Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Сварочные свойства однофазных выпрямителей

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 617482.01.99
В монографии описаны конструкции трансформаторов и выпрямителей с конденсаторным умножителем напряжения. Данные выпрямители простые, легче традиционных и имеют КПД и коэффициент мощности не ниже инверторных. Приведены сварочно-технологические свойства выпрямителей при сварке покрытыми электродами, в защитных газах плавящимся и неплавящимся электродом на малых токах. Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 150202.65 «Оборудование и технология сварочного производства».
Мейстер, Р. А. Сварочные свойства однофазных выпрямителей [Электронный ресурс] : Монография / Р. А. Мейстер, А. Р. Мейстер. - Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011. - 170 с. - ISBN 978-5-7638-2145-1. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/441334 (дата обращения: 28.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Р. А. Мейстер 
А. Р. Мейстер 
 
СВАРОЧНЫЕ  СВОЙСТВА  ОДНОФАЗНЫХ 
ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2011 

УДК 621.314.6 
ББК 34.264.5 
М 45 
 
 
 
 
 
Рецензенты: 
А. А. Михеев, д-р. техн. наук, проф. СибГАУ;  
М. А. Лубнин, канд. техн. наук, проф. советник генерального директрора ОАО «Красмаш» по науке и технике 
 
 
 
 
Мейстер, Р. А. 
М 45 
 
Сварочные свойства однофазных выпрямителей: монография / 
Р. А. Мейстер, А. Р. Мейстер. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 
2011. – 170 с. 
ISBN 978-5-7638-2145-1 
 
 
 
В монографии описаны конструкции трансформаторов и выпрямителей  
с конденсаторным умножителем напряжения. Данные выпрямители простые, 
легче традиционных и имеют КПД и коэффициент мощности не ниже инверторных. Приведены сварочно-технологические свойства выпрямителей при 
сварке покрытыми электродами, в защитных газах плавящимся и неплавящимся электродом на малых токах. 
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 150202.65 
«Оборудование и технология сварочного производства». 
 
УДК 621.314.6 
ББК 34.264.5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2145-1                                   © Сибирский федеральный университет, 2011 

 
 
Оглавление 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
Введение ............................................................................................................  
5 
 
Глава 1. Конструкции и технологические характеристики источников питания .....................................................................................  
8 
1.1. Сведения о применении выпрямителей с конденсаторным умножителем напряжения ..................................................................  
8 
1.2. Технология изготовления источников питания ............................  15 
1.3. Конструкции источников питания .................................................  23 
1.3.1. Простейшая конструкция трансформатора ........................  23 
1.3.2. Трансформатор с тороидальным магнитопроводом ..........  25 
1.3.3. Расширение пределов регулирования сварочного тока 
трансформатора ....................................................................  28 
1.3.4. Выпрямитель с умножителем напряжения .........................  29 
1.3.5. Выпрямитель с кольцевым магнитопроводом ...................  31 
1.3.6. Однофазный выпрямитель, изготовленный на основе 
трёхфазного трансформатора .............................................  35 
1.3.7. Сварочный выпрямитель, изготовленный на основе утилизированного трансформатора .........................................  43 
1.3.8. Приближенный расчет дросселя ..........................................  47 
1.3.9. Конструкции дросселей ........................................................  50 
 
Глава 2. Сварочно-технологические свойства выпрямителей при 
ручной дуговой сварке .................................................................  55 
2.1. Сведения о горении дуги при ручной дуговой сварке  
на малых токах ................................................................................  55 
2.2. Сварочно-технологические свойства  трансформаторов .............  58 
2.3. Влияние конденсаторов на сварочно-технологические свойства источников питания ...................................................................  60 
2.4. Влияние индуктивности на сварочно-технологические свойства выпрямителей .............................................................................  64 
2.5. Особенности горения дуги при сварке покрытыми электродами на малых токах ..........................................................................  67 
2.6. Наплавка тремя электродами ..........................................................  74 
 
Глава 3. Особенности зажигания и горения дуги плавящимися электродами в защитных газах ..........................................................  78 
3.1. Зажигание сварочной дуги при сварке плавящимся электродом 
в защитных газах .............................................................................  78 

Оглавление 

4 

3.2. Особенности 
зажигания 
дуги 
плавящимся 
электродом  
в защитных газах .............................................................................  82 
3.3. Особенности сварки и наплавки на малых токах в углекислом 
газе ....................................................................................................  88 
3.4. Сложности при сварке алюминия и алюминиевых сплавов .......  103 
3.5. Особенности процесса сварки алюминия тонкой проволокой ...  108 
3.6. Особенности наплавки стали аустенитного класса в защитных 
газах ..................................................................................................  119 
 
Глава 4. Сварка на малых токах неплавящимся электродом ...............  125 
4.1. Сложности при сварке неплавящимся электродом тонкого металла ..................................................................................................  125 
4.2. Особенности горения малоамперной дуги в защитных газах 
неплавящимся электродом ..............................................................  132 
4.3. Сварка тонкого металла по отбортовке .........................................  138 
4.4. Особенности сварки угольным электродом на малых токах ......  147 
4.5. Оценка пульсации выпрямленного тока и напряжения на малых токах ..........................................................................................  152 
 
Заключение .......................................................................................................  157 
 
Библиографический список ..........................................................................  159 
 

 
 
Введение 

5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
В настоящие время сварочные источники питания являются одним 
из наиболее динамично развивающихся видов сварочного оборудования. Широкое распространение получили инверторные, транзисторные, 
импульсные источники питания сварочной дуги. 
В последнее время возник новый класс источников для дуговой 
сварки – выпрямители с пониженным напряжением холостого хода  
и конденсаторными умножителями напряжения, обеспечивающие легкое возбуждение дуги. Благодаря пониженному вторичному напряжению (27–34 В) и большому коэффициенту трансформации первичный 
ток таких источников мал и по уровню приближается к току, потребляемому от сети инверторными источниками питания. Также мощность 
сварочных трансформаторов в таких источниках питания в 1,5–2 раза 
ниже, чем у традиционных с напряжением холостого хода 60–70 В. Поэтому по габаритам и потребляемому току выпрямители с конденсаторным умножителем напряжения приближаются к инверторным источникам питания, а по стоимости выигрывают, благодаря чему могут конкурировать с дорогостоящими инверторными источниками питания. 
Указанные преимущества данных выпрямителей обеспечили их 
применение в различных отраслях промышленности и для бытовых целей. 
Для сварки покрытыми электродами выпускается выпрямитель  
с конденсаторным умножителем напряжения Дуга 318М (ЗАО «Электроприбор», г. Новомосковск). В Институте электросварки им. Е. О. Патона разработаны однофазные источники питания для механизированной 
сварки плавящимся электродом с использованием конденсаторов и индуктивностей. Но подробные сведения о сварочно-технологических 
свойствах данных выпрямителей с различными схемными решениями 
отсутствуют. 
Серийно выпускается много источников питания для бытовых целей, но в инструкциях к ним зачастую нет подробных сведений о сварочно-технологических свойствах [14, 27, 42]. В бытовых условиях 
встречаются источники питания, изготовленные с нарушениями технологий производства и техники безопасности. 
В монографии рассмотрена технология изготовления источников 
питания, представлены опытные конструкции трансформаторов и выпрямителей с конденсаторным умножителем напряжения и их сварочно-технологические свойства. 

Введение 

6 

Также приведены результаты исследований сварочно-технологических свойств выпрямителей с конденсаторным умножителем напряжения при ручной дуговой сварке и наплавке покрытыми электродами, плавящимся и неплавящимся электродом в защитных газах на малых токах.  
В результате исследований выявлено устойчивое горение дуги при 
минимальном токе (1 А и более) покрытыми электродами, что позволило сваривать сталь толщиной 0,3–0,7 мм. Также при наплавке пучком 
электродов диаметром 1,6–3 мм, скомпонованных треугольником, получено устойчивое горение дуги и минимальная доля участия основного 
металла в наплавленном. 
При питании дуги от однофазного выпрямителя с конденсаторным 
умножителем напряжения разработан способ зажигания дуги плавящимся электродом без длительных коротких замыканий. В сравнении  
с «горячим стартом» и способом бесконтактного зажигания дуги способ 
позволяет зажигать дугу при наличии на конце вылета застывшей капли, превышающей диаметр проволоки в 1,5–3 раза, с увеличением диаметра проволоки и её расположении параллельно изделию зажигание не 
ухудшается. 
В случае использования традиционных источников питания минимальный ток для диаметра проволоки 0,8 мм в углекислом газе составляет 
50 А, а для проволоки 1,2 мм – 80 А. Д. Х. Сагировым разработан самоорганизующийся (синенергетический) процесс сварки короткой дугой, расширяющий минимальные режимы по току для диаметра электродной проволоки 0,8 мм – 18 А, а для диаметра 1,2 мм – 40 А.  
В результате исследований, проведенных авторами данной монографии, обеспечивается формирование швов в углекислом газе проволоками диаметром 0,8 и 1,2 мм при силе тока 9–30 А. При минимальном 
напряжении дуги разбрызгивание практически отсутствует. Доля участия 
основного металла в наплавленном для проволоки диаметром 1,2 мм  
и силе тока 18–20 А составляет не более 5–6 %. 
Плавящейся алюминиевой проволокой диаметром 0,8–1,2 мм в аргоне при силе тока 12–35 А обеспечивается формирование швов с полным проплавлением алюминия толщиной 0,35–0,7 мм. В аргоне и азоте 
высокой чистоты проволокой диаметром 0,8–1,2 мм аустенитного класса обеспечивается устойчивое горение дуги и формирование швов при 
силе тока 18–40 А. 
В монографии приведены сведения о горении дуги между 
вольфрамовым электродом диаметром 1–6 мм в аргоне, гелии и азоте 

 
 
Введение 

7 

и изделием при силе тока 1–5 А на обратной и прямой полярности. 
Устойчивое горение дуги позволяет сварить по отбортовке металл 
толщиной 0,05 мм и более. В случае прецизионной сборки обеспечивается формирование швов при сварке стыковых соединений толщиной 0,2–0,5 мм. На минимальных токах устойчивое горение дуги 
обеспечивается при применении угольных и графитовых электродов, 
например, обычного карандаша.  
Книга предназначена для студентов обучающихся по специальности 150202.65, инженеров и научных работников; всех интересующихся 
данной проблемой и широкого круга читателей. В монографии есть материалы дискуссионного характера, по которым авторы с благодарность 
примут сделанные читателями замечания. 
 
 

Глава 1. Конструкции и технологические характеристики источников питания 

8 

Глава 1.  КОНСТРУКЦИИ  И  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ 
ХАРАКТЕРИСТИКИ  ИСТОЧНИКОВ  ПИТАНИЯ 
 
 
1.1. Сведения о применении выпрямителей  
с конденсаторным умножителем напряжения 
 
За рубежом и в России выпускаются традиционные сварочные 
трансформаторы и выпрямители. К их недостаткам следует отнести 
значительную массу, повышенное потребление тока из первичной сети 
и в связи с этим низкий КПД и коэффициент мощности.  
При применении традиционных трансформаторов ухудшается устойчивость горения дуги электродами с основным покрытием. Также 
трансформаторы и выпрямители (особенно при тиристорном регулировании) не обеспечивают устойчивость горения дуги на малых токах. 
Несмотря на увеличение объема выпуска инверторных источников 
за рубежом и в России, они имеют ряд недостатков: 
• невысокая надежность при эксплуатации в условиях пониженных температур (менее –10 °С), загрязнении воздуха цеха или повышенной влажности; 
• невозможность использования импульсных режимов и низкую 
надежность инверторной сварочной техники при длинных соединительных кабелях (более 20 м от источника питания до подающего механизма); 
• повышенная вероятность дефектов в сварном соединении при 
корневых проходах при использовании рекомендованных импульсных 
режимов. При небольших изменениях геометрии разделки или наличии 
загрязнения на поверхности разделки рекомендованные параметры импульсных режимов самопроизвольно изменяются; 
• сложность реализации сварочного импульсного процесса при 
токах дуги более 300 А; 
• дорогостоящее программирование параметров сварочного режима при необходимости сварки в необычном для инверторного выпрямителя режиме и сложность обслуживания [32]. 
Имеются сведения о неблагоприятном воздействии инверторных 
выпрямителей на организм сварщика. Так, при питании дуги током более 100–200 А магнитная индукция возле руки, предплечья и грудной 
клетки превосходит допустимые значения и для защиты сварщика тре
1.1. Сведения о применении выпрямителей с конденсаторным умножителем напряжения 

9 

буется костюм с экранирующими ферромагнитными вставками; также 
необходимо экранировать сварочный кабель и горелку [124]. 
Некоторые недостатки инверторных выпрямителей отмечаются  
в работе [83]. Будучи изделием, работающим на более высоких частотах, 
чем традиционное сварочное оборудование на основе традиционных 
трансформаторов, инвертор оказывает сильное воздействие на организм 
человека. В некоторых случаях производители умышленно комплектуют 
инверторные выпрямители короткими сварочными проводами, так как при 
длинных сварочных кабелях происходит сглаживание сварочных токов  
и пропадает возможность его регулирования. 
В первичной сети наблюдаются большие импульсные токи, наличие гармоник, перегрузка сети, повышенное падение напряжения в подводящих проводах. 
Стандартный инвертор при сварочном токе 160 А потребляет из 
первичной сети 2–3 А среднеквадратичного тока. Однако из-за импульсного потребления тока его амплитуда может достигать 90 А. 
Государственные стандарты ограничивают допустимый процент 
гармонических составляющих, который в данном случае превышен. Устранение данных недостатков усложняет схемотехнические решения [83]. 
Стоимость инверторных источников питания превышает стоимость 
источников обычного типа, поэтому простые и надежные традиционные 
источники с улучшенными сварочными свойствами успешно конкурируют и будут конкурировать в будущем с инверторными источниками. 
Поэтому разумно гармоническое развитие всех видов источников 
питания [54]. 
Выпрямители с конденсаторным умножителем напряжения имеют 
хорошие сварочно-технологические свойства, легче традиционных  
и благодаря пониженному вторичному напряжению потребляют ток от 
сети при сварке на уровне, близком к току, потребляемому инверторными источниками питания. Выпускаемые в настоящее время выпрямители с конденсаторным умножителем напряжения просты по устройству, легче традиционных и легко ремонтируются. 
Схемы с умножителями напряжения в электрических устройствах 
известны [61]. Они стали применяться в сварочных выпрямителях с целью улучшения устойчивости горения дуги и уменьшения массы и тока 
из первичной сети при сварке. Но сведения о емкости конденсаторов, 
индуктивности дросселей и конкретные схематические решения не всегда связываются со сварочно-технологическими свойствами выпрямителей. 

Глава 1. Конструкции и технологические характеристики источников питания 

10 

 
 
Рис. 1.1. Схема выпрямителя с умножителем напряжения 
 

 
 
Рис. 1.2. Схема умножения напряжения 

1.1. Сведения о применении выпрямителей с конденсаторным умножителем напряжения 

11 

В патенте [61] приведена принципиальная электрическая схема 
(рис. 1.1), позволяющая уменьшить величину потребляемого тока при 
сварке и в связи с этим снизить массу выпрямителя. 
Рекомендуемая емкость конденсатора 
 

(
)

4

2

1
1 5 10
,
С
E
=
−
⋅
⋅
                                (1.1) 

 
где С – емкость конденсатора, мкФ;  
Е2 – действующее значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора, В. 
Максимальное напряжение холостого хода равно утроенному действующему значению ЭДС вторичной обмотки трансформатора. 
Схема удвоения напряжения в выпрямителе с трёхфазной мостовой схемой приведена в патенте [11]. 
Отличительными признаками данного изобретения является то, 
что с целью уменьшения массогабаритных показателей источника  
в него введены два резистора, при этом второй вывод каждого конденсатора подключен через соответствующий резистор с одной из вторичных обмоток силового трансформатора (рис. 1.2). 
На рис. 1.3 представлена электрическая схема и вольт-амперная 
характеристика источника питания [8]. 
От источника питания на вход мостового выпрямителя подается 
переменное напряжение, величина которого соответствует напряжению горения дуги. В режиме холостого хода (при отсутствии нагрузки) 
одновременно происходит выпрямление напряжения с помощью диодов 1, 2 и заряд конденсаторов 5, 6, каждый из которых заряжается до 
напряжения, равного Uвх·21/2. Заряд конденсаторов 5, 6 осуществляется 
через дроссель 7, что обеспечивает отсутствие при их заряде реактивной составляющей. Поскольку конденсаторы 5, 6 соединены в цепочке 
последовательно, то на ее выводах формируется удвоенное напряжение. При этом диоды 3, 4, параллельно которым подключены конденсаторы 5, 6, закрыты. При касании электродом детали (режим зажигания, то есть нагрузки) конденсаторы 5, 6 разряжаются через узел 9 
вольтовой дуги, открывая диоды 3, 4, обеспечивая при этом переход  
в режим мостового двухполупериодного выпрямителя с напряжением, 
величина которого уменьшиласьв два раза и стала равной напряжению 
горения дуги. Сглаживание пульсаций осуществляется с помощью 
конденсаторов 5, 6 и дросселей 7, 8, при этом КПД составляет ≈ 94 %. 

Глава 1. Конструкции и технологические характеристики источников питания 

12 

 

 
Рис. 1.3. Схема умножителя напряжения и вольт-амперная характеристика 
источника питания. 
 
Изготавливаются выпрямители с конденсаторным умножителем 
напряжения «Дуга» 318 МА для ручной дуговой сварки [82] и сварки  
в углекислом газе. Способ формирования внешней характеристики  
и устройство для его осуществления запатентованы [9]. 
Электрическая схема выпрямителя при однофазном трансформаторе приведена на рис. 1.4 [9]. 
Вход однофазного мостового выпрямителя (2, 3, 4, 5) подключен  
к общей точке источника 1 исходного переменного напряжения и одному из его выходов, а выход – к дуговому промежутку. Первые выходы 
двух конденсаторов 7 и 8 объединены в общую точку, а вторые выводы 
присоединены соответственно к выходу мостового выпрямителя. Общая 
точка конденсаторов 7 и 8 подключена ко второму выходу источника 1 
исходного переменного напряжения через регулятор тока 9. В сварочную цепь включен дроссель 6. 

δU1 
 
 
 
 
 
U1 

Uвых 

Uвх