Что такое коэффициент полезного действия сварочной дуги

Эффективные КПД представляют собой отношение тепловой мощности данной составляющей теплового баланса к тепловому эквиваленту электрической энергии дуги. Калориметрическими опытами установлено, что эффективный КПД процесса нагрева изделия сварочной дугой зависит от условий ее горения и составляет в зависимости от способа сварки:
под флюсом — 0,80…0,95; плавящимся электродом с качественным покрытием — 0,70…0,85; в углекислом газе — 0,58…0,72; в углекислом газе порошковой проволокой — 0,70…0,85; в аргоне неплавящимся электродом — 0,50…0,60; в аргоне плавящимся электродом — 0,70…0,80.
Коэффициент нагрева уменьшается с увеличением длины дуги и увеличивается с углублением дуги в сварочную ванну. На КПД влияет и форма детали в зоне сварки — так называемый геометрический фактор. Например, при наплавке валика открытой дугой в разделку шва значения КПД на 5… 10% выше, чем при
наплавке на плоскость. При углублении дуги в сварочную ванну КПД повышается в связи с улучшением теплообмена между дугой и изделием, а также с уменьшением потерь теплоты с разбрызгивающимся электродным материалом.
Для большинства открытых дуг длиной 3…6 мм КПД равен 50…65 %. При полном погружении дуги, когда потери на излучение возможны только через зазоры между поверхностью ванны и стержневым электродом, КПД оценивают примерно в 75…85 %.
Теплота, затрачиваемая дугой на нагрев электрода, флюса или защитного газа, во многом зависит от характеристики дуги, условий и режима сварки. Например, для случая сварки плавящимся электродом под флюсом теплота, затраченная на нагрев электрода и флюса, участвует затем в нагреве основного металла, что в определенной степени влияет на характер ввода теплоты сварочной дуги в изделие.
Согласно наиболее распространенной схеме теплота сварочной дуги непосредственно передается изделию через эффективное пятно дуги конвективными потоками плазмы вдоль столба дуги и радиационным излучением. Наиболее близко такой схеме соответствуют дуги сравнительно небольшой мощности при сварке покрытыми электродами с небольшим количеством шлакообразующих в покрытии, а также дуги с неплавящимся электродом, горящие в среде аргона. При сварке электродами с качественным покрытием либо под флюсом значительная часть теплоты вводится в изделие через присадочный материал, шлак или флюс, что приводит к существенно более сложному распределению теплового потока. Теплота, выделяемая в дуге, наиболее рационально используется при автоматической сварке.

Сварочные полуавтоматы в Москве

Интересные статьи по теме

Одним из важнейших показателей сварочного инвертора является его коэффициент полезного действия (КПД). Известно, что КПД ИСА постоянного тока не превышает 0,8-0,85. Предполагается, что КПД ИСА переменного тока по целому ряду причин должен быть выше этого значения.

Известно, что КПД электрического аппарата есть отношение отдаваемой аппаратом активной мощности Рвых к подводимой к аппарату активной мощности Рпх:

По действующим значениям напряжения и тока аппарата можно оценить его активную (Р) мощность и КПД. Оценка величины мощности осуществляется по формуле

Величина сварочного тока, энергетическая мощность спектра и КПД при ШИМ-регулировании связаны с характеристиками тока, а именно: со скважностью импульсов тока, частотой, длительностью фронтов импульсов управления. Эта взаимосвязь была исследована с помощью программы Matlab Sim Power Systems. Полученные зависимости приведены на рис. 5.1-5.3.

Рис. 5.1. Зависимость КПД ИСА переменного тока от скважности импульсов при частоте 25 кГц и нагрузке 0,3 Ом

Рис. 5.2. Зависимость КПД от частоты импульсов при скважности 2, нагрузке 0,3 Ом, при наличии выходного дросселя величиной 1 мкГн (2) и его отсутствии (1)

Рис. 5.3. Характер изменения ширины спектра в зависимости от частоты при скважности 2, нагрузке 0,3 Ом, при наличии выходного дросселя (2) и его отсутствии (1)

Помимо выходного дросселя, на КПД ИСА с ростом частоты влияют динамические и статические потери в ключевых элементах, а также потери в трансформаторе. Такая оценка была проведена для конкретного преобразователя мощностью 2 кВт с рабочей частотой 25 кГц.

При оценке потерь в транзисторном модуле (транзисторы IRG4PC50UD) в пакете Matlab Sim Power Systems в соответствии со схемой были заданы параметры, приведенные в табл. 5.1.

Таблица 5.1. Параметры транзисторного модуля

Для оценки потерь в сварочном трансформаторе были заданы параметры в соответствии с табл. 5.2.

Таблица 5.2. Параметры сварочного трансформатора

На рис. 5.4 приведена зависимость мощности, рассеиваемой на транзисторах, от частоты, а на рис. 5.5 – зависимость мощности, рассеиваемой на трансформаторе, от частоты при фиксированной скважности, равной 2.

Как следует из приведенных зависимостей, наличие выходного дросселя существенно влияет на ширину спектра тока и КПД аппарата. Его присутствие заметно сужает выходной спектр, но одновременно приводит к падению КПД. Так, например, на рабочей частоте 25 кГц ширина спектра при отсутствии дросселя в два раза больше, чем при его наличии (рис. 5.3).

Анализ зависимостей (см. рис. 5.4 и 5.5) показывает, что с ростом частоты наибольшую долю в потери мощности вносит мощность, рассеиваемая на транзисторах. Так, например, при параметрах транзисторов, указанных в таблицах, мощность, рассеиваемая на транзис-

Рис. 5.4. Зависимость мощности, рассеиваемой на транзисторах, от частоты при фиксированной скважности, равной 2, при наличии выходного дросселя (10 мкГн) (1) и его отсутствии (2)

Рис. 5.5. Зависимость мощности, рассеиваемой на трансформаторе, от частоты при фиксированной скважности, равной 2, при наличии выходного дросселя (10 мкГч) (сплошная линия) и его отсутствии (прерывистая линия)

торах при частоте 75 кГц при наличии дросселя, составляет 27% от потребляемой мощности, в то время как на трансформаторе рассеивается лишь 1,1% потребляемой мощности. При отсутствии выходного дросселя на частоте 75 кГц на транзисторах рассеивается 11% потребляемой мощности. Объяснить влияние выходного дросселя на потери в транзисторах можно тем, что за счет его индуктивности происходит затягивание переходных процессов в моменты коммутации транзисторов.

Известно, что на ширину выходного спектра влияет крутизна фронтов управляющих импульсов. Чем меньше длительность фронтов отпирающих транзисторы импульсов, тем шире выходной спектр. Была оценена ширина спектра выходного тока ИСЛ знакопеременного тока при длительности переднего фронта отпирающих импульсов, равной 5, 10 мкс. Соответствующие зависимости приведены на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Характер изменения ширины спектра импульсов тока в зависимости от скважности д при различной длительности фронтов импульсов управления

Анализируя полученные зависимости, можно заметить, что с увеличением длительности фронтов отпирающих импульсов ширина спектра уменьшается. Но в то же время при увеличении длительности фронтов импульсов управления наблюдается снижение КПД ИСА знакопеременного тока (рис. 5.7).

По рис. 5.8 следует, что в диапазоне длительности фронтов импульсов управления от 1 до 3 мкс КПД ИСЛ меняется от 0,94 до 0,87. Следовательно, можно рекомендовать данный диапазон длительностей для обеспечения высокого КПД ИСА.

Обобщенная картина влияния ряда факторов на изменение КПД и ширины спектра приведена в табл. 5.3 (уменьшение (Т) или увеличение (А) значений).

Рис. 5.7. Зависимость КПД ИСА переменного тока от скважности импульсов при частоте 25 кГц и нагрузке 0,3 Ом при различной длительности фронтов импульсов управления

Рис. 5.8. Зависимость КПД ИСА переменного тока при частоте 25 кГц, скважности 2 и нагрузке 0,3 Ом при различной длительности фронтов импульсов управления

Таблица 5.3. Зависимость факторов от воздействия

На основе полученных результатов были сделаны следующие выводы:

• 1. С точки зрения КПД, в преобразователях с ЮВТ-транзисторами нецелесообразно переходить на частоты выше 25-30 кГц, поскольку в ЮВТ-транзисторах с повышением частоты быстро увеличиваются потери.
• 2. На рабочей частоте 25 кГц выходной дроссель с индуктивностью порядка 10 мкГн не оказывает существенного влияния на КПД (при наличии дросселя КПД равен 0,9; при отсутствии 0,94). Но в то же время при отсутствии выходного дросселя выходной спектр расширяется в два раза (с 400 до 800 кГц).
• 3. Ширина спектра ИСА и КПД существенно зависит от крутизны импульсов управления транзисторами. Так, при увеличении длительности фронтов импульсов управления с 5 до 10 мкс ширина спектра снижается на 25%, а КПД падает с 0,94 до 0,7. Для обеспечения высокого КПД преобразователя длительность фронтов отпирающих импульсов не должна превышать 1-3 мкс.

Поскольку КПД и ширина спектрального состава тока ИСЛ связаны между собой, возникает задача по нахождению зоны максимального КПД при одновременном обеспечении требований по ЭМС.

Если исходить из необходимости обеспечения высокого КПД, то критерием оптимальности может служить минимум потерь в инверторе. Как уже было сказано ранее, наименьшие потери в полупроводниковых коммутирующих элементах достигаются при их работе в ключевом режиме, то есть в режиме, когда форма импульсов тока близка к прямоугольной. Однако при ШИМ-регулировании, когда изменяется еще и скважность тока, такой режим приводит к формированию широкого спектра составляющих гармоник, что при их значительной мощности может стать проблемой при обеспечении электромагнитной совместимости преобразователя.

Потери в трансформаторе также зависят от рабочей частоты и спектрального состава тока. Если сердечник с его характеристиками петли и определенным числом витков был рассчитан на фиксированную частоту 25 кГц, то при переходе на другие частоты КПД трансформатора должен измениться. При повышении частоты растут потери в сердечнике и обмотках за счет высших гармоник тока. При понижении частоты ниже номинальной увеличивается индукция в магнитопроводе, что влечет за собой его насыщение. Как крайнюю точку можно рассмотреть случай протекания постоянного тока через первичную обмотку трансформатора. В данном случае индуктивное сопротивление обмоток падает, никакой трансформации (передачи) энергии во вторичную обмотку нет и вся мощность источника будет выделяться на сопротивлении первичной обмотки. В зависимости от изменения сопротивления потерь в трансформаторе будут изменяться ток через транзисторы и соответственно потери, то есть потери в транзисторах при понижении частоты должны расти. Очевидно, существует некоторая зона рабочих частот и параметров импульсов, где общие потери в трансформаторе и транзисторах будут минимальны и, соответственно, КПД максимально.

Общие потери в трансформаторе и транзисторах с учетом спектрального состава тока инвертора, который, в свою очередь, связан с рабочей частотой и скважностью импульсов тока, были оценены с помощью программы Mad at) Sim Power Systems. Результаты моделирования показаны на рис. 5.9, 5.10.

Рис. 5.9. Зависимость потерь на транзисторах от частоты и скважности

Проекция на плоскость пересечения двух поверхностей, характеризующих потери в трансформаторе и транзисторах, дает область наименьших суммарных потерь в транзисторах и трансформаторе. Данная область находится в границах скважности 2-4 и частот 2530 кГц. Следовательно, в данной зоне наименьших потерь ИСЛ знакопеременного тока должен обладать наибольшим КПД (рис. 5.11).

Рис. 5.10. Зависимость потерь в трансформаторе от частоты и скважности

Рис. 5.11. Зависимость КПД сварочного инвертора от характеристик тока

Теперь необходимо обратиться к спектр}’ кондуктивных помех в данном диапазоне частот и при заданной скважности и посмотреть, наблюдается ли превышение норм ГОСТа при таких характеристиках тока и КПД. Спектр и энергетический уровень кондуктивных помех были оценены ранее. На рис. 5.12 дано графическое отображение уровня КПД и плоскости, определяющей предельно допустимое значение кондуктивных помех. Из этого следует, что для приведенных условий работы ИСА требования по ЭМС будут соблюдены при максимальном значении КПД.

Рис. 5.12. Графическое представление решения оптимизационной задачи