Многопостовая схема питания сварочным током

Преимуществом использования сварочного дросселя (СД) для регулирования сварочного тока есть то, что объединяют стационарно установленный сварочный трансформатор (СТ) и соединенный с ним длинными сварочными кабелями переносный СД. Очень широко такие системы питания сварочной дуги используются при реализации многопостовых систем питания сварочного тока. При этом стационарно устанавливают мощный СТ, способный выдавать сварочный ток 1000 А и больше, а к его выходным клеммам параллельно подключают несколько СД Др или сварочных балластных реостатов Rб, которые, в свою очередь, последовательно соединены со сварочной дугой и расположены непосредственно на сварочных постах. Сварочные посты, в свою очередь, могут быть разбросаны по разным участкам сварочного цеха, строительной площадке, верхам здания или в разных отсеках большого корабля.

При такой схеме включения на каждом сварочном посту можно независимо друг от друга проводить сварку.

Особенность конструкции СТ для многопостового сваривания состоит в том, что такой СТ должен иметь минимальное внутреннее сопротивление, а многопостовой источник питания - жесткую внешнюю вольт-амперную статическую характеристику. Снижение напряжения на выходных клеммах многопостового СТ в режиме номинальной нагрузки сварочным током по сравнению с напряжением на выходных клеммах в режиме холостого хода допускается не более 7%. Жесткость внешней вольт-амперной характеристики - обязательное условие многопостовых СТ, так как только в этом случае возможна нормальная работа всех сварочных постов, подключенных к многопостовому источнику.

Конструктивно требование относительно жесткой внешней характеристики СТ выполняется благодаря общему размещению первичной и вторичной обмоток на стержнях магнитопровода СТ. Такое расположение обмоток СТ разрешает получить максимальное потокосцепление между переменными магнитными потоками, образованными первичной и вторичной обмотками, и минимальный поток рассеяния электромагнитной системы СТ, благодаря чему, в конечном итоге, трансформатор такой конструкции имеет минимальное внутреннее сопротивление и жесткую внешнюю вольт-амперную характеристику. По такой конструктивной схеме выполнены все обычные энергетические трансформаторы. Это, кстати, основное отличие обычных трансформаторов с нормальным магнитным рассеянием от СТ с повышенным магнитным рассеянием, которые характеризуются значительным внутренним сопротивлением, благодаря развитому магнитному рассеянию и соответственно имеют крутоспадающие внешние вольтамперные характеристики.

Таким образом, если СТ для ручной дуговой сварки можно использовать непосредственно для сварки искусственными покрытыми электродами, то обычные энергетические трансформаторы с жесткой внешней вольт-амперной характеристикой непосредственно использовать для реализации ручной дуговой сварки невозможно, так как для того чтобы состоялся качественный постоянный процесс сварки покрытыми электродами, необходимо, чтобы источник сварочного тока имел крутоспадающую вольтамперную характеристику. Обычные трансформаторы с жесткой вольт-амперной характеристикой также можно использовать для ручной дуговой сварки искусственными электродами. Но для этого обязательно надо использовать дополнительное электротехническое устройство - балластный активный резистор (балластный реостат) или дроссель. Эти устройства включаются последовательно в электрическую цепь между трансформатором и сварочным дуговым промежутком и благодаря собственному сопротивлению создают крутоспадающую вольт-амперную характеристику, которая и обеспечивает реализацию постоянного, качественного процесса ручной дуговой сварки. Но при этом надо помнить, что стандарт Украины ДСТУ 2456-94 "Сварка дуговая и электрошлаковая. Требования безопасности" накладывает ограничения на напряжение холостого хода трансформаторов, которые используют для ручной дуговой сварки. Так, нижний уровень напряжения холостого хода СТ, из соображений надежного возбуждения сварочной дуги, не должен быть ниже 40 В. Условия безопасности сварщика обусловливают верхний уровень напряжения на исходных клеммах трансформатора в режиме холостого хода, который не должен превышать 80 В (за исключением специализированных источников сварочного тока).

Таким образом, для реализации ручной дуговой сварки покрытыми электродами по многопостовой схеме (рис. 23) как раз и используется СТ с жесткой внешней вольт-амперной характеристикой вместе с дополнительными электротехническими устройствами, которые и обеспечивают крутоспадающую внешнюю характеристику на каждом сварочном посту. Первичная обмотка такого СТ состоит из секций с выводами, и ее можно подключать к сети электрического питания с разным числом витков. Это сделано для того, чтобы в случае снижения напряжения сети переключением числа витков первичной обмотки сохранить неизменный уровень напряжения холостого хода СТ.

Еще одной особенностью использования для сварки трансформаторов с жесткой внешней вольт-амперной характеристикой является то, что поскольку СТ имеет жесткую внешнюю характеристику, режим короткого замыкания для него является аварийным и недопустимым. А для ручной дуговой сварки это обычный, часто возникающий режим. Поэтому для защиты СТ используют быстродействующий автомат, который отсоединяет трансформатор от сети питания в случае возникновения продленного короткого замыкания, для защиты обмоток трансформатора от перегрузки и преждевременного выхода из строя.

Таким образом, дополнительные электротехнические устройства, которые включаются последовательно с СТ и сварочной дугой, выполняют следующие функции:

при жесткой внешний вольт-амперной характеристике создают крутоспадающую внешнюю харктеристику на клеммах, которые питают сварочную дугу на сварочном посту;

формируют регулировочные характеристики и служат регуляторами сварочного тока на сварочном посту;

ограничивают ток короткого замыкания в процессе сварки на сварочном посту и тем самим защищают СТ от недопустимых перегрузок током короткого замыкания.

Количество постов, которые питаются от одного многопостового источника питания, можно определить по формуле п = 1_ном/1_дК, где п - количество сварочных постов; 1_ном - номинальный ток нагрузки; А; 1_д - сварочный ток одного поста, А; К - коэффициент одновременной работы сварочных постов. Если этот коэффициент для ручной дуговой сварки покрытыми электродами равняется К=0,5, то для полуавтоматической и автоматической сварки К=0,7. Например, в случае ручной дуговой сварки искусственными электродами при 1_д=300 А, 1_ном=1000 А можно найти количество сварочных постов п, которые СТ способен обеспечить сварочным током. Для этого эти данные необходимо подставить в приведенную выше формулу, и в результате неслож-

ных вычислений найти количество постов п = 1000Д/300Д*0,5 = 6,666. Округляем количество постов в меньшую сторону, так как округление в большую сторону приведет к уменьшению сварочного тока на посту 1_д < 300 Д, что недопустимо, так как по начальным условиям 1_д должен равняться 300 А. Поэтому количество сварочных постов, которые одновременно может питать СТ, равно 6. Сварочный пост может работать в одном из следующих режимов: холостого хода, нагрузки сварочным током и короткого замыкания. Для работы сварочного поста в любом из этих режимов справедлива следующая зависимость: и2 = 0р + и_д, где и2 - напряжение на исходных клеммах СТ, В; ир - падение напряжения на дополнительном электротехническом устройстве, в данном случае на балластном реостате, В; и_д - падение напряжения на дуговом промежутке, В.

Падение напряжения на балластном реостате ир = 1, где 1_д - сварочный ток, который последовательно протекает по электрической цепи: вторичная обмотка СТ, балластный реостат, сварочная дуга, А; Rp - активное сопротивление балластного реостата, Ом.

В случае режима холостого хода сварочная дуга не горит, сварочная цепь: СТ, балластный реостат, дуговой промежуток - разомкнута, поэтому ток 1_д = 0. Подставляя это значение сварочного тока в приведенную выше формулу, которая характеризует режимы работы сварочного поста: = ир + и_д = 1 + и_д = и_д, увидим, что в режиме холостого хода напряжение на дуговом промежутке ид равняется напряжению на выходных клеммах СТ.

В режиме нагрузки протекает сварочный ток 1_д. Подставляя 1_дв выражение для напряжения на элементах сварочной цепи, получаем и₂ = и_р + и_д = 1_р + и_д, откуда и_д = и₂ - 1_р. Из последнего выражения видно, что в случае увеличения тока дуги 1д, будет возрастать падение напряжения ир на балластном реостате, а напряжение на дуговом промежутке и_д будет уменьшаться. Это выражение описывает процесс создания спадающей внешней вольт-амперной характеристики на клеммах, которые питают сварочную дугу на сварочном посту с помощью активного сопротивления балластного реостата Rp. Существование балластного реостата в цепи сварочного поста создает на дуговом промежутке нисходящую внешнюю вольт-амперную характеристику. Значение сварочного тока на дуговом промежутке на одном сварочном посту можно проиллюстрировать с помощью следующего выражения: 1_д = ( - и_д)Др. Из этого выражения видно, что по аналогии с законом Ома регулирование сварочного тока в процессе ручной дуговой сварки искусственными электродами на одном сварочном посту осуществляется сварщиком путем изменения сопротивления балластного реостата Rp.

В режиме короткого замыкания (КЗ) дугового промежутка напряжение на нем равно 0, и_д = 0. Подставляя в выражение и2 = ир + и_д значение и_д = 0, видим, что все падение напряжения сварочной цепи концентрируется на дополнительном устройстве - балластном реостате: = ир = 1, а по сварочной цепи протекает значительный ток КЗ 1к, значение которого можно описать следующим выражением: 1_к = Др. Из этого выражения видно, что в условиях КЗ регулирование тока КЗ сварочной цепи (вторичная обмотка СТ, балластный реостат, дуговой промежуток) осуществляется изменением сопротивления балластного реостата. Такие же соотношения получаются между напряжениями и токами в сварочной цепи, если в качестве дополнительного устройства вместо балластного реостата используют СД.

Основные преимущества многопостовых схем питания сварочных постов перед однопостовыми - снижение стоимости оборудования, уменьшение затрат на эксплуатацию из расчета на единицу полезной мощности, возможность регулирования сварочного тока без перерыва процесса сварки.

Основным недостатком многопостовых систем питания сварочной дуги является взаимное влияние электрических процессов, которые сопровождают процессы сварки на сварочных постах, питающихся от одного источника сварочного тока и электрически соединенных между собою по параллельной схеме. Такое влияние проявляется следующим образом: если на одном из постов сварщик выполняет сварку в постоянном режиме, а второй сварщик в это время начинает или заканчивает процесс сварки, то соответственно параллельными электрическими цепями распространяются скачкообразные возмущения сварочных напряжения и тока, которые питают сварочную дугу. Это вызовет, хотя и кратковременные, но все-таки нарушения режима сварки, что в свою очередь может привести в зависимости от квалификации сварщика если не к перерывам процесса сварки, то к нарушениям процессов формирования сварного шва. При выполнении сварки неответственных сварних конструкций на это можно не обращать внимания. Но во время выполнения сварки ответственных сварных конструкций, таких, как нефтегазопроводы или строительные конструкции, к надежности сварных швов в которых предъявляют повышенные требования, могут возникать ситуации, когда невозможно выполнить сварку при одновременной работе сварочных постов в разных режимах сварки. Например, при выполнении сварки нефтегазопровода процесс сварки не должен перерываться, при этом пространственное положение сварного шва из-за круглой формы трубы изменяется от нижнего к вертикальному и переходит в верхнее положение. Такие сварные швы выполнять в особенности сложно. Если на процесс сварки накладываются еще возмущения тока и напряжения от работы параллельных постов, то выполнить в таких условиях качественный сварной шов становится практически невозможно. Поэтому при выполнении сварки в таких условиях сварщики на параллельных постах одновременно начинают процесс сварки и одновременно заканчивают его, чтобы начало и окончание сварки одним сварщиком не мешало процессу сварки второго сварщика. Но несмотря на этот недостаток, многопостовые системы питания распространены довольно широко в силу своей высокой экономической эффективности. А промышленность выпускает довольно широкую гамму сварочных источников питания для многопостовых систем питания.

С началом выпуска управляемых полупроводниковых приборов - тиристоров и транзисторов соответствующей мощности, в 60-х годах минувшего столетия начались попытки использовать эти приборы для непосредственного управления током и напряжением СТ с целью создания еще одного, на первый взгляд довольно простого, способа формирования регулировочных характеристик СТ. Но эти способы так и не увенчались успехом, и промышленность не выпускает ни одного типа СТ для питания процесса ручной дуговой сварки искусственными покрытыми электродами, регулировочные характеристики которого формируются с помощью полупроводниковых управляемых приборов. Это связано с особенностью процессов, которые протекают в сварочной дуге переменного тока.

Разработчикам СТ необходимо быть знакомыми с особенностью процессов, протекающих в сварочной дуге, так как прямое назначение СТ - это обеспечение постоянного процесса горения дуги. И если СТ не в состоянии подавать в сварочную дугу ток и напряжение такой формы и величины, которые обеспечат поддержание дугового разряда, то существование такого источника сварочного тока и напряжения теряет смысл. Поэтому прежде чем начинать разработку и проектирование СТ, конструктору необходимо тщательно ознакомиться с особенностями электрических процессов в сварочных дугах переменного тока, чтобы в максимально возможной форме обеспечить те требования, которые эти процессы выдвигают к свойствам СТ.

Обсудить на форуме