✓ с независимым возбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой в сварочной цепи. Независимая обмотка работает от сети переменного тока и подключена через понижающий трансформатор. Благодаря выпрямителю возникает магнитный поток, который возбуждает требующееся для загорания сварочной дуги напряжение на щетках. Регулировка тока осуществляется путем переключения перемычки числа витков обмотки. В пределах диапазонов малых и больших токов сварочный ток корректируется реостатом. Представленная на рис. 36 схема реализовывалась в генераторе ГСО-500, который устанавливался на преобразователе ПСО-500. В последнее время генераторы данной конструкции почти не производятся;
✓ с самовозбуждением с намагничивающей параллельной и размагничивающей последовательной обмотками, например ПСО-300 М, С-300–1 и др. На полюсах генератора находятся две обмотки – намагничивающая и размагничивающая. В первой ток создает генератор с помощью третьей щетки (на рис. 36 она обозначена цифрой 6), которая устанавливается на коллекторе между основными щетками (цифры 5 и 7). Падающая внешняя характеристика возникает благодаря встречному включению обмоток. Для регулировки тока используется реостат со ступенчатым переключателем.
Рис. 36. Электрическая схема генератора: а – с независимым возбуждением: 1 – сеть; 2 – стабилизатор напряжения; 3 – понижающий трансформатор; 4 – селеновый выпрямитель; 5 – реостат; 6 – намагничивающий магнитный поток; 7 – диапазон больших токов; 8 – диапазон малых токов; 9 – перемычка
Рис. 36 (окончание). Электрическая схема генератора: б – с самовозбуждением: 1 – намагничивающий магнитный поток; 2 – размагничивающий магнитный поток; 3 – ток намагничивающей обмотки; 4 – реостат; 5, 6, 7 – щетки на коллекторе якоря генератора; 8 – перемычка
Основные технические данные преобразователей различных типов представлены в табл. 21.
Как и за трансформаторами, за сварочными преобразователями необходимо правильно ухаживать, чтобы продлить срок их службы. Их следует защищать от атмосферных осадков, но при этом следить за тем, чтобы охлаждение устройства не страдало, иначе не избежать перегрева обмоток. Особое внимание уделяют таким его частям, как коллектор, щетки, щеткодержатели и подшипники. Их содержат в чистоте, систематически удаляют нагар и осматривают, а изношенные детали заменяют.
Таблица 21
Технические параметры преобразователей некоторых типов
3. Сварочные преобразователи в последние годы были потеснены более совершенными устройствами – сварочными выпрямителями. Эти приборы преобразуют переменный ток в постоянный и применяются в качестве источника питания сварочной дуги. Они комплектуются понижающим трансформатором с регулирующим ток устройством, выпрямительным блоком с полупроводниковыми вентилями и вентилятором для охлаждения. Как правило, для выпрямителей применяют селеновые и кремниевые вентили. В некоторых случаях такое устройство оснащают дросселем, который подключают в цепь постоянного тока, чтобы получить падающую внешнюю характеристику.
Существуют две типовые схемы выпрямления (рис. 37):
✓ однофазная мостовая схема двухполупериодного выпрямления;
✓ трехфазная мостовая схема.
Чаще всего используется трехфазная мостовая схема, поскольку она обладает рядом преимуществ, в частности обеспечивает меньшие колебания напряжения, оптимизирует применения трансформатора и равномерно загружает трехфазную сеть.
Рис. 37. Электрическая схема сварочного выпрямителя: а – однофазная мостовая; б – трехфазная мостовая; 1–6 – полупроводниковые вентили
Полупроводниковые вентили пропускают ток лишь в одном направлении и преобразуют переменный ток в пульсирующий постоянный. Материалом для них служат кремний, германий и селен, причем последний предпочтительнее. Селеновый вентиль (рис. 38) представляет собой тонкое металлическое основание с нанесенным на него слоем кристаллического селена, на котором находится электрод из специального сплава. Между селеном и электродом образуется тонкий запирающий слой из селенистого кадмия, который и выполняет выпрямляющие функции.
Селеновые вентили используют для выпрямителей с падающей и жесткой внешней характеристикой, кремниевые – в основном в устройствах с падающей внешней характеристикой. Поскольку кремниевые вентили нуждаются в активном охлаждении, с этой целью в выпрямитель вставляют вентилятор. Технические параметры выпрямителей разных типов представлены в табл. 22.
Рис. 38. Полупроводниковый вентиль: 1 – основание; 2 – селен; 3 – селенистый кадмий; 4 – электрод
Выпрямители бывают как одно-, так и многопостовыми. Поскольку каждый отдельный пост должен работать независимо от других, источник питания имеет жесткую внешнюю характеристику. Хорошо показали себя многопостовые выпрямители серий ВКСМ и ВДМ. Параметры одного из них представлены в табл. 23.
Таблица 22
Технические характеристики некоторых сварочных выпрямителей различных типов
Таблица 23
Технические характеристики многопостового выпрямителя вдм-1201
4. Самые современные и конструктивно сложные источники сварочного тока – это сварочные инверторы (рис. 39).
Если сравнивать его устройство с классическими преобразователями, оно гораздо сложнее. Прежде всего у инвертора нет силового трансформатора. Его работа основана на принципе инверсии (фазового сдвига) напряжения, для реализации которого прибор оснащен электронной микропроцессорной схемой с покаскадным усилением тока. Это позволяет расширить спектр внешних (вольт-амперных) характеристик – от крутопадающей до возрастающей, при этом отклонения тока доведены до уровня десятых долей процента, т. е. практически отсутствуют, благодаря чему качество сварки значительно улучшилось.
Рис. 39. Принципиальная схема сварочного инвертора: 1 – питающая сеть; 2 – сетевой выпрямитель; 3 – сетевой фильтр; 4 – преобразователь частоты; 5 – сварочный трансформатор; 6 – силовой выпрямитель; 7 – блок управления; 8 – сварочная дуга
Инвертор работает на больших токах, высоких частотах и напряжениях, причем входное напряжение проходит два этапа преобразования: во-первых, переменное напряжение сети 220 В преобразуется в постоянное, во-вторых, постоянное трансформируется в высокочастотное переменное (частота достигает 200 кГц, что позволило уменьшить вес и габариты инвертора), которое опять выпрямляется и доставляется в сварочную дугу. Для преобразования и регулирования электрической энергии предусмотрен широтно-импульсный модулятор, основой которого являются либо биполярный транзистор с изолированным затвором (модуль IGBT), либо полевой транзистор на основе перехода «металл – оксид – полупроводник» (модуль MOSFET). Работу всей электроники, контроль параметров, обратную связь с дугой координирует микропроцессор.
Наличие высокочастотного генератора дает возможность применять инвертор для любого способа дуговой сварки и плазменной резки.
Разумеется, сложная и дорогостоящая электроника, установленная на инвертор и нуждающаяся в специальных условиях охлаждения, увеличивает стоимость данного источника питания, но достоинства, которыми обладает такой аппарат, и перспективы, открывающиеся благодаря его применению, делают его выгодным приоб ретением. Ниже перечислены основные преимущества инвертора:
✓ по сравнению с трансформаторами и выпрямителями инвертор потребляет примерно в 2 раза меньше электроэнергии, а в режиме холостого хода – приблизительно в 10 раз (это возможно за счет того, что нет внутренних индуктивных потерь). Поэтому он может работать от бытовой электросети и генератора;
✓ КПД инвертора составляет более 90 %, т. е. коэффициент мощности cos φ = 1, благодаря чему вся энергия, которую потребляет аппарат, идет на возбуждение и поддержание горения сварочной дуги;
✓ постоянный ток, который дает инвертор, имеет такие внешние характеристики, которые являются идеальными для сварки, тем более что их можно подстроить под каждый вид сварки плавлением (под ручную дуговую, аргонно-дуговую, полуавтоматическую) и тип сварного соединения;
✓ инвертор, обладающий плавной регулировкой тока с точностью до 10–15 А, позволяет варить все металлы (углеродистые и легированные стали, чугун, цветные металлы) и электродом любой марки, в том числе и диаметром 1,6 мм;
✓ инвертор экономно расходует не только энергию, но и электроды, поскольку разбрызгивание электродного металла довольно незначительное;
✓ благодаря микропроцессорному управлению инвертор постоянно отслеживает ситуацию на дуге и, опережая сварщика, вносит необходимые коррективы, например отключает напряжение на дуге через 0,5 секунды после короткого замыкания, поэтому электрод не прилипает, а аппарат не перегревается; при незначительных локальных коротких замыканиях инвертор вырабатывает серию коротких мощных импульсов тока, разрушающих перемычки жидкого металла, что имеет большое значение при сварке короткой дугой;
✓ высокочастотная составляющая обеспечивает высокое качество сварного шва, поскольку осуществляются обжатие и стабилизация сварочной дуги, а также предупреждается возникновение магнитного дутья;
✓ данный источник питания весит в 5–10 раз меньше (10–12 кг), чем обычные сварочные аппараты такой же мощности. Инвертор снабжен ремнем, поэтому его можно повесить на плечо и работать на любом участке (при сварке особо ответственных конструкций из разных материалов, труб и сварных соединений, когда из-за условий работы нельзя подвести громоздкое промышленное оборудование).
При эксплуатации инвертора необходимо иметь представление о некоторых специфических особенностях, в частности:
✓ надо четко различать условия производства и обычные бытовые и не пытаться применять инвертор для работ, на которые он не рассчитан, например перерезать рельсы, – модуль IGBT просто выйдет из строя (это самая дорогая деталь аппарата);