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

Подождите немного. Документ загружается.

161

отдельных элементов при попадании на них воды из системы охлаждения, от-

носительно большие габариты и излишнюю сложность контсрукции.

Для контроля температуры охладителей вместо применявшихся ранее

гидрореле типа РГС в контакторах КТ-11 и КТ-12 применены термореле ДРТ-Б-

60 на основе термобиметаллических слабовыпуклых сферических мембран. Ре-

ле имеет температуру срабатывания 60±5 °С

и температуру возврата 45±10 °С.

Реле крепится на одном из охладителей. Размыкающие контакты реле включа-

ются последовательно с педалью в цепь запуска регулятора сварки.

Разработанная ранее более сложная схема контакторов КТ-02, КТ-03 и

КТ-04 предусматривала блокировку включения в режиме однополупериодного

выпрямления при неподжиге одного из тиристоров. Однако применяющиеся

сейчас регуляторы

контактной сварки позволяют избежать этого режима за счет

автоматической настройки на cos

или ограничения для уменьшения угла

включения тиристоров. Это позволило упростить конструкцию и унифициро-

вать схемы контакторов.

Таблица 5.1

Технические характеристики серийно выпускаемых

тиристорных контакторов

Наименование параметров КТ-11 КТ-12 КТ-07

- напряжение питающей сети, В 220…380 220…380 220…380

- частота питающей сети, Гц 50 50 50

2. Номинальный ток при

ПВ=50 % и длительности им-

пульса тока 0,5 с, А

800 1500 330

3. Номинальный ток при

ПВ=20 % и длительности им-

пульса тока 0,5 с, А

1000 1750 480

4. Номинальный ток при

ПВ=5 % и длительности им-

пульса тока 0,2 с, А

1300 2200 580

5. Габаритные размеры, мм 390 х 270

х 175

390 х 270

х 175

230 х 230

х 225

6. Вес, не более, кг 12 12 7,5

При помощи тиристорных и игнитронных контакторов осуществляется

фазная регулировка вторичного напряжения (сварочного тока). Смысл фазной

регулировки заключается в том, что регулируя угол открытия тиристора, можно

изменять действующее значение тока в сторону его уменьшения. При введении

угла отсечки α часть напряжения сети отсекается, что приводит к уменьшению

162

действующего значения первичного напряжения, уменьшению действующего

значения сварочного тока и снижению мощности, выделяемой в свариваемом

контакте.

Фазное регулирование в современных контактных сварочных машинах

происходит следующим образом.

На тиристорный контактор подаётся сетевое напряжение u

)sin( tUu

, (5.1)

где U

- амплитудное значение линейного напряжения сети (для однофазных

контактных машин переменного тока

3802 ⋅=

U В;

На выходе с тиристорного контактора на первичную обмотку трансфор-

матора подаётся напряжение u

, действующее значение которого определяется

углом открытия тиристоров:

=0 при

(5.2)

при

t≥

На вторичной обмотке трансформатора будет возникать напряжение u

определяемое коэффициентом трансформации К:

; (5.3)

При открытии силового тиристора вследствие наличия индуктивного со-

противления в цепи контактной сварочной машины возникает переходной про-

цесс, для описания которого представим упрощённо контактную сварочную

машину цепью последовательно включенных резистивного и индуктивного

элементов (рис. 5.8). При этом активное сопротивление r резистивного элемен-

та включает в себя активные сопротивления r

вторичного контура, сопротив-

ление на свариваемых деталях r

э-э

и сопротивление

r первичной обмотки сва-

рочного трансформатора приведённое к вторичной цепи. Индуктивность L ка-

тушки включает в себя индуктивность вторичного контура и индуктивность

первичной обмотки сварочного трансформатора приведённую к вторичной це-

пи.

Включение тиристорного контактора с углом отсечки α представим как

включение источника синусоидального э.д.с.

)sin(

tEe

, (5.4)

где

, E

/K.

Тогда уравнение электрического состояния такой цепи после замыкания

ключа К примет вид

eri

L =+ . (5.5)

163

Рис. 5.8. Эквивалентная электрическая схема контактной сварочной машины

для исследования переходного процесса при включении тиристорного контак-

тора

Реальный ток

i во вторичном контуре будет складываться из принуждён-

ного

пр

и свободного i

св

токов:

свпр

iii

. (5.6)

Принуждённый ток i

пр

(его называют так же установившимся полнофаз-

ным током) является частным решением уравнения (5.5) для установившегося

режима при t

→∞ и рассчитывается как

)sin(

−

emпр

tIi , (5.7)

где

)( Lr

= ,

arctg

= .

Свободный ток i

св

является общим решением уравнения (5.5) при отсут-

ствии источника питания. Он обусловлен изменением энергии магнитного поля

индуктивного элемента и вычисляется как:

0=+

св

L . (5.8)

Решение уравнения (5.8) имеет вид

св

eAi ⋅= , (5.9)

где А – постоянная интегрирования;

p – корень характеристического уравнения

p . (5.10)

Таким образом, из (5.6), (5.7), (5.9) и (5.10) имеем реальный ток в цепи,

вычисляемый как

emсвпр

AetIiii

−

+−+=+= )sin(

ϕψω

. (5.11)

Постоянная интегрирования определяется исходя из значения тока i в

момент коммутации (t=0):

AIi

−

)sin()0(

. (5.12)

164

Поскольку в соответствии с первым законом коммутации ток через ин-

дуктивный элемент не может изменяться скачкообразно, значение его i(0+) в

первый момент коммутации будет равно значению i(0-) в момент предшест-

вующий коммутации, т.е. нулю. Исходя из этого уравнение (5.12) примет вид

−

)sin(0

Отсюда

)sin(

−

IA ,

emсв

eIi

−

−= )sin(

ϕψ

(5.13)

ememсвпр

eItIiii

−

−−−+=+= )sin()sin(

ϕψϕψω

. (5.14)

Момент естественного прекращения протекания тока (i=0) и продолжи-

тельность λ его включения определяются равенством абсолютных величин то-

ков i

пр

и i

св

(рис. 5.9).

Рис. 5.9. Диаграмма мгновенных значений напряжения питающей сети u

напряжения на первичной обмотке сварочного трансформатора u

, вторичного

тока i и его составляющих: принуждённого тока i

пр

и свободного тока i

165

Представленная на рис. 5.10 а диаграмма предполагает нормальное вклю-

чение тиристоров, когда соблюдается соотношение

. В этом случае наблю-

дается симметричная работа тиристоров, однако при

+60

наблюдается зна-

чительные разрывы между полуволнами, действующее значение вторичного

тока резко снижается, возникает нестабильность качества сварки, поэтому на

практике стремятся работать в диапазоне

+60

. В противном случае

(при α<ϕ) величина асинхронного тока приобретает положительное значение,

наблюдается асимметрия в форме тока, появляется постоянная составляющая

(рис. 5.10 б), которая приводит к намагничиванию сердечника сварочного

трансформатора, перегреву тиристоров. В этом случае велика вероятность вы-

хода контактной сварочной машины из строя после выполнения нескольких то-

чек.

)

б)

Рис. 5.10. Фазное регулирование вторичного тока:

а - при

+50

+5°;

б - при

5.5. Регулирование вторичного тока на контактных сварочных машинах

Как уже отмечалось в гл. 4, регулирование величины вторичного тока I

на машинах контактной сварки осуществляется двумя способами. Первый спо-

соб предусматривает изменение величины вторичного напряжения U

свароч-

ного трансформатора за счёт изменения коэффициента трансформации путём

переключения его ступеней. При этом изменение I

происходит ступенчато,

плавность такого регулирования определяется конструкцией трансформатора и

166

способа секционирования его первичной обмотки, увеличение и уменьшение

действующего вторичного тока I

происходит пропорционально изменению U

Второй способ предусматривает изменение угла

включения тиристоров, ко-

торое может быть осуществлено в достаточно широком диапазоне.

Сущность обоих способов регулирования вторичного тока поясняется на

рис. 5.11. Здесь включение сварочной машины с углом открытия тиристоров

позволяет без изменения U

получить такой же действующий вторич-

ный ток, что и при включении сварочной машины с углом открытия тиристоров

и уменьшенном значении U

Рис. 5.11. Регулирование действующего вторичного тока при помощи механиз-

ма переключения ступеней трансформатора и при помощи фазной регулировки

При осуществлении фазной регулировки действующее значение I

вто-

ричного тока не имеет однозначной зависимости от угла

открытия тиристо-

ров. Это связано с тем, что, как было показано ранее, на величину I

кроме зна-

чения

оказывает влияние коэффициент мощности cos

, который зависит не

только от составляющих комплексного сопротивления контактной машины, но

и от свариваемых деталей.

167

Действующее значение вторичного тока I

, отнесённое к соответствую-

щим параметрам нагрузочного контура и включенной ступени трансформатора

значению приведённого (полнофазного) тока I

пр

, для различных углов включе-

ния тиристоров α и коэффициентов мощности cos

определяется коэффициен-

том регулирования сварочного тока k

пр

. (5.15)

Величина k

является безразмерной, при этом для всех контактных сва-

рочных машин она однозначно может быть определена через

и cos

и пред-

ставлена графически (рис. 5.12) или таблично (табл. 5.2).

Рис. 5.12. Зависимость коэффициента регулирования сварочного тока k

от угла

открытия тиристоров при различных значениях cos

сварочной машины

Таблица 5.2

Значение коэффициента регулирования k

сварочного тока в зависимости

от cos

и угла открытия тиристоров

Угол открытия тиристоров α, …° эл.

cos ϕ

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

0,1

- - - - - 0,8914 0,7079 0,5371 0,3847 0,2553 0,1521 0,0767

0,2

- - - - 0,9749 0,8111 0,6504 0,4986 0,3611 0,2424 0,1462 0,0746

0,3

- - - - 0,8947 0,7501 0,6066 0,4693 0,3432 0,2329 0,142 0,0734

0,4

- - - 0,9575 0,8329 0,7032 0,573 0,4471 0,33 0,2262 0,1395 0,073

0,5

- - - 0,8973 0,7852 0,6673 0,5478 0,4309 0,3209 0,2222 0,1387 0,0735

0,6

- - 0,9434 0,851 0,7491 0,6409 0,53 0,4203 0,316 0,2211 0,1396 0,0751

0,7

- 0,9724 0,9006 0,8169 0,7236 0,6234 0,5196 0,4158 0,3158 0,2236 0,1431 0,0782

0,8

0,9866 0,9353 0,8711 0,7952 0,7094 0,6162 0,5183 0,4191 0,3222 0,2314 0,1507 0,084

0,9

0,9585 0,9144 0,858 0,7899 0,7116 0,6249 0,5322 0,4367 0,3414 0,2503 0,1671 0,0962

Как видно из диаграммы зависимости k

от

при заданном cos

(рис. 5.13), при характерных для контактной сварки cos

=0,3…0,8 функция

=f(

) может быть аппроксимирована линейной зависимостью f(

)=A

, где

168

коэффициенты A

и A

могут быть представлены функциями A

(cos

) и

(cos

). При этом для определения k

может быть использована, например,

зависимость

kA A

=2,138 cos -3,443 cos +2,872

= -0,9 cos +1,49 cos -1,173

ϕϕ

=⋅+

. (5.13)

Рис. 5.13. Представление коэффициента регулирования k

=f(

) для заданных

значений cos

Таким образом, для расчётного определения k

необходимо задаться зна-

чением cos

, который, в общем случае, зависит от различных факторов и мо-

жет быть определён с достаточной для последующих расчётов точностью лишь

экспериментально. Для оперативного определения cos

в системах автомати-

ческого управления контактной сваркой используют, в основном, зависимость

измеренной длительности

включенного состояния тиристоров (рис. 5.9) от

заданного угла

их открытия и искомого значения cos

. В общем случае такая

зависимость может быть представлена таблично (табл. 5.3) или графически

(рис. 5.14).

На практике, для определения cos ϕ в зависимости от измеренного λ при

заданном α пользуются аппроксимирующими зависимостями, например

cos ( , ) B ( ) B ( )

() , , , ,

B( ) , , , ,

ϕλα α λ α

αααα

≈⋅+

≈− + − +

≈− − + +

0 743 2 994 4 259 1 359

0 297 1 032 1 037 2 352

, (5.14)

где

- в рад.

169

Таблица 5.3

Длительность импульса сварочного тока λ

Угол включения тиристоров α, град. эл. cos ϕ

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

0,1

- - - - - 170 152,27 134,19 115,79 97,103 78,157 58,965

0,2

- - - - 177,65 162,02 145,85 129,19 112,05 94,458 76,429 57,971

0,3

- - - - 169,61 155,19 140,21 124,68 108,59 91,952 74,753 56,984

0,4

- - - 175,48 162,52 149,04 135,02 120,43 105,27 89,489 73,07 55,971

0,5

- - - 168,17 155,92 143,22 130,01 116,27 101,94 86,972 71,312 54,889

0,6

- - 172,41 161,11 149,47 137,43 124,96 111,98 98,446 84,277 69,389 53,675

0,7

- 175,35 164,72 153,87 142,75 131,33 119,53 107,3 94,557 81,21 67,146 52,223

0,8

176,82 166,6 156,28 145,82 135,18 124,33 113,2 101,72 89,817 77,375 64,261 50,292

0,9

165,81 155,76 145,67 135,54 125,33 115,03 104,57 93,909 82,967 71,635 59,763 47,135

Рис. 5.14. Диаграмма зависимости времени проводимости тиристоров

от угла

их включения

и коэффициента мощности cos

Примером использования системы уравнений (5.14) является определе-

ние коэффициента мощности контактной сварочной машины МТПУ-300 при

настройке её на оптимальные режимы сварки. Так при сварке двух листов из

стали 08кп толщиной пакета 1+1 мм рекомендуемыми значениями параметров

режима являются: ток сварки 8,5...9,5 кА, время сварки 0,12 с, сварочное уси-

лие 2,5...3,0 кН. Значение тока I

в требуемом диапазоне достигнуто при вто-

ричном напряжении холостого хода U

=5,50 В и угле включения тиристоров

=90 °. При этом путём осциллографирования получена диаграмма мгновенных

значений вторичного тока i

(рис. 5.15 а). Длительность включения тиристоров

при этом изменяется в пределах

=128...136 электрических градусов. Для соот-

ветствующих значений

по системе (5.14) рассчитаны коэффициенты мощно-

сти cos

(табл. 5.4). При этом измеренное с использованием прибора МИКС-

2М среднее за цикл действующее значение тока во вторичном контуре состави-

ло I

=9,4 кА.

170

Таблица 5.4

Измеренная длительность включения тиристоров

для каждого периода

сетевого напряжения и соответствующее ей значение cos

для

=90 °

№ периода 1 2 3 4 5 6

128 130 132 134 136 136

cos ϕ

0,746 0,718 0,689 0,660 0,631 0,631

Как видно из табл. 5.4 величина cos

в течение цикла сварки составляет

0,631...0,746, что соответствует значению ϕ=42...51 °. Таким образом, можно

сделать вывод, что принятое значение

=90 ° является избыточным, и для оп-

тимизации настройки контактной машины необходимо уменьшить значения

одновременным переходом на более низкую ступень сварочного трансформа-

тора. Так при переходе на низшую ступень сварочного трансформатора

=4,32 В) установление угла включения тиристоров

=70 ° позволяет полу-

чить среднее за сварочный цикл действующее значение тока I

=9,5 кА и увели-

ченную длительность включения тиристоров

=151...160 электрических градуса

(рис. 5.15 б). Таким образом, во втором случае по сравнению с первым наблю-

дается более стабильное тепловложение в сварную точку, уменьшение пульса-

ций сварочного тока, повышение стабильности качества точечносварного со-

единения и снижение интенсивности износа сварочных электродов.

Рис. 5.15. Соотношение длительности

включенного состояния тиристоров при

различных углах

их включения