1. Сварочные многопостовые системы

1.1. Общие сведения

В многопостовых системах источник питания снабжает энерги­ей одновременно несколько сварочных постов; Исходя из эксплуа­тационных и технико-экономических соображений, многопостовые системы целесообразно применять в тех отраслях промышленности (в частности, в машиностроении и судостроении), где на относи­тельно небольших производственных площадях приходится сосредо­точивать большое число (до нескольких десятков) однопостовых источников питания. В этом случае однопостовые источники пита­ния помещают в специальные контейнеры и перемещают кранами. Источники, находящиеся в контейнерах, подключаются к силовой сети цеха посредством длинных (20—30 м) гибких кабелей. Кабели укладываются непосредственно на производственной площади, за­громождают ее, проходят по свариваемой конструкции. Контейнеры загружают крановое оборудование; сварщики при такой организа­ции работ теряют много рабочего времени и подвергаются в боль­шей мере опасности поражения током. Производительность труда в таких условиях снижается.

В последние годы интенсивно проводились работы, направлен­ные на создание современных многопостовых систем питания для ручной дуговой сварки плавящимся электродом, механизированной сварки под флюсом и в среде углекислого газа. Все эти многопосто­вые системы относятся к источникам питания группы О.

Применение многопостовых систем создает условия для повыше­ния производительности труда, более рационального использования производственных площадей, экономии электроэнергии (источник питания не имеет режима холостого хода), снижения капитальных затрат и расходов на обслуживание источников, а также гаранти­рует безопасность работы и улучшение условий труда сварщиков.

Многопостовые системы питания могут быть как постоянного, так и переменного тока. Промышленность в настоящее время се­рийно выпускает только многопостовые  системы для питания постов по­стоянным током от вы­прямителей через шинопроводы.

На рис. 1 приведена функциональная блок-схе­ма питания сварочных постов СП от выпрямите­ля V через шинопровод ШП. Ток поста регулиру­ется с помощью регулято­ра тока РТП. Многопосто­вая система предназначе­на для• ручной дуговой сварки.

Основное требование, предъявляемое к многопо­стовым установкам, – это независимость работы каждого поста как в установившихся, так и в переходных режимах. При этом напряжение U_п.х.х на входе каж­дого поста в режиме холостого хода поста должно быть достаточ­ным для начального возбуждения дуги при контакте торца элект­рода и изделия; соотношение напряжений холостого хода U_п.х.х и устойчивого горения дуги U_д.п. должно быть равно примерно двум (напряжение U_п.х.х для ручной дуговой сварки должно быть около 60 В, а U_д.п. при устойчивом горении дуги 25—30 В).

Изменения режима на одних постах (например, обрыв дуги, короткие замыкания дуговых промежутков каплей, перенос и обрыв капли) не должны влиять на устойчивость процесса сварки других постов. В установившемся режиме условие независимости постов выражается как U_пk=const вдоль шинопровода и для любого k-го поста. Оценка степени разделения (независимости) постов в установившихся режимах осуществляется по статическим характе­ристикам источника питания и поста, а в переходных – по осцилло­граммам процесса сварки, по устойчивости горения дуги постов и по качеству выполненного сварного соединения. Технология сварки требует, чтобы колебания напряжения сети, от которой получает питание трехфазный силовой трансформатор, не отражались на вы­ходном напряжении выпрямителя, так как это вызывает изменение напряжения на шинопроводе, а следовательно, отражается на ра­боте постов. Для устойчивого горения дуги любого поста

Регулятор тока поста РТП предназначен для формирования характеристики поста, регулиро­вания тока I_п, создания условий для независимости работы постов в установившемся режиме. В мно­гопостовых системах для ручной дуговой сварки постоянным током в качестве регуляторов тока при­меняются регулируемые постовые балластные резисторы R_n.

Напряжение на шинопроводе, являющееся входным напряжени­ем любого k-го поста в установив­шемся режиме:

                (1)

где U_и.п. — напряжение на выходных выводах источника питания (например, сварочного выпрямителя), которое принимается по­стоянным; Δu_ш.k. – падение напряжения по длине l_k шинопровода.

Для постоянства U_nk необходимо, чтобы U_и.п. было постоянным и не зависело от нагрузки источника питания, т. е. чтобы внешняя характеристика источника питания была жесткая, a Δu_ш.k было возможно меньше. Условие независимости работы постов выполня­ется, если длительное отклонение Δu_ш.k от величины напряжения U_nk на выходных зажимах k-ro поста не превышает ±5%. Величина напряжения U_д.п. на дуговом промежутке поста в установившемся режиме равна:

                (2)

где U_п.п.—падение напряжения на постовом резисторе. Из формулы (2) следует, что внешняя характеристика U_п=f(I_п) не только падающая (см. выше), но и линейная. Из (2) можно определить ток поста:

              (3)

Значение R_n невелико и составляет десятые доли ома. Так, на­пример, при U_п.х.х=50В, U_д.п=25В и I_п=250А сопротивление R_п=0,1Ом. Несмотря на малое сопротивление R_п, мощность, рас­ходуемая на его нагрев, велика (например, в нашем случае P_R=I_п²R_п=250² · 0,1=6,25 кВт).

КПД поста:

             (4)

где Р_д—мощность, расходуемая в процессе сварки; Р_п—мощность, получаемая постом от источника. При U_д.п.=25В и U_п=50В η=0,5.

К.п.д. многопостовой установки:

η_у = η_и.п η_п,            (5)

где η_и.п – КПД источника питания многопостовой системы. КПД поста можно повысить за счет снижения напряжения U_п, подводи­мого от шинопровода к постам. При снижении U_п.х.х с 50 до 40 В получим при I_и=250А и U_д.г=25В R_п=0,06Ом, Р_R=3,75кВт и по (4) η=0,625. Следует иметь в виду, что значительное снижение напряжения холостого хода U_п.x.x может привести к затруднению возбуждения дуги и ухудшению стабильности процесса сварки, так как ведет к снижению напряженности Е электрического поля раз­рядного промежутка. С другой стороны, если снизить U_п.x.x даже в допустимых пределах за счет уменьшения напряжения на выход­ных выводах источника питания, то может резко увеличиться раз­брызгивание металла. Это объясняется тем, что при периодических коротких замыканиях дугового промежутка каплей возникает мгно­венный пик тока поста i_{п. макс}, ограниченный практически только сопротивлением R_п, так как индуктивность цепи поста равна нулю. В этом случае величина пика тока определяется значениями U_п.х.х и R_п. Для рассмотренного выше примера при U_п.х.х=50В и R_п=0,1Ом величина пика тока i_п.макс=500А, а при U_п.х.х=40В и R_п=0,06 om i_{n. макс} ==666А. Величину i_п.макс можно снизить. При включении в цепь поста индуктивности L_п уменьшается скорость нарастания тока (вместо пикового нарастания ток нарастает по экспоненте), что снижает потери металла на разбрызгивание. Вре­мя нарастания тока поста при наличии индуктивности связано с постоянной времени τ_п цепи поста:

                  (6)

где G=f(i_п) —проводимость разрядного промежутка, зависящая от тока.

Источник питания многопостовой установки рассчитывается на номинальный ток, соответствующий продолжительному режиму работы ПНн-100%.

При определении числа постов k многопостовой установки, со­ответствующих номинальному току источника, следует учитывать, что не все посты работают одновременно в одинаковых режимах (холостой ход, нагрузка, короткое замыкание). В формулу для определения числа постов необходимо вводить коэффициент одно­временности работы постов ε, который изменяется в пределах 0,6 – 0,9 (для ручной дуговой 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 Р_и.п –  мощность источника питания многопостовой системы.

При увеличении числа постов применяется параллельная рабо­та однотипных выпрямителей на один шинопровод. Наличие шинопровода, заменяющего большое число кабелей при использовании однопостовых передвижных установок, является одним из сущест­венных преимуществ многопостовых систем.

1.2. Выпрямители для ручной дуговой сварки

 плавящимся электродом

Многопостовые выпрямители типа ВДМ используются для пита­ния выпрямленным током через балластные резисторы нескольких сварочных постов. Упрощенная принципиальная, электрическая схема выпрямителей приведена на рис. 3. Первичная, обмотка трех­фазного силового трансформатора Т соединена треугольником.

Выпрямительный узел ВДМ собран по шестифазной кольцевой схеме выпрямления. На каждом стержне магнитопровода трансформа­тора Т расположены витки одной фазы пер­вичной обмотки w₁ и одноименные    фазы двух одинаковых вто­ричных  обмоток w₂. ЭДС вторичных обмо­ток   трансформатора сдвинуты одна относительно другой на 180 эл. град. Фазы вторич­ных обмоток соединены звездами, нейтрали N₁ и N₂ которых обра­зуют отрицательный и положительный выводы (полюсы) выпрями­теля. Последовательно с фазами вторичной обмотки включены не­управляемые кремниевые вентили V, число которых зависит от ве­личины тока фаз. В реальном выпрямителе это не одиночные венти­ли, а блоки вентилей, включенных параллельно. Сварочные посты получают питание от шинопровода через балластные резисторы R_n, обеспечивающие независимость постов (см. выше). Внешняя харак­теристика выпрямителя жесткая. При номинальном токе снижение напряжения у самого удаленного поста порядка 5%. Падающая внешняя характеристика поста (см. рис. 2) обусловлена падением напряжения в балластном резисторе. От кратковременных пере­грузок выпрямитель защищен быстродействующим автоматическим выключателем, включенным на входе первичной обмотки трансфор­матора, от длительных перегрузок – тепловыми элементами магнит­ного пускателя (на рис. 3 автоматический выключатель и маг­нитный пускатель не показаны). Технические данные многопосто­вых выпрямителей типа ВДМ приведены в табл. 1.

Таблица 1