Чопперы в источниках питания для дуговой сварки производства ЗАО "УРАЛТЕРМОСВАР"

Милютин В.С. (УГТУ-УПИ), Сивоплясов А.Г., Логинов А.Г., Окулов А. А., Костюк Д Е, Ездаков Ю.Б. (ЗАО "Уралтермосвар")

Современный уровень развития силовых транзисторов поставил на повестку дня задачу широкого их внедрения в сварочное оборудование. Ведущие фирмы-изготовители полупроводниковых приборов предлагают транзисторно-диодные модули - чопперы. Чоппер в составе сварочного источника питания - это импульсный транзисторный преобразователь повышенного постоянного напряжения (50-100 В) в пониженное, необходимое для дуговой сварки (15-40 В) [1]. Так же принято называть и более сложные комплектные устройства на их основе, дополнительно включающие в себя входной емкостный фильтр, выходной дроссель, а также систему управления. Начиная с 2008 г, предприятие ЗАО «Уралтермосвар» конструирует и успешно внедряет в своих источниках такие модули. Итогом тщательного выбора имеющихся на рынке силовых элементов, а также проектирования микропроцессорной системы управления и разработки для нее программного обеспечения, ориентированного на решение задач современной сварочной технологии, стали две базовые модели чопперов:

• автономный постовой регулятор ЧПР-315 для комплектования многопостовых систем вместо балластных реостатов,

• встроенный регулятор ВЧР-400 (ВЧР-250) в составе сварочных вентильных генераторов, в свою очередь входящих  в агрегаты с двигателями внутреннего сгорания.   

Автономный постовой регулятор (рис.1). В основу чоппера ЧПР-315 (рис.2) заложен силовой блок А1, состоящий из восьми параллельно включенных транзисторов VT1...VT8 и шести высокочастотных диодов VD1...VD6, а также из батареи конденсаторов С1...С24. Для сварки дугой обратной полярности входной разъем чоппера - штырь XP1 - подключается к плюсовому зажиму многопостового источника, а выходной разъем XS3 - к электрододержателю. Гнездо ХS2 подключается к общей минусовой шине источника.

Рис.1 Внешний вид чоппера ЧПР-315

Рис 2. Упрощенная принципиальная схема чоппера ЧПР-315

Для запуска чоппера тумблером SA1 через предохранитель F запитывается микропроцессорный блок управления А2. В результате включается тиристор VS и производится зарядка буферных конденсаторов С1...С24, на этом завершается подготовка чоппера к работе. Принцип действия транзисторного преобразователя заключается в следующем. В момент касания электродом детали блок управления отпирает транзисторы. В результате от источника к дуге по пути XP1-VS-(VT1...VT8)-L-XS3 проходит ток - идет первый период длительностью не более 40 мкс. Затем транзисторы выключаются, и ток в нагрузке поддерживается ранее запасенной энергией дросселя  по пути (VD1...VD6)-L-XS3 - идет второй период. Далее процессы в преобразователе повторяются с частотой 25 кГц. Режим сварки настраивается потенциометром RP1 «сварочный ток», либо таким же потенциометром на дистанционном пульте, подключаемом к разъему XS4. Форсирование дуги настраивается потенциометром RP2 «ток короткого замыкания». Характеристики системы управления в зависимости от типа покрытия используемых электродов можно изменить тумблером SA2 « Электрод основной-целлюлозный». В блок управления поступают также непоказанные на схеме сигналы датчика тока, с помощью которого осуществляется обратная связь по сварочному току, а также температурного датчика, контролирующего нагрев силового блока. Кроме управления работой силового блока, тиристора и вентилятора блок А2 обеспечивает индикацию параметров режима при настройке и сварке, а также предупреждений о неисправностях.

Важное отличие чоппера от балластного реостата заключается в том, что ток на его входе в 2-3 раза меньше, чем ток на выходе - сварочный ток.  По этой причине для подключения чоппера  к многопостовому источнику можно использовать более тонкие провода. Главное же, количество постов, питаемых от общего источника, может быть увеличено в 1,5-1,8 раза, поскольку КПД чоппера составляет 0,8-0,95, тогда как у балластного реостата он не превышает 0,5, а на низких режимах опускается до 0,25. Например, к многопостовому выпрямителю марки ВДМ-1201 с учетом коэффициента одновременности 0,65 можно подключить 12 чопперов марки ЧПР-315. Причем экономия электроэнергии от замены одного балластного реостата чоппером за одну смену может составить 50 кВт-ч.

В технологическом процессе сварки система управления чоппером выполняет следующие функции:

• формирование комбинированной внешней характеристики,
• плавное регулирование сварочного тока,
• стабилизацию сварочного тока,
• начальное ограничение напряжения холостого хода,
• программное управление пуском,
• защиту от прилипания,
• форсирование дуги при крупнокапельном переносе.

Более подробно рассмотрим внешнюю характеристику, предназначенную для сварки электродами с  основным покрытием (рис. 3):

Рис. 3. Внешняя характеристика чоппера ЧПР-315 для сварки электродами с основным покрытием

• начальный жесткий участок 1 (с напряжением холостого хода 76 В и наклоном 0,04 В/А) проходит на 2-4 В ниже внешней характеристики многопостового источника;

• крутопадающий участок 2 (с наклоном 2 В/А) предоставляет возможность снижения тока при удлинении дуги, что может оказаться полезным при сварке в пространственных положениях, отличных от нижнего;

• вертикальный участок 3 является основным, на котором располагается точка устойчивого горения дуги и смещением которого на пересечении с характеристикой условной нагрузки U=20+0,04 I выполняется настройка сварочного тока (I_св=30-315А);

• участок короткого замыкания 4, смещением которого настраивается ток форсирования (1-1,7 I_св) для управления переносом электродного металла.

Для иллюстрации действия специальных функций рассмотрим с помощью осциллограмм тока и напряжения процесс зажигания дуги при сварке более проблемными электродами с целлюлозным покрытием (рис.4). Перед сваркой чоппер находится в безопасном состоянии ожидания с ограниченным напряжением холостого хода U_ох =12 В. С момента касания электродом детали ограничение снимается, и чоппер переходит к работе с полным напряжением в режиме горячего пуска при токе короткого замыкания, зависящем от настроенного сварочного (I_к =1,5I_св). Поскольку короткое замыкание затянулось более 0,5 с, сработала защита от прилипания, и ток короткого замыкания был ограничен величиной I_ок , равной 30А. Это облегчает отрыв прилипшего электрода и переход к режиму холостого хода. Поскольку последовавший далее интервал холостого хода с полным напряжением U_х не превысил допустимого значения 0,8 с, то снижения напряжения до 12 В не произошло. Поэтому при новом касании электродом детали сначала возник режим короткого замыкания, а затем - дуга в режиме горячего пуска с током I_гп =1,5I_св. Горячий пуск способствует надежному установлению дугового процесса, полному проплавлению начального участка шва и предупреждению начальной пористости. По истечении 1,5 с чоппер перешел к режиму сварки с настроенным током I_св

Рис.4 Осциллограммы тока и напряжения при зажигании (электрод марки Fox Cel диаметром 4 мм, ток 160 А, прямая полярность)

Динамические свойства чоппера можно оценить, например, с помощью осциллограмм тока I и напряжения U, записанных с разной скоростью. Режим сварки, представленный на рис. 5 : электрод диаметром 4 мм марки  ОК 53.70 (переключатель типа электродного покрытия - в положении «основной»), дуга обратной полярности,  настроенный сварочный ток I_св =160А, настроенные специальные функции - начальное ограничение напряжения холостого хода 12 В, горячий пуск 240 А, 0,5 с, форсирование дуги при коротких замыканиях каплями I_кк =190 А. На рис.5,а, полученном при самой медленной записи (1 с/дел), обнаружено четкое соблюдение циклограммы пуска (начальное ограничение напряжения холостого хода-горячий пуск-сварка), а также очень высокая стабильность сварочного тока (отклонения тока от настроенного не более ±3%). На рис.5,б, полученном при скорости 0,25 с/дел, выявляются моменты коротких замыканий при переносе капель по резким снижениям напряжения и пикам тока короткого замыкания каплями I_кк . Видно, что перенос регулярный с частотой около 4 Гц. На рис. 5,в, полученном при скорости 50 мс/дел, можно измерить длительность короткого замыкания каплей. Она составила 12-15 мс, что говорит об умеренно энергичном переносе, который зависит от настроенного значения тока форсирования. Наконец, на рис 5,г, полученном при скорости 0,04 мс/дел, проявляется принцип широтно-импульсного модулирования с частотой 25 кГц. На кривой тока  участок подъема соответствует первому периоду работы чоппера - интервалу включенного состояния силовых транзисторов, а участок спада тока - второму периоду, т.е. питанию дуги энергией дросселя. Видно, что колебания тока при этом составляют около 15%. Однако на устойчивости процесса сварки это не отражается, поскольку быстродействие тепловых процессов в дуге ниже, чем у электрических процессов  в чоппере.

Рис.5 Осциллограммы сварочных тока и напряжения при разной развертке

   

Некоторые результаты технологического эксперимента по испытанию сварочных свойств регулятора ЧПР-315 при его питании от многопостового выпрямителя ВДМ-1201 отражены в табл., остальные - обобщенно в нижеследующем тексте. При сварке электродами с покрытием основного типа марки УОНИ-13/55 диаметром 2,5; 3; 4; 5 и 6 мм (режимы 1-4) чоппер показал высокий уровень сварочных свойств, как на нормальном режиме, так и при пониженном до 50-70% токе, в том числе на вертикальной поверхности. Вероятность зажигания дуги с первого касания в среднем составляет 85%, поскольку функция горячего пуска препятствует прилипанию электрода и повышает надежность перехода к дуговому процессу. Другая характеристика надежности начального зажигания - предельная начальная длина дуги - также имеет высокие значения - от 10 до 16 мм, т.е. превышает рекомендуемую при сварке длину дуги в 3-4 раза, если считать длину равной диаметру электрода. Устойчивость горения абсолютная - ни одного обрыва дуги при полном расплавлении электрода, в том числе на минимально допустимом по технологическим рекомендациям режиме №1 (для электрода 3 мм - 60 А). А в специальном эксперименте с плавным снижением тока для этого же электрода минимальный ток устойчивого горения дуги составил 40 А. Эластичность дуги характеризуется довольно большой разрывной длиной дуги - 15-21 мм. Устойчивости дугового процесса и эластичности дуги способствует, в частности, высокочастотная пульсация тока (25 кГц). Стабильность тока очень высокая - относительные отклонения тока не превышают 1% от настроенного значения (при измерении цифровым индикатором чоппера с усреднением за 1,5 с). Это объясняется крутым наклоном внешней характеристики на основном участке, а фактически - высоким быстродействием микропроцессорной системы управления с обратной связью по сварочному току. Перенос электродного металла имеет типичный  для этих электродов регулярный крупнокапельный характер с кратковременными замыканиями электродными каплями на ванну. Частота переноса для электродов диаметром 2,5-6 мм составила соответственно 8-1 Гц, а длительность короткого замыкания каплями - от 4,2 до 14,8 мс. Система управления позволяет форсировать  перенос увеличением тока короткого замыкания, что полезно при сварке на вертикали, или, наоборот, снизить интенсивность переноса при повышенной склонности электродов к разбрызгиванию. Субъективная оценка разбрызгивания по ГОСТ 25616-83 при оптимальной настройке форсирования также довольно высока - от 4 до 5 баллов. Высоко по этому ГОСТу оценивают сварщики-эксперты и  качество формирования шва - также 4 -5 баллов.

Таблица: Сварочные свойства чоппера ЧПР-315 в комплекте с выпрямителем ВДМ-1201

№ режима	1	2	3	4	5	6	7
Марка электрода	УОНИ 13/55				LB-52U	OK 53.70	Kessel 5520Mo
Диаметр электрода, мм	3	3	5	6	3,2	4	4
Установленный ток,  А	60	100	200	320	110	160	160
Сварочное напряжение, В	22-28	21-23	23-26	28-35	22-24	21-24	23-27
НАДЕЖНОСТЬ  ЗАЖИГАНИЯ
Ручное зажигание/ прилипание/обрыв	-	10/0/0	8/1/1	10/0/0	7/2/1	9/1/0	8/2/0
Предельная начальная длина дуги, мм	-	11	16	-	14	14	13
Разрывная длина дуги, мм	-	15	18	-	17	18	17
УСТОЙЧИВОСТЬ  ПРОЦЕССА   И СТАБИЛЬНОСТЬ  РЕЖИМА
Частота обрывов, раз/электрод	0	0	0	0	0	0	0
Минимальный ток горения дуги, А	-	40	95	-	43	76	68
Относительные отклонения тока, %	1	1	0,5	0,5	1	1	0,5
ПЕРЕНОС  МЕТАЛЛА
Частота переноса с короткими замыканиями, Гц	2,0	7,2	2,8	1,0	7,0	3,2	2,8
Длительность коротких замыканий каплями, мс	8,9	4,2	12,0	14,8	4,7	12,0	14,6
СУБЪЕКТИВНАЯ  ОЦЕНКА  ПО  ГОСТ 25616-83
Разбрызгивание металла, балл	5	5	5	4	5	5	5
Формирование шва, балл	4	5	5	5	5	5	5

Электроды марки УОНИ 13/55 обеспечивают высокие прочность и пластичность сварного соединения, но считаются низкотехнологичными из-за большого количества деионизирующих компонентов в покрытии. Поэтому дополнительно сварочные свойства испытывались с использованием более технологичных электродов, предназначенных для монтажа  и ремонта трубопроводов - марок LB-52 U, OK53.70 и Kessel 5520Mo.  Большинство характеристик сварочных свойств оказались у них несколько лучше, чем у электродов марки УОНИ (табл., режимы № 5-7). Иначе обстоит дело у электродов с целлюлозным покрытием, например, марки Fox Cel. Как известно, такие электроды используются  для выполнения корневого прохода при сварке трубопроводов, в частности дугой прямой полярности методом «сверху вниз». Но технологические свойства у таких электродов существенно хуже, чем у электродов с основным покрытием. Некоторые их недостатки удается исправить за счет синергетической настройки специальных функций чоппера. Так, при установке переключателя «Электрод» в положение  «Целлюлозный»  внешнюю характеристику на основном участке делают более пологой. Ее наклон составляет  0,8 В/А, что придает чопперу возможность оперативного управления током посредством изменения длины дуги. Для повышения надежности зажигания длительность горячего пуска увеличивают до 1,5 с. Эти и другие корректировки микропроцессорного управления позволили поднять сварочные свойства чоппера при сварке электродами с целлюлозным покрытием до приемлемого уровня

В отдельном эксперименте выяснялась допустимость колебаний напряжения и наклона характеристики источника. С этой целью понижали на 38% и повышали на 11% первичное напряжение источника - многопостового выпрямителя ВДМ-1201. Приемлемый уровень сварочных свойств при сварке электродами с основным покрытием сохранялся во всем  интервале соответствующего изменения напряжения холостого хода источника - от 50 до 89 В при норме 80 В. При сварке электродами с целлюлозным покрытием минимально допустимое значение напряжения холостого хода составило 60 В. Наклон характеристики первичного источника менее 0,07 В/А практически не влияет на сварочные свойства.

Встроенный чоппер ВЧР-400 устанавливается в правой нише на передней панели сварочного агрегата АДД-4005 (рис.6). Схема вентильного генератора ГД-45 с этим чоппером, а также эксплуатационные возможности агрегата были описаны ранее [2]. Частота преобразования энергии в чоппере также составляет 25 кГц, а необходимые внешние характеристики и специальные свойства формируются платой управления, подобно тому как это делается в автономном чоппере. Поэтому уровень его сварочных свойств близок к выше описанному. Так, вероятность зажигания с первого касания и здесь достигает 85%, что объясняется использованием еще одного оригинального приема, полностью устраняющего прилипание электрода - мягкого пуска, т.е. зажигания  с короткого замыкания на пониженном до 40 А токе. Устойчивость процесса высокая - ни одного обрыва на нормальном режиме и очень редкие обрывы при понижении тока до 60-70% от нормального (для электрода марки УОНИ 13/55 диаметром 3 мм - соответственно 100 А и 60 А). Разбрызгивание при правильно настроенном форсировании субъективно оценивается  в 4-4,5 балла, а формирование шва - в 4,5-5 баллов.
    

Рис.6 Внешний вид агрегата АДД-4005 Урал 

 

Встроенные чопперы ВЧР-250 используются также в составе двухпостового агрегата АДД-2х2501 и компактного агрегата Урал-260.

Выводы:

1. Автономный постовой регулятор марки ЧПР-315, используемый в многопостовых системах вместо балластного реостата:
• обеспечивает экономию электроэнергии,
• обеспечивает безопасное напряжение холостого хода,
• допускает подключение большего количества постов к одному источнику,
• обеспечивает плавное регулирование сварочного тока с дистанционного регулятора,
• благодаря наличию комбинированной внешней характеристики и специальных функций обладает лучшими сварочными свойствами.
2. Встроенные регуляторы  ВЧР-250 и ВЧР-400 позволяют улучшить сварочные свойства генераторов и комплектуемых ими агрегатов

Список литературы:

1. Каталог «Сварочное оборудование. Сварочные материалы. Аксессуары». Lincoln Electric. Изд. на рус. яз. 2007 г.
2. Сивоплясов А.Г., Гусев А.В., Гималтдинов М.Ю., Милютин В.С. Новое поколение агрегатов с электронным управлением, «Сварка и диагностика», 2008, №3.