Сварочные аппараты

Тема: « Сварочные аппараты.»

Содержание.

Введение

1. Виды сварки. Виды сварочных аппаратов.

1.1 Трансформаторы сварочные.

1.2 Выпрямители сварочные.

1.3 Инверторные сварочные аппараты.

2 Устройство трансформатора.

3. Расчет электросварочного трансформатора.

Заключение.

Введение.

В настоящее время не существует такой промышленной отрасли, в которой не применялась бы сварка. Особенно широко сварочные работы применяются в строительстве. Существует множество моделей сварочных аппаратов и каждый из них предназначен для определённого вида сварки металла, но в основе любой конструкции сварочного устройства лежит принцип преобразования характеристик ЭДС с помощью трансформатора.

Актуальность данной работы заключается в том, что изучение электро-технического устройства сварочного трансформатора позволяет закрепить практически полученные теоретические знания.

Целю данной работы, является изучение устройства строительного электрооборудования.

Задачей данной работы является изучение электротехнического устройства сварочного трансформатора.

Объектом работы является строительное электрооборудование.

Предметом работы является сварочный трансформатор.

Метод данной работы – изучение учебной литературы.

1. Виды сварки. Виды сварочных аппаратов.

В настоящее время существует большое количество видов и типов сварки, вот только некоторые из них:
- ручная электродуговая с
- аргонодуговая сварка
- полуавтоматическая сварка
- плазменная сварка
- точечная сварка
- газовая сварка
- контактная сварка (сопротивлением)
- электронно-лучевая сварка
- лазерная сварка
- термическая сварка варка

Каждому виду соответствует своё специальное оборудование. Но в данной работе нас интересуют устройства, производящие сварку с помощью электрического тока. Электродуговой сварочный аппарат, как правило, представляет собой источник питания постоянного или переменного тока, сварочная цепь которого гальванически развязана от сети электропитания, выполняющий функцию дуговой сварки плавлением, контактной сварки, сварки давлением. Он может представлять собой простой трансформатор, а так же сложный высокотехнологический агрегат В течение последних 100 лет для того, чтобы получить источник питания для сварки, использовалось большинство из доступных электрических и электронных технологий: от обыкновенного трансформатора до инверторов, обеспечивающих резонанс на частоте переключения более 100 кГц, от селеновых диодов до 32-разрядных микропроцессоров.
На данный момент существует три основных вида сварочных аппаратов для дуговой сварки:
- трансформаторы (наиболее просты по устройству и эксплуатации) - выпрямители (более высокого уровня по сравнению с трансформаторами)
- инвертор ( достижение в разработке сварочных аппаратов, уменьшение веса и энергозатрат).

1.1 Трансформаторы сварочные (источники питания переменным током).

Это специальные виды однофазных и трехфазных трансформаторов, а также электромашинные генераторы повышенной частоты (400—500 Гц). Существуют два основных принципа построения сварочных трансформаторов: с нормальным магнитным рассеянием и дополнительным индуктивным сопротивлением — дросселем и с искусственно увеличенным магнитным рассеянием.
Трансформаторы первой группы бывают двух основных типов:

а) в двухкорпусном исполнении с отдельным дросселем а между обмотками трансформатора и дросселя имеется только электрическая связь, а величина сварочного тока изменяется путем изменения воздушного зазора в магпитопроводе дросселя.

б) в однокорпусном исполнении между обмотками трансформатора и дросселя существует как электрическая, так и магнитная связь; трансформаторы этого типа экономичнее и удобнее в эксплуатации.
В трансформаторах второй группы (в однокорпусном исполнении) необходимые внешние характеристики создаются за счет изменения реактивного сопротивления трансформатора. Это достигается за счет принудительного изменения расстояния между первичной и вторичной обмотками за счет изменения величины рассеяния магнитосиловых линий при помощи магнитного подвижного шунта , вводимого в зазор между удаленными друг от друга обмотками.

1.2 Выпрямители сварочные однопостовые (источники питания постоянным током).

Этот сварочный аппарат состоит из трансформатора и блока вентилей. Иногда в комплект выпрямителя входит также дроссель, включенный в цепь постоянного тока для получения нормального переноса электродного металла в дуге. В основном применяют многофазные выпрямители. В выпрямителях с полого-падающей характеристикой используют трансформаторы с малым сопротивлением короткого замыкания. Для получения падающей характеристики необходимы трансформаторы с дросселями или с развитым магнитным рассеянием, аналогичные ранее описанным. В современных выпрямителях применяют преимущественно кремниевые вентили, а в ряде случаев селеновые. Селеновые выпрямители обладают большой перегрузочной способностью и необходимы для сварочных аппаратов с падающей или жесткой характеристиками.
Кремниевые выпрямители применяют главным образом в источниках с падающими характеристиками. Они отличаются малым размером и, как следствие, очень напряженным тепловым режимом работы.

1.3 Инверторные сварочные аппараты.

Это последнее слово техники в сварочном производстве. Инвертор является блоком питания и генератором сварочного тока, и имеет габариты в 10 раз меньше габаритов выпрямителей и трансформаторов с теми же характеристиками, а главное инверторный аппарат имеет КПД около 90%.. Основным принципом работы сварочного аппарата инвертора является многократное поэтапное преобразование электрической энергии. Можно выделить основные этапы преобразования тока в сварочном инверторе:
• выпрямление переменного сетевого напряжения частотой 50 Гц в первичном выпрямителе, собранном из силовых диодов по мостовой схеме;
• преобразование полученного выпрямленного напряжения с повышенными пульсациями в переменное напряжение высокой частоты с помощью инвертирующего преобразователя;
• понижение переменного напряжения высокой частоты импульсным высокочастотным трансформатором до значения, соответствующего напряжению сварки, с формированием необходимого вида вольтамперной характеристики;
• преобразование вторичным выпрямителем переменного напряжения высокой частоты, имеющего величину сварочного напряжения, в постоянное напряжение со сглаживанием пульсаций тока.

2 Устройство трансформатора.

. Трансформатор — устройство, которое позволяет как повышать, так и понижать напряжение.

Впервые трансформаторы были использованы в 1878 г. русским ученым П. Н.Яблочковым для питания изобре­тенных им «электрических свечей» — нового в то время источника света. Идея П. Н. Яблочкова была развита сотрудником Москов­ского университета И. Ф. Усагиным, сконструировавшим усовершенствованные трансформаторы.

Трансформатор состоит из замкнутого железного сердечника, который изготовляют в основном из тонких пластин специальной стали. Это сделано для того, чтобы не терять энергии при преобразовании напряжения. В листовом материале вихревые токи будут играть меньшую роль, чем в сплошном.

На него надеты две (иногда и более) катушки с проволочны­ми обмотками . Одна из обмоток, называемая первич­ной, подключается к источнику переменного напряжения. Вторая обмотка, к которой присоединяют «нагрузку», т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторич­ной.

Действие трансформатора основано на явлении электромаг­нитной индукции. При прохождении переменного тока по первич­ной обмотке в железном сердечнике появляется переменный маг­нитный поток, который возбуждает э.д.с. индукции в каждой обмотке. Причем мгновенное значение э.д.с. индукции е в любом витке первичной или вторичной обмотки согласно закону Фарадея определяется формулой

е = - ? Ф/ ? t.

Если Ф = Ф₀ соs?t, то

е = ? Ф₀ sin?t, или

е = E₀ sin?t ,

где E₀= ? Ф₀ - амплитуда э.д.с. в одном витке.

В первичной обмотке, имеющей п₁ витков, полная э.д.с. индук­ции e₁ равна п₁е.

Во вторичной обмотке полная э.д.с. е₂ равна п₂

е, где п₂ - чис­ло витков этой обмотки.

Отсюда следует, что

e_1/ е_{2 =} п_1/ п₂. (1)

Сумма напряжения u₁, приложенного к первичной обмотке, и

э.д.с. e₁ должна равняться падению напряжения в первичной

обмотке:

u₁ + e₁ = i₁ R₁, где

R₁ - активное сопротивление обмотки, а i₁ -

сила тока в ней. Данное уравнение непосредственно вытекает из общего

урав­нения. Обычно активное сопротивле­ние обмотки мало и членом i₁

R₁ можно пре­небречь. Поэтому

u₁ ? - e₁. (2)

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не течет, и имеет

место соотношение

u₂ ? - e₂. (3)

Так как мгновенные значения э.д.с. e₁ и e₂

изменяются синфазно, то их отношение в формуле (1) можно заменить отношением

дей­ствующих значений E₁ и E₂ этих э.д.с. или,

учитывая равенства (2) и (3), отношением действующих значений напряжений U

₁ и U₂.

U₁/U₂ = E₁/E₂ = n₁/ n₂= k. (4)

Величина k называется коэффициентом трансформации. Ес­ли k>1,

то трансформатор является понижающим, при k<1 - повышающим.

При замыкании цепи вторичной обмотки в ней течет ток. Тогда соотношение u

₂ ? - e₂ уже не выполняется точно, и соответ­ственно

связь между U₁ и U₂ становится более

сложной, чем в уравнении (4).

Согласно закону сохранения энергии мощность в первичной цепи должна равняться

мощности во вторичной цепи:

U₁I₁ = U₂I_2, (5)

где I₁ и I₂— действующие значения силы в первичной и вто­ричной обмотках.

Отсюда следует, что

U₁/U₂ = I₁/I₂ . (6)

Это означает, что, повышая с помощью трансформатора на­пряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем си­лу тока (и наоборот).

Вследствие неизбежных потерь энергии на выделение тепла в обмотках и железном сердечнике уравнения (5) и (6) вы­полняются приближенно. Однако в современных мощных транс­форматорах суммарные потери не превышают 2—3%.

Электромагнитной мощностью трансформатора называется мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную электромагнитным путем. Она равна произведению э.д.с. этой обмотки на величину тока нагрузки, т.е.

P = E2I2

Полезной, или отдаваемой, мощностью трансформатора называется произведение эффективного напряжения на зажимах вторичной обмотки на величину ее нагрузочного тока

P2 = U2I2

Расчетной мощностью трансформатора называется произведение эффективного тока, протекающего по обмотке, на величину напряжения на ее зажимах. Эта мощность характеризует собой габаритные размеры обмотки, т.к. число витков обмотки определяется напряжением на ее зажимах, а сечение провода - эффективным током. Расчетная мощность первичной обмотки равна произведению напряжения на ее зажимах и тока, потребляемого трансформатором из сети, т.е.

P1 = U1I1

Типовой, или габаритной, мощностью называется мощность, определяющая размеры всего трансформатора. Ее величину определяют по формуле

Pтип = (P1+P2)/2

где P1 и P2 - расчетные мощности обмоток трансформатора. В процессе работы трансформатора в его магнитопроводе и в его обмотках затрачивается некоторая часть подводимой к нему энергии и поэтому мощность, потребляемая трансформатором из сети, всегда больше мощности, отдаваемой нагрузке. Конструктивные характеристики определяются весом, габаритами, формой, приспособленностью к совместному размещению с другими элементами конструкции радиоэлектронного блока или аппарата, а также приспособленностью к экономически целесообразному процессу изготовления. Эксплуатационными характеристиками трансформатора являются долговечность и надежность. Вольтамперная характеристика. Важнейшая характеристика любого источника тока - ВАХ - у него определена конструктивно и не может быть изменена в процессе эксплуатации. Отсюда посредственные динамические качества. Такой аппарат имеет большой вес и крупные габариты, но зато надежен и практически "не убиваем". Если он оборудован выпрямителем, то часто допускает работу на токе двух родов. На современных моделях часто используют тиристорное управление выходными параметрами. Это позволяет снизить массу и габариты, уменьшить "инертность", реализовать некоторые полезные функции и улучшить динамические характеристики. У таких аппаратов возможны коррекция ВАХ и работа с очень маленькими токами (до 2 А). Практически все такие источники имеют выход только по постоянному току. При проектировании источников питания для сварочных аппаратов необходимо учитывать особенности ВАХ последних. Так, при индуктивной нагрузке (сварочный трансформатор), внешняя характеристика синхронного генератора имеет резко падающий характер, причем с уменьшением cos падение напряжения усиливается (рис.2, X>0). При активно-емкостной нагрузке (сварочный инвертор) cos опережающий и с ростом потребляемого тока напряжение возрастает тем сильнее, чем меньше cos (рис 2, X<0). При U=0 (короткое замыкание) все характеристики пересекаются в одной точке, соответствующей значению тока трехфазного короткого замыкания.

Процесс электродуговой сварки (без подачи инертного или каталитического газа) заключается в создании условий для образования электрической дуги при напряжении 50...80 В между электродом и свариваемыми деталями и дальнейшим поддержанием дуги при напряжении 18...25 В для расплавления материала деталей и электрода. Источник напряжения сварочного аппарата должен обладать хорошими динамическими характеристиками. Рабочее напряжение на дуге должно быстро устанавливаться и изменяться в зависимости от длины дуги, обеспечивая ее устойчивое горение. Для постоянного тока достаточно напряжение зажигания 30 - 40 В, в то время как для переменного необходимо напряжение 40 - 60 В. Время восстановления рабочего напряжения при коротком замыкании от 0 до 30 В не должно превышать 50 мс. Ток К.З. (короткого замыкания) не должен превышать рабочий более, чем на 25 - 100%.Для этого необходим источник тока с так называемой "падающей" вольтамперной характеристикой.. При ручной дуговой сварке внешняя характеристика, источника тока должна быть падающей, т.е. напряжение должно уменьшаться с увеличением тока.

При крутой динамической характеристике источника питания динамические токи КЗ значительно меньше (они близки к статическим токам КЗ) и при удлинившейся дуге образуется стабильная рабочая точка.

В аппаратах переменного тока, работающих от однофазной сети, дуга должна возникать при каждом полупериоде питающего напряжения, что делает более жесткими требования к аппарату и материалу электрода, чем при сварке постоянным током или трехфазным.

3. Расчет электросварочного трансформатора.

Сначала находят требуемую мощность. Основным критерием здесь служит максимальный диаметр электрода, определяющий примерное действующее значение сварочного тока. Так, для электрода диаметром 1,5 мм сварочный ток должен быть в пределах 25...40 А, для 2 мм - 60...70 А, для 3 - 100...140, для 4 - 160...200. Мощность трансформатора в ваттах равна Ртр=25*Icв, где Icв- сварочный ток в амперах.

Далее определяют сечение магнитопровода в см.кв.: S>0,015*Р (где Р - в ваттах). Для магнитопроводов отличных от тороидального следует увеличить сечение в 1,3...1,5 раза. Затем вычисляют диаметр в мм. провода первичной обмотки: di >= 1,13 . Диаметр в мм провода вторичной обмотки вычисляют по формуле: dii>=1,13 , где i - плотность тока в А/мм2. При токе I, меньшем 100 А, принимают i равной 10 А/мм2; при токе менее 150 А - 8 А/мм2, при токе менее 200 А - 6 А/мм2. Если используют некруглый провод, его сечение должно быть равным сечению круглого. В расчете принято, что среднее суммарное время горения дуги не превышает 20 % от среднего суммарного времени пауз между периодами горения дуги.

Теперь обычным порядком рассчитывают условия заполнения обмотками окна магнитопровода. Соотношения здесь не даны; напомним лишь о необходимости внимательно отнестись к расчету, не забыть учесть толщину слоев изоляции.

В качестве примера можно рассмотреть следующий вариант сварочного трансформатора.. Первичная обмотка сконструирована так, чтобы возможно было варьировать число витков, включенных в сеть. Намоточные характеристики трансформатора представлены в таблице.

Таблица 1. Намоточные характеристики трансформатора.

Таким образом, сетевое напряжение 220 В у первого из трансформаторов (рис. 7) может быть подведено к 210, 220, 230 или к 240 виткам первичной обмотки, а у второго - к 115, 135, 155, 165 или к 185 виткам. Это позволяет в довольно широких пределах изменять коэффициент трансформации и вместе с коммутацией сильноточных обмоток III-VII (III- IX) подбирать оптимальный режим сварки. Для дуговой сварки сильноточные обмотки соединяют последовательно, а для контактной - параллельно.

Библиография.

1. Каретников К. А. Расчет трансформаторов и дросселей. М..:, 1973. - 272с.

2. Белопольский И. И., Пикалова Л. Г. Расчет трансформаторов и дросселей малой мощности. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 272с.

3. Простаков В. Г. Открытия, изобретения. 1987.N22

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://academout.ru/

Заключение.

В данной работе рассмотрены основные типы сварочных аппаратов. Выяснено, что существует три основных вида сварочных аппаратов для дуговой сварки:

- трансформаторы

-выпрямители

-инверторы

Рассмотрены их основные конструктивные особенности.
Также выяснено, что в основе конструкции сварочного устройства заключен трансформатор, устройство, которое позволяет как повышать, так и понижать напряжение. Действие трансформатора основано на явлении электромаг­нитной индукции. Рассмотрены основные характеристики физических процессов, протекающих при прохождении ЭДС через первичную и вторичную обмотки сварочного трансформатора.

Также в работе рассмотрены основные технические характеристики