CC BY
31
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2000 р. Вип.№10
УДК 621.791.037:621.314.2
Пентегов И.В.,1 Рымар C.B.,2 Латанский В.П.3
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ НОВЫХ ТИПОВ ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ РУЧНОЙ ДУГОВОЙ СВАРКИ
Рассмотрены конкурентоспособные на рынке сварочного оборудования однофазные сварочные трансформаторы для ручной дуговой сварки штучными электродами. Показано, что наиболее перспективны сварочные источники питания, содержащие сварочные трансформаторы в сочетании с конденсаторными умножителями напряжения.
Анализ современного состояния сварочного производства свидетельствует о том, что сварка плавлением занимает ведущие позиции во всех промышленно развитых странах. По объемам использования на первом месте стоит электродуговая сварка и она еще долгое время будет занимать ведущее положение [1]. В последние годы на электродуговую сварку приходилось 70...80 % от общего объема сварочных работ [2], из электрооборудования для нее доля оборудования для механизированных способов сварки составляла 25. .30 %, а для ручной дуговой сварки - 70...75 %, что свидетельствует о необходимости создания новых типов источников питания (ИП) для ручной дуговой сварки штучными электродами. Сварочные трансформаторы являются основными силовыми элементами этих ИП.
В последнее десятилетие в промышленно развитых странах наметилась устойчивая тенденция перевода сварочного оборудования для ручной дуговой сварки на инверторные ИП [1, 2], обладающие малой массой и обеспечивающие высокое качество сварки. Инверторные ИП сложнее и дороже традиционных ИП. Поэтому традиционные ИП с улучшенными сварочными свойствами и устройствами поджига дуги остаются конкурентоспособными на рынке, поскольку они проще, дешевле и надежнее.
При разработке новых сварочных трансформаторов и усовершенствованных ИП необходимо учитывать особенности сварочных процессов и накопленный практический опыт по обеспечению устойчивого горения дуги (применение устройств стабилизации горения дуги [3, 4] и конденсаторных умножителей напряжения [5, 6]), использовать эффективные системы регулирования сварочного тока, точно воспроизводить оптимальные режимы сварки, создавать современные методы расчета электромагнитных элементов (в первую очередь сварочных трансформаторов), позволяющие оптимизировать разрабатываемые ИП по массогабаритным и стоимостным показателям, обеспечивать простоту и надежность при производстве и эксплуатации. Сочетание всех этих факторов позволяет создавать новые ИП для ручной дуговой сварки, превышающие по основным показателям (качество сварки, энерго- и ресурсосбережение, масса, стоимость, надежность) традиционные ИП подобных типов.
Сравнительные характеристики различных классов сварочных трансформаторов и ИП были приведены в работе [4], где сделан вывод о том, что ИП, содержащие сварочные трансформаторы в сочетании с конденсаторными умножителями напряжения, наиболее перспективны, поскольку по массе, КПД, коэффициенту мощности, току, потребляемому из сети они приближаются к инверторным ИП, а по стоимости выигрывают и у инверторных, и у традиционных ИП. Различные типы исполнения схем с конденсаторными умножителями напряжения для сварочных ИП можно найти в авторских свидетельствах [7-13].
1 ИЭС им. Е.О. Патона, д-р техн. наук, проф.
2 ИЭС им. Е.О. Патона, канд. техн. наук, м.н.с.
3 ИЭС им. Е.О. Патона, инж.
Ограничимся рассмотрением однофазных сварочных трансформаторов.
К настоящему времени из многих существовавших конструкций однофазных сварочных трансформаторов [14-16] выдержали конкуренцию лишь три конструкции, имеющие развитые магнитные поля рассеяния и обеспечивающие крутопадающую вольтамперную характеристику (ВАХ). Это сварочные трансформаторы с развитыми поперечными полями рассеяния, сосредоточенными в пространстве между стержнями магнитопровода (имеющие подвижные и неподвижные обмотки), см. рис.1,я и б, трансформаторы с магнитным шунтом, расположенным в окне магнитопровода, см. рис.1,в, и трансформаторы с развитыми ярмовыми полями рассеяния, рассредоточенными в пространстве между ярмами магнитопровода, см. рис.1,г. На рисунках даны обозначения: 1,2- катушки с первичной и вторичной обмотками; 3 - магнитопровод; 4 -магнитный шунт.
В
II
■4|
нм
Ь)
А-А
1 г
в
Рис. 1 -Перспективные конструкции сварочных трансформаторов.
В трансформаторах с поперечным рассеянием развитые магнитные поля рассеяния обеспечиваются разнесением первичной и вторичной обмоток по длине стержней магнитопровода см. рис.1,а и б, причем одна из обмоток может быть подвижной (рис.1,а) и перемещаться вдоль стержней, изменяя индуктивное сопротивление рассеяния и сварочный ток трансформатора. В трансформаторах с неподвижными обмотками (рис. 1,6) регулирование сварочного тока осуществляется путем подключения электронных ключей. Трансформаторы с поперечным рассеянием применяют при токах до .250...300 А [16]. К достоинствам трансформаторов с поперечным рассеянием следует отнести простоту конструкции и технологию сборки, надежность в эксплуатации, возможность плавного регулирования сварочного тока за счет самой конструкции трансформатора и то, что поля рассеяния сосредоточены в основном в окне магнитопровода трансформатора, что не требует принятия специальных мер для уменьшения потерь от вихревых токов в металлических частях конструкции ИП. Трансформаторы с подвижными обмотками имеют и недостатки: наличие дополнительной конструкции для ходового винта, переме-
щающего подвижную обмотку; необходимость жесткого закрепления подвижной обмотки на направляющих для устранения ее вибрации; большая масса магнитопровода.
В трансформаторах с магнитным шунтом, см. рис.1,в, основная часть магнитного потока рассеяния проходит через магнитный шунт, от глубины вдвижения которого в окно магнитопровода зависит индуктивное сопротивление рассеяния и сварочный ток. Данные трансформаторы применяют также при токах до 250...300 А [16]. К недостаткам трансформатора с магнитным шунтом следует отнести увеличение массы магнитопровода и вибрацию шунта, обусловленную действием электромагнитных сил [16]. Для уменьшения вибрации применяют специальные конструктивные решения, приводящие к удорожанию трансформатора.
В трансформаторах с ярмовым рассеянием, см. рис.1,г, заданный уровень сварочного тока обеспечивают благодаря частичному перераспределению витков одной из обмоток (обычно первичной) с одного стержня магнитопровода на другой. Плавное регулирование сварочного тока в трансформаторе с ярмовым рассеянием осуществляется за счет применения электронных ключей, а дискретное - путем подключения дополнительных витков одной из обмоток на одном стержне и отключения такого же количества витков этой обмотки на другом стержне. Но последнее ведет к увеличению затрат активных материалов и существенному усложнению технологии намотки катушек. К достоинствам трансформатора -с ярмовым рассеянием можно отнести простоту конструкции и технологии сборки, возможность применения как ленточных так и шихтованных магнитопроводов. К недостаткам - то, что основные потоки рассеяния, проходя от ярма к ярму вне трансформатора, создают дополнительные потери в кожухах ИП, снижая КПД источника. Поэтому необходимо принятие дополнительных мер для уменьшения потерь. В связи с этим обстоятельством данные трансформаторы применяются на токах до 200 А.
Из сказанного можно заключить, что наиболее приемлемой конструкцией сварочного трансформатора, позволяющей механически плавно регулировать сварочный ток, является трансформатор с магнитным шунтом. Для регулирования сварочного тока электронными ключами наиболее перспективной конструкцией является сварочный трансформатор с поперечным рассеянием и неподвижными обмотками, и сварочный трансформатор с ярмовым рассеянием.
Для всех перечисленных конструкций сварочных трансформаторов применение конденсаторных умножителей напряжения позволяет уменьшить массу сварочного трансформатора в 7,5...7,7 раза за счет снижения действующего значения напряжения холостого хода (Х.Х.) трансформатора от уровня 60... 70В (обычные трансформаторы) до уровня 37.. .42 В.
При расчетах сварочных трансформаторов необходимо определять оптимальные напряжения Х.Х. и ток короткого замыкания (К.З.) для обеспечения непрерывного горения сварочной дуги, благоприятного переноса электродного металла при минимальном разбрызгивании, и качественного формирования сварного шва [14,15,17].
Формулы для расчета рабочих напряжений на выходных клеммах ИП Г/И.ф для ИП постоянного (выпрямленного) тока приведены в работах [18-21]. Остановимся подробнее на выборе напряжения на выходных клеммах сварочных трансформаторов и ИП с однофазными выпрямителями и умножителями напряжения [5-13] в режиме холостого хода.
Для поддержания ИП рабочих напряжений i/HCp на уровне требуемых значений, необходимо обеспечить соответствующие величины напряжений холостого хода ИП - U„Ф,ХЛ. Формулы для определения напряжения Х.Х. сварочных трансформаторов приведены в работе [17]. В работах [22-24] даны основные соотношения для выбора напряжений Х.Х. ИП переменного и достоянного (выпрямленного) токов.
Рассмотрим простейший ИП (номинальный ток 180 А), содержащий сварочный трансформатор с конденсаторным умножителем напряжения, представленный на рис.2. На рисунке дана схема ИП, состоящая из сварочного трансформатора Т (любого из перечисленных типов с входным и выходным напряжениями U; и U2) и конденсаторного умножителя напряжения УН [6] (выделен штриховой линией), выполненного по модифицированной схеме Латура с диодами VDi, VD2 и конденсаторами Си С2, шунтированными дополнительными диодами VD3, VD4 и сопротивлениями R!; R2 (когда работают диоды VDS и VD4 умножитель УН не работает и наоборот). На выходе ИП имеем выпрямленное напряжение ГУи ср. Сварочный ток ф регу лируется путем изменения индуктивного сопротивления рассеяния трансформатора.
Рис.2 - В АХ f/исркк =.ЛЛъср) ИП выпрямленного тока с конденсаторным умножителем напряжения, выполненным по схеме Латура.
На рис.2 приведены В АХ этого ИП при следующих значениях величин: действующее значение напряжения на первичной обмотке трансформатора U] ~ 220 В; действующее значение напряжения Х.Х. трансформатора V2o = 27,2 В; индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора Т изменяется в диапазоне ху = 0,047...0,01 Ом; электролитические конденсаторы С/ и С2 имеют емкость 1500 мкФ и напряжение 350 В (при этом величина i/^ не превышает величины допустимых пульсаций на конденсаторах); сопротивления R} и Я2 равны 100 кОм.
ВАХ сварочных ИП снимались при нагрузке на активное балластное сопротивление [25]. На рис.2 кривые 1 и 1' соответствуют максимальному и минимальному значению хк при отключенных элементах С/, С2 и Ri, R2. В режиме Х.Х. падение напряжения на вентилях VI),... VI) 4 равно нулю и сред нее значение напряжения Х.Х. выпрямителя U2r/k$ = 33,5 В (здесь - коэффициент формы кривой тока, равный отношению эффективного значения тока к среднему значению, для синусоидальных кривых к$ - 1,11). Точки а и а' на пересечении кривых 1 и Г с прямой 4, построенной по формуле [19]
С4ср '-20^ 0,041свхр (1)
являются рабочими точками выпрямителя со средними значениями сварочного тока 50 и 180 А при отключенном умножителе напряжения.
Кривые 2 и 2' представляют ВАХ ИП с подключенным конденсаторным умножителем напряжения при максимальном иминимальном уровнях хк. В режиме Х.Х. напряжение ИП будет равно суммарному напряжению на конденсаторах С} и С2: £/исрх.х - U20 = 105,2 В Точки Ь и Ь' на пересечении кривых 2 и 2' с прямой 4, являются рабочими точками рассматриваемого ИП со средними значениями сварочного тока 60 и 190 А. Точки пересечения кривых L 2 и V, 2' с осью абсцисс соответствуют средним значениям тока К.З. /к = U20/(k^xK) и приблизительно равны 70 и 340 А. Кривые 3 и 3' представляют собой разность по току между кривыми 1 и 2, и кривыми /' и 2' и характеризуют величину добавки тока от конденсаторного умножителя напряжения к току выпрямителя. Умножитель напряжения, увеличивает ток сварки ИП на 10...20 А, при этом рабочее напряжение ИП £/иср увеличивается незначительно (на 0,5...1,5 В). При некоторых значениях хк, С/ и С2 в ИП могут возникать резонансные явления, в связи с чем кривые 2 и 2' в области высоких напряжений могут не совпадать (что и наблюдается на рис.2).
Важно отметить, что при сохранении напряжения Х.Х. на требуемом для зажигания дуги уровне, конденсаторный умножитель напряжения позволяет значительно понизить напряжение холостого хода сварочного трансформатора U20 (до 37... 42 В), что ведет к снижению потребле-
ния тока из сети (для ИП на 120 А - до уровня, допустимого для осветительных сетей), уменьшению массо-габаритных и стоимостных показателей сварочного трансформатора.
Из результатов работы [23], действующее значение напряжения Х.Х. на вторичной обмотке сварочного трансформатора, при выполнении условия непрерывности сварочного тока, для ИП выпрямленного тока с однофазными выпрямителями без сглаживающих дросселей при сварке штучными электродами, должно быть не менее:
где Л1/т - падение напряжения на вентилях выпрямителя; р - безразмерный коэффициент (обратный коэффициенту добротности сварочного контура); у - коэффициент зажигания дуги.
равный отношению напряжения зажигания дути к напряжению на дуге.
По требованиям стандарта [20] для ИП постоянного (выпрямленного) тока, из соображения техники безопасности, должны выполняться неравенства:
£/» срхх < Ш В; (3)
а по требованиям стандарта Украины [26]:
(Лср *.*<100В-, (4)
Для выполнения неравенств (3) или (4), умножитель напряжения в ряде случаев должен подключаться к специальной отпайке вторичной обмотки трансформатора. Стандартом Украины по технике безопасности сварных работ [26] предусмотрено снижение напряжения Х.Х. в промежутках между сварками до 12 В. Это может быть достигнуто применением специальных понижающих или отключающих устройств. Здесь они не рассматриваются.
Динамические свойства сварочных трансформаторов должны быть такими, чтобы переходные процессы, возникающие при К.З., не оказывали влияния на разбрызгивание металла,
котопоо^во многом зависит от значения коэААипиента кпатности тока копоткого замыкания К. который равен отношению тока К.З. к сварочному току.
Коэффициенты у и К зависят от напряжения холостого хода сварочного трансформатора и?0. Коэффициент зажигания дуги из технологических соображений ограничен снизу (у > Г). а коэффициент кратности тока К.З. - сверху (К < 1,6). Обычно значения коэффициента у лежат в диапазоне 1,0... 1,1 (при наличии поджигающего устройства) и 1,5... 1,6 (при отсутствии таковых). Вопрос о выборе данных коэффициентов достаточно полно раскрыт в работе [22]. Здесь приведем лишь упрощенную зависимость между у и А"при р <0,04:
I 24 ~п2
(4>
Из этого соотношения следует, что чем больше К, тем меньше у и эти величины можно выбирать только согласованно.
Выводы
1.При производстве сварных конструкций ведущее место занимает ручная дуговая сварка, следовательно, актуальна проблема создания новых сварочных трансформаторов и источников питания для ручной дуговой сварки штучными электродами.
2. Наиболее перспективными конструкциями однофазных сварочных трансформаторов, используемых совместно с конденсаторными умножителями напряжения, являются трансформаторы с развитыми поперечными полями рассеяния, трансформаторы с магнитным шунтом и трансформаторы с развитыми ярмовыми полями рассеяния.
3. Сварочные источники питания, содержащие сварочные трансформаторы в сочетании с конденсаторными умножителями напряжения, наиболее перспективны, поскольку по массе, КПД, коэффициенту мощности, току, потребляемому из сети они приближаются к инвертор-ным ИП, а по стоимости выигрывают и у инверторных, и у традиционных ИП.
Перечень ссылок
Х.Лебедев В. К. Современные тенденции развития сварочных источников питания // Новые сварочные источники питания: Сб. науч. тр.- К.: АН Украины. ИЭС им. Е.О. Патона, 1992,- С. 5-13.
2. Патон Б.Е. Проблемы сварки на рубеже веков //Автомат, сварка-1 999-№ 1,- С. 4-14.
3. Заруба И.И., Дыменко В.В. Многопостовые источники питания для сварки переменным током // Новые сварочные источники питания. Сб. науч. тр.- К.: АН Украины. ИЭС им. Е.О.Патона, 1992,-С. 63-66.
4. Пентегов И.В., Дыменко ВВ., СклифосВ.В. Сварочные источники питания с импульсным поджигом дуги // Автомат, сварка - 1994 - № 7-8 - С. 36-39.
5. Пентегов И.В., Латанский В.П., Склифос В.В. Малогабаритные источники питания с улучшенными энергетическими показателями // Новые сварочные источники питания: Сб. науч. тр.-К.: АНУкраины. ИЭС им. Е.О. Патона,- 1992,-С. 66-71.
6. Пентегов И.В. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии - К : Наукова думка. 1982,- 424 с.
7. A.c. 1725496 СП СССР, МКИ В 23 К 9/06. Источник питания сварочной дуги / Пентегов И.В., Склифос ВВ., Латанский В.П. идр. (СССР).- 1991.
8. A.c. 1727292 СП СССР, МКИ В 23 К 9/06. Источник питания сварочной дуги / Пентегов И.В., Склифос В.В., Латанский В.П. и др. (СССР).- 1991.
9. A.c. 1743063 СП СССР, МКИ В 23 К 9/06. Источник питания сварочной дуги / Пентегов И.В., Склифос ВВ., Латанский В.П. идр. (СССР) - 1992.
10. A.c. 1795529 СП СССР, МКИ В 23 К 9/06. Источник питания сварочной дуги / Пентегов И.В., Склифос ВВ., Латанский В.П. идр. (СССР).- 1992.
11. A.c. 1834126 AI СССР, МКИ В 23 К 9/06. Источник питания сварочной дуги / Пентегов И.В.. Склифос ВВ., Латанский В.П. идр. (СССР).- 1992.
12. A.c. 1834127 AI СССР, МКИ В 23 К 9/06. Источник питания сварочной дуги / Пентегов ИВ., Склифос ВВ., Латанский В.П. идр. (СССР) - 1992.
13. A.c. 1839376 AI СССР, МКИ В 23 К 9/06. Источник питания сварочной дуги / Пентегов И.В., СклифосВ.В., Латанский В.П. идр. (СССР).- 1993.
14. Патон Б.Е., Лебедев В.К. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки - М.: Машиностроение, 1966- 360 с.
15. Браткова О.Н. Источники питания сварочной дуги - М.: Высш. шк., 1982 - 182 с.
16. Оборудование для дуговой сварки. Справочное пособие / Под ред. В.В. Смирнова-Л.: Энергоатомиздат, 1986,-656 с.
17. Патон Б.Е. О напряжении холостого хода трансформаторов для электродуговой сварки//Автомат, сварка - 1 950-№ 1- С. 60-77.
18. ГОСТ 95-77. Трансформаторы однофазные однопостовые для ручной дуговой сварки. Технические условия - М.: Изд-во стандартов, 1977,- 13 с.
19. ГОСТ 13821-77. Выпрямители однопостовые с падающими внешними характеристиками для дуговой сварки,- М.: Изд-во стандартов, 1986 - 18 с.
20. EN 60 974-1. Sicherheitsanforderungen für einrichtungen zum lichtbogenhandschweissen. Teil 1: Schweisstromquellen (IEC 974-1, modifiziert).-Brüssel: CENELEC, 1990 - 53 s.
21. Пентегов И.В., Рымар СВ. Нормирование напряжения на выходных клеммах источников питания для ручной дуговой сварки постоянным и переменным током // Сварочное производство." 1998 - № 4 - С. 21-25.
22. Пентегов И.В., Дыменко В.В., Рымар СВ. Выбор напряжения холостого хода в источниках для ручной дуговой сварки переменным током // Автомат, сварка - 1995- № 5 - С. 35-40.
23. Пентегов И.В., Стемковский Е.И Универсальные внешние характеристики трансформаторов для дуговой сварки //Автомат, сварка.- 1970,- № 2 - С. 20-24.
24. Пентегов И.В., Рымар СВ. Создание сварочных источников питания на базе существующих однофазных сварочных трансформаторов // Автомат, сварка.- 1997 - № 1 1 - С. 22-27.
25. ГОСТ 25616-83. Источники питания для дуговой сварки. Методы испытания сварочных свойств - М.: Изд-во стандартов, 1983 - 17 с.
26. ДСТУ 2456-94. Сварка дуговая и электрошлаковая. Требования безопасности - К: Госстандарт Украины, 1994 - 18 с.
Пентегов Игорь Владимирович. Д-р техн. наук, проф., вед. научн. сотр. отдела «Электротермия», окончил Московский энергетический институт в 1956 году. Основные направления научных исследований - теоретические основы электротехники, электромагнитные поля, источники питания для духовой и контактной сварки.
Рымар Сергей Владимирович. Канд. техн. наук, младш. научн. сотр. отдела «Электротермия», окончил Киевский политехнический институт в 1992 году. Основные направления научных исследований - теория оптимизации сварочных и силовых трансформаторов и реакторов, источники питания для дуговой сварки.
Латанский Виталий Петрович. Инж. отдела «Источники питания», окончил Киевский политехнический институт в 1971 году. Основные направления научных исследований - технология сварочных процессов, сварочные источники питания, испытания и сертификация сварочного оборудования.
