Электрические цепи основных типов контактных машин

Каждая машин 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 или аккумулирования энергии различают следующие основные типы машин – однофазные переменного тока, трехфазные низкочастотные, постоянного тока (с выпрямлением тока во вторичном контуре) и конденсаторные.

Необходимое значение и форму сварочного тока , протекающего через детали, получают путем преобразования или аккумулирования электрической энергии сети промышленной частоты 50 Гц, напряжением 380 В (или 220 В в машинах с наибольшей мощностью короткого замыкания менее 60 кВА) с помощью сварочных трансформаторов, выпрямителей или аккумуляторов энергии. Для подвода сварочного тока к деталям служит вторичный контур.

Сварочный трансформатор, предназначенный для получения больших токов (до 300 А) при пониженном (0,2-25 В) напряжении, включается в сеть или к аккумулятору энергии контактором; в низкочастотных машинах трансформатор подключается к трехфазному или шестифазному выпрямителю.

Вторичное напряжение (сварочный ток) регулируют путем изменения коэффициента трансформации трансформатора (ступенчатое регулирование) с помощью секционного переключателя ступеней, или путем фазового регулирования (плавное регулирование), или тем и другим (смешанное регулирование).

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

Однофазные машины переменного тока. Электрическая схема машины приведена нарис.5.30, а. Сварочный трансформатор СТр включается в сеть контактором. Вторичное напряжение трансформатора устанавливают переключателем ступеней ПС. Значение и форма импульса сварочного тока зависят от типа контактора К (электромагнитный или вентильный) и настройки аппаратуры управления АУ.

Мгновенное значение напряжения и тока ( - приведенный сварочный ток) в установившемся режиме имеют синусоидальную форму (рис.5.30, б). Так как машин контактной сварки представляет собой для источника энергии активно-индуктивную нагрузку, ток отстает от напряжения по фазе на угол j. Сила сварочного тока определяется по выражению (5.5).

Значение можно изменять ступенчато переключателем ПС. При наличии в АУ машины фазорегулирования обеспечивается плавное регулирование за счет изменения угла a включения контактора К. Изменяя угол a при протекании сварочного тока, получают импульсы с плавным изменением амплитуды (рис.5.30, в).

Рис. 5.30. Однофазная машина переменного тока: а – электрическая схема; б – временные диаграммы напряжения и тока; в - форма импульса сварочного тока при модулировании

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

Трехфазные низкочастотные машины. На рис.5.31, а приведена электрическая схема низкочастотной машины, а на рис.5.31 б ее упрощенная схема замещения. В этой схеме к сварочному трансформатору СТр подводится выпрямленной напряжение (рис.5.31 в) от трехфазного выпрямителя ВС, собранного по мостовой схеме.

Рис. 5.31. Трехфазная низкочастотная машина: а – электрическая схема; б – упрощенная схема замещения; в – временные диаграммы напряжения и токов и

Ток в цепи возрастает по экспоненциальному закону (рис.5.31 в). Максимальное значение первичного тока зависит от времени включения( ) выпрямителя. Для этой схемы продолжительность включения выпрямителя ограничивают из-за насыщения стали магнитопровода и резкого увеличения первичного тока.

Для размагничивания стали полярность напряжения чередуется коммутатором полярности КП (рис.5.31 а), который срабатывает во время пауз между сварками. В мощных шовных машинах, а также в точечной машине МТН-6301 полярность напряжения изменяется поочередным включением двух отдельных выпрямителей, включенных на выходе встречно-параллельно.

Максимальная продолжительность включения выпрямителя ограничивают 0,2¸0,4 с.

Практически токи и есть токи переходного процесса, возникающие при включении и выключении выпрямителя, изменяющиеся по экспоненциальному закону и имеющие плавное нарастание и спад. Для предотвращения переходных процессов между трансформатором и выпрямителем во время его выключения служит вентиль В_ш (рис.5.31 а), включенный таким образом, что он открывается после изменения полярности напряжения , благодаря чему токи и быстро спадают до нуля.

В некоторых случаях, например, в машине МТН-6301 и шовных машинах, для ускорения спада тока выпрямитель переводят в инверторный режим, при котором напряжение на первичной обмотке трансформатора изменяет свой знак, и энергия, накопленная в сварочной машине, частично возвращается в сеть. Быстрый спад тока необходим для сварки деталей большой толщины, осуществляемой несколькими (два – шесть) импульсами тока низкой частоты (1-2 Гц). После окончания работы одного выпрямителя и регулируемого интервала (рис. 5.31, б) включается второй выпрямитель, затем после спада тока включается первый и т. д. Период изменения тока Т = 0,3¸1 с.

Значение можно изменять ступенчато переключателем ПС и за счет изменения угла a включения контактора К.

Эта 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 мало, где - индуктивность вторичного контура. Поэтому низкочастотные машины с большим контуром, необходимым для сварки крупных узлов, имеют высокий cosj 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 и ограниченное время включения выпрямителя.

Трехфазные машины постоянного тока (с выпрямлением тока во вторичном контуре). 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 СТр (рис. 5.32, а) переменного тока рассчитан на частоту 50 Гц. Поэтому его размеры значительно меньше размеров трансформатора низкочастотных машин той же мощности.

Рис. 5.32. Трехфазная машина постоянного тока: а – электрическая схема; б – упрощенная схема замещения; в - временные диаграммы напряжения и токов выпрямителя; г – 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 (Т1 – Т3).Вторичная обмотка соединена звездой включением в каждую фазу по одному неуправляемому вентильному блоку (D1 – D2), содержащему кремниевые неуправляемые вентили типа ВВ2-1250 с водяным охлаждением.

При включении управляемых вентилей в моменты времени p, q и r (рис. 5.32, в) к соответствующим фазам первичной обмотки подводятся полуволны линейных напряжений сети (u_АВ, u_ВС и u_СА), которые трансформируются во вторичные обмотки ( и ) и через неуправляемые вентили (D1, D2 и D3) подводятся к вторичному контуру машины. В интервале p - q в проводящем состоянии находятся вентили T1 и D1, через которые проходят токи и соответственно. Начиная с момента q потенциал фазы В становится выше потенциала фазы А, и анод вентиля Т2 окажется под положительным напряжением относительно катода. Если в момент q на вентиль Т2 поступит отпирающий импульс, он включается, а вентиль Т1 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 Т1.

Для обеспечения запирания управляемого вентиля раньше спада намагничивающего тока до нуля параллельно первичной обмотке каждой фазы включается шунтирующее сопротивление r (рис. 5.32, 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.5.32, г).

Действующее значение сварочного тока незначительно отличается от среднего значения . Так, при вылете машины 1,5 м и сварке деталей из легких сплавов для установившегося тока .

Фактический коэффициент мощности машины с выпрямлением тока во вторичном контуре приближенно равен 0,8.

Преимущества электрических машин с выпрямлением тока во вторичном контуре: 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 этой схемы получения сварочного тока: 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.

Машины с аккумулированием (накоплением) энергии. В этих машинах происходит медленное аккумулирование энергии с потреблением небольшой мощности из сети и кратковременное использование ее во время сварки.

Аккумулировать энергию, достаточную для получения необходимых сварочных токов, можно в конденсаторах, магнитопроводах трансформаторов, во вращающихся массах, электрохимических аккумуляторах и специальных униполярных электрических генераторах. В настоящее время нашла промышленное применение лишь схема 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 приведена на рис. 5.33, а. В этой схеме батарея конденсаторов емкостью С заряжается от сети переменного тока через управляемый выпрямитель ВС (однофазный или трехфазный в зависимости от необходимой мощности) и зарядное сопротивление . При переключении переключателя П зарядка конденсаторов прекращается и они разряжаются через первичную обмотку сварочного трансформатора СТр. Для предотвращения намагничивания сварочного трансформатора при сварке однополярными импульсами тока в схеме предусмотрен коммутатор полярности КП.

Рис. 5.33. 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; г – графики токов короткого замыкания конденсаторной машины при изменении исходных параметров C, U_1C и K_C

Сварка изделия осуществляется благодаря разряду конденсаторной батареи. Импульс разрядного тока и, следовательно, импульс сварочного тока определяются параметрами машины, рабочим напряжением U_1C и емкостью С батареи конденсаторов, а также коэффициентом трансформации К_С трансформатора СТр. Упрощенная схема замещения разрядной цепи конденсаторной машины дана на рис. 5.33. б.

В большинстве конденсаторных машин , поэтому разряд носит колебательный характер ( – приведенная к вторичному контуру емкость батареи конденсаторов; и L ₂ – сопротивление и индуктивность разрядной цепи).

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 Wc конденсаторов тратится на тепловыделение и аккумулирование энергии в магнитном поле сварочной машины. К моменту, когда ток станет максимальным (точка 1, рис. 5.33 в), конденсаторы разряжаются настолько, что не могут поддерживать ток во вторичном контуре, и в дальнейшем он уменьшается. Когда напряжение становится равным нулю, ток поддерживается только за счет расходования магнитной энергии (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 заряда ( ), более эффективного для сварки, в схему вводят шунтирующий вентиль В_ш (рис. 5.33, а), который открывается при изменении знака напряжения и_2С, и переходный процесс имеет апериодический характер (штриховая линия 2 - 4; рис. 5.33, в). Ток поддерживается в цепи аккумулированной магнитной энергией, которая преобразуется в тепловую во вторичном контуре и магнитопроводе трансформатора. Обратное напряжение на конденсаторах незначительно и равно падению напряжения D U на вентиле В_ш.

Значение сварочного тока и форма его импульса зависят как от соотношения параметров и машины, так и от емкости С батареи конденсаторов, зарядного напряжения на ней U_1С, коэффициента трансформации К_C.

Графики токов короткого замыкания машины, характеризующие влияние изменения параметров С, U _1С и К_C на форму импульса сварочного тока, даны на рис. 5.25, г. При увеличении зарядного напряжения U _1С в основном увеличивается (пропорционально U _1С), незначительно возрастает общая длительность Т импульса и практически не изменяется длительность нарастания тока t_тах. При снижении коэффициента Кс увеличивается и снижаются t_тах и Т. Изменение длительностей t_тах и Т происходит примерно пропорционально изменению коэффициента Кс. При увеличении емкости С увеличиваются максимальное значение тока, его длительности t_тах и Т.

В отдельных случаях для повышения энергетических показателей машин применяют более сложные схемы зарядно-разрядных цепей: с накопительной емкостью; с использованием сварочного трансформатора с выводом средней точки первичной обмотки и др. Форма импульса тока в процессе сварки, как правило, не регулируется. Относительно крутой фронт нарастания импульса сварочного тока (t_тах = 0,004¸0,05 с) иногда вызывает выплески металла. Во избежание выплесков, применяют повышенные усилия сжатия деталей, а также проводят более тщательную подготовку поверхностей деталей под сварку. При сварке ответственных деталей в конденсаторных машинах предусматривают возможность получения требуемых по технологическим соображениям форм импульсов сварочного тока. Для этой цели в разрядную цепь включают реактивную катушку со стальным магнитопроводом, имеющим небольшой зазор. Вначале, пока магнитопровод катушки не насыщен, скорость нарастания тока невелика. После насыщения магнитопровода влияние реактивной катушки на процесс разряда становится небольшим.

В другом случае в зарядную цепь включают несколько конденсаторов, имеющих разную емкость и зарядное напряжение. Подключая их с определенным интервалом друг за другом, можно получить требуемую форму импульса тока. Однако эти схемы не получили широкого распространения. В общем случае сварочный ток и форму импульса регулируют изменением параметров U _1С, С и K _C.

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 (бестрансформаторная конденсаторная сварка сопротивлением) или сближающиеся детали (ударно-конденсаторная сварка встык и в притык проводов с диаметром до 2 мм).

Поиск по сайту: