Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательноеучреждение
высшего профессионального образования
Тульский государственный университет
Кафедра оборудования и технологии сварочного и литейногопроизводства
Контрольно-курсоваяработа
по дисциплине «Источники питания»
натему:
«Многопостовые сварочные выпрямители»
Выполнил:
студент гр. 630621 ИванцовО.В.
Руководитель:
канд.техн.наук, доц. ТатариновЕ.А.
Тула 2006
С О Д Е Р Ж А Н И Е
ВВЕДЕНИЕ — - — - — - — - — - — - — -- — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - —
1. Сварочные многопостовые системы — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - —
1.1. Общие сведения — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - —
1.2. Выпрямители дляручной дуговой сварки плавящимся электродом — - — - — - — - — - — - — - — - — -- — - — - — - — - — - — - — - — - -
1.3.Многопостовые системы для дуговой сварки плавящимся электродом в средеуглекислого газа — — — — — — — -
1.4. Сварочный коллекторныйгенератор типа ГСМ-500 для питания двух постов — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —
2. Экономическая эффективностьмногопостового питания при дуговой сварке — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — -
3. Современные многопостовыевыпрямители, предлагаемые компанией «ИНТЕР-сварка» г.Тула — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - -
3.1. Сравнительнаяхарактеристика — - — - — - — - — - — - — - — - — - -
3.2. Многопостовойвыпрямитель ВДМ-6304У3 — - — - — - — - — -
ЗАКЛЮЧЕНИЕ — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - — - -
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ — - — - — - — - — - — - — - -
В В Е Д Е Н И Е
В производстве целесообразно по условиям работыиспользовать один источник питания для нескольких потребителей, для этого применяютсямногопостовые сварочные системы. В этих системах один многопостовой выпрямительснабжает энергией несколько сварочных постов.
Многопостовым называют источник, от которого можнопитать несколько сварочных дуг одновременно. Многопостовые источники используюттам, где на небольшом расстоянии друг от друга расположена группа сварочныхпостов. В этих условиях многопостовой источник более выгоден, чем однопостовыеисточники.
Многопостовые сварочные выпрямители позволяютрационально использовать производственные площади, значительно уменьшитьрасходы на электроэнергию и обслуживание оборудования, и обеспечиваютнезависимость работы отдельных постов, а также незначительное падениенапряжения в шинопроводе, соединяющем посты, что особенно важно при достаточнойудаленности сварочного поста от места нахождения источника. Регулирование токапоста осуществляется с помощью балластных реостатов.
Подключают сварочные посты от шинопроводавыпрямителя через балластные реостаты. Балластный реостат представляет собойнабор сопротивлений. При включении сварочной дуги последовательно с балластнымреостатом появляется возможность независимо регулировать ток каждого отдельногопоста. Одновременно сварочный пост приобретает необходимую при ручной сварке крутопадающуювнешнюю характеристику.
Выпрямитель включают в такой последовательности:замыкают сетевой рубильник, затем включают автоматический выключатель,расположенный, в большинстве случаев, на боковой стенке выпрямителя, при этомзагорается сигнальная лампа. Пуск следует производить вхолостую при отключеннойнагрузке. Выключают выпрямитель (без размыкания автоматического выключателя)нажатием кнопки «Стоп». Все узлы выпрямителя смонтированы в шкафу, имеющем двезакрывающиеся на ключ двери с электрической блокировкой. Блок управлениянаходится на передней стенке в верхней части кожуха выпрямителя.
1. Сварочные многопостовые системы
1.1. Общие сведения
В многопостовых системах источникпитания снабжает энергией одновременно несколько сварочных постов; Исходя изэксплуатационных и технико-экономических соображений, многопостовые системыцелесообразно применять в тех отраслях промышленности (в частности, вмашиностроении и судостроении), где на относительно небольших производственныхплощадях приходится сосредоточивать большое число (до нескольких десятков)однопостовых источников питания. В этом случае однопостовые источники питанияпомещают в специальные контейнеры и перемещают кранами. Источники, находящиесяв контейнерах, подключаются к силовой сети цеха посредством длинных (20—30 м)гибких кабелей. Кабели укладываются непосредственно на производственнойплощади, загромождают ее, проходят по свариваемой конструкции. Контейнерызагружают крановое оборудование; сварщики при такой организации работ теряютмного рабочего времени и подвергаются в большей мере опасности поражениятоком. Производительность труда в таких условиях снижается.
В последние годы интенсивнопроводились работы, направленные на создание современных многопостовых системпитания для ручной дуговой сварки плавящимся электродом, механизированнойсварки под флюсом и в среде углекислого газа. Все эти многопостовые системыотносятся к источникам питания группы О.
Применение многопостовых системсоздает условия для повышения производительности труда, более рациональногоиспользования производственных площадей, экономии электроэнергии (источникпитания не имеет режима холостого хода), снижения капитальных затрат и расходовна обслуживание источников, а также гарантирует безопасность работы иулучшение условий труда сварщиков.
Многопостовые системы питания могутбыть как постоянного, так и переменного тока. Промышленность в настоящее времясерийно выпускает только многопостовые системыдля питания постов постоянным током от выпрямителей через шинопроводы.
На рис. 1 приведена функциональнаяблок-схема питания сварочных постов СП от выпрямителя V черезшинопровод ШП. Ток поста регулируется с помощью регулятора тока РТП.Многопостовая система предназначена для• ручной дуговой сварки.
Рис. 1. Функциональная блок-схема питания сварочных постов от выпрямителя через шинопровод: V — выпрямитель; ШП — шинопровод; СП — сварочный пост; РТП—регулятор тока поста; 1к—длина шинопровода до k-го поста
Основное требование, предъявляемое кмногопостовым установкам, – это независимость работы каждого поста как вустановившихся, так и в переходных режимах. При этом напряжение Uп.х.хна входе каждого поста в режимехолостого хода поста должно быть достаточным для начального возбуждения дугипри контакте торца электрода и изделия; соотношение напряжений холостого хода Uп.х.хи устойчивогогорения дуги Uд.п.должно быть равно примерно двум (напряжение Uп.х.хдля ручной дуговой сварки должнобыть около 60 В, а Uд.п.при устойчивом горении дуги 25—30 В).
Изменения режима на одних постах(например, обрыв дуги, короткие замыкания дуговых промежутков каплей, перенос иобрыв капли) не должны влиять на устойчивость процесса сварки других постов. Вустановившемся режиме условие независимости постов выражается как Uпk=constвдоль шинопровода и для любого k-гопоста. Оценка степени разделения (независимости) постов в установившихсярежимах осуществляется по статическим характеристикам источника питания ипоста, а в переходных – по осциллограммам процесса сварки, по устойчивостигорения дуги постов и по качеству выполненного сварного соединения. Технологиясварки требует, чтобы колебания напряжения сети, от которой получает питание трехфазный силовой трансформатор, неотражались на выходном напряжении выпрямителя, так как это вызывает изменение напряженияна шинопроводе, а следовательно, отражается на работе постов. Для устойчивогогорения дуги любого поста
Рис. 5.2. Внешняя характеристика сварочного поста Un=f(Iп) и вольт-амперная характеристика дуги Uд=f(Iп) при ручнойдуговой сварке необходимо, чтобы напряжение Uп, подводимое к разрядному промежуткупоста, уменьшалось с увеличением тока поста. Это означает, что характеристикапоста, представляющая зависимость напряжения Unот тока Iппоста, должна быть падающей (рис.2). При Iп=0 напряжение Uп.х.х, подводимое от шинопрово-да к посту, должно обеспечивать легкоевозбуждение дуги, а ток Iпkдолжен быть ограничен.
Регулятор тока поста РТП предназначендля формирования характеристики поста, регулирования тока Iп, создания условий для независимости работы постов вустановившемся режиме. В многопостовых системах для ручной дуговой сваркипостоянным током в качестве регуляторов тока применяются регулируемые постовыебалластные резисторы Rn.
Напряжение на шинопроводе, являющеесявходным напряжением любого k-го поста в установившемся режиме:
(1)
где Uи.п.—напряжение на выходных выводах источника питания(например, сварочного выпрямителя), которое принимается постоянным; Δuш.k.– падение напряжения по длине lkшинопровода.
Для постоянства Unkнеобходимо, чтобы Uи.п. было постоянным и не зависелоот нагрузки источника питания, т. е. чтобы внешняя характеристика источникапитания была жесткая, aΔuш.kбыло возможно меньше. Условиенезависимости работы постов выполняется, если длительное отклонение Δuш.kот величины напряжения Unkна выходных зажимах k-roпоста не превышает ±5%. Величинанапряжения Uд.п.на дуговом промежутке поста в установившемся режиме равна:
(2)
где Uп.п.—падение напряжения на постовомрезисторе. Из формулы (2) следует, что внешняя характеристика Uп=f(Iп)не только падающая (см. выше), но и линейная. Из (2)можно определить ток поста:
(3)
Значение Rnневелико и составляет десятые долиома. Так, например, при Uп.х.х=50В,Uд.п=25Ви Iп=250Асопротивление Rп=0,1Ом.Несмотря на малое сопротивление Rп, мощность, расходуемая на егонагрев, велика (например, в нашем случае PR=Iп2Rп=2502· 0,1=6,25 кВт).
КПД поста:
(4)
где Рд—мощность, расходуемая в процессе сварки; Рп—мощность, получаемаяпостом от источника. При Uд.п.=25Ви Uп=50Вη=0,5.
К.п.д. многопостовой установки:
ηу = ηи.пηп, (5)
где ηи.п – КПД источника питания многопостовой системы.КПД поста можно повысить за счет снижения напряжения Uп, подводимого от шинопровода кпостам. При снижении Uп.х.хс 50 до 40 В получим при Iи=250Аи Uд.г=25В Rп=0,06Ом, РR=3,75кВт и по (4) η=0,625. Следует иметь в виду, чтозначительное снижение напряжения холостого хода Uп.x.xможет привести к затруднениювозбуждения дуги и ухудшению стабильности процесса сварки, так как ведет кснижению напряженности Е электрического поля разрядного промежутка. Сдругой стороны, если снизить Uп.x.xдаже в допустимых пределах за счетуменьшения напряжения на выходных выводах источника питания, то может резкоувеличиться разбрызгивание металла. Это объясняется тем, что при периодическихкоротких замыканиях дугового промежутка каплей возникает мгновенный пик токапоста iп. макс, ограниченный практически только сопротивлением Rп, так как индуктивность цепи постаравна нулю. В этом случае величина пика тока определяется значениями Uп.х.хи Rп.Для рассмотренного выше примера при Uп.х.х=50В и Rп=0,1Ом величина пика тока iп.макс=500А, а при Uп.х.х=40В и Rп=0,06 omin.макс==666А. Величину iп.максможно снизить. При включении в цепь поста индуктивности Lпуменьшается скорость нарастания тока(вместо пикового нарастания ток нарастает по экспоненте), что снижает потериметалла на разбрызгивание. Время нарастания тока поста при наличиииндуктивности связано с постоянной времени τп цепи поста:
(6)
где G=f(iп)—проводимость разрядного промежутка, зависящая от тока.
Источник питания многопостовойустановки рассчитывается на номинальный ток, соответствующий продолжительномурежиму работы ПНн-100%.
При определении числа постов kмногопостовой установки, соответствующихноминальному току источника, следует учитывать, что не все посты работаютодновременно в одинаковых режимах (холостой ход, нагрузка, короткое замыкание).В формулу для определения числа постов необходимо вводить коэффициент одновременностиработы постов ε, который изменяется в пределах 0,6 – 0,9 (для ручнойдуговой сварки и механизированной сварки под флюсом принимают ε = 0,5 – 0,6,а для сварки в среде углекислого газа ε = 0,7 – 0,9). Число постов:
(7)
где Ри.п – мощность источника питания многопостовойсистемы.
При увеличении числа постовприменяется параллельная работа однотипных выпрямителей на один шинопровод.Наличие шинопровода, заменяющего большое число кабелей при использованииоднопостовых передвижных установок, является одним из существенных преимуществмногопостовых систем.
1.2. Выпрямители для ручной дуговой сварки
плавящимся электродом
Многопостовые выпрямители типа ВДМ используются дляпитания выпрямленным током через балластные резисторы нескольких сварочныхпостов. Упрощенная принципиальная, электрическая схема выпрямителей приведенана рис. 3. Первичная, обмотка трехфазного силового трансформатора Тсоединена треугольником.
Рис. 5.3. Упрощенная принципиальная электрическая схема выпрямителей типа ВДМ-1001 и ВДМ-1601 Фазы первичнойобмотки имеют отводы, что создает возможность повысить вторичное напряжение трансформатора на 5% в случаепонижения напряжения сети. Трансформатор имеет жесткую внешнюю характеристику.
Выпрямительный узел ВДМ собран пошестифазной кольцевой схеме выпрямления. На каждом стержне магнитопроводатрансформатора Т расположены витки одной фазы первичной обмотки w1и одноименные фазы двух одинаковых вторичных обмоток w2. ЭДС вторичных обмоток трансформатора сдвинуты одна относительнодругой на 180 эл. град. Фазы вторичных обмоток соединены звездами, нейтрали N1и N2которых образуютотрицательный и положительный выводы (полюсы) выпрямителя. Последовательно сфазами вторичной обмотки включены неуправляемые кремниевые вентили V, число которых зависит от величины токафаз. В реальном выпрямителе это не одиночные вентили, а блоки вентилей,включенных параллельно. Сварочные посты получают питание от шинопровода черезбалластные резисторы Rn, обеспечивающие независимость постов (см. выше).Внешняя характеристика выпрямителя жесткая. При номинальном токе снижениенапряжения у самого удаленного поста порядка 5%. Падающая внешняяхарактеристика поста (см. рис. 2) обусловлена падением напряжения в балластномрезисторе. От кратковременных перегрузок выпрямитель защищен быстродействующимавтоматическим выключателем, включенным на входе первичной обмотки трансформатора,от длительных перегрузок – тепловыми элементами магнитного пускателя (на рис. 3автоматический выключатель и магнитный пускатель не показаны). Техническиеданные многопостовых выпрямителей типа ВДМ приведены в табл. 1.
Таблица 1
Технические данные
Тип выпрямителя
ВДМ-1001
ВДМ-1601
Климатическое исполнение и категория
Нижнее значение температуры окружающего воздуха, °С
Номинальный сварочный ток, А
Наибольший допустимый ток перегрузки, В
Номинальный ток поста, А
Пределы регулирования тока поста, А
Режим работы поста, ПН%
Продолжительность цикла сварки, мин Напряжение холостого хода, В
Номинальное выпрямленное напряжение, В
Номинальное напряжение питающей сети, В
Число постов
Первичная мощность, кВ-А
КПД, %
Тип балластного резистора
Габаритные размеры, мм
Масса, кг, не более
УЗ
–10
1000
1200
315
12—315
60
5
70
60
380
7
74
90
РБ-301
1100х700х900
420
УЗ
–10
1600
1700
315
12—315
60
5
70
60
380
9
120
90
РБ-301
1050х850х160. 770
1.3.Многопостовые системы для дуговой сварки
плавящимсяэлектродом в среде углекислого газа
Рис. 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; VI, V2—выпрямители типа ВМГ-5000; СП — сварочный пост; ШНН — шинопровод низкого напряжения; ШПН — шинопровод повышенного напряжения
Технология сварки плавящимсяэлектродом в среде углекислого газа предъявляет ряд дополнительных требований кмногопостовым системам (см. гл. 1). При сварке плавящимся электродом наблюдаетсясильное разбрызгивание металла, если процесс сварки сопровождаетсяпериодическими короткими замыканиями межэлектродного промежутка каплейрасплавленного металла. Причиной разбрызгивания являются быстро нарастающиепики токов при резких колебаниях проводимости разрядного промежутка, что нарушаетустойчивость горения дуги. В последние годы разработана многопостовая система сцентрализованным питанием постов от выпрямителя БМГ-5000, удовлетворяющаятребованиям технологии ручной и механизированной сварки. Система предназначенадля одновременного питания нескольких десятков постов и обеспечивает получениекачественных сварных соединений при всех пространственных положениях швовплавящимся электродом на обратной полярности в среде углекислого газа. Питаниеот выпрямителя подается по шинопроводам к отдельным сварочным постам.Функциональная блок-схема выпрямительной системы приведена на рис. 4, апринципиальная электрическая схема силовой цепи выпрямителя типа ВМГ-5000 – нарис. 5.
Выпрямитель имеет шестифазную схемувыпрямления с уравнительным реактором Lyp.Такие схемы выпрямления применяются в выпрямителях больших мощностей. Частотапульсаций выпрямленного напряжения равна 300 Гц.
Питание выпрямителя осуществляется отсиловой сети через трехфазный понижающий трансформатор Т, имеющий одну первичную обмотку w1и две одинаковые вторичные обмоткиw2, фазы первичной обмотки секционированы, что позволяетполучить пять значений фазных ЭДС вторичных обмоток. Схема выпрямления представляетсобой два трехфазных выпрямителя с выведенными нейтралями N1и N2. Выпрямители работают на нагрузкупараллельно через уравнительный реактор. Начала фаз а1, b1,с1 одной из вторичных обмоток соединены с анодами вентилей VI—V3, а концы фаз а2, b2, с2другой вторичной обмотки — санодами вентилей V4— V6.Катоды всех вентилей соединены и образуют положительныйвывод (полюс) многопостовой системы. Отрицательные выводом (полюсом) системыслужит средняя точка у обмотки уравнительного реактора, соединяющегонейтрали N1и N2. Фазные ЭДС звезд сдвинуты относительно друг друга на 180 эл. град.Уравнительный реактор Lypслужит для обеспечения четкой параллельной работы двух выпрямителей типа ВМГ.При наличии уравнительного реактора характерно отсутствие в магнитопроводетрансформатора постоянной составляющей магнитного потока, что позволяетзначительно уменьшить габариты силового трансформатора Т. Нормальный режимработы выпрямителя устанавливается тогда, когда обеспечивается непрерывнаяработа вентилей в заданной последовательности.
Нагрузкой для выпрямителей являютсясварочные посты, подключенные к многожильному шинопроводу, соединенному свыводами выпрямительной системы.
Многопостовая система имеетраспределительные многожильные шинопроводы низкого и повышенного напряжений(см. рис. 4).
На каждой автономной системешинопроводов можно изменять напряжение вне зависимости от напряжения надругой. Это производится за счет изменения выходного напряжения на выводах одногоиз выпрямителей ВМГ. Ступенчатое изменение выходного напряжения осуществляетсяпереключением числа витков фаз первичной обмотки w2выпрямителя. Выпрямитель рассчитанна пять ступеней выходного напряжения (низкого 30, 35, 40, 50В и повышенного 60В).Распределительный шинопровод выполнен из алюминиевых шин трех разных сечений идлин (l1– короткая, l2– cредняя и l3– наибольшей длины). К шине l1присоединяют посты в любом месте, а к остальным – на участках, длиныкоторых больше l1. Применение шин разных длин и сечений позволяет уменьшить расходалюминия и обеспечить величину падения напряжения Δuш на всех шинопроводах в пределах установленныхнорм.
При механизированной сварке в средеуглекислого газа проволокой диаметром менее 2 мм, а также при сваркестержневыми электродами под флюсом рекомендуется включать посты на шинопроводыс низким напряжением, при сварке проволокой диаметром более 2 мм – нашинопровод с повышенным напряжением.
Технические данные многопостовойсистемы с централизованным питанием постов от выпрямителя типа ВМГ-5000приведены ниже.
Климатическое исполнение, категория размещения
Нижнее значение температуры окружающего воздуха, °С
Номинальный выпрямленный ток, А
Номинальный ток поста, А
Режим работы выпрямителя, ПН%
Режим работы поста, ПН%
Выпрямленное напряжение при номинальном выпрямленном токе и номинальном напряжении питающей сети, В
Мощность, потребляемая выпрямителем, кВ-А
КПД выпрямителя, %
Число постов
Коэффициент одновременности работы постов
Тип балластного резистора
Габаритные размеры, мм
Масса, кг, не более
УХЛ4
+5
5000
315
продолжительный
60
30, 35, 40, 50, 60
317
92
30
0,53
РБ-301
1500х1150х685
2490
Для механизированной сваркиплавящимся электродом в среде углекислого газа применяются многопостовыевыпрямители серии ВДГМ, у которых электрические схемы силовых цепей и системыфазового управления тиристорами такие же, как у выпрямителя типа ВДУ-1601.Выпрямители обеспечивают постоянство выпрямленного напряжения с точностью ±1 Вкак при изменениях нагрузки, так и при колебаниях напряжения питающей сети в пределах±5% от номинального. Регулированиережима поста при использовании этих выпрямителей осуществляется как балластнымрезистором, так и изменением скорости подачи электродной проволоки. Техническиеданные выпрямителей серии ВДГМ представлены в табл. 2.
Таблица 2
Технические данные
Тип выпрямителя
ВДГМ-1602
ВДГМ-1602-1
ВДГМ-1602-2
Климатическое исполнение и категория размещения
УЗ
УЗ
УЗ
Нижнее значение температуры окружающего воздуха, °С
– 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-
тельный
продолжи-
тельный
продолжи-
тельный
Режим работы поста, ПВ%
60
60
60
Продолжительность цикла сварки, мин
10
10
10
Номинальное выпрямленное напряжение, В
30
50
60
Номинальное напряжение питающей сети, В
380
380
380
Число постов
9
5
3
Первичная мощность, кВ-А
74
114
138
К. п. д., %
79
83
83
Тип балластного резистора
РБГ-201
РБГ-401
РБГ-601
Габаритные размеры, мм
1150х900х
1850
1150х900х
1850
1150х900х
1850
Масса, кг, не более
750
1000
1000
1.4. Сварочныйколлекторный генератор типа ГСМ-500
для питаниядвух постов
Промышленностью выпускается коллекторныйгенератор постоянного тока смешанного возбуждения ГСМ-500, предназначенный дляпитания двух постов при ручной дуговой сварке плавящимся электродом. Генераторвходит в состав агрегата АСДП-500 с приводным дизельным двигателем. Внешняяхарактеристика генератора жесткая. Магнитные потоки параллельной и последовательнойобмоток возбуждения складываются. Выходное напряжение генератора при егоработе поддерживается н.а уровне номинального (55В) с точностью ±5%.Формирование падающей характеристики сварочного поста и ступенчатоерегулирование тока поста в пределах от 100 до 300 А осуществляется с помощьюпостового балластного резистора.
Напряжение на выходных зажимах можноплавно регулировать резистором, включенным в цепь параллельной обмотки возбуждения.
2. Экономическая эффективностьмногопостового питания при дуговой сварке [1]
В последнее десятилетие на крупныхпромышленных предприятиях получил распространение способ питания несколькихпостов постоянным эком от шинопровода, соединенного с выпрямителем ВМГ-5000 иреостатом типа РБ-301. Такая система питания обладает как рядом преимуществтехнологического характера, так и высокой экономической эффективностью.
В настоящей работе описан методрасчета, позволяющий выявить экономические достоинства многопостового питанияпри механизированной сварке с применением выпрямителя ВМГ-5000.
Таблица3
Паспортные данные сварочногооборудования сравниваемых видов
Источник
Кол-во,
шт
Uх.х., В
UД, В
Icв.,А
ПР, %
КПД, %
РН, кВА
Потери мощности, кВт
Суммарные потери мощности (с учетом ПР), кВт
ΔРх.х/ ΔР’х.х
ΔРн/ ΔР’н
ПСГ-500