Для формирования заданных внешних характеристик, а также для стабилизации режима сварки в ТТ применяют системы автоматического регулирования. В этих системах регулирующий орган, тиристорный фазорегулятор, управляет потоком энергии от питающей сети к объекту регулирования - сварочной дуге. В трансформаторах с ЖВХ в качестве регулируемого параметра используется напряжение дуги, а сварочный ток, определяемый скоростью подачи электродной проволоки и некоторыми другими технологическими факторами, является основным возмущающим воздействием системы автоматического регулирования. В трансформаторах с ПВХ в качестве регулируемого параметра принимается сварочный ток, а основное возмущение системы, колебания длины столба дуги, непосредственно связано с дуговым напряжением. К дополнительным возмущениям, воздействующим на систему автоматического регулирования, относятся колебание напряжения питающей сети и изменение параметров самой системы вследствие, например, прогрева ее элементов.

В ТТ используются замкнутые системы автоматического регулирования, т. е. системы, реагирующие на изменение самого регулируемого параметра, и комбинации замкнутых систем с регуляторами косвенного действия, реагируюпщми на какой-либо параметр, непосредственно связанный с возмущающим воздействием.

Структурная схема ТТ с замкнутой системой автоматического регулирования приведена на рис. 3.16. Силовой трансформатор СТ с фазорегулятором ФР в первичной (или вторичной) цепи подключены к нагрузке - сварочной дуге СД. Фазорегулятор снабжен системой импульсно-фазового управления (СФУ). На вход СФУ с элемента сравнения ЭС поступает разность сигналов - U.c с блока задания БЗ и датчика обратной связи Д регулируеж)й величины. Обычно элементом сравнения является транзистор или операционный усилитель, входящий в состав СФУ. Увеличивая коэффициент усиления системы (отношение напряжения на выходе фазорегулятора ФР к напряжению на входе СФУ), можно добиться очень малой ошибки регулирования, т. е. получить практически горизонтальную или вертикальную внешнюю характерис-

Сеть

Рис 3.16. Структурная схема тиристорного трансформатора

тику, причем в первом случае дуговое напряжение, а во втором сварочный ток не будут зависеть как от основных, так и от дополнительных возмущений.

Внешние характеристики промежуточной крутизны могут быть получены двумя способами. Первый, простейший, способ, связанный со снижением коэффициента усиления системы авторегулирования, имеет серьезные недостатки. Одновременно с изменением наклона внешних характеристик снижается степень стабилизации основного параметра от воздействия дополнительных возмущений, нарушается параллельность внешних характеристик. Для ослабления этих явлеьшй замкнутую систему регулирования обычно дополняют регулятором косвенного действия. Например, в трансформаторах серии ТДФЖ для запщты сварочного процесса от колебаний напряжения сети из сигнала задания вычитается сигнал, пропорциональный напряжению сети.

Качественное управление крутизной внешних характеристик с отработкой всех дополнительных возмущений может быть достигнуто использованием замкнутой системы автоматического регулирования, имеющей возможно малое значение ошибки, в сочетании с устройством, реагирующим на основное возмущение. Так, в системах с ЖВХ в блоке задания дугового напряжения необходимо из задающего опорного сигнала вьместь сигнал, пропорциональный значению сварочного тока.

Блок задания регулируемой величины. Напряжение на выходе блока задания может бьпъ неизменным, изменяться, как было показано выше, под действием основных или дополнительных возмущений или изменяться во времени по определенному закону или программе. В последнем случае блок задания является временным программатором сварочного режима. Устройство программатора сварочного тока для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом в непрерьшном и импульсном режимах будет рассмотрено в главе четвертой. В отдельных случаях, например в системе комплексной автоматизации станов для сварки труб большого диаметра, функции программатора вьшолняет ЭВМ, обеспечивающая управление группой трансформаторов. Автоматизация предьявляет к системам автоматического регулирования ТТ требования идентичности регулировочных характеристик, уменьшения статической и динамической ошибок регулирования.

Датчики сварочного тока и напряжения дуги. Важнейшим звеном системы автоматического регулирования является датчик сигнала обратной связи по регулируемому параметру. Датчиком сигнала обратной связи по сварочному току в ТТ с падающими внешними характеристиками обьмно служит трансформатор тока, первичной обмоткой которого является сварочный провод. Трансформатор тока может быть вьшолнен на стержневом или тороидальном магнитопроводе. Вторичная обмотка трансформатора нагружена на резистор обратной связи, в котором рассеивается мощность Pq.c - по.с /2, где /д - ток дуги; t/o.c - требуемый сигнал обратной связи по току; w2 - число витков вторичной обмотки трансформатора тока. Обычно величина t/o.c не превьпиает 10 В. Увеличение числа витков приводит к снижению мощности резис-

Рис. 3.17. Схема датчика полуволны тока

тора, НО при этом зеличивается трудоемкость изготовления трансформатора тока.

В ТТ с воздушной реакторной обмоткой в окне силового трансформатора сигнал обратной связи по току может поступать непосредственно с реакторной обмотки, ЭДС которой пропорциональна значению сварочного тока. Если реакторная обмотка включена в первичную цепь силового трансформатора, то должна быть использована трансформаторная развязка, исключающая попадание высокого напряжения в схему фазового управления током.

В ТТ с регулируемой постоянной составляющей сварочного тока должно бьпь два датчика тока: в цепях тиристоров прямой и обратной полярности дуги. При проектировании трансформатора тока для полуволнового датчика необходимо предус\ютреть цепь спадания магнитного потока магнитопровода, работающего на частном гистерезисном цикле. Для этого удобно использовать стабилитрон VD1 (рис. 3.17) с напряжением стабилизации, превьпшющим среднее значение напряжения на активных сопротивлениях вторичной цепи трансформатора тока в рабочий полупериод: U„ > 11ср{Кя+2)1щ = Up, где - среднее значение тока тиристора; R„ - сопротивление нагрузки датчика; Кг -сопротивление вторичной обмотки; иг - число ее витков. Точность показаний датчика зависит от рабочего диапазона индукции магнитопровода, который не следует принимать вьпне 0,3 Тл:

АВ = и,р 10-V(W2S) <0,3 Тл,

где S - сечение магнитопровода, м.

Датчики напряжения, используемые для формирования жесткой характеристики, обьмно представляют собой резисторные делители, подослюченные к выходным зажимам ТТ. При больших падениях напряжения в сварочных проводах (/Хщ) точность поддержания заданного значения напряжения дуги снижается. В таких случаях целесообразно брать сигнал обратной связи непосредственно с изделия и сварочной головки.

ГЛАВА 4

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ ИСТОЧНИКОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

4.1. ИМПУЛЬСНЫЕ ВОЗБУДИТЕЛИ И СТАБИЛИЗАТОРЫ ГОРЕНИЯ ДУГИ

При сварке неплавящимся, а в ряде случаев и плавящимся электродом нежелательно или недопустимо зажигание дуги касанием электрода об изделие. В этих случаях первоначальный поджиг дуги производят путем пробоя дугового (межэлектродного) промежутка высоковольтными высокочастотными импульсами напряжения. Предназначенные для этой цели электрические генераторы получили название возбудителей горения дуги или осцилляторов.

Известно, что эффективность работы возбудителей повьпнается, если момент генерации импульсов согласован с фазой напряжения источника питания дуги. Так, при аргонодуговой сварке легких сплавов первоначальное возбуждение дуги наиболее вероятно в полупериоды обратной полярности (катод-изделие). Оптимальный момент генерации и пробоя дугового промежутка соответствует фазе напряжения 70-80°. Процесс нарастания сварочного тока в образовавшемся проводящем канале будет проходить без бросков при максимальной скорости нарастания, что будет способствовать развитию и становлению дугового разряда.

Многообразные схемы возбудителей могут бьпъ подразделены на две основные группы - с непрерьтным и импульсным питанием.

Основы построения первой группы возбудителей закладьтались в 50-е годы, когда еще не имели широкого распространения силовые тиристоры и полупроводниковые схемы управления.

В возбудителях с непрерьшным питанием (рис. 4.1) источником высокого напряжения является высоковольтный трансформатор т2

с повьпденным электромагнитным Т1

рассеянием, рассчитанный на полное напряжение сети и подключаемый к сети выключателем SA1 на все время работы возбудителя. Источниками высокой частоты в таких возбудителях, как правило, служат искровые генераторы.

---ТЗ

Рис. 4.1. Возбудитель горения дуги с непрерывным питанием

Разрядник F, конденсатор с2 и первичная обмотка высокочастотного выходного трансформатора ТЗ (или обмотка выходного дросселя) образуют колебательный контур высокочастотного генератора. Вторичная обмотка вькодного трансформатора ТЗ (или обмотка дросселя) может подключаться параллельно дуговому промежутку или включаться последовательно в сварочный контур, как показано на рис. 4.1.

Защита источника сварочного тока т1 от напряжения высокой частоты в возбудителях последовательного включения осуществляется конденсатором фильтра с1. Как известно [8], возбудители последовательного включения более эффективны, так как в них практически вся энергия возбудителя вьщеляется в дуговом промежутке, в то время как в возбудителях параллельного включения часть энергии ответвляется во ВЮ1 юченный между возбудителем и источником тока защитный 1,С-фильтр.

Конденсатор с2 заряжается от трансформатора т2 до напряжения пробоя разрядника, после чего в контуре возникают высокочастотные затухающие колебания, частота которых зависит от параметров контура, а амплитуда - от напряжения пробоя разрядника. После восстановления электрической прочности разрядника процесс повторяется. За каждый полупериод напряжения питания возбудитель генерирует 10-15 затухаюпдах высокочастотных импульсов с интервалом около 0,5 мс. Собственная частота колебания в таких генераторах составляет 0,2-2 МГц, напряжение 3-6 кВ, энергия одного импульса не превьппает 0,1 Дж

Путем настройки разрядника начало генерации согласуют с фазой напряжения питания (40-50°), которое должно быть в фазе с напряжением источника сварочного тока.

Возбудители с непрерьтным питанием имеют ряд серьезных недостатков. Наличие сложного и громоздкого низкочастотного высоковольтного трансформатора обусловливает высокую материалоемкость изделий. Наличие высокого напряжения низкой частоты делает такие возбудители источниками повьпиенной опасности для персонала. Наличие искрового генератора, генерирующего широкий спектр частот, повышает уровень радиопомех, создаваемых возбудителем; этому же способствует и большая повторяемость генераций (10-15 в полупериод), эффективность которых, как было показано ранее, невысока.

Несмотря на то что такие возбудители снабжаются громоздкими помехозащитными фильтрами ПЗФ (рис. 4.1), уровень радиопомех не удается снизить до допустимых норм. Поэтому время работы и частота включения таких возбудителей должны быть строго ограничены -их следует отключать сразу же после возбуждения дуги.

Совокупность этих недостатков характеризует возбудители с не-прерьтньпл питанием как устаревшие изделия. Однако в связи с простотой схемы и конструкции они до настоящего времени широко используются в промьштенности и даже продолжают вьшускаться рядом неспециализированных предприятий.

Вторая группа возбудителей, с импульсным питанием, строится на основе схем тиристорных формирователей импульсов с емкостным накопителем энергии. Заряд нопителя происходит от вспомогательного маломощного источника постоянного напряжения, разряд - через тиристор на первичную обмотку повьпиающего импульсного трансформатора. Генерация импульсов производится один раз в полупериод сетевого напряжения, причем момент генерации строго согласуется с выбранной фазой (70-80°) напряжения источника сварочного тока.

В возбудителях с импульсным питанием первого поколения в качестве импульсного трансформатора широко использовали катушку зажигания двшателей внутреннего сгорания (бобину). Во вторичной цепи импульсного трансформатора устанавливали искровой генератор. Как и возбудители непрерывного питания, такие импульсные возбудители являются источниками радиопомех высокого уровня и после возбуждения дуги их необходимо отключать от сети.

Однако и после возбуждения дуги переменного тока нередко существует необходимость искусственной стабилизации ее горения. Для облегчения повторного зажигания дуги при смене ее полярности служат импульсные стабилизаторы горения дуги.

Применение стабилизаторов необходимо при аргонодуговой сварке легких сплавов. Рекомендуемые параметры импульсов: амплитуда напряжения 500-600 В, амплитуда тока импульсов 60-80 А, длительность импульса не ниже 60 мкс. Импульсы должны генерироваться через 60-100 мкс после смены полярности сварочного тока (дугового напряжения) один раз в период при формировании катода на алюминии.

Стабилизаторы строятся также на основе схем тиристорно-емкост-ных формирователей.

Возбудители-стабилизаторы установок УДГУ-301 и УДГ-501-1 завода "Электрик" имени Н. М. Шверника работают в двух режимах, но имеют единые емкостный накопитель и тиристорный коммутатор. В режиме возбуждения дуги формирователь работает на высоковольтный трансформатор (бобину) и далее на искровой генератор, в режиме стабилизации - непосредственно на выходной дроссель, включенный последовательно в сварочный контур. Переключение с одного режима на другой производится контактами реле, катушка которого включена на вторичную обмотку сварочного трансформатора; реле срабатьшает при напряжении холостого хода и отключается при напряжении дуги.

В последние годы во ВНИИЭСО разработано устройство, в котором функции возбудителя и стабилизатора полностью совмещены.

Возбудитель-стабилизатор ВСД-01УЗ предназначен для возбуждения и стабилизации горения дуги при аргонодуговой сварке и может применяться для стабилизации горения дуги при сварке качественными штучными электродами, предназначенными для сварки на постоянном токе.

Аппарат ВСД-01УЗ вьшускается в универсальном однокорпусном исполнении.