с, a Loa определяется выражением (3.17). Подставив
в (3.18) значения х2 = аЬО2 и xi'=e>L'al, получим формулу для рас-
чета величины ха.
Индуктивное сопротивление дросселя, включенного в цепь дуги,
xl=wlL,	(3.19)
где L — индуктивность дросселя; — угловая частота выпрямлен-
ного тока; юь = 2л-300= 1884 рад/с.
Перейдем к исследованию процессов коммутации в фазах а и Ь.
На рис. 3.18 приведены графики изменения во времени фазных е2ф
и линейных е2л э. д. с. токов ia через вентили и выпрямленного на-
пряжения ud. За начало интервала коммутации выберем момент Л
пересечения синусоид фазных э.д.с. е2а и егь в точке wK. Для мо-
мента Л эти э.д.с. можно записать следующим образом:
е2а=^ат sin (б+^ = Д2фт sin («rf+150°);	(3.20)
^2b — ^2bm sin —~^ — ^2фт Sin (<«/-)-30°),	(3.21)
где E2am=Е2ът=Е2фт — амплитуда фазной э. д. с. вторичной обмот-
ки трансформатора, a Q = at. В момент времени h на аноде вентиля
V3, относящегося к катодной (нечетной) группе, наибольший по аб-
солютному значению положительный потенциал; вентиль V3 откры-
вается, через него идет ток ia3. Но вентиль VI из той же катодной
группы запирается не сразу, а лишь в момент времени t2, несмотря
на то, что положительный потенциал на аноде вентиля V3 больше
по абсолютному значению, чем на аноде VI. Вентиль VI запирается
не мгновенно из-за того, что в соответствующей фазе обмотки
трансформатора индуктируется э. д. с. рассеяния, препятствующая
спаду тока iai. Ток ial спадает до нуля по синусоидальному закону
за отрезок времени от до t2, называемый интервалом коммута-
ции, который измеряется углом у. При этом из анодной группы вен-
тилей открыт вентиль V2, имеющий наибольший по абсолютному
значению отрицательный потенциал на катоде. В момент времени /з
в точке wa пересечения синусоид е2а и е2с начинается коммутация
88
Рис. 3.18. Графики изменения во времени величин, характеризующих
работу выпрямителя по схеме рис. 3.17:
а — фазных э, д. с.; б — фазных токов; в — линейных э. д. с. и выпрямленного
напряжения. Цифры 1—6 обозначают номера вентилей
тока ia2 с вентиля V2 на вентиль V4, входящий, как и V2, в состав
анодной группы. Установим, по какому закону во времени происхо-
дят изменения токов ia, проходящих через вентили и обмотки транс-
форматора в интервале коммутации — спадающего iai через вен-
тиль V/ и нарастающего ia3 через вентиль V3.
Примем, что 0=0 соответствует моменту времени tit когда начи-
нается процесс коммутации, длящийся до момента (2, когда 0=у.
Id
Рис. 3.19. Схема замещения для
интервала коммутации, определяе-
мого промежутком времени б—12
и углом у (см. рис. 3.18, б)
При этом условии ТОК ia\=Id, а
при 0>О в пределах интервала
коммутации ток имеет некоторое
текущее значение, которое надле-
жит найти. Как видно из схемы
рис. 3.17 и графиков рис. 3.18, в
интервале коммутации, когда про-
исходит переход тока с вентиля
VI на вентиль V3, открыты оба
вентиля. Если пренебречь прямы-
ми падениями напряжений Лиа в
открытых вентилях, то фазы а и
Ъ вторичной обмотки трансфор-
матора, как видно из рис. 3.18,
оказываются замкнутыми нако-
ротко до момента t2, когда вен-
тиль VI закроется и ток iaJ спа-
дет до нуля. Для интервала ком-
мутации, когда вентиль V3 уже
открылся (точка wK пересечения
синусоид фазных э.д.с. е2а и е2Ь),
а вентиль VI еще не заперт, мож-
но составить схему замещения,
показанную на рис. 3.19, в кото-
рой включение ключа S3 иммитирует открытие вентиля V3 в точке
wK (см. рис. 3.18, а) в момент времени Л [19]. Процесс коммутации,
начинающийся в этот момент, можно описать системой уравнений,
составленных по правилам Кирхгофа для схемы рис. 3.19. Соста-
вим первое уравнение для точки N по первому правилу Кирхгофа
—	(3.22)
где i2a — ток в фазе а вторичной обмотки трансформатора, равный
прямому току iai вентиля VI: i2a=iar, izb — ток в фазе b вторичной
обмотки трансформатора, равный прямому току ia3 вентиля V3:
i2b = ia3', id, Id — соответственно мгновенное и среднее значения вып-
рямленного тока сварочной цепи. Благодаря индуктивности дроссе-
ля L в цепи дуги ток id идеально сглажен и Id=const. К началу ин-
тервала коммутации ток i2a=iai = 7<i. К концу коммутации ток i2a=
= ial спадает до нуля. Ток (2ь в фазе Ь вторичной обмотки трансфор-
матора можно выразить через ток Id и ток i2a:
iib = Id~~i2a-	(3.23)
90
Второе уравнение составим по второму правилу Кирхгофа для
короткозамкнутого контура (ключ S3 замкнут), взяв направление
обхода по положительному направлению тока iza:
е2а~ е2Ь = —	(3-24)
Э. д. с. рассеяния можно выразить через индуктивное сопротив-
ление ха фазы трансформатора.
Подставив значения э. д. с. в (3.24), получим
2х«	~ /3£2фт sin 0.	(3.25)
do
Умножив обе части (3.25) на d0 и проинтегрировав от 0 = 0 до 0 =
у, учитывая, что при 0=0, ток iza—iai—id, а при 0>О ток ial при-
нимает текущее значение ial, получим
1Л1— -1^Е2ф— (1 — cos О)/).	(3.26)
С учетом (3.21) имеем
1аз=i2b=^d — ial=1/^2фт- (1 — cos <«rf).	(3.27)
Выражения (3.26) и (3.27) справедливы лишь в интервале коммута-
ции. Из них следует, что в интервале коммутации токи в фазах вто-
ричной обмотки трансформатора и
в открытых вентилях VI и V3 сину-
соидальны (рис. 3,18, б; 3.20). Гра-,
фики, приведенные на этих рисун-
ках, имеют место при наличии дрос-
селя L, когда выпрямленный ток
полностью сглажен. Во внекоммута-
ционное время токи ia в вентилях
равны среднему значению Id вы-
Рис. 3.20. Графики изменения
во времени токов в фазах вто-
ричной обмотки трансформато-
ра и в открытых вентилях в
интервале коммутации, опреде-
ляемом углом у.
Цифры 1 и 3 обозначают номера
прямленного тока id. Среднее значе-
ние тока через вентиль Ia—Idl3, так
как ток ia идет треть периода. Все
сказанное относится к режиму двух-
вентильной коммутации (у <60°).
При достаточно больших индук-
ТИВНОСТЯХ рассеяния фаз обмоток	вентилей
трансформатора (т. е. при у>60°)
может наблюдаться режим трехвентильной коммутации, при кото-
ром ток пропускают одновременно три вентиля моста.
Определим величину максимального обратного напряжения на
вентиле в непроводящие промежутки времени. Как видно из рис.
3.17, обратное напряжение на любом из вентилей равно разности
потенциалов одного из выводов моста и соответствующей фазы
трансформатора, к которой присоединен данный вентиль. Рассмот-
рим, например, какое обратное напряжение будет на вентиле V/,
91
катод которого присоединен к положительному выводу («+»)
выпрямителя, а анод — к концу фазы вторичной обмотки трансфор-
матора. Обратное напряжение на VI—это разность между потен-
циалом точки а (см. рис. 3.17) и положительным выводом выпрями-
теля. Как видно из рис. 3.18, вентиль VI заперт с момента времени
t2 до момента t$, соответствующего точке wK пересечения положи-
тельных отрезков синусоид в2с и е2а, когда вентиль VI вновь откры-
вается. Если принять, что падение напряжения Диа на вентиле V3
равно нулю, то максимальное значение обратного напряжения на
вентиле VI равно амплитуде линейной э.д.с. е2аъ. Таким образом,
максимальное значение обратного напряжения на любом вентиле
в непроводящую часть периода равно амплитуде вторичного линей-
ного напряжения, соответствующего режиму холостого хода.
Связь между средним значением выпрямленного тока Id и дли-
тельностью интервала коммутации можно найти из (3.26), исходя
из того, что к концу коммутации, когда 0=у и iai = 0, ток
/d=_^(1_C0SY)’ (3’28)
где
Среднее значение выпрямленного напряжения Ud как в интер-
вале коммутации, так и в некоммутационное время можно найти
как разность средних значений потенциалов выводов («+» и «—»)
выпрямителя. Как следует из рис. 3.17, потенциал положительного
вывода выпрямителя относительно нейтрали вторичной обмотки
трансформатора
и%=е2а — ха	, или =е26—ха ,	(3.29)
а 8	а О
причем	dfgl = б2а — 626 .	(3.30)
d е 2хо	4
Подставив (3.30) в (3.29), получим
Kj-=-e2a + 626 .	(3.31)
Потенциал положительного вывода выпрямителя иа равен средне-
арифметическому фазных э. д. с. Потенциал отрицательного вывода
выпрямителя иа по абсолютному значению равен потенциалу поло-
жительного вывода выпрямителя, но с обратным знаком, т. е.
м-=£2а±е2г1 _	(3.32)
На рис. 3.21 приведены графики изменения во времени потен-
циалов Ud+ и Ud~, период которых равен 2л/3. Исходя из того, что
выпрямленное напряжение Ud равно разности потенциалов положи-
тельного и отрицательного выводов выпрямителя, график мгновен-
ных значеий Ud строится по синусоидам фазных э. д. с. вторичной
обмотки, т. е. Ud=Ud+—ил~=е2а+е2Ь (см. рис. 3.18, в).
92
Среднее значение выпрямленного напряжения Ud находится как
разность средних значений потенциалов выводов выпрямителя и
равно удвоенному среднему значению потенциала положительного
выходного вывода выпрямителя. Для математической записи Ud
следует использовать график и.а =Ц’0), приведенный на’рте. 3.21.
Среднее значение выпрямленного напряжения
2тс/3
Ud=2— t
d 2л/3 J
о
(3.33)
В подынтегральном выражении (3.33) i/d+dfl состоит из двух
участков: первого — от 6=0 до 6=у, т. е. в интервале коммутации,
Рис. 3.21. Графики изменения вег'времеии гютенциа-
лов положительного и отрицательного выводов вы-
прямителя
когда и а = (е2а+«2ь)/2; второго — от 0=у до 0 = 2л/3, когда ud+=
— еъъ. Поэтому выпрямленное напряжение
62а + 626 j
2
2л/3
6+ ^e26d6
I
(3.34)
где e2a и e2{> — мгновенные значения фазных э.д.с. [19]. Подставив
значения э. д. с. в (3.34) и выполнив преобразования, получаем
(-1+2cosy) .	(3.35)
Как следует из (3.35), величина среднего значения выпрямленно-
го напряжения Ud зависит от длительности интервала коммутации:
чем больше у, тем меньше Ud при том же значении напряжения U\,
подведенного к первичной обмотке трансформатора выпрямителя.
Это объясняется тем, что в интервале коммутации токи в фазах об-
93
моток трансформатора изменяются по синусоидальному закону и
вызывают в них индуктивные падения напряжения. Во внекоммута-
ционные части периода токи в фазах, равные Id, не изменяются во
времени. Среднее значение индуктивного падения напряжения AUX
за период Т может быть вычислено по высоте прямоугольника, рав-
новеликого площадкам, заштрихованным на рис. 3.18, а. Ординаты
этих площадок равны е2а—(в2а+в2ь)12 и поэтому среднее значение
индуктивного падения напряжения
(3.36)
о
где ха при сделанных выше допущениях не зависит от Id-
Наибольшее значение имеет выпрямленное напряжение в режи-
ме холостого хода, так как при Zd=O из уравнения (3.35) следует,
что cos у=1, так как у=0. Обозначим выпрямленное напряжение в
режиме холостого хода при у=0 через Улг.т, тогда
Е2лт= 1,35£2лт=2,34£2ф.	(3.37)
Л
Среднее значение выпрямленного напряжения Ud можно выразить
через Udx.x и cosy:
Ud=UdM'-±^-.	(3.38)
При у=0 (мгновенная коммутация) Z7d= так как cos у= 1.
§ 5. Внешняя характеристика сварочного выпрямителя
Внешняя характеристика выпрямителя — это зависимость сред-
него значения выпрямленного напряжения от среднего значения
выпрямленного тока Ud=f(Id) при t/i = cost.
Аналитическое выражение внешней характеристики выпрямите-
ля можно найти, подставив в (3.38) значение cos у, определенное
из (3.28): '
cos у^ --2л-та-~-2^-.
^2лт
Осуществив подстановку, получим уравнение внешней характе-
ристики:
Е2лт (1 -	.	(3.39)
Выражение (3.39) можно переписать иначе, учтя, что t7dx.x=
= (3/n)^rn, a (3/n)xo/d=At/x. Тогда
Ud=Ud^-AUx.	(3.40)
Из (3.40) следует, что сварочный выпрямитель имеет жесткую
внешнюю характеристику, если магнитными полями рассеяния,
обусловливающими ха и, следовательно, AUX, можно пренебречь.
94
Рис. 3.22. Внешние характеристики выпрямители:
/ — жесткая (без учета *о); У —жесткая (с учетом ха
 Лв); 3— крутопадающая (при ха значительно боль-
ших, чем для характеристики 2)
Действительно, в этом случае внешняя характеристика выпрямите-
ля представляет собой прямую линию (1, рис. 3.22), параллельную
оси тока. Если учесть резистивные сопротивления фаз обмоток
трансформатора, сопротивление вентиля прямому току и магнитные
поля рассеяния обмоток трансформатора, то внешняя характеристи-
ка выпрямителя представит собой прямую линию (2, рис. 3.22), про-
ходящую с некоторым наклоном к оси тока. Наклон характеристики
обусловлен в основном величиной индуктивного сопротивления ха-
Уравнение (3.40)
описывает внешнюю ха-
рактеристику выпрями-
теля только в области
нагрузок при угле ком-
мутации у <60°.
Как следует из урав-
нения (3.28), при дан-
ном магнитном рассея-
нии, определяющем ве-
личину ха, с увеличени-
ем тока нагрузки Id
увеличивается угол
коммутации у. Если
у^60°, то эта законо-
мерность работы вы-
прямителя меняется.
Итак, при у <60° в ра-
боте вентилей различа-
ют коммутационный ин-
тервал, длительность которого не равна нулю, а также внекомму-
тационный, длительность которого равна (л/3—у), или (60°—у).
При у=60° выпрямительный мост V переходит в режим, при кото-
ром четко чередуются интервалы одновременной работы трех вен-
тилей. В работе [19] показано, что при у=60° можно путем преоб-
разований из (3.28) и (3.40) получить
2xaId__ J — cos sin 3Q°.	^4- = 1 -{- COS y—
^2л/га	3 Е2лт =y3cos30°,	(3.41)
откуда	= cos 30°.	(3.42) /3 3£2лт
Возведя в квадрат (3.41) и (3.42) и складывая почленно .девые
и правые части, получим уравнение эллипса, оси которого совпада-
ют с осями координат:
4 _ь 4
Е?	27 Ект
2л т	2л Т71
(3.43)
95
Значение тока law при Ud=0 (режим короткого замыкания)
можно найти из (3.43)
	(3-44)
Если у>60° и достигает 90°, то начинается новый режим пооче-
редной работы трех и четырех вентилей и уравнение внешней ха-
рактеристики вновь меняет свой вид. Внешняя характеристика не-
сколько спрямляется по сравнению с ее эллиптической формой при
У = 60° [19]. Если при работе трансформатора создаются условия,
при которых Бгл зависит от величины вторичного тока трансформа-
тора, то внешняя характеристика выпрямителя становится круто-
падающей (3, рис. 3.22).
§ 6. Выпрямители типа ВД с падающими внешними
характеристиками
Выпрямители типа ВД предназначены для ручной сварки, резки
и наплавки, а также для механизированной сварки под флюсом.
Они относятся к источни-
кам питания группы О. Функ-
циональная блок-схема вы-
прямителя приведена на
рис. 3.23. В состав выпрями-
теля входят трехфазный си-
ловой трансформатор Т с
усиленными магнитными по-
Рис. 3.23. Функциональная блок-схе-
ма выпрямителя типа ВД
Рис. 3.24. Конструкция сердечника и рас-
положение обмоток на стержнях трансфор-
матора выпрямителя типа ВД: ВЯ, НЯ —
верхнее ярмо и нижнее ярмо
лями рассеяния и выпрями-
тельный блок V, собранный
по трехфазной мостовой схе-
ме на кремниевых вентилях,
а также пусковая и защит-
ная аппаратура. Конструк-
ция сердечника и расположе-
ние обмоток на стержнях
трансформатора показаны
на рис. 3.24. Обмотки транс-
форматора обладают боль-
шой индуктивностью рассея-
ния вследствие усиленных
магнитных полей рассеяния,
получаемых уменьшением
магнитной связи между пер-
вичной I и вторичной II об-
мотками, что достигается
установкой их на расстоянии
Ь. Большие индуктивности
рассеяния обусловливают значительные индуктивные сопротивле-
ния и крутопадающую внешнюю характеристику трансформатора
96
в диапазоне рабочих напряжений. На рис. 3.25 приведены предель-
ные внешние характеристики выпрямителя при &=0 и &Макс, для
которых рабочее напряжение и ток короткого замыкания определя-
ются по эмпирическим формулам: С/д=20+0,04/, /к= (1,24-1,35)/н.
Регулирование сварочного тока у выпрямителя ступенчато-плавное,
в две ступени: ступень малых (при 6маКс) и ступень больших (при
^мин) ТОКОВ.
Ступенчатое регулирование осуществляется одновременным пе-
реключением фаз обеих об-
моток трансформатора со
звезды на треугольник при
сохранении коэффициента
трансформации. При соеди-
нении фаз звездой и данном
расстоянии b между катуш-
ками обмоток выпрямитель
работает на ступени малых
токов, а при соединении тре-
угольником — больших то-
ков. Ток короткого замыка-
ния выпрямителя на ступени
МТ меньше тока короткого
замыкания ступени БТ при-
мерно в три раза. Переклю-
чатель ступеней сварочного
тока вынесен на лицевую
панель выпрямителя. Сту-
пенчатое регулирование
можно производить лишь
Рис. 3.25. Предельные внешние характе-
ристики выпрямителя типа ВД:
при 6«6мак<.— ступень малых токов (МТ)
при 6=-0 ступень больших токов (£>Т)
при отключении выпрямите-
ля от силовой сети.
В пределах каждой сту-
пени плавное регулирование
сварочного тока осущест-
вляется изменением расстоя-
ния Ь. Верхнее ярмо ВЯ трансформатора состоит из двух пакетов,
между которыми проходит ходовой винт с закрепленным внизу
подпятником. При вращении ходового винта происходит переме-
щение катушек фаз первичной обмотки I. Катушки фаз вторичной
обмотки II закреплены неподвижно у верхнего ярма (см. рис. 3.24).
Рукоятка ходового винта и шкала сварочного тока * находятся на
крышке кожуха выпрямителя. При повороте рукоятки по часовой
стрелке происходит сближение катушек фаз обмоток, уменьшение
расстояния b и увеличение сварочного тока вследствие у меньше:
* На шкале фиксируется значение сварочного тока, соответствующее номи-
нальному напряжению сети и номинальному выпрямленному (рабочему) напря-
жению, а также значения сварочного тока, соответствующие различным поло-
жениям рукоятки ходового винта (т. е. различным расстояниям 6). Точность
показаний шкальс» ±7,5%.
4—2504
97
ния индуктивности рассеяния обмоток Loi и Ло2 и уменьшения ин-
дуктивных сопротивлений обмоток. При раздвижении катушек ин-
дуктивности рассеяния обмоток увеличиваются, сварочный ток
уменьшается. Напряжение холостого хода [/2х.х при плавном регу-
лировании тока за счет изменения b изменяется незначительно
(см. рис. 3.25).
При Ь = &манс напряжение Usx.x на 5—6% меньше, чем при Ь — 0.
Рис. 3.26. Упрошенная электрическая схема выпрямителя типа ВД-306
На рис. 3.26 представлена упрощенная электрическая схема вы-
прямителя типа ВД-306; на рис. 3.27 приведена его регулировочная
характеристика для одной ступени регулирования при 1/д=0.
Технические данные выпрямителя типа ВД-306 представлены
ниже.
Климатическое исполнение и категория размещения . . . УЗ, ТЗ
Нижнее значение температуры окружающего воздуха, °C	—40
Номинальный сварочный ток, А.................... .	315
Пределы регулирования сварочного тока, А.......... 45—315
Номинальное рабочее напряжение, В................. 32,6
Напряжение холостого хода, В .... ................ 70
Номинальное напряжение питающей сети, В........... 220/380
Первичная мощность, кВ-А............................... 21
Режим работы, ПН %..................................... 60
К. п. д„ %............................................. 70
Габаритные размеры, мм............................ 765 X 735 X
Х772
Масса, кг, не более................................. 170
Включение выпрямителя в работу осуществляется в следующем
порядке.
При включении пакетного выключателя S (см. рис. 3.26) полу-
чает питание двигатель вентилятора. При его нормальной работе
(т. е. при обеспечении необходимого, обдува вентилей блока V)
срабатывает реле контроля вентиляции и своим замыкающим кон-
98
Рис. 3.27. Регулиро-
вочная характеристи-
ка выпрямителя типа
ВД для одной ступе-
ни регулирования при
7/д=0
тактом включает цепь катушки магнитного пускателя. Последний,
замыкая свои контакты S2 в линейной цепи, подает питание на
трансформатор Т*. От трансформатора через выпрямительный
блок V получает питание дуга.
Неаварийное отключение выпрямителя от сети осуществляется
также пакетным выключателем S.
Аварийное отключение в зависимости от причины аварии мо-
жет осуществляться реле контроля вентиляции (при прекраще-
нии или снижении уровня обдува вентилей) или узлом защиты (при
пробое вентилей или замыканиях на корпус
вторичных обмоток трансформатора Т).
Узел защиты состоит из магнитного уси-
лителя А, вспомогательного трансформато-
ра Тв и реле К.
Обмотками управления служат провода
двух фаз вторичной обмотки трансформато-
ра Т, проходящие через окна двух торо-
идальных сердечников магнитного усилите-
ля. Эти провода соединяют вторичную об-
мотку трансформатора с выпрямительным
блоком. Необходимость наличия в окнах
сердечников А проводов двух фаз объясня-
ется тем, что узел защиты должен обеспе-
чивать отключение выпрямителя при соеди-
нении фаз вторичной обмотки Т как в звез-
ду, так и в треугольник.
Обмотка реле К и включенные парал-
лельно рабочие обмотки РО магнитного усилителя получают пита-
ние от вспомогательного трансформатора Тв. 
В нормальных (неаварийных) условиях работы сердечники
магнитного усилителя не насыщены, величина напряжения вто-
ричной обмотки Тв недостаточна для срабатывания реле К. В ава-
рийных режимах (например, при пробое р-п-перехода вентиля) в
фазных вторичных токах трансформатора Т появляются постоян-
ные составляющие, вызывающие насыщение сердечников усили-
теля А, реле К срабатывает, снимает питание с катушки магнит-
ного пускателя,-контакты которого S2 размыкаются и снимают пи-
тание с трансформатора и с двигателя вентилятора; сварочный вы-
прямитель отключается от сети, процесс сварки прерывается. В схе-
ме предусмотрена самоблокировка реле К с помощью контакта S1.
Для защиты блока V от коммутационных перенапряжений, воз-
никающих при изменениях состояния вентилей от запертого к про-
водящему, между выводами а, & и с фаз вторичной обмотки транс-
форматора Т включены защитные разрядные цепи /?р—Ср (на рис.
3.26 не показаны; см. рис. 3.9).
* Реле контроля вентиляции и катушка магнитного пускателя на рис. 3.26
не показаны.
4*	99
§ 7. Выпрямители с жесткими внешними характеристиками
а)
Рис. 3.28. Сварочный выпрямитель типа ВС:
а— функциональная блок-схема: Т — силовой трехфаз-
ный трансформатор, V — выпрямительный блок на селе-
новых вентилях, L — линейный дроссель; б — внд внеш-
них характеристик выпрямителя н вольт-амперной ха-
рактеристики дуги
Общие сведения. При дуговой сварке в среде углекислого газа
сварочная дуга имеет возрастающую вольт-амперную характеристи-
ку. Для обеспечения стабильности процесса и устойчивости работы
энергетической системы источник питания — дуга — ванна требу-
ется источник питания дуги с жесткой или пологопадающей внеш-
ней характеристикой и
выходным напряжени-
ем 16—40 В для сварки
токами порядка 300—
500 А. Напряжение при
холостом ходе должно
быть не ниже 60 В. Как
известно, ток короткого
замыкания источников
с пологопадающей
внешней характеристи-
кой превышает рабочий
ток в 4—5 раз, что бла-
гоприятно для процесса
сварки плавящимся
электродом. С ростом
тока усиливается сжи-
мающее действие маг-
нитного поля дуги на
перемычку, соединяю-
щую каплю с торцом
электрода, и увеличивается осевая составляющая механической
силы, направленная в сторону изделия, что способствует отрыву
капли. При питании дуги от источника с пологопадающей внешней
характеристикой облегчается (по сравнению с питанием дуги от
источника с крутопадающей характеристикой) повторное возбуж-
дение дуги. Это объясняется тем, что в этом случае напряженность
электрического поля сразу после отрыва капли больше.
В настоящее время .в качестве источников питания дуги для
сварки плавящимся электродом в среде углекислого газа приме-
няются выпрямители с жесткими внешними характеристиками ти-
пов ВС, ВДГ и ВСЖ. У них различные конструкции, электриче-
ские схемы и принцип действия.
Выпрямитель типа ВС. Функциональная блок-схема выпрями-
теля приведена на рис. 3.28, а, а его внешние характеристики —
на рис. 3.28, б. Регулирование выходного напряжения осуществля-
ется путем ступенчатого переключения числа витков фаз первич-
ной обмотки трансформатора, т. е. изменением коэффициента транс-
формации. Так, например, при неизменном напряжении сети Ui
вторичное напряжение U2 =	(/^уменьшается при увеличении wlt
Wi
что приводит к снижению напряжения _U2, подводимого к дуге. Из рис.
100
3.28, б видно, что если при заданных Ui и ток дуги определен
точкой пересечения характеристик Un=f(I) и U=f(I) при t7x.x=t^oi
и равен Л, то при увеличении wt ток дуги станет меньше /2 и будет
определяться точкой пересечения характеристик Un=f(I) и U =
=f(I) при t7xx= ^02-
Выпрямитель имеет два переключателя числа витков мл:
один — для ступенчатого регулирования (три ступени), второй —
для плавного регулирования (во-
семь ступеней). При помощи этих
переключателей выпрямитель
обеспечивает регулирование вы-
ходного напряжения в 24 ступени.
При работе на максимальную
мощность секционированная часть
первичной обмотки трансформа-
тора не используется. Кроме того,
изменение числа витков wt влечет
за собой нарушение симметрии
обмоток и увеличивает магнитное
рассеяние, что сказывается на на-
клоне внешней характеристики.
Эксплуатационным недостатком
данного выпрямителя является
то, что регулирование выходного
напряжения и, следовательно,
сварочного тока можно произво-
дить только при холостом ходе.
Выпрямители выпускались на
токи 200—600 А при напряжении
холостого хода 20—60 В; в насто-
Рис. 3.29. Функпиональная блок-схе-
ма выпрямителя типа ВДГ с дрос-
сельным управлением:
Т — трехфазный силовой трансформатор;
СН — феррорезонансный стабилизатор на-
пряжения; V7, V8 — вспомогательные вы-
прямительные блоки; А — дроссель насы-
щения с самоподмагничнванием с силовы-
ми вентилями VI—V6; L — линейный дрос-
сель
ягцее время эксплуатируются на
ряде предприятий, но промышленностью не выпускаются.
Выпрямитель тина ВДГ, управляемый дросселем с самоподмаг-
ничиванием*. Функциональная блок-схема выпрямителя приведе-
на на рис. 3 29, а упрощенная электрическая схема — на рис. 3.30.
Регулирование выходного напряжения ступенчато-плавное. Сту-
пенчатое регулирование (три ступени) осуществляется изменением
коэффициента трансформации силового трансформатора Т. Соеди-
нению фаз первичной обмотки треугольником с использованием от-
водов (рис. 3.30) соответствует первая ступень регулирования I,
соединению фаз обмоток треугольником без отводов — вторая сту-
пень II и соединению фаз звездой с использованием отводов —
третья ступень регулирования III выходного напряжения выпрями-
теля. Переключение фаз пакетно-кулачковым переключателем S|
производится на холостом ходу. Плавное регулирование в пределах
каждой ступени осуществляется трехфазным дросселем насыщения
Выпрямитель с дроссельным управлением.
101
Сеть
Рис. 3.30. Упрощенная принципиальная электрическая схема выпрямителя типа ВДГ с дроссельным управ-
лением.
Обозначения основных элементов схемы такие же. как на рис. 3.29
OI OI К д у а е
А. Дроссель выполнен на шести ленточных разрезных сердечниках,
на каждом из которых расположены рабочие обмотки РО. Объ-
единенные попарно сердечники охвачены катушками обмоток уп-
равления (ОУ) и смещения (ОСМ), магнитодвижущие силы кото-
рых направлены встречно. На обмотку управления подается стаби-
лизированное напряжение с потенциометра R1, который включен
на выпрямленное стабилизированное выходное напряжение блока
V7, собранного по однофазной мостовой схеме выпрямления. Пи-
тание блока V7 осущест-
вляется от силовой сети
через феррорезонансный
•стабилизатор напряжения
СН.
Обмотка смещения по-
лучает питание от вторич-
ной обмотки силового
трансформатора Т через
вентили блока V8 и нере-
гулируемый токоограни-
чивающий резистор R2.
Обмотка смещения слу-
жит для расширения пре-
делов плавного регулиро-
U, В
।_________।_________।______।___________
50 ' 100	150	200	250 1,А
вания ВЫХОДНОГО напря- рис 3.31. Внешние характеристики выпря-
жения, осуществляемого мителя типа ВДГ-302 с дроссельным уп-
током /у на данной ступе-	равлением.
НИ регулирования [19].	Z- lI- ступени регулирования
На рис. 3.31 приведены
предельные внешние характеристики для трех ступеней регулирова-
ния выпрямителя.типа ВДГ-302.
На рис. 3.32 приведена зависимость сварочного тока I от тока
/у обмотки управления и отмечен диапазон регулирования между
/у1 И /у2.
Технические данные выпрямителя типа ВДГ-302 приведены в
табл. 3.1. До сварочного выпрямителя ВДГ-302 промышленность
выпускала сварочный выпрямитель типа ВДГ-301, который имел
ту же функциональную схему и тот же принцип действия, что и
ВДГ-302, но худшие технико-экономические показатели.
Выпрямитель типа ВДГ, управляемый тиристорами*. Выпря-
митель используется как источник питания в сварочном автомате
типа ПДГ-601. Функциональная блок-схема выпрямителя типа
ВДГ с тиристорным управлением приведена на рис. 3.33.
Формирование жестких внешних характеристик, регулирование
и стабилизация выпрямленного выходного напряжения, подавае-
мого на сварочную дугу, осуществляются в выпрямителе с помощью
блока фазового управления БФУ, получающего питание от транс-
форматора Тв. С блока БФУ поступают отпирающие импульсы на
* Выпрямитель с тиристорным управлением.
103
тиристоры преобразователя ТП. Форма внешних характеристик вы-
прямителя типа ВДГ с тиристорным управлением подобна форме
внешних характеристик выпрямителя типа ВДГ с дроссельным
управлением. Стабилизация установленного выходного напряжения
выпрямителя осуществляется обратной связью по напряжению с
Рис. 3.32. Зависимость
сварочного тока от тока
обмотки управления вы-
прямителя типа ВДГ-302
с - дроссельным управле-
нием
Рис. 3.33. Функциональная блок-схема выпря-
мителя типа ВДГ с тиристорным управлением:
Т— трехфазный ендовой трансформатор; ТП—тири-
сторный преобразователь; БФУ—блок фазового уп-
равления; 7*в — вспомогательный трансформатор;
L — линейный дроссель	— внешняя харак-
теристика трансформатора;	— внешняя ха-
рактеристика выпрямителя]
выхода блока ТП на блок БФУ. При изменении напряжения сети от
+ 5 до —10% от номинального значения напряжение на выходе
выпрямителя с тиристорным управлением типа ВДГ-601 поддержи-
вается с точностью ±1 В в диапазоне рабочих напряжений 18—50 В
Рис. 3.34. Предельные внешние
характеристики для одного из
режимов работы выпрямителя
типа ВДГ с тиристорным уп-
равлением
и с точностью ±5 В в диапазоне ра-
бочих напряжений 50—66 В. Выпря-
митель двухрежимный обеспечивает
режимы малых и больших токов.
Режим малых токов применяется
при вертикальном положении швов
и при заварке кратеров, режим
больших токов — при горизонталь-
ном положении швов. При режиме
малых токов (в сравнении с режи-
мом больших токов) скорость пода-
чи сварочной проволоки должна
быть меньше, а индуктивность ли-
нейного дросселя в цепи дуги боль-
ше (индуктивность подбирается
опытным путем и обеспечивается
переключением выводов дросселя).
На рис. 3.34 показан вид предель-
ных внешних характеристик выпря-
мителя типа ВДГ-601 с тиристорным
104
Таблица 3.1
Технические данные	Тип выпрямителя	
	ВДГ-302	ВДГ-601
Климатическое исполнение, категория размещения .... 	 Нижний предел температуры окружа- ющего воздуха, °C	 Номинальный сварочный ток, А . . Пределы регулирования сварочного тока, А	 Режим работы, ПН %	 Продолжительность цикла сварки, мин	 Номинальное рабочее напряжение, В Пределы регулирования рабочего на- пряжения, В	 Напряжение холостого хода, В . . . . Номинальное напряжение питающей сети, В 	 Первичная мощность, кВ-А	 К. п. д„ %	 Габаритные размеры, мм	 Масса, кг, не более		УЗ, тз —40 315 50—315 60 10 38 16-38 55 220, 380 19 75 748Х 1045x953 275	УХЛ4, 04 —40 630 100—700 60 10 66 18—66 90 220, 380 69 ’ 82 900X1250X1125 570
управлением для одного из режимов
выпрямителя приведены в табл. 3.1.
Выпрямитель типа ВСЖ. Функ-
циональная блок-схема выпрямите-
ля приведена на рис. 3.35. В выпря-
мителе применен силовой трёхфаз-
ный трансформатор с магнитной си-
стемой особой конструкции. Сердеч-
ник имеет ярма с регулируемой маг-
нитной проводимостью: два средних
ярма СЯ и верхнее ярмо ВЯ (рис.
3.36). Стержни сердечника внизу со-
единены нижним ярмом НЯ с нере-
гулируемой магнитной проводи-
мостью. Средние ярма делят каждое
окно трансформатора на два окна а
и р. Магнитная проводимость сред-
него и верхнего ярм регулируется
подмагничиванием их потоками,
создаваемыми обмотками ОУ1 и
ОУ2, расположенными на этих яр-
мах. В окнах а расположены все
витки wt первичной обмотки и боль-
шая часть Ш2а витков вторичной об-
мотки. В окнах Р размещена осталь-
работы. Технические данные
Рис. 3.35. Функциональная
блок-схема выпрямителя типа
ВСЖ:
Т — силовой трехфазный трансфор-
матор; V — выпрямительный блок;
БКТ — блок коррекции по свароч-
ному току; БСН — блок сравнения
напряжений; А — усилительный
блок; L — линейный дроссель
105
мая часть витков вторичной обмотки w2p. Витки о)2а и о>2₽ соедине-
ны последовательно и согласно. Соотношением w2p/w2a обеспечи-
вается заданный диапазон регулирования выходного напряжения.
Таким образом, трансформатор Т выполняет функции не только
трансформатора, но и регулятора выходного напряжения выпря-
мителя. Вторичная обмотка трансформатора имеет отводы для
ступенчатого регулирования выходного напряжения выпрямителя.
НЯ
Рис. 3.36. Конструкция сердечника и расположение обмоток транс-
форматора выпрямителя типа ВС7К
Силовой выпрямительный блок V собран на неуправляемых по-
лупроводниковых вентилях по трехфазной мостовой схеме вы-
прямления. В цепь дуги включен линейный дроссель L.
Формирование жестких внешних характеристик, регулирование
и стабилизация выпрямленного выходного напряжения осущест-
вляются блоком БКТ, блоком БСН сравнения заданного напряже-
ния с фактическим напряжением на выводах выпрямителя (после
блока V) и блока усиления А.
Принципиальная электрическая схема выпрямителя типа ВСЖ
приведена на рис. 3.37. Блок коррекции по сварочному току БКТ
предназначен для изменения наклона внешних характеристик вы-
прямителя, блок сравнения БСН — для сравнения заданного напря-
жения с фактическим напряжением на выводах выпрямителя, а
106
Сеть
БКТ
Рис. 3.37. Принципиальная электрическая схема выпрямителя типа ВСЖ-
Обозначения основных элементов схемы такие же, как на рис. 3.35
К дуге
также для стабилизации напряжения, подаваемого на обмотки под-
магничивания верхнего и среднего ярм. Блок БСН представляет
собой нелинейный мост, в плечи которого включены резисторы R\
и R2 и стабилитроны VI и V2. При разбалансе моста на его выводах
а и b возникает напряжение, которое подается на блок усиления
А. В блоке А происходит усиление токов для питания обмоток
ОУ/ и ОУ2 подмагничивания ярм трансформатора Т. В блок уси-
ления А входят бесконтактные полупроводниковые реле на тран-
зисторах V4, V5, V6, про-
межуточный транзистор
V7 и дифференциальный
выходной усилитель на
транзисторах V8 и V9.
Промежуточный транзи-
стор V7 управляет выход-
ным усилителем. В кол-
лекторные цепи транзи-
сторов V8 и V9 включены
Рис. 3.38. Вид внешних характеристик вы-
прямителя типа ВСЖ.
/, II, III — ступени регулирования
обмотки управления верх-
него ОУ/ и среднего ОУ2
ярм. Отдельные элементы
блока А получают пита-
ние от силовой сети через вспомогательные блоки, которые на
рис. 3.37 не показаны.	*
Рассмотрим работу блоков сравнения и усиления. Если напря-
жение на входе блока БСН соответствует заданному, то нелиней-
ный мост находится в равновесии и напряжение на его выводах а
и Ь равно нулю. Бесконтактное реле отключено. Транзистор V8 в
цепи обмотки управления ОУ/ открыт. Магнитный поток обмотки
ОУ/ подмагничивает верхние ярма, уменьшается фазное напряже-
ние Т и выходное напряжение выпрямителя. Если нарушается рав-
новесие нелинейного моста, то на выводах а и b моста возникает
разность потенциалов. Бесконтактные реле включаются, открытый
транзистор V8 закрывается и открывается V9. Обмотка управления
ОУ2 получает питание. С подмагничиванием средних ярм напряже-
ние на выводах ‘выпрямителя возрастает, бесконтактное реле и
транзистор V9 отключаются, обмотка ОУ/ получает питание, на-
пряжение на- выводах выпрямителя начинает уменьшаться и т. д.
Благодаря инерционности обмоток управления, определяемой
в основном их большими индуктивностями, заданное
напряжение поддерживается стабильным. Таким образом, в сва-
рочном выпрямителе типа ВСЖ путем поочередного включения
обмоток управления ОУ/ и ОУ2 автоматически поддерживается за-
данное выходное напряжение. Блок БКТ настраивают так, чтобы
наклон стабилизированных внешних характеристик совпадал с на-
клоном естественных внешних 'характеристик без работы блока
коррекции. В этих условиях сварочный процесс протекает с наи-
меньшим разбрызгиванием металла.
108
На рис. 3.38 приведены внешние характеристики выпрямителя
типа ВСЖ, соответствующие трем ступеням регулирования вы-
ходного напряжения (/, II, 111). В пределах каждой ступени плав-
ное регулирование производится с помощью потенциометра Ru
(см. рис. 3.37). Выпрямители типа ВСЖ имеют ряд преимуществ
по сравнению с выпрямителями типа ВДГ с дроссельным управле-
нием: плавное регулирование величины напряжения холостого хода,
независимость процесса сварки от колебаний напряжения силовой
сети, более высокие технико-экономические показатели. Ниже при-
ведены технические данные выпрямителя типа ВСЖ-303.
Номинальный сварочный ток, А.............................. 315
Режим работы, ПН%......................................... 60
Продолжительность цикла сварки, мин........................ 5
Номинальное рабочее напряжение, В......................... 30
Пределы регулирования номинального рабочего напряже-
ния, В............................................... 9—32
Номинальное напряжение питающей сети, В................... 380
К. п. д., %............................................... 76
§ 8. Универсальные выпрямители серии ВДУ
Выпрямители серии ВДУ называют универсальными, так как
они могут работать как с падающими, так и с жесткими внешними
характеристиками.
Универсальные выпрямители обеспечивают плавное дистанци-
онное регулирование выходных тока и напряжения, стабилизацию
установленного режима сварки и выходных параметров при изме-
нениях напряжения сети как при падающих, так и при жестких
внешних характеристиках. Выпрямители работают при принуди-
тельном воздушном охлаждении. Включение выпрямителей в сило-
вую сеть и защита от кратковременных аварийных коротких замы-
каний в цепях выпрямителя осуществляются сетевым автомати-
ческим выключателем, защита от перегрузок в процессе работы —
тепловыми реле магнитных пускателей. В схемах предусмотрен
емкостной фильтр от помех радиоприему, создаваемых дугой при
сварке.
Выпрямители серии ВДУ типов ВДУ-305, ВДУ-504 и ВДУ-504-1
выполнены однокорпусными, передвижными, предназначены для
однопостовой механизированной сварки плавящимся электродом
изделий из стали в среде углекислого газа, а также для ручной
дуговой сварки штучными электродами. Выпрямитель типа
ВДУ^504-1 используют для комплектации сварочных полуавтома-
тов.
Выпрямители типов ВДУ-1201 и ВДУ-1601—однокорпусные,
стационарные. Их перемещают с помощью подъемных средств.
Они предназначены для сварки в среде защитных газов и под флю-
сом, сварки открытой дугой и пррошковой проволокой на автома-
тах с зависимой и независимой от напряжения дуги скоростью по-
дачи электродной проволоки. Внешние характеристики выпрями-
теля типа ВДУ-504 приведены на рис. 3.39.
109
Функциональная блок-схема выпрямителей типов ВДУ-305 и
В ДУ-504 приведена на рис. 3.40, а на рис. 3.41—их упрощенная
принципиальная электрическая схема. В блок СТВ выпрямителя
входит трансформатор Т с двумя вторичными обмотками, соеди-
Рис. 3.39. Внешние характеристики вы-
прямителя типа ВДУ-504
Рис. 3.40. Функциональная блок-схема
выпрямителей типов ВДУ-305 и
ВДУ-504:
СТВ — силовой тиристорный выпрямитель;
БФУ—блок фазового управления; Д — маг-
нитный усилитель — датчик тока; L — линей-
ный дроссель; Sit Sn— выключатели, условно
определяющие наличие (вкл.) или отсутствие
ненными в две обратные
звезды через уравнительный
реактор Аур [5, 6], а также
силовые тиристоры VI—V6.
Первичная обмотка транс-
форматора может быть со-
единена как в треугольник,
так и в звезду при помощи
специального переключате-
ля (на рис. 3.41 не показан).
Соединение в треугольник
осуществляется при работе
выпрямителя, с падающими
внешними характеристиками
и на первой ступени регули-
рования при работе с жест-
кими внешними характери-
стиками; соединение в звез-
ду осуществляется на второй
ступени регулирования при
работе с жесткими внешни-
ми характеристиками.
Соединенные катоды ти-
ристоров VI—V6 образуют
положительный вывод (+)
выпрямителя, отрицатель-
ным выводом (—) является
средняя точка реактора Lyp.
Линейный дроссель сглажи-
вает пульсации выпрямлен-
ного тока и уменьшает раз-
брызгивание металла при
сварке. Дроссель имеет дв’а
вывода: вывод 1 соответст-
вует большей индуктивно-
сти и используется при рабо-
(откл.) обратной связи по-току или напряже- те С ПЭДаЮЩИМИ ВНеШИИМИ
нию	характеристиками и на пер-
вой ступени регулирования
при работе с жесткими характеристиками; вывод 2 соответствует
меньшей индуктивности и используется на второй ступени регули-
рования при работе с жесткими внешними характеристиками.
Для получения падающих внешних характеристик в выпрямите-
лях типов ВДУ-305 и ВДУ-504 используется обратная связь по то-
ку. Выключатель Sj (см. рис. 3.40) при этом должен быть включен.
ПО
В качестве датчика сварочного тока используют магнитный усили-
тель А на тороидальных сердечниках. Через окна сердечников про-
пущен провод, по которому идет выпрямленный сварочный ток.
Этот провод с током является обмоткой управления магнитного
усилителя. Рабочие обмотки магнитного усилителя включены по-
следовательно с однофазным выпрямительным мостом VB на вто-
Рис. 3.41. Упрощенная принципиальная электрическая .
схема выпрямителей типов ВДУ-305 и ВДУ-504.
Обозначения основных элементов схемы такие же, как на
рис. 3.40
ричное напряжение вспомогательного трансформатора Тв. Сигнал
обратной связи, пропорциональный, сварочному току, снимается с
резистора Roc- Для получения жестких внешних характеристик ис-
пользуется обратная связь по выпрямленному выходному напряже-
нию. При этом должен быть включен выключатель Su (см. рис.
3.40),
' Внешние характеристики выпрямителей типов ВДУ-1201 и
ВДУ-1601 приведены на рис. 3.42 и 3.43. Функциональная блок-
схема этих выпрямителей приведена на рис. 3.44, а упрощенная
111
принципиальная электрическая схема — на рис. 3.45. В блок СТВ
входит силовой трехфазный трансформатор, имеющий одну пер-
вичную и две вторичные обмотки, соединенные в звезду. Концы
фаз ab by и Ci одной вторичной обмотки объединены в нейтраль Wi
Рис. 3.42. Внешние характеристики выпрями-
теля типа ВДУ-1201:
— пределы регулирования напряжения при работе
с жесткими внешними характеристиками; Пт — пре-
делы регулирования тока при работе с падающими
внешними характеристиками
и образуют отрицатель-
ный вывод (—), а концы
фаз «2, Ь2 И 02 другой об-
мотки, объединенные в
нейтраль N%, образуют по-
ложительный вывод (+)
выпрямителя. В блок вхо-
дят также силовые тири-
сторы VI—V6. Работой
их управляет блок БФУ
(см. рнс. 3.44, на рис. 3.45
не показан), который со-
стоит из трех узлов: вход-
ного устройства, фазо-
сдвигающего устройства
и устройства формирова-
ния и усиления сигналов,
отпирающих тиристоры.
Входное устройство содер-
жит вспомогательный
трансформатор управления для получения опорного напряжения,
синхронизированного с силовой сетью. Фазосдвигающее устройство
обеспечивает Изменение фазы управляющих сигналов относительно
фазы напряжения сети.
U, В
Рис. 3.43. Внешние характеристики
выпрямителя типа ВДУ-1601:
nv — пределы регулирования напряжения
при работе с жесткими внешними харак-
теристиками; Пт — пределы регулирования
тока при работе с падающими внешними
характеристиками
Рис. 3.44. Функциональная блок-схема
выпрямителей типов ВДУ-1201 и
ВДУ-1601:
СТВ — силовой тиристорный выпрямитель;
БФУ — блок фазового управления; ТТ— блок
трансформаторов тока; L — линейный дрос-
сель; Sit Su — выключатели, условно опреде-
ляющие наличие (вкл.) или' отсутствие (откл.)
обратной связи по току или напряжению
112
Рис. 3.45. Упрощенная принципиальная
электрическая схема выпрямителей типов
ВДУ-1201 и ВДУ-1601.
Обозначения основных элементов такие же, как
на рис. 3.44
Рис. 3.46. Включение секций обмотки линейного дросселя L вы пр я-
мителей типов ВДУ-1201 и ВДУ-1601:
а—-секции L\ и Д2 включены параллельно для выпрямителя типа ВДУ-1601;
б — секции L\ н Да включены последовательно с выводом средней точки для
выпрямителя типа ВДУ-1201
Обратная связь по сварочному току осуществляется с помощью
блока трансформаторов тока ТТ, собранных на тороидальных сер-
дечниках. Вторичные обмотки трансформаторов тока соединены
треугольником и через трехфазный мостовой выпрямитель V7
подключены к резистору /?ос, с которого снимается напряжение
обратной связи по току.
При работе выпрямителей типов ВДУ-1201 и ВДУ-1601 с жест-
кими внешними характеристиками должна действовать обратная
связь по выпрямленному напряжению, которое снимается с точек
Wi и А2 (см. рис. 3.45). Включение обратной связи по току или на-
пряжению производят выключателями S, или S1( (см. рис. 3.44).
Линейный дроссель L предназначен для сглаживания пульсаций
выпрямленного тока и улучшения динамических свойств выпрямите-
лей. Обмотка дросселя секционирована. Схемы включения секций
L1 и L2 приведены на рис. 3.46: а — для ВДУ-1601; б — для
ВДУ-1201.
Таблица 3.2
Технические данные	Тип выпрямителя			
	ВДУ-305	ВДУ-504	ВДУ-1201	ВДУ-1601
Климатическое исполнение, категория размещения		УЗ	УЗ, тз	УЗ, ТЗ	УЗ
Нижний предел температуры окружающего воздуха, °C . .	—40	—40	—30	-30
Номинальный сварочный ток, А		315	500	1250	1600
Пределы регулирования сва- рочного тока, А: при работе с жесткими характеристиками		50—315	100—500	300—1250	500—1600
при работе с падающими характеристиками		20—315	70—500	300—1250	600—1600
Режим работы, ПВ% • . • •	60	60	100	100 
Продолжительность цикла сварки, мин ,		10	10	Продолжи-	Продолжи-
Пределы регулирования ра- бочего напряжения, В: при работе с жесткими ха- рактеристиками 		16-38	18—50	тельный 24-66	тельный 26—66
при работе с падающими характеристиками		21—33	23—46	26—60	30—66
Напряжение холостого хода, В		70	80	100	10Э
Номинальное	напряжение питающей сети, В		220, 380	220, 380	380	380
Первичная мощность, кВ-А	23	40	120	155
К. п. д., %		70	82	83	84
Габаритные размеры, мм . .	634Х	1100Х800Х	1400Х850Х	1150Х900Х
	Х975Х	Х940	Х1250	Х1850 >
Масса, кг, не более ....	Х760 240	380	850	950
114
Технические данные выпрямителей серии ВДУ приведены в
табл. 3.2. В табл. 3.3 приведены данные, характеризующие точность
стабилизации выходных параметров (рабочего напряжения и сва-
рочного тока) выпрямителей серии ВДУ при отклонениях величины
напряжения питающей сети от номинального значения.
Таблица 3.3
Отклонение напряжения пита- ющей сети от номинального, %	Точность стабилизации рабочего напряжения при работе с жесткими внешними характеристиками			Точность стабилизации сварочного тока при работе с падающими внешними характеристиками		
	ВДУ-305	ВДУ-504	ВДУ-1201, ВДУ-1601	ВДУ-305	ВДУ-504	ВДУ-1201, ВДУ-1601
+5	±2,5%	±1 в	±1 в	±2,5%'	±3%	±2,5%
—5	—		i 1 В	—	—	±2,5%
—10	±5%	±1 В	—	±5%	±5%	—
ГЛАВА 4
СВАРОЧНЫЕ ОДНОПОСТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 1. Общие сведения
Однопостовые генераторы для дуговой сварки представляют со-
бой особый вид электрических машин с технологическими свойства-
ми, обеспечивающими легкое возбуждение и устойчивое горение
сварочной дуги и получение шва, обладающего требуемыми свой-
ствами.
До недавнего времени в сварочной технике применялись кол-
лекторные генераторы постоянного тока, которые являются по су-
ществу генераторами переменного тока с коллектором, позволяю-
щим преобразовывать переменное напряжение в постоянное. В на-
стоящее время разработаны вентильные генераторы, в которых
применены синхронные трехфазные генераторы специальной конст-
рукции с выпрямлением переменного напряжения в статическом
бесконтактном выпрямительном устройстве.
Первые сварочные однопостовые генераторы постоянного тока
были коллекторными генераторами с тремя обмотками возбужде-
ния — независимого, параллельного (шунтового) и последователь-
ного. Последовательная обмотка была включена встречно по отно-
шению к двум другим, за счет чего создавалась падающая внешняя
статическая характеристика генератора. Такой генератор известен
как генератор Кремера. По схеме этого генератора был спроекти-
рован и создан в середине 20-х годов (под руководством акад.
В. П. Никитина) первый отечественный сварочный генератор типа
ZM-1. В последующие годы получили распространение другие типы
коллекторных однопостовых сварочных генераторов: генераторы с
115
расщепленными полюсами и генераторы поперечного поля. Были
разработаны теоретические основы работы сварочных генераторов,
изучены их статические и динамические свойства, созданы методи-
ки расчета.	j
Сварочный генератор должен иметь внешнюю характеристику,
соответствующую способу сварки, среде сварки и характеристике
дуги. Кроме того, для возбуждения дуги контактным способом
напряжение холостого хода генератора должно быть выше, чем
напряжение при горении дуги. Генератор должен обеспечивать ре-
гулирование величины сварочного тока в достаточно широких пре-
делах и иметь динамические свойства, при которых, несмотря на
кратковременные и резкие изменения проводимости дугового про-
межутка, создавались бы условия для устойчивой работы энерге-
тической системы источник — дуга — ванна. По форме внешних
характеристик сварочные генераторы постоянного тока можно раз-,
делить на генераторы с падающими внешними характеристиками
и генераторы с жесткими характеристиками. Первые используются
для питания дуги постоянным током при ручной дуговой сварке
плавящимся электродом в атмосфере воздуха и для механизирован-
ной сварки под флюсом, когда вольт-амперная характеристика ду-
ги падающая или жесткая. Когда вольт-амперная характеристика
дуги возрастающая (сварка в атмосфере углекислого газа, сварка
сжатой дугой), требуются источники питания с-жесткой, полого-
падающей или пологовозрастающей внешней характеристикой.
Для стабильного протекания процесса сварки большое значение
имеют не только статические, но и динамические свойства источни-
ка. К динамическим свойствам генератора предъявляются жесткие
требования, которые достаточно трудно выполнить, так как коллек-
торным генераторам постоянного тока свойственна значительная
электромагнитная инерция. Не всегда генератор, удовлетворяющий
требованиям, предъявляемым к его статическим свойствам, может
обеспечить устойчивый процесс сварки. В ранние периоды создания
оборудования для электрической дуговой сварки разрабатывались
разные типы генераторов постоянного тока, но по мере развития их
теории изучения статических и динамических свойств многие типы
генераторов не находили применения вследствие неудовлетвори-
тельных статических и динамических свойств.
В последнее время выявился основной тип сварочного генерато-
ра с падающими внешними характеристиками, свойства которого
отвечают современным требованиям технологии дуговой сварки.
Таким генератором оказался генератор с размагничивающей после-
довательной обмоткой, выпускаемый в двух модификациях: незави-
симого возбуждения и с самовозбуждением *.
Кроме этого генератора в меньших объемах применяются гене-
раторы с жесткими характеристиками, универсальные генераторы,
* Генераторы с самовозбуждением применяются в полевых условиях при
отсутствии силовой сети (см. также § 2 и 5 данной главы).
116
а также вентильные генераторы. Эти типы генераторов относятся
к источникам питания группы О и рассматриваются в данной главе.
Сварочные генераторы, применявшиеся в 30—40-е годы, под-
робно рассмотрены в специального литературе [10, 12] и в настоя-
щем пособии не рассматриваются.
§ 2. Коллекторные генераторы с падающими
внешними характеристиками
Рис. 4.1. Принципиальная электрическая схема
включения генератора типа ГСО независимого
возбуждения
Генераторы типа ГСО независимого возбуждения. Принципи-
альная электрическая схема включения генератора приведена на
рис. 4.1. Обмотка дополнительных полюсов на схеме не показана.
. Обмотка независимого
возбуждения, создаю-
щая намагничивающий
магнитный поток Фв, по-
лучает питание от вы-
прямительного блока V,
включенного в силовую
сеть через феррорезо-
нансный стабилизатор
напряжения СН. М.д.с.
намагничивающей об-
мотки г^в/в создает по-
ток Фв, а м.д.с. после-
довательной обмотки
wpI — размагничиваю-
щий поток Фр, направ-
ленный встречно потоку
Фв. Падающая внеш-
няя характеристика ге-
нератора формируется
вследствие уменьшения
результирующего пото-
ка генератора с ростом
тока /. При этом умень-
шаются э.д.с. Е, индук-
тируемая в якоре, и
напряжение U на выводах генератора.
Якорь генератора вращается асинхронным двигателем М. Гене-
раторы могут работать нормально лишь при определенном 'направ-
лении вращения якоря, указанном стрелкой на щите.
К генераторам независимого возбуждения с размагничивающей
последовательной обмоткой относятся генераторы типов ГСО-500
и ГСО-ЗОО. ГСО-500 входит в состав преобразователя типа ПД-501,
предназначенного для механизированной сварки под флюсом и
для ручной дуговой сварки, а ГСО-ЗОО — в состав преобразователя
типа ПСО-ЗОО для ручной дуговой сварки. На рис. 4.2 показано
устройство магнитной системы четырехполюсного генератора типа
117
ГСО-ЗОО. Чередование полярности основных полюсов N—S—N—S,
дополнительные полюса полярности s.
В отличие от несварочных генераторов постоянного тока неза-
висимого возбуждения, имеющих жесткую внешнюю характеристи-
ку, магнитная система и расположение катушек намагничивающей
и размагничивающей обмоток у генератора типа ГСО независимого
возбуждения асимметричны. У этих генераторов применяется пол-
ное или частичное разнесение катушек намагничивающей и размаг-
Рис. 4.2. Устройство магнитной системы четырехполюсного генерато-
ра типа ГСО-ЗОО независимого возбуждения и расположение обмо-
ток на его полюсах
ничивающей обмоток по основным полюсам разной полярности, что
связано с требованиями технологии процесса сварки, для которого
предназначается генератор. Разнесение обмоток улучшает динами-
ческие свойства генератора и сказывается на форме его внешней
характеристики. Так, например, если намагничивающая обмотка
размещена на всех основных полюсах, а размагничивающая — на
полюсах полярности S, то можно избежать прогиба в рабочей час-
ти внешней характеристики (см. рис. 4.5, штрихпунктирные линии).
При наличии прогиба значения напряжения U генератора в обла-
сти рабочих токов меньше, что ухудшает устойчивость процесса
сварки.
На рис. 4.3 показано устройство магнитной системы двухполюс-
ного сварочного генератора с разнесенными намагничивающей и
размагничивающей обмотками, что упрощает изучение картины
магнитного поля и позволяет легче проследить пути магнитных
силовых линий полей, создаваемых м.д.с. обмоток генератора. Часть
магнитных силовых линий не проходит через якорь, а замыкается
через воздух вокруг витков обмоток wB и шр, а также через сердеч-
ники дополнительных полюсов, расположенных перпендикулярно
118
оси основных полюсов М—S. Это магнитные силовые линии по-
токов рассеяния, которые на рис. 4.3 обозначены как фво и Фро.
Обмотки дополнительных полюсов, как обычно в генераторах по-
стоянного тока, включены в цепь якоря последовательно. Поля,
создаваемые дополнительными полюсами п и s, на рис. 4.3 не по-
казаны.
Магнитные потоки намагничивающей обмотки возбуждения и
размагничивающей последовательной обмотки, сцепляющиеся с
витками обмотки якоря и
наводящие в них э.д.с., опре-
деляются как
^м.в	^мр.
(4.1)
где /вг^в и Iwv — соответст-
венно м.д.с. намагничиваю-
щей обмотки возбуждения
и последовательной размаг-
ничивающей обмотки; Ям.в и
Ям.р — м а гнитные сопр оти в -
ления путей силовых линий
потоков Фв и Фр.
Поскольку м.д.с. обмоток
направлены встречно, то ре-
зультирующая м.д.с пары
основных полюсов N—S
равна
. IBwB — Iwp. (4.2)
Результирующий поток
основных полюсов Ф, прони-
зывающий витки обмотки
Рис. 4.3. Устройство магнитной цепи и рас-
пределение магнитных потоков в сварочном
генераторе независимого возбуждения с
разнесенными обмотками wB и wp (без
учета магнитных потоков дополнительных
полюсов)
якоря, вращающегося с постоянной частотой вращения пвр, равен
разности потоков Фв и Фр. В витках обмотки якоря индуктируется
э.д.с. якоря
/ Л ад)	I № р
Е=kenBP<D=kenBP (-^-2----------—
ч ^М.в	^\м.р
(4-3)
, N-Ър	, ,
где ke—----------коэффициент, зависящий от конструктивных
2а-60
данных генератора; 7V/(2a) —число последовательно соединенных
проводников параллельной ветви обмотки якоря; 2р— число основ-
ных полюсов генератора.
Разнесение обмоток независимого возбуждения и последователь-
ной размагничивающей по основным полюсам разной полярности
приводит к асимметрии магнитных полей. При этом магнитный по-
ток дополнительных полюсов обусловливается не только м.д.с. и
119
магнитным сопротивлением цепи этих полюсов, но зависит и от
м.д.с. намагничивающей и размагничивающей обмоток. Так как
магнитные сопротивления путей силовых линий — величины непо-
стоянные, поскольку отдельные ферромагнитные участки могут на-
ходиться в насыщенном состоянии, то зависимость между э.д.с.
якоря и током /в нелинейная. На рис. 4.4 приведена характеристика
холостого хода £'х.х=/(/в), которая в другом масштабе является за-
висимостью Фв = /(/в) при нвр =
Рис. 4.4. Характеристика холосто-
го хода генератора независимого
возбуждения при nBp=const
= const. Каждому значению тока
/в при его уменьшении (кривая
2) соответствуют несколько боль-
шие значения Фв и £х.х, чем при
возрастании тока /в (кривая 1),
что вызвано явлением магнитного
гистерезиса. При уменьшении /в
до нуля э.д.с. в якоре не равна
нулю, так как в ферромагнитных
частях генератора имеется не-
большой остаточный поток, со-
ставляющий 2—6% от Фв при но-
минальном токе /в- Точка А на
расчетной характеристике холо-
стого хода (кривая <?) соответст-
вует номинальным (расчетным)
значениям потока Фв, э.д.с. £х.х
и тока /в. При нагрузках, близ-
ких к номинальной, когда поток
Фр велик, /?м.в и £м.р можно счи-
тать постоянными и примерно
равными: /?м.в~£м.р~£м- М.д.с.
намагничивающей и размагничивающей обмоток, кроме потоков
Фв и Фр, сцепленных с витками якоря, создают магнитные поля
Фва и Фра, замыкающиеся (см. рис. 4.3) помимо якоря вокруг вит-
ков обмоток wB и ы'р через воздух и через дополнительные полюсы
п, s. Эти потоки усиливают магнитное поле, созданное м.д.с. об-
мотки дополнительного полюса полярности s, и ослабляют поле
дополнительного полюса полярности п. В связи с этим действие
дополнительного полюса п настолько мало, что его использование
делается нецелесообразным.
Кроме того, как следует из рис. 4.3, м.д.с. дополнительных по-
люсов полярности s благодаря подмагничивающему действию /вшв
можно уменьшить, что дает экономический эффект, снижая массу
генератора и затраты на активные материалы (медь, сталь). По-
этому сварочные генераторы, имеющие’ четыре основных полюса,
выполняются с половинным числом дополнительных полюсов.
Однако при половинном числе дополнительных полюсов при про-
ектировании генератора необходимо принимать определенные меры
для поддержания условий хорошей коммутации, свойственной ма-
шинам с симметричной магнитной системой. У сварочных генерато-
120
ров для этого обмотка якоря выполняется диаметральной или с уко-
рочением шага, а полюсные наконечники дополнительных полюсов
несколько расширяют по окружности якоря.
Чтобы не уменьшалось напряжение холостого хода ТА.х из-за
утечки значительной части потока намагничивающей обмотки Фв
через дополнительные полюсы, воздушный зазор под дополнитель-
ными полюсами делают значительно больше, чем под основными.
Последовательная размагничивающая обмотка секционирована.
Сделан отвод от части витков обмотки ге>р. Благодаря этому уда-
ется предотвратить резкое уменьшение напряжения холостого хода
генератора при регулировании сварочного тока в большом диапа-
зоне за счет изменения тока /в в обмотке независимого возбужде-
ния с помощью только резистора £в.
При нагрузке результирующий поток, сцепленный с витками
вращающегося якоря, уменьшается, что дает уменьшение э.д.с. в
якоре и напряжения на выводах генератора. При протекании тока
I по сварочному контуру в нем несколько увеличивается падение
напряжения, что также уменьшает напряжение.
Уравнение внешней характеристики генератора записывается
формулой
U = E-IRS,	(4.4)
где Е — э.д.с., индуктируемая результирующим потоком Ф=ФВ—
—Фр в обмотке якоря; Ля — внутреннее сопротивление якорной цепи
генератора, равное сумме сопротивлений всех обмоток в цепи яко-
ря и щеток. У генераторов на номинальные токи порядка 300—
500 А величина 7?н невелика и составляет примерно 0,010—0,015 Ом.
При холостом ходе, когда /=0, напряжение на зажимах генерато-
ра равно э.д.с., т. е. (7ХХ=£ХХ. При нагрузке падение напряжения
IRn не равно нулю, ио мало (порядка 3—4 В). При коротком замы-
кании сварочного контура 17=0, ток / достигает максимального
значения, так же как и поток Фр и поток поперечной реакции яко-
ря. Э.д.с. якоря невелика и равна падению напряжения в цепи яко-
ря генератора EK=IKRa, где /к— ток в цепи якоря при коротком
замыкании дугового промежутка. С учетом сделанных ранее допу-
щений и используя формулы (4.3 и 4.4), получим
—	-^^-(/BwB-/wp).	(4.5)
С ростом сварочного тока / при неизменном токе /в в намагни-
чивающей обмотке внешняя характеристика падающая. В области
значений сварочного тока, близких к номинальному, характеристи-
ка линейна.
В теории сварочных генераторов применяют понятие внутрен-
ней характеристики, понимая под ней зависимость э.д.с. Е от тока
/ при /B=const и n=const. Уравнение внутренней характеристики
можно получить из (4.4), прибавив к напряжению U падение на-
пряжения в якорной цепи:
£=г/+//?».	(4.6)
6—2504
121
Понятием внутренней характеристики пользуются, рассматри-
вая переходные процессы в сварочных генераторах при изучении
их динамических свойств.
Из уравнения внешней характеристики (4.4) находим выраже-
ние для сварочного тока:
в® в/#м ' U
KetlBfW^R„. + /?я ’
(4.7*
где ке и п— постоянные величины, а магнитное сопротивление /?м
при нагрузке, близкой к номинальной, можно считать независящим
от сварочного тока.
Из выражения (4.7) следует, что при данном напряжении V на
дуге сварочный ток можно регулировать за счет изменения м.д.с.
Рис. 4.5. Внешние характеристики генератора не-
зависимого возбуждения типа ГСО при ZB=const
и n=const:
БТ — ступень больших токов; МТ —* ступень малых то-
ков
7BwB намагничивающей
обмотки, числа витков;
wp последовательной
размагничивающей об-
мотки и за счет вклю-
чения дополнительного
резистора в цепь дуги
для увеличения сопро-
тивления цепи якоря.
У генераторов типа
ГСО независимого воз-
буждения регулирова-
ние сварочного тока сту-
пенчато-плавное. Сту-
пень больших токов БТ
обеспечивается вклю-
чением лишь части
витков обмотки шРт т. е.
уменьшением потока
Фр, ступень малых то-
ков М Т — включением
всей обмотки wp. Из-
менение числа виТков wp не влияет на величину напряжения холо-
стого хода L/o генератора. Плавное регулирование в пределах каж-
дой ступени производится изменением тока /в в обмотке независи-
мого возбуждения с помощью резистора /?в (см. рис. 4.1). Умень-
шить сварочный ток I ниже наименьшего расчетного можно, вклю-
чив в цепь якоря последовательно с дугой дополнительный ре-
зистор.
Увеличение тока /в приводит к росту сварочного тока. При этом
увеличивается и напряжение холостого хода генератора. На рис. 4.5
приведены внешние характеристики генератора типа ГСО незави-
симого возбуждения для двух ступеней регулирования. Величина
напряжения холостого хода наибольшая при /вмакс и наименьшая
при /в мин-
122
В теории несварочных генераторов постоянного тока независи-
мого возбуждения с жесткой внешней характеристикой пользуют-
ся понятием регулировочной характеристики, представляющей со-
бой зависимость тока возбуждения от тока нагрузки /в=)(/) при
nBp=const и 6/д=const (рис. 4.6). Для поддержания напряжения
£/д на выводах генератора постоянным с увеличением тока нагруз-
ки необходимо увеличивать ток /в.
Под регулировочной характеристикой сварочного генератора
понимают зависимость /=/(/в) при L^=const и nBP=const, кото-
рая показана на рис. 4.7. В силу того что в области значений сва-
Рис. 4.6. Регулировочная
характеристика генера-
тора постоянного тока
независимого возбужде-
ния без размагничиваю-
щей последовательной
. обмотки
Рис. 4.7. Регулировочная
характеристика генера-
тора независимого воз-
буждения типа ГСО при
t/д=const и nBP=const
речного тока, близких к номинальному, магнитная цепь генератора
не насыщена, регулировочная характеристика сварочного генерато-
ра практически линейна.
Рассмотрим динамические свойства генератора. Работа генера-
тора протекает в условиях смены одного установившегося режима
другим, что сопровождается переходными процессами в электриче-
ских цепях генератора, например смена установившегося режима
холостого хода (XX) режимом короткого замыкания (КЗ) при пер-
воначальном возбуждении дуги или смена режима КЗ рабочим
режимом (РР). При'крупнокапельном дуговом процессе сварки
плавящимся электродом происходит замыкание дугового промежут-
ка каплей, потом отрыв капли от электрода и смена режима КЗ
режимом РР или режимом XX, если нет условий для повторного
возбуждения дуги. Энергетическая система практически работает
в условиях циклически повторяющихся смен одного установившего-
ся режима другим. При рабочем режиме, когда дуга горит устой-
чиво и на конце электрода образуется растущая в объеме капля,
переходящая затем в ванну на изделии, изменяется проводимость
G разрядного промежутка и на осциллограммах напряжения и то-
ка дуги наблюдаются колебания их значений около некоторых сред-
6*
123
них. Эти колебания тока и напряжения при сварке видны лишь на
осциллограммах, так как стрелочные измерительные приборы из-за
инерционности подвижных частей показывают лишь усредненные
значения. Прежде чем дать качественное описание переходных про-
цессов, протекающих в цепях сварочного генератора, вспомним,
что если цепи какого-либо электротехнического устройства линей-
ны и параметры цепей (сопротивление /?, индуктивность L и.взаим-
ная индуктивность М) постоянны, то токи во время переходных
процессов изменяются во времени по экспоненциальному закону и
постоянные времени цепей не зависят от величины токов. Если
цепь нелинейна, то постоянная времени в разных точках кривой
тока	непостоянна, поскольку значения R, L и М зависят от
времени. Закон изменения тока в этом случае отличается от экспо-
ненциального.
Для рассматриваемого сварочного генератора характерна зна-
чительная электромагнитная инерция вследствие больших индуктив-
ностей и взаимной индуктивности цепей, которые имеют решающее
значение для характера протекания и длительности переход-
ных процессов, возникающих в цепях генератора при смене устано-
вившихся режимов в случае работы генератора на реальную свароч-
ную дугу [10, 11, 12]. Для сварочного генератора параметры R, L
и М его цепей должны иметь определенные значения, при которых
генератор обладает удовлетворительными технологическими свой-
ствами. Если переходные процессы протекают в источнике питания
за весьма малый промежуток времени, то наблюдаются большие
скорости нарастания сварочного тока, сварочный процесс сопро-
вождается сильным разбрызгиванием металла, происходят прожоги
изделия, качество сварного шва неудовлетворительное.
К низкому качеству шва приводит также слишком медленное
протекание переходных процессов. Медленный рост напряжения,
подводимого к разрядному промежутку после первоначального или
повторного возбуждения дуги, может стать причиной угасания
дуги, появления в шве непроваров, раковин.
Дадим качественное описание процессов, происходящих в энер-
гетической системе в условиях ручной дуговой сварки плавящимся
электродом при питании дуги от генератора типа ГСО независимо-
го возбуждения. Рассмотрим рис. 4.8, на котором приведены гра-
фики, представляющие собой обобщение осциллограмм напряже-
ния Пд, сварочного тока i и тока «в в обмотке независимого возбуж-
дения генератора. Во время процесса сварки, когда записывались
осциллограммы, происходили замыкания разрядного промежутка
каплей, образовавшейся на торце электрода. В цепь дуги дополни-
тельная индуктивность не включалась.
На рис. 4.8 можно выделить пять интервалов, которые цикличе-
ски повторяются при стационарном процессе сварки: 1 — режим
XX; 2 — процесс первоначального возбуждения дуги контактным
способом, т. е. режим КЗ с быстрым отведением электрода от изде-
лия и переходом на рабочий режим РР, после того как дуга возбу-
дилась; 3 — режим РР, при котором электрод плавится, образуется
124
капля жидкого металла, перемещающаяся в направлении к изде-
лию; 4 — режим КЗ разрядного промежутка каплей; 5 — момент
отрыва капли и повторное возбуждение дуги с переходом от режима
КЗ к режиму РР. При стабильном устойчивом процессе циклы по-
вторяются. Если после короткого замыкания разрядного промежут-
ка каплей дуга повторно не возбуждается, то процесс сварки пре-
рывается и происходит смена режима КЗ режимом XX.
Рис. 4.8. Графики изменения во времени напряжения на дуге иД1
сварочного тока i и тока возбуждения iB, построенные как обоб-
щенные осциллограммы процесса сварки:
/—5 — периодически повторяющиеся интервалы стационарного процесса
сварки
Рассмотрим переходные процессы, происходящие в энергетиче-
ской системе.
В режиме XX напряжение UR,XJL на выходных выводах генера-
тора, подводимое к разрядному промежутку, равно э.д.с. якоря ге-
нератора £х.х. При соприкосновении торца электрода с изделием
для первоначального возбуждения дуги напряжение Пд.х.х уменьша-
ется почти до нуля, а ток i в сварочном контуре начинает возрас-
тать. Вследствие наличия индуктивностей и взаимной индуктивно-
сти цепей генератора ток i не мгновенно достигает величины тока
установившегося режима КЗ /к, а проходит значение максимума
125
1макс и лишь затем спадает до /к. Возрастание тока i вызывает по-
явление в цепях генератора э.д.с. самоиндукции и взаимной индук-
ции, препятствующих его изменению. Эти э.д.с. являются причиной
электромагнитной инерции генератора, которая обусловливает зна-
чительный пик сварочного тока и медленное восстановление напря-
жения на выходных зажимах генератора после короткого замыка-
ния разрядного промежутка.
Значения индуктивностей и взаимной индуктивности цепей гене-
ратора при смене режимов работы не остаются постоянными. Это
объясняется тем, что ферромагнитные участки магнитной системы
генератора (сердечники полюсов, ярмо станины) изменяют свое
магнитное состояние и магнитные сопротивления 7?м в зависимости
от сварочного тока, размагничивающего Фр и результирующего Ф
магнитных потоков. Наибольшие значения 7?м ферромагнитные уча-
стки имеют при малом Фр, когда результирующий магнитный поток
велик, а наименьшие — при больших значениях Фр, когда свароч-
ный ток близок к номинальному и к току установившегося КЗ.
В этом диапазоне магнитные сопротивления ферромагнитных участ-
ков принимаются постоянными, не зависящими от сварочного тока.
Обмотка независимого возбуждения и последовательная размагни-
чивающая обмотка генератора имеют магнитную связь, которая вы-
ражается взаимной индукцией М. Из-за того что магнитное состоя-
ние магнитной системы генератора почти во всем диапазоне изме-
нения сварочного тока зависит от его значения, дифференциальные
уравнения, математически описывающие переходные процессы в
сварочном генераторе, нелинейны и их решение затруднительно.
Переходные процессы при работе сварочного генератора проис-
ходят не только при смене установившихся режимов, но и при сме-
не неустановившихся режимов, как, например, режима XX на не-
установивШийся режим, при котором сварочный ток / при корот-
ком замыкании разрядного промежутка не успевает достигнуть зна-
чения /к.
Как показывают многочисленные эксперименты, сварочный ток
i в интервале времени 2 (рис. 4.8) возрастает по кривой, близкой
к экспоненте.
При установившемся режиме КЗ э.д.с. якоря
E.=IKR,	(4.8)
где R — полное сопротивление сварочного контура, включающее и
внутреннее сопротивление генератора, и сопротивление вылета элек-
трода. Э.д.с. £к составляет всего несколько процентов от э.д.с. £х.х,
так как 7? = 0,0104-0,015 Ом.
Как видно из рис. 4.8, ток tB в интервале времени 2 при измене-
нии сварочного тока также изменяется по величине, хотя к обмотке
независимого возбуждения подведено постоянное напряжение от
выпрямительного блока V. Ток iB, так же как и ток i, .при возбужде-
нии дуги проходит максимум 1кмакс, а затем спадает до значения /в,
определяемого подведенным постоянным напряжением и сопро-
126
тивлением обмотки независимого возбуждения генератора.
Изменение тока iB объясняется тем, что при возрастании сварочно-
го тока появляется возрастающий размагничивающий магнитный
поток Фр последовательной обмотки и происходит уменьшение ре-
зультирующего магнитного потока Ф, сцепленного с витками на-
магничивающей обмотки. В них индуктируется э.д.с. взаимной ин-
дукции, направленная встречно напряжению, подводимому от V.
Благодаря этому м.д.с. намагничивающей обмотки создает магнит-
ное поле, поддерживающее прежнее магнитное состояние магнит-
ной системы генератора и препятствующее увеличению результиру-
ющего потока генератора. При этом задерживается возрастание
э.д.с., индуктируемой в якоре, и напряжения на выводах генерато-
ра, ухудшаются условия возбуждения дуги. Динамические свойства
генератора в этих услбвиях хуже.
На кривой тока iB=f(t) (рис. 4.8) виден пик тока г’в.макс, появля-
ющийся при возрастании сварочного тока. Благодаря увеличению
тока iB замедляется уменьшение Ф генератора, а это, в свою оче-
редь, сказывается на увеличении пика сварочного тока. Как пока-
зывают эксперименты, /(-макс >/,вмакс.
Для улучшения динамических свойств генератора — уменьшения
скорости нарастания и величины пика тока в цепи дуги, улучшения
условий возбуждения дуги — уменьшают магнитную связь намаг-
ничивающей и размагничивающей обмоток генератора. С этой
целью при проектировании генераторов разносят обмотки wB и wp
на полюсы разной полярности. При разнесенных обмотках измене-
ние тока iB при переходных процессах лишь незначительно влияет
на характер изменения тока i.
На рис. 4.9 приведены осциллограммы иа и i на разрядном про-
межутке при возбуждении дуги контактным способом для момента
смены установившегося режима XX режимом КЗ без дополнитель-
ной индуктивности и с дополнительной индуктивностью в цепи ду-
ги. Из сравнения осциллограмм видно, что при наличии дополни-
тельной индуктивности спадание £7д.х.х затягивается в связи с по-
явлением э.д.с. самоиндукции, складывающейся с уменьшающимся
напряжением на дуге. По этой же причине скорость нарастания то-
ка снижается; пик тока становится меньше вследствие роста пол-
ного сопротивления сварочного контура. Как видно на рис. 4.8,
при возбуждении дуги (интервал 2) при быстром отведении элек-
трода от изделия «д достигает пикового значения ид.Макс, а затем
быстро спадает до «д.мин- Пик ид.Макс совпадает во времени с наи-
меньшим значением тока i. На рис. 4.10, где приведены осцилло-
граммы ия и I, пик Цд.макс совпадает с моментом времени, когда
уменьшающийся ток i достигает нулевого значения. Своим появле-
нием пик ид.макс обязан э.д.с. самоиндукции, индуктируемой в цепи
якоря генератора при спаде тока i вследствие резкого иэменения
проводимости G разрядного промежутка. Величина ид.Макс не имеет
практического значения для облегчения возбуждения дуги, так как
существует кратковременно. Напряжение после достижения значе-
ния цд.мин возрастает практически по экспоненте. Если кривую
127
uK=f(f) продолжить влево (рис. 4.10) до пересечения с осью орди-
нат, то получим отрезок ОК, величина которого равна э.д.с. Ек
якоря генератора в момент размыкания сварочного контура. Чем
больше э.д.с. Ек, тем лучше условия для возбуждения дуги. Если
э.д.с. Ек недостаточна по величине, то в цепь дуги включают допол-
нительную индуктивность [9, 10, 12]. Вернемся к рис. 4.8. С момента
отведения электрода от поверхности изделия при возбуждении дуги
Рис. 4.9. Осциллограммы
напряжения на дуге ад
и сварочного тока i для мо-
мента смены, режима холо-
стого хода режимом корот-
кого замыкания:
------	— без дополнитель-
ной индуктивности в цепи ду-
ги; --с дополнительной
индуктивностью в цепи дуги
Рис. 4.10. Осциллограммы напряжения
на дуге ид и сварочного тока i, иллюст-
рирующие связь между идмакс и момен-
том достижения током i нулевого зна-
чения
до возникновения устойчивого дугового разряда проходит некото-
рый промежуток времени, обозначенный т и называемый временем
восстановления напряжения. Наилучшие условия для возникнове-
ния устойчивого дугового разряда при ручной дуговой сварке пла-
вящимся электродом, как показывает опыт, создаются, если
Е'д.мин^ЗО В при т^0,02 с. Время восстановления напряжения на
дуге зависит от электромагнитной инерции генератора. Чем оно
меньше, тем быстрее возрастает э.д.с. якоря генератора, которая
при замыкании разрядного промежутка накоротко равна Ек. Для
более легкого возбуждения дуги необходимо сокращение времени
спадания тока I после пика гмаКс до 1К. Это объясняется тем, что
происходит прерывание переходного процесса и дуга возбуждается
легче, так как э.д.с. якоря е больше*. Величина э.д.с. Ек должна
* Практически при ручной сварке это осуществляется быстрыми сколь-
зящими касаниями («чирканьем») электродом поверхности свариваемого из-
делия.
128
быть не менее напряжения возбуждения дуги при данном способе
сварки. Если это условие не выполнено, то дугу данной длины воз-
будить невозможно. Величина tM1TO должна быть больше некоторого
минимального тока, при котором проводимость разрядного проме-
жутка при данных физико-химических условиях больше нуля. Тог-
да под действием сил электрического поля, хотя и малой напря-
женности, возникнет движение электронов.
На основе опытных данных установлено, что для генератора,
питающего дугу при ручной дуговой сварке плавящимся электро-
дом, между г’макс и /к существует определенное соотношение, обес-
печивающее стабильный процесс сварки. Если обозначить отноше-
ние 1макс//к="Ъ ТО
1<т<2,5.	(4.9)
Из сказанного можно сделать следующие выводы: о динамиче-
ских свойствах генератора можно судить по осциллограммам про-
цессов во время смен установившихся режимов XX и КЗ; динами-
ческие свойства характеризуются отношением 1маке/1у=т, а также
временем т восстановления напряжения на дуге до 30 В.
Технические данные преобразователей с генераторами типа ГСО
независимого возбуждения приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1
Технические данные	ПД-501	гсо-зоо
Климатическое исполнение, категория размещения		У2	У2
Нижнее значение температуры окру- жающего воздуха, °C		—40	—40
Номинальный сварочный ток, А . . .	500	300
• Пределы регулирования сварочного тока, А		125—500	75—320
Режим работы, ПН%		60	60
Продолжительность цикла сварки, мин	10	5
Номинальное рабочее напряжение, В	40	30
Напряжение холостого хода, В . .	90	60
Тип генератора 		ГСО-500	ГСО-ЗОО
Вид приводного двигателя . .- ...	Трехфазный	Трехфазный
Мощность двигателя, кВт		асинхронный 30	асинхронный 10
Номинальное напряжение питающей сети, В		220, 380	220, 380
Частота вращения, мин-1		2900	2890
Коэффициент мощности		0,9	0,89
К. п. д., %		59	59
Габаритные размеры, мм .	....	1075X1085x650	1026 x858 x590
Масса, кг, не более		545	430
Генераторы типа ГСО с самовозбуждением. Генераторы имеют
падающие внешние характеристики. Они входят в состав свароч-
ных агрегатов с двигателями внутреннего сгорания, предназнача-
129
емых для ручной дуговой сварки и резки металлов в полевых усло-
виях при отсутствии силовой трехфазной сети, а также в состав
преобразователей с приводными асинхронными двигателями для
ручной дуговой сварки, наплавки и резки металлов открытой дугой
и механизированной сварки под флюсом в стационарных условиях.
Генератор с самовозбуждением менее чувствителен к кратко-
временным снижениям
напряжения силовой сети, чем генератор
независимого возбуждения. Это объяс-
няется тем, что вследствие больших ма-
ховых масс преобразователя (ротор асин-
хронного двигателя, якорь генератора)
кратковременные снижения напряжения
Рис. 4.11. Принципиаль-
ная электрическая схема
генератора типа ГСО с
самовозбуждением
Рис. 4.12. Устройство магнитной системы четырех-
полюсного генератора типа ГСО-ЗОО с самовозбуж-
дением и расположение обмоток иа его полюсах
сети практически не отражаются на частоте вращения и, следова-
тельно, на величинах э.д.с. и выхолного напряжения генератора.
Принципиальная электрическая схема сварочного генератора
типа ГСО с самопсйбуждением приведена на рис. 4.11. Для облег-
чения уюиггйания принципа действия рассматривается работа двух-
лтолйсного генератора, который имеет намагничивающую обмотку
wB, расположенную на основном полюсе полярности N, и последова-
тельную размагничивающую обмотку wp, расположенную на дру-
гом основном полюсе полярности S. Намагничивающая обмотка
получает питание от половины выходного напряжения, снимаемого
с основных щеток а и Ъ генератора, для чего посередине между ос-
новными щетками установлена дополнительная щетка г. Благодаря
действию поперечной реакции якоря, несмотря на наличие размаг-
ничивающего магнитного поля последовательной обмотки, напря-
130
жение Uzb на щетках zb практически не зависят от величины сва-
рочного тока. Выходным напряжением генератора U является на-
пряжение на основных щетках а и Ъ, которое равно алгебраической
сумме напряжений на щетках аг и zb-.
U =U аь=и az-\-U гЬ~	(4.10)
4.13. Картина распределения
Рис.
магнитных потоков под полюсом по-
лярности N четырехполюсного гене-
ратора
Генератор типа ГСО с самовозбуждением, так же как и генера-
тор типа ГСО независимого возбуждения, имеет половинное число
дополнительных полюсов полярности s, что вносит асимметрию в
его магнитную систему. На рис.
4.12 показаны устройство магнит-
ной системы четырехполюсного
генератора типа ГСО-ЗОО с само-
возбуждением и расположение
обмоток на полюсах. Генератор
имеет четыре Основных полюса с
обычным чередованием полярно-
сти N—S—N-—5 и два дополни-.
тельных полюса южной полярно-
сти s—s. Обмотки возбуждения —
намагничивающая и размагничи-
вающая — разнесены по полюсам
полностью; намагничивающая об-
мотка расположена только на ос-
новных полюсах полярности N—N,
а последовательная размагничи-
вающая обмотка — на основных
полюсах 5—S. Генератор имеет
пять щеток. Две соединенные щетки а образуют положительный вы-
вод, соединенные щетки b — отрицательный вывод генератора.
Между основными щетками а и b находится дополнительная щетка
г. Питание намагничивающей обмотки осуществляется от напря-
жения той части якоря, которая при вращении находится под воз-
действием складывающихся магнитных потоков Фв и поперечной
реакции якоря Фя. На рис. 4.13 приведена картина распределения
магнитных потоков под полюсом полярности М четырехполюсного
генератора. Дополнительные полюсы на рисунке не показаны. На-
пряжение между щетками г и b определяется результирующей ве-
личиной половины магнитного потока основных полисов Фв/2—Фр/2
и половины потока поперечной реакции якоря Фя/2 (при рассмот-
рении процессов влияние потоков рассеяния Фво не учитывается;.
При рассмотрении взаимодействия магнитных полей под полю-
сом полярности N будем применять метод наложения, который по-
зволит изучить сущность процессов. Однако это возможно лишь
при допущении, что ферромагнитные участки путей магнитных по-
лей не насыщены. Такое допущение справедливо для сварочного
генератора с размагничивающей обмоткой при нагрузках, близких
к номинальным, т. е. при /~/н. С увеличением тока I поток основ-
131
ных полюсов вследствие размагничивающего действия последова-
тельной обмотки уменьшается, а поток поперечной реакции якоря
увеличивается. Поэтому результирующий магнитный поток под
левой половиной основного полюса полярности N по направлению
вращения остается примерно постоянным и равным потоку Фв при
холостом ходе, так как потоки размагничивающей последователь-
ной обмотки и поперечной реакции якоря при этом уравновешива-
ются. При расчете генератора изменения потоков Фр и Фя подбира-
ют так, чтобы обусловливаемая результирующим потоком э.д.с.
Рис. 4.15. Внешние характеристики генератора
типа ГСО с самовозбуждением:
БТ — ступень больших токов; МТ — ступень малых
токов
Рис. 4.14. Графики изменения
напряжений иаь, Uaz, Uzt в
зависимости от сварочного то-
ка генератора типа ГСО с са-
мовозбуждением
Ezb в указанной половине обмотки якоря, несмотря на увеличение
тока I, оставалась практически постоянной. Падение напряжения
в витках обмотки якоря невелико, и напряжение Uzt„на щетках z и
Ъ практически не зависит от нагрузки. Ток /в при Изменении тока I
нагрузки практически не изменяется. Под правой частью основного
полюса полярности N потоки размагничивающей последовательной
обмотки и поперечной реакции якоря складываются, сильно ослаб-
ляя„по1оИ Фц. Это дает уменьшение Eaz и Uaz на щетках az. Напря-
жение Uaz при некотором значении 1=Ц падает до нуля, и при
дальнейшем увеличении нагрузки напряжение Uaz, изменив знак,
начинает увеличиваться по абсолютному значению, что приводит
к уменьшению напряжения на щетках ab. При I=Ii результиру-
ющий поток под правой половиной основного полюса полярности N
равен нулю, так как поля размагничивающей обмотки и поперечной
реакции якоря складываются и почти полностью компенсируют по-
ле, создаваемое намагничивающей обмоткой.
132
На рис. 4.14 приведены графики изменения напряжений Uaz, UZb
и иаь в зависимости от сварочного тока. График Uzb=f(J) имеет
пологовозрастающую форму. Благодаря этому внешняя характери-
стика Uab — ffj) линейна в области номинальной нагрузки, Если бы
с ростом тока / Uaz оставалось постоянным или несколько уменьша-
лось, то это дало бы прогиб внешней характеристики генератора в
сторону меньших значений напряжений при тех же значениях тока
I. Это в свою очередь привело бы к меньшей устойчивости горения
дуги, так как сопровождалось бы уменьшением напряженности Е
электрического поля в дуговом промежутке.
Из сказанного следует, что формирование падающей внешней
характеристики у генератора типа ГСО с самовозбуждением осу-
ществляется за счет размагничивающего действия последователь-
ной обмотки с использованием взаимодействия магнитных потоков
обмотки возбуждения и поперечной реакции якоря. На рис. 4.15
приведены внешние характеристики генератора типа ГСО с само-
возбуждением.
Регулирование сварочного тока у генератора с самовозбуждени-
ем ступенчато-плавное. Ступенчатое — в две ступени — для малых
и больших токов осуществляется переключением числа витков и>р
в режиме XX на выводах генератора. Плавное регулирование в пре-
делах каждой ступени осуществляется резистором RB в цепи намаг-
ничивающей обмотки. Чем меньше величина RB, тем больше ток 1В
и больше сварочный ток.
Регулировочная характеристика I—f(IB) для одной из ступеней
сварочного тока имеет ту же форму, что и регулировочная харак-
теристика генератора типа ГСО с независимым возбуждением (см.
рис. 4.7). Технические данные преобразователя типа ПСО с гене-
ратором ГСО с самовозбуждением приведены ниже.
Климатическое исполнение, категория размещения
Нижнее значение температуры окружающего воз-
духа, °C.....................................
Номинальный сварочный ток, А............  .
Пределы регулирования сварочного тока, А . . .
Режим работы, ПН%.........................-	
Продолжительность цикла сварки, мин.........
Номинальное рабочее напряжение, В............
Напряжение холостого хода, В.................
Тип генератора .	•.........................
Мощность генератора, кВт ..............
Вид приводного двигателя .................-	. .
Частота вращения, мин-1 .....................
Габаритные размеры, мм . ....................
Масса, кг, не более..........................
У2
—40
315
115—315
60
5
32
80
ГСО с самовозбуж-
дением
10
встроенный трехфаз-
ный асинхронный с
короткозамкнутым
ротором
2915
1062 X 620X1028
435
Генераторы типа СГП-3 с самовозбуждением. Генераторы пред-
назначены для сварки и резки в воздухе и под водой в составе сва-
рочных агрегатов типа АСДП и ПАС, имеющих дизельные и авто-
мобильные приводные двигатели. Генераторы обеспечивают свароч-
133
ные токи порядка 400—600 А. По принципу действия генераторы
такие же, как и генераторы типа ГСО-ЗОО, но имеют отличия в схе-
ме и в конструкции магнитной системы: катушки обмотки возбуж-
дения расположены на всех четырех основных полюсах (А — S —
— N — S); дополнительных полюсов также четыре. У агрегата типа
ПАС-400, предназначенного для сварки под водой, для обеспечения
безопасности водолазов-сварщиков предусмотрено автоматическое
снижение напряжения холостого хода до 24 В при перерывах в
работе.
§ 3. Коллекторный генератор типа ГСГ-500
с жесткими внешними характеристиками
Для механизированной сварки плавящимся электродом в среде
углекислого газа требуется источник питания, обладающий жест-
кой внешней характеристикой, так как вольт-амперная характери-
Рис. 4.16. Принципи-
альная электрическая
схема генератора ти-
па ГСГ-500
Рис. 4.17. Устройство магнитной системы
генератора типа ГСГ-500 и расположение
обмоток на его полюсах
стика дуги в Этом случае возрастающая. Для этого способа сварки
промышленность выпускает преобразователь типа ПСГ-500 с кол-
лекторным генератором постоянного тока типаД.СГ-500 с самовоз-
буждением и встроенным трехфазным асинхронным двигателем с
короткозамкнутым ротором. Генератор имеет жесткие внешние ха-
434
рактеристики, которые получаются за счет применения специаль-
яой схемы самовозбуждения и особой конструкции магнитной си-
стемы.
На рис. 4.16 приведена принципиальная электрическая схема,
а на рис. 4.17 — устройство магнитной системы и расположение об-
моток генератора. Магнитная система генератора имеет четыре ос-
новных полюса N — SB — NB — S и четыре дополнительных п — s —
— п — s, обеспечивающих безыскровую работу щеток. Чередование
полярности основных полюсов
обычное. Надежное самовоз-
буждение при минимальных
напряжениях холостого хода
обеспечивается тем, что одна
пара основных полюсов NB и
-Sh имеет в сердечниках выре-
зы, вследствие чего эти_полюсы
яри работе генератора насыще-
ны (индекс «н» означает насы-
щение). Катушка обмотки воз-
буждения, расположенная на
ненасыщенных полюсах (wb
рис. 4.16), и катушка обмотки
возбуждения, расположенная
Рис. 4.18. Внешние характеристики
генератора типа ГСГ-500:
ПРИ макс ПРИ «в мин
на насыщенных полюсах (z^2, рис. 4.16), включены параллельно.
Регулирование выходного напряжения генератора осуществляется
резистором RB, включенным в цепь обмотки возбуждения, располо-
женной на ненасыщенных полюсах. При уменьшении величины со-
противления RB напряжение генератора увеличивается; пределы
регулирования выходного напряжения — от 16 до 40 В при токах
ют 60 до 500 А. Как видно из схем рис. 4.16 и 4.17, параллельные
ветви обмотки возбуждения присоединяются к щетке «плюс» через
резистор R. Сопротивление резистора R, называемого подрегулиро-
вочным, устанавливает опытным путем предприятие-изготовитель,
так чтобы при выходном напряжении 16 В сварочный ток был ра-
вен 60 А. На рис. 4.18 приведены внешние характеристики генера-
тора типа ГСГ-500. Технические данные генератора типа ГСГ-500
яриведены ниже.
Номинальный сварочный ток, А.......................... 500
Пределы регулирования сварочного тока, А.............. 60—500
Режим работы, ПН %.................................... 60
Номинальное рабочее напряжение, В................  .	.	40
Номинальное напряжение питающей сети, В............... 220. 380
£ 4. Универсальные генераторы независимого возбуждения
с последовательной обмоткой
Наряду с генераторами, имеющими падающие и жесткие внеш-
яие характеристики, промышленностью выпускаются универсаль-
мые генераторы типов ГД-502 и .ГСУМ-400. Эти генераторы уни-
. .135
нереальны, так как допускают работу как с падающими, так и с
жесткими характеристиками.
При включенной последовательной обмотке, когда создаваемый
ею магнитный поток направлен встречно магнитному потоку обмот-
ки независимого возбуждения, внешние характеристики генерато-
ров падающие. При отключенной размагничивающей обмотке внеш-
ние характеристики жесткие.
Принцип действия, электрическая схема, конструкция магнит-
ной системы, расположение катушек обмоток возбуждения генера-
торов такие же, как у генератора типа ГСО-500 (см. выше) .
Рис. 4.19. Падающие внешние характе-
ристики универсального генератора ти-
па ГД-502:
/ при /?в==®» 2 при Дв мако
Рис. 4.20. Жесткие внешние характе-
ристики универсального генератора
типа ГД-502:
/-при Яв=0; 2 —при Яв=Явмакс
Регулирование сварочного тока генераторов при работе с внеш-
ними падающими характеристиками ступенчато-плавное. Ступен-
чатое регулирование осуществляется изменением числа витков по-
следовательной обмотки на панели выводов, а плавное —дистан-
ционно, с помощью резистора 7?в, включенного в цепь обмотки
независимого возбуждения. При работе с жесткими внешними ха-
рактеристиками с помощью 7?в плавно регулируется выходное на-
пряжение.
Генератор типа ГД-502 применяется для механизированной свар-
ки под флюсом, для ручной сварки, резки и наплавки. Генератор мо-
жет иметь в качестве приводного трехфазный асинхронный либо
автомобильный двигатель. Обмотка независимого возбуждения пи-
тается от сети переменного тока через выпрямительный блок. При
работе с падающими характеристиками генератор имеет четыре сту-
пени регулирования тока: 15—30, 60—200, 125—400; 225—500 А.
При работе с жесткими характеристиками генератор имеет две сту-
пени выходного напряжения: 15—30 и 25—50 В, которые получают
переключением числа витков вторичной обмотки трансформатора,
питающего выпрямительный блок.
136
Падающие внешние характеристики генератора типа ГД-502
приведены на рис. 4.19, жесткие характеристики — на рис. 4.20.
Генератор типа ГСУМ-400 входит в состав агрегата типа
АСУМ-400, имеющего приводной трехфазный асинхронный двига-
тель и используемого для ручной сварки в воздухе и под водой. При
работе с жесткими внешними характеристиками генератор имеет
две ступени выходного напряжения: 25—45 и 40—70 В. Обмотка не-
зависимого возбуждения.генератора получает питание от трехфаз-
ной сети переменного тока через феррорезонансный стабилизатор,
обеспечивающий стабильность напряжения на обмотке в пределах
±4%, при колебаниях напряжения питающей сети в пределах
±10%.
Поскольку при подводной сварке и резке опасным для водолаза-
сварщика является напряжение выше 30 В, а при холостом ходе ге-
нератора напряжение между электродом и изделием достигает
100 В, то при перерывах в работе (смена электрода, подъем на по-
верхность и т. п.) сварщик должен отключить обмотку независимо-
го возбуждения специальным переключателем, имеющимся в аг-
регате.
Технический данные-генер-атора типа ГД-502 и агрегата типа
АСУМ-400 приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Параметр
АСУМ-400
Номинальный сварочный ток, А . . .
Пределы регулирования сварочного
тока, А.............................
Режим работы, ПН%................
Продолжительность цикла сварки, мин
Номинальное рабочее напряжение, В
Пределы регулирования рабочего на-
пряжения, В.........................
Напряжение холостого хода, В . .
Частота вращения, мин-1 .......
Габаритные размеры, мм...........
Масса, кг, не более .............
500
15—150
60
10
40
15—50
90
3000 -
950x750x500
400
400
100-^400
65
10
70
25—70
100
2925
1660X990X620
850'
§ 5. Вентильные генератеры с самееезВужденмем
В вентильных генераторах вместо коллектора применяется ста-
тическое бесконтактное выпрямительное устройство, собранное на
полупроводниковых вентилях. Обмотка возбуждения питается от
специального трансформатора через полупроводниковые вентили.
Вентильные сварочные генераторы с самовозбуждением типа
ГД-312 применяются для ручной сварки и резки металлов в соста-
ве агрегатов типа АДБ с приводным двигателем внутреннего сго-
рания (в полевых условиях при отсутствии трехфазной сети) или
в составе преобразователей типа ПД с приводным трехфазным асин-
хронным двигателем (при наличии трехфазной сети).
137
Вентильный генератор состоит из индукторного пульсационного
синхронного генератора повышенной частоты и статического бес-
контактного выпрямительного устройства. Электрическая схема ге-
нератора приведена на рис. 4.21. На статоре генератора распо-
ложена трехфазная силовая обмотка. На роторе генератора об-
мотки нет.
Явнополюсный ротор генератора состоит из двух пакетов, на-
бранных из листов электротехнической стали, расположенных на
валу на некотором расстоянии по оси вала один от другого. Полюсы
одного пакета сдвинуты пространственно на л электрических граду-
сов относительно полюсов другого. Неподвижная цилиндрическая
обмотка возбуждения ОВ, обтекаемая постоянным током, закреп-
лена на корпусе генератора так, что оказывается в промежутке меж-
ду пакетами ротора. Магнитный поток, создаваемый обмоткой воз-
буждения и замыкающийся через пакеты ротора, обусловливает их
полярность. Один пакет имеет полярность N, а другой S. Обмотка
ОС статора генератора разделена на две обмотки OCI и ОСИ. Фазы
статорной обмотки сдвинуты по окружности статора на 2д/3 элек-
трических градусов.
Рис. 4.21. Принципиальная электрическая схема вентильного генера-
тора типа ГД-312 с самовозбуждением
При вращении ротора его магнитное поле, замыкаясь через па-
кеты, пересекает витки фаз обмотки статора. При периодических
изменениях поля в витках фаз обмотки статора индуктируются си-
нусоидальные э.д.с., сдвинутые между собой на 2л/3 электрических
градусов. Фазы обмоток ОС1 и ОСИ соединяются в треугольники.
При включении одной обмотки OCI (при открытых замыкающихся
контактах S обмотки ОСИ) генератор работает на ступени малых
токов от 40 до 180 А. При включении контактов S в фазах обмотки
ОСИ и ее включении, параллельно обмотке OCI, генератор рабо-
тает на ступени больших токов от 160 до 350 А. Переменные фазные
э.д.с. в обмотке статора генератора имеют повышенную частоту,
которая определяется числом пар полюсов и частотой вращения
индукторного ротора. У генератора типа ГД-312, имеющего число
пар полюсов 2р—8, при частоте вращения приводного двигателя
138
внутреннего сгорания, равной 2000 мин-1, частота фазных э.д.с. рав-
на 133 Гц, при приводном асинхронном двигателе, имеющем часто-
ту вращения 2820 мин-1, частота фазных э.д.с. равна 188 Гц.
Трехфазные переменные э.д.с. статорной обмотки преобразуют-
ся в постоянную э.д.с. в выпрямительном блоке V, который у гене-
раторов типа ГД-312 собран по трехфазной мостовой схеме на селе-
новых вентилях. От выводов блока V получает питание сварочная
дуга. Падающие внешние характеристики генератора получаются
за счет больших индуктивных сопротивлений фаз обмотки статора,
что свойственно синхронным машинам. Величина индуктивных со-
противлений фаз вентильного генератора зависит от конструктив-
ных параметров генератора и от степени насыщения магнитной це-
пи индукторного ротора.
При пуске, когда генератор не нагружен, а вал двигателя начал
магнетизма полюсов ротора индукти-
вращаться, поле остаточного
рует в фазах обмотки стато-
ра э.д.с. порядка 7 В. На
выводах трансформатора Т1
появляется напряжение, рав-
ное значению э.д.с. от поля
остаточного магнетизма по-
люсов ротора. Трансформа-
тор повышает это напряже-
ние, которое выпрямляется
вентилем V7 и подается на
обмотку возбуждения ОВ
вентильного генератора. Ге-
нератор самовозбуждается
до напряжения холостого
хода, величина которого ус-
танавливается регулируе-
Рис. 4.22. Внешние характеристики вен-
тильного генератора типа ГД-312:
1,3 — при /?2=0; 2, 4 — при Лг=Л2макс
мым резистором
В полупериод, когда вентильный генератор возбуждается, вен-,
тиль V8 заперт, так как на его аноде отрицательный потенциал.
В следующий полупериод вентиль V8 открыт, и через него идет ток
за счет энергии, накопленной в магнитном поле обмотки возбужде-
ния, когда по ней проходил ток в предыдущий полупериод. С уве-
личением нагрузки напряжение на фазах статорной обмотки пони-
жается; одновременно понижается среднее значение вторичного на-
пряжения трансформатора Т1, выпрямленного вентилем V7. При
нагрузке одновременно с Т1 начинает питать обмотку ОВ напря-
жением, выпрямленным вентилем V9, вторичная обмотка трансфор-
матора Т2.
Трансформатор Т2 в схеме вентильного генератора работает
в режиме трансформатора тока. В вентилях V7, V8 и V9 протекают
импульсы токов, сдвинутые во времени. Обмотка возбуждения ОВ
питается выпрямленным напряжением (точнее, средним значением
выпрямленного напряжения), которое в течение всего периода по-
стоянно.
139
Плавное регулирование в пределах каждой ступени осуществля-
ется резистором R2, с помощью которого можно регулировать кру-
тизну внешних характеристик. Это возможно в связи с тем, что ве-
личины индуктивных сопротивлений фаз обмотки статора зависят
от степени насыщения магнитной цепи индукторов ротора. Управ-
ление резистором Т?2 дистанционное. На рис. 4.22 приведены внеш-
ние характеристики генератора типа ГД-312. Технические данные
агрегатов типа АДБ-318 приведены ниже.
Климатическое исполнение, категория размещения .... У2
Нижнее значение температуры окружающего воздуха, °C .	—40
Номинальный сварочный ток, А............................... 315
Пределы регулирования сварочного тока, А:
ступень малых токов МТ........................... 40—180
ступень больших токов БТ......................... 160—350
Режим работы, ПН %......................................... 60
Продолжительность цикла сварки, мин......................... 5
Номинальное рабочее напряжение, В.......................... 32
Напряжение холостого хода, В............................... 85
Вид приводного двигателя...............................бензиновый
Частота вращения, мин-1 .................................. 2000
Мощность двигателя, кВт................................... 28,5
Масса, кг, не более........................................ 710
ГЛАВА 5
СВАРОЧНЫЕ МНОГОПОСТОВЫЕ СИСТЕМЫ
$ 1. Общие сведения
В многопостовых системах источник питания снабжает энерги-
ей одновременно несколько сварочных постов. Исходя из эксплуа-
тационных и технико-экономических соображений, многопостовые
системы целесообразно применять в тех отраслях промышленности
(в частности, в машиностроении и судостроении), где на относи-
тельно небольших производственных площадях приходится сосредо-
точивать большое число (до нескольких десятков) однопостовых
источников питания. В этом случае однопостовые источники пита-
ния помещают в специальные контейнеры и перемещают кранами.
Источники, находящиеся в контейнерах, подключаются к силовой
сети цеха посредством длинных (20—30 м) гибких кабелей. Кабели
укладываются непосредственно на производственной площади, за-
громождают ее, проходят по свариваемой конструкции. Контейнеры
загружают крановое оборудование; сварщики при такой организа-
ции работ теряют много рабочего времени и подвергаются в боль-
шей мере опасности поражения током. Производительность труда
в таких условиях снижается.
В последние годы интенсивно проводились работы, направлен-
ные на создание современных многопостовых систем питания для
ручной дуговой сварки плавящимся электродом, механизированной
сварки под флюсом и в среде углекислого газа. Все эти многопосто-
вые системы относятся к источникам питания группы О.
140
Применение мцогопостовых систем создает условия для повыше-
ния производительности труда, более рационального использования
производственных площадей, экономии электроэнергии (источник
питания не имеет режима холостого хода), снижения капитальных
затрат и расходов на обслуживание источников, а также гаранти-
рует безопасность работы и улучшение условий труда сварщиков.
Многопостовые системы питания могут быть как постоянного,
так и переменного тока. Промышленность в настоящее время се-
рийно выпускает только
многопостовые системы
для питания постов по-
стоянным током от вы-
прямителей через шино-
проводы.
На рис. 5.1 приведена
функциональная блок-схе-
ма питания сварочных
постов СП от выпрямите-
ля V через шинопровод
ШП. Ток поста регулиру-
ется с помощью регулято-
ра тока РТП. Многопосто-
вая система предназначе-
на для ручной дуговой
Рис. 5.1. Функциональная блок-схема питания
сварочных постов от' выпрямителя через ши-
нопровод:
-сварки.
Основное требование,
предъявляемое к многопо-
стовым установкам,—это
V — выпрямитель; ШП — шинопровод; СП — свароч-
ный пост; РТП — регулятор тока поста; ZK— длина
шинопровода до k-го поста
независимость работы каждого поста как в установившихся, так и
в переходных режимах. При этом напряжение L/n.x.x на входе каж-
дого поста в режиме холостого хода поста должно быть достаточ-
ным для начального возбуждения дуги при контакте торца элект-
рода и изделия; соотношение напряжений холостого хода t/n.x.x и
устойчивого горения дуги UR.n должно быть равно примерно двум
(напряжение /Уп.х.х для ручной дуговой сварки должно быть около
60 В, а (7д.п при устойчивом горении дуги 25—30 В).
Изменения режима на одних постах (например, обрыв дуги,
короткие замыкания дуговых промежутков каплей, перенос и обрыв
капли) не должны влиять на устойчивость процесса сварки других
постов. В установившемся режиме условие .независимости постов
выражается как £7n/i=const вдоль шинопровода и для любого
k-ro поста. Оценка степени разделения (независимости) постов в
установившихся режимах осуществляется по статическим характе-
ристикам источника питания и поста, а в переходных — по осцилло-
граммам процесса сварки, по устойчивости горения дуги постов и
по качеству выполненного сварного соединения. Технология сварки
требует, чтобы колебания напряжения сети, от которой получает
питание трехфазный силовой трансформатор, не отражались на вы-
ходном напряжении выпрямителя, так как это вызывает изменение
141
напряжения на шинопроводе, а следовательно, отражается на ра-
боте постов. Для устойчивого горения дуги любого поста при ручной
дуговой сварке необходимо, чтобы напряжение £7П, подводимое к
разрядному промежутку поста, уменьшалось с увеличением тока
поста. Это означает, что характеристика поста, представляющая за-
висимость напряжения /7П от тока 7П поста, должна быть падающей
Рис. 5.2. Внешняя характеристика
сварочного поста Un=f (In) н вольт-
амперная характеристика дуги UK—
(рис. 5.2). При 7п=0 напряжение
Пп.х.х, подводимое от шинопрово-
да к посту, должно обеспечивать
легкое возбуждение дуги, а ток
Ink должен быть ограничен.
Регулятор тока поста РТП
предназначен для формирования
характеристики поста, регулиро-
вания тока 7ц, создания условий
для независимости работы постов
в установившемся режиме. В мно-
гопостовых системах для ручной
дуговой сварки постоянным током
в качестве регуляторов тока при-
меняются регулируемые постовые
балластные резисторы 7?п.
Напряжение на шинопроводе,
являющееся входным напряжени-
ем любого /г-го поста в установив-
шемся режиме,
UП& ^И.П
(5.1)
где /7И.П.— напряжение на выходных выводах источника питания
(например, сварочного выпрямителя), которое принимается по-
стоянным; Aujnfe — падение напряжения по длине Ik шинопровода.
Для постоянства Unk необходимо, чтобы /7И.П было постоянным
и не зависело от нагрузки источника питания, т. е. чтобы внешняя
характеристика источника питания была жесткая, а Дишд было
возможно меньше. Условие независимости работы постов выполня-
ется, если длительное отклонение Дишд от величины напряжения Unk
на выходных зажимах /г-го поста не превышает ±5%. Величина
напряжения Дд.п на дуговом промежутке поста в установившемся
режиме равна

п.х.х
-InRn,
(5.2)
где 7П7?П — падение напряжения на постовом резисторе.. Из формулы
(5.2) следует, что внешняя характеристика Ua=f(Ia) не только
падающая (см. выше), но и линейная. Из (5.2) можно определить
ток поста
 __ UП.Х.Х   Uн.п
П—	7?п
(5.3)
142
Значение Дп невелико и составляет десятые доли ома. Так, на-
пример, при f7n.x.x—50 В, {7д.п=25 В и 7п=250 А сопротивление
Дп=0,1 Ом. Несмотря на малое сопротивление /?п, мощность, рас-
ходуемая на его нагрев, велика (например, в нашем случае
Рн=7п/?п = 2502-0,1 = 6,25 кВт).
К.п.д. поста
Ч.=— = —-—=^h_=-^L,	(5.4)
Рп Pa + PR	и„
где Рл — мощность, расходуемая в процессе сварки; Рп— мощность,
получаемая постом от источника. При 77д.п=25 В и (7н=50 В
т]п=0,5.
К.п.д. многопостовой установки
0у=11и.п11п,	(5.5)
где т]и.п — к.п.д. источника питания многопостовой системы. К.п.д.
поста можно повысить за счет снижения напряжения Пп, подводи-
мого от шинопровода к постам. При снижении С7п.х.х с 50 до 40 В
получим при 7п=250 А и Пд.гг«*=25 В Дп = 0,06 Ом, Рн=3,75 кВт и
по (5.4) п = 0,625. Следует иметь в виду, что значительное снижение
напряжения холостого хода Пп.х.х может привести к затруднению
возбуждения дуги и ухудшению стабильности процесса сварки, так
как ведет к снижению напряженности Е электрического поля раз-
рядного промежутка. С другой стороны, если снизить J7n.x.x даже в
допустимых пределах за счет уменьшения напряжения на выход-
ных выводах источника питания, то может резко увеличиться раз-
брызгивание металла. Это объясняется тем, что при периодических
коротких замыканиях дугового промежутка каплей возникает мгно-
венный пик тока поста 1Пмакс, ограниченный практически только
сопротивлением 7?п, так как индуктивность цепи поста равна нулю.
В этом случае величина пика тока определяется значениями Йп.х.х
и Дп. Для рассмотренного выше примера при Дп.х.х=50 В и Rn=
= 0,1 Ом величина пика тока 7п.макс = 500 А, а при Дп.х.х=40 В и
Дп = 0,06 Ом 1пмакс = 666 А. Величину in макс можно снизить. При
включении в цепь поста индуктивности Ln уменьшается скорость
нарастания тока (вместо пикового нарастания ток нарастает по
экспоненте), что снижает потери металла на разбрызгивание. Вре-
мя нарастания тока поста при наличии индуктивности связано с
постоянной времени тп цепи поста:
где G=f(in)—проводимость разрядного промежутка, зависящая
от тока.
Источник питания многопостовой установки рассчитывается на
номинальный ток, соответствующий продолжительному режиму
работы ПНн = 100 %.
При определении числа постов k многопостовой установки, со-
ответствующих номинальному току источника, следует учитывать,
143
что не все посты работают одновременно в одинаковых режимах
(холостой ход, нагрузка, короткое замыкание). В формулу для
определения числа постов необходимо вводить коэффициент одно-
временности работы постов е, который изменяется в пределах
0,6—0,9 (для ручной дуговой сварки и механизированной сварки
под флюсом принимают е = 0,5ч-0,6, а для сварки в среде углекис-
лого газа б=0,7ч-0,9). Число постов
k=~^~ ’	(5.7)
где Ри.п— мощность источника питания многопостовой системы.
При увеличении числа постов применяется параллельная рабо-
та однотипных выпрямителей на один шинопровод. Наличие шино-
провода, заменяющего большое число кабелей при использовании
однопостовых передвижных установок, является одним из сущест-
венных преимуществ многопострвых систем.
§ 2. Многопостовой выпрямитель типа ВДМ
для ручной дуговой сварки плавящимся электродом
Сеть
Шинопровод
L______
Рис. 5.3. Упрощенная принципиальная элект-
рическая схема выпрямителей типа ВДМ-1001
и ВДМ-1601
Многопостовой выпрямитель типа ВДМ используется для пита-
ния выпрямленным током через балластные резисторы нескольких
сварочных постов. Упрощенная принципиальная, электрическая
схема выпрямителя приведена на рис. 5.3. Первичная обмотка трех-
фазного силового трансформатора Т соединена треугольником.
Фазы первичной обмот-
ки имеют отводы, что
создает возможность,
повысить вторичное на-
пряжение трансформа-
тора на 5% в случае
понижения напряжения
сети. Трансформатор
имеет жесткую внеш-
нюю характеристику.
Выпрямительный
узел ВДМ собран по
шестифазной кольцевой
схеме выпрямления. На
каждом стержне магни-
топровода трансформа-
тора Т расположены
витки одной фазы пер-
вичной обмотки О>1 и
одноименные фазы
двух одинаковых вто-
ричных обмоток
Э.д.с. вторичных обмо-
ток трансформатора

144
сдвинуты одна относительно другой на 180 эл. град. Фазы вторич-
ных обмоток соединены звездами, нейтрали А^ и N2 которых обра-
зуют отрицательный и положительный выводы (полюсы) выпрями-
теля. Последовательно с фазами вторичной обмотки включены не-
управляемые кремниевые вентили V, число которых зависит от ве-
личины тока фаз. В реальном выпрямителе это не одиночные венти-
ли, а блоки вентилей, включенных параллельно. Сварочные посты
получают питание от шинопровода через балластные резисторы А?п,
обеспечивающие независимость постов (см. выше). Внешняя харак-
теристика выпрямителя жесткая. При номинальном токе снижение
напряжения у самого удаленного поста порядка 5%. Падающая
внешняя характеристика поста (см. рис. 5.2) обусловлена падением
напряжения в балластном резисторе. От кратковременных пере-
грузок выпрямитель защищен быстродействующим автоматическим
выключателем, включенным на входе первичной обмотки трансфор-
матора, от длительных перегрузок — тепловыми элементами магнит-
ного пускателя (на рис. 5.3 автоматический выключатель и маг-
нитный пускатель не показаны). Технические данные многопосто-
вых выпрямителей типа ВДМ приведены в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Технические данные	Тип выпрямителя	
	ВДМ-1001	В ДМ-1601
Климатическое исполнение и категория	УЗ	УЗ
размещения 		 Нижнее значение температуры окру-		
жающего воздуха, °C		—10	—10
Номинальный сварочный ток, А . . . Наибольший допустимый ток пере-	1000	1600
грузки, В		1200	1700
Номинальный ток поста, А		315	315
Пределы регулирования тока поста, А	12—315	12—315
Режим работы поста, ПН %		60	-		•60
Продолжительность цикла сварки, мин	5	5
Напряжение холостого хода, В . . . Номинальное выпрямленное напряже-	70	70
ние, В	 Номинальное напряжение питающей	60	60
сети, В 		380	380
Число постов		7	9
Первичная мощность, кВ-А . . . . .	74	120
К. п. д., %	 Тип балластного резистора		90	90
	РБ-301	РБ-301
Габаритные размеры, мм		1100X 700 X900	1050 X850X1650
Масса, кг, не более		420	770
145
§ 3. Многопостовые системы для дуговой сварки
плавящимся электродом в среде углекислого газа
Технология сварки плавящимся электродом в среде углекислого
газа предъявляет ряд дополнительных требований к многопосто-
вым системам (см. гл. 1). При сварке плавящимся электродом на-
блюдается сильное разбрызгивание металла, если процесс сварки
сопровождается периодическими короткими замыканиями межэлек-
тродного промежутка каплей расплавленного металла. Причиной
Рис. 5.4. Функциональная блок-схема многопостовой выпрямительной
системы с централизованным питанием постов от выпрямителей типа
ВМГ-5000 для ручной дуговой сварки плавящимся электродом в среде
углекислого газа:
V— центральная станция питания постов; Vl, V2 — выпрямители типа ВМГ-5000;
СП — сварочный пост; ШНН— шинопровод низкого напряжения; ШПН — шино-
провод повышенного напряжения
разбрызгивания являются быстро нарастающие пики токов при рез-
ких колебаниях проводимости разрядного промежутка, что нару-
шает устойчивость горения дуги. В последние годы разработана
многопостовая система с централизованным питанием постов от
выпрямителя БМГ-5000, удовлетворяющая требованиям техноло-
гии ручной и механизированной сварки. Система предназначена
для одновременного питания нескольких десятков постов и обеспе-
чивает получение качественных сварных соединений при всех про-
странственных положениях швов плавящимся электродом на об-
ратной полярности в среде углекислого газа. Питание от выпрями-
теля подается по шинопроводам к отдельным сварочным постам.
Функциональная блок-схема выпрямительной системы приведена
146
на рис. 5.4, а принципиальная электрическая схема силовой цепи
выпрямителя типа ВМГ-5000 — на рис. 5.5.
Выпрямитель имеет шестифазную схему выпрямления с уравни-
тельным реактором Lyp. Такие схемы выпрямления применяются в
выпрямителях больших мощностей. Частота пульсаций выпрям-
ленного напряжения равна 300 Гц.
Питание выпрямителя осуществляется от силовой сети через
трехфазный понижающий трансформатор Т, имеющий одну первич-
сеть
-о—
Рис. 5.5. Принципиальная электрическая
схема силовой цепи выпрямителя типа
ВМГ-5000
ную обмотку Wi и две оди-
наковые вторичные об-
мотки w2, фазы первичной
обмотки секционированы,
что позволяет получить
пять значений фазных
э.д.с. вторичных обмоток.
Схема выпрямления пред-
ставляет собой два трех-
фазных выпрямителя с
выведенными нейтралями
Ni и N2. Выпрямители ра-
ботают на нагрузку парал-
лельно через уравнитель-
ный реактор. Начала фаз
«1, bi, ci одной из вторич-
ных обмоток соединены с
анодами вентилей VI—V3,
а концы фаз а2, Ь2, с2 дру-
гой вторичной обмотки —
с анодами вентилей V4—
V6. Катоды всех вентилей
соединены и образуют по-
ложительный вывод (по-
люс) многопостовой системы. Отрицательные выводом (полюсом)
системы служит средняя точка у обмотки уравнительного реактора,
соединяющего нейтрали М и N2. Фазные э.д.с. звезд сдвинуты
относительно друг друга на 180 эл. град. Уравнительный реактор
£Ур служит для обеспечения четкой параллельной работы двух вы-
прямителей типа ВМГ [6]. При наличии уравнительного реактора
характерно отсутствие в магнитопроводе трансформатора постоян-
ной составляющей магнитного потока, что позволяет значительно
уменьшить габариты силового трансформатора Т. Нормальный ре-
жим работы выпрямителя устанавливается тогда, когда обеспечи-
вается непрерывная работа вентилей в заданной последователь-
ности.
Нагрузкой для выпрямителей являются сварочные посты, под-
ключенные к многожильному шинопроводу, соединенному с вывода-
ми выпрямительной системы.
Многопостовая система имеет распределительные многожильные
шинопроводы низкого и повышенного напряжений (см. рис. 5.4).
147
На каждой автономной системе шинопроводов можно изменять на-
пряжение вне зависимости от напряжения на другой. Это произво-
дится за счет изменения выходного напряжения на выводах одно-
го из выпрямителей ВМГ. Ступенчатое изменение выходного на-
пряжения осуществляется переключением числа витков фаз пер-
вичной обмотки W] выпрямителя. Выпрямитель рассчитан на пять
ступеней выходного напряжения (низкого 30, 35, 40, 50 В и повы-
шенного 60 В). Распределительный шинопровод выполнен из алю-
миниевых шин трех разных сечений и длин (Л — короткая, 12 —
средняя и /3 — наибольшей длины). К шине Л присоединяют посты
в любом месте, а к остальным — на участках, длины которых боль-
ше /ь Применение шин разных длин и сечений позволяет уменьшить
расход алюминия и обеспечить величину падения напряжения Диш
на всех шинопроводах в пределах установленных норм.
При механизированной сварке в среде углекислого газа прово-
локой диаметром менее 2 мм, а также при сварке стержневыми
электродами под флюсом рекомендуется включать посты на шино-
проводы с низким напряжением, при сварке проволокой диаметром
более 2 мм — на шинопровод с повышенным напряжением.
Технические данные многопостовой системы с централизован-
ным питанием постов от выпрямителя типа ВМГ-5000 приведены
ниже.
Климатическое исполнение, категория размещения . . . УХЛ4
Нижнее значение температуры окружающего возду-
ха, °C.................................................... +5
Номинальный выпрямленный	ток, А...................... 5000
Номинальный ток поста, А................................. 315
Режим работы выпрямителя, ПН % - .................продолжитель-
ный
Режим работы поста, ПН%........................... 60
Выпрямленное напряжение при номинальном выпрям-
ленном токе и номинальном напряжении питающей
сети, В.............................................  30,	35, 40,
50, 60
Мощность, потребляемая выпрямителем, кВ-А . . . .	317
К. п. д. выпрямителя, %.................................. 92
Число постов............................................. 30
Коэффициент одновременности работы постов............... 0,53
Тип балластного резистора.............................. РБ-301
Габаритные размеры, мм............................ 1500X1150X
Х685
Масса, кг, не более..................................... 2490
Для механизированной сварки плавящимся электродом в среде
углекислого газа применяются многопостовые выпрямители серии
ВДГМ, у которых электрические схемы силовых цепей и системы
фазового управления тиристорами такие же, как у выпрямителя
типа ВДУ-1601 (см. § 8, гл. 3). Выпрямители обеспечивают по-
стоянство выпрямленного напряжения с точностью ±1 В как при
изменениях нагрузки, так и при колебаниях напряжения питающей
сети в пределах ±5% от номинального. Регулирование
режима поста при использовании этих выпрямителей осуще-
148
ствляется как балластным резистором, так и изменением скорости
подачи электродной проволоки. Технические данные выпрямите-
лей серии ВДГМ представлены в табл. 5.2.
Таблица 5.2
Технические данные	Тип выпрямителя		
	ВДГМ-1602	ВДГМ-1602-1	ВДГМ-1602-2
Климатическое исполнение и катего- рия размещения		УЗ	УЗ	УЗ
Нижнее значение температуры окру- жающего воздуха, °C		—10	—10	—10
Номинальный сварочный ток, А . . .	1600	1600	1600
Номинальный ток поста, А		200	400	600
Пределы регулирования тока поста, А	120—250	200—400	400—630
Режим работы выпрямителя		Продолжи-	Продолжи-	Продолжи-
Режим работы поста, ПВ%		тельный 60	тельный 60	тельный 60
Продолжительность цикла сварки, мин	10	10	10
Номинальное выпрямленное напряже- ние, В	 Номинальное напряжение питающей сети, В		30	50	60
	380	380	380
Число постов			9	5	3
Первичная мощность, кВ-А		74	114	138
К. п. д., %	 Тип балластного резистора 		79	83	83
	РБГ-201	РБГ-401	РБГ-601
Габаритные размеры, мм		1150Х900Х	1150х900х	1150Х900Х
	X 1850	Х1850	Х1850
Масса, кг, не более		750	1000	1000
§ 4. Сварочный коллекторный генератор типа ГСМ-500
для питания двух постов
Промышленностью выпускается коллекторный генератор посто-
янного тока смешанного возбуждения ГСМ-500, предназначенный
для питания двух постов при ручной дуговой сварке плавящимся
электродом. Генератор входит в состав агрегата АСДП-500 с при-
водным дизельным двигателем. Внешняя характеристика генератора
жесткая. Магнитные потоки параллельной и последовательной об-
моток возбуждения складываются. Выходное напряжение генера-
тора при его работе поддерживается на уровне номинального
(55 В) с точностью ±5%. Формирование падающей характеристи-
ки сварочного поста и ступенчатое регулирование тока поста в
пределах от 100 до 300 А осуществляется с помощью постового
балластного резистора.
Напряжение на выходных зажимах можно плавно регулировать
резистором, включенным в цепь параллельной обмотки возбуж-
дения.
149
ГЛАВА 6
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
СВАРОЧНОЙ ДУГИ
§ 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 пла-
вящимся 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 пи-
тания дуги широко используются обратные связи по выходным па-
раметрам или сами источники выполняются параметрическими.
По принятой в данном учебнике классификации (см. § 8 гл. 1)
специализированные источники питания сварочной дуги составля-
зот 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 кра-
тера), регуляторы тока и напряжения и др. Рассмотрим некоторые
специфичные вспомогательные устройства источников питания сва-
рочной 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 электри-
ческий разряд или даже искру в промежутке между изделием и
электродом, хотя промежуток может составлять лишь доли милли-
метра. Для возникновения в промежутке свободных электронов и
возбуждения дуги необходим кратковременный импульс напряже-
ния, который обеспечил бы пробой и последовательное развитие
искрового разряда вплоть до дугового. Такой импульс может быть
обеспечен осциллятором.
Осциллятор представляет собой генератор затухающих по амп-
литуде знакопеременных импульсов высокого напряжения (около
3 кВ) и высокой частоты (порядка 100—3000 кГц). При подаче им-
пульсов на промежуток между изделием и электродом происходит
пробой промежутка искрой и появление свободных электронов.
Кратковременный искровой разряд развивается в дуговой, созда-
вая условия для горения сварочной дуги, питаемой от основного
источника питания.
С источниками питания постоянного тока осцилляторы приме-
няют для первоначального возбуждения дуги; с источниками пере-
350
менного тока как для первоначального возбуждения дуги, так и
для возбуждения дуги после смены полярности (после перехода
тока через нуль). Применяют осцилляторы параллельного и по-
следовательного включения.
На рис. 6.1 приведена схема осциллятора параллельного вклю-
чения. Трансформатор Т1 промышленной частоты повышает 'на-
пряжение питающей сети до 3—6 кВ. Напряжение вто-
ричной обмотки Т1 подведено к разряднику F, входящему
в колебательный контур Ск—LK—F, в котором возникают вы-
сокочастотные колебания. При возрастают синусоидального на-
пряжения на вторичной обмотке Т1 конденсатор Ск заряжается.
В его электрическом поле накапливается энергия Ск(72/2. По дости-
жении определенной величины напряжения происходит пробой
воздушного промежутка разрядника. Конденсатор Ск разряжается
на индуктивность LK, являющуюся первичной обмоткой высокоча-
стотного трансформатора Т2, осуществляющего магнитную связь
осциллятора со сварочным контуром. В колебательном контуре
Ск—LK—F возникает ток i. Энергия поля конденсатора Ск при его
разряде (за вычетом потерь в резистивных сопротивлениях) преоб-
разуется в энергию магнитного поля индуктивности LK, равную
LKi2/2. В колебательном контуре возникает знакопеременный зату-
хающий по амплитуде колебательный процесс с угловой Частотой,,
зависящей от величины Ск и LK. Трансформатор Т2 через вторичную
обмотку Lc осуществляет ввод высокочастотного высокого напря-
жения на дуговой промежуток (выводы cud). Защита источника
питания ИП от воздействия этого напряжения осуществляется с
помощью Г-образного фильтра, состоящего из индуктивности L$ и
емкости Сф. Если трансформатор источника питания имеет повы-
шенное магнитное рассеяние, то наличие индуктивного фильтра Ьф.
не обязательно. Блокировочные конденсаторы Сб создают условия
безопасной работы сварщика и предотвращают повреждение источ-
ника питания при пробое конденсатора Ск. В осцилляторе имеется
помехозащитный фильтр ПЗФ, защищающий питающую сеть (вы-
воды а и Ь) от высокочастотных колебаний. Колебания, возникшие
в контуре, затухают примерно за 2 мс. Если осциллятор не отклю-
чают, то импульсы колебаний периодически повторяются после
151
восстановления электрической прочности разрядника F. Осцилля-
торы параллельного включения применяют, как правило, с источ-
никами питания постоянного тока.
Принципиальная электрическая схема осциллятора последова-
тельного включения приведена на рис. 6.2. Катушка индуктивно-
Сеть
Рис. 6.2. Принципиальная электрическая схема осциллятора после-
довательного включения
сти Лк колебательного контура Ск—LK—F включена последователь-
но с дугой. Сечение ее обмотки рассчитывается на сварочный ток.
Защита источника питания ИП от воздействия высокочастотного
высокого напряжения, возникающего на индуктивности LK при раз-
Рис. 6.3. Принципиальная электрическая схема
импульсного стабилизатора горения дуги
(ИСГД) переменного тока
ряде конденсатора Ск,
осуществляется шунти-
рованием источника
конденсатором Сф. Ос-
цилляторы последова-
тельного включения
компактнее и проще,
чем параллельного. Ос-
цилляторы описанного
вида генерируют широ-
кий спектр частот, по-
падающих в питающую
сеть и мешающих ра-
диоприему. Кроме того,
искровой разряд, воз-
никающий при пробое
промежутка между изделием и электродом, также является источ-
ником помех.
В схемах источников предусмотрено автоматическое отключе-
ние 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 элек-
тродом изделий из легких сплавов в среде защитного газа. При
этом способе сварки возникают трудности повторного возбужде-
152
ния дуги при переходе на
обратную полярность. На
рис. 6.3 приведена принци-
пиальная схема ИСГД. Фор-
ма изменения сварочного то-
ка источника во времени мо-
жет быть синусоидальной,
трапецеидальной, прямо-
угольной. Конденсатор Сн
заряжается от трансформа-
тора Т через вентиль VI и
токоограничивающий рези-
стор R3ar>- Наличие вентиля
VI предотвращает разряд
конденсатора на трансфор-
матор Т при снижении на-
пряжения иаь. В цепи разря-
да конденсатора включены
тиристор V2 и ограничитель-
ный балластный резистор
/?бал- Разряд конденсатора
на дуговой промежуток про-
исходит при подаче положи-
тельного потенциала на уп-
равляющий электрод УЭ ти-
ристора V2 от системы уп-
равления (на рис. 6.3 схема
системы управления не при-
ведена) . Открывание тири-
стора произойдет тогда, ког-
да на его аноде будет поло-
жительный потенциал отно-
сительно катода. Запирается
тиристор после полного раз-
ряда конденсатора. Разряд-
ный. импульс обеспечивает
повторное возбуждение дуги
на обратной полярности сва-
рочного тока. Параметры
импульса — амплитуда по-
рядка 600 В, длительность
60—80 мкс — устанавлива-
ются в соответствии с требо-
ваниями технологии. Пик то-
ка импульса может дости-
гать 60—80 А.
Регулятор снижения сва-
рочного тока (РССТ) в кон-
це сварки. При быстром
Рис. 6.4. Регулятор снижения сварочного
тока (РССТ) в конце процесса сварки:
а — принципиальная электрическая схема; б-
выходные (коллекторные) характеристики транзи
стора 4=Н^ЭК); -график изменения во вре-
мени напряжения ис на конденсаторной батарее,
тока коллектора t‘K, тока базы i6, тока дуги i
7—2504
153
прекращении сварочного тока в шве образуется кратер. Для исклю-
чения 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 умень-
шение величины сварочного тока в конце шва происходит при от-
ключении двигателя от сети. Скорость двигателя плавно снижает-
ся, что определяется инерцией вращающихся частей преобра-
зователя (естественный выбег), уменьшается плавно и свароч-
ный ток.
В автоматизированных процессах сварки при питании дуги от
статических источников для плавного снижения величины тока в
конце шва могут применяться специальные конденсаторные бата-
реи, обеспечивающие подачу непосредственно на вход регулятора
тока источника управляющего напряжения, спадающего при раз-
ряде по экспоненте. Однако для разряда на цепь регулятора тока,
имеющего малое резистивное сопротивление, требуется батарея
весьма большой емкости. Для уменьшения емкости батареи в со-
временных источниках питания используют промежуточные усили-
тели на транзисторах, что дает не только резкое снижение емко-
сти батареи, но и создает возможность регулирования в широких
пределах времени снижения сварочного тока. На рис. 6.4, а при-
ведена принципиальная электрическая схема регулятора плавного
снижения сварочного тока в конце процесса сварки (в конце шва).
Усилитель регулятора собран на транзисторах по схеме с об-
щим эмиттером (на рис. 6.4, а условно показан один транзистор
V). В процессе сварки ключ (выключатель) S замкнут; конденса-
тор С заряжен до напряжения Ua, снимаемого с потенциометра 77,
который питается от сети через выпрямитель VI. К коллекторной
цепи транзистора подведено напряжение Uv от выпрямителя V2.
При этом ток базы тиристора определяется выражением
7	Гп	,
6	+ 7?э.б
где 7?б+./?э.б — сопротивление цепи эмиттер — база транзистора.
Резистор /?н условно представляет (замещает) в схеме обмотку
управления регулятора тока источника.
Таким образом, при установившемся процессе сварки ток 7К
определяется напряжением Uv, сопротивлением RH и током 7б.
В конце процесса сварки выключатель S автоматически размы-
кается, но ток 7б не прерывается и, следовательно, не прерывается
ток 7К. Это оказывается возможным потому, что некоторое время
напряжение и ток 7б поддерживаются разряжающимся на цепь
эмиттер — база конденсатором С. Таким образом, с момента размы-
кания выключателя S весь процесс сварки управляется конденса-
тором С, напряжение на котором при разряде спадает по экспо-
ненте.
Выходные (коллекторные) характеристики транзистора 7К=
=f(t7e.K) для разных значений тока базы приведены на рис.
6.4, б. Зтяась же показана характеристика нагрузки, определяемая
154
величиной 7?н. При /к=/кмакс и С/э.н=’С/э.кмпи транзистор работает
в области насыщения, где /к мало зависит от тока базы /б, при этом
[7э.к мало и потери в транзисторе минимальны.
При разряде конденсатора С на цепь эмиттер — база ток if, по-
следовательно проходит значения от П,\ до /б мин, изменяясь по
экспоненте; одновременно с этим уменьшается ток А- до /Кмин и
растет напряжение £Д,.К до (7э.кмакс. Кривые изменения напряже-
ния и токов при разряде конденсатора в интервале времени Л—tz
приведены на рис. 6.4, в. Постоянная времени разрядной цепи опре-
деляется выражением
__ R (/?б + /?э.б)
R + R& + R$.6
Ток базы /б и ток коллектора iK, так же как «с, изменяются по
экспонентам. При этом iK = ₽i6, где р — коэффициент усиления тран-
зистора по току, равный примерно 30—40 [5].
Если вольт-амперная характеристика регулятора тока линейна
в интервале изменения тока управления от /кмакс до /кмин, то сва-
рочный ток, так же как ис и i^, 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 конден-
саторной батареи и создает условия для регулирования времени
снижения сварочного тока после окончания процесса сварки.
§ 3. Упрощенная типовая функциональная блок-схема
источника питания для сварки неплавящимся электродом
в среде защитного газа
На рис. 6.5 приведена схема источника для сварочных токов
порядка 300—500 А. Такие источники выполняются в виде статиче*
ских преобразователей с падающей внешней характеристикой.
Определим функции отдельных блоков схемы: Т — силовой по-
нижающий трансформатор, имеющий жесткую внешнюю характе-
ристику; РТ — регулятор тока, формирующий внешнюю характе-
ристику источника и обеспечивающий стабилизацию величины за-
даваемого тока; V—силовой выпрямительный блок; ЗБ — блок-
источник регулируемых эталонных величин i3 и иэ, обеспечивающий
заданные величины сварочного тока для каждого технологического
процесса сварки; РВИ — регулятор временных интервалов (приме-
няется в источниках питания, предназначенных для сварки импуль-
сной дугой); ИСГД — импульсный стабилизатор горения дуги (см.
выше); РССТ — регулятор снижения сварочного тока (см. выше);
БД — возбудитель дуги, который может работать как в осцилля-
торном режиме (импульсы затухающие знакопеременные), так а
в стабилизаторном режиме (см. § 4-гл. 6).
7*	155
Заметим, что в ряде источников бывает затруднительно выде-
лить самостоятельные функциональные блоки (узлы), так как они
конструктивно объединены.
Рис. 6.5. Упрощенная типовая функциональная блок-схема источника
питания для сварки неплавящимся электродом в среде защитного газа.
Здесь и далее в функциональных блок-схемах C/=*=f(Z), t/2=f(Z2)— внешние ха-
рактеристики блоков; za, M8=f(f); 4 «=sf(O — Графики изменений выходных ве-
личин блоков во времени
§ 4. Сварочные установки серии УДГ
Установки типов УДГ-301 и УДГ-501 применяются для сварки
переменным током неплавящимся (вольфрамовым) электродом
изделий из легких металлов и сплавов в среде аргона. Переменный
ток необходим для разрушения тугоплавкой оксидной пленки, об-
разующейся на поверхности изделий и препятствующей нормально-
му сплавлению металла.
Функциональная блок-схема установок приведена на рис. 6.6.
Установка содержит однофазный силовой трансформатор Т, вы-
полняющий также функцию регулирования тока с помощью не-
подвижного подмагничиваемого шунта (см. также § 3 гл. 2). Сер-
дечник магнитного шунта расположен перпендикулярно стержням
156
трансформатора, несущим секционированные обмотки трансформа-
тора. На сердечнике расположена обмотка управления, обтекаемая
постоянным током, изменение величины которого влияет на магнит-
ное состояние сердечника и в конечном счете на величину свароч-
ного тока. Трансформатор имеет две ступени регулирования сва-
рочного тока: ступень больших токов — при параллельном соедине-
нии секций обмоток и ступень малых токов — при их последова-
тельном соединении. В пределах каждой ступени плавное регули-
рование сварочного тока осуществляется подмагничиванием шун-
Рис. 6.6. Функциональная блок-схема сва-
рочных установок серии УДГ (УДГ-301 и
УДГ-501)
Рис. 6.7. Вид внешних
характеристик установ-
ки типа УДГ-301 для од-
ной ступени регулирова-
ния
та. Магнитный усилитель А предназначен для управления током
подмагничивания шунта, который регулируется резистором в цепи
обмотки управления магнитного усилителя. Блок РССТ также ра-
ботает в цепи обмотки управления усилителя А (см. выше). Время
заварки кратера регулируется от 0 до 30 с. После заварки кратера
сварочный ток автоматически отключается.
Блок С (батарея конденсаторов) препятствует прохождению
постоянной составляющей несинусоидального сварочного тока во
вторичную обмотку трансформатора Т. Блок ВД служит для воз-
буждения сварочной дуги с помощью высоковольтных высокочас-
-тотных знакопеременных затухающих импульсов (осцилляторный
режим) и поддержания стабильного горения дуги с помощью низ-
ковольтных апериодических импульсов тока (стабилизаторный ре-
жим). Генерация импульсов как в осцилляторном, так и в стаби-
лизаторном режимах происходит один раз за период при положи-
тельной полярности на электроде, но с опережением во времени
157
на 40—60 мкс относительно нулевого значения сварочного тока.
С целью снижения помех радио- и телеприему работа блока ВД
в осцилляторном режиме происходит по следующему временному
установленному экспериментально циклу: 0,9 с работа, 10 с пауза.
Внешние характеристики установки УДГ-301 для одной ступени
показаны на рис. 6.7. Технические данные установок УДГ-301 и
УДГ-501 приведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Технические данные	Тип установки		
	УДГ-301	УДГ-501	УДГ-101
Климатическое исполнение, категория размещения			УХЛ4	УХЛ4	УХЛ4
Нижний предел температуры окружа- ющего воздуха, °C	 Номинальный сварочный ток, А . . . .	+ 1	4-1	—40
	315	500	50
Пределы регулирования тока, А . . . .	15—315	40—500	2—80
Режим работы, ПН %		60	60	60
Номинальное рабочее напряжение, В	20	20	12
Напряжение холостого хода, В . . . .	75	75	70
Номинальное напряжение питающей сети, В		220, 380	380	220, 380
Первичная мощность, кВ-А		25	40	7
Габаритные размеры, мм		900x73	0x1620	940X650X Х905 250
Масса, кг, не более		400	500	
§ 5. Источник питания дуги переменным током
промышпенной частоты с реактивными сопротивпениями
в сварочном контуре
Источник применяется для сварки плавящимся электродом тон-
колистовых (тонкостенных) изделий из алюминиевых и титановых
сплавов, а также легированных сталей. При использовании этого
источника удается избежать прожогов и деформаций, характерный
при сварке тонколистовых изделий. В качестве защитной среды ис-
пользуются аргон и его смеси с гелием и углекислым газом. У это-
го источника дуга легко возбуждается бее применения вспомога-
тельных устройств при напряжении порядка 40 В.
Функциональная блок-схема источника приведена на рис. 6.8,
где Т — однофазный силовой понижающий трансформатор с жест-
кой или падающей внешней характеристикой, формируемой блоком
БРС, содержащим реактивные сопротивления Хь и Хс- Вид внешней
характеристики источника зависит от соотношения величин реак-
тивных сопротивлений.
На рис. 6.9 приведены внешние характеристики источника: кру-
топадающие характеристики 1, 2 можно получить при сравнитель-
но больших значениях реактивного сопротивления Xp=Xl—Хс
(порядка 1—3 Ом) как при xL>Xc, так и при xL<Xc', пологопадаю-
158
щие характеристики 3 получаются при хр<100 м- вертикальная в
области рабочих напряжений характеристика 4 получается при на-
сыщении сердечника катушки индуктивности; седлообразная харак-
теристика 5 имеет место, когда с ростом тока Хь и хс делаются
равными вследствие уменьшения Хь (реактивное сопротивление хр
после точки максимума
напряжения возрастает,
и характеристика ста-
новится крутопадаю-
щей).
§ 6.	Сварочная
установка типа УДГ-101
Установка предназ-
начается для сварки
нейлавящимся электро-
дом изделий из корро-
зионно-стойких сталей
постоянным током в
среде аргона. Функцио-
нальная блок-схема
приведена на рис. 6.10.
Силовой трехфазный
трансформатор Т имеет
жесткую внешнюю ха-
рактеристику. Магнит-
ный усилитель А вклю-
чен во вторичную цепь
трансформатора для по-
лучения падающих
внешних характеристик
и плавного изменения
сварочного тока на двух
ступенях регулирова-
ния. Силовой выпрями-
тельный блок V собран
по трехфазной мосто-
вой схеме выпрямления
на селеновых вентилях.
Линейный дроссель L
в цепи выпрямленного
тока уменьшает броски
тока при возбуждении
дуги. Задание величи-
ны сварочного тока про-
изводится резистором
блока БЗТ, включен-
ным в цепь управления
Рис. 6.8. Функциональная блок-схема источни-
ка питания с реактивными сопротивлениями
в сварочном контуре
Рис. 6.9. Внешние характеристики источника
питания с реактивными сопротивлениями в
сварочном контуре
Рис. 6.10. Функциональная блок-схема уста-
новки типа УДГ-101
159
магнитного усилителя А. В схеме имеются также устройство
РССТ, осциллятор параллельного включения G и переключатель
полярности S.
Установка передвижная состоит из шкафа с аппаратурой, пуль-
та дистанционного управления и водоохлаждаемой горелки со
сменными цангами для электродов диаметром 0,5—2 мм. Установ-
ка оборудована также ножной педальной кнопкой включения сва-
рочного тока, измерительными приборами, газовым клапаном,
ниппелями для подключения воды и аргона. Подача аргона начи-
нается за 1—2 с до начала сварки и прекращается через 10 с пос-
ле окончания. Пульт дистанционного управления может находить-
ся на расстоянии до 10 м от шкафа с аппаратурой. На пульте
установлены резисторы для регулирования сварочного тока и вре-
мени заварки кратера, переключатель ступеней регулирования
сварочного тока, кнопки проверки работы газового клапана и ос-
циллятора. Технические данные установки приведены в табл. 6.1.
§ 7.	Установки серии УПС
Установки предназначены для плазменной сварки неплавящим-
ся электродом постоянным током прямой и обратной полярности.
На прямой полярности производится сварка изделий из меди и ее
сплавов, а также коррозионно-стойких сталей, на обратной поляр-
ности— изделий из легких сплавов. Установка типа УПС-301 пред-
назначена для ручной дуговой сварки в непрерывном и импульс-
ном режимах, установка УПС-501 —для механизированной сварки
в непрерывном режиме.
Установка типа УПС-301 содержит источник питания типа
ВДУ-305 (см. § 8 гл. 3), блок управления и плазмотрон.
В состав установки типа УПС-501 входят источник питания
типа ВДУ-504-1, самоходная сварочная головка, блок приводов
механизмов перемещения головки и подачи электродной проволо-
ки, блока аппаратуры для подачи плазмообразующих и защитных
газов, два плазмотрона на токи 315 и 500 А.
Установки серии УПС обеспечивают возбуждение дежурной
дуги между электродом и соплом при помощи осциллятора; воз-
буждение основной сварочной дуги между электродом плазмотро-
на и изделием; плавное нарастание сварочного тока после возбуж-
дения основной дуги; плавное снижение сварочного тока в режиме
заварки кратера; работу газового клапана по заданному времен-
ному циклу.
Установка типа УПС-501, кроме того, обеспечивает включение
механизмов перемещения сварочной головки и присадочной прово-
локи после возбуждения основной дуги, снижение скорости подачи
проволоки в режиме заварки кратера.
Установка типа УПС-301 обеспечивает работу в точечном ре-
жиме с циклом сварки до 10 с и в импульсном режиме с длитель-
ностью импульса и паузы, регулируемой в диапазоне от 0,1 до 10 с.
160
Величина тока дежурной дуги — порядка 28 А у установки типа
УПС-301 и до 100 А — у установки типа УПС-501.
Технические данные установок приведены в табл. 6.2, а в
табл. 6.3 приведены виды и толщины металлов, свариваемых за
один проход.
Таблица 6.2
Технические данные	Тип установки	
	УПС-301	УПС-501
Климатическое исполнение, категория размещения	 Нижний предел температуры окружа- ющего воздуха, °C	 Номинальный сварочный ток, А . . . Пределы регулирования сварочного то- ка, А	 Номинальное рабочее напряжение, В . Пределы регулирования рабочего на- пряжения, В	 Режим работы, ПВ%	 Первичная мощность, кВ-А	 Напряжение холостого хода, В ... Номинальное напряжение питающей сети, В		 К. П. д., %	 Габаритные размеры, мм	 Масса, кг, не более		УХЛ4 + 1 315 25—315 40 18—40 60 30 80 220, 380 70 634X975X760 350	УХЛ4 + 1 500 100—500 45 23—45 60 45 80 220, 380 82 1100X840x1060 500
Таблица б.З
Тип установки	Толщина материала, мм		
	медь и ее сплавы	сталь коррозионно- стойкая	алюминий и его сплавы
УПС-301	3	5	8
УПС-501	5	8	16
§ 8.	Источник питания типа ЛП>5М
Источник предназначен для аргонодуговой и плазменной сварки
черных и цветных металлов и имеет крутопадающие внешние ха-
рактеристики. Сварка производится неплавящимся^ электродом
постоянным непрерывным или импульсным током прямой и обрат-
ной полярности.
Функциональная блок-схема источника приведена на рис. 6.11.
Силовой, трехфазный трансформатор Т имеет жесткую внешнюю
характеристику. Рабочие обмотки дросселя насыщения А включе-
ны в анодные цепи неуправляемых кремниевых вентилей силового
выпрямительного блока V, собранного по трехфазной мостовой
схеме выпрямления.
161
В сварочный контур последовательно включен блок транзисто-
ров БТ и переключатель полярности S.
Блок БТ выполняет функции регулятора, стабилизатора и им-
пульсного модулятора сварочного тока. Сварочный ток регулиру-
ется плавно при изменении тока общей базы включенных парал-
лельно транзисторов.
Рис. 6.11. Функциональная блок-схема источника питания типа АП-5М
Генератор импульсов ГИ позволяет модулировать сварочный
ток по амплитуде и длительности. Регулирование длительности как
самого импульса, так и паузы ступенчатое (20 ступеней). Длитель-
Рис. 6.12. Внешние характеристики источ-
ника питания типа АП-5М(1); заштрихова-
на область вольт-амперных характеристик
сварочной дуги (2)
ности импульса и паузы
могут устанавливаться в
пределах 0,03—0,6 с. Уста-
новленный сварочный ток
поддерживается постоян-
ным при изменении длины
дуги и величины напря-
жения сети. Во избежание
перегрева транзисторов
введена обратная связь,
поддерживающая на тран-
зисторах блока БТ мини-
мальное напряжение эмит-
тер — коллектор (2,5—
ЗВ), которое необходимо
для работы транзисторов
в режиме стабилизаторов
тока.
Заварка кратера с по-
мощью блока РССТ про-
162
изводится как в непрерывном, так и в импульсном режимах. Время
заварки кра'тера регулируется плавно в пределах 0—30 с. Для об-
легчения возбуждения сварочной дуги в схеме предусмотрен блок
БДД (вспомогательный источник питания, обеспечивающий горе-
ние дежурной дуги при токе 1—2 А и напряжении 70 В). Блок за-
дания тока БЗТ связан с генератором импульсов ГИ и с блоком
РССТ. Для возбуждения сварочной дуги используется осциллятор
G. Управление работой источника производится с дистанционного
пульта. Характеристики источника приведены на рис. 6.12. Техни-
ческие данные источника приведены ниже.
Климатическое исполнение, категория размещения . . . УХЛ4
Нижний предел температуры окружающего воздуха, °C +1
Номинальный сварочный ток, А..................... 80
Пределы регулирования сварочного тока, А......... 1,5—100
Режим работы, ПН %..........-.................... 60
Продолжительность цикла сварки, мин.............. 10
Номинальное рабочее напряжение, В................ 12
Напряжение холостого хода, В . . ............... 60
Первичная мощность, кВ-А................................ 4,5
Диаметр электрода, мм............................ 0,5—2,5
Габаритные размеры, мм........................... 560X600X980
Масса, кг, не более..................................... 130
§ 9.	Выпрямитель типа ВДГИ-301
Выпрямитель предназначен для механизированной импульсно-
дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа.
Выпрямитель передвижной используется для комплектации сва-
рочных полуавтоматов (напри-
мер, ПДГИ-303 и др.). В вы-
прямителе на постоянный сва-
рочный ток, называемый базо-
вым или основным током, пе-
риодически накладываются до-
полнительные мощные импуль-
сы тока. На рис. 6.13 приведе-
Рис. 6.13. Упрощенная принципиаль-
ная электрическая схема питания ду-
ги от выпрямителя типа ВДГИ-301
на упрощенная принципиаль-
ная электрическая схема пита-
ния сварочной дуги от выпря-
мителя типа ВДГИ-301. В цепи
выпрямленного типа последо-
вательно включен нелинейный дроссель L, ограничивающий ток и'
сглаживающий его пульсации при пульсирующем напряжении вы-
прямителя. Таким образом, в сварочном контуре при запертом ти-
ристоре VI идет базовый ток I. В момент отпирания тиристора
(схема управления тиристором на рис. 6.13 не показана) пульси-
рующее напряжение с начальной фазой, определяемой моментом
отпирания Л, оказывается приложенным к разрядному промежутку.
Это напряжение создает импульс тока i в дуге, не ограничиваемый
индуктивностью. На рис. 6.14 приведены графики, поясняющие
сказанное.
163
Частота следования импульсов во времени определяется часто-
той шунтирования тиристора.
Принципиальная электрическая схема силовой цепи выпрямите-
ля типа ВДГИ-301 приведена на рис. 6.15. Первичная обмотка
силового трансформатора Т состоит из секций w1_i, Wj-2, Wi-3 и
Wi-4, а вторичная ьу2-5 и W2-6. В один полупериод напряжения пи-
тающей сети совместно с секциями обмоток трансформатора ®i-i,
&У1-2, w2-5 работают тиристоры VI и V2 и вентиль V7, а в другой
полупериод напряжения совместно с секциями обмоток w^3, wi_4,
Рис. 6.14. Графики изменений
во времени и, i и 1 при шунти-
ровании дросселя тиристором
для схемы рис. 6.13.
ti — момент отпирания тиристора
Рис. 6.15. Принципиальная электрическая
схема силовой цепи выпрямителя типа
ВДГИ-301
&у2-б работают тиристоры V3 и V4 и вентиль V8. При открытии
тиристора VI (V4) на секции W]_2 (^1-3, ^1-4) первичной об-
мотки подается напряжение сети. После выпрямления вентилем
V7, (V8) через дроссель L и дугу идет базовый ток. Дроссель вы-
полнен нелинейным для сглаживания пульсаций базового тока во
всем диапазоне регулирования. При малых сварочных токах ин-
дуктивность дросселя больше, чем при больших.
Схемой управления предусмотрена возможность изменения на-
клона внешних характеристик при работе выпрямителя в режиме
базового тока. При больших сварочных токах в целях саморегу-
лирования дуги — внешние характеристики жесткие, а при малых
токах для предотвращения обрывов дуги — внешние характеристи-
ки крутопадающие.
При импульсном режиме тиристоры V5 (V6) включаются с за-
паздыванием относительно момента включения тиристоров VI
(V4). Одновременно с тиристорами V5 (V6) могут включаться ти-
ристоры V2 (УЗ) с одновременным выключением тиристоров VI
(V4) для повышения коэффициента трансформации. Такому режи-
164
му соответствует диапазон крутых импульсов большой амплитуды.
Когда тиристоры V2 (У<3) ие включаются, а работают только ти-
ристоры VI (V4), выпрямитель работает с пологими импульсами
малой амплитуды. В каждом диапазоне амплитуда и длительность
импульсов определяются фазой включения в работу • тиристоров
V5 (Уб). Запирание тиристоров У5 (Уб) происходит естественным
путем при снижении напряжения питания.
В выпрямителе предусмотрена возможность предварительно,
при отсутствии выходного напряжения установить по прибору сред-
нее значение напряжения на дуге и амплитуду напряжения импуль-
са. Кроме того, в выпрямителе имеется прибор с переключателем
на три положения для измерения в процессе сварки величин базо-
вого тока, тока дуги и амплитуды тока импульса..
Технические данные выпрямителя следующие.
Номинальный сварочный ток, А............................. 315
Пределы «регулирования сварочного тока, А......... 40—315
Амплитуда импульса тока, А.............................. 1000
Длительность импульса, мс................................. 4
Режим работы, ПВ%......................................... 60	-
Продолжительность цикла сварки, мин . . ;......... 5
Рабочее напряжение, В................................... 30
Пределы регулирования рабочего напряжения, В , . .	10—35
Номинальное напряжение питающей	сети, В............. 380
Первичная мощность, кВ-А................................. 13
Точность стабилизации при изменениях напряжения пи-
тающей сети от +5 до —10% от номинального, %:
по базовому току.................................. от	+.1,5 до +3
по импульсному току............................  от	+3 до —6
Габаритные размеры, мм............................. 748X1015X953
Масса, кг, не более............................... 350
§ 10.	Специализированные источники питания
постоянного тока с унифицированными блоками
Общие сведения. Источники предназначены для сварки и рез-
ки и выполняются на базе единой принципиальной электрической
схемы с тиристорным регулированием выходного тока. Единая
принципиальная электрическая схема источников реализована в
виде унифицированных блоков. Источники выполнены с примене-
нием обратных связей_по выходным току и напряжению. В них
предусмотрены возможности управления формой, величиной н про-
должительностью импульсов, подаваемых на тиристоры силовых
выпрямительных блоков, благодаря чему осуществляется регули-
рование выходных токов и (или) напряжений источников. Схемы
обеспечивают стабилизацию выходных токов при изменениях напря-
жения питающей сети, длины дуги и температуры окружающей
среды.
Источники серий ВСВУ и ВСВ используют для сварки неплавя-
щимися электродами, серии ВСП—для сварки плавящимися
электродами, серии ВПР—для плазменной резки.
165
• Источники^ питания серии ВСВУ предназначены для автомати-
ческой сварки изделий из обычных, коррозионно-стойких и жаро-
прочных сталей и титановых сплавов открытой и сжатой дугой в
непрерывном и импульсном режимах. Источники обеспечивают
стабилизацию установленного сварочного тока в пределах ±2,5%
при изменениях напряжения питающей сети ±10%, длины дуги
от 0,5 до 6 мм и температуры окружающей среды от ±5 до ±35° С.
Рис. 6.16. Функциональная блок-схема источника питания серии
ВСВУ
Источники серии ВСВУ обеспечивают работу в непрерывном и
импульсном режимах; автоматическое, плавное, регулируемое во
времени нарастание тока в начале сварки от минимального^ до за-
данного значения, благодаря чему происходит равномерный разо-
грев конца вольфрамового электрода и порышается его стойкость;
плавное регулирование тока дежурной дуги в импульсном режиме
в пределах от 2 до 30% номинального сварочного тока; модулиро-
вание формы импульса от практически прямоугольной до треуголь-
166
Сеть
ВИП
И
Рис. 6.17. Принципиальная электриче-
ская схема силовой цепи источников
питания серии ВСВУ
ной, что дает различные скорости изменения полярности свароч-
ного тока; плавное, регулируемое во времени снижение сварочного
тока от рабочего до минимального значения в конце сварки при
заварке кратера.
Независимость сварочного тока от температуры окружающей
среды достигается помещением элементов электрической схемы,
чувствительных к изменениям температуры, в термостат специаль-
ной конструкции, входящий в блок регулирования.
Источники выпускаются на
сварочные токи 40, 80, 160, 135 и
630 А.
Функциональная блок-схема
источников серии ВСВУ приведе-
на на рис. 6.16. В схеме: Г-сило-
вой трехфазный трансформатор;
V — силовой тиристорный выпря-
мительный блок; ВИП — вспомо-
гательный источник питания для
возбуждения дуги; ИЭ — измери-
тельный элемент тока; L — дрос-
сель, G — осциллятор; БФИ —
блок формирования импульсов
управления тиристорами; БРТ —
блок регулирования тока; ТБ—
триггерный блок; РБ — релейный
блок.
Рассмотрим роль и действие
блоков схемы. Силовой трехфаз-
ный трансформатор Т имеет одну
первичную обмотку Wi и две вто-
ричных обмотки Wz И ДО2в (рис.
6.17). Фазы первичной и вторич-
ных обмоток соединены звездой.
Напряжение от вторичной обмот-
ки Wz подводится к трехфазному
выпрямителю V (основной силовой выпрямитель), собранному по
мостовой схеме выпрямления на тиристорах, имеющему пологопа-
дающую внешнюю характеристику. От вторичной обмотки WzB на-
пряжение подводится к трехфазному неуправляемому выпрямите-
лю Ув, собранному также по мостовой схеме, который входит в
состав вспомогательного источника питания ВИП, включенного на
дугу параллельно с основным. ВИП имеет крутопадающую внеш-
нюю характеристику. Такая форма характеристики обеспечивается
действием трех однофазных неуправляемых линейных дросселей
£в с разъемными ферромагнитными сердечниками. Требуемый ток
возбуждения дуги устанавливается соответствующим зазором в
разъемном сердечнике дросселя.
Этот ток является минимальным током источника. Дроссели
LB выполняют также функции сглаживающих фильтров на малых
167
токах и предотвращают возникновение автоколебательного режи-
ма при глубоком регулировании.
ВИП обеспечивает также необходимое напряжение холостого
хода —200 В для сварки в среде гелия и 100 В для сварки в среде
аргона. В процессе сварки горят одновременно обе дуги. Мало-
мощная дуга обеспечивает сигналы обратной связи по току и на-
пряжению, необходимые для получения вертикального участка
внешней характеристики источника до зажигания сварочной дуги.
Совмещение двух существенно различных по форме внешних харак-
теристик, когда маломощный вспомогательный источник имеет до-
статочное для надежного возбуждения дуги напряжение, а основ-
ной источник — вертикальную внешнюю характеристику в диапазо-
не рабочих напряжений, позволяет существенно снизить напряже-
ние холостого хода основного источника питания сварочной дуги,
а следовательно, потребляемую мощность, массу, габаритные раз-
меры, повысить к.п.д. и коэффициент мощности. Ток возбуждения
составляет около 3% от номинального сварочного тока.
Силовой выпрямитель V выполняет также функции формирова-
теля внешней характеристики, стабилизатора и коммутатора тока,
модулятора импульсов и регулятора тока дежурной дуги при им-
пульсной сварке. Температурная защита тиристоров обеспечивает-
ся специальным релейным блоком РБ. Датчиком температуры
является терморезистор, установленный в радиаторе тиристора,
который включен последним в контуре водяного охлаждения и,
следовательно, наиболее сильно нагрет. При превышении темпера-
туры охлаждающей воды над заданной срабатывает реле, отклю-
чающее силовую цепь и включающее сигнальную лампу. Другие
электромагнитные реле блока определяют порядок работы элемен-
тов схемы при нажатии кнопок и выключателей, расположенных
на панели управления и дублирующем пульте сварщика.
Измерительный элемент ИЭ, включенный последовательно в
сварочную цепь, выдает сигнал обратной связи по току. Конструк-
тивно он выполнен в виде трубки из коррозионно-стойкой стали с
приваренными токоподводящими отводами. Постоянство электриче-
ского сопротивления ИЭ в процессе работы обеспечивается малым
температурным коэффициентом сопротивления материала трубки
и охлаждением трубки проточной водой.
Блок формирования импульсов БФИ выполнен по принципу
«вертикального управления», заключающемуся в формировании
пилообразного напряжения, сравнении его с напряжением управле-
ния и последующем формировании прямоугольных импульсов, по-
ложение которых во времени определяется результатом указанно-
го сравнения и зависит от характера суммирующего импульса, по-
ступающего на блок БФИ с блока регулирования тока БРТ. БФИ
состоит из следующих основных узлов: входного устройства, со-
здающего многофазную систему напряжений, синхронизированную
с напряжением питающей сети; фазосдвигающего устройства, обес-
печивающего изменение фазы управления импульсов относительно
напряжения питающей сети; выходного усилителя, осуществляю-
168
щего усиление и формирование управляющих импульсов. Работа
источника питания в переходном и импульсном режимах обеспечи-
вается двойными импульсами, которые генерирует БФИ благодаря
•соответствующему соединению трех его каналов управления.
Блок регулирования тока БРТ выполнен по схеме дифферен-
циального усилителя постоянного тока на транзисторах. Суммиру-
ющие сигналы, которые поступа-
ют на блок V с блока БРТ через
блок БФИ, обеспечивают плавное
регулирование сварочного тока
во всем рабочем диапазоне; плав-
ное нарастание тока в начале и
плавное снижение в конце сварки;
формирование внешней характе-
ристики источника; стабилизацию
рабочего тока при изменениях
длины дуги и напряжения питаю-
щей сети; импульсную коммута-
цию тока и модуляцию импульса
(см. выше).
Триггерный блок ТБ служит
для задания импульсного режима
работы источника питания и обес-
печивает независимое регулирова-
ние длительности импульсов и
пауз, которое кратно целому чис-
" лу периодов синусоидального на-
пряжения сети. Триггерный блок
обеспечивает возбуждение перио-
дические повторяющихся, регули-
руемых по продолжительности и
частоте импульсов напряжения,
которые через блоки БРТ и БФИ
задают режим работы блоку V.
Регулирование тока дежурной ду-
ги при импульсной сварке осуще-
ствляется с помощью этих же им-
пульсов, которые подаются на промежуточный транзистор в блоке
регулирования, а с него — на резистор регулирования дежурного
тока, установленный на пульте управления источником, и выходной
транзистор блока БРТ.
Для возбуждения дуги неконтактным способом в источниках
серии ВСВУ использован осциллятор последовательного включе-
ния типа ОСППЗ-ЗООМ.-1. Уровень помех, создаваемых при работе
источников серии ВСВУ, снабженных осциллятором, не превышает
пределы установленных норм. На рис. 6.18 приведены внешние
характеристики источника питания типа ВСВУ-315,
Технические данные источников питания серии ВСВУ приведены
в табл. 6.4.
Рис. 6.18. Внешние характеристики
источника питания типа ВСВУ-315
1 — внешние характеристики силового бло-
ка V; 2 — внешняя характеристика блока
ВИП
169
Таблица 6.4
Технические данные	Т ип источника питания				
	ВСВУ-40	ВСВУ-80	ВСВУ-160	ВСВУ-315	ВСВУ-630
Климатическое ис- полнение, категория размещения		УЗ	УЗ	УЗ	УЗ	УЗ
Нижиее значение температуры окру- жающего	воздуха, °C		±5	4*5	±5	4-5	
Номинальный сва- рочный ток, А . . . . Пределы регулиро- вания тока, А: сварочного ....	40	80	160	315	630
	2—50	3—90	5—180	8—350	10—700
дежурной дуги	2—15	3—30	5—60	8—120	10—200
Режим	работы, ПН«/о		60	60	60	60	60
Продолжитель- ность цикла сварки, мин		60	60	60	'60	60
Номинальное рабо- чее напряжение, В .	30	30	30	30	30
Номинальное на- пряжение питающей сети, В . .		380	380	380	380	380
Габаритные разме- ры, мм		520Х	520Х	520Х	520Х	520Х
	Х700Х	Х700Х	Х700Х	Х700Х	Х850Х
	Х920	Z920	XI195	ХН95	Х1250
Масса, кг, не более	160	180	240	360	480
Технические данные осцилляторов типа ОСППЗ-ЗООМ-1 приве-
дены ниже.
Номинальный ток цепи, в которую включается осцилля-
тор, А:
при ПН°/о = 1ОО ,........................... 240
при ПН%=60........................................ 315
Частота следования импульсов, кГц............... 15—20
Амплитуда импульсов напряжения, В.................... 5000
Межэлектродный пробиваемый промежуток, мм:
в среде воздуха, не меиее...................... .3
в среде аргона .................................... 6
Напряжение питающей	сети, В........................... 220
Габаритные размеры, мм.......................... 225X290X156
Масса, кг, не более................................... 5,6
Источники питания серии ВСВ предназначены для автоматиче-
кой сварки погруженной дугой неплавящимся электродом изделий
из сталей и титановых сплавов. Погрешность стабилизации сва-
рочного тока при изменении длины дуги на ±70% от номинальной
не более 2,5%, а при отклонениях напряжения сети в пределах
±10% и температуры окружающей среды от ±5 до ±35° С состав-
170
ляет +2,5% для источника типа ВСВ-1000 и ±3% для источника
типа ВСВ-2000. Источники серии ВСВ обеспечивают: возбуждение
дуги касанием электрода изделия на минимальном токе и плавное,
регулируемое во времени нарастание тока до заданного значения;
плавное местное или дистанционное управление сварочным током;
автоматическое плавное, регулируемое во времени снижение тока
в конце сварки при заварке кратера. Функциональная блок-схема
приведена на рис. 6.19. Схема содержит такие же блоки, как и схе-
ма источника типа ВСВУ, кроме триггерного блока и осциллятора.
Рис 619 Функциональная блок-схема источников питания серии
ВСВ
Описание, назначение и принцип работы блоков даны при описа-
нии функциональной блок-схемы источников серии ВСВУ. Форма
внешней характеристики источников серии ВСВ подобна форме
внешней характеристики источников серии ВСВУ. В области рабо-
чих напряжений внешняя характеристика параллельна оси напря-
жения, что достигается применением в схеме источников серии
ВСВ обратных связей по сварочному току и выходному напряже-
нию. Технические данные источников питания серии ВСВ приведе-
ны в табл. 6.5.
Источники питания серии ВСП относятся к специализирован-
ным источникам для дуговой сварки плавящимся электродом в сре-
де защитных газов обычных, коррозионно-стойких и жаропрочных
сталей, титановых и алюминиевых сплавов. Электрическая схема
источника позволяет плавно регулировать наклон внешней статиче-
ской характеристики, чем обеспечивается плавное регулирование
тока короткого замыкания. Процесс сварки с применением источ-
ников серии ВСП проходит с минимальным разбрызгиванием ме-
171
Таблица 6.5
Технические данные	Тип источника питания	
	BCB-1000	ВС В-2000
Климатическое исполнение, категория	УЗ	УЗ
размещения	 Нижнее значение температуры окру-		
жающего воздуха, °C		+5	-J-5
Номинальный сварочный ток, А . . . Пределы регулирования сварочного	1000	2000
тока, А		25—1000	25—2000
Режим работы, ПН°/о	 Продолжительность ’ цикла сварки,	65	65
МИН		60	60
Номинальное рабочее напряжение, В Напряжение холостого хода, В:	30	30
сварочного выпрямителя		45	45
выпрямителя возбуждения	 Номинальное напряжение питающей	100	100
сети, В		380	380
Габаритные размеры, мм		800X1000X1450	1300X1620X 2120
Масса, кг, не более		1150	2150
талла. У источников серии ВСП погрешность стабилизации уста-
новленного сварочного тока при изменениях напряжения сети в
пределах ±10% и темпе-
Рис. 6.20. Функциональная блок-схема источ-
ников питания серии ВСП
ратуры окружающей сре-
ды от +5 до +35° С со-
ставляет ±2,5 %-
Первоначальное воз-
буждение дуги произво-
дится касанием торца
электродной проволоки
поверхности изделия. При
этом ток короткого замы-
кания значительно превос-
ходит сварочный рабочий
ток, благодаря чему быст-
ро разогревается торец
электродной проволоки и
существенно улучшаются
условия возбуждения
Дуги.
Функциональная блок-
схема источников приве-
дена на рис. 6.20. Она не-
сколько отличается от функциональных блок-схем источников се-
рий ВСВУ и ВСВ (см. рис. 6.16 и 6.19) в связи с тем, что источни-
ки предназначены для дуговой сварки плавящимся электродом в
среде защитных газов, а этот способ сварки требует жесткой или
пологопадающей внешней характеристики источника. В схеме
172
Рис. 6.21. Внешние характеристики ис-
точника питания типа ВСП-1000
рис. 6.20 на блок формирования импульсов БФИ поступает сиг-
нал с блока регулирования напряжения БРИ, суммирующий сиг-
. налы обратной связи по току—с измерительного элемента ИЭ и
по напряжению со сварочной дуги.
Источники серии ВСП обеспечивают: плавное регулирование
выходного напряжения и наклона внешней характеристики; регули-
руемый по величине и скорости
’нарастания пик тока в начале
процесса сварки; -плавное, ре-
гулируемое во времени сниже-
ние тока в конце сварки.
Внешние характеристики
источника питания типа
ВСП-1000 приведены на рис.
6.21. Технические данные ис-
точников питания серии ВСП
приведены в табл. 6.6.
Источники питания серии
ВПР предназначены для резки
обычных, коррозионно-стойких
и жаропрочных сталей, алюми-
ниевых и титановых сплавов.
Эти источники построены по
тому же принципу, что и источ-
ники серии ВСВУ, и выпуска-
ются на токи 80, 315 и 630 А. Погрешность стабилизации выпрям-
ленного тока составляет ±2,5 7о при изменении напряжения пита-
ющей сети в пределах ±10%, длины дуги от 0,5 до 6 мм и темпе-
ратуры окружающей среды от +5 до +35° С.
Таблица 6.6
Технические данные	Тип источника питания		
	В СП-160	ВСП-315	ВСП-1000
Климатическое исполнение, категория размещения		УЗ	УЗ	УЗ
Нижнее значение температуры окру- жающего воздуха, °C		4-5	+5	+5
Номинальный сварочный ток, А . . .	160	315	1000
Пределы регулирования сварочного тока, А		40—180	50—350	150—1100
. Пределы регулирования напряжения холостого хода, В		16—34	16—44	16—60
Режим работы, ПН°/о		60	60	60
Продолжительность цикла сварки, мин	60	60	60
Пределы регулирования длительности пускового импульса, с		0,25—2,5	0,25—2,5	0,25—2,5
Габаритные размеры, мм		520Х700Х	520Х700Х	800Х Ю00Х
	ХИ95	Х1195	Х1530
Масса, кг, не более		240	350	1150
173
Источники обеспечивают: плавное, регулируемое во времени
нарастание тока в начале процесса резки от минимального до за-
данного и плавное, регулируемое во времени снижение тока в кон-
це процесса резки от рабочего до минимального. Функциональная
блок-схема источников серии ВПР приведена на рис. 6.22.
Рис. 6.22. Функциональная блок-схема источника пита-
ния серии ВПР
Назначение и описание работы блоков функциональной блок-
схемы даны при рассмотрении работы источников питания серии
ВСВУ. Технические данные источников серии ВПР приведены в
табл. 6.7.
Таблица 6.7
Технические данные	Тин источника питания	
	ВПР-80	ВПР-630
Климатическое исполнение, категория размещения		УЗ	УЗ
Нижнее значение температуры окру- жающего воздуха, °C		+5	4-5
Номинальный сварочный ток, А . . .	80	630
Пределы регулирования сварочного тока, А		30—100	100—700
Режим работы, ПН%		60	60
Продолжительность цикла работы, мин	60	60
Номинальное рабочее напряжение, В	120	120
Напряжение холостого хода, В . . . .	180	250
Номинальное напряжение питающей сети, В	 Габаритные размеры, мм		380	380
	500X700X1120	800ХЮ00Х1700
Масса, кг, не более		310	690
174
§11. Универсальный источник питания типа ТИР-ЗООД
Источник предназначен для дуговой сварки изделий неплавя-
щимся электродом в среде аргона постоянным или переменным
током прямоугольной формы, а также для ручной сварки штучны-
ми электродами с покрытием. Источник обеспечивает автоматиче-
ский процесс сварки всех металлов,
включая алюминий и магний, а также
сплавов на их основе.
Источник является устройством пи-
тания параметрического типа и не име-
ет внешних обратных связей. В состав
источника входят: силовой трансфор-
матор. с малым- магнитным рассеяни-
ем, имеющий жесткую внешнюю харак-
теристику; регулятор тока, представ-
ляющий собой дроссель насыщения,
работающий в режиме вынужденного
намагничивания и имеющий разделен-
ные рабочие обмотки, коммутируемые
тиристорами; импульсный стабилиза-
тор горения дуги переменного тока;
осциллятор; регулятор снижения сва-
Рис. 6.23. Внешние характе-
ристики универсального ис-
точника питания типа
ТИР-ЗООД
рочного тока в конце сварки; элемен-
ты управления, индикации и охлажде-
ния.
Регулирование сварочного тока сту-
пенчато-плавное. Сварочная дуга при
питании от источника обладает высокой стабильностью горения как
в установившемся, так и в переходном режимах. Источник поддер-
живает заданное значение сварочного тока в пределах рабочего
участка внешней характеристики с точностью, определяемой кру-
тизной характеристики, при относительно медленно изменяющихся
возмущениях как со стороны дуги, так и со стороны питающей сети.
При возбуждении дуги касанием изделия или посредством осцил-
лятора ток дуги плавно увеличивается с 5 А до заданной величины
за время около 0,4 с. Спадание тока при гашении дуги происходит
по линейному закону, что позволяет более равномерно снйжать
тепловложение в сварной шов. В источнике это реализовано доста-
точно простым путем из-за малой мощности, затрачиваемой на
управление сварочным током в дросселе насыщения с разделенны-
ми рабочими обмотками, благодаря тому, что коэффициент усиле-
ния по мощности у примененного дросселя равен 2000. Технические
данные ТИР-3000Д следующие.
Климатическое исполнение, категория	размещения ...	УЗ
Нижнее значение температуры окружающего воздуха,
°C................................................... +5
Номинальный сварочный ток, А............................ 300
175
Пределы регулирования сварочного тока, А:
первая ступень................................... 10—150
вторая ступень ; ............................ 40—300
Режим работы......................................продолжитель-
ный '
Номинальное рабочее напряжение, В...................... 30
Напряжение холостого	хода, В.......................... 65
Номинальное напряжение питающей сети, В.........,	380
Первичная мощность, кВ-А......................... 25
К. П. д., %.............'................	... .	75
Коэффициент мощности............................. 0,5
Время гашения дуги при спадании тока, с.......... 5
Габаритные размеры, мм............................. 1230Х620Х
Х1000
Масса, кг, не более.............................. 480
Внешние характеристики источника приведены на рис. 6.23.
ГЛАВА 7
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ДУГОВОЙ СВАРКЕ.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
§ 1. Общие сведения
Дуговая сварка как вид работ, связанный с эксплуатацией
электрооборудования, находящегося под напряжением, а также с
возможным воздействием на сварщика электрической дуги, вред-
ных газов, брызг расплавленного металла, требует организации и
строгого соблюдения мер безопасности.
Правила и меры безопасности в государственном масштабе
регламентированы системой стандартов безопасности труда
(ССБТ), которая распространяется, в частности, на сварочное обо-
рудование и сварочную технологию.
В отраслях промышленности положения стандартов ССБТ до-
полняются и уточняются для конкретных видов оборудования и
видов работ и отражаются в отраслевых стандартах, положениях
и инструкциях.
Все сварочное оборудование (в том числе и источники питания)
выпускается по техническим условиям, содержащим в обязательном
порядке раздел «Правила безопасности».
Вопросы безопасности отражаются также в инструкциях по экс-
плуатации, которыми снабжено поставляемое оборудование.
Характерные виды поражений, которым может подвергаться
сварщик, следующие:
поражение электрическим током при контакте человека с токо-
ведущими частями оборудования;
ожоги разных степеней, наносимые каплями расплавленного
металла и шлака, разбрызгиваемыми при сварке;
отравление газами, выделяющимися при сварке, а также пылью
и испарениями различных веществ (например, флюсов, обмазок),
участвующих в технологическом процессе;
176
, лучевые поражения глаз и кожи от действия открытой дуги;
травмирование, связанное с подготовительными операциями
(например, транспортирование, сборка тяжелых деталей, кантов-
ка в процессе сварки).
Предотвращение возможностей поражения работающих должно
предусматриваться на всех стадиях, начиная с проектирования сва-
рочного оборудования и до разработок технологического процесса,
организации рабочего места сварщика и транспортирования.
§ 2.	Предотвращение опасности поражений
Рассмотрим кратко необходимые меры, которые следует при-
менять, чтобы уберечь сварщика от поражений.
1.	Во избежание поражения электрическим током необходимо,
чтобы изоляция оборудования, подводящих линий, электрододержа-
телей была неповрежденной, выдерживала необходимое испыта-
тельное напряжение (оговариваемое в нормативно-технических до-
кументах) и подвергалась периодическим проверкам.
Сварщик должен иметь неповрежденную и сухую спецодежду,
а при большой плотности оборудования и свариваемых изделий на
рабочей площади пользоваться дополнительными мерами защиты —
резиновыми ковриками, галошами и т. п.
Сварщику категорически запрещается подключать и отключать
сварочное оборудование, делать переключения на панелях выводов,
заниматься ремонтными работами.
2.	Для защиты от ожогов применяется спецодежда (куртка,
брюки, рукавицы; иногда головной капюшон) из брезента или спе-
циальной теплостойкой ткани. При работе куртка должна быть
всегда поверх брюк, а брюки обтянуты поясом во избежание попа-
дания брызг металла и шлака на тело. Обувь сварщика должна
иметь гладкий верх и должна быть прикрыта брюками. Для рабо-
ты на воздухе сварщик должен иметь теплостойкие эластичные
подлокотники, подколенники, подстилки.
3.	При дуговой сварке, т. е. при температуре до 8000° С, обра-
зуются пары металлов, флюсов, обмазок, которые, конденсируясь,
образуют конденсационные аэрозоли, а также пыль и газообраз-
ные продукты, попадающие в органы дыхания и легкие работа-
ющих.
Средствами защиты от этого вида поражений служат общая и
местная приточно-вытяжная вентиляция, а также индивидуальные
средства (маски, респираторы). Особенно строго правила безопас-
ности должны соблюдаться при сварке в помещениях и отсеках
малого объема, где возможны большие концентрации вредных ве-
ществ.
4.	Дуговая сварка крайне опасна для глаз и кожи, так как
яркость световых лучей может вызвать опасные ожоги глаз при
очень малых временах воздействия (8—10 с), а также ожоги не-
защищенной кожи, подобные ожогам при загаре, но значительно
более тяжелые.
177
Защитные средства при • световых воздействиях следующие:
спецодежда (см. выше) для защиты кожи; защитные стекла для
глаз, вмонтированные в щитки, и маски различной конструкции.
Стекла, как правило, двухслойные (поверх цветного защитного
стекла помещается обычное стекло, прикрывающее цветное от
брызг металла и шлака). Защитными масками (но с более светлы-
ми стеклами) должны снабжаться и подсобные рабочие. Для за-
щиты окружающих, не связанных с процессом сварки, должны при-
меняться специальные ширмы, щиты и ограждения. Рекомендует-
ся стены сварочных кабин (если сварка ведется в стационарном
закрытом помещении) окрашивать в светлый тон (белый, желтый)
для ослабления контраста между яркой дугой и темными стенами.
5.	Для защиты сварщиков и подсобных рабочих от травм при
подготовительных операциях необходимо иметь:
исправные, отрегулированные транспортные средства (тель-
феры, тали, кран-балки);
исправные, готовые к работе наборы такелажных приспособле-
ний и инструмента;
исправную спецодежду и средства защиты глаз, необходимые
при операциях зачистки.
Значительно снижают травматизм продуманная технология, пе-
риодические проверки исправности оборудования, инструмента и
средств защиты, а также внедрение комплексной механизации и
автоматизации сварочных работ.
§ 3.	Техническое обслуживание и ремонт источников питания
Одним из средств обеспечения производительной, безаварийной
и безопасной работы являются правильное содержание сварочного
оборудования и, в частности, источников питания, своевременные
осмотры, профилактика, плановые ремонты, устранение в полном
объеме возникающих неисправностей.
Источники питания должны проходить ежедневные осмотры пе-
ред включением в работу, профилактические осмотры, текущие и
капитальные ремонты согласно утвержденным графикам. Содержа-
ние каждого вида осмотра и ремонта должно быть оговорецр в ин-
струкции по техническому обслуживанию источника питания. Все
работы, производимые с источниками питания, должны фиксиро-
ваться в журнале технического состояния.
При ежедневном осмотре следует обращать внимание на на-
дежность заземления, прочность крепления проводов, сопротивле-
ние изоляции. При включении в работу новых источников следует
снять консервирующую смазку, проверить и подтянуть крепежные
соединения, проверить сопротивление изоляции, включить и прове-
рить источник в рабочих режимах, проверить (при их наличии)
системы охлаждения и подачи газов. Результаты проверок должны
быть зафиксированы в паспорте — аттестате, без которого сдача
источника в эксплуатацию не допускается.
178
Значительно усложнившиеся в последнее время схемы и кон-
струкции источников питания и небольшой объем книги не позво-
ляют рассмотреть даже кратко характерные неисправности и спо-
собы их устранения. Отметим лишь следующие:
характерные неисправности приводятся в инструкциях по тех-
ническому обслуживанию;
ремонты, как плановые, так и послеаварийные, должны осуще-
ствляться специальными ремонтными службами, но не сварщи-
ками;
послеремонтные испытания должны проводиться наладчиками
сварочного оборудования или в отдельных случаях сварщиками
под наблюдением представителей ремонтных служб или дежурного
электрика.
г Примерные сроки осмотров и ремонтов источников питания
приведены в табл. 7.1.
Таблица 7.1
Вид источника питания	Периодичность		
	профилакти- ческого осмотра	текущего ремонта	капитального ремонта
Сварочные трансформаторы, выпря- мители, преобразователи Источники питания переменного тока для одно- и трехфазной сварки Специализированные источники	Один раз в месяц Один раз в 2 недели Один раз в неделю	Один раз в 6 месяцев Один раз в 4 месяца Один раз в 3 месяца	Один раз в 6 лет Один раз в 4 года Один раз в 3 года
ЛИТЕРАТУРА
1.	Аттура Г. Магнитные усилители. — М.—Л.: Госэнергоиздат, 1963.
2.	Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические це-
пи. 7-е изд. — М.: Высшая школа, 1978.
3.	Борисов Ю. М., Липатов Д. Н. Общая электротехника. — М.: Высшая
школа, 1974.
4.	Вашкевич Н. П., Сергеев Н. П., Чижухин Г. Н. Электромагнитная тех-
ника. — М.: Высшая школа, 1975.
5.	Герасимов В. Г., Князьков О. М., Красиопольский А. Е., Сухоруков В. В.
Основы промышленной электроиики/Под ред. проф. В. Г. Герасимова. 2-е изд.—
М.: Высшая школа, 1978.
6.	Каганов И. Л. Промышленная электроника: Общий курс. — М.: Госэнерго-
издат, 1961.
7.	Кугушев А. М., Голубева Н. С. Основы радиоэлектроники. — Линейные
электромагнитные процессы. — М.: Энергия, 1969.
8.	Кугушев А. М., Голубева Н. С. Основы радиоэлектроники. Нелинейные
электромагнитные процессы. — М.: Энергия, 1977.
9.	Лесков Г. И. Электрическая сварочная дуга.—М.: Машиностроение, 1970.
10.	Никитин В. П. Электрические машины и трансформаторы для дуговой
сварки. Т. 1. Основы теории. 2-е изд. — М,—Л.: ОНТИ, 1937.
11.	Патон Б. Е., Лебедев В. К. Электрооборудование для дуговой и шлако-
вой сварки. — М.: Машиностроение, 1966.
12.	Рабинович И. Я. Оборудование для дуговой электрической сварки. Ис-
точники питания дуги.—-М.: Машиностроение, 1958.
13.	Розенблат М. А. Магнитные усилители. — М.: Советское радио, 1956.
14.	Сварка в машиностроении: Справочник, т. 4./Под ред. Ю. Н. Зорина.—
М.: Машиностроение, 1979, гл. 2.
15.	Теоретические основы сварки/Под ред. В. В. Фролова. — М.: Высшая
школа, 1970.
16.	Поливанов К. М. Теоретические основы электротехники. Ч. I. Линейные
электрические цепи с сосредоточенными постоянными. — М,—Л.: Энергия, 1965.
17.	Жуковицкий Б. Я., Негневицкий И. Б. Теоретические основы электро-
техники. Ч. II. Четырехполюсники, длинные линии, нелинейные цепи./Под ред.
К. М. Поливанова. — М.—Л.: Энергия, 1965.
18.	Технология электрической сварки плавлением/Под ред. Б. Е. Патона.—
М. — Киев: Машгиз, 1962.
19.	Толстов Ю. Г., Мосткова Г. П., Ковалев Ф. И. Силовые полупроводни-
ковые выпрямители, управляемые дросселями насыщения. — М.: Наука, 1968.
20.	Хренов К. К. Электрическая сварочная дуга. — Киев — М.: ГНТИ, 1949.
21.	Чиликин М. Г. Общий курс электропривода. — М.—Л.: Госэнергоиздат,
1961.
22.	Акулов А. И., Бельчук Г. А., Демянцевич В. П. Технология и оборудо-
вание сварки плавлением. — М.: Машиностроение, 1977.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие........................................................... 3
Глава 1. Свойства сварочной дуги и требования к источникам питания
для дуговой сварки .................................................. 5
§ 1.	Общие сведения............................................... 5
§ 2.	Характеристики сварочной дуги.............................. 13
.	§ 3.	Схема замещения	сварочной дуги.............................. 17
§ 4.	Устойчивость энергетической системы источник питания — дуга —
ванна........................................................... 18
§ 5.	Сварочная дуга переменного тока............................ 25
' § 6. Трехфазная сварочная дуга...................................35
§ 7.	Требования к источникам питания.............................37
§ 8.	Классифицирование источников питания....................... 42
Глава 2. Источники питания сварочной дуги переменным током .... 43
§ 1.	Общие сведения..........................................  .	43
§ 2.	Источник питания типа СТЭ...................................44
§ 3.	Источники питания (трансформаторы) с усиленными магнитными
полями рассеяния.................................................46
Глава 3.	Сварочные однопостовые выпрямители.........................69
§ 1.	Общие сведения..............................................69
§ 2.	Функциональные блок-схемы...................................70
§ 3.	Свойства полупроводниковых вентилей и условия их p;i(>oii.i в
сварочных выпрямителях.......................................... 72
§ 4.	Трехфазиая мостовая схема выпрямления.......................31
§ 5.	Внешняя характеристика сварочного выпрямителя...............W4
§ 6.	Выпрямители типа ВД с падающими внешними	характеристиками 96
§ 7.	Выпрямители с жесткими внешними характеристиками...........100
§ 8.	Универсальные выпрямители серии ВДУ........................109
Глава 4. Сварочные однопостовые генераторы постоянного тока..........115
§ 1.	Общие сведения............................................  И5
§ 2.	Коллекторные генераторы с падающими внешними характеристи-
ками .........................................................  117
§ 3.	Коллекторный генератор типа ГСГ-500 с жесткими внешними ха-
рактеристиками ...............................................  134
§ 4.	Универсальные генераторы независимого возбуждения с последо-
вательной обмоткой..............................................135
§ 5.	Вентильные генераторы с самовозбуждением...................137
Глава 5. Сварочные многопостовые системы............................140
§ 1.	Общие сведения ............................................140
§ 2.	Многопостовой выпрямитель типа ВДМ для ручной дуговой
сварки плавящимся электродом....................................144
§ 3.	Многопостовые системы для дуговой сварки плавящимся элект-
 родом в среде углекислого газа..............................  146
:	§	4. Сварочный коллекторный генератор типа ГСМ-500 для питания
двух постов.................................................149
Глава 6. Специализированные источники питания сварочной дуги .... 150
§ 1.	Общие сведения..........................'..................150
§ 2.	Вспомогательные устройства источников питания..............150
181
§ 3.	Упрощенная типовая функциональная блок-схема источника пи-
тания для сварки неплавящимся электродом в среде защитного
газа...........................................................155
§ 4.	Сварочные установки серии УДГ.................................156
§ 5.	Источник питания дуги переменным током промышленной часто-
ты с реактивными сопротивлениями в сварочном контуре .... 156
§ 6.	Сварочная установка типа УДГ-101.............................1591
§ 7.	Установки серии УПС..........................................160*
§ 8.	Источник питания типа АП-5М...................................161
§ 9.	Выпрямитель типа ВДГИ-301.....................................165
§ 10.	Специализированные источники питания постоянного тока с уни-
фицированными	блоками..................................165
§	11.	Универсальный	источник питания типа	ТИР-ЗООД.......175
Глава 7. Техника безопасности при дуговой сварке. Техническое обслужи-
вание и ремонт	источников питания................176
§	1.	Общие сведения.......................................176
§	2.	Предотвращение	опасности поражений.................... .	177
§	3.	Техническое обслуживание и ремонт источников	питания ....	176
Дитература.............................................................180
Ольга Николаевна Браткова
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ
СВАРОЧНОЙ ДУГИ
Заведующая редакцией К. И, Аношина. Редактор М. И. Хайкин, Младший редактор
Т. А, Дорофеева. Переплет художника В. 3. Казакевича. Художественный редактор
Н. К. Гуторов. Технический редактор Е. И. Герасимова. Корректор В. В. Кожуткина
ИБ № 2921
Изд. № От-289.	Сдано в набор 16.12.81. Подп. в печать 31.03-82.	Т-03760.
Формат ©GXQOVie. Бум. тип. № 2. Гарнитура литературная. Печать высокая.
Объем 11,5 усл. печ. л. 11,75 усл. кр.-отт. 12,04 уч.-изд. л. Тираж 25 000 экз.
Зак, № 2604.	Цена 40 коп.
Издательство «Высшая школа», Москва, К-51, Неглиниая ул., д. 29/14
Московская типография № 8 Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии н книжной торговли. Хохловский пер., 7.