Способ питания дуги переменного тока Советский патент 1980 года по МПК B23K9/00 

Изобретение относится к электротехнологии, а именно к сварке и резке металлов, и может применяться в любой отрасли промышленности для ручной дуговой сварки, сварки под флюсом и сварки в среде защитных газов. Наиболее эффективное применение указанный способ может найти при сварке в условиях, требующих высоких напряжений зажигания при относительно низких значениях напряжения холостого хода. Известен способ питания дуги переменного тока от трансформатора с жесткими внещними характеристиками с использованием последовательно соединенных реактора и конденсатора 1. Однако в известном способе в случае длительного короткого замыкания, связанного с нарушением процесса сварки, ток в цепи, реактивные элементы которой настроены в резонанс на частоту сети, ничем не ограничен. Он может вырасти до бесконечности. Падение напряжения на эле-, ментах цепи превосходит рабочие на несколько порядков. Это может привести к выходу из строя конденсаторов. Очень большой ток прожигает образец. Для того, чтобы избежать эти явления, в последовательно С дугой вводят активные сопротивления, которые ухудшают энергетические характеристики устройства, ограничивают их применение, сводят на нет преимущества резонансной схемы. Кроме того, в резонансной цепи ток не может вырасти мгновенно, время переходного процесса определяется абсолютными значениями величин индуктивности и емкости, начало технологического процесса затруднено. Поэтому, если не принять специальных мер, часто происходит «замерзание электрода, ухудшение его подачи. Ведение сварки в известном способе возможно только на одно.м токе. Отсутствие регулирования тока также является его недостатком. Цель изобретения - повышение надежности возбуждения дуги, ограничение длительности токов короткого замыкания. Поставленная цель достигается тем, что реактор и конденсатор настраивают в резонанс с частотой, отличной от частоты питающей сети, причем разность частот определяют по отношению рабочего тока к току короткого замыкания в зависимости от технологического процесса, а конденсатор заряжают напряжением, составляющим 0,2- 0,7 от рабочего напряжения.

Иа фиг. 1 приведена принципиальная электрическая схема, поясняющая принцип реализации способа; на фиг. 2 - изменение тока и напряжения на конденсаторе 8 зависимости от величины начальных условий; на фиг. 3 - кривые установившегося процесса тока и напряжения на дуге, падений напряжений на реакторе и конденсаторе, напряжения зажигания и холостого хода.

К первичным обм.откам трансформатора I (см. фиг. 1) подсоединены реактор 2 и конденсатор- 3 (включение этих элементов возможно и со BtopH4HOH стороны трансформатора). Действующее значение тока в цепи определяется уравнением I -„.Ji-- VZZ+tXu-Xct Для ограничения тока короткого замыкания в предлагаемом способе сопротивление одного из элементов выполняется больше сопротивления другого. Разность этих сопротивлений выбирается в зависимости от технологического процесса сварки. Причем абсолютное значение отношения двух реактивных сопротивлений определяется отношением сварочного токаК току короткого замыкания. Напряжение на элементах цепи выбирается из условий максимально допустимых при данном токе короткого замыкания. Возможно преобладание как емкостного, так и индуктивного сопротивления, при этом эффект ограничения тока не меняется. Однако предпочтительным является .

Причем, рациональная степень преобладания одного реактивного сопротивления над другим, зависит от вида технологического процесса, величины сварочного тока. Например, для ручной дуговой сварки сопротивление индуктивности выбирается в 1,6 раза больше емкостного. А при сварке в среде защитных газов и под флюсом это различие должно быть меньше (в 1,2 раза). .При преобладании индуктивного сопротивления, резонансная частота цепи (фиг. 1) брЛБшзе частоты питающей сеги во столько раз, Фо скоЛько индуктивное сопротивление больше емкостного. В этом случае цепь принимает индуктивный характер на частоте питающей сети. Преобладание емкостного сопротивления возможно, но непредпочтительна, оюскольку ухудшает использование элементов цепи..

Рассмотрим процесс повторного возбуждения дуги при резонансе напряжений. Предположим, что цепь (фиг. 1) имеет индуктивный характер, реактор и конденсатор - линейные элементы.

Процесс повторного возбуждения дуги связа11 с горением дуги, погасанием, сменой полярности, преддуговой стадией горения, возбуждением и горением ее. В момент перехода тока через нуль сварочная цепь почти разорвана.

Напряжение на реакторе отстает от тока на угол П/2 (фиг. 3).

Высокое напряжение на емкости благоприятствует ионизации дугового промежутка, форсируется развитие преддугового тока и начинается повторное возбуждение дуги (момент i|)).

В момент погасания дуга обладает очень большим сопротивлением (теоретически равным бесконечности). По мере возбуждения, сопротивление столба дуги уменьшается. Падение напряжения на конденсаторе DC находится в противофазе с напряжением на реакторе, UL. В момент to - напряжение на емкости максимально и при начале повторного возбуждения дуги to-t- не меняется (падение напряжения на емкости не может измениться мгновенно). Ток разряда конденсатора находится в противофазе с напряжением, т. е. ток разряда совпадает по фазе с предстоящим направлением свароч ного тока и поэтому усиливает преддуго0 вой ток.

Таким образом, напряжение на индуктивности благоприятствует повторному возбуждению дуги, а ток на емкости увеличивает по абсолютной величине преддуговой ток. Напряжение холостого хода определяет только напряжение на дуге и практически не принимает участия в формировании напряжения повторного возбуждения. Это является принципиальным отличием предлагаемого способа питания дуги переменного тока.

При настройке цепи в резонанс (фиг. 1) на частоту, большую или меньшую частоты питающей сети, появляется возможность питания дуги от источника с жесткими внешними характеристиками без ограничительных активных сопротивлений. При этом ток короткого замыкания ограничивается преобладающим индуктивным или емкостным сопротивлением.

В резонансной цепи ток не может вырасg ти мгновенно, постоянная времени цепи зависит от абсолютных величин емкостного и индуктивного сопротивления. Медленное нарастание тока в дуговых процессах,начинающихся с короткого замыкания, приводит к ухудшению условий начального зажнJ гания. Вкладываемая тепловая мощность недостаточна для перегорания перемычки и электрод «замерзает.

Введенный нами начальный, предвари.тельный заряд емкости позволяет увеличить скорость нарастания тока. Чем больше заряд емкости (Ueo), тем быстрее ток выходит на рабочий режим. Это видно из кривых на фиг. 2. Эксперймент.ально доказано, что напряжение предварительного заряда на 55 емкости (Ueo, фиг. 1) должно быть 0,2-0,7 от рабочего напряжения. Это напряжение достаточно для уменьшения времени переходного процесса нарастания тока и благоприятствует начальному возбуждению дуги.

Благодаря нелинейности вольт-амперной характеристики дуги для регулирования тока по предлагаемому способу питания достаточно немного изменить вторичное напряжение. Причем, регулирование этого напряжения необходимо осуществлять только за счет изменения коэффициента трансформации, например с помощью магнитной коммутации, без изменения параметров цепи. Изменение их приводит к расстройке схемы и иарушению резонанса.

Начальное напряжение на емкости выбирается в зависимости от качества условий, вида сварки, используемых материалов, а также зависит от среды, в которой осуществляется сварка.

В качестве примера, реализующего пред)1агаемый способ, рассмотрим устройство (фиг. 1), содержащее трансформатор 1, регулируемый подмагничиванием, реактор 2 и конденсатор 3. Включение реактивных элементов 2 и 3 осуществляется со вторичной стороны. Один из этих элементов, например реактор 2, выполнен регулируемым. Это позволяет настраивать схему (фиг. 1) в резонанс на частоту, отличную от частоты питающей сети. При резонансе на частоте питающей сети абсолютные значения реактивных элементов удовлетворяют условию: Хи Хс- При этом частота резонанса совпадаег с частотой питающей сети.

WP (Всетн j;,

где шр - резонансная частота.

В случае преобладания одного реактивного элемента над другим, например Xi. Хс, эти частоты не совпадают. Резонанс наступает на частоте больщей, чем частота сети. При этом на индуктивном сопротивлении (реактор 2) падение напряжения больше, чем на емкостном. В случае преобладания емкостного сопротивления частота сети меньше резонансной частоты.

Ис Шр U)L.

где Oj-резонансная частота при Х(. Xi,; Шц- резонансная частота при Х Хц.

Для ручной дуговой сварки ток короткого замыкания должен быть больще номинального тока в 1,6 раза. Если пренебречь активным сопротивлением реактивных элементов, то разностное сопротивление составляет

Хр (Хц) - (Хс) 0,6. .Если это сопротивление выбрать индуктивным Xt. 1,6Хе, .то сварочная цепь будет индуктивной, ее ток будет ограничиваться индуктивнымсопротивлением. Г1ри этом резонансная частота будет больше частоты питающейсети на величину, пропорциональную резонансному индуктивному сопротивлению. Если Х5 будет емкостным «е Шр, то шр ; е«тиВ схеме эффективно может быть применен трансформатор,- регулируемый магнитдой коммутацией. Такой трансформатор плавно изменяет напряжение вторичной обмотки за счет изменения коэффициента трансформации. При этом его реактивное сопротивление почти не изменяется. Это i позволяет плавно регулировать ток, не выводя из настройки 1С-контур. Настройка контура осуществляется за счет изменения величин реактивных элементов и в процессе, регулирования тока остается постоянной.

Для уменьщения времени нарастания тока короткого замыкання в устройстве (фиг. конденсатор 3 предварительно заряжен напряжением, близким к его рабочему напряжению. Этот предварительный заряд можно осущ.ествлять от постороннего маломощного источника, как показано на фиг. 1. При этом время переходного процесса значительно уменьшается. Например, при UCQ 0,74,время переходного процесса составляет t 0,05-0,09 с.

Таким образом в предлагаемом способе одновременно осуществляется ограничение тока короткого замыкания без дополнительных потерь, уменьшение времени переходного процесса и плавное регулирование тока.

Формула изобретения

Способ питания дуги переменного тока от трансформатора с жесткими внешними характеристиками с использованием последовательно соединенных реактора и конденсатора, отличающийся тем, что, с целью ограничения тока короткого замыкания с одновременным повышением надежности возбуждения дуги, указанные реактор и конденсатор настраивают в резонанс с частотой, отличной от частоты питающей сети, причем разность частот определяют по отношению рабочего тока к току короткого замыкания в зависимости от технологического процесса, а конденсатор заряжают напряжением, составляющим 0,2-0,7 от рабочего напряжения.

Источники информации, принятые во цнимакие при экспертизе „ 1. Патент США № 3617689/27, кл. 219- 131, 1970.

00

и.