Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Сварка, резка и пайка металлов

Однопостовые агрегаты или установки постоянного тока переменного напряжения

Однопостовой сварочный генератор, т. е. сконструированный для питания одного сварочного поста или одной сварочной дуги, должен иметь круто падающую характеристику (фиг. 29). Таким образом, однопостовой сварочный генератор не поддерживает постоянного напряжения на своих зажимах, которое быстро меняется вместе с изменением нагрузки, падая почти до нуля при коротком замыкании цепи, когда электрод касается изделия. Поэтому однопостовые генераторы часто называются генераторами переменного напряжения. Сила тока такого генератора остаётся более или менее постоянной за время горения дуги.

Рассмотрим, каким образом можно получить нужную форму круто падающей характеристики генератора.

Напряжение на зажимах генератора равно его электродвижущей силе за вычетом падения напряжения во внутренней цепи. Для уменьшения потерь и повышения к. п. д. внутреннее сопротивление генератора, обмоток его якоря, щёток и щёточных контактов делается возможно малым и потому вызывает незначительную потерю напряжения порядка нескольких вольт при полной нагрузке. Поэтому для значительного изменения напряжения генератора с изменением нагрузки необходимо соответственно менять его электродвижущую силу. Электродвижущая сила Е генератора постоянного тока может быть выражена следующим образом:

где к — постоянная, характеризующая данный генератор, определяемая его конструкцией и размерами.

В этой формуле переменными величинами являются п — число оборотов якоря генератора и Ф — магнитный поток, пронизывающий якорь генератора. Таким образом, для изменения электродвижущей силы генератора нужно менять число оборотов якоря п пли магнитный поток Ф, пронизывающий обмотку якоря генератора.

В настоящее время сварочные агрегаты с переменным числом оборотов не применяются. Существующие агрегаты работают практически при постоянном числе оборотов. Таким образом, остаётся единственная возможность изменения электродвижущей силы: соответственно изменять магнитный поток, пронизывающий обмотку якоря генератора. Изменение магнитного потока, пронизывающего якорь, может достигаться изменением величины общего потока генератора или его направления.

Существует два основных способа воздействия на магнитный поток генератора: 1) применение размагничивающих обмоток на полюсах генератора; 2) использование реакции якоря генератора. Рассмотрим сначала применение размагничивающей обмотки. В этом случае получается генератор с так называемым дифференциальным возбуждением. Схема простейшего генератора с дифференциальным возбуждением показана на фиг. 30.

обмотки независимого возбуждения. При

вычитаются из ампер-витков независимой обмотки, и результирующие ампер-витки системы возбуждения генератора могут быть выражены следующим уравнением:

С увеличением нагрузки вычитаемые ампер-витки последовательной обмотки растут, а результирующие ампер-витки генератора уменьшаются. При замыкании сварочной цепи прикосновением электрода к изделию ампер-витки последовательной обмотки настолько возрастают, что в генераторе остаются лишь незначительные ампер-витки , необходимые для поддержания тока короткого замыкания в системе. Приближённо можно принять, не учитывая реакции якоря, что при коротком замыкании ампер-витки обмотки независимого возбуждения и последовательной обмотки равны по абсолютной величине и противоположны по знаку:

— сварочный тек;

— числа витков в независимой и сериесной обмотках,

,

—ток короткого замыкания сварочной цепи.

Следовательно, ток короткого замыкания приблизительно пропорционален току независимого возбуждения и для изменения тока короткого замыкания, а следовательно, и сварочного тока, необходимо соответственно изменять ток независимого возбуждения, что осуществляется соответствующим реостатом, или так называемым магнитным регулятором в цепи возбуждения.

Генераторы с дифференциальным возбуждением подвергались различным изменениям и усовершенствованиям. В Советском Союзе сварочные генераторы с дифференциальным возбуждением под названием СМ производились до конца 1932 г., когда наша промышленность перешла на более совершенные системы. Генераторы СМ имели усложнённую 3-обмоточную систему возбуждения. Помимо независимой и последовательной обмоток генераторы имели ещё шунтовую обмотку, присоединённую к щёткам генератора параллельно с якорем (фиг. 31). Дополнительная шунтовая обмотка введена в схему для изменения формы внешней характеристики генератора. Характеристики 3-обмоточного генератора располагаются выше характеристик 2-обмоточного и имеют более выпуклую форму. Чем меньше сопротивление регулятора в цепи шунтовой обмотки, тем больше разница в характеристиках.

Недостатками генераторов с дифференциальным возбуждением являются: 1) необходимость отдельного источника постоянного тока для питания обмотки независимого возбуждения; 2) медленность установления нового режима работы генератора при внезапных изменениях сварочной дуги, например при переходе от короткого замыкания к зажиганию дуги, т. е. недостаточно удовлетворительные динамические свойства генератора.

Рассмотрим сварочные генераторы, использующие преимущественно действие реакции якоря. Таким, например, является современный советский генератор СМГ с расщеплёнными полюсами, который изготовляется в больших количествах и является основным типом сварочного генератора, которым пользуется наша промышленность. Для понимания действия генератора СМГ полезно рассмотреть в отдельности его магнитную и электрическую схему (фиг. 32).

Генератор имеет четыре основных полюсных сердечника и два дополнительных. Основные сердечники имеют необычное чередование полярности, рядом расположены два северных, а затем два южных сердечника, поэтому несмотря на наличие четырёх сердечников генератор СМГ является двухполюсным. Два северных сердечника можно рассматривать как один большой северный полюс, у которого вырезана внутренняя часть, а два южных сердечника — как один южный полюс с удалённой средней частью. Отсюда и происходит название генератора с расщеплёнными полюсами.

Электрическая схема генератора может быть различной, для определённости примем схему, показанную на фиг. 33, обычно выполняемую в настоящее время нашей промышленностью. Генератор имеет две главные щётки, расположенные на нейтрали и одну вспомогательную, расположенную по оси полюсов.

Одна пара сердечников — северный и южный — снабжена вырезами так, что железо их находится всегда в сильно насыщенном состоянии за перегибом кривой намагничивания. Поэтому изменение магнитодвижущей силы в цепи этих сердечников лишь незначительно изменяет их магнитный поток. Эти сердечники носят название продольных или главных.

Другая пара сердечников, называемых поперечными, работает при низких насыщениях, и магнитный поток в них может изменяться в широких пределах не только по величине, но и по направлению, от плюс 100% через нуль, до минус 100%. Направление вращения якоря, расположение щёток и магнитодвижущая сила обмоток выбраны таким образом, что магнитодвижущая сила реакции якоря подмагничивает главные сердечники и размагничивает поперечные. Примерное расположение векторов магнитодвижущих сил главных и поперечных полюсов показано на фиг. 34, а. Магнитодвижущая сила полюсов мало зависит от нагрузки. Распределение составляющих магнитодвижущей силы реакции якоря при нагрузке показано на фиг. 34, б. Магнитодвижущая сила реакции якоря изменяется приблизительно пропорционально сварочному току. Переходя от магнитодвижущих сил к магнитному потоку и учитывая насыщенность главных полюсов, легко видеть, что с изменением нагрузки результирующий магнитный поток генератора мало изменяется по абсолютной величине, но ось его поворачивается в пространстве на значительный угол, почти на 90° при изменении нагрузки от 0 до максимальной. При этом изменяется и электродвижущая сила генератора пропорционально косинусу угла отклонения оси магнитного потока от оси полюсов (фиг. 35). В результате получается падающая внешняя характеристика генератора, показанная на фиг. 36.

Генератор весьма чувствителен к положению щёток на коллекторе, при смещении которых в ту или другую сторону от нейтрали на две-три коллекторных пластины можно изменить мощность генератора от минимальной до максимальной. Поэтому для регулирования мощности генераторы СМГ снабжаются устройством для

удобного перемещения щёток генератора по окружности коллектора. Изменение мощности генератора с перемещением щёток происходит вследствие изменения направления магнитодвижущей силы реакции якоря, направленной всегда по оси щёток. Смещение щёток по направлению вращения уменьшает сварочный ток, а против направления вращения увеличивает его.

Наша промышленность выпускает в настоящее время главным образом генератор типа СМГ-2 на силу тока до 250 а при ПВ 100% и до 320 а при ПВ 50% при 1450 об/мин. Электрическая схема генератора СМГ-2 подвергалась многочисленным видоизменениям, отмеченным добавкой букв в обозначении типа генератора СМГ-2а, СМГ-26, СМГ-2в н т. д. Все эти генераторы имеют одну и ту же мощность и дают ток до 250 а непрерывно и до 320 а для ПВ 50%.

Наиболее современная и удачная схема генератора СМГ-26 (фиг. 37) имеет обмотки возбуждения генератора, включённые между вспомогательной и одной из главных щеток *. При работе напряжение между главными щётками колеблется от нуля при коротком замыкании, до максимума — приблизительно 75 в — при холостом ходе. Напряжение между вспомогательной и главной щётками остаётся постоянным, практически не зависит от нагрузки и составляет приблизительно 24 в.

Постоянство напряжения между вспомогательной и главной щётками становится понятным при рассмотрении схем генератора (фиг. 32 и 33). Эти щётки снимают напряжение с проводников обмотки якоря, находящихся в данный момент под продольными или главными полюсами. Главные полюсы всегда находятся в состоянии высокого магнитного насыщения, и магнитный поток в них почти не меняется, несмотря на значительные изменения магнитодвижущей силы. Таким образом, вспомогательная щётка генератора СМГ заменяет отдельный возбудитель генератора СМ. Цепь возбуждения генератора разделяется на две параллельные ветви: в одну включены обмотки главных полюсов и часть обмотки поперечных полюсов (эта цепь не регулируется), в другую ветвь включена вторая часть (регулируемая) обмотки поперечных полюсов;

в эту ветвь включён реостат — магнитный регулятор. С увеличением тока возбуждения поперечных полюсов возрастает сварочный ток, а с уменьшением — уменьшается.

Регулирование магнитным регулятором в цепи возбуждения генератора очень удобно и достаточно точно, но диапазон этого регулирования недостаточен. Для расширения пределов регулирования в генераторе СМГ-2 использован сдвиг щёток по коллектору. Щётки могут быть поставлены в трёх определённых положениях на коллекторе, соответствующих малым, средним и большим сварочным токам,

Вращение якоря сварочного генератора осуществляется приводным двигателем. Сварочный генератор, соединённый с приводным двигателем, образует сварочный агрегат. Соединение с двигателем может быть непосредственное — вал с валом, если числа оборотов генератора и двигателя совпадают. При различных числах оборотов генератора и двигателя между их валами приходится ставить промежуточную передачу: ременную, зубчатую и т. п. Агрегаты с непосредственным соединением генератора и двигателя удобнее и обладают лучшим к. п. д. Сварочные генераторы обычно имеют нормальное число оборотов — около 1450 в минуту, что соответствует числу оборотов 4-полюсного асинхронного электродвигателя 3-фазного переменного тока, являющегося чаще всего приводным двигателем для сварочных агрегатов. Двигатель должен хорошо выносить перегрузки и поддерживать постоянное число оборотов с точностью ± 5% при изменениях нагрузки от 0 до максимума. Указанным требованиям достаточно хорошо удовлетворяют стандартные асинхронные электродвигатели переменного 3-фазного тока.

Двигатели внутреннего сгорания удовлетворяют указанным требованиям гораздо хуже, так как они плохо выносят перегрузки, поэтому приходится применять двигатели повышенной номинальной мощности, что увеличивает расход горючего агрегатами. Двигатели внутреннего сгорания имеют сильно колеблющееся число оборотов при изменениях нагрузки. Обычные регуляторы числа оборотов двигателей не удовлетворяют требованиям сварки, поэтому требуются двигатели внутреннего сгорания со специальными регуляторами повышенной точности, отвечающими требованиям сварочных агрегатов. На заводах наиболее распространены сварочные агрегаты с приводными моторами 3-фазного тока. Агрегат СМГ-2 с электродвигателем 3-фазного тока, мощностью 15 квт , 1450 об/мин., на сварочный ток до 320 а показан на фиг. 38.

В этом случае генератор и электродвигатель имеют обычно-скользящие подшипники с кольцевой смазкой, что требует точной горизонтальной установки вала генератора по уровню. Поэтому агрегаты эти рассчитаны на стационарную установку. Генератор и электродвигатель устанавливаются на общей сварной фундаментной раме, концы валов соединяются эластичной муфтой; вес агрегата 750 кг. Для уменьшения веса и размеров сварочного агрегата, а также для некоторого повышения его к. .п. д. нашей промышленностью выпускается агрегат СУГ-26 в однокорпусном исполнении, с генератором СМГ-26. Общий вид агрегата показан на фиг. 39.

Генератор и электродвигатель имеют общий корпус и общий вал, установленный на двух шариковых упорных подшипниках, не требующих строгой горизонтальной установки вала агрегата. Агрегат СУГ-26 является передвижным и снабжён тремя колёсами и дышлом для перевозки, он может быть также снят с колёс и поставлен стационарно. Размеры агрегата уменьшены, и его вес снижен до 550 кг за счёт применения общего корпуса и общего вала и понижения мощности электромотора. Портативность агрегата СУГ-26 делает его особо удобным для промышленного использова ния , и в настоящее время он является наиболее распространённым типом на наших заводах. Недочётом агрегата СУГ-26 является недостаточная мощность приводного электромотора, равная 11,6 квт , особенно заметная при существующем стремлении к повышению про-. изводительности сварки и мощности сварочной дуги. В настоящее время выпускаются однокорпусные агрегаты повышенной мощности.

Для работ в полевых условиях при отсутствии электрической силовой сети используются сварочные генераторы СМГ-2 с приводным двигателем внутреннего сгорания — бензиновым или керосиновым. Типы подобных агрегатов достаточно разнообразны; применяются ремённый привод генератора со шкива трактора, привод от двигателя автомашины, на которую установлен генератор, и т. д.

Наиболее распространённым сварочным агрегатом с двигателем внутреннего сгорания мощностью около 30 л. с. является агрегат САК (фиг. 40). Валы двигателя и генератора соединены эластичной муфтой — маховиком и установлены на общей сварной фундаментной раме. Агрегат имеет общий вес около 1100 кг и может удобно перевозиться на грузовом автомобиле. Расход горючего равен 5—6 кг/час при нормальной работе на сварке.

Иногда встречается необходимость в больших силах сварочного тока, например для питания сварочных автоматов, горячей сварки чугуна, дуговой резки металла, подводных работ и т. д. Для подобных работ наша промышленность выпускает специальные однопостовые агрегаты повышенной мощности. При отсутствии на месте более мощного сварочного агрегата можно прибегнуть к параллельному соединению на одну дугу двух или трёх агрегатов СМГ-2. Общий к. п. д. сварочного агрегата СМГ-2 с электродвигателем 3-фазного тока доходит до 0,6 при полной нагрузке. Длительный к. п. д. ввиду значительной мощности, расходуемой при холостом ходе, обычно не превышает 0,40—0,45.

Средний расход электроэнергии при ручной сварке составляет 7—8 квт-час на 1 кг наплавленного металла.

В настоящее время достигнуты значительные успехи в конструировании и производстве статических выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный, и возникает вопрос о возможности замены сварочных мотор-генераторных агрегатов сварочными выпрямителями. Имеются уже опытные выпрямительные сварочные установки, дающие удовлетворительные результаты. Наиболее вероятно применение для целей сварки селеновых и газотронных выпрямителей.

В табл. 2 приведём средние сравнительные данные для ручной сварки по расходу электроэнергии при питании поста дуговой электросварки от силовой сети 3-фазного тока.