Климов А.С., Смирнов И.В. Основы технологии и построения оборудования для контактной сварки

Подождите немного. Документ загружается.

131

Рис. 4.30. Пневматический привод с аналоговым электропневматическим

управлением

Данный привод может работать в двух режимах: неследящем – програм-

мирование давления воздуха в пневмоцилиндре, и следящем – программирова-

ние истинного усилия на электродах с автоматической компенсацией сил тре-

ния и инерции привода. В последнем случае для создания соответствующего

давления в цилиндре в блок

2 вводится сигнал обратной связи от электрическо-

го датчика усилия на электродах. Особенность привода состоит в том, что про-

цессы изменения усилия могут совершаться в короткие промежутки времени и

с высокой точностью.

Принципиальная схема пневматического привода сжатия машин для кон-

тактной шовной сварки проще, чем у большинства машин для точечной сварки.

Это объясняется тем, что в шовных машинах нет необходимости обеспечивать

сложные циклограммы нагружения, поэтому привод обычно выполняет работу

по простейшему циклу нагружение-разжатие. Силовой элемент привода шов-

ных машин представлен двухкамерным пневмоцилиндром, работающим с ис-

пользованием воздуха одного давления. Простейшая принципиальная схема

пневматического привода сжатия для непрерывной и прерывистой сварки

(

рис. 4.31) состоит из вентиля 1, фильтра 2, редукционного клапана 3, лубрика-

тора

4, электропневматического клапана 5, двух дросселей с обратными клапа-

нами

6 и 7, двухкамерного пневмоцилиндра 8, ресиверов 9 и 10.

Такой привод работает следующим образом. Воздух подаётся в пневма-

тическую систему машины через вентиль

1, фильтр-влагоотделитель 2, редук-

ционный клапан

3 и лубрикатор 4. Если на управляющую катушку электромаг-

нитного клапана

5 не подано напряжения, то рабочий воздух поступает в ниж-

нюю камеру пневмоцилиндра

8, а верхняя камера соединена с атмосферой. Ро-

132

лики при этом разжимаются. Если на катушку клапана 5 подано напряжение, то

он переключается, и нижняя камера пневмоцилиндра соединяется с атмосфе-

рой, а в верхнюю камеру подаётся рабочий воздух. Ролики при этом сжимают-

ся.

12 345

910

Рис. 4.31. Схема пневматического привода сжатия машин для шовной сварки

4.5. Трансформаторы машин для контактной сварки

4.5.1. Электрическая сущность трансформаторов контактных машин

Рассмотрим катушку, размещенную на стальном замкнутом сердечнике

(рисунок 4.32). Если каким-либо образом в сердечнике возбудить магнитный

поток

Ф, то он, будучи сцеплённым с витками катушки, наведёт в каждом из

них электродвижущую силу (напряжение), величина которой определяется за-

коном Фарадея

dФ

e =

. Если суммарное число витков в катушке w, то напря-

жение на выводах катушки будет в

w раз больше:

dФ

ueww

. (4.26)

133

Рис. 4.32. Катушка на стальном сердечнике

Важно отметить, что напряжение на выводах катушки пропорционально

производной, т.е. скорости изменения магнитного потока. Т.о., постоянный

магнитный поток не будет наводить в витках катушки электродвижущую силу

(ЭДС). Качественная взаимосвязь между потоком и ЭДС иллюстрируется

рис. 4.33. Вариант

а) соответствует линейному нарастанию и спаду потока, а

вариант

б) — синусоидальному. Последний режим возникает в сердечниках

трансформаторов, подключенных к промышленной сети переменного тока.

Рис. 4.33. Магнитный поток

Ф и ЭДС е катушки

Еще одной важной особенностью рассматриваемой системы является об-

ратимость процессов. Это значит, что если к выводам катушки приложить пе-

ременное напряжение, то в её сердечнике возникнет магнитный поток, причем

такой, чтобы выполнялось равенство (4.26). При питании катушки от внешнего

источника напряжения, по её виткам будет протекать электрический ток –

ток

намагничивания

. Величина этого тока определяет собственную индуктивность

катушки:

, (4.27)

134

где L – индуктивность катушки;

wФ=

– потокосцепление катушки, равное произведению потока сер-

дечника

Ф на количество её витков w;

– ток намагничивания.

Рассчитать величину тока намагничивания можно, воспользовавшись за-

коном полного тока, согласно которому падение магнитного напряжения в

замкнутом контуре равно полному току

I, охватываемому этим контуром:

∫

IHdl

, (4.28)

где

H – напряженность магнитного поля в сердечнике.

Выбрав в качестве контура интегрирования среднюю линию сердечника

(рисунок 4.32, штрих пунктирная линия) и считая напряженность магнитного

поля во всех ее точках постоянной, формулу (4.28) можно привести к виду:

wiHl

ср 0

, (4.29)

где

ср

– длина средней линии сердечника.

Напряженность магнитного поля определяется свойствами материала

сердечника и

индукцией B, которую еще называют плотностью магнитного

потока

ст

(4.30)

где

ст

– площадь поперечного сечения стального сердечника.

00ст

B Ф

μμ μμ

, (4.31)

где

– магнитная постоянная, равная магнитной проницаемости вакуума;

– относительная магнитная проницаемость стального сердечника.

Подставляя (4.31) в (4.29), найдём

ср ср

ст

Hl Фl

wwS

μμ

, (4.32)

после чего по (4.27) найдем собственную индуктивность катушки:

0 ст

0 ср

wФ

μμ

. (4.33)

Применение формулы (4.33) осложняется тем, что в реальных стальных

сердечниках, выполненных из электротехнической стали, магнитная проницае-

мость

не является постоянной. Иными словами, зависимость (4.31) является

нелинейной. Однако, в правильно спроектированных сердечниках эта нелиней-

ность не столь существенна, и

можно считать постоянной. Для этого выбира-

ют расчетное значение индукции в сердечнике

несколько меньшим индук-

ции насыщения

(рисунок 4.34).

Под индукцией насыщения условно понимается такое значение индук-

ции, начиная с которого производная

dB/dH становится сравнимой с

. Для не-

насыщенного состояния сердечника

dB/dH<

. Кривые намагничивания холод-

135

нокатаных электротехнических сталей имеют высокие индукции насыщения

(до 2,2 Тл) и ярко выраженный перегиб. Для горячекатаных сталей перегиб бо-

лее плавный, а индукции насыщения меньше (до 1,8 Тл). После выбора рабочей

точки (

, H

) на кривой намагничивания (рисунок 4.34), принимают

μμ= , которую и подставляют в формулу (4.33).

Рис. 4.34. Кривая намагничивания электротехнической стали

Т.о., катушка с сердечником для внешнего источника электрической

энергии представляет нагрузку, имеющую индуктивную составляющую

L, оп-

ределяемую формулой (4.33), и активную составляющую

R, обусловленную

омическим сопротивлением провода, которым она намотана (рисунок 4.35).

Омическое сопротивление провода определяется его материалом (а именно его

удельным сопротивлением), сечением и длиной провода:

пр

, (4.34)

где

ρ – удельное сопротивление материала провода (0,0178 Ом⋅мм

/м для ме-

ди и 0,0287 Ом

⋅мм

/м для алюминия при 20°С);

пр

– общая длина провода (м);

пр

– площадь поперечного сечения провода (мм

Рис. 4.35. Схема замещения катушки с сердечником

Весьма удобным с практической точки зрения параметром сердечника ка-

тушки является

витковое напряжение e

, т.е. напряжение, наводимое в одном

витке катушки при заданной величине и частоте магнитного потока. Оно уже

упоминалось в формуле (4.26):

dФ

. (4.35)

136

Если поток изменяется по синусоидальному закону с частотой f:

ст

sin 2 sin 2

ФФ ft B S ft

== , (4.36)

то витковое напряжение также изменяется по гармоническому закону:

1 ст 1

2cos2 2cos2

eBSf ftE ft

ππ

==, (4.37)

где E

– действующее значение виткового напряжения, которое на частоте

50 герц равно:

ст

1 ст

222

fB S

. (4.38)

Как видно из (4.38), максимально допустимое витковое напряжение опре-

деляется конструкцией сердечника (а именно площадью поперечного сечения

трансформаторной стали S

ст

) и выбранным значением максимальной индукции

магнитного потока B

, которое, как упоминалось выше, ограничено величиной

порядка 1,5 тесла. Приведенная формула позволяет легко рассчитать мини-

мальное число витков катушки, подключаемой на заданное напряжение U:

wUE

. (4.39)

Если на стальном сердечнике располагается несколько катушек, то такое

устройство называется трансформатором. При этом одна из катушек, назы-

ваемая первичной обмоткой, служит для генерации магнитного потока, т.е.

подключается к первичному источнику электрической энергии (например, к

промышленной сети 380 В, 50 Гц). А в остальных катушках, называемых вто-

ричными обмотками, магнитный поток

сердечника наводит напряжение, пода-

ваемое в нагрузку. В трансформаторах для контактной сварки присутствует од-

на вторичная обмотка, представленная чаще всего одним или двумя витками.

Напряжения обмоток и числа их витков связаны формулой (4.39). Токи

обмоток связаны законом полного тока (4.28), который для трансформатора с

двумя обмотками вырождается в формулу:

2211

wiwiHl

ср

, (4.40)

где i

и i

– мгновенные токи в первичной и вторичной обмотках трансформа-

тора;

и w

–число витков в первичной и вторичной обмотках.

При этом ток i

вторичной обмотки определяется её напряжением и на-

грузкой, а ток i

первичной обмотки оказывается зависимым от вторичного то-

ка:

11 ср 22

iw Hl i w

− . (4.41)

Выражение (4.41) можно записать в виде:

(

)

101 22

iiw iw

−

=− . (4.42)

Разделив обе части равенства (4.42) на число витков w

первичной обмот-

ки, получим формулу

102

iiik

− , (4.43)

где

– коэффициент трансформации.

137

Таким образом, если к вторичной обмотке нагрузка не подключена (ре-

жим холостого хода), ток, потребляемый из сети первичной обмоткой, равен

току намагничивания i

. При номинальной нагрузке приведенные токи вторич-

ных обмоток на несколько порядков превышают ток намагничивания, поэтому

им можно пренебречь. Знак «минус» в формуле (4.43) означает, что ток вторич-

ной обмотки находится в противофазе с током первичной обмотки, если оцени-

вать их направления правилом буравчика по отношению к потоку сердечника.

При холостом ходе

отдаваемая трансформатором мощность равна нулю, а

некоторая мощность, потребляемая им из сети, расходуется на покрытие так на-

зываемых потерь холостого хода, которые складываются из потерь в сердечни-

ке магнитопровода и омических потерь в проводах обмоток.

Потери в сердечнике магнитопровода, обусловлены переменным магнит-

ным потоком. Эти потери складываются из двух составляющих, имеющих

раз-

личную природу: потери на перемагничивание, обусловленные энергией пере-

ориентации магнитных доменов в стали, и потери на вихревые токи. Перемен-

ное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое и вы-

зывает вихревые токи в проводящей среде. Если сердечник выполнить из цель-

ного сплошного куска железа, то вихревые токи окажутся настолько

сильными,

что, с одной стороны, не дадут магнитному потоку проникнуть вглубь магни-

топровода, чем существенно уменьшат его эффективное сечение, а с другой

стороны вызовут сильный его нагрев. Для уменьшения этого явления сердечни-

ки трансформаторов изготавливают из тонких пластин или полос, которые изо-

лируются друг от друга лаковой плёнкой. Толщину пластин выбирают

не более

глубины проникновения электромагнитного поля в их материал (0,5…0,7 мм).

Пластины располагают вдоль силовых линий магнитного поля. В результате

магнитный поток равномерно распределяется по сечению сердечника, а вихре-

вые токи не имеют возможности протекать поперёк пластин из-за лаковой изо-

ляции. Однако, несмотря на все усилия, потери в железе трансформатора

со-

ставляют значительную часть общих потерь.

Второй источник потерь (и соответственно нагрева трансформатора) –

омические потери в проводах обмоток. Стремление к экономии цветных метал-

лов побуждает проектировщиков закладывать высокие плотности токов в про-

водах, а для обеспечения их приемлемой температуры применять водяное ох-

лаждение.

Еще одна особенность реального трансформатора — наличие так назы

ваемых потоков рассеяния. Это явление иллюстрируется рисунком 4.36. Пусть

левая (по рисунку) обмотка является первичной. Будучи подключенной к элек-

трической сети, она генерирует магнитный поток Ф сердечника, который сцеп-

ляется со вторичной обмоткой (т.е. проходит через её витки). Однако, не весь

поток первичной обмотки сцепляется со вторичной. Имеется некоторая его

часть (обозначенная Ф

), которая не пересекает витки вторичной обмотки.

Этот поток называется потоком рассеяния первичной обмотки. Магнитные ли-

нии потока рассеяния частично проходят по воздуху, магнитная проницаемость

которого существенно меньше магнитной проницаемости стали, поэтому его

величина обычно намного меньше потока сердечника Ф. Аналогичная картина

138

наблюдается и с вторичной обмоткой. Если к вторичной обмотке подключена

нагрузка, то по её виткам протекает вторичный ток, который генерирует поток

рассеяния Ф

вторичной обмотки. Как было показано выше, первичный и вто-

ричные токи связаны жестким соотношением (4.43), поэтому величина потоков

рассеяния зависит от нагрузки, подключенной к вторичной обмотке. В режиме

холостого хода ток вторичной обмотки равен нулю, и потока рассеяния Ф

нет.

Ток первичной обмотки также минимален (он равен току намагничивания i

Поэтому поток рассеяния Ф

также пренебрежимо мал. Под нагрузкой токи

обеих обмоток увеличиваются, и потоки рассеяния возрастают.

Рис. 4.36. Потоки рассеяния трансформатора

В трансформаторах контактных сварочных машин индуктивности рас-

сеяния стремятся уменьшить. Для этого витки первичной и вторичной обмотки

располагают так, чтобы они равномерно чередовались в одном объёме, распо-

ложенном по возможности ближе к сердечнику, т.е. витки вторичной обмотки

будут уложены между витками первичной. Подобная схема получается

при

выполнении первичной и вторичной обмоток в виде нескольких отдельных сек-

ций. Чередованием секций первичной и вторичной обмоток можно добиться

минимальной индуктивности рассеяния. В трансформаторах броневого типа

магнитопровод имеет три продольных стержня. Площадь сечения среднего

стержня берётся вдвое больше площади сечения крайних стержней. На среднем

стержне располагаются первичная и вторичная

обмотки (рис. 4.37 а). В кольце-

вом трансформаторе используется более технологичная схема, когда вторичная

обмотка уложена поверх первичной, которая равномерно располагается на маг-

нитопроводе замкнутой, обычно тороидальной формы (рис. 4.37 б). Пустотелый

вторичный виток выполняется из медной полосы.

На электрической схеме замещения наличие потоков рассеяния учитыва-

ют введением дополнительных индуктивных элементов L

и L

последова-

тельно в первичный и вторичный контуры соответственно (рис. 4.38). Здесь ос-

новная функция трансформатора моделируется двумя зависимыми источника-

ми: зависимым источником напряжения ku

и зависимым источником тока ki

139

а) б)

Рис. 4.37. Трансформаторы контактных сварочных машин:

а – броневого типа; б – кольцевого типа

Рис. 4.38. Схема замещения сварочного трансформатора

Физический смысл параметров схемы замещения следующий: R

и R

–

активные сопротивления первичной обмотки и вторичного витка; L

и L

–

индуктивности рассеяния, обусловленные потоками рассеяния обмоток; L – ин-

дуктивность намагничивания, рассчитываемая согласно (4.33); R

– сопротив-

ление, моделирующее активные потери в сердечнике трансформатора.

В первом приближении можно считать, что потери в сердечнике пропор-

циональны квадрату напряжения u

, и, следовательно, они хорошо моделиру-

ются некоторым активным сопротивлением, подключенным на это напряжение.

Величину его выбирают равной

01ст

UP= , (4.45)

где U

– действующее значение напряжения сети (со стороны первичной об-

мотки),

ст

– мощность потерь в стали сердечника.

Представленная на рис. 4.38 схема замещения трансформатора неудобна

с практической точки зрения, поскольку содержит два зависимых источника.

Эти источники можно исключить, если пользоваться не истинными, а «приве-

дёнными» параметрами вторичной цепи (рисунок 4.39). При этом электриче-

ские параметры приводятся следующим образом:

140

()

. (4.46)

Рис. 4.39. Т-образная схема замещения трансформатора

В практике проектирования контактных сварочных машин утвердилась

другая схема замещения, в которой приведение осуществляется не к первичной,

а к вторичной обмотке (рис. 4.40). Кроме того, сварочные трансформаторы в

контактных машинах работают только под нагрузкой, близкой к номинальной.

В связи с этим оказывается возможным пренебречь элементами

L и R

, по-

скольку токи через них пренебрежимо малы по сравнению с токами первичной

и вторичной обмоток. При этом электрические параметры приводятся следую-

щим образом:

()

. (4.47)

Преимуществом такой схемы замещения является то, что параметры сва-

рочного контура, которые являются объектом пристального внимания, не тре-

буется пересчитывать для приведения к первичной обмотке.

Рис. 4.40. Упрощённая схема замещения сварочного трансформатора