Назад: 5.5. Источники питания для электрошлаковой сварки

5.6. Источники электрической энергии машин контактной сварки

Электрическая часть контактных машин должна развивать требуемую мощность с достаточно высоким КПД без перегрева ее элементов и обеспечивать безопасность работы. При этом важными показателями машин является потребляемая мощность из сети при заданном сварочном токе, коэффициент мощности машины и другие параметры [17,18].

Основные параметры электрической части машин контактной сварки, установленные ГОСТ 297-80, следующие: максимальный ток короткого замыкания во вторичном контуре машины I_2kmax (ток без включения во вторичный контур машины соединяемых деталей); номинальный длительный вторичный ток I_2дл.н и наибольшая длительность прохождения сварочного тока t_св.

Машины контактной сварки, как правило, работают в режиме с постоянными чередованиями включения и выключения сварочного тока, связанными с установкой деталей для сварки, съемом деталей и другими операциями, т.е. в повторно-кратковременном режиме (ПВ), определяемом по формуле (1.29) (п.1.7). Режим ПВ зависит от назначения машины и обусловлен технологией изготовления изделий тем или иным видом контактной сварки (для точечных машин - 20%, шовных - 50%, стыковых - 20…30%, для трубосварочных станов - 100%).

ГОСТ 297-80 устанавливает номинальный длительный вторичный ток I_2дл.н, при протекании которого нагрев элементов вторичного контура и трансформатора не превышает допустимых температур: для элементов вторичного контура - не более 100 °С; для обмоток сварочного трансформатора - 60…140 °С в зависимости от условий охлаждения и класса изоляции.

Соотношение между кратковременным и длительным токами выводят из равенства теплоты, выделяемой в токоведущем элементе с сопротивлением r за время t_ц при продолжительном режиме работы (ПВ=100%), и теплоты, выделяемой при протекании тока в повторно-кратковременном режиме (ПВ):

(5.3)

или

. (5.4)

Из соотношения (5.3) следует, что при малых ПВ можно получить очень большой кратковременный ток во вторичном контуре. Кратковременный ток не может быть больше максимального значения тока короткого замыкания I_2kmax машины, зависящего от максимального вторичного напряжения сварочного трансформатора (в режиме холостого хода) U_20max, и полного сопротивления короткого замыкания Z_2k машины:

I_2kmax = U_20max/Z_2k. (5.5)

Сварочный ток зависит от электрического сопротивления свариваемых деталей r_дд, сопротивления вторичного контура и вторичного напряжения U₂₀ трансформатора:

I_св = U₂₀/Z₂ = U₂₀/[(r_дд + r_2k)² + x_2k)²]^0,5, (5.6)

где r_2k и x_2k – активное и индуктивное сопротивление короткого замыкания машины, приведенное ко вторичному контуру; Z₂ = [(r_дд + r_2k)² + x_2k)²]^0,5 – полное сопротивление машины и свариваемых деталей.

Графическое изображение этих сопротивлений наглядно представлено векторной диаграммой (рис.5.29).

Рис. 5.29. Векторная диаграмма сопротивлений

Соотношение между токами I_2k/I_св колеблется в широких пределах: от 1,1…1,2 до 3 и более в зависимости от соотношения r_дд/Z_2k. Значения U₂₀ и Z₂ определяются схемой получения и регулирования сварочного тока и конструктивным исполнением машины. Для осуществления сварки за время t_св во вторичном контуре и через детали должен протекать заданный ток I_св. Если электросопротивление (в основном активное) свариваемых деталей равно r_дд, то активная (полезная) мощность

Р_дд = r_дд = U_ддI_св, (5.7)

где U_дд – падение напряжения на свариваемых деталях, U_дд = r_ддI_св. Коэффициент полезного действия машины

h = Р_дд / Р₁, (5.8)

где Р₁ – активная мощность, потребляемая машиной из сети,

Р₁ = (r_дд + r_2k) . (5.9)

При точечной и шовной сварке на однофазных машинах переменного тока часто r_дд < Z_2k, поэтому h = 0,1…0,3. При стыковой сварке оплавлением r_дд > Z_2k и h > 0,9.

Полезная мощность машины меньше активной мощности, забираемой из сети, вследствие потерь во вторичном контуре и элементах машины (трансформаторе, устройствах переключения и т.д.), особенно при сварке деталей из алюминиевых сплавов.

Внешние характеристики машин. Важным показателем контактных машин являются её внешние характеристики – зависимости напряжения на электродах от сварочного тока, т.е. U₂ = f(I_св), для различных ступеней трансформатора. Наклон внешних характеристик машин зависит от сопротивления Z_2k. При заданном U₂₀ чем меньше Z_2k машины, тем больше I_2k, а внешняя характеристика положе.

На рис. 5.30,а представлены внешние характеристики машин контактной сварки: 1 – однофазная переменного тока и 2 – с выпрямлением тока во вторичной цепи, а также приведена вольтамперная характеристика нагрузки, представляющая собой падение напряжения на свариваемых деталях – прямая линия r_дд I_св = U_дд,. Точка пересечения этой прямой с внешними характеристиками машин (3, 4) определяет сварочный ток для данных деталей и падение напряжения на электродах. При сварке деталей с сопротивлением r_дд на выбранных ступенях трансформатора электрические параметры будут различны.

Рис.5.30. Внешние характеристики: а – однофазной машины переменного тока 1 и машины с выпрямлением тока во вторичном контуре 2; б – машины с восьмью ступенями регулирования (1 – 8)

По внешним характеристикам машины выбирают необходимую ступень трансформатора для сварки конкретных деталей. Так, если к внешним характеристикам (рис. 5.30,б) провести вольтамперные характеристики нагрузки - линии ОА и ОВ, представляющие собой напряжение r_дд I_св для деталей минимальной и максимальной толщины, и соединить точки А и В, то проекции точек С пересечения внешних характеристик с линией АВ дадут величины токов для сварки деталей от минимальной до максимальной толщины. Зная величину I_св, проводят вертикальную линию до пересечения с линией АВ и определяют необходимую ступень трансформатора.

Электрические цепи основных типов контактных машин. Каждая машина для контактной сварки имеет электрическую силовую часть, в которой электрическая энергия сети преобразуется в требуемый вид (по силе, форме и продолжительности).

По роду питания, преобразования и накопления электрической энергии различают основные типы машин для контактной сварки: однофазные машины переменного тока, трехфазные низкочастотные машины постоянного тока (с выпрямлением тока во вторичном контуре) и конденсаторные.

Необходимую величину и форму тока i_cв, протекающего через свариваемые детали, получают путем преобразования или аккумулирования электрической энергии из сети промышленной частоты 50 Гц, напряжением 380 или 220 В с помощью трансформаторов, выпрямителей или аккумуляторов энергии.

Сварочный трансформатор, предназначенный для получения больших токов (до 30 кА) при пониженном напряжении (0,2..25 В), включается в сеть или к аккумулятору энергии контактором; в низкочастотных машинах трансформатор подключается к трехфазному или шестифазному выпрямителю. Для подвода сварочного тока к деталям служит вторичный контур машины.

Вторичное напряжение (сварочный ток) контактных машин, как правило, изменяется комбинированным управлением: путем изменения коэффициента трансформации (ступенчатое регулирование с помощью секционного переключателя ступеней трансформатора) и плавное регулирование, путем изменения угла открытия управляемых вентилей.

Плавное регулирование сварочного тока осуществляется аппаратурой управления. Этой же аппаратурой обеспечивается включение и выключение контактора или выпрямителей, заданная последовательность (программы) и продолжительность всех или части операций сварочного цикла.

Электрическая схема однофазной машины переменного тока показана на рис.5.31,а.

Сварочный трансформатор Т включается в сеть контактором. Вторичное напряжение U₂₀ трансформатора устанавливают переключателем ступеней S. Величина и форма импульса сварочного тока зависят от типа контактора К (электромагнитного или вентильного) и настройки аппаратуры управления АУ.

Мгновенное значение напряжения u_1Н и тока i₁ » i`<sub>cв</sub> (i`_cв – приведенный сварочный ток) в установившемся режиме имеют форму, близкую к синусоидальной (рис. 5.31, б). Так как машины контактной сварки представляют собой активно-индуктивную нагрузку, ток i`_cв(a) отстает от напряжения u_1Н по фазе на угол j. Величина сварочного тока I_св определяется по уравнению (5.6).

В управляемом контакторе К включение вентилей обычно осуществляется при углах управления a > φ (рис. 5.31,в), т.е. при определенном регулируемом смещении на угол a в момент открытия вентилей по отношению к фазе напряжения сети u_1Н. При этом подводимое к трансформатору через контактор напряжение U_1т(a) отличается от синусоидального сетевого напряжения u_1Н, и рабочий участок полуволны сетевого напряжения уменьшается на величину λ < p⁄2. В результате действующее напряжение, подводимое к трансформатору и ЭДС во вторичной обмотке будут меньше, что вызывает уменьшение сварочного тока i_cв(a) в течение одного периода тока t_п (рис. 5.31,в). За время подачи сварочного тока t_св его величина может модулироваться за счет изменения угла a в каждом периоде колебания напряжения. Форма модулированного тока показана на рис. 5.31,г.

Рис. 5.31. Однофазная машина переменного тока: а – электрическая схема; б – временные диаграммы напряжения u_1Т и i`_cв при использовании электромагнитного контактора; в – временные диаграммы напряжения u_1T и u_1T(a) и тока i^′_cв при использовании вентильного контактора; г – форма импульса сварочного тока при модулировании

Преимущества данной системы: простота преобразования энергии сети и широкие возможности регулирования длительности и величины сварочного тока. К недостаткам относят неравномерную загрузку фаз силовой сети, большие импульсы тока при включении машины большой мощности, низкий коэффициент мощности (cos j).

В промышленности находят применение трехфазные низкочастотные машины контактной сварки, рис. 5.32. Применяемая в них схема получения сварочного тока имеет ряд преимуществ, особенно важных при сварке легких сплавов: благоприятная технологическая форма импульса сварочного тока – его плавное нарастание и спад; равномерная загрузка трехфазной сети без пика в момент включения мощных машин (иногда до 1000 кВА). При относительно медленном нарастании тока, соответствующем частоте f = 1…2 Гц, индуктивное сопротивление вторичного контура х_в.к = 2pfL_в.к мало, где L_в.к – индуктивность вторичного контура. Поэтому низкочастотные машины с большим контуром, необходимым для сварки крупных узлов, имеют высокий cos j и умеренную потребляемую из сети мощность (по сравнению с однофазными машинами переменного тока). К недостаткам этой схемы следует отнести большие размеры и массу сварочного трансформатора, а также ограниченное время включения выпрямителя.

Рис. 5.32. Трехфазная низкочастотная машина: а – электрическая схема; б – упрощенная схема замещения; в – временные диаграммы напряжения U_d и тока i₁ и i_св; г – многоимпульсная диаграмма тока

В машинах, выпускаемых в нашей стране, использована схема трехфазного нулевого выпрямителя с однотактным вентильным управлением на первичной стороне трансформатора. Такие машины позволяют получить длительные (всегда одной полярности) импульсы сварочного тока (практически постоянного тока). Однако понижающий трехфазный трансформатор Т (рис. 5.33,а) переменного тока рассчитан на частоту 50 Гц. Поэтому его размеры значительно меньше размеров трансформатора низкочастотных машин той же мощности.

Рис. 5.33. Трехфазная машина постоянного тока: а – электрическая схема; б – упрощенная схема замещения; в, г, д, е – временные диаграммы напряжения и токов выпрямителя; ж – формы импульсов сварочного тока (1 – с модуляцией, 2 – без модуляции)

Первичная обмотка трехстержневого трансформатора соединена треугольником с включением в каждую фазу по одному управляемому вентилю (VS1 – VS3). Вторичная обмотка соединена звездой с включением в каждую фазу по одному неуправляемому вентильному блоку (VD1 – VD3), содержащему кремниевые неуправляемые вентили типа ВВ2-1250.

При включении управляемых вентилей в моменты времени t₁, t₂ и t₃ (рис. 5.33, в) к соответствующим фазам первичной обмотки подводятся полуволны линейных напряжений сети (u_АВ, u_ВС и u_СА), которые трансформируются во вторичные обмотки (u_a, u_b и u_c) и через неуправляемые вентили (VD1, VD2 и VD3) подводятся к вторичному контуру машины. В интервале t₁ – t₂ в проводящем состоянии находятся вентили VS1 и VD1, через которые проходят токи i_AB и i_a соответственно. Начиная с момента t₂ потенциал фазы В становится выше потенциала фазы А, и анод вентиля VS2 окажется под положительным напряжением относительно катода. Если в момент t₂ на вентиль VS2 поступит отпирающий импульс, он включается, а вентиль VS1 выключается (при мгновенной коммутации), так как к нему оказывается приложенным запирающее напряжение, и т. д.

Несмотря на униполярный характер первичных фаз токов (i_AB, i_BC и i_CA), магнитопровод трехфазного трансформатора перемагничивается за период напряжения сети. Это связано с тем, что изменения магнитных потоков Ф_АВ, Ф_BC и Ф_СА в каждом стержне магнитопровода при работе «своей» фазы и поочередной работе двух других фаз противоположны по знаку. Благодаря соединению первичных обмоток в треугольник и наличию вентилей не только во вторичной, но и в первичной цепи, размагничивание, например стержня фазы АВ, происходит магнитодвижущими силами обмоток, расположенных на двух других стержнях, ко времени очередного включения вентиля VS1.

Для обеспечения запирания управляемого вентиля раньше спада намагничивающего тока до нуля параллельно первичной обмотке каждой фазы включается шунтирующее сопротивление r (рис.5.33, а).

При включении выпрямителя сварочный ток нарастает от нуля до установившегося значения по экспоненциальному закону. После выключения выпрямителя сварочный ток быстро спадает до нуля. При этом возможно повторное включение выпрямителя. В зависимости от паузы, а также угла управления вентилей импульсы тока имеют различную форму (рис. 5.33, г).

Действующее значение сварочного тока I_св незначительно отличается от среднего значения I_св.д. Так, при вылете машины 1,5 м и сварке деталей из легких сплавов для установившегося тока I_св/ I_св.д = 1,02. Фактический коэффициент мощности машины с выпрямлением тока во вторичном контуре приближенно равен 0,8.

Трехфазные машины постоянного тока (с выпрямлением тока во вторичном контуре) также широко используются в сварочном производстве.

Преимущества этих машин: равномерная загрузка фаз; возможность регулирования формы и длительности импульса сварочного тока, а также получения многоимпульсного режима. По сравнению с однофазными машинами значительно меньшая потребляемая мощность, особенно при больших вылетах и при сварке изделий из легких сплавов; незначительное влияние вносимых во вторичный контур ферромагнитных масс на значение сварочного тока.

Недостатки этих машин: наличие вентильного блока, через который проходит большой сварочный ток, и падение напряжения на этом блоке, равное почти половине вторичного напряжения трансформатора.

Рациональная область их применения: для сварки деталей с размерами, требующими больших вылетов и растворов.

В машинах с аккумулированием энергии происходит медленное накопление с потреблением небольшой мощности из сети и кратковременное использование ее во время сварки.

В настоящее время нашла промышленное применение контактная сварка с накоплением энергии в конденсаторах. Электрическая схема конденсаторной машины состоит из двух частей: зарядной, обеспечивающей зарядку конденсаторной батареи до заданного уровня напряжения зарядки, и разрядной, обеспечивающей разрядку конденсаторной батареи на свариваемое изделие с заданным сварочным током.

Одна из распространенных электрических схем конденсаторных машин показана на рис. 5.34,а. Батарея конденсаторов емкостью С заряжается от сети переменного тока через управляемый выпрямитель VS (однофазный или трехфазный в зависимости от необходимой мощности) и зарядное сопротивление r₃. При переключении переключателя S зарядка батареи прекращается и она разряжается через первичную обмотку сварочного трансформатора Т. Намагничивание сварочного трансформатора при сварке однополярными импульсами тока исключается наличием в схеме коммутатора полярности КП.

Сварка элементов осуществляется благодаря разряду конденсаторной батареи. Импульс сварочного тока определяется параметрами машины, рабочим напряжением U_1C и емкостью С батареи конденсаторов, а также коэффициентом трансформации КС трансформатора Т. Упрощенная схема замещения разрядной цепи конденсаторной машины дана на рис. 5.34,б.

В большинстве конденсаторных машин r₂ < 2(L₂C₂)^0,5, поэтому разряд носит колебательный характер (C₂ = C – приведенная к вторичному контуру емкость батареи конденсаторов; r² = r_дд + r_2k и L₂ – сопротивление и индуктивность разрядной цепи).

Рис. 5.34. Машина с накоплением энергии в конденсаторах: а – электрическая схема; б – упрощенная схема замещения разрядной цепи, приведенной к вторичному контуру; в – графики тока и напряжения при разряде конденсаторов

Для сварки используется лишь первый полупериод колебательного разряда с временем, в течение которого концентрированно отдается основная часть аккумулированной энергии. При этом в начале разрядки энергия W_C конденсаторов тратится на тепловыделение и аккумулирование энергии в магнитном поле сварочной машины. К моменту, когда ток станет максимальным (точка 1, рис. 5.34,в), конденсаторы разряжаются настолько, что не могут поддерживать ток i_св во вторичном контуре, и в дальнейшем он уменьшается. Когда напряжение становится равным u_2c нулю, ток i_св поддерживается только за счет расходования магнитной энергии, запасенной в трансформаторе (участок 2 – 3), причем часть этой энергии идет на перезарядку конденсаторов. Когда ток снизится до нуля (точка 3), напряжение на конденсаторах достигнет вторичного максимума. Далее процесс повторится с той же частотой, но с меньшей амплитудой до полного затухания.

Для получения апериодического разряда r₂ > 2(L₂C₂)^0,5, более эффективного для сварки, в схему вводят шунтирующий вентиль V_ш (рис. 5.34,а), который открывается при изменении знака напряжения и 2С, и переходный процесс имеет апериодический характер (штриховая линия 2-4; рис. 5.34,в). Ток i_св поддерживается в цепи, ранее аккумулированной магнитной энергией, которая преобразуется в тепловую во вторичном контуре машины. Обратное напряжение на конденсаторах незначительно и равно падению напряжения DU на вентиле V_ш.

Емкость батареи и коэффициент трансформации – величины постоянные при данной настройке машины; напряжение батареи стабилизируется аппаратурой управления с высокой точностью. Поэтому импульсы сварочного тока отличаются высокой стабильностью, что при прочих равных условиях обусловливает стабильную повторяемость показателей качества свариваемых изделий.

Конденсаторные машины весьма широко используют для точечной и шовной сварки деталей малых толщин, для герметизации контактной сваркой корпусов интегральных микросхем, полупроводниковых приборов и др., а также для сварки деталей из легких сплавов. Для сварки очень тонких деталей применяют машины, в которых разряд конденсаторов осуществляется непосредственно на свариваемые детали без сварочного трансформатора (конденсаторная сварка сопротивлением, ударно-конденсаторная сварка проводов диаметром до 2 мм).

Вопросы для самопроверки (глава 5)

Далее: 6.1. Устройства для начального зажигания дуги