Формирователи импульсов тока для контактной сварки

Одной из важнейших составляющих оборудования для контактной сварки являются формирователи импульсов тока. Именно на них возлагается задача обеспечения необходимых для сварки амплитуды, длительности протекания и формы импульса сварочного тока, от которых напрямую зависит качество получаемых соединений. В связи с тем, что уровень развития электронной техники, приборостроения предъявляет все более возрастающие требования к качеству сварных соединений, возрастают и требования к параметрам формируемых импульсов, а также к характеристикам формирователей этих импульсов.

Для решения ряда технических задач, связанных с проектированием формирователей импульсов тока для контактной сварки (ФИТКС), возникает необходимость в проведении анализа принципов построения таких формирователей с позиций их функциональных возможностей, быстродействия, точности отработки заданной формы сварочных импульсов, влияния формирователя на питающую сеть. На данный момент можно констатировать отсутствие публикаций, способных достаточно полно осветить рассматриваемый класс устройств преобразовательной техники, дать представление об их основных характеристиках. В существующих публикациях не отражены новые схемотехнические решения в рассматриваемой области, а также современные тенденции ее развития. Кроме того, ни в одной из известных работ четко не выделены признаки, на основе которых можно классифицировать формирователи импульсов для контактной сварки. Так что, несмотря на имеющуюся информацию, получить представление о формирователях импульсов как классе устройств преобразовательной техники довольно сложно.

Целью работы является анализ и обобщение принципов построения формирователей импульсов тока для контактной сварки, а также выделение признаков, по которым можно классифицировать такие преобразователи, и составление на их основе современной классификации.

Контактные машины по типу источника сварочного тока классифицируют следующим образом: переменного тока, низкочастотные, постоянного тока и конденсаторные. В современной машиностроительной энциклопедии к указанным типам источников сварочного тока добавлен еще один - повышенной частоты. Формирователи импульсов разделяют по количеству фаз питающей сети (одно- и трехфазные) и по типу источника питания (однофазные переменного тока, постоянного тока, низкочастотные и импульсные — конденсаторные и электромагнитные). Выделены четыре типа ФИТКС:
1) с непосредственным питанием от сети через тиристорный контактор;
2) с питанием сварочного трансформатора разрядом батареи конденсаторов;
3) формирователи, которые представляют собой комбинацию двух предыдущих, причем первый из них используется для подогрева соединяемых деталей, для стабилизации контактных сопротивлений, а второй - для последующей сварки;
4) формирователи, обеспечивающие питание сварочного трансформатора током повышенной частоты.

Зарубежные авторы и многие фирмы-производители придерживаются следующей классификации:
- формирователи импульсов переменного тока на основе тиристорных регуляторов переменного напряжения (AC Type),
- формирователи импульсов на основе разрядно-конденсаторных структур (Capacitive Discharge Type),
- формирователи импульсов постоянного тока на основе транзисторных регуляторов (Transistor Type или Linear DC Type),
- формирователи импульсов на основе инверторных преобразователей (Inverter Type).

Существует разделение формирователей импульсов на две большие группы: ФИТКС, потребляющие энергию из сети только во время сварки (Direct Energy), и ФИТКС, осуществляющие накопление энергии в паузах между сварками (Energy Storage). К первой группе относят следующие типы формирователей: однофазные переменного тока (Single-Phase Alternating Current); однофазные переменного тока с коррекцией коэффициента мощности (Single-Phase Alternating Current Plus Correction to Reduce KVa Demand); ФИТКС с распределенной нагрузкой (Load Distributing Type); преобразователи частоты (Frequency Converters); выпрямители (Dry-Disc Rectifier). Ко второй группе относятся формирователи разрядно-конденсаторные (Capacitor Discharge), электромагнитные (Electromagnetic), с аккумуляторной батареей (Storage Battery), электромеханические, в которых энергия запасается во вращающемся маховике (Homopolar Generator).

Очевидно, что общепринятая отечественная и зарубежная классификации имеют существенные отличия. Следует также отметить, что в известных классификациях как правило не выделены четко классификационные признаки.

Анализ литературы, патентов, каталогов, технических описаний и др., содержащих сведения о ФИТКС, позволил выделить основные признаки и составить классификационную схему формирователей импульсов.

Наиболее общим классификационным признаком можно считать вид формируемого импульса сварочного тока, в соответствии с которым можно выделить группы формирователей импульсов постоянного, переменного и пульсирующего тока, а также комбинированных импульсов тока. Наиболее характерные формы импульсов сварочного тока показаны на рисунке ниже.

Формирователи импульсов тока для контактной сварки
Формы импульсов сварочного тока:
а — постоянного; б — пульсирующего; в — переменного; г — комбинированный


По виду преобразования энергии ФИТКС можно разделить на две группы: формирователи с прямым преобразованием энергии (Direct Energy), преобразующие энергию непосредственно из питающей сети в процессе сварки, и формирователи с аккумулированием энергии (Stored Energy), преобразующие в процессе сварки предварительно запасенную в системах накопления энергию.

ФИТКС с прямым преобразованием энергии по количеству фаз питающей сети можно разделить на одно- и трехфазные.

Также ФИТКС с прямым преобразованием энергии питающей сети делятся по схемотехническому решению силовой части. Различают схемы на основе тиристорных регуляторов переменного напряжения, на основе выпрямителей, на основе инверторных преобразователей, на основе транзисторных регуляторов.

Как правило, все схемы на основе тиристорных регуляторов переменного напряжения содержат сварочный трансформатор, в связи с чем их можно разделить на две группы: с выпрямителем на вторичной стороне сварочного трансформатора и без выпрямителя.

Формирователи импульсов тока для контактной сварки
Схема ФИТКС на основе тиристорного регулятора напряжения:
ТК — тиристорный коммутатор; СУ— система управления; Т — трансформатор; Н — нагрузка


Схемы формирователей импульсов на основе выпрямителей по управляемости процессом формирования можно разделить на управляемые и неуправляемые.

Формирователи импульсов тока для контактной сварки
Схема ФИТ на основе выпрямителя:
КП — коммутатор полярности; УВ — управляемый выпрямитель


Схемы ФИТКС на основе тиристорных регуляторов переменного напряжения и схемы на основе управляемых выпрямителей по способу управления можно разделить на следующие типы: с фазовым управлением (изменением угла отпирания тиристоров); с амплитудным управлением (изменением коэффициента трансформации сварочного трансформатора); с комбинированным (амплитудно-фазовым) управлением.

ФИТКС с аккумулированием энергии по типу системы накопления энергии можно разделить на группы с емкостными, электрохимическими, индуктивными, электромеханическими и комбинированными накопителями.

Для ФИТКС с аккумулированием энергии различают следующие схемотехнические решения силовой части: схемы на основе тиристорно-конденсаторных структур, на основе инверторных преобразователей и на основе транзисторных регуляторов.

Схемы формирователей импульсов с аккумулированием энергии на основе тиристорно-конденсаторных структур можно, в свою очередь, разделить по количеству разряжающихся независимо друг от друга энергонакопительных конденсаторов (с одним или несколькими энергонакопителями); по управляемости формой импульса в процессе его формирования (управляемые и неуправляемые); по наличию сварочного трансформатора (трансформаторные и бестрансформаторные); по наличию выпрями-теля на вторичной стороне (с выпрямителем и без выпрямителя).

Формирователи импульсов тока для контактной сварки
Схема ФИТКС с аккумулированием энергии:
ЗУ - зарядное устройство; РТ - разрядный тиристор


ФИТКС на основе инверторных преобразователей могут быть построены как по схеме с прямым преобразованием энергии питающей сети, так и по схеме с аккумулированием энергии.

Формирователи импульсов тока для контактной сварки
Схемы ФИТКС на основе инверторных преобразователей (И):
а — с прямым преобразованием энергии сети; б — с аккумулированием энергии


Далее их можно разделить таким образом:

- по типу применяемых для контактной сварки схем - ФИТКС на основе инверторов напряжения и ФИТКС на основе резонансных инверторов ;

- по модификации схемы инвертора - мостовые, со средней точкой в цепи трансформатора, со средней точкой в цепи питания и комбинированные;

- по наличию сварочного трансформатора - трансформаторные и бестрансформаторные;

- по наличию выпрямителя вторичной стороне - ФИТКС с выпрямителем и ФИТКС без выпрямителя.

ФИТКС на основе транзисторных регуляторов могут быть построены как по схеме с прямым преобразованием энергии питающей сети, так и по схеме с аккумулированием энергии.

Формирователи импульсов тока для контактной сварки
Схемы ФИТКС на основе транзисторных регуляторов (ТР):
а — с прямым преобразованием энергии; б — с аккумулированием энергии


Из этой группы ФИТКС на основе транзисторных регуляторов можно разделить:

- по режиму работы силовых транзисторов - импульсные, активные и комбинированные;

- по наличию сварочного трансформатора - трансформаторные и бестрансформаторные.

Рассмотрение ФИТКС с позиций теории автоматического регулирования позволяет классифицировать их по такому признаку как управляемость процессом формирования на две группы: неуправляемые и управляемые с системами автоматического регулирования. Управляемые формирователи с системами автоматического регулирования всегда выполняются как системы программного регулирования и бывают разомкнутыми, замкнутыми, системами компенсации (регулирование по возмущению) или комбинированными. Формирователи импульсов с замкнутыми системами программного регулирования по характеру внутренних динамических процессов можно разделить на системы непрерывного действия и системы дискретного действия.

В формирователях, представляющих собой разомкнутые системы регулирования, форма сварочных импульсов определяется параметрами элементов разрядного контура, и возможность ее изменения в процессе сварки отсутствует, поэтому нужную форму сварочного импульса и, соответственно, высокое качество соединения удается получить не всегда.

Особое положение в области контактной сварки занимает контактная микросварка, которая обеспечивает соединение миниатюрных деталей малой толщины и малых сечений (от нескольких микрометров до 0,5 мм). Контактная микросварка имеет свои особенности, которые создают дополнительные сложности при разработке технологии сварки и выборе типа формирователя импульсов. Среди таких особенностей выделяют очень малую длительность процесса сварки и существенно возрастающую роль переходных контактных сопротивлений как источников теплоты вследствие увеличения значений и разброса этих сопротивлений. Необходимо отметить, что режимы контактной сварки принято называть мягкими, если длительность сварки tсв>=0,1 с, и жесткими при tсв

Проведем анализ возможных вариантов построения ФИТКС для контактной микросварки.

Сравнивая ФИТКС по виду преобразования энергии, можно сделать вывод, что более предпочтительными для контактной микросварки являются формирователи импульсов с аккумулированием энергии, поскольку в таком случае отсутствуют проблемы электромагнитной совместимости формирователей с питающей сетью, легко обеспечивается накопление нужного количества энергии (ввиду того, что для микросварки необходимо небольшое количество энергии), а также снижается потребляемая из сети мощность. Эффективность использования аккумулятора энергии как средства снижения потребляемой мощности из сети, в частности, для емкостного накопителя, может быть оценена следующим соотношением:

Формирователи импульсов тока для контактной сварки


Обычно время заряда t3 больше времени разряда tp в 100 и более раз. В результате этого может быть достигнуто значительное, иногда до нескольких десятков раз, снижение установленной мощности формирователей с аккумулированием энергии по сравнению с формирователями, позволяющими получать импульсы с теми же параметрами, но с прямым преобразованием энергии питающей сети.

Сравнивая схемотехнические решения формирователей импульсов с аккумулированием энергии, необходимо отметить, что в формирователях на основе тиристорно-конденсаторных структур форма сварочного импульса задается только до начала процесса формирования. Сложный характер изменения контактных сопротивлений при микросварке может приводить к недопустимым отклонениям формы им-пульса и, как следствие, к появлению различных дефектов микросварных соединений, в частности, вып-лесков расплавленного металла.

Менее чувствительными к изменениям контактных сопротивлений являются формирователи, построенные в виде замкнутых систем регулирования с обратными связями, на основе инверторных схем и транзисторных регуляторов. Однако быстродействие таких формирователей при импульсном характере процесса регулирования ограничено присутствием в контуре обратной связи фильтрующих элементов, существенно снижающих быстродействие, а также отрицательно влияющих на устойчивость системы в целом. Сложный нелинейный характер нагрузки формирователя в сочетании со специальными законами изменения импульсов накладывает специфические требования на динамические характеристики формирователя, которые не всегда удается обеспечить.

Рассмотренных выше недостатков лишены формирователи на основе транзисторных. Непрерывный режим работы транзисторов, осуществляющих регулирование сварочного тока, позволяет достигать наилучших показателей точности и быстродействия и получать сварные соединения малогабаритных деталей высокого качества. Кроме того, для таких схем возможно исключение электрически инерционного, громоздкого и нетехнологичного в производстве сварочного трансформатора, благодаря чему достигается значительное повышение точности отработки формы сварочного импульса. Следует отметить, что вопросы, связанные с низким КПД формирователей, работающих в активном режиме, неактуальны при относительно небольших мощностях импульсов микросварки.

Последние достижения в области производства полупроводниковых приборов и микросхемотехники привели к обновлению элементной базы силовой электроники, появлению мощных полностью управляемых полупроводниковых приборов, однокристальных микроконтроллеров, высокочастотных электролитических конденсаторов. Все это, несомненно, способствует появлению новых решений при проектировании формирователей для контактной микросварки и систем управления ими, а также подтверждает вывод, сделанный с использованием предложенной классификации о том, что наиболее перспективными для контактной микросварки являются бестрансформаторные формирователи импульсов с аккумулированием энергии на основе транзисторных регуляторов, работающих в активном режиме.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Ю. Э. ПАЭРАНД, Ю. В. БОНДАРЕНКО, А. Ф. БОНДАРЕНКО


Кроме статьи "Формирователи импульсов тока для контактной сварки" смотрите также:

Источники питания сварочной дуги
Как сделать сварочный инвертор своими руками
Простой регулятор сварочного тока
Инверторная сварка своими руками
Использование сварочного дросселя

  Просмотров: 1092,   Комментариев: 0    

Добавление комментария

Через вконтакте:

Через сайт nanolife.info:

Ваше Имя:  Ваш E-Mail: 
Полужирный Наклонный текст Подчеркнутый текст Зачеркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Вставка ссылкиВставка защищенной ссылки Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера
Вопрос:   Сколько будет двaдцaть плюс сто (ответ можно написать цифрами)? Ответ:   

Опрос

Какой сваркой вы чаще пользуетесь?

Другой вид сварки
Дуговая сварка
Плазменная сварка
Газовая сварка
Лазерная сварка
Электрошлаковая сварка

 

Популярное

Неисправности сварочных инверторов чаще всего вызваны либо неграмотной, либо небрежной эксплуатацией, поскольку это достаточно надежные аппараты ...

Подробнее...

Большинство современных сварочных аппаратов имеют в своей конструкции блок выпрямительных диодов, что, в свою очередь, обеспечивает ...

Подробнее...

Плавящийся электрод для ручной ...

Подробнее...

Заболевание, вызванное действием вредных условий труда, классифицируется как профессиональное заболевание. Профессиональное отравление также относятся к профессиональным ...

Подробнее...

Графики, поясняющие процесс сварки постоянным током (б) ...

Подробнее...