СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ КОНТАКТНОЙ СВАРОЧНОЙ МАШИНЫ Российский патент 2011 года по МПК B23K11/24 

Изобретение относится к области контактной сварки, в частности к определению коэффициента мощности (cosφ) сварочных машин, и может быть применено при осуществлении автоматического контроля и управления машинами контактной точечной сварки.

Настройка машин контактной сварки на оптимальные режимы, построение нагрузочных характеристик и выбор параметров фазной регулировки требует знания коэффициента мощности сварочной машины, т.е. угла сдвига между мгновенными значениями напряжения и установившегося тока во вторичном контуре при полнофазном включении.

Известен способ определения коэффициента мощности контактной сварочной машины, предусматривающий измерение электрических параметров сварки (сварочного тока I_св, тока короткого замыкания I_кз, сварочного напряжения U_св и напряжения холостого хода U_xx), вычисление коэффициента мощности cosφ по формуле

,

где , [Авторское свидетельство СССР №1743767, кл. В23К 11/24, 1992].

Этот способ не требует специальной аппаратуры и позволяет определить коэффициент мощности сварочной машины путем измерения основных электрических параметров, однако его осуществление предусматривает проведение предварительных измерений во вторичном контуре с использованием измерителей тока и напряжения, что повышает трудоемкость и стоимость способа.

Известен способ измерения коэффициента мощности однофазной контактной сварочной машины, при котором измеряют угол α включения силовых тиристоров и угол λ, в течение которого протекает импульс сварочного тока, и определяют коэффициент мощности сварочной машины по формуле

cosφ=cos(A₀+А₁λ+А₂α+А₃α²),

где постоянные коэффициенты А₀…А₃ определяются численными методами для заданных диапазонов изменения α и λ [Авторское свидетельство СССР №1310149, кл. В23К 11/24, 1987].

Этот способ не предъявляет жестких требований к фиксированному значению угла α включения тиристоров и не требует постоянного запоминающего устройства большой емкости, т.к. необходимо хранение в памяти только коэффициентов А₀…А₃, при этом измерение величины cosφ может производиться непосредственно в процессе сварки. Недостатком способа является то, что он не учитывает особенностей функции cosφ=f(α,λ), которая в общем случае не является линейной и ее аппроксимация при помощи приведенного четырехчлена не позволяет достигать наперед заданной точности вычислений. Так же следует учесть, что измерение величины λ и последующее вычисление cosφ обладает некоторой погрешностью, зависящей от способа измерения λ и точности применяемого оборудования, при этом погрешность измерения величины λ возрастает при увеличении α.

Наиболее близким к изобретению по техническому решению является способ определения коэффициента мощности полнофазного включения тока при контактной точечной сварке однофазным током, заключающийся в определении cosφ от времени Т_λ включения сварочного тока и времени Т_α запаздывания сварочного тока относительно сетевого напряжения с помощью зависимости cosφ=С₀+С₁·(ωТ_λ), где ω - круговая частота сетевого напряжения; С₀ и С₁ - коэффициенты, определяемые в зависимости от ωТ_α как полиномы, степень которых определяется необходимой точностью приближения к действительному значению cosφ [Авторское свидетельство СССР №1281358, кл. В23К 11/24, 1985].

Этот способ, взятый за прототип, позволяет вычислять простыми средствами значения коэффициентов мощности для использования в системах автоматической стабилизации тока, при этом требуемая точность вычисления cosφ может быть получена путем увеличения степени полиномов, определяющих С₀ и С₁. Однако при осуществлении способа не удается уменьшить погрешность, связанную с погрешностью измерения λ, которая существенно возрастает при глубокой фазной регулировке. Так же необходимо учесть, что расширение области возможных значений cosφ приводит к падению точности вычислений по приведенным аппроксимирующим зависимостям.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности определения коэффициента мощности cosφ контактной сварочной машины за счет уменьшения измерительной и вычислительной погрешностей, возникающих при измерении угла λ, в течение которого протекает импульс сварочного тока, и вычислении значения cosφ по аппроксимирующим зависимостям.

Эта задача решается тем, что в способе определения коэффициента мощности контактной сварочной машины, предусматривающем измерение длительности λ включенного состояния тиристоров при заданном угле α их включения и вычисление коэффициента мощности как cosφ=A₀+A₁λ, где коэффициенты A₀ и A₁ задают исходя из условия минимизации погрешности вычисления cosφ, измерения производят в течение двух периодов тока. При этом в первом периоде производят включение тиристоров с углом α₁=90 электрических градусов и вычисление предварительного значения cosφ₁. Далее устанавливают минимальный угол α₂ открытия тиристоров во втором периоде, исходя из условия α₂>φ₁ производят включение тиристоров с выбранным углом α₂ и вычисление уточненного значения cosφ, причем коэффициенты А₀ и А₁ задают дискретно для каждого α.

Измерение коэффициента мощности в течение двух периодов тока позволяет в первом периоде получить предварительное значение cosφ₁ и с учетом этого значения установить оптимальный угол α₂ включения тиристоров во втором периоде, при котором обеспечивается минимальная измерительная погрешность определения cosφ.

Включение в первом периоде тока тиристоров с углом α₁=90 электрических градусов позволяет исключить возможность перехода в режим однополупериодного выпрямления (когда α₁<φ) при всех возможных cosφ и получить при этом приемлемое значение длительности λ₁ их включенного состояния (дальнейшее увеличение α₁ приводит к уменьшению величины λ₁ и, следовательно, точности ее измерения).

Установка минимального угла α₂ открытия тиристоров во втором периоде, исходя из условия α₂>φ₁, позволяет исключить возможность перехода тиристоров в режим однополупериодного выпрямления (когда α₂<φ) и при этом получить максимально возможное значение длительности λ₂ их включенного состояния, измерение которого может быть выполнено с минимальной для выбранного способа погрешностью.

Задание коэффициентов A₁ и А₂ для выражения cosφ=A₀+A₁λ дискретно для каждого α позволяет упростить вычисления по сравнению с существующими аналогами и значительно повысить точность определения cosφ.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлены:

на фиг.1 - устройство, реализующее предлагаемый способ определения cosφ;

на фиг.2 - абсолютные измерительные погрешности Δcosφ, получаемые для Δλ=0,5;

на фиг.3 - длительность λ включенного состояния тиристоров в зависимости от угла α их включения при различных значениях cosφ;

на фиг.4 - относительная погрешность вычисления cosφ по предлагаемому способу;

на фиг.5 - диаграммы мгновенных значений сетевого напряжения u_c и вторичного тока i₂ при реализации предлагаемого способа определения cosφ на контактной машине МТПУ-300.

Способ реализуется на стандартных машинах контактной сварки, работающих от сети переменного тока промышленной частоты и содержащих (фиг.1) микропроцессорный блок управления 1, который на основе заложенного в него через программатор 2 алгоритма определения угла α открытия сварочных тиристоров и полученной от детектора включения тиристоров 3 информации о длительности λ включенного состояния тиристоров производит управление работой тиристорного контактора КТ, подключающего к сети сварочный трансформатор ТС.

Способ определения коэффициента мощности контактной сварочной машины осуществляется следующим образом.

Как известно, коэффициент мощности сварочной машины может быть однозначно определен исходя из измеренной длительности λ включенного состояния тиристоров для заданного угла α их открытия путем решения уравнения

Абсолютная измерительная погрешность Δcosφ может быть определена для заданной погрешности измерения Δλ в зависимости от угла α и коэффициента мощности cosφ как

где λ - результат численного решения (2) относительно λ для заданных значений α и φ;

f(α, λ+Δλ) - значения cosφ как результат численного решения уравнения (1) относительно φ для заданных α и (λ+Δλ).

На области значений cosφ∈[0,1; 0,9] функция cosφ=f(α, λ) может быть аппроксимирована линейной зависимостью вида

где А₀ и А₁ - коэффициенты, задающиеся для каждого α, исходя из минимизации погрешности вычисления cosφ, которые для фиксированных значений α и диапазонов изменения cosφ могут быть определены методом наименьших квадратов по массиву данных cosφ=f(λ), который получают численным решением уравнения (1). Для диапазона изменения коэффициента мощности cosφ∈[0,1; 0,9] и фиксированных значений α расчетные значения коэффициентов А₀ и А₁ приведены в табл.1.

Таблица 1

cosφ [0,1; 0,9] [0,1; 0,3] [0,3; 0,5] [0,5; 0,7] [0,7; 0,9] α, эл. град. 90 90 73 61 46 А₀ -0,873 -0,775 -0,774 -0,757 -0,583 A₁ 2,680 2,394 2,772 2,862 2,533

Из фиг.2 следует, что минимальная измерительная погрешность cosφ достигается при минимальном значении α, величина которого в целях исключения случаев однополупериодного выпрямления должна быть α>φ.

Из фиг.3 следует, что максимально возможное значение λ и, следовательно, минимальная погрешность его измерения могут быть получены при минимально допустимом угле α включения тиристоров при заданных значениях cosφ, который для cosφ=0,3; 0,5; 0,7; 0,9 составляет α=73; 60; 46 и 26 электрических градусов соответственно.

В первом периоде тока производят включение тиристоров с углом α₁=90 электрических градусов, измерение длительности λ₁ их включенного состояния и вычисление предварительного значения cosφ₁ согласно (3), где коэффициенты А₀ и A₁ принимают исходя из условия минимизации погрешности вычисления для cosφ∈[0,1; 0,9] и закладывают в микропроцессорный блок через программатор. На основании предварительного значения cosφ₁ с соблюдением условия α₂>φ₁ устанавливают угол α₂ как наименьший из фиксированных значений, заложенных в память микропроцессорного блока через программатор, и производят включение тиристоров с выбранным углом α₂. В ходе протекания второго периода тока производят измерение длительности λ₂ включенного состояния тиристоров и вычисление уточненного значения cosφ согласно (3), где коэффициенты А₀ и А₁ задают дискретно для каждого α₂, исходя из условия минимизации погрешности вычисления cosφ, и закладывают в микропроцессорный блок через программатор.

Относительная погрешность вычисления cosφ по предлагаемому способу обычно составляет не более 1,5% (фиг.4), таким образом, точность вычислений существенно выше, чем у аналогов.

Пример. Производили определение коэффициента мощности контактной сварочной машины МТПУ-300 в режиме короткого замыкания. При включении тиристорного контактора с предварительным углом α₁=90 электрических градусов измеренное значение длительности включения тиристоров составило λ₁=139 электрических градусов (фиг.5). Вычисленное согласно (3), где для области cosφ∈[0,1; 0,9] в соответствии с табл.1 были приняты значения коэффициентов А₀=-0,873 и A₁=2,680, предварительное значение коэффициента мощности составило cosφ₁=0,562, что позволило выбрать из табл.1 наименьший угол включения тиристоров во втором периоде тока α₂=61 электрических градусов, удовлетворяющий условию α₂>φ₁. При включении тиристорного контактора с углом α₂=61 электрических градусов измеренное значение длительности включения тиристоров составило λ₂=174 электрических градуса. Вычисленное согласно (3), где для области cosφ∈[0,5; 0,7] в соответствии с табл.1 были приняты значения коэффициентов А₀=-0,757 и A₁=2,862, уточненное значение коэффициента мощности составило cosφ=0,563. В то же время решение численными методами уравнения (1) для полученных значений α₂ и λ₂ позволяет получить точное значение коэффициента мощности, равное cosφ=0,570, на основании чего можно сделать вывод о том, что погрешность определения cosφ в приведенном примере составила 1,2%.

Таким образом, предложенный способ определения коэффициента мощности контактной сварочной машины позволяет вычислять простыми средствами значения коэффициентов мощности и уменьшить измерительную и вычислительную погрешности.

Изобретение может быть использовано для осуществления автоматического контроля и управления машинами контактной точечной сварки. Измеряют длительность λ включенного состояния тиристоров при заданном угле α их включения. Вычисление коэффициента мощности cosφ сварочной машины производят в течение двух периодов тока с использованием зависимости cosφ=A₀+A₁λ₂. Коэффициенты А₀ и A₁ задают дискретно для каждого α, исходя из условия минимизации погрешности вычисления cosφ. В первом периоде производят включение тиристоров с углом α₁=90 электрических градусов и вычисление предварительного значения cosφ₁. Во втором периоде производят включение тиристоров с минимальным углом α₂, удовлетворяющим условию α₂>φ₁, и вычисление уточненного значения cosφ. Использование изобретения позволяет вычислять простыми средствами значения коэффициентов мощности и уменьшить измерительную и вычислительную погрешности. 5 ил., 1 табл.

Способ определения коэффициента мощности контактной сварочной машины, предусматривающий измерение длительности λ включенного состояния тиристоров при заданном угле α их включения и вычисление коэффициента мощности как cosφ=A₀+A₁λ, где коэффициенты А₀ и A₁ задают, исходя из условия минимизации погрешности вычисления cosφ, отличающийся тем, что измерения производят в течение двух периодов тока, при этом в первом периоде производят включение тиристоров с углом α₁=90 электрических градусов и вычисление предварительного значения cosφ₁, во втором периоде производят включение тиристоров с минимальным углом α₂, удовлетворяющим условию α₂>φ₁, и вычисление уточненного значения cosφ, причем коэффициенты А₀ и A₁ задают дискретно для каждого α.