Курсоваяработа
«Сварочныетрансформаторы»
с. Михайловское 2009 г.
Содержание
1. Сварочные трансформаторы, принципих действия
2. Устройство однофазных сварочныхтрансформаторов для ручной сварки
3. Трансформаторы дляавтоматизированной сварки под флюсом
5. Сварочные генераторы переменноготока повышенной частоты
Литература
1. Сварочные трансформаторы, принцип их действия
Силовыетрансформаторы предназначены для питания током силовых и осветительныхустановок, они обычно трансформируют (преобразовывают) ток высокого напряжения,поступающий по линиям электропередачи, в ток более низкого рабочего напряжения(380—220 В). Это вторичное напряжение постоянно и не должно меняться отнагрузки. Режим короткого замыкания для них является аварийным, так как приэтом растет ток до недопустимых пределов, происходят перегрев и выход из строяобмоток трансформатора.
Вотличие от силовых сварочные трансформаторы работают в режиме меняющихсянапряжений и тока и рассчитаны на кратковременные короткие замыкания сети.
Длясварки переменным током широко применяют однофазные трансформаторы, которыеразделяют силовую и сварочную цепи и понижают высокое напряжение 380 или 220 Вдо величины не более 80 В. Внешняя вольтамперная характеристика вторичной цепиэтих трансформаторов, т. е. зависимость между величиной сварочного тока инапряжением, должна обеспечивать ведение устойчивого сварочного процесса,учитывающего статическую характеристику сварочной дуги.
Наличиеиндуктивного сопротивления необходимой расчетной величины обеспечивает втрансформаторах стабилизацию дуги и ее восстановление при частом измененииполярности переменного тока.
Сварочныетрансформаторы применяются для ручной дуговой сварки штучными электродами и взащитном газе, а также для сварки под флюсом. Внешние вольтамперныехарактеристики трансформаторов для ручной дуговой сварки подразделяются накрутопадающие / и пологопадающие //. Эти трансформаторы работают в режимерегулятора сварочного тока, который осуществляется путем изменения индуктивногосопротивления обмоток. Трансформаторы, предназначенные для питанияавтоматизированной сварки при постоянной, не зависящей от напряжения дугискорости подачи электродной проволоки, имеют жесткую внешнюю характеристику///.
/>
Рис.1.Сварочный трансформатор с развитым магнитным рассеиванием и подвижнымиобмотками (разрез)
1— ходовой винт; 2 — магнитопровод; 3— ходовая гайка; 4 и 5 — вторичная и первичная обмотки; 6 — рукоятка
Рис.2.Электрические схемы сварочных трансформаторов
я— ТД-102 и ТД-306; б — ТД-300 и ТД-500
/>
2.Устройство однофазных сварочных трансформаторов для ручной сварки
Коднофазным сварочным трансформаторам относится большая группа трансформаторовсерии ТД. По своей электромагнитной схеме это трансформаторы с увеличенным(развитым) магнитным рассеянием и подвижными обмотками (рис. 1). Они снабженымеханическими регуляторами тока в виде ходового винта, пропущенного черезверхнее ярмо стержневого магнитопровода и ходовую гайку обоймы подвижнойобмотки. Ходовой винт вращается вручную рукояткой 6, ввинчиваясь в гайку,передвигает обмотку. Стержневой магнитопровод состоит из набора листовой сталитолщиной 0,5 мм высокой магнитной проницаемости. Дисковые первичная 5 ивторичная 4 обмотки расположены вдоль стержней. Увеличенное магнитное рассеяниедостигается за счет взаимного расположения обмоток. Одна из обмоток подвижная,другая неподвижная. При перемещении обмоток изменяется магнитное полерассеяния. При увеличении расстояния увеличивается индуктивное сопротивлениерассеяния, и ток уменьшается, при уменьшении расстояние уменьшается индуктивноесопротивление, и ток растет. При этом вторичное напряжение холостого хода практическиостается почти неизменным. При большом раздвижении обмоток для получения малыхтоков надо увеличивать длину и массу магнитопровода. Для расширения возможностирегулирования тока без увеличения массы магнитопровода применяютплавно-ступенчатое регулирование. В переносных трансформаторах ТД-102 и ТД-306с номинальными токами соответственно 160 и 250 А подвижной является первичнаяобмотка, а вторичная неподвижно закреплена у верхнего ярма магнитопровода (рис.2, а). При больших токах катушки первичной обмотки включены последовательно, авторичной обмотки — параллельно (положение 1); при переходе на малые токи однакатушка вторичной обмотки отключается (положение 2).
Впередвижных сварочных трансформаторах ТД-300 и ТД-500 с номинальными токамисоответственно 315 и 500 А подвижными являются вторичные катушки, анеподвижными — первичные, которые закреплены у нижнего ярма магнитопровода(рис. 2, б). Для работы на больших токах витки первичной, а также вторичнойобмоток соединяются параллельно (положение /); для перехода на малые токи виткиобмоток соединяются последовательно (положение 2), при этом часть витковпервичной обмотки отключается, что приводит к некоторому повышению напряженияхолостого хода и, как следствие, улучшению стабильности дуги на малых токах.
ТрансформаторыТД-502 для токов до 500 А снабжены встроенными конденсаторами мощности,улучшающими коэффициент мощности />.Трансформаторы ТД-500-4 дополнительно снабжены устройством для снижениянапряжения холостого хода с 80 до 12 В, что значительно уменьшает возможностьпоражения током сварщика при смене электродов.
Трансформаторысерии ТД в настоящее время заменяются трансформаторами серии ТДМ (рис. 3) болеесовершенной конструкции. В них применена холоднокатаная специальная стальтолщиной до 0,35 мм, обеспечивающая более высокие электромагнитные свойствасердечников. Кроме того, использованы новые, более эффективные изоляционные иобмоточные материалы, усовершенствованы переключатели диапазонов сварочноготока и подключение проводов за счет переключателей ножевого типа и штыревыхразъемов, улучшены внешний вид и эксцлуатационные характеристикитрансформаторов, в частности устранена вибрация, характерная длятрансформаторов ТД и других, более ранних серий. Серия ТДМ включает базовыетрансформаторы ТДМ-317, ТДМ-401 и ТДМ-503 на токи соответственно 315, 400. и500 А, а также ряд их модификаций. Трансформаторы серии ТДМ по принципурегулирования, электрической схеме и конструктивному исполнению близки серийТД.
Дляручной дуговой сварки также используют трансформаторы с развитым магнитнымрассеянием и подвижным магнитным шунтом, которые имеют на стержневыхмагнитопроводах частично разнесенные вторичные обмотки. Как видно из рис. 4, а,на стержнях 1 расположены катушки первичной обмотки 2 и частично разнесеннойобмотки 3 и 4. В окне между катушками и стержнями помещен магнитный шунт,который изготовлен из трансформаторной стали, и его можно перемещать. Регулируяпередвижение шунта, можно изменить индуктивное сопротивление и величинусварочного тока. Для работы на больших токах катушки вторичной обмоткисоединяются параллельно (рис. 4.б, положение Х1), а для работы на малых токах основные катушки 3соединяются последовательно, а катушка 4 отключается (положение Х2).Плавное регулирование токов осуществляется передвижением шунта ручным приводом,но может быть механизировано. Трансформаторы этого типа марки CTIII имеют хорошие энергетическиепоказатели, однако получили ограниченное распространение из-за большойтрудоемкости изготовления по сравнению с трансформаторами серии ТД.
/>
Рис.3. Сварочный трансформатор ТДМ-317У2
1— корпус; 2 — ручка для перемещения трансформатора; 8 — рукоятка для плавногорегулирования сварочного тока; 4 — рукоятка для переключения диапазонов
/>
Рис.4. Трансформатор с подвижным магнитным шунтом
а— схема конструкции; б — электрическая схема; U1— первичное напряжение сети; U2— вторичное напряжение холостогохода; 1 — стержни; 2—4 —обмотки; 5 —магнитный шунт
Сварочныетрансформаторы с нормальным магнитным рассеянием и дросселями, имеющимивоздушный зазор СТЭ-24 и СТЭ-34 (рис. 4.5, а), были обычными понижающимитрансформаторами с жесткой характеристикой, а для создания падающейхарактеристики они комплектовались отдельными дросселями — проволочнымикатушками со стальными сердечниками, имеющими большое индуктивноесопротивление; эти трансформаторы использовались в начальный период развитиясварки. Регулирование величины тока осуществлялось изменением воздушного зазораk путем передвижения подвижной частидросселя. Были также распространены трансформаторы со встроенным дросселем(рис. 5, б) серии GTH, предложенныеакадемиком В. П. Никитиным для ручной сварки, и трансформаторы серии ТСД длямеханизированной сварки на больших токах, имеющие дистанционное управлениетоком путем включения с пульта управления механизма перемещения подвижной частидросселя и изменения воздушного зазора />Однакотрансформаторы со встроенным дросселем серии СТН подвержены сильной вибрации ив настоящее время не применяются. Мощные трансформаторы ТСД-1000-3 и ТСД-2000-2еще используются для автоматизированной сварки под флюсом, но промышленностьюуже не выпускаются.
/>
Рис.5. Трансформаторы с нормальным магнитным рассеиванием
а—с дросселями, имеющими воздушный зазор; б — с встроенным дросселем; 1 —понижающий трансформатор; 2 — дроссель; 3 — подвижная часть дросселя
Незначительноераспространение для ручной сварки цолучили трехфазное трансформаторы. Сварку оттакого трансформатора обычно выполняют двумя электродами. При этом две фазывторичной обмотки источника питания подключены к электродам, а третья — кизделию. Трехфазный трансформатор преобразует ток с 380/220 В на 60 В вовторичных обмотках с жесткой характеристикой. Для получения падающейхарактеристики установлены регуляторы тока на сердечнике, имеющем регулируемыйвоздушный зазор. Регулирование сварочного тока осуществляется изменениемвоздушного зазора.
/>
Рис.6. Трансформатор, регулируемый подмагничиванием шунта
а— схема конструкции; б— электрическая схема; в — схема конструкции шунта; г —электрическая схема шунта; U1— первичное напряжение сети; U2— вторичное напряжение холостогохода; Uу — напряжение управления шунтом; —внешний магнитопровод; 2—5 — катушки обмотки; 6 — внутренний магнитопровод; 7 —катушки обмотки управления
3.Трансформаторы для автоматизированной сварки под флюсом
Дляавтоматизированной сварки под флюсом применяют трансформаторы с нормальныммагнитным рассеянием, регулируемые подмагничиванием шунта (рис. 6). Большимипреимуществами таких трансформаторов является отсутствие подвижных частей, чтоликвидировало вибрацию, обеспечило малую инерционность и простотудистанционного управления.
Настержнях внешнего магнитопровода расположена катушки первичной обмотки 2 ичастично разнесенное катушки вторичной обмотки 5, 4, 5. Внутреннийматнитопровод — это магнитный шунт, имеющий четыре катушки обмотки управления 7и питаемый постоянным током. Трансформатор имеет два диапазона регулированиясварочного тока; в диапазоне малых токов нагрузка подключается к зажимам />и />а при переходе на большиетоки часть витков основной обмотки 4 отключается и подключается столько же витковобмотки 5, нагрузка подключается к зажимам/> и/>. Управление током впределах диапазона механизировано путем дистанционного изменения тока в обмоткеуправления. Трансформаторы этого типа серии ТДФ имеют падающую внешнююхарактеристику, В настоящее время они заменены более совершенными тиристорнымитрансформаторами (ТТ), имеющими пологопадающую и жесткую внешниехарактеристики.
Тиристораминазываются управляемые полупроводниковые приборы — диоды. Диод благодаряполупроводниковым кристаллам обладает свойством односторонней проводимоститока. Тиристоры—более сложные управляемые диоды. Тиристорный силовойтрансформатор (рис. 7) с повышенным магнитным рассеянием состоит из двухкатушек — первичной обмотки 2 и вторичной 1. Для создания диапазона малых исредних токов служит реакторная воздушная дисковая обмотка 5, установленная вокне трансформатора в плоскости, параллельной его стержням. Тиристорныйтрансформатор имеет фазорегулятор, с помощью которого синусоидальныегармонические колебания переменного тока преобразовываются в знакопеременные импульсы,амплитуда и длительность которых зависят от угла (фазы) включения тиристоровфазорегулятора. Сейчас разработан ряд конструкций тиристорных трансформаторов,например серии ТДФЖ, в которых предусмотрены возможность автоматизации процессасварки, программирование режима и т.д.
Нарис. 8 приведена диаграмма напряжений и токов, получаемых при импульснойстабилизации фазорегулятором. В момент окончания безтоковой паузы при углесдвига />между током />и напряжением холостогохода/>на дугу накладываетсястабилизирующий импульс тока />что обеспечиваетповторное зажигание дуги. Могут быть и другие схемы тиристорной стабилизациидуги. Для ручной сварки, резки и наплавки разработан ТТ ТДЭ-402 с аналогичнойимпульсной стабилизацией и дистанционным управлением. В его схеме предусмотреноснижение напряжения холостого хода до 12 В при смене электрода.
/>
Рис.7. Тиристорный силовой трансформатор. 1 и2 — катушки вторичной и первичной обмотки; 3 — дисковаяобмотка
/>
Рис.8. Диаграмма напряжений и токов тиристорного трансформатора с импульснойстабилизацией
θ —длительность импульса тока; ι, u20— значения тока и напряжения впериоде
4.Эксплуатация сварочных трансформаторов
Сварочныетрансформаторы являются основным источником питания сварочной дуги при ручнойдуговой сварке различных строительных конструкций (табл. 1). Для ручной сваркина строительных площадках предпочтительно используются мобильные трансформаторыТД-500 и ТДМ-503 и др., которые могут работать на малых и больших сварочныхтоках от 90 до 560 А. Трансформаторы ТД-300, ТДМ-317 и даже ТДМ-401 по мощностине удовлетворяют строителей. Эти трансформаторы большей частою используются впроизводственных цехах и на ремонтных работах. У всех современныхтрансформаторов серии ТД и ТДМ иногда наблюдаются плохое крепление магнитопроводак каркасу, неплотности ходового регулировочного устройства и контактов, плохоекрепление кожуха и другие недостатки, допущенные при изготовлении и подготовкек эксплуатации. Они вызывают усиление вибрации, что приводит к преждевременномувыходу трансформатора из строя. Очень опасно нарушение изоляции обмоток,которое может вызвать их разрушение, а также замыкание на корпус тока высокогонапряжения.
Таблица1. Технические характеристики трансформаторов
/>
Использованиемощных трансформаторов серии ТДФ или ТДФЖ на токи до 1000, 1600 и 2000 А длясварки под флюсом на строительной площадке, как правило, не практикуется. Онииспользуются в цехах производственных предприятий, изготовляющих строительныеконструкции.
Передвключением трансформатора в сеть необходимо удалить его смазку, затем продутьтрансформатор сухим сжатым воздухом, подтянуть ослабленные крепления,убедиться, что на трансформаторе нет видимых повреждений, после чего проверитьмегомметром на 500 В сопротивление изоляции между первичной обмоткой икорпусом, между первичной и вторичной обмотками и между вторичной обмоткой икорпусом. После этого можно подсоединить кабель нужного сечения и затянуть всеконтактные зажимы. Особенно тщательно необходимо заземлить трансформатор изажим вторичной обмотки, к которому подключается провод к изделию, а такжесвариваемую конструкцию. Затем нужно установить нужный диапазон и сварочный токпо шкале, проверить соответствие напряжения сети напряжению, указанному назаводской табличке, после чего подключить трансформатор к сети через рубильники предохранители.
Ежедневноперед работой следует осматривать трансформатор для устранения замеченныхповреждений и недостатков.
Одинраз в месяц очищать трансформатор от пыли и грязи и при необходимостиподтягивать контакты.
Одинраз в три месяца следует проверять наружным осмотром состояние конденсаторовфильтра защиты от радиопомех и при необходимости заменять их, тщательно зачищаяконтакты и затягивая винтовые соединения; проверять сопротивление изоляции.
/>
Рис.9. Электрическая схема параллельного соединения трансформаторов: /> и/> — первичное и вторичное напряжениятрансформаторов; Т1и Т2 — трансформаторы; Др1 и Др2 — дроссели; Пр —предохранители
Одинраз в шесть месяцев следует очищать контакты и изоляционное части переключателядиапазона от медной пыли и грязи, смазывать контактные поверхности и частитугоплавкой смазкой.
Приработе на открытом воздухе и во взрывоопасных помещениях и опасных условияхработы необходимо применять ограничитель холостого хода до 12 В для уменьшениянапряжения при смене электрода.
Наиболеехарактерные неисправности сварочных трансформаторов, выявляемые при сварке:повышенная вибрация и гудение; повышенное напряжение холостого хода; толчкисиловых катушек; повышенный нагрев (подгорание) контактов; замыкание высокогонапряжения на корпус; перегрев трансформатора.
Всенеисправности должны быть устранены электромонтажником при выключенном отсиловой сети трансформаторе. Если мощности и номинальный сварочный токимеющихся на строительной площадке трансформаторов недостаточны для сварки набольшом токе, трансформаторы одного типа могут быть подсоединены параллельно(рис. 9). Однако при этом необходимо, чтобы напряжение холостого ходаподсоединяемых трансформаторов было одинаково, сварочный ток каждого былотрегулирован на одно и то же значение. При сварке необходимо постоянноконтролировать приборами (вольтметрами и амперметрами) значение напряжения итока соединенных параллельно трансформаторов.
Дистанционноерегулирование тока при сварке значительно упрощает работу сварщика, уменьшаетпотери его рабочего времени на переходы к источнику питания дуги для регулированиятока и, следовательно, повышает производительность труда. В новой моделитиристорного трансформатора для ручной сварки ТДЭ-402 можно осуществлятьдистанционное регулирование с переносного пульта управления. В трансформатореТДФ дистанционно включается ток подмагничивания шунта, а в ТДФЖ регулированиесилы сварочного тока осуществляется автоматически путем изменения скоростиподачи сварочной проволоки.
5.Сварочные генераторы переменного тока повышенной частоты
Дляручной дуговой сварки переменным током стали небольшой толщины (1—3 мм)штучными электродами и сварки конструкций из алюминиевых сплавов неплавящимсявольфрамовым электродом в инертном газе требовалось повысить стабильность дуги,которая резко ухудшалась из-за необходимости применения малых сварочных токов.
Повыситьстабильность можно увеличением частоты сварочного тока. Для этой целииспользовался сварочный преобразователь переменного тока ПС-100-1 повышеннойчастоты (рис. 10). Преобразователь состоит из генератора однофазного переменноготока и приводного асинхронного трехфазного электродвигателя, имеющих общий вали заключенных в один корпус. Генератор состоит из статора и ротора. Статоримеет две постоянные обмотки 5, соединенные последовательно, и обмоткувозбуждения 4, питаемую постоянным током от селенового выпрямителя «В», которыйподключен к одной из фаз обмотки электродвигателя. Статор и ротор состоят изпакетов тонколистовой электролитической стали. При вращении зубчатого роторанаводится магнитный поток, вызываемый постоянным током обмотки возбуждения 4, врезультате чего в постоянных обмотках создается электродвижущая сила (ЭДС),частота которой пропорциональна числу оборотов и числу зубцов ротора.Преобразователь ПС-100-1 был рассчитан на ток до 115 А с частотой 480 Гц.
Дляполучения падающей характеристики и регулирования тока в сварочную цепьвключался последовательно специальный дроссель.
Рис.10. Электрическая схема преобразователя (генератора) ПС-100-1
1— электродвигатель; 2 — генератор; 3 и 4 — обмотки
/>
ПреобразовательПС-100-1 получил ограниченное распространение вследствие небольшой мощности,сравнительно высокой стоимости и недостаточно хороших технологическихпоказателей.
6.Аппаратура для возбуждения и стабилизации дуги при ручной сварке
Длявозбуждения и стабилизации дуги применяются специальные аппараты (устройства),приспособленные для работы с серийными источниками питания переменного ипостоянного тока.
Этиаппараты обеспечивают наложение тока высокого напряжения и высокой частоты насварочную цепь. Они разделяются на два типа: возбудители непрерывного действияи возбудители импульсного питания. К первым относятся осцилляторы, которые,работая совместно с источниками питания дуги, обеспечивают ее возбуждениеналожением на сварочные провода тока высокого напряжения (3000—6000 В) ивысокой частоты (150—250 кГц). Такой ток не представляет большой опасности длясварщика при соблюдении им правил электробезопаспости, но дает возможностьвозбуждать дугу, не касаясь электродом изделия. Высокая частота обеспечиваетспокойное горение дуги даже при малых сварочных токах основного источника.Электрическая схема осциллятора ОСПЗ-201 приведена на рис. 11. Как видно изсхемы, осциллятор включен в сварочную цепь параллельно и в цепь переменноготока напряжением 220 В и частотой 50 Гц, Предохранитель />обеспечивает без аварийнуюработу помехозащитного фильтра ПЗ, состоящего из батареи конденсаторов.Высоковольтный низкочастотный трансформатор Т1 повышает напряжение до 6 кВ. Настороне высокого напряжения трансформатора ТТ находится высокочастотныйискровой генератор, состоящий из разрядника ФВ, конденсатора />и первичной обмоткитрансформатора высокой частоты и напряжения Ί2. Этот генератор является колебательнымконтуром, в котором беспрерывно, с большой скоростью, накапливаются вконденсаторе и разряжаются через искровой разрядник импульсы тока высокогонапряжения, создавая высокочастотную характеристику трансформатора Т2. Длязащиты источника от тока высокого напряжения служит фильтр в виде конденсатора/>а предохранитель/>защищает обмотку трансформатора Т2от пробоев фильтра />Осциллятор можетпитаться не от сети, а непосредственно от сварочной цепи, что улучшает егосвойства.
Осцилляторыпоследовательного включения (рис. 12) считаются более эффективными, так как нетребуют установки в цепи источника специальной защиты от высокого напряжения.Как видно из схемы, катушка/>включенапоследовательно со сварочной дугой, остальные обозначения схемы аналогичны рис.11. При работе осциллятора разрядник издает тихое потрескивание; искровой зазорвеличиной 1,5—2 мм может быть установлен регулировочным винтом, но только приотключенном от сети осцилляторе. Следует иметь в виду, что установка и ремонтосцилляторов требуют более высокой квалификации электротехнического персонала.
/>
Рис.11. Электрическая схема осциллятора, включенного в сварочную цепь параллельно
/>
Рис.12.Электрическая схема осциллятора последовательного включения
Основныетипы применяемых осцилляторов и их характеристики приведены в табл. 2. Присварке переменным током требуются возбудители с импульсным питанием, которыенаряду с первоначальным возбуждением дуги должны способствовать ее зажиганиюпри смене полярности переменного тока. Казалось бы, что осцилляторы отвечаютэтому требованию. Однако они неудовлетворительно выполняют повторные зажиганияпри смене полярности переменного тока источника, в результате чего действующийсварочный ток колеблется и ухудшается качество сварки. Кроме того, несинхронизированныеосцилляторы создают значительные радиопомехи. Для стабилизации дуги переменноготока используются возбудители-стабилизаторы с импульсным питанием, управляемыенапряжением дуги. Как правило, они являются частью установки для сварки напеременном токе. Так, в комплекте со сварочным трансформатором ТДМ-503-4промышленность выпускает возбудитель-стабилизатор, управляемый напряжением дугиВСД-01.УЗ. Амплитуда импульса стабилизатора достигает.400—600 В. Энергияимпульса накапливается в накопителе, обычно емкостном. Импульс вводится в цепьдуги по команде управляющего устройства. Такой тип стабилизатора называетсяактивным в отличие от пассивных стабилизаторов, в которых импульс генерируетсяза счет процессов, происходящих в цепи дуги. Промышленностью используютсястабилизаторы активного типа как более надежные. Управляющее устройствостабилизатора задерживает импульс на 60—100 мкс, что вместе с запозданиемсрабатываемых коммутаторов обеспечивает наиболее эффективное время вводаимпульса для стабилизации дуги. Стабилизировать процесс сварки переменным токомможно с помощью тиристорных трансформаторов.
Таблица2. Характеристики осцилляторов
/>
Литература
1. Алексеев Е. К., Мельник В. И. Сваркав промышленном строительстве. — Μ .·Стройиздат, 2000. — 377 с.
2. Алешин Н. Пм Щербинский В. Г.Контроль качества сварочных работ. — М.: Высш. школа, 2006. — 167 с.
3. Безопасность производственныхпроцессов/Под ред. С. В. Белова — М.: Машиностроение, 1995. — 448 с.
4. Блинов As H.t Лялин К. В-Организация и производство сварочно-монтажных работ, — М: Стройиздат, 1998. —343 с.
5. Думов С. И. Технология электрическойсварки плавлением.— Л.: Машиностроение, 2007. — 468 с.