Підвищення ефективності систем живлення машин для контактного точкового зварювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ім. Є.О. ПАТОНА

УДК 621.791.76/.79:621.311.6

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ СИСТЕМ ЖИВЛЕННЯ МАШИН ДЛЯ КОНТАКТНОГО ТОЧКОВОГО ЗВАРЮВАННЯ

Спеціальність 05.03.06 - Зварювання та споріднені процеси і технології

АВТОРЕФЕРАТ дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Письменний Олексій Олександрович

Київ 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ.

Науковий керівник: академік НАН України, доктор технічних наук, професор

Лебедєв Володимир Костянтинович

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, с.н.с. Коротинский Олександр Євтіхійович, завідувач відділом Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАНУ, м. Київ

доктор технічних наук, доцент Рижов Роман Миколайович, доцент зварювального факультету Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ

Захист відбудеться 22 жовтня 2008 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-техничній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий 19 вересня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Л.С. Киреєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Проведений аналіз існуючих схем живлення машин для контактного точкового зварювання (далі КТЗ) металевих виробів середніх і малих товщин показує, що в більшості випадків системи живлення машин струмом промислової частоти мають невисокий коефіцієнт корисної дії (ККД) і коэффициент потужності , не є оптимальними у відношенні завантаження фаз питомої мережі, у недостатній мірі пристосовані для автоматизації режимів зварювання і зварювального процесу в цілому.

В даний час в Україні скоротився обсяг досліджень систем живлення та керування машин КТЗ. Іноді машини для КТЗ вітчизняного виробництва комплектуються новими імпортними системами керування і живлення, частіше закуповуються машини застарілого виконання, а власні розробки не замовляються. Однак така ситуація, у зв'язку зі зростаючими вимогами до якості з'єднань і енергоспоживанню устаткування для зварювання, довго зберігатися не може. При цьому важливо визначити напрямок досліджень, для того, щоб нове обладнання було конкурентноздатним.

В залежності від товщини металевих виробів, що зварюються, устаткування для КТЗ, що експлуатується в даний час, характеризується, в основному, двома традиційними типами систем живлення. Для товщин виробів від 1-го мм і вище - це системи з однофазним чи трифазним живленням струмом промислової частоти; нижче за 1 мм - системи з електростатичними накопичува-чами енергії (конденсаторні машини).

Згадані системи живлення струмом прості у виконанні і досить надійні, однак в даний час, властиві їм основні недоліки потребують від розроблювачів нових підходів до проектування систем живлення. Існуючі машини для зварювання струмом промислової частоти мають невисокий коефіцієнт потужності (), що визначається великою реактивною потужністю, яка перевищує і без того велику споживану активну електричну потужність при зварюванні. Однофазне включення контактної точкової машини потужністю понад 100 кВА в промислову трифазну мережу приводить до викривленню кривих напруги і струму мережі, а також негативно впливає на інших споживачів енергії і може привести до перешкод у роботі складного електронного устат-кування. Машини конденсаторного зварювання мають недолік, в головному, технологічного характеру, що виражається в зниженні можливості керування процесом зварювання. Крім того, не слід виключати і економічний фактор, що характеризується світовим подорожчанням комплектуючих для машин КТЗ, особливо, таких як мідь, трансформаторне залізо, конденсатори.

Ефективність використання різного устаткування для КТЗ у залежності від товщини деталей, що зварюються, обумовлено, в головному, тривалістю зварювання (чим менш товщина виробу, тим менше тривалість зварювання) і необхідним зусиллям стиску електродів. Для зварювання металевих виробів з товщинами до сотих одиниць міліметра потрібний імпульс зварювання тривалістю порядку одиниць мс, тому застосування машини КТЗ промислової частоти з періодом зварювального струму 20 мс у даному випадку не може бути ефективним. Вирішенню цієї проблеми повинно сприятити те, що існує відома зворотня квадратична залежність між частотою зварювального струму і лінійним розміром деталі, що зварюється: ~, де - частота, Гц, - товщина деталі, мм. Проведені в 1971 р. В.І. Матвєєвим дослідження в МДТУ ім. М.Е. Баумана показали, що при точковому зварюванні металевих конструкцій, що застосовуються в мікроелектроніці, частота проходження імпульсів зварювального струму повинна бути не нижче за 500 Гц. Але стан елементної бази силової електроніки донедавна обмежувало можливості в створенні устаткування для мікрозварювання з джерелом живлення підвищеної частоти зварювального струму, що сприяло фактично безальтернативному застосуванню машин конденсаторного зварювання в даній області промисловості.

В роботі проведені дослідження відомих електричних систем живлення зварювальних машин для всього діапазону товщин металів, що зварюються методом КТЗ, запропоновані та обґрунтовані найбільш перспективні з них.

Для однофазних машин КТЗ струмом промислової частоти потужністю до 100 кВА одним з шляхів істотного підвищення коефіцієнта потужності може стати застосування системи повздовжньої компенсації реактивної складової потужності. Приведені в роботі докладні розрахунки показують значний приріст значення коефіцієнта потужності (до 0,95) у машині КТЗ із компенсатором, що обладнана стандартним тиристорним контактором, у діапазоні регулювання в 60 електричних градусів при відхиленні від повної компенсації на 25% (недокомпенсації). Ця обставина дозволяє істотно розширити діапазон товщин і металів, що зварюються, на одній машині КТЗ, що обладнана компенсатором, при набагато меншій величині споживаної потужності.

У роботі показано, що для підвищення енергетичних характеристик машин великої потужності (більш за 100 кВА) доцільно застосувати безпосередній перетворювач частоти струму, нижче за промислову. Оціночні розрахунки роботи безпосереднього трифазного перетворювача частоти струму 30 Гц для живлення машин КТЗ великої потужності, показують більш високий коефіцієнт потужності (у 1,2…1,3 рази) у порівнянні з машиною КТЗ промислової частоти струму 50 Гц, а також наявність квазисиметричного розподілу завантаження фаз струмом трифазної мережі без використання нульового проводу. При цьому струмове навантаження на фази мережі знижується в рази в порівнянні з однофазною машиною промислової частоти тієї ж потужності. Застосування перетворювача зі зниженою частотою струму дозволяє одержати більш згладжену “притуплену” форму струму, завдяки чому знижується ризик виплеску металу із зони зварювання і підвищується стійкість зварювальних електродів. Застосування потужних транзисторів в якості перемикаючих елементів в перетворювачі частоти 30 Гц поліпшить показники розподілу струмів по фазах мережі, експлуатаційні і технологічні характеристики машини.

Для експериментальної перевірки технологічних переваг точкового зварювання на змінному струмі прямокутної форми, розроблено, виготовлено і випробувано джерело живлення з перетворювачем підвищеної частоти струму 500 Гц для точкового мікрозварювання деталей товщиною 0,1 мм із системою автоматичного керування режимом зварювання, яке працює по заданому алгоритму.

Актуальність теми. Контактне зварювання опором (точкове, рельєфне, шовне, роликове) - один з найбільш розповсюджених різновидів зварювання металів, що одержали широке поширення в автомобілебудуванні, приладобудуванні, виробництві засобів керування, вимірів та зв'язку, виробництві металевих сіток і каркасів у будівництві, а також при виробництві різноманітної побутової техніки. Контактним точковим зварюванням зварюють вироби зі сталей і сплавів на основі кольорових металів. Діапазон товщин деталей, що підлягають точковому зварюванню, змінюється від декількох мікронів до декількох міліметрів. Тому устаткування для КТЗ дуже різноманітно як по конструктивному виконанню, так і по потужності, габаритним розмірам.

Дослідженнями процесів КТЗ, її розвитком і удосконалюванням автоматизації традиційно займається Інститут електрозварювання ім. Е.О. Патона НАН України, Інститут зварювання Росії та інших організацій Російської Федерації, багато інститутів і фірм в Європі, Північній Америці та Азії. Серед робіт фахівців СНД у цій області найбільш значні праці Б.Є. Патона, В.К. Лебедєва, Н.В. Подоли, Ю.О. Паченцева, Л.В. Глєбова, П.Л. Чулошникова та ін.

В даний момент технічному прогресу в напрямку удосконалювання КТЗ в Україні приділяється недостатньо уваги. Через відсутність необхідного устаткування КТЗ часто використовується дугове чи газове зварювання на шкоду якості і продуктивності праці. В області мікрозварювання безальтернативно використовуються машини конденсаторного зварювання, виробництво яких у країнах СНД неухильно скорочується, тому в даний час актуальне питання їхньої заміни новим обладнанням. Тим часом, у європейських країнах в останні 10 - 15 років процес удосконалювання устаткування для КТЗ активно розвивається.

В умовах зростаючої конкуренції виробники змушені знижувати собівартість продукції. Стосовно КТЗ - окрім підвищенних вимог до якості з'єднання і зниження кількості точок на складальний вузол виробу, це і необхідність застосування нових менш енергозатратних систем живлення. Ці два положення нерозривно зв'язані один з одним. Крім цього, до зварювального устаткування для КТЗ останнім часом пред'являються вимоги щодо підвищення стабільності якості зварювання виробів без умови ретельної підготовки місць з'єднання, створення систем моніторингу, обробки і паспортизації поточних процесів зварювання з використанням сучасних досягнень електронної техніки.

Жорсткість вимог до електричного устаткування, що підключається до питомої розподільній мережі, щодо якості електроенергії - зокрема мінімізації рівня гармонік струму вищого порядку і викривленню форми кривої напруги, змушує виробників зварювального устаткування шукати рішення для підтримки конкурентноздатності в цій галузі.

Проведення досліджень, викладених у даній роботі, має за ціль внесення вкладу у розвиток КТЗ у загальній галузі контактного зварювання.

Мета та задачі дослідження. Мета роботи - виявити перспективні напрямки для підвищення ефективності систем живлення машин для КТЗ на основі аналізу сучасного стану проблем електроживлення цих машин. Для виконання роботи необхідно було вирішити наступні задачі:

- дослідити можливості застосування методу повздовжньої компенсації реактивної потужності в однофазній машині КТЗ потужністю до 100 кВА з традиційним тиристорним керуванням при зварюванні на промисловій частоті струму;

- провести порівняльний аналіз енергетичних показників систем живлення для машин КТЗ потужністю понад 100 кВА при промисловій частоті струму і дещо зниженої, при якій маса трансформатора близька до маси трансформатора промислової частоти струму;

- провести експериментальну перевірку доцільності застосування системи живлення зі зниженою частотою зварювального струму 30 Гц прямокутної форми, використовуючи відомий критерій подібності - зворотної залежності товщини виробу, що зварюється, від квадрата частоти зварювального струму;

- показати, що інверторна система живлення машин для контактного точкового мікрозварювання з підвищеною частотою струму 500 Гц має технологічні переваги перед машинами для мікрозварювання, що використовують електростатичні накопичувачі. Розробити, виготовити та випробувати джерело живлення з інверторним перетворювачем підвищеної частоти струму і з його допомогою провести технологічні випробування результатів точкового зварювання зразків із нержавіючих сталей.

У результаті виконаної роботи:

- проаналізовано відомі системи живлення машин для КТЗ, наведено їх основні технологічні і енергетичні переваги та недоліки;

- проведено аналіз роботи однофазної системи живлення для машин КТЗ потужністю до 100 кВА з повздовжньою компенсацією реактивної потужності і визначені умови ефективності цієї системи;

- визначено як оптимальну, з позицій енергетики і технології, трифазну систему живлення з інверторним перетворювачем зниженої частоти струму 30 Гц для застосування в машинах потужністю понад 100 кВА. Визначено основні енергетичні параметри, що характеризують цю систему, а також її технологічні можливості;

- розроблено і виготовлено макет інверторного джерела живлення з підвищеною частотою струму 500 Гц для точкового мікрозварювання. Створено систему автоматичного керування інверторним джерелом для корегування і контролю режиму зварювання по розробленому алгоритму;

- проведено апробації точкового зварювання зразків зі сталі 12Х18Н10Т ( мм) і нікелевої смуги ( мм) внаклеп розщепленим електродом; зразків зі сталі 08Х18Н10Т ( мм) внаклеп двосторонніми електродами; зразків зі сталі 12Х18Н10Т (дріт мм і підкладка мм) внаклеп двосторонніми електродами на ДАХК “АРТЕМ” і ДП “Київський Авіаційний Завод ”АВИАНТ”;

- проведено металографічні дослідження мікрозварювання зразків зі сталі 08Х18Н10Т ( мм) внаклеп двосторонніми електродами.

Результати проведених автором досліджень покладені в основу дисертації, що складається з п'яти глав.

Методологія та методи дослідження. При рішенні поставлених в дисертації цілей і задач використовувалося сполучення аналітичних і чисельних методів розрахунку. Теоретичні дослідження проводилися з застосуванням методів математичного моделювання. Експериментальні дослідження режимів точкового мікрозварювання проводилися з використанням створеного устаткування; обробка отриманих даних проводилась з використанням комп'ютерних методів (пакет “PowerGraph”).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Наукова робота по темі дисертации виконана відповідно до науково-дослідних робіт Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України: 1/15-П “Вибір систем живлення для контактного мікрозварювання і зварювання оплавленням тонких смуг”; 1/3 “Виготовлення та випробування инверторного джерела живлення з автоматичним мікропроцесорним керуванням для контактного точкового мікрозварювання і зварювання оплавленням тонких смуг”; 1.6.1.43/47 “Апаратура і технологія одержання нанопорошків для виготовлення та активації припойних матеріалів”; 43/3-П “Розробити процес високопродуктивного шовного зварко-паяння особливо тонкостінної нержавіючої сталі при використанні високочастотного нагріву”; 43/80 “Розробка заходів по зменшенню втрат електроенергії, які обумовлені присутністю в електричній мережі вищих гармонік струму та напруги”; 1.6.1.43.28 (5.11) “Дослідження і розробка технології зварювання тонкостінних труб із матеріалів з металевими й керамічними покриттями”.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Розроблено вдосконалену методику, на основі якої досягнуто можливість багатопараметричного розрахунку однофазних систем живлення машин контактного точкового зварювання (КТЗ) промислової частоти потужністю до 100 кВА, обладнаних повздовжнім компенсатором реактивної потужності; при цьому отримано можливість розрахунку значень коефіцієнтів потужності в залежності від кутів включення тиристорів контактора, значень активного опору і відхилення від рівня повної компенсації.

2. Виконано аналіз систем живлення з трифазними безпосередніми перетворювачами зниженої частоти струму; визначено, що найбільш перспективним для застосування в машинах КТЗ великої потужності (понад 100 кВА) є перетворювач частоти струму 30 Гц - через сприятливий розподіл струму по фазах мережі.

3. Підтверджено ефективність використання систем живлення з безпосереднім перетворювачем зниженої частоти струму 30 Гц в машинах КТЗ великої потужності для зварювання змінною напругою прямокутної форми; аналіз проблеми та експериментальна перевірка виконано з застосуванням методу моделювання та критеріїв подоби процесу зварювання.

4. Вперше для машин КТЗ металів з товшиною меньш за 1 мм створено спеціалізоване джерело живлення з транзисторним інвертором і процесором керування режимом зварювання струмом підвищеної частоти 500 Гц, що працює за алгоритмом, розробленим і захищеним державним патентом України.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Доведено високу ефективність систем повздовжньої компенсації реактивної потужності однофазних машин для КТЗ малої і середньої потужності (до 100 кВА). Машини цього типу з традиційним тиристорним контактором повинні знайти широке застосування. У порівнянні зі звичайними машинами вони мають значно більш високі ККД та , забезпечують підвищену стійкість електродів і стабільність якості з'єднань у широкому діапазоні їх питомих опорів.

З використанням розробленого нового методу розрахунку встановлено, що в діапазоні кутів включення тиристорів до 60-ти електричних градусів можна одержати високе значення (до 0,95) при рівні компенсації 75 % від повної (недокомпенсація).

2. Показано, що застосування в машинах КТЗ великої потужності (понад 100 кВА) системи живлення з трифазним безпосереднім перетворювачем зниженої частоти струму 30 Гц дозволить підвищити коефіцієнт потужності на 20…30 % у порівнянні з традиційною системою живлення промислової частоти, розвантажити нульовий провід мережі, підвищити значення діючого струму у навантаженні, підвищити стійкість електродів машини, зменшити випадки виплеску металу із зони зварювання. Створено макет перетворювача і випробувано на еквіваленті навантаження.

3. Доведено, що в порівнянні з традиційними системами живлення з конденсаторними накопичувачами енергії транзисторне інверторне джерело живлення має переваги в технологічних та масогабаритних показниках. Вперше створено спеціалізоване джерело живлення з транзисторним інвертором і процесором керування режиму зварювання струмом підвищеної частоти 500 Гц для машин КТЗ металів малих товщин.

З використанням нового джерела живлення реалізовано КТЗ зразків малих товщин та з застосуванням критеріїв подоби процесу зварювання змодельовано КТЗ металів з товщиною до 8-ми мм.

Особистий внесок здобувача. Внесок автора полягає в систематизації матеріалів досліджень відповідно до поставлених задач; формулюванні цілі і задач основних напрямів роботи; розрахунків, формулюванні відповідних висновків за результатами аналізу систем живлення, а також у розробці і безпосередній практичній роботі при реалізації схемотехничних рішень зразка інверторного перетворювача для установки точкового мікрозварювання і проведенні експериментів.

У роботах, опублікованих у співавторстві, особисто здобувачу належить: аналіз сучасного стану проблем електроживлення машин для КТЗ [1-3], математичний аналіз роботи тиристорного перетворювача зниженої частоти струму у відношенні завантаження струмом фаз питомої мережі при його роботі на частотах 37,5 Гц і 30 Гц [1], порівняння перетворювача частоти струму 30 Гц з однофазною системою промислової частоти струму 50 Гц у відношенні енергоспоживання [1], оцінка впливу зниженої частоти струму на енергетичні характеристики зварювального трансформатора [6], участь у розробці методики розрахунку значень коефіцієнтів потужності однофазної системи живлення машини КТЗ із повздовжньою компенсацією реактивної потужності в залежності від кутів включення тиристорного контактора та активного опору навантаження, фізичне моделювання експериментального устаткування перетворювача частоти струму 30 Гц [4], розробка і виготовлення инверторного джерела живлення з підвищеною частотою струму 500 Гц для мікрозварювання [5], розробка алгоритму роботи автоматичного керування режимом КТЗ і його реалізація в експериментальному инверторном джерелі живлення підвищеної частоти струму 500 Гц для мікрозварювання [7], проведення експериментів.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися та обговорювалися на конференціях і наукових семінарах: “Зварювання і споріднені технології - у XXI століття”, м. Київ, 1998р.; I-й Всеукраїнської наук.-техн. конф. молодих вчених і фахівців "Зварювання і споріднені технології", м. Київ, 2001 р.; Міжнародної конференції "Зварювання і споріднені технології 2002", м. Київ, 2002 р.; II-й Всеукраїнської наук.-техн. конф. молодих вчених і фахівців "Зварювання і споріднені технології", м. Київ, 2003 р. струм зварювання точковий контактний

Публікації. За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 7 наукових робіт, у тому числі 2 статті в спеціалізованих наукових журналах, 3 статті і 1 тези доповідей в збірниках на українськіх і міжнародній науковій конференціях, 1 патент України.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається з переліку умовних скорочень, введення, 5-ти розділів, висновків, списку літератури з 77 найменувань і 13-ти додатків. Загальний обсяг роботи складає 117 сторінок, у тому числі 109 сторінок основного тексту, 43 малюнка і 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, наукову новизну та наведено практичну цінність роботи.

У першому розділі проаналізовано стан проблеми і сформульовані мета та задачі досліджень. При цьому приведені особливості відомих систем живлення машин для контактного точкового зварювання опором, технологічні можливості цих систем, а також узагальнено їх основні недоліки.

Проведено аналіз характеристик однофазної системи живлення машин для КТЗ змінним струмом промислової частоти як самої розповсюдженої з існуючого класу машин. В результаті аналізу виявлено чотири головних недоліки однофазних машин для точкового зварювання:

- значна споживана потужність, що для низьковольтних (220/380 В) розподільних мереж у багатьох випадках є надмірним навантаженням, яке приводить до нерівномірного завантаження фаз питомої мережі;

- невисокий коефіцієнт потужності, що особливо малий ( до 0,2) у потужних машинах з великим вильотом зварювальних електродів. Порівняно високий коефіцієнт потужності мають машини точкового зварювання на постійному струмі для алюмінієвих і магнієвих сплавів. Однак ККД цих машин нижче через додаткове падіння напруги на діодах випрямлювача вторинного кола;

- додаткове зниження коефіцієнту потужності завдяки застосуванню силових тиристорів, за допомогою яких здійснюється включення машини в мережу і регулювання зварювального струму, що до того ж веде до виникнення гармонік струму вищого порядку, що знижує якість електроенергії в мережі;

- зниження ефективності і самої технічної можливості автоматичного регулювання процесом КТЗ, оскільки період протікання струму промислової частоти не меньше 20 мс, що найчастіше порівнянно з загальним часом зварювання деталей малих товщин.

Визначено напрямки пошуку відповідних рішень для подолання чи мінімізації цих недоліків і оптимізації винайдених пропозицій.

В другому розділі проаналізовані системи живлення, частково позбавлені недоліків, властивих класичній однофазній системі устаткування для КТЗ.

Розглянуто схеми машин для зварювання на постійному струмі, спеціальні конструкції виконання однофазних зварювальних трансформаторів і вторинних електричних кіл при частоті струму 50 Гц, безпосередні перетворювачі частоти та числа фаз, а також системи з компенсацією реактивної складової потужності. Зроблено висновок про можливі перспективи використання в КТЗ систем з акумуляторами енергії - електромеханічними, електромагнітними і электростатичними.

Серед систем трифазного живлення струмом промислової частоти найбільше розповсюдження мають машини великої потужності для зварювання металів з легких сплавів із трифазною керованою системою і випрямленням зварювального струму на вторинній стороні зварювального трансформатора. Технологічний ефект від використання цієї системи досягається, головним чином, завдяки сприятливій формі зварювального струму. Енергетичний ефект, у порівнянні з однофазною системою, розрахованої на ту ж корисну потужність, особливо проявляеться при малому значенні опору зварювального контакту. Головний недолік - низький ККД через спадання напруги на діодах випрямлювача вторинного кола.

Вивчено застосовання спеціальних конструкцій вторинних електричних кіл, що призначені для зменшення їхнього внутрішнього опору. Зазвичай це схеми з декількома паралельно включеними зварювальними трансформаторами (багатотрансформаторні схеми) і схеми з контурним трансформатором.

Проаналізовані перетворювачі частоти та числа фаз. Це, головним чином, безпосередні (чи відомі мережею) тиристорні перетворювачі частоти. Відомо декілька конструкцій таких перетворювачів. Головна мета, з якою велася їх розробка - це поліпшення технологічних характеристик зварювальних машин. Доведено, що в енергетичному відношенні деякі схеми таких машин були не краще за однофазну систему промислової частоти. Докладно робота деяких типів трифазних безпосередніх перетворювачів частоти розглянуто в Розділі 3.

Розглянуто метод повздовжньої компенсації реактивної потужності точкових машин промислової частоти, при якому послідовно з первинною обмоткою зварювального трансформатора включено батарею з косінусних конденсаторів (Рис. 1). За певних умов, створені по цьому методу машини дозволяють одержати набагато більш високий, у порівнянні з традиційною системою живлення, коэффиціент потужності (у 2 і більш разів) та добрі технологічні властивості.

У ІЕЗ ім. Є.О. Патона розробкою методу повздовжньої компенсації реактивної потужності машин для контактного точкового зварювання і проведенням практичних експериментів у 1960 р. займався проф. В.В. Зорин. Одним з важливих практичних результатів, відзначених тоді автором, є підвищення стабільності якості зварних з'єднань, яке пояснюється тим, що компенсація реактивної складової опору короткого замикання машини дозволяє одержати загальне (повне) значення опору, порівняне з опором зварювального контакту, якщо активний опір вторинного контуру має досить мале значення. Тобто значення (повний опір машини) прагне до суми значень активних опорів, і коефіцієнт потужності ,

, (1)

де - індуктивний опір вторинного кола, - кругова частота, - індуктивність, - активна складова опору контуру, - активний опір зварювального контакту.

Застосування повздовжньої компенсації дозволяє істотно знизити споживану потужність зварювальної машини.

Покажемо це.

Нехай зварювальний струм машини без компенсатора складає

, (2)

де - повна споживана потужність, приведена до вторинного кола, - повний активний опір вторинного кола, включаючи опір зварювального контакту.

Припустимо, що струм того ж значення повинна забезпечувати і машина з компенсатором, тобто , де - повна споживана потужність, приведена до вторинного кола машини з компенсуючим пристроєм.

Отже, при тому самому вторинному струмі споживана потужність машини з компенсатором:

. (3)

Реактивний опір (для більшої частини машин середньої потужності), розрахунково приведений до вторинного кола, складає близько до 150 мкОм, активний опір (у залежності від конструктивного виконання) знаходиться в межах 50…100 мкОм, опір зварювального контакту сталей вуглецевої групи 50…100 мкОм. Отже, в машині без компенсатора

.

При цьому відношення потужностей складає .

При зварюванні легких сплавів це відношення ще більше, тому що опір зварювального контакту знижується до 10…20 мкОм, при цьому:

.

Таким чином, потужність може знизитися більш ніж у 2 рази, з огляду на те, що значення активного опору вторинного контуру було прийнято з запасом.

У роботі зроблена оцінка швидкості згасання перехідного процесу, що спостерігається при включенні змінного струму на коло з активно-індуктивно-ємнісним (R-L-C) навантаженням. Схему заміщення машини з компесуючим пристроєм і тиристорним контактором (рис. 1) представлено як схему заміщення трансформатора, при цьому струмом холостого ходу зневажаємо.

Коло R-L-C у відносних одиницях описується рівнянням:

,

де - тривалість імпульсу струму напівперіоду, - фазовий кут, - кут включення, , - ємнісний опір батареї конденсаторів, - відносне значення напруги на конденсаторі ( - напруга на конденсаторі, - амплітудна напруга), - відносне значення напруги на конденсаторі при , - відносне значення струму ( - миттєвий струм).

Результати обчислень при (нульове значення кута включення) та за умов повної компенсації зображено на рис.2.

Як видно з рис. 2, перехідний процес спостерігається і згасає за 1-2 повних періода, і тим довше, чим вище відношення . Це, у свою чергу, визначає і амплітуду коливань напруги на батареї косінусних конденсаторів, які допускають перевантаження амплітудної напруги в 2...3 рази.

У зварювальній машині, яка обладнана компенсатором реактивної потужності, можливе регулювання зварювального струму за допомогою стандартного тиристорного контактора, який включено у коло компенсуючого пристрою (рис. 1). Наведені в роботі розрахунки доводять збереження високого значення коефіцієнта потужності (не менш чим 0,8) для достатньо великого відношення близького до 2,5, що властиве для машин з розвиненим вторинним контуром.

У роботі розроблено нову методику, що дозволяє розрахувати значення коефіцієнтів потужності будь-якої машини КТЗ, що обладнана компенсатором реактивної потужності, в залежності від активного опору навантаження в функції кутів включення тиристорного контактора і можливих відхилень від повної компенсації. Крім того, для кожного значення кута регулювання тиристорів вказана методика дозволяє обчислити відносні значення діючого струму і спадання напруги в навантаженні і напруги на конденсаторній батареї. Наведено відносні значення струмів і напруг зручні для їхнього подальшого перерахування в абсолютні величини параметрів конкретної зварювальної машини.

Вперше приведено розрахунки, побудовані таблиці і діаграми, які показують, що ефективне застосування повздовжньої компенсації лежить у діапазоні кута регулювання від 0 до 1-го радіана (чи 60 эл. градусів, рис. 3), що відповідає 5-6 ступіням зварювального трансформатора, при слабкій залежності від опору навантаження, в тому числі, і у випадку можливого відхилення від повної компенсації, що відповідає практичним умовам експлуатації зварювальної машини. При недокомпенсації до 25% коефіцієнт потужності у зазначеному діапазоні залишається досить високим і зменшується в середньому не більш, ніж на 10%. Настроювання зварювального контуру на недокомпенсацію корисна тим, що знижує до мінімуму ризик резонансу напруг у первинному електричному контурі машини. Однак, у будь-якому випадку, варто забезпечити схему машини введенням швидкодіючого захисту від перенапруги на конденсаторах і первинній обмотці зварювального трансформатора.

Таким чином встановлено, що флуктуації опору , навіть у широких межах, незначно впливають на коефіцієнт потужності, це означає, що можливі зміни перехідних опорів і питомого опору металу при нагріванні в зоні контакту будуть мало позначатися на стабільності якості зварювання. Отже, можна зробити висновок про те, що навіть на звичайної однофазний, але обладнаної компенсатором, машині промислової частоти середньої потужності (до 100 кВА), можливе зварювання металів у широкому діапазоні питомих зварювальних електричних опорів - від вуглецевих сталей до деяких легких сплавів. Також це повинно дати можливість для якісного з'єднання деталей з попередньо нанесеним захисним покриттям з високим значенням электроопору.

У роботі розроблено програму в середовищі QBASIC для автоматизованого розрахунку коефіцієнтів потужності, значень відносних напруг і струмів за заданим значенням кута включення при різних значеннях активного опору навантаження і ступені компенсації для конкретних електричних параметрів зварювальних машин.

У третьому розділі докладно розглянуто роботу безпосередніх перетворювачів частоти і числа фаз з комутацією тиристорів між фазами трифазної мережі.

Підвищення коефіцієнта потужності машини можна досягти або зменшенням величини індуктивності вторинного контуру, тобто зміною конструкції машини, або зниженням її робочої частоти (згідно з формулою (1). Якщо в першому випадку втручання в конструкцію машини може привести до погіршення експлуатаційних і технологічних показників, то в другому - зростають масогабаритні показники зварювального трансформатора. Тому зроблено оцінку ефекту підвищення при відносно невеликому зниженні частоти струму, що дозволяє зберегти конструкцію трансформатора.

У розділі подано аналіз відомих схем безпосередніх перетворювачів частоти з трифазним живленням. У якості базової обрана схема, що приведена на мал. 4. Дане порівняння такого перетворювача, який працює на близьких до 50 Гц частотах струму, які є найбільш сприятливими за умовами нормальної комутації тиристорів - при 37,5 Гц і 30 Гц.

Головна перевага цієї схеми низькочастотного перетворювача перед однофазною системою промислової частоти 50 Гц носить виражений енергетичний характер, що виявляється в зниженні споживаної потужності завдяки зменшенню реактивної складової опору вторинного контура, роботі системи за трифазною схемою, але без нульового проводу.

До технологічних переваг машини з таким перетворювачем варто віднести значно більш положисту зовнішню характеристику завдяки низкої частоти і малому реактивному спаданню напруги у вторинному струмоведучому колі. Також перевагою варто вважати “притуплену” форму вторинного струму у часі, у порівнянні із синусоїдою, що знижує імовірність виплесків металу з-попід електродів і в контакті між виробами, що зварюються, і сприяє збільшенню терміну служби самих електродів.

На рис. 5 і 6 показані графіки напруг і струмів при роботі перетворювача відповідно з частотою 37,5 Гц і 30 Гц.

Напруга в колі навантаження для обох частот описується рівнянням:

, де .

Рішення рівняння щодо миттєвого значення струму має вид:

,

де - змушений струм, - вільний струм, , - фазовий кут, - постійна часу, .

З рис. 5 і 6 видно, що напівперіод частоти струму 37,5 Гц дорівнює , а частоти струму 30 Гц - . Таким чином, значення струму за відповідні напівперіоди частоти струму 37,5 Гц і 30 Гц дорівнюють:

,

.

Відповідно, діючі значення струмів за напівперіоди частоти струму 37,5 Гц і 30 Гц:

, .

Таким чином, струм у фазах при частотах 37, 5 Гц і 30 Гц, відповідно дорівнюють:

, . (4)

З кривих напруг видно, що при частоті 30 Гц, на відміну від 37,5 Гц, у кожен напівперіод включені усі три фази мережі. Якщо провести порівняльний аналіз обох перетворювачів по завантаженню мережі струмом кожної з фаз за деякий базовий період часу, наприклад, період встановлення квазісиметричного розподілу завантаження фаз при частоті 37,5 Гц, то з'ясується, що кожна з трьох фаз мережі при обох частотах включена однаковий період часу, рівний , де - напівперіод частоти 50 Гц. Але потужність, що віддається в навантаження за цей період часу, обумовлене величиною струму, визначеної по формулах (4) у перетворювача частоти 30 Гц буде трохи вище - у 1,08 рази. З енергетичної точки зору це є невеликою перевагою. Важливою перевагою варто вважати рівномірне завантаження фаз мережі в кожен напівперіод при частоті струму 30 Гц. Треба зважати, що включення лише двох фаз у кожен напівперіод при роботі перетворювача з частотою 37,5 Гц вносить викривлення в трифазній мережі, і тим істотніше, чим вище споживана потужність машини.

Частоту струму 30 Гц у навантаженні також можна одержати, використовуючи в якості перемикаючого ключа ланку із силовими біполярними транзисторами (рис. 7). Графіки напруги і струму для цього випадку показані на рис. 8.

Встановлено, що недолік цього типу інвертора складається у великих енергетичних і теплових втратах при перемиканні транзисторів, які обмежують потужність, що комутується.

Цей недолік можна виправити, включивши ємність послідовно в середню точку первинної обмотки трансформатора. Таким чином, створюється контур L-C-R і струм природним шляхом проходить нульове значення, транзистор відключається без втрат енергії. Величину ємності треба підібрати таким чином, щоб частота власних коливань створеного контуру була трохи менше робочої частоти самого інвертора. Потужність, що комутується інверторною ланкою, при цьому зростає.

В роботі показано, що транзисторний інвертор має переваги перед системою на тиристорах, яка настроюється на ту ж частоту 30 Гц, завдяки більш високій якості розподілу енергії між фазами мережі протягом напівперіоду часу низької частоти (діаграма рис. 9).

Головні переваги транзисторного перетворювача частоти струму 30 Гц перед тиристорним перетворювачем тієї ж частоти струму носять експлуатаційний і технологічний характер. Транзисторний перетворювач є більш надійний в експлуатації, тому що система керування ним конструктивно значно простіше, ніж у тиристорного. Технологічна перевага складається в близькості форм напруги і струму до прямокутної форми, тому практично відсутні піки максимального струму в кожен напівперіод низької частоти. Як відомо, ця обставина повинна звести до мінімуму як виплеск металу із зони зварювання, так і локальне перегрівання електродів, а також, при необхідності, підвищити “жорсткість” режиму зварювання.

У четвертому розділі приведені результати розробки і фізичного моделювання експериментального устаткування перетворювача частоти струму 30 Гц.

Використання відомого критерію подібності електромагнітних полів у провідниках при періодичних струмах допускає моделювання процесу зварювання при частоті струму 30 Гц процесом зварювання при підвищеній частоті струму з відповідним зменшенням лінійного розміру деталі, що зварюється, у пропорції ~ , де - у даному випадку товщина однієї деталі. Наприклад, зі збільшенням на порядок робочої частоти перетворювача, відповідно на порядок зменшується товщина деталей, що зварюються.

Проведено також моделювання процесу точкового зварювання змінним струмом прямокутної форми. При цьому виходили з того, що розподіл фазних струмів одного і того ж транзисторного інвертора, настроюваного або на частоту 500 Гц або на частоту 30 Гц, повинен носити той самий характер. Перевагою є те, що транзисторний інвертор не є безпосереднім перетворювачем частоти, відомим мережею. Завдання частоти струму визначається технологією зварювання конкретних матеріалів і необхідним завданням потужності, а потужність диктує масу і габарити зварювального трансформатора, які зворотньо пропорційні робочій частоті.

Для проведення експериментів автором було розроблено і виготовлено спеціалізоване джерело живлення змінного струму з робочою частотою 500 Гц для КТЗ металів з товщиною менш 1-го мм (мікрозварювання). Джерело живлення забезпечує процес високоякісного зварювання виробів у діапазоні товщин 0,05...0,5 мм і моделює джерело живлення з частотою струму 30 Гц для зварювання виробів у діапазоні товщин 5...8 мм. На рис. 10 зображена структурна схема розробленого перетворювача. У роботі приведений опис його роботи.

Відповідно до цієї схеми, режим зварювання задається або вручну за допомогою клавіатури з відображенням параметрів режиму на дисплеї, або автоматично, завданням одного з чотирьох передвстановлених еталонних режимів зварювання.

Схема керування вхідним регулятором на IGBT-транзисторі забезпечує коректування режиму зварювання, обмежує можливе перевищення припустимого струму на інверторі і забезпечує поступовий (протягом 3 мс) підйом напруги на електродах для стабілізації початкового контактного опору. Це дозволяє знизити вимоги до очищення поверхонь виробів у місці передбачуваного з'єднання.

Розроблена схема дозволяє роботу транзисторів інвертора тільки в ключовому режимі, частота їх переключення задається генератором імпульсів.

Процесор аналізує поточні параметри режиму зварювання, що надходять з датчиків струму і напруги, зіставляє їх із введеними (еталонними) значеннями струму і напруги, і на основі аналізу виробляє керуючу дію на схему керування вхідним регулятором.

Алгоритм роботи автоматичної системи керування режимом зварювання, що реалізовано у джерелі живлення, захищений патентом України (№ 72571 від 15.03.2005р., бюл. № 3) і зображений на рис. 11. На рисунку прийняті наступні позначення: - еталонний час зварювання; - поточний час зварювання; - еталонна потужність; - поточне значення потужності , де і - відповідно струм і напруга зварювання, що знімаються з датчиків струму і напруги); - еталонне значення енергії, витраченої на зварювання; - поточне значення енергії; - мінімально припустиме значення поточного значення струму; - максимально припустимий час зварювання.

У п'ятому розділі приведені результати експериментальних випробувань точкового мікрозварювання зразків зі сталі 08Х18Н10Т товщиною 0,1+0,1 мм, виконаної з використанням перетворювача частоти струму 500 Гц, з метою проведення технологічної перевірки моделювання процесу зварювання при частоті струму 30 Гц процесом зварювання при підвищеній частоті струму з відповідним зменшенням лінійних розмірів деталей, що зварюються.

Процес технології зварювання подібних матеріалів достатньо вивчений дослідниками при використанні машин конденсаторного зварювання. Тому експериментальна робота ставила за мету порівняння режимів зварювання зразків зазначеної сталі з застосуванням перетворювача частоти струму 500 Гц з аналогічними режимами зварювання при застосуванні машини конденсаторного зварювання.

В результаті технологічна ефективність перетворювача частоти струму 500 Гц з автоматичним керуванням режимом зварювання була підтверджена при дослідженні макроструктур шліфів та випробувань на міцність зварних точок зразків, з'єднаних без попереднього очищення поверхонь зон контакту між деталями та електродами. Встановлено, що автоматичний заданий підйом напруги на електродах на початку зварювання ефективно стабілізує перехідні опори, а прямокутна форма напруги сприяє утворенню бездефектного литого ядра з неявно вираженою границею зони термічного впливу, що знижує ризик окрихчення з'єднання по цій границі. Автоматичне керування процесом сприяє повторюваності зварювання.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Показано на основі аналіза можливих систем живлення машин для контактного зварювання опором, що найближчим часом найбільш перспективним слід вважати застосування:

- повздовжньої компенсації реактивного опору однофазних систем живлення для найбільш розповсюджених машин промислової частоти струму потужністю до 100 кВА, призначених для точкового зварювання сталевих деталей товщиною від 0,7...1,0 мм до 4...5 мм і деталей з легких сплавів товщиною від декількох десятих мм до ~1 мм;

- трифазних систем живлення з безпосереднім чи автономним інвертором зниженої частоти зварювального струму у 30 Гц для потужних зварювальних машин (понад 100 кВА), що характеризуються великим значенням реактивного опору у вторинному контурі, які призначені для зварювання сталевих деталей товщиною до 8 мм і деталей з легких сплавів товщиною більш за 1 мм;

- однофазних чи трифазних систем малої і середньої потужності до 100 кВА з автономним інвертором підвищеної частоти струму, яка визначається відповідно до товщини і марки металу, що зварюється.

2. Доведено високу ефективність систем повздовжньої компенсації реактивної потужності однофазних машин для КТЗ малої і середньої потужності (до 100 кВА). Машини цього типу з традиційним тиристорним контактором повинні знайти широке застосування. У порівнянні зі звичайними машинами вони мають значно більш високі ККД та , забезпечують підвищену стійкість електродів і стабільність якості з'єднань у широкому діапазоні їх питомих опорів.

3. З використанням розробленого нового методу розрахунку встановлено, що в діапазоні кутів включення тиристорів до 60-ти електричних градусів можна одержати високе значення (до 0,95) при рівні компенсації 75 % від повної (недокомпенсація). У випадку необхідности робочий діапазон може бути розширений за допомогою зміни коефіцієнта трансформації. Технологічний ефект виражається в більш стабільній якості з'єднань, у тому числі при зносі електродів або інших збурювань процесу зварювання.

4. З використанням удосконаленої методики отримана можливість розрахунку значень коефіцієнтів потужності однофазної системи живлення машин контактного точкового зварювання промислової частоти з потужністю до 100 кВА, обладнаних повздовжнім компенсатором реактивної потужності, у залежності від кутів включення тиристорів контактора, значень активного опору і відхилення від рівня повної компенсації.

5. На основі аналізу систем живлення з трифазними безпосередніми перетворювачами частоти струму 37,5 Гц і 30 Гц по ефективності завантаження струмом фаз питомої мережі, визначений як найбільш перспективний для застосування в машинах КТЗ великої потужності (понад 100 кВА) перетворювач частоти струму 30 Гц.

6. Показано, що застосування в машинах КТЗ великої потужності (понад 100 кВА) системи живлення з трифазним безпосереднім перетворювачем зниженої частоти струму 30 Гц дозволить підвищити коефіцієнт потужності на 20…30 % у порівнянні з традиційною системою живлення промислової частоти, розвантажити нульовий провід мережі, підвищити значення діючого струму у навантаженні, підвищити стійкість електродів машини, зменшити випадки виплеску металу із зони зварювання. Створено макет перетворювача і випробувано на еквіваленті навантаження.

7. З застосуванням методу моделювання з урахуванням критеріїв подоби процесу зварювання, підтверджена доцільність використання систем живлення з безпосереднім перетворювачем частоти струму 30 Гц у точковій машині великої потужності для зварювання змінною напругою прямокутної форми.

8. Встановлено, що головна перевага систем підвищеної частоти для мікрозварювання перед однофазними системами промислової частоти і системами з електростатичними накопичувачами енергії складається з можливостей здійснення автоматичного керування і програмування складних циклів зварювання при тривалості процесу порядку одиниць мілісекунд.

9. Вперше для машин контактного точкового зварювання металів малої товщини (мікрозварюванні) створене спеціалізоване джерело живлення з транзисторним інвертором і процесором керування режимом зварювання струмом підвищеної частоти 500 Гц, що працює за алгоритмом, розробленим і захищеним державним патентом України.

10. Доведено доцільність використання інверторного транзисторного джерела живлення з підвищеною частотою зварювального струму 500 Гц та ефективність вибраного алгоритму автоматичного керування процесом точкового зварювання металів з товшиною меньш за 1 мм при проведені експериментів точкового мікрозварювання зразків зі сталей 12Х18Н10Т та 08Х18Н10Т.

11. Встановлено, що пріоритетними напрямками слід вважати розробку систем живлення машин з повздовжньою компенсацією, що можуть знайти широке застосування в зварювальних машинах потужністю до 100 кВА, та інверторних систем для зварювання струмом підвищеної частоти в мікрозварюванні.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лебедев В.К. Совершенствование систем питания машин для контактной сварки сопротивлением / В.К. Лебедев, А.А. Письменный // Сварка и родственные технологии - в ХХI век: Сб. тр. междунар. конф. НАН Украины, Институт электросварки им. Е.О. Патона. Киев: 1998. С. 130-136.

2. Lebedev V., Pismennyy A. Improvements to the power supply systems of flash-butt welding machines. // Welding and Related Technologies for the 21^st Century. “Harwood academic publishers”. 1998. Pp. 157 - 165.

3. Лебедев В.К. Системы питания машин для контактной сварки / В.К. Лебедев, А.А. Письменный //Автоматическая сварка. 2001. № 11. С. 32-36.

4. Письменный А.А. Инверторный источник питания для контактной точечной сварки сопротивлением и микросварки / А.А. Письменный, Дубко А.Г. // Материалы международной конференции “Сварка и родственные технологии 2002”. 2002. С. 28-29.

5. Письменный А.А. Инверторный источник питания повышенной частоты для контактной точечной микросварки с системой автоматического регулирования / А.А. Письменный, А.Г. Дубко // Сборник тезисов II-й всеукраинской конференции молодых ученых и специалистов “Сварка и родственные технологии”. 2003. С. 84.

6. Лебедев В.К. Система питания машин для контактной сварки с транзисторным инвертором / В.К. Лебедев, А.А. Письменный // Автоматическая сварка. 2003. № 2. С. 11-13.

7. Пат. 72571 Україна, МПК В23К11/11, МПК В23К 11/25 Спосіб контактного точкового мікрозварювання з автоматичним керуванням / Лебедєв В.К., Письменний О.О.; заявник та патентотримач ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України. № 2002075795 ; заявл. 15.07.2002 ; опубл. 15.03.2005, Бюл. № 3.

АНОТАЦІЯ

Письменний О.О. Підвищення ефективності систем живлення машин для контактного точкового зварювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - Зварювання та споріднені процеси і технології. - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2008 р.

Дисертаційна робота присвячена аналізу проблем електроживлення та керуванням машинами для контактного точкового зварювання опором (КТЗ). Проаналізовано та визначено найбільш перспективні напрямки для подальших робіт в цій галузі.

Дисертація вміщає систематизований аналіз відомих систем живлення для КТЗ, на основі якого проведено теоретичний та розрахунковий оцінки найбільш перспективних систем.

Для розробки систем живлення потужністю до 100 кВА з повздовжньою компенсацією реактивної складової опору розроблена програма автоматизованого розрахунку коефіцієнтів потужності, значень відносних напруг та струмів по заданим значенням кута включення при різних значеннях активного опору навантаження.