Особенности токовой защиты источников питания для электронно-лучевой сварки
Целью исследований являлась выработка рекомендаций по уменьшению нарушений формирования швов в процессе электронно-лучевой сварки, если из-за вакуумного пробоя в сварочной пушке сработала токовая защита источника ускоряющего напряжения или из-за замыкания цепи управляющий электрод — катод превышено...
Saved in:
| Published in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102152 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Особенности токовой
 защиты источников питания для электронно-лучевой сварки / О.К. Назаренко, О.А. Гурин, Э.И. Болгов // Автоматическая сварка. — 2013. — № 01 (717). — С. 3-6. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860117218853912576 |
|---|---|
| author | Назаренко, О.К. Гурин, О.А. Болгов, Э.И. |
| author_facet | Назаренко, О.К. Гурин, О.А. Болгов, Э.И. |
| citation_txt | Особенности токовой
 защиты источников питания для электронно-лучевой сварки / О.К. Назаренко, О.А. Гурин, Э.И. Болгов // Автоматическая сварка. — 2013. — № 01 (717). — С. 3-6. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Целью исследований являлась выработка рекомендаций по уменьшению нарушений формирования швов в процессе электронно-лучевой сварки, если из-за вакуумного пробоя в сварочной пушке сработала токовая защита источника ускоряющего напряжения или из-за замыкания цепи управляющий электрод — катод превышено заданное значение тока пучка. Ввиду случайного характера возникновения отмеченных нестационарных процессов в используемый в эксперименте источник ускоряющего напряжения были временно встроены нормально разомкнутый короткозамыкатель цепи управляющий электрод — катод и разрядник с регулируемым межэлектродным расстоянием между жилой к управляющему электроду и землей. Это позволило непосредственно в процессе сварки замыкать любую из цепей, фиксировать осциллограммы тока нагрузки и ускоряющего напряжения, после чего сопоставлять осциллограммы с произошедшим нарушением формирования шва. Установлено, что для уменьшения нарушения формирования шва при пробое в пушке высоковольтный источник питания должен за время около 0,1 мс перейти в режим автоматического повторного включения. Токовый порог этого перехода должен в 3…4 раза превышать максимальный ток нагрузки источника с учетом пускового тока при асинхронном включении источника питания, токов зарядки емкостей высоковольтного кабеля и выходного фильтра. При коротком замыкании цепи управляющий электрод — катод источник ускоряющего напряжения должен автоматически перейти в режим стабилизации тока пучка после превышения в течение 3… 5 мс его установленного значения на 20…30 %. Библиогр. 3, табл. 1, рис. 4.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:37:08Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791:004.518
ОСОБЕННОСТИ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ИСТОЧНИКОВ
ПИТАНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ СВАРКИ
О. К. НАЗАРЕНКО, О. А. ГУРИН, Э. И. БОЛГОВ
Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины.
03680, г. Киев, ул. Боженко, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua
Целью исследований являлась выработка рекомендаций по уменьшению нарушений формирования швов в процессе
электронно-лучевой сварки, если из-за вакуумного пробоя в сварочной пушке сработала токовая защита источника
ускоряющего напряжения или из-за замыкания цепи управляющий электрод — катод превышено заданное значение
тока пучка. Ввиду случайного характера возникновения отмеченных нестационарных процессов в используемый
в эксперименте источник ускоряющего напряжения были временно встроены нормально разомкнутый короткоза-
мыкатель цепи управляющий электрод — катод и разрядник с регулируемым межэлектродным расстоянием между
жилой к управляющему электроду и землей. Это позволило непосредственно в процессе сварки замыкать любую
из цепей, фиксировать осциллограммы тока нагрузки и ускоряющего напряжения, после чего сопоставлять осциллог-
раммы с произошедшим нарушением формирования шва. Установлено, что для уменьшения нарушения формирования
шва при пробое в пушке высоковольтный источник питания должен за время около 0,1 мс перейти в режим
автоматического повторного включения. Токовый порог этого перехода должен в 3…4 раза превышать максимальный
ток нагрузки источника с учетом пускового тока при асинхронном включении источника питания, токов зарядки
емкостей высоковольтного кабеля и выходного фильтра. При коротком замыкании цепи управляющий электрод
— катод источник ускоряющего напряжения должен автоматически перейти в режим стабилизации тока пучка
после превышения в течение 3… 5 мс его установленного значения на 20…30 %. Библиогр. 3, табл. 1, рис. 4.
К л ю ч е в ы е с л о в а : электронно-лучевая сварка, источник ускоряющего напряжения, трехэлектродная эмис-
сионная система, пробои ускоряющего промежутка, замыкание управляющего электрода с катодом, физическое
моделирование, требования к токовой защите
В эмиссионной системе сварочной пушки возможно
развитие электрических пробоев вакуумной изо-
ляции между управляющим электродом и анодом.
Зазор между управляющим электродом и катодом
часто перекрывается каплями расплавленного ме-
талла из сварочной ванны. Возможно также нару-
шение электрической изоляции между жилами вы-
соковольтного кабеля, соединенными с катодом и
управляющим электродом. Во всех этих случаях
происходит неконтролируемое повышение тока
пучка, нарушающее формирование шва.
Резкое отключение источника ускоряющего
напряжения при срабатывании максимальной то-
ковой защиты крайне нежелательно, так как вы-
зывает серьезный дефект шва в виде сквозного
кратера, незаполненного жидким металлом. По-
этому прежде всего требуется обеспечить мини-
мальное нарушение формирования шва, а затем
уже отключать источник ускоряющего напряже-
ния. Если источник был отключен, то в случае
его повторного асинхронного включения недопус-
тимо срабатывание токовой защиты из-за пуско-
вого тока источника питания, значительно пре-
вышающего рабочий ток ввиду броска тока на-
магничивания силового трансформатора [1], за-
рядки емкостей высоковольтного кабеля и выход-
ного фильтра. Именно эти токи при автомати-
ческом повторном включении источника, даже в
режиме так называемого мягкого, т. е. замедлен-
ного пуска, могут вызвать ложное срабатывание
токовой защиты, если отсутствует ее временная
задержка и установлен слишком низкий порог
срабатывания.
Данная работа посвящена экспериментально-
му исследованию алгоритмов и динамики сраба-
тывания токовой защиты при пробоях и токовой
перегрузке в пушке с целью уменьшения нару-
шений формирования швов.
Методика исследования. При исследованиях
использовали высоковольтный инверторный ис-
точник питания мощностью 6 кВт с ускоряющим
© О. К. Назаренко, О. А. Гурин, Э. И. Болгов, 2013
Рис. 1. Схема экспериментальной аппаратуры: 1 — анод; 2 —
управляющий электрод; 3 — катод; 4 — высоковольтный ка-
бель; 5 — короткозамыкатель цепи управляющий электрод —
катод; 6 — регулятор тока пучка; 7 — разрядник с регулируе-
мым межэлектродным расстоянием (Uacc — источник ускоряю-
щего напряжения; С1…С4 — распределенные емкости жил
кабеля относительно земли; С5 — емкость фильтра)
1/2013 3
напряжением 60 кВ, созданный в результате сов-
местной работы коллективов Института электрос-
варки им. Е. О. Патона НАН Украины и ООО
«Торсион» (г. Харьков). При токах нагрузки до
0,1 А источник работает в режиме стабилизации
ускоряющего напряжения. Благодаря наличию в
цепи нагрузки токового датчика при коротких за-
мыканиях возможен переход стабилизатора нап-
ряжения в режим стабилизации тока, что огра-
ничивает ток нагрузки. На выходе высоковоль-
тного фильтра включен балластный резистор, ог-
раничивающий максимальную амплитуду тока че-
рез выходной высоковольтный выпрямитель при
коротком замыкании в нагрузке и предотвраща-
ющий возникновение паразитных резонансных
процессов в выходном кабеле [2].
Из-за случайного характера возникновения
вакуумного пробоя сложно зафиксировать его
электрические и временные параметры для со-
поставления их с нарушениями формирования
шва. Поэтому в высоковольтный источник пита-
ния временно были встроены нормально разом-
кнутый короткозамыкатель цепи управляющий
электрод — катод и разрядник с регулируемым
межэлектродным расстоянием между жилой к уп-
равляющему электроду и землей (рис. 1). Это поз-
воляет непосредственно в процессе сварки образ-
ца в выбранное время замыкать любую из цепей,
фиксировать осциллограммы тока нагрузки и ус-
коряющего напряжения, сопоставляя их с прои-
зошедшим нарушением формирования шва. В ка-
честве регистратора использовали цифровой элек-
тронный осциллограф Tektronix TDS-2014 с по-
лосой пропускания 100 МГц и частотой выборки
1 Гвыб/с.
Результаты и их обсуждение. При экспери-
ментальных исследованиях выявлена необходи-
мость различных подходов к алгоритмам работы
токовой защиты источника питания с целью воз-
можности выполнения электронно-лучевой свар-
ки при имитации пробоев в пушке и при коротком
замыкании цепи управляющий электрод — катод
(диодный режим работы пушки).
На рис. 2 приведены осциллограммы тока пуч-
ка и ускоряющего напряжения при имитации
электрического пробоя между управляющим элек-
тродом и анодом пушки непосредственно в про-
цессе сварки. Источник ускоряющего напряжения
принудительно переводится в режим автомати-
ческого повторного включения с целью предот-
вращения серьезного нарушения формирования
сварного шва и выхода источника из строя [3].
Длительность фронтов отключения ускоряющего
напряжения и соответствующего броска тока наг-
рузки составляет около 0,1 мс. Ускоряющее нап-
ряжение отсутствует в течение 7,5 мс, что поз-
воляет восстановить электрическую прочность
вакуумного промежутка эмиссионной системы
пушки. Затем ускоряющее напряжение достаточ-
но медленно — за 2,5 мс — восстанавливается
по линейному закону.
Восстановление ускоряющего напряжения мо-
жет быть выполнено значительно быстрее, но тог-
да из-за соответствующего увеличения скорости
нарастания тока пучка возможны выплески ме-
талла из сварочной ванны. Кроме того, мягкий
пуск ускоряющего напряжения уменьшает пус-
ковой ток источника, а также замедляет зарядку
емкостей фильтра и высоковольтного кабеля, бла-
годаря чему возможно некоторое уменьшение тре-
бований к максимальному току источника пита-
ния. Тем не менее, как следует из рис. 2, значение
броска тока нагрузки в момент повторного вклю-
чения ускоряющего напряжения достигает 0,35 А,
т. е. превышает максимальный рабочий ток ис-
точника (0,1 А), по крайней мере, в 3…4 раза.
Естественно, если уменьшить порог превышения
допустимого тока, то даже если электрическая
прочность вакуумного промежутка уже восстано-
вилась, будут неограниченное время происходить
ложные срабатывания защиты источника и про-
цесс сварки не сможет восстановиться. Отметим,
что в отсутствие ускоряющего напряжения на ос-
циллограмме фиксируется протекание некоторого
нагрузочного тока, по всей вероятности, между
катодом, находящимся под остаточным отрица-
тельным потенциалом, и управляющим электро-
дом. При нарастании ускоряющего напряжения
происходит возрастание переходного тока, на зна-
чение которого влияет цепь стабилизации тока
пучка. Если отсутствуют серьезные неисправнос-
ти аппаратуры, то общая длительность восстанов-
ления нормальной работы оборудования не пре-
вышает долей секунды и требуется, в худшем слу-
чае, ремонтный сварочный проход по участку на-
рушения формирования шва.
В рассматриваемом случае перевод источника
ускоряющего напряжения в режим автоматичес-
кого повторного включения значительно эффек-
Рис. 2. Динамика изменения тока пучка Ibeam и ускоряющего
напряжения Uacc при имитации электрического пробоя в
пушке вакуумного промежутка управляющий электрод —
катод непосредственно в процессе электронно-лучевой
сварки
4 1/2013
тивнее принудительного переключения источника
ускоряющего напряжения в режим источника то-
ка, поскольку из-за протекания тока поддержи-
ваются ионизационные процессы в вакуумном
промежутке, препятствующие восстановлению
его электрической прочности.
Наоборот, как будет показано ниже, при пе-
реходе эмиссионной системы в диодный режим
из-за короткого замыкания цепи управляющий
электрод–катод оказывается полезным принуди-
тельное переключение источника ускоряющего
напряжения в режим источника тока. При замы-
кании этой цепи ток возрастает до уровня, со-
ответствующего полностью отпертой эмиссион-
ной системе. Отключение в этот момент ускоря-
ющего напряжения приводит к образованию де-
фекта в виде незаполненного жидким металлом
глубокого кратера с многочисленными усадочны-
ми трещинами (рис. 3, а).
Перевод источника ускоряющего напряжения
в режим источника тока с соответствующим сни-
жением ускоряющего напряжения позволяет из-
бежать образования этого дефекта (рис. 3, б).
На рис. 4 приведены осциллограммы тока пуч-
ка и ускоряющего напряжения при имитации
электрического пробоя между управляющим элек-
тродом и катодом пушки. В момент замыкания
управляющего электрода с катодом, когда эмис-
сионная система переходит в диодный режим, ток
пучка возрастает от установленного значения 0,1
до 0,25 А. По истечении 3…5 мс срабатывает то-
ковая защита, программный порог которой равен
0,13 А, т. е. на 30 % превышает уровень тока
пучка, и источник напряжения переходит в режим
стабилизации этого значения. Для поддержания
такого тока источник генерирует напряжение око-
ло 30 кВ. Таким образом, мощность пучка сни-
жается от 6 до 3,9 кВт, и, главное, при снижении
ускоряющего напряжения пучок значительно пе-
рефокусируется (фокусное пятно поднимается от-
носительно поверхности изделия), в результате
чего объем расплавленного металла существенно
сокращается. Происходит бездефектное оконча-
ние формирования шва без фиксации кратера, пос-
ле чего источник может быть выключен для вы-
полнения необходимых восстановительных работ.
В таблице приведены оптимальные характе-
ристики токовой защиты источника ускоряющего
напряжения.
Выводы
1. При пробое в эмиссионной системе сварочной
пушки высоковольтный источник питания должен
за время около 0,1 мс перейти в режим автома-
тического повторного включения. Токовый порог
этого перехода должен в 3…4 раза превышать
Характеристика токовой защиты источника питания для электронно-лучевой сварки
Нарушение режима сварки Причина нарушения Алгоритм работы токовой защиты
Время
срабатыва-
ния, мс
Ток пучка в 3…4 раза превысил мак-
симальный ток нагрузки источника
Электрический пробой между
управляющим электродом и анодом
Принудительное переключение источни-
ка ускоряющего напряжения в режим ав-
томатического повторного включения
~0,1
Ток пучка достиг значения, соответс-
твующего диодному режиму эмис-
сионной системы пушки
Короткое замыкание цепи управляю-
щий электрод — катод
Принудительное переключение источни-
ка из режима стабилизации напряжения в
режим стабилизации тока
2…5
Рис. 3. Внешний вид швов, прерванных в момент замыкания
цепи управляющий электрод — катод: а — образование де-
фекта в виде кратера при отключении ускоряющего напряже-
ния максимальной токовой защитой; б — бездефектное
окончание шва благодаря переходу источника из режима ста-
билизации ускоряющего напряжения в режим стабилизации
тока пучка
Рис. 4. Динамика изменения тока пучка Ibeam и ускоряющего
напряжения Uacc при имитации короткого замыкания управ-
ляющего электрода с катодом непосредственно в процессе
электронно-лучевой сварки
1/2013 5
максимальный ток нагрузки источника с учетом
пускового тока при асинхронном включении ис-
точника питания, токов зарядки емкостей высо-
ковольтного кабеля и выходного фильтра.
2. При коротком замыкании цепи управляю-
щий электрод — катод источник ускоряющего
напряжения должен автоматически перейти в ре-
жим стабилизации тока пучка после превышения
на 20…30 % его установленного значения в те-
чение 3…5 мс.
1. Шабад М. А. Максимальная токовая защита. — Л.:
Энергоатомиздат, 1991. — 96 с.
2. Назаренко О. К., Матвейчук В. А. Ограничение перенап-
ряжений в высоковольтных цепях после разрядов в сва-
рочной пушке // Автомат. сварка. — 2011. — № 10. —
С. 40–43.
3. Pat. 3042652 DE. Method and apparatus for electron beam
welding / V. K. Lebedev, O. K. Nazarenko, V. E. Lokshin et
al. — Publ. 02.04.1982.
Поступила в редакцию 15.10.2012
ЦіЛЬОВА КОМПЛЕКСНА ПРОГРАМА НАН УКРАїНИ
«ПРОБЛЕМИ РЕСУРСУ і БЕЗПЕКИ ЕКСПЛУАТАЦії КОНСТРУКЦіЙ,
СПОРУД ТА МАШИН»
Збірник наукових статей за результатами, отриманими в 2010–2012 рр.
Науковий керівник — академік Б. Є. Патон
До збірника ввійшли статті, які підготовлені за результатами цільової
комплексної програми НАН України «Проблеми ресурсу і безпеки
експлуатації конструкцій, споруд та машин», отриманими впродовж
2010–2012 рр., до реалізації якої було залучено 26 інститутів НАН
України. Мета програми — розробка методологічних основ прогнозу-
вання залишкового ресурсу конструкцій, створення методів, технічних
засобів і технологій для оцінки технічного стану та подовження термінів
експлуатації техногенно та екологічно небезпечних об’єктів. Для на-
укових співробітників, інженерів, студентів старших курсів, зайнятих
розробкою та експлуатацією конструкцій, споруд та машин.
Розділ 1. Розробка методологічних основ оцінки технічного стану
та обгрунтування безпечного терміну експлуатації конструктивних
елементів об’єктів підвищеної небезпеки на території України.
Розділ 2. Розробка методів і нових технічних засобів неруйнівного
контролю та діагностики стану матеріалів і виробів тривалої експлуа-
тації.
Розділ 3. Розробка методів захисту від корозії елементів конструкцій
об’єктів тривалої експлуатації.
Раздел 4. Разработка эффективных методов оценки и продления
ресурса объектов атомной энергетики.
Розділ 5. Підвищення надійності та подовження ресурсу енер-
гетичного обладнання і систем.
Розділ 6. Створення систем моніторингу технічного стану трубопроводів і об’єктів газо- та нафто-
переробної промисловості.
Розділ 7. Підвищення надійності та подовження ресурсу мостів, будівельних, промислових і транс-
портних конструкцій.
Розділ 8. Розробка технологій ремонту та відновлення елементів конструкцій об’єктів підвищеної
небезпеки з метою продовження терміну їх експлуатації.
Розділ 9. Підготовка нормативних документів і науково-технічних посібників з питань оцінки ресурсу
об’єктів тривалої експлуатації.
6 1/2013
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102152 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:37:08Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Назаренко, О.К. Гурин, О.А. Болгов, Э.И. 2016-06-10T18:47:48Z 2016-06-10T18:47:48Z 2013 Особенности токовой
 защиты источников питания для электронно-лучевой сварки / О.К. Назаренко, О.А. Гурин, Э.И. Болгов // Автоматическая сварка. — 2013. — № 01 (717). — С. 3-6. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102152 621.791:004.518 Целью исследований являлась выработка рекомендаций по уменьшению нарушений формирования швов в процессе электронно-лучевой сварки, если из-за вакуумного пробоя в сварочной пушке сработала токовая защита источника ускоряющего напряжения или из-за замыкания цепи управляющий электрод — катод превышено заданное значение тока пучка. Ввиду случайного характера возникновения отмеченных нестационарных процессов в используемый в эксперименте источник ускоряющего напряжения были временно встроены нормально разомкнутый короткозамыкатель цепи управляющий электрод — катод и разрядник с регулируемым межэлектродным расстоянием между жилой к управляющему электроду и землей. Это позволило непосредственно в процессе сварки замыкать любую из цепей, фиксировать осциллограммы тока нагрузки и ускоряющего напряжения, после чего сопоставлять осциллограммы с произошедшим нарушением формирования шва. Установлено, что для уменьшения нарушения формирования шва при пробое в пушке высоковольтный источник питания должен за время около 0,1 мс перейти в режим автоматического повторного включения. Токовый порог этого перехода должен в 3…4 раза превышать максимальный ток нагрузки источника с учетом пускового тока при асинхронном включении источника питания, токов зарядки емкостей высоковольтного кабеля и выходного фильтра. При коротком замыкании цепи управляющий электрод — катод источник ускоряющего напряжения должен автоматически перейти в режим стабилизации тока пучка после превышения в течение 3… 5 мс его установленного значения на 20…30 %. Библиогр. 3, табл. 1, рис. 4. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Особенности токовой защиты источников питания для электронно-лучевой сварки Peculiarities of current protection of power sources for electron beam welding Article published earlier |
| spellingShingle | Особенности токовой защиты источников питания для электронно-лучевой сварки Назаренко, О.К. Гурин, О.А. Болгов, Э.И. Научно-технический раздел |
| title | Особенности токовой защиты источников питания для электронно-лучевой сварки |
| title_alt | Peculiarities of current protection of power sources for electron beam welding |
| title_full | Особенности токовой защиты источников питания для электронно-лучевой сварки |
| title_fullStr | Особенности токовой защиты источников питания для электронно-лучевой сварки |
| title_full_unstemmed | Особенности токовой защиты источников питания для электронно-лучевой сварки |
| title_short | Особенности токовой защиты источников питания для электронно-лучевой сварки |
| title_sort | особенности токовой защиты источников питания для электронно-лучевой сварки |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102152 |
| work_keys_str_mv | AT nazarenkook osobennostitokovoizaŝityistočnikovpitaniâdlâélektronnolučevoisvarki AT gurinoa osobennostitokovoizaŝityistočnikovpitaniâdlâélektronnolučevoisvarki AT bolgovéi osobennostitokovoizaŝityistočnikovpitaniâdlâélektronnolučevoisvarki AT nazarenkook peculiaritiesofcurrentprotectionofpowersourcesforelectronbeamwelding AT gurinoa peculiaritiesofcurrentprotectionofpowersourcesforelectronbeamwelding AT bolgovéi peculiaritiesofcurrentprotectionofpowersourcesforelectronbeamwelding |