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

Подождите немного. Документ загружается.

141

4.5.2. Общие сведения о трансформаторах контактных машин

Основными характеристиками трансформатора, определяющими воз-

можность его применения в том или ином случае, являются:

- номинальное первичное напряжение U

, В – напряжение, подаваемое на

первичную обмотку трансформатора при его нормальной работе;

- число ступеней регулирования вторичного напряжения n;

- пределы регулирования вторичного напряжения холостого хода

20min

…U

20max

, В;

- номинальная мощность трансформатора на заданной продолжительно-

сти включения N

, кВА.

- номинальный вторичный ток I

2ном

, кА – вторичный ток на номинальной

ступени, на который рассчитаны обмотки трансформатора при заданном ПВ;

- длительный ток вторичной обмотки трансформатора I

2д.ном

, кА – эквива-

лентный ток, постоянное прохождение которого во вторичной обмотке транс-

форматора вызывает такой же его нагрев, как и при прохождении номинально-

го вторичного тока при заданном ПВ;

- габаритные размеры, мм;

- масса, кг.

Трансформаторы контактных сварочных машин имеют ряд конструктив-

ных и функциональных особенностей, ставящих их обособленно от всех

ос-

тальных трансформаторов (в частности, от трансформаторов для дуговой свар-

ки):

Размеры трансформатора. Трансформатор машины контактной сварки дол-

жен встраиваться в машину и, следовательно, является элементом его конст-

рукции, определяющим габариты и вес машины. Поэтому его габариты и вес

должны быть минимальными, что заставляет эти трансформаторы работать

на повышенных электрических, магнитных и тепловых нагрузках. Для обес-

печения минимальных габаритов трансформаторов применяется их

прину-

дительное охлаждение водой.

Трансформаторы для контактной сварки обычно не работают в режиме хо-

лостого хода. Для того чтобы избежать образования дуги и повышенного из-

носа электродов трансформатор включают и отключают при электродах,

замкнутых на детали. Исключение составляет стыковая сварка оплавлением.

Трансформаторы для контактной сварки не предназначены для работы в ре-

жиме короткого замыкания. На этом режиме происходит увеличенный износ

трансформатора и электродов (в то время как трансформаторы для дуговой

сварки работают на режиме короткого замыкания – возбуждение дуги).

Трансформаторы для контактной сварки имеют повышенные вторичные то-

ки (несколько десятков кА) и пониженное вторичное напряжение (несколько

вольт). Из-за этого вторичную обмотку трансформатора для контактной

сварки выполняют из одного (реже двух) витков.

Для снижения индуктивности трансформатора первичную и вторичную об-

мотки располагают по возможности ближе друг к другу, применяют секцио-

нирование и чередование секций обмоток.

142

6. Трансформаторы для контактной сварки работают в повторно-

кратковременном режиме. Это приводит к образованию значительных зна-

копеременных электромагнитных сил, которые заставляют перемещаться

проводники обмоток и истирают их изоляцию. Поэтому конструкция транс-

форматоров для контактной сварки должна быть механически жёсткой и

обеспечивать абсолютное закрепление обмоток относительно друг друга и

сердечника.

Трансформатор должен обеспечивать различные режимы сварки, поэтому

его первичная обмотка секционирована и при помощи переключателей под-

бирается нужное количество витков обмотки для обеспечения заданного

вторичного напряжения.

4.5.3. Конструкция элементов трансформаторов

Магнитопровод трансформатора

По конструктивному исполнению магнитпровода трансформаторы разде-

ляют на три типа:

стержневые;

броневые;

кольцевые.

Магнитную цепь стержневого трансформатора (рис. 4.41 а) составляют

два продольных стержня, на одном из которых располагают обмотки, и два по-

перечных стержня – ярма. Достоинство: прост в изготовлении. Недостаток:

имеет самые плохие электрические характеристики из-за потоков рассеяния,

сложность механического крепления обмоток. Эти трансформаторы применя-

лись в машинах малой мощности и в

настоящее время практически вышли из

употребления.

Броневой трансформатор (рис. 4.41 б) имеет три продольных стержня.

Площадь сечения среднего стержня берётся вдвое больше площади сечения

крайних стержней. На среднем стержне располагаются первичная и вторичная

обмотки. Преимущества: имеет меньшие потоки рассеяния, магнитопровод об-

легчает крепление и защиты обмоток от воздействия внешних и электродина-

мических сил. Этот тип трансформатора получил наибольшее распространение

в машинах для контактной сварки.

Кольцевой трансформатор (рис. 4.41 в) предназначен в основном для сты-

ковой сварки труб. Он имеет замкнутый сердечник, вокруг которого равномер-

но располагаются витки первичной обмотки и секции вторичного витка, кото-

рый представляет собой пустотелое кольцо коробчатой формы. Для свободного

расположения изделия внутри трансформатора применяют разъёмные кольце-

вые магнитопроводы.

143

а) б) в)

Рис. 4.41. Типы магнитопроводов трансформаторов для контактной точечной

сварки: а) стержневой; б) броневой; в) кольцевой

Сердечники трансформаторов изготавливают из электротехнической ста-

ли толщиной порядка 0,5 мм. Для снижения потерь от вихревых токов каждый

лист покрывают изоляционным лаком с одной стороны. Для снижения магнит-

ных потерь листы при сборке крепко

прижимаются друг к другу. Сердечники

изготавливают из листовой горячекатанной электротехнической стали Э11, Э41

или из листовой холоднокатанной рулонной стали Э310, Э320 и Э330.

Из плоских листов горячекатанной стали изготавливают П- и Г-образные

пластины, из которых набирают сердечники (рис. 4.42).

Рис. 4.42. Набор сердечников магнитопровода трансформатора из Г- и П-

образных пластин

Повышенные магнитные свойства холоднокатанной стали проявляются

только в том случае, если направление магнитного потока совпадает с направ-

лением проката. Для этого из холоднокатанной стали изготавливают ленты, из

которых навивают магнитоопровод (рис. 4.43 а).

После навивки и термообработки навитые пакеты разрезают и составляют

из них сердечники броневого типа (как и в случае применения

пластин

П-образной формы). Большими технологическими преимуществами обладает

магнитный неразрезной магнитопровод (рис. 4.43 б), вматываемый в блок об-

моток по всей ширине окна. Недостатком такого магнитопровода является не-

возможность его разбора и ремонта трансформатора.

144

а) б)

Рис. 4.43. Витой магнитопровод трансформатора машин для контактной сварки:

а – разрезной, б - неразрезной

Первичные обмотки

Первичные обмотки трансформаторов выполняют в двух видах:

цилиндрические;

дисковые.

Цилиндрические обмотки представляют собой монолитную катушку,

применяются в основном на стержневых трансформаторах машин малой мощ-

ности. Такие катушки наматывают из изолированного обмоточного провода

равномерно в несколько рядов по высоте и несколько слоёв по ширине. Пре-

имущества: простота изготовления. Недостаток: сложность обслуживания и не-

возможность ремонта (приходится выбрасывать всю катушку целиком

Дисковые обмотки получили наибольшее распространение. Дисковая об-

мотка разделяется на несколько (4…16) последовательно или последовательно-

параллельно соединённых дисковых катушек, чередующихся с элементами

вторичного витка. Преимущества: удобны при ремонте трансформатора (заме-

няется только одна секция дисковой обмотки, а не вся катушка), возможно по-

лучение большого количества ступеней регулирования, улучшается охлажде-

ние первичной

обмотки за счёт её прижатия к водоохлаждаемому вторичному

витку, улучшается защита первичной обмотки от воздействия внешних и элек-

тродинамических сил.

Вторичный виток

В современных трансформаторах с дисковой первичной обмоткой вто-

ричный виток состоит из трёх или более плоских (дисковых элементов), соеди-

няемых параллельно (рис. 4.44), которые концами впаиваются в контактные ко-

лодки, служащие для съёма тока. При серийном производстве, особенно транс-

форматоров большой мощности, наиболее предпочтительным является литой

виток с залитой внутрь трубкой

для водяного охлаждения. Вторичные витки из-

готавливаются в основном из меди, но могут быть и из алюминиевого сплава

АЛ2 (силумин).

145

Рис. 4.44. Дисковый вторичный виток с водоохлаждающими трубками

4.5.4. Секционирование первичной обмотки трансформатора

Первичная обмотка делится на секции, отпайки от каждой секции под-

соединяют к переключателю ступеней трансформатора, где с помощью пере-

мычек, ножей или рукояток осуществляют подключение различного числа пер-

вичных витков, а, значит, и требуемого коэффициента трансформации. Число

ступеней регулирования вторичного напряжения обычно составляет 4…16. За

номинальную ступень выбирают предпоследнюю.

К секционированию

первичной обмотки предъявляются следующие тре-

бования:

Величина напряжения между двумя любыми выводами первичной обмотки

не должна быть более 150 % от максимального первичного напряжения.

Обеспечивать требуемые пределы и плавность регулирования напряжения

холостого хода. Коэффициент регулирования должен быть не менее 1,8:

min2

max2

= .

Обеспечивать равномерную токовую загрузку всех витков первичной об-

мотки на всех ступенях регулирования.

Наиболее простая схема изменения числа витков первичной обмотки по-

лучается при её секционировании как на рис. 4.45 а. Преимущества: позволяет

осуществлять регулирование вторичного напряжения с любым числом ступе-

ней через любые интервалы. Основной недостаток: малые пределы регулирова-

ния. При

переключении на высшую ступень между отпайкой обмотки 1 и от-

пайкой 5 как и в автотрансформаторе, возникает напряжение, равное произве-

дению сетевого напряжения на отношение числа витков всей первичной обмот-

ки к числу витков первичной обмотки до отпайки 5:

/380 ww⋅

. Поэтому такие

трансформаторы не могут обеспечить коэффициент регулирования напряжения

более 1,5, что не соответствует требованию ГОСТ 297-80.

146

а)

б)

в)

Рис. 4.45. Секционирование витков первичной обмотки трансформатора сва-

рочных машин

Для выполнения этого условия в первичной обмотке делают разрыв

(рис. 4.45 б), и переключатель ступеней имеет два ножа. При этом коэффициент

регулирования становится равным 3. Такой тип секционирования применяется

на машинах средней мощности. Однако в таких схемах не удаётся получить

равномерного обтекания током

всех витков первичной обмотки.

Заводом «Электрик» разработана схема последовательно-параллельного

переключения витков первичной обмотки (рис. 4.45 в), при котором на любой

ступени ток обтекает все её витки. Эту схему применяют на машинах средней и

большой мощности. Коэффициент регулирования в такой схеме может быть ра-

вен 2.

4.5.5. Переключатели ступеней трансформаторов

Для ступенчатого регулирования вторичного напряжения трансформато-

ра применяют изменение количества витков первичной обмотки, через которые

пропускают первичный ток. Для переключенеия витков обмоток трансформа-

тора применяют переключатели ступеней трансформатора. Переключатели

ступеней бывают:

пластинчатые;

ножевые;

барабанного типа.

Пластинчатый переключатель – ступени переключают путём измене-

ния положения отдельных перемычек для каждой секции. Преимущества: прост

147

в конструкции, надёжен. Недостаток: сложность в переключении ступеней –

необходим гаечный ключ. Применение: в машинах большой мощности.

Барабанные переключатели – со скользящими контактами. С лицевой

стороны переключателя располагается три (на 8 ступеней) или четыре (на 16

ступеней) рукоятки переключения. Преимущества: прост в работе, возможно

переключение ступеней при включенном трансформаторе (но только при холо-

стом ходе!). Применение: в машинах большой мощности (порядка и выше 300

кВА).

Ножевые переключатели – медный нож вводят в зазор между пружи-

нящими контактными пластинами. Преимущества: прост в использовании и из-

готовлении. Применение: в машинах мощностью менее 300 кВА.

Контрольные вопросы к главе 4

1. Какие требования безопасности предъявляются к контактным сварочным

машинам?

2. Какие основные электрические параметры контактных сварочных машин?

3. Как стабильность электрических параметров контактной сварки зависит от

ВАХ контактной сварочной машины? Какие ВАХ имеют машины для контакт-

ной точечной сварки и для стыковой сварки оплавлением?

4. Из каких основных элементов состоит контактная машина

для стыковой

сварки? Описать их назначение, особенности, разновидности.

5. Из каких основных элементов состоит контактная машина для точечной свар-

ки? Описать их назначение, особенности, разновидности.

6. Из каких основных элементов состоит контактная машина для шовной свар-

ки? Описать их назначение, особенности, разновидности.

7. Для чего нужен вторичный контур контактной сварочной машины, из

каких

элементов он состоит и как производится их расчёт?

8. Какие принципы легирования электродных сплавов для контактных свароч-

ных машин? Как это легирование влияет на основные свойства электродов

(стойкость, твёрдость, электропроводность, теплопроводность и др.)?

9. Как происходит износ электродов в процессе контактной сварки, от чего он

зависит? Как его учитывают и

как с ним борются?

10. В чём выражается электродинамический эффект во вторичном контуре кон-

тактной машины?

11. Из каких основных элементов состоит привод вращения роликов контакт-

ных шовных машин?

12. Какие существуют разновидности приводов зажатия стыковых машин, их

области применения, преимущества и недостатки?

13. Какие существуют разновидности приводов подачи контактных стыковых

машин, их

области применения, преимущества и недостатки?

14. Какие существуют разновидности приводов сжатия контактных точечных,

шовных и рельефных машин, их области применения, преимущества и недос-

татки?

148

15. Из каких элементов состоит пневматический привод сжатия контактных

машин?

16. От каких факторов и каким образом зависит стабильность сварочного уси-

лия при контактной сварке?

17. Какие существуют разновидности и как происходит работа силовых эле-

ментов пневматического привода сжатия контактных машин?

18. Нарисовать и объяснить работу принципиальной схемы пневматического

привода сжатия, применяемого в

подвесных клещах.

19. Нарисовать и объяснить работу принципиальной схемы пневматического

привода сжатия, применяемого в стационарных точечных машинах.

20. Нарисовать и объяснить работу принципиальной схемы пневматического

привода сжатия, применяемого в контактных шовных машинах.

21. Какие основные особенности трансформаторов для контактных сварочных

машин? Из каких элементов они состоят, их основные разновидности?

22. Для чего

и как производят секционирование первичной обмотки сварочного

трансформатора для контактных машин?

23. Какие бывают переключатели ступеней трансформаторов контактных сва-

рочных машин?

24. Какие существуют разновидности специальных трансформаторов для кон-

тактной сварки, для чего они используются?

149

ГЛАВА 5. АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ КОНТАКТНЫМИ

СВАРОЧНЫМИ МАШИНАМИ

5.1. Контактная точечная сварка как объект управления

Конечной целью контактной сварки как технологического процесса явля-

ется получение сварного соединения заданных геометрических размеров. При

этом формирование такого соединения обусловлено получением в процессе

пропускания сварочного тока и нагрева деталей такого температурного поля,

которое обеспечивало бы получение

литой зоны заданного размера и опти-

мальные металлургические изменения в зоне термического влияния для дости-

жения сварными соединениями заданных свойств. При этом важны не только

абсолютные значения температурного поля, но и временные зависимости разо-

грева и охлаждения.

Жёсткое программирование основных параметров сварки не даёт посто-

янного температурного поля, а значит,

и стабильного качества точечносварного

соединения вследствие наличия целого ряда возмущающих факторов (рис. 5.1),

к которым следует отнести:

1. Свойства свариваемых деталей – электро- и теплофизические характе-

ристики, геометрические размеры и состояние свариваемых поверхностей. Эти

факторы имеют тенденцию к изменению от партии к партии.

2. Технологические параметры – сварочный ток (угол включения тири-

сторов), длительность сварочного

цикла, сварочное усилие. С помощью аппа-

ратных средств в лабораторных условиях (in vitro) они обеспечиваются с доста-

точной степенью точности, однако при практическом применении в условиях

массового производства приходится сталкиваться со снижением давления в

пневматической системе цеха и падением напряжения питающей сети на десят-

ки процентов, что приводит к отклонению истинных режимов

от задаваемых.

3. Монотонные изменения электрического и силового контуров о мере

износа сварочной машины. Эти изменения кроме изменения диаметра контакт-

ной поверхности сварочных электродов, происходят сравнительно медленно и

не устраняются после смены.

4. Условия проведения процесса сварки – изменение сетевого напряжения

и полного сопротивления сварочного контура, шунтирование сварочного тока.

К тому же в

условиях массового производства происходит значительный разо-

грев контуров сварочных машин, что приводит к дополнительному снижению

их полезной мощности.

Очевидно, что скоротечность протекания процесса нагрева, его зависи-

мость от большого числа параметров и возмущающих факторов, и значитель-

ные электромагнитные помехи, образующиеся при протекании сварочного то-

ка, значительно затрудняют прямой замер температурного

поля и управление

им. Следовательно, глобальная цель управления – формирование пространст-

венно-временного температурного поля Т

(х, у, z, t) – является задачей нераз-

150

решимой для сегодняшнего состояния промышленности и, по-видимому, для

завтрашнего состояния тоже.

Невозможность достижения глобальной цели управления делает необхо-

димым достижение альтернативных целей, которых может быть несколько:

1) стабилизировать условия сварки. При этом условия определяются та-

ким образом, чтобы их сохранение автоматически компенсировало влияние

большей части возмущений.

2) компенсировать возмущения, приводящие к

нарушению нормального

процесса сварки (автоматическое регулирование процесса).

Рис. 5.1. Возмущающие факторы процесса контактной точечной сварки

Рассмотрим подробнее влияние на процесс сварки некоторых: наиболее

часто встречающихся возмущений.

Колебания напряжения питающей сети. Количество выделяющегося

при сварке тепла зависит от величины тока и, следовательно, от напряжения

питающей сети. Изменение количества-выделившейся тепловой энергии суще-

ственно влияет на глубину проплавления, размеры литого

ядра и качество свар-

ки.

Наиболее опасным является уменьшение напряжения питания, что при-

водит к снижению прочности и даже к полному непровару. Повышение напря-

жения также отрицательно сказывается на качестве сварки. В этом случае могут

возникать выплески жидкого металла, прожоги и т. д.

Снижение напряжений питающей сети довольно часто наблюдается

производственных условиях. Напряжение может изменяться как плавно, так и

скачкообразно. Кратковременные изменения напряжения могут достигать

- 25% ...+ 15%. Такие изменения напряжения существенно влияют на процесс

сварки, в значительной степени снижают качество точечносварного соедине-

ния.