Спосіб стабілізації тепловиділення при контактному зварюванні

Реферат: Винахід належить до контактного зварювання та може бути використаний для управління машинами контактного зварювання (МКЗ) з метою покращення якості зварних з'єднань, збільшення коефіцієнта корисної дії машини контактного зварювання. Зазвичай для стабілізації процесу зварювання використовуються системи управління, які підтримують заданий зварювальний струм, задане значення енергії в зварювальному проміжку або задане значення падіння напруги на зварювальних електродах. Для стабілізації тепловиділення при зварюванні запропоновано енергію, що контролюється, визначати як різницю між енергією, яка споживається трансформатором, та втратами енергії в трансформаторі та зварювальному колі, при цьому в автоматичному режимі із заданою періодичністю визначають параметри трансформатора та зварювального кола. Розрахунок енергії відбувається автоматично в режимі реального часу за результатами вимірювання первинних напруги та струму та визначених параметрів трансформатора з урахуванням вимірювання температури зварювального кола. Для забезпечення заданої енергії живлення трансформатору пропонується здійснювати від безпосереднього перетворювача трифазної напруги в однофазну матричного типу, управління яким здійснюють за умови забезпечення трифазної симетричної системи струмів, споживаних від трифазної мережі, та близького до одиничного коефіцієнта потужності. Використання запропонованого способу стабілізації тепловиділення при контактному зварюванні дозволяє забезпечити управління зварювальним струмом, уникнути впливу зміни опору зварювального кола, що викликане внесенням феромагнітних мас до нього, зміною температури під час зварювального процесу, і тим самим покращити якість зварних з'єднань, збільшити коефіцієнт корисної дії машини контактного зварювання за рахунок максимального використання зварювального трансформатора. UA 115735 C2 (12) UA 115735 C2 UA 115735 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до контактного зварювання та може бути використаний для управління машинами контактного зварювання (МКЗ) з метою покращення якості зварних з'єднань, збільшення коефіцієнта корисної дії машини контактного зварювання. Якість з'єднання при контактному зварюванні визначається якістю формування зварного ядра точки, яке при формуванні зазнає впливів ряду збурюючих факторів: коливань напруги живлення, зміни опору вторинного (зварювального) кола за рахунок внесення до нього феромагнітних мас, зносу електродів, шунтування зварювального струму та ін. Все це негативно впливає на зварювальний процес, в першу чергу, на стабільність зварювального струму та, відповідно, якість зварювання. Зазвичай для стабілізації процесу зварювання використовуються системи управління, які підтримують заданий зварювальний струм, задане значення енергії в зварювальному проміжку або задане значення падіння напруги на зварювальних електродах (Климов А.С. Контактная сварка. Вопросы управления и повышения стабильности качества / А.С.Климов // Физматлит. 2011. - 216 с.). Враховуючи те, що більшість джерел живлення машин контактного зварювання (МКЗ) є тиристорними, основна частина алгоритмів стабілізації зварювального процесу спрямована на розрахунок та коригування кутів відкриття тиристорів. При цьому розповсюдженими є системи стабілізації, в яких відсутні прямі вимірювання, наприклад вимірювання зварювального струму, а про зміни параметра, який контролюється, дізнаються непрямим шляхом, через вимірювання непрямих параметрів, таких як первинні напруга та/або струм зварювального трансформатора. Тенденція розвитку джерел живлення, в тому числі для машин контактного зварювання, полягає в використанні активних, повністю керованих перетворювачів (безпосередніх або з ланкою постійного струму), які в змозі формувати вихідну напруги заданої форми та частоти. Останнє дає можливість забезпечити стабілізацію зварювального процесу в режимі реального часу, особливо коли діє декілька збурюючих факторів одночасно. Відомий спосіб стабілізації тепловиділення при контактному зварюванні (Способ стабилизации тепловыделения при контактной точечной сварке / А.С. Климов, А.В. Комиренко, B.C. Климов, А.Н. Анциборов // Патент RU 2424097, МПК В23К 11/24, заявлено 05.11.2009, опубликовано 20.07.2011, бюллетень № 20), який передбачає в кожному періоді зварювального струму визначення коефіцієнта потужності cos , величини тепловиділення q на ділянці "електрод-електрод" і вибір кута відкриття тиристорів  в наступному періоді, що відрізняється тим, що перед початком зварювання визначають напругу мережі живлення Uм , коефіцієнт трансформації на даному ступені Km , індуктивний опір X2 контактної зварювальної машини і кут к відставання струму від напруги при повнофазному включенні в режимі короткого замикання. До переваг такого способу управління належить можливість вимірювання напруги в первинному колі трансформатора. До недоліків слід віднести те, що такий спосіб може бути реалізований лише на машинах контактного зварювання з тиристорним переривником в первинному колі, які на сьогоднішній день, незважаючи на простоту та надійність, мають низьку енергоефективність, є морально застарілими та не відповідають нормам електромагнітної сумісності з електричною мережею. Іншим недоліком є те, що визначення коефіцієнта потужності відбувається непрямим способом, через кути відкриття тиристорів, що зменшує точність вимірювань. Відомий спосіб стабілізації тепловиділення при контактному зварюванні (Способ регулирования процесса электронагрева при точечной и шовной сварке / А.С. Васильев, А.И. Комарчев, В.П. Стрельников, О.В. Белахов // Авторское свидетельство СССР № 662297, МПК В23К 11/24, заявлено 26.12.1977, опубликовано 15.05.1979, бюллетень № 18), у відповідності до якого відбувається вимірювання електричної енергії, що виділяється у зварювальному контакті з моменту подачі зварювального струму до поточного моменту часу, та здійснюють вимикання зварювального струму при настанні часу, коли енергія дістала заданого значення, яке визначають як суму двох сигналів, один з яких пропорційний фактичному часу протікання зварювального струму, а другий - обернено пропорційний середньому за час зварювання опору контакту, та визначеної постійної величини. До переваг такого способу належить можливість підвищення точності регулювання електронагріву та стабілізації якості зварних з'єднань при зміні умови тепловіддачі до електродів та в основний метал. До недоліків такого способу належать: необхідність вимірювання зварювальних струму та напруги (у вторинному колі), що значно ускладнює систему управління; вплив зміни опору зварювального кола, зокрема викликаного внесенням до нього феромагнітних мас, на зварювальний процес. Спосіб прийнято за прототип. 1 UA 115735 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 В основу винаходу поставлена задача удосконалення способу стабілізації тепловиділення при контактному зварюванні, що дозволить забезпечити управління зварювальним струмом, зменшення впливу зміни опору зварювального кола, покращення якості зварних з'єднань, збільшення коефіцієнта корисної дії машини контактного зварювання. Для вирішення поставленої задачі в способі стабілізації зварювального струму при контактному зварюванні, який включає вимірювання електричної енергії, що виділяється у зварювальному контакті з моменту подачі зварювального струму до поточного моменту часу, та вимикання зварювального струму при настанні часу, коли енергія дістала заданого значення, відповідно до винаходу, вимірювану енергію визначають як різницю між енергією, яка споживається трансформатором, енергією, що втрачається в первинному колі трансформатора, енергією, що витрачається на створення магнітного поля в осерді трансформатора, та енергією, що втрачається у вторинному зварювальному колі, а для її забезпечення трансформатор живлять від безпосереднього перетворювача трифазної напруги в однофазну, при цьому управління перетворювачем здійснюють за умови забезпечення трифазної симетричної системи струмів, споживаних від трифазної мережі, та близького до одиничного коефіцієнта потужності, причому в автоматичному режимі із заданою періодичністю відбувається визначення параметрів трансформатора та зварювального кола, а розрахунок енергії кожного циклу (точки) здійснюють в режимі реального часу за результатами вимірювання первинних напруги та струму та визначених параметрів трансформатора з урахуванням вимірювання його температури. Запропоноване технічне рішення пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 показана структурна схема джерела живлення МКЗ, на Фіг. 2 наведена схема підключення, на Фіг. 3 наведена схема заміщення зварювального трансформатора. Для реалізації запропонованого способу використаний наступний пристрій. Машина контактного зварювання складається з підключеного до трифазної мережі через вхідний трифазний фільтр (1, Фіг. 1, Фіг. 2) і перетворювач (2, Фіг. 1, Фіг. 2), зварювального трансформатора (3, Фіг. 1, Фіг. 2). До перетворювача підключений блок управління (4, Фіг. 1, Фіг. 2). Вторинна обмотка зварювального трансформатора підключається у зварювальне коло (5, Фіг. 1, Фіг. 2), а первинна обмотка отримує живлення від перетворювача. Керування перетворювачем відбувається за допомогою блока управління, на який потрапляють сигнали з вимірювальних датчиків: струму (6, Фіг. 1, Фіг. 2), напруги (7, Фіг. 1, Фіг. 2) та температури (8, Фіг. 1, Фіг. 2). Як перетворювач може виступати безпосередній перетворювач частоти та числа фаз (наприклад, матричний перетворювач, МП). Основними вимогами для перетворювача є можливість формування вихідного струму заданої форми, амплітуди та частоти та забезпечення електромагнітної сумісності з електричною мережею. Одним з поширених методів управління контактного зварювання є метод стабілізації енергії, яка виділяється в зоні зварювання. Зазвичай її розраховують як: Wзв   uе t iе t dt , (1) де uе t  - миттєва напруга на зварювальних електродах, В; iе t  - миттєвий зварювальний струм, А. Проте таке визначення потребує вимірювання параметрів у зварювальному контурі, що є досить складним та результати вимірювань мають низьку точність, а спроби підвищення точності призводить до ускладнень системи управління. Згідно із законом збереження енергії, енергія, яка виділяється в зоні зварювання, може бути знайдена як різниця між енергією, яка споживається трансформатором від перетворювача, енергією, що втрачається в первинному колі трансформатора, енергією, що витрачається на створення магнітного поля в осерді трансформатора, та енергією, що втрачається у вторинному зварювальному колі: Wзв  Wм  W1  Wнам  W2 , (2) де Wм - енергія, яка споживається трансформатором від перетворювача, Дж; W1 - втрати енергії у первинному колі трансформатора, Дж; Wнам - втрати енергії в колі намагнічування 55 трансформатора (втрати в сталі), Дж; W2 - втрати енергії у вторинному колі трансформатора, включаючи втрати у зварювальному контурі, Дж. На Фіг. 3 наведена схема заміщення зварювального трансформатора 3, до вторинної обмотки якого підключене зварювальне коло 5. Опір первинного кола представлений активною складовою r1 та реактивною складовою x1 . Опір кола намагнічування представлений активною 2 UA 115735 C2 r x складовою  та реактивною складовою  . Опір вторинного кола, приведений до первинної    обмотки, складається з активної компоненти r2  r2T  rзв , яка включає в себе опір вторинної   2 обмотки трансформатора r2T та опір зварювального кола rзв , та реактивної компоненти x . 5 10 Опір виробу представлений опором Z . Енергія, яка споживається трансформатором від перетворювача, може бути знайдена за виразом: Wм   u1t i1t dt , (3) де u1t  - миттєва первинна напруга трансформатора, В; i1t  - миттєвий струм первинного кола трансформатора, А. Втрати енергії у первинному колі трансформатора можуть бути обчислені за наступним виразом: 2 W1   i1 t r1dt , (4) 15 де r1 - активний опір первинної обмотки трансформатора, Ом. Втрати енергії в колі намагнічування трансформатора (втрати в сталі) розраховуються з урахуванням падіння напруги на опорі первинного кола: Wнам   u1t   i1t r1iнам t dt , (5) де iнам t  - струм намагнічування трансформатора, А. Втрати енергії у вторинному колі трансформатора, включаючи втрати у зварювальному контурі (за винятком опору виробу) можна знайти як 20 25 30   W2   i2 t r2T  rзв dt , (6) 2 2 де i t   i1t   iнам t  - вторинний струм трансформатора (зварювальний струм), приведений   до первинної обмотки; r2T  rзв - сумарний опір зварювального кола (без опору виробу), приведений до первинної обмотки. Перед зварюванням із заданою періодичністю (раз за зміну або раз на добу, або раз на тиждень і т.п., згідно з технологічною інструкцією) система управління в автоматичному режимі проводить визначення реальних параметрів трансформатора, проводячи для цього досліди короткого замикання, холостого ходу та дослідження трансформатора при поданні на нього постійної напруги. Весь процес налаштування займає не більше 1 хвилини. Для вимірювання активного опору первинного кола r1 безпосередньо після включення МКЗ на первинну обмотку трансформатора з перетворювача система управління подає таку постійну напругу UDC , яка викликає постійний струм, значення якого не перевищує номінального, та здійснює вимірювання первинного струму IDC . Розрахунок активного опору первинного кола здійснюється системою управління за результатами вимірювань згідно з законом Ома: U r1  DC IDC . (7) 35 40 45 Після цього в режимі холостого ходу СУ подає на трансформатор через перетворювач прямокутну напругу низької частоти, яка вимірюється впродовж досліду, причому перемикання полярності відбувається за умови досягнення модулем струму холостого ходу i1ххt  , який також вимірюється впродовж досліду, заданого максимального значення, яке вибирають в діапазоні 510 % від номінального струму. СУ здійснює знімання вебер-амперної характеристики трансформатора (характеристики намагнічування), причому потокозчеплення розраховує за наступним виразом: t    u1t   i1хх t r1dt . (8) Для визначення опору зварювального (вторинного) кола СУ проводить дослід короткого замикання, подаючи на перетворювач таку напругу синусоїдальної форми промислової частоти, щоб первинний струм не перевищував номінального значення, впродовж якого фіксує напругу і струм первинного кола. За результатом вимірювань в СУ розраховуються активна потужність та приведений до первинної обмотки активний опір зварювального кола, який включає в себе опір 3 UA 115735 C2 10 вторинної обмотки трансформатора, опір зварювального кола та опір ділянки "електроделектрод" за виключенням опору первинного кола r1 , розрахованого раніше. Також при включенні МКЗ СУ здійснює вимірювання початкової температури зварювального кола. Після визначення параметрів трансформатора система управління переходить в робочий режим, під час якого постійно відбувається вимірювання первинних напруги і струму, та температури зварювального кола. Під час роботи машини контактного зварювання СУ здійснює коригування активного опору зварювального кола з урахуванням температурного коефіцієнта опору за виразом:     r2  rзв скор  r2  rзв   1  T  T0  , (9) 15 3 1 де  - температурний коефіцієнт опору, для міді  CU  4,3  10 , K , T0 - початкова температура, при якій відбулось вимірювання активного опору зварювального кола, Κ; T вимірювана температура, Κ; В режимі реального часу під час зварювального циклу СУ контролює величину потокозчеплення та за характеристикою намагнічування визначає струм намагнічування iнам t  , 5 20 25 30 35 40 45 50 55 2 після чого визначає величину вторинного струму, приведеного до первинного кола i t  . Приклад реалізації способу. Спосіб здійснюється наступним чином. Як перетворювач виступає безпосередній матричний перетворювач трифазної напруги в однофазну, який формує вихідну напругу заданої форми, амплітуди та частоти. Перетворювач утворений шістьма двонаправленими ключами, за які можуть бути використані ключі SKM200GM12T4. Модуль SKM200GM12T4 розрахований на напругу до 1200 В та струм до 200 А. Схема керування ключами виконана із застосуванням спеціалізованих драйверів SKHI 10/12 R та мікроконтролера STM32F100C6T6B. На мікроконтролер потрапляють сигнали з датчиків струму, напруги та температури. Як датчик струму можна використати датчики ACS758ECB-200B-PFF-T. Вимірювання напруги може бути виконане з використанням резистивного подільника напруги. Як датчик температури можна використати цифровий вимірювач температури DS18B20. Із заданою періодичністю (раз за зміну або раз на добу, або раз на тиждень і т.п., згідно з технологічною інструкцією) система управління визначає реальні параметри трансформатора. Спочатку СУ визначає параметри завдання для перетворювача, які відповідають режиму короткого замикання (форма напруги - синусоїдальна, амплітуда дорівнює величині uk , яка відома з паспортних даних трансформатора, частота дорівнює частоті мережі). При цьому запам'ятовуються сигнали, які потрапили до системи управління з датчиків струму, напруги та температури, як i1кз t  , u1кз t  та T0 . Наступний режим - дослідження трансформатора при поданні на нього постійної напруги. Завдання для перетворювача: форма напруги - постійна, для визначення амплітуди використовують зворотний зв'язок за первинним струмом, який не має перевищувати номінального значення (також паспортні дані), частота дорівнює нулю. Сигнали, які потрапили до системи управління з датчиків струму та напруги, запам'ятовуються як IDC , UDC , після чого проводиться розрахунок активного опору первинного кола. Після визначення активного опору первинного кола система переходить до режиму холостого ходу, в якому сигнали завдання для перетворювача будуть наступні: форма напруги - прямокутна, амплітуда дорівнює величині завдання для циклу зварювання, а частота змінна, причому перемикання полярності відбувається за умови досягнення модулем струму холостого ходу заданого максимального значення, яке встановлюють в діапазоні 5-10 % від номінального струму також системою зі зворотним зв'язком. Сигнали, які потрапили до системи управління з датчиків струму та напруги, запам'ятовуються як i1ххt  , u1хх t  . Дослід холостого ходу проводять впродовж такого проміжку часу, який би був не менший кількох періодів мережі. За результатами вимірювань розраховують потокозчеплення, яке у сукупності зі струмом намагнічування утворюють вебер-амперну характеристику трансформатора. Після визначення параметрів трансформатора СУ переходить в робочий режим (зварювання), для якого СУ встановлює задані амплітуду вихідної напруги перетворювача, заданої форми та частоти, коригування яких відбувається за результатами обчислення енергії в зоні зварювання. При цьому сигнали, які потрапили до системи управління з датчиків струму, напруги та температури: i1t  , u1t  та T , використовуються для обчислення енергії, яка споживається трансформатором від перетворювача, причому для запобігання накопичення 4 UA 115735 C2 5 10 15 20 25 похибки, в якості інтегратора використовують фільтр низьких частот першого порядку, який представляє собою RC-коло. Використання запропонованого способу стабілізації тепловиділення при контактному зварюванні дозволяє забезпечити управління зварювальним струмом, уникнути впливу зміни опору зварювального кола, що викликане внесенням феромагнітних мас до нього, зміною температури під час зварювального процесу, і тим самим покращити якість зварних з'єднань, збільшити коефіцієнт корисної дії машини контактного зварювання за рахунок максимального використання зварювального трансформатора. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб стабілізації тепловиділення при контактному зварюванні, який включає вимірювання електричної енергії, що виділяється у зварювальному контакті з моменту подачі зварювального струму до поточного моменту часу, та вимикання зварювального струму при настанні часу, коли енергія дістала заданого значення, який відрізняється тим, що вимірювану енергію визначають як різницю між енергією, яка споживається трансформатором, енергією, що втрачається в первинному колі трансформатора, енергією що витрачається на створення магнітного поля в осерді трансформатора, та енергією, що втрачається у вторинному зварювальному колі, а для забезпечення енергією трансформатор живлять від безпосереднього перетворювача трифазної напруги в однофазну, при цьому управління перетворювачем здійснюють за умови забезпечення трифазної симетричної системи струмів, споживаних від трифазної мережі, та близького до одиничного коефіцієнта потужності, причому забезпечують здійснення в автоматичному режимі із заданою періодичністю визначення параметрів трансформатора та зварювального кола, а розрахунок енергії кожного циклу (точки) здійснюють в режимі реального часу за результатами вимірювання первинних напруги та струму та визначених параметрів трансформатора з урахуванням вимірювання його температури. 5 UA 115735 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6