Основные положения
Техническая характеристика сварного трансформатора ТД-300 (Т - трансформатор; Д – дуговой) «300» - максимальный из номинальных сварочный ток Iсв.mах = 300 А (из номинальных, т.е. рекомендованных величин тока при продолжительности сварки ПР=60%). Таким образом, рекомендуются номинальные (рабочие) сварочные токи Iсв ≤ 300 А.
ПР – повторно-кратковременный режим (отношение продолжительности рабочего периода (собственно сварки) к продолжительности цикла сварки. Продолжительность цикла сварки равна сумме времени сварки рабочего периода и холостого хода, когда оборудование подключено к сети, но сварка не ведётся.
ТД-300 служит для питания одного сварочного поста при ручной дуговой сварке, резке и наплавке металлов переменным током промышленной частоты (50 Гц).
Толщина свариваемых кромок - от 3 до 14 мм и более. Сварка производится электродами диаметром от 3 до 8 мм.
| Максимальный рабочий сварочный ток | 300 А |
| Пределы регулирования сварочного тока: | |
| при диапазоне малых токов | 60-160 А |
| при диапазоне больших токов | 160-385 А |
| Номинальное первичное напряжение | 380 В |
| Первичный ток | 53,5 А |
| Вторичное напряжение (холостого хода): | |
| при диапазоне малых токов | 78 В |
| при диапазоне больших токов | 60 В |
| Условное номинальное рабочее напряжение под нагрузкой | |
| (при длине дуги 5 мм) | 32 В |
| Потребляемая мощность | 20,5 кВт |
Сварочные трансформаторы просты по устройству и в эксплуатации, имеют более высокий КПД, чем генераторы постоянного тока, способны работать непосредственно от силовой сети переменного тока.
Основные требования к сварочным трансформаторам:
1) наличие падающей внешней характеристики;
2) обеспечение постоянных по величине тока и напряжения.
Внешней характеристикой любой электрической машины называется зависимость напряжения от силы тока на ее зажимах. Различают жесткие, падающие и возрастающие внешние характеристики (рис. 1).
При работе на жестких характеристиках по мере увеличения нагрузки во внешней цепи напряжение не изменяется (осветительная, силовая цепь). Во время коротких замыканий в такой сети сила тока достигает больших величин, что ведет к перегоранию предохранителей или загоранию проводов.
Возрастающие характеристики применяются при автоматической сварке. При ручной дуговой сварке используются аппараты только с падающими характеристиками, так как только они способны ограничить токи короткого замыкания, весьма часто возникающие в процессе сварки. Режим короткого замыкания имеет место в момент возбуждения дуги сварщиком путем касания электродом изделия, через каплю металла, накоротко замыкающую дуговой промежуток и т.д., то есть является равноправным с рабочим режимом.
Если бы у сварочных аппаратов не было падающих характеристик, то обмотки трансформаторов воспламенялись бы в случае отказа предохранителей.
Сварочные трансформаторы являются понижающими и так же, как обычные основаны на принципе магнитной индукции. Однако они отличаются от обычных трансформаторов тем, что для получения падающих характеристик в их вторичную, то есть сварочную цепь, включена катушка индуктивности - так называемый дроссель. Дроссель вырабатывает ЭДС самоиндукции, направленную противоположно наводимой ЭДС индукции со стороны первичной обмотки и взаимодействует с нею алгебраически. Чем больше ток в сварочной цепи, тем больше противо-ЭДС и тем меньше суммарное напряжение. При максимально возможном токе - токе короткого замыкания - суммарное напряжение равно нулю, а на оси «I» отсекается отрезок величины тока короткого замыкания Iкз.
При обрыве сварочной дуги противо - ЭДС становится равной нулю, и таким образом, в отсутствие тока в цепи напряжением снова станет равным ЭДС индукции, то есть напряжение холостого хода Uxx (отрезок на оси «U» - рис. 1).
Рисунок 1 - Внешние характеристики: 1 – жесткая; 2 – возрастающая; 3 – падающая
Для регулирования потока самоиндукции магнитопровод в дросселях делают разъемным с регулируемым воздушным зазором. Изменяя величину воздушного зазора, можно получить бесчисленное множество внешних характеристик трансформатора и столько же величин сварочного тока Iсв, т.е. можно регулировать (менять или задавать) величину Iсв.
Однако ТД-300 относится к группе трансформаторов с повышенным рассеянием магнитного потока, роль дросселя в которых выполняют подвижные катушки вторичной обмотки. При сближении первичной и вторичной обмоток достигается уменьшение индуктивности рассеяния, что приводит к уменьшению суммарного напряжения (противо-ЭДС рассеялось немного, и ее вычитание из основной ЭДС дает малое суммарное напряжение) и увеличению сварочного тока. Увеличением же расстояния между обмотками достигается увеличение рассеяния и уменьшение сварочного или настроечного тока. Поэтому такие трансформаторы называют трансформаторами с повышенным магнитным рассеянием. Таким образом, эти трансформаторы способны выработать бесчисленное множество внешних характеристик (рис. 2) и столько же величин сварочных токов.
Рисунок 2 - Внешние характеристики сварочного трансформатора для ручной дуговой сварки (а – крутопадающая; б – пологопадающая)
Упрощенная схема трансформатора с повышенным рассеянием магнитного потока представлена на рис. 3.
Рисунок 3 - Упрощенная схема сварочного трансформатора с повышенным рассеянием магнитного потока
Сварочный трансформатор состоит из следующих основных узлов: магнитопровода (1); первичной обмотки (2); вторичной обмотки (3).
Сварочная цепь 5 включает в себя вторичную обмотку, электрододержатель 4 и сварочный столик 6.
Через верхнее ярмо трансформатора пропущен ходовой винт 7, опирающийся на подпятник 8. Ходовой винт ввинчивается в ходовую гайку 9, вмонтированную в траверсу подвижной вторичной обмотки. При вращении ходового винта, осуществляемом с помощью рукоятки 10, находящейся сверху трансформатора, перемещается вторичная обмотка, и тем самым изменяется расстояние между обмотками (регулируется величина сварочного тока).
На рис. 3 показано параллельное соединение парных катушек в первичной и вторичной обмотках. При такой схеме подключения получают диапазон больших настроечных токов (160-365 А).
Если катушки соединить между собой (попарно) последовательно, то получится диапазон малых настроечных токов (60…160 А), который с успехом можно использовать при сварке тонких листов и т. п.
Диапазоны тока (на последовательное или параллельное соединение катушек) обеспечиваются переключателем барабанного типа, рукоятка которого выведена на крышку трансформатора (на рис. 3 не указана).
Проведение эксперимента
Источник питания и сварочная дуга представляют собой единую энергетическую систему. Это означает равенство токов и напряжения на дуге и зажимах трансформатора. Однако характер проводимости в этих участках единой цепи различен, поскольку дуга является проводником второго рода (с ионной проводимостью), а трансформатор - первого рода (с электронной проводимостью).
Важным различием их является то, что при повышении температуры проводника второго рода его проводимость увеличивается, а первого рода - снижается.
В электрических цепях наиболее сильное влияние на повышение температуры в в проводниках оказывает сила тока. Согласно закону Джоуля – Ленца, (калорий)
Q=0,24I2×Rt, (1)
где Q - количество тепла;
0,24 - тепловой эквивалент;
I- сила сварочного тока, А;
R - сопротивление, Ом;
t - время, с.
Квадратичная зависимость между током и тепловыделением показывает, что даже небольшие изменения силы сварочного тока могут вызвать резкие колебания скорости оплавления электрода, привести к неровностям наплавки и нарушению расчетного сечения сварного шва, т.е. к браку.
Сварочная дуга также имеет свою внешнюю характеристику, которую называют статической вольт-амперной характеристикой. Статической она называется потому, что справедлива только для одной ее длины. Если изменить длину дуги, то получится новая вольтамперная характеристика. Таким образом, и дуга может иметь бесчисленное множество характеристик (рис. 4).
Напряжение на дуге
Uд=aка+blg, (2)
где aка - сумма напряжений в катодной и анодной областях (aка=10 В);
b - падение напряжения в столбе дуги (b = 2 В/1 мм дуги);
lg - длина дуги, мм, lg = 2...5...8.
На рис. 4 видно, что при ручной дуговой сварке, характеризующейся применением токов в диапазоне 80...1000 А, напряжение не зависит от силы тока. Однако оно сильно зависит от длины дуги (по вертикали, т. е. от ее сопротивления).
Рабочие режимы сварки при данной длине дуги и данном настроечном токе определяют путем наложения вольт-амперной характеристики дуги на внешнюю характеристику источника питания и нахождения точек их пересечения (рис. 5, точки 1 и 2).
Предположим, что при одном и том же настроечном токе трансформатора, которому соответствует внешняя характеристика на рис. 5, длина дуги изменяется на 5 мм, что соответствует изменению напряжения дуги на 10 В. Поскольку сварка на режимах точек 1 и 1` никогда не ведется из-за слишком малых токов и неустойчивого состояния дуг, необходимо определить какое изменение тока в сварочной цепи получится при уменьшении длины дуги на 5 мм при переходе от режима точки 2 (I2; U2) к режиму точки 2` (I2`; U2`). Разность DI и составит искомую величину разбаланса тока в сварочной цепи.
Рисунок 4 - Статическая вольт-амперная характеристика сварочной дуги (l – длина дуги; l1> l2> l3)