Письменний Олексій Олександрович. Підвищення ефективності систем живлення машин для контактного точкового зварювання

brief description

Письменний Олексій Олександрович. Підвищення ефективності систем живлення машин для контактного точкового зварювання. : Дис... канд. наук: 05.03.06 2008

Письменний О.О. Підвищення ефективності систем живлення машин для контактного точкового зварювання. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 Зварювання та споріднені процеси і технології. Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2008 р.
Дисертаційна робота присвячена аналізу проблем електроживлення та керуванням машинами для контактного точкового зварювання опором (КТЗ). Проаналізовано та визначено найбільш перспективні напрямки для подальших робіт в цій галузі.
Дисертація вміщає систематизований аналіз відомих систем живлення для КТЗ, на основі якого проведено теоретичний та розрахунковий оцінки найбільш перспективних систем.
Для розробки систем живлення потужністю до 100 кВА з повздовжньою компенсацією реактивної складової опору розроблена програма автоматизованого розрахунку коефіцієнтів потужності, значень відносних напруг та струмів по заданим значенням кута включення при різних значеннях активного опору навантаження.
Для машин КТЗ потужністю більш за 100 кВА визнана за перспективну система живлення з трифазним перетворювачем числа фаз та частоти струму 30 Гц. Доведено, що квазісиметрична робота перетворювача дозволяє отримати сприятливий розподіл струму по фазах мережі без завантаження нульового дроту, а зниження робочої частоти струму підвищити коефіцієнт потужності самої машини.
Для зварювання та мікрозварювання деталей з малою (нижче за 1 мм) та особливо малою (нижче за 0,1 мм) товщиною запропоновано використання інверторного перетворювача підвищеної частоти зварювального струму як альтернатива машинам конденсаторного зварювання. В роботі вміщено опис розробки та виготовлення дослідного експериментального зразка інверторного джерела живлення підвищеної частоти струму 500 Гц з розробленим автоматичним керуванням режимом зварювання. Це джерело живлення забезпечує процес високоякісного зварювання металевих виробів в діапазоні товщин 0,05...0,5 мм та моделює джерело живлення з частотою струму 30 Гц для зварювання виробів в діапазоні товщин 5...8 мм. Наведено результати експериментального дослідження мікрозварювання зразків виробів з нержавіючої сталі 08Х18Н10Т, виконаних за його використанням.

Показано на основі аналіза можливих систем живлення машин для контактного зварювання опором, що найближчим часом найбільш перспективним слід вважати застосування:

повздовжньої компенсації реактивного опору однофазних систем живлення для найбільш розповсюджених машин промислової частоти струму потужністю до 100 кВА, призначених для точкового зварювання сталевих деталей товщиною від 0,7...1,0 мм до 4...5 мм і деталей з легких сплавів товщиною від декількох десятих мм до ~1 мм;
трифазних систем живлення з безпосереднім чи автономним інвертором зниженої частоти зварювального струму у 30 Гц для потужних зварювальних машин (понад 100 кВА), що характеризуються великим значенням реактивного опору у вторинному контурі, які призначені для зварювання сталевих деталей товщиною до 8 мм і деталей з легких сплавів товщиною більш за 1 мм;
однофазних чи трифазних систем малої і середньої потужності до 100 кВА з автономним інвертором підвищеної частоти струму, яка визначається відповідно до товщини і марки металу, що зварюється.

Доведено високу ефективність систем повздовжньої компенсації реактивної потужності однофазних машин для КТЗ малої і середньої потужності (до 100 кВА). Машини цього типу з традиційним тиристорним контактором повинні знайти широке застосування. У порівнянні зі звичайними машинами вони мають значно більш високі ККД та, забезпечують підвищену стійкість електродів і стабільність якості з'єднань у широкому діапазоні їх питомих опорів.
З використанням розробленого нового методу розрахунку встановлено, що в діапазоні кутів включення тиристорів до 60-ти електричних градусів можна одержати високе значення(до 0,95) при рівні компенсації 75 % від повної (недокомпенсація). У випадку необхідности робочий діапазон може бути розширений за допомогою зміни коефіцієнта трансформації. Технологічний ефект виражається в більш стабільній якості з'єднань, у тому числі при зносі електродів або інших збурювань процесу зварювання.
З використанням удосконаленої методики отримана можливість розрахунку значень коефіцієнтів потужності однофазної системи живлення машин контактного точкового зварювання промислової частоти з потужністю до 100 кВА, обладнаних повздовжнім компенсатором реактивної потужності, у залежності від кутів включення тиристорів контактора, значень активного опору і відхилення від рівня повної компенсації.
На основі аналізу систем живлення з трифазними безпосередніми перетворювачами частоти струму 37,5 Гц і 30 Гц по ефективності завантаження струмом фаз питомої мережі, визначений як найбільш перспективний для застосування в машинах КТЗ великої потужності (понад 100 кВА) перетворювач частоти струму 30 Гц.
Показано, що застосування в машинах КТЗ великої потужності (понад 100 кВА) системи живлення з трифазним безпосереднім перетворювачем зниженої частоти струму 30 Гц дозволить підвищити коефіцієнт потужності на 2030 % у порівнянні з традиційною системою живлення промислової частоти, розвантажити нульовий провід мережі, підвищити значення діючого струму у навантаженні, підвищити стійкість електродів машини, зменшити випадки виплеску металу із зони зварювання. Створено макет перетворювача і випробувано на еквіваленті навантаження.
З застосуванням методу моделювання з урахуванням критеріїв подоби процесу зварювання, підтверджена доцільність використання систем живлення з безпосереднім перетворювачем частоти струму 30 Гц у точковій машині великої потужності для зварювання змінною напругою прямокутної форми.

Встановлено, що головна перевага систем підвищеної частоти для мікрозварювання перед однофазними системами промислової частоти і системами з електростатичними накопичувачами енергії складається з можливостей здійснення автоматичного керування і програмування складних циклів зварювання при тривалості процесу порядку одиниць мілісекунд.
Вперше для машин контактного точкового зварювання металів малої товщини (мікрозварюванні) створене спеціалізоване джерело живлення з транзисторним інвертором і процесором керування режимом зварювання струмом підвищеної частоти 500 Гц, що працює за алгоритмом, розробленим і захищеним державним патентом України.
Доведено доцільність використання інверторного транзисторного джерела живлення з підвищеною частотою зварювального струму 500 Гц та ефективність вибраного алгоритму автоматичного керування процесом точкового зварювання металів з товшиною меньш за 1 мм при проведені експериментів точкового мікрозварювання зразків зі сталей 12Х18Н10Т та 08Х18Н10Т.
Встановлено, що пріоритетними напрямками слід вважати розробку систем живлення машин з повздовжньою компенсацією, що можуть знайти широке застосування в зварювальних машинах потужністю до 100 кВА, та інверторних систем для зварювання струмом підвищеної частоти в мікрозварюванні.