Пристрій для симетрування однофазного нестаціонарного навантаження, створюваного контактною стиковою машиною

Устройство для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, создаваемой контактной стыковой машиной, содержащее трансформатор тока, включенный в первичную цепь сварочного трансформатора, а также модуль реактивных элементов, состоящий из компенсатора реактивной мощности, включенного параллельно первичной обмотке сварочного трансформатора, и симметрирующего устройства, содержащего последовательно соединенные конденсатор и дроссель, общая точка которых подключена к свободной фазе, а две другие точки - к фазам нагрузки, отличающееся тем, что симметрирующее устройство, состоит из п модулей, реактивные эле менты которых подключены к упомянутым фазам через тиристорные контакторы, при этом в устройство дополнительно введены датчик уровня сварочного тока, имеющий п выходов и соединенный с трансформатором тока, формирователь импульсов, синхронизированных с фазами сети, питающими индуктивные элементы модулей, выход которого соединен со входом блока фазовой задержки импульсов, формирователи импульсов, синхронизированных с фазами сети, питающими емкостные элементы модулей, подключенные параллельно соответствующим тиристорным контакторам, блок управления упомянутыми модулями, состоящий из п одинаковых каналов, каждый из которых содержит три синхронных триггера, выходы которых подключены к блокам управления тиристорными контакторами соответствующего модуля, а объединенные информационные входы триггеров каждого канала подключены к соответствующему выходу датчика уровня сварочного тока, при этом объединенные тактовые входы триггеров каждого канала подключены к выходу блока фазовой задержки импульсов, а тактовые входы двух других триггеров каждого канала подключены к выходам соответствующих формирователей импульсов, синхронизированных с фазами сети, питающими емкостные элементы соответствующего модуля Изобретение относится к области сварки, а более точно - к устройству для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, создаваемой контактной стыковой машиной Известно устройство для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, состоящее из двух 3-х фазных тиристорных выпрямителей, включенных встречно-параллельно и работающих на общую нагрузку - первичную обмотку сварочного трансформатора (Низкочастотная контактная машина ЦСТП-25-42 для стыковой сварки непрерывным оплавлением котельных труб, "Сварочное производство", 1990, № 2, с 22-24, Н В Подола, В П Кривонос, А А Данько и др ) Один из выпрямителей формирует положительные, а второй отрицательные полуволны выходного напряжения низкой частоты Однако при использовании низкой частоты значительно увеличиваются габариты и масса сварочного трансформатора Поэтому контактные стыковые машины с тиристорными преобразователями частоты и числа фаз в качестве симметрирующих устройств не нашли широкого промышленного применения Известны машины для контактной стыковой сварки, работающие на постоянном токе В этих машинах функции симметрирующего устройства выполняют три однофазных сварочных трансформатора или один трехфазный трансформатор, ко вторичным обмоткам которых подключен выпрямитель (см , например "Canadian Welder and ВШ о 41994 Fabricator" - 1989, 80 № 9 с 15, 17-19, Butt welding with three-phase DC power) Недостатки известного устройства заключаются в значительном падении напряжения на диодах (до 30% от номинального напряжения холостого хода сварочной цепи), а также в высших гармониках, обусловленных схемой выпрямления Они проникают в 3-х фазную систему и искажают форму кривой напряжения Кроме того, усложняется конструкция вторичного контура сварочной машины Известно устройство для симметрирования однофазной нагрузки [1], содержащее регулировочный трансформатор, подключенный к двум фазам питающей сети, а между его отводом и третьей фазой включен симметрирующий конденсатор Недостаток известного устройства состоит в том, что в нем не предусмотрена компенсация реактивной мощности сварочной машины Кроме того, емкость конденсатора и положение отвода трансформатора должны соответствовать определенному значению тока нагрузки Поэтому при переменной нагрузке, имеющей место, например, в процессе контактной стыковой сварки оплавлением, получить равномерную загрузку 3-х фаз при использовании этого устройства невозможно Известно устройство для симметрирования однофазной нагрузки, взятое за прототип [2], которое содержит один модуль реактивных элементов, состоящий из компенсатора реактивной мощности, включенного параллельно первичной обмотке сварочного трансформатора, и симметрирующего устройства, состоящего из последовательно соединенных конденсатора и дросселя, общая точка которых подключена к свободной фазе, а две другие - к фазам нагрузки Устройство содержит также измерители сварочного тока и напряжения, включенные в первичную цепь сварочного трансформатора, выходы которых соединены с блоком управления, в котором производится измерение активной и реактивной мощностей и определение параметров, необходимых для компенсации и симметрирования однофазной нагрузки Данное устройство обеспечивает равномерное распределение тока потрем фазам питающей сети при неизменных параметрах нагрузки Однако, в процессе контактной стыковой сварки оплавлением сопротивление сварочного контакта изменяется в широких пределах - от некоторой минимальной величины до бесконечности Соответственно должна изменяться мощность компенсирующих и симметрирующих реактивных элементов Практически осуществить плавное регулирование индуктивности в широких пределах очень сложно, а емкости - невозможно Поэтому использование этого устройства при контактной стыковой сварке не дает желаемого эффекта Другим недостатком этого устройства является то, что в нем не решены проблемы коммутации реактивных элементов большой мощности, из-за чего может возникнуть аварийная ситуация, когда ток в питающей сети во много раз превышает ток нагрузки В основу изобретения поставлена задача создать устройство для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, создаваемой контактной стыковой машиной, обеспечивающее равномерное распределение токов в 3-х фазной питающей сети за счет автоматического подключения реактивных элементов необходимой мощности Поставленная задача решается тем, что устройство для симметрирования однофазной нагрузки, содержащее трансформатор тока, включенный в первичную цепь сварочного трансформатора, а также один модуль реактивных элементов, состоящий из компенсатора реактивной мощности, включенного параллельно первичной обмотке сварочного трансформатора, и симметрирующего устройства, состоящего из последовательно соединенных конденсатора и дросселя, общая точка которых подключена к свободной фазе, а две другие - к фазам нагрузки, согласно изобретению, симметрирующее устройство состоит из п модулей, реактивные элементы которых подключены к упомянутым фазам через тиристорные контакторы, при этом в устройство дополнительно введены датчик уровня сварочного тока, имеющий п выходов и соединенный с трансформатором тока, формирователь импульсов, синхронизированных с фазами сети, питающими индуктивные элементы модулей, выход которого соединен со входом блока фазовой задержки импульсов, формирователи импульсов, синхронизированных с фазами сети, питающими емкостные элементы модулей и подключенные параллельно соответствующим тиристорным контакторам, блок управления упомянутыми модулями, состоящий из п одинаковых каналов, каждый из которых содержит три синхронных триггера, выходы которых подключены к блокам управления тиристорными контакторами соответствующего модуля, а объединенные информационные входы триггеров каждого канала подключены к соответствующему выходу датчика уровня сварочного тока, при этом объединенные тактовые входы одного из триггеров каждого канала подключены к выходу блока фазовой задержки импульсов, а тактовые входы двух других триггеров каждого канала подключены к выходам соответствующих формирователей импульсов, синхронизированных с фазами сети, питающими емкостные элементы соответствующего модуля Такое модульное выполнение силовой части устройства для симметрирования, а также блока управления упомянутыми модулями позволяет автоматически изменять параметры устройства при изменении нагрузки, за счет чего достигается равномерное распределение токов потрем фазам питающей сети и исключаются аварийные ситуации при коммутации реактивных элементов большой мощности Изобретение поясняется примером выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых Фиг 1 изображает блок-схему устройства для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, создаваемой контактной стыковой машиной, согласно изобретению, Фиг 2 - графики, иллюстрирующие эффективность симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, когда устройство содержит один (а), два (б) и три (в) модуля реактивных элементов Устройство для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, создаваемой кон 41994 тактной стыковой машиной, согласно изобретению, содержит трансформатор тока 1 (фиг 1), включенный в первичную цепь сварочного трансформатора 2 Выход трансформатора тока 1 соединен со входом датчика уровня сварочного тока 3, имеющего п выходов Параллельно первичной обмотке сварочного трансформатора 2 включен компенсатор реактивной мощности 4, состоящий из одинаковых блоков 5 (5п), соединенных параллельно Каждый блок содержит конденсаторную батарею 6, подключенную к фазам нагрузки А, В через тиристорый контактор 7 Параллельно тиристорам контактора 7 подключен формирователь импульсов 8, синхронизированных с фазами сети А, В Симметрирующее устройство 9 состоит из п одинаковых емкостных блоков 10 (10п), соединенных параллельно, и п одинаковых индуктивных блоков 11 (11п), соединенных также параллельно между собой Каждый емкостной блок 10 (10п) содержит батарею конденсаторов 12, подключенную к фазе нагрузки В и к свободной фазе С через тиристорный контактор 13 Параллельно последнему соединен формирователь импульсов 14, синхронизированных с фазами сети В, С Каждый индуктивный блок 11 (11 п) содержит дроссель 15, подключенный к фазе нагрузке А и к свободной фазе С через тиристорный контактор 16 К этим же фазам (А, С), питающим индуктивные блоки 11 (11п), подключен формирователь синхронизированных импульсов 17, выход которого соединен со входом блока фазовой задержки 18 упомянутых импульсов Емкостные блоки 5, 10 и индуктивный блок 11 образуют один модуль реактивных элементов устройства согласно изобретению Блок управления 19 модулями устройства состоит из п одинаковых каналов, каждый из которых содержит три субблока 20, 21, 22 (20п, 21 п, 22п) для управления соответственно компенсатором реактивной мощности 5 (5п), емкостным блоком 10 (10п) и индуктивным блоком 11 (11 п) одного модуля В свою очередь каждый субблок 20 (21, 22) состоит из синхронного триггера 23 (24, 25), к выходу которого подключен блок управления 26 (27, 28) соответствующим тиристорным контактором названного модуля При этом объединенные информационные входы синхронных триггеров 23, 24, 25 первого канала подключены к первому выходу датчика уровня сварочного тока 3 Объединенные информационные входы синхронных триггеров других каналов подключены аналогично Объединенные тактовые входы триггеров субблоков 22, 22п соединены с выходом блока фазовой задержки импульсов 18 Тактовые входы триггеров субблоков 20, 21 соединены с выходом формирователей синхронизированных импульсов 8, 14 соответственно Аналогично подключены тактовые входы триггеров субблоков 20п и 21 п к формирователям синхронизированных импульсов в блоках 5п и 10п соответственно Тиристорные контакторы 7, 13, 16 представляют собой два силовых тиристора, включенных встречно-параллельно Их назначение - коммутация силовых реактивных элементов модулей устройства Поскольку контакторы 7, 13, 16 работают в режиме "включено-выключено", то к блокам уп равления тиристорными контакторами 26, 27, 28 особых требований не предъявляется Формирователи синхронизированных импульсов 8, 14, 17 представляют собой преобразователи синусоидального напряжения соответствующих фаз в последовательность коротких импульсов, формирующихся в точках перехода синусоиды через нуль В блоке задержки 18 входные импульсы сдвигаются по фазе на 90 электрических градусов относительно фаз АС, питающих индуктивную нагрузку Датчик 3 уровня сварочного тока содержит измерительный узел и п компараторов, имеющих разное задание величины уровня сварочного тока На соответствующих выходах датчика 3 появляются сигналы логической "1", если сварочный ток достигает заданного значения Устройство для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки работает следующим образом Реактивная мощность, которую необходимо компенсировать, а также активная мощность, необходимая для симметрирования нагрузки, прямопропорциональны току нагрузки Поэтому параметры устройства, согласно изобретению, изменяются в зависимости от величины сварочного тока В исходном состоянии, когда нет сварочного тока, на всех выходах датчика 3 уровня сварочного тока сигнал логического "0" Такой же сигнал на выходе всех синхронных триггеров запрещает включение тиристорных контакторов Поэтому все реактивные элементы модулей обесточены В таком состоянии схема находится до тех пор, пока ток в сварочной цепи не превысит величину тока холостого хода сварочного трансформатора При достижении уровня срабатывания первого компаратора датчика 3 на его первом выходе появляется сигнал логической "1", который поступает на информационные входы синхронных триггеров 23, 24, 25 первого канала блока управления 19, подготавливая включение реактивных элементов первого модуля В момент прихода очередного импульса синхронизации с формирователя 8 на тактовый вход триггера 23 последний переключается и на его выходе появляется сигнал логической " 1 " - разрешение блоку управления 26 на отпирание тиристорного контактора 7 При этом подключается к сети конденсаторная батарея 6 первого блока 5 компенсатора реактивной мощности 4 В момент прихода очередного импульса синхронизации с формирователя 14 на тактовый вход триггера 24 последний переключается и на его выходе появляется сигнал логической " 1 " разрешение блоку управления 27 на отпирание тиристорного контактора 13 При этом подключается к сети конденсаторная батарея 12 первого блока 10 симметрирующего устройства 9 С приходом очередного импульса синхронизации с блока задержки 18 на тактовый вход триггера 25 последний переключается и на его выходе появляется сигнал логической " 1 " - разрешение блоку управления 28 на отпирание тиристорного контактора 16 При этом подключается к сети дроссель 15 первого модуля симметрирующего устройства 9 Таким образом, при достижении уровня сварочного тока, при котором срабатывает первый компаратор датчика 3, все реактивные элементы перво 41994 го модуля устройства для симметрирования подключены к 3-х фазной сети С увеличением нагрузки сварочный ток достигает уровня срабатывания второго компаратора датчика 3 На втором выходе последнего появляется сигнал логической " 1 " и происходит подключение к 3-х фазной сети второго модуля устройства для симметрирования аналогично подключению первого модуля, как описано выше В зависимости от диапазона изменения сварочного тока и дискретности задания в датчике 3 уровней сварочного тока работает одновременно то или иное количество модулей реактивных элементов, т е симметрирование однофазной нестационарной нагрузки происходит автоматически При этом исключается возникновение аварийных ситуаций в сети, когда коммутируются реактивные элементы большой мощности, поскольку емкостные блоки компенсатора реактивной мощности и симметрирующего устройства подключаются к фазам сети в момент перехода синусоиды напряжения через ноль на соответствующей конденсаторной батарее, а блоки дросселей - со сдвигом по фазе на 90 электрических градусов При перерывах в протекании сварочного тока (например, на этапе возбуждения процесса оплавления) и после осадки деталей на всех выходах датчика 3 уровня сварочного тока сигнал логического "0" возвращает устройство для симметрирования в исходное выключенное состояние Дискретный характер регулирования параметров устройства для симметрирования при переменной нагрузке обеспечивает полное симметрирование при п определенных значениях величины сварочного тока При других значениях тока происходит неполное симметрирование однофазной нагрузки Тем не менее использование заявленного устройства по сравнению с прототипом дает значительный эффект Действительно, однофазную нагрузку можно представить в виде суммы прямой и обратной сим метричных составляющих тока Если нагрузка подключена к фазам А и В (фиг 1), то ток в фазе A U = 1, а ток в фазе В їв = - 1 , где I - ток нагрузки Задача симметрирования нагрузки в 3-х фазной трехпроводной системе при симметричных питающих напряжениях сводится к компенсации обратной составляющей тока Ід2, наибольшее значение которой соответствует величине - ° ^ Если распределение нагрузки в диапазоне 0 < I < l m a x равновероятно, то сопротивления реактивных элементов Х|_ и Хс каждого модуля могут быть выбраны из условия равенства тока нагрузки на один модуль симметрирующего устройства ДІ = I п+1 Из графиков, приведенных на фиг 2, видно, что при п = 1 (прототип) максимальная несбалансированная часть обратной составляющей тока ДІА9 = п = 3 2V3 , тогда как при п = 2 ДІД2 = Дід? = 4V3 3V3 а при Из сравнения приведенных данных следует, что симметрирующее устройство, имеющее три модуля реактивных элементов, снижает вдвое максимальную несбалансированную часть обратной составляющей тока нагрузки по сравнению с прототипом и в 4 раза по сравнению с однофазной нагрузкой С увеличением количества модулей реактивных элементов достигается более полное симметрирование однофазной переменной нагрузки Заявленное устройство может быть использовано на контактных стыковых машинах при сварке непрерывным и пульсирующим оплавлением, а также с предварительным подогревом сопротивлением 41994 Є 41994 І Аг