СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА КОНТАКТНОЙ СВАРКИ Российский патент 2011 года по МПК B23K11/24 

Изобретение относится к области контактной сварки и может быть использовано для автоматического контроля и управления машинами контактной точечной сварки.

При контактной сварке сварное ядро точки формируется под влиянием ряда возмущающих факторов, которые отрицательно сказываются на стабильности качества: шунтирование сварочного тока, износ сварочных электродов, варьирование свойств поверхности свариваемых деталей, колебания напряжения в питающей сети; износ сварочного контура; внесение в контур ферромагнитных масс. Для компенсации этих возмущений в основном используются стабилизирующие системы автоматического управления, обеспечивающие поддержание одного из параметров (ток сварки I_св, энергия в сварочном промежутке Q_ээ, падение напряжения на электродах U_ээ) около заданного значения. При этом широкое применение получили системы стабилизации, в которых об изменении контролируемой величины судят по результатам измерения косвенного параметра, одним из которых является коэффициент мощности сварки cosφ при заданном угле α включения тиристоров.

Известен способ автоматического регулирования тепловыделения при контактной точечной сварке [Патент РФ №2311273, кл. В23К 11/24, 2007], предусматривающий в каждом периоде сварочного тока определение коэффициента мощности cosφ и значения величины тепловыделения на участке «электрод-электрод» q_i, в случае отклонения этого значения от заданного тепловыделения q принятие решения на корректировку угла α_i+1 открытия тиристоров в следующем периоде, при этом

угол α_i+1 определяют по формуле

,

где а₀ и a₁ -коэффициенты, определяемые эмпирически исходя из величины cosφ;

α_i - угол открытия тиристоров в текущем периоде.

Этот способ позволяет стабилизировать в условиях действия различных возмущений количество энергии, выделяемой в сварочном промежутке за период, однако не учитывает при расчетах возможные колебания напряжения сети, а также предполагает использование математической формулы, содержащей знаки умножения, деления и квадратного корня, что усложняет систему управления сваркой.

Известен способ автоматической компенсации напряжения при цифровом управлении сваркой [Патент США №4289948, кл. В23К 11/24, 1981], который предусматривает в процессе сварки измерение отрезка времени в промежутке между окончанием положительного полупериода и началом отрицательного полупериода сварочного тока, вычисление коэффициента мощности cosφ и с учетом измеренного напряжения сети регулирование угла α включения сварочных тиристоров в следующем периоде по эмпирическим регулировочным характеристикам, реализованным в виде управляющей программы микропроцессорного контроллера.

Этот способ позволяет стабилизировать действующее значение сварочного тока в условиях действия различных возмущений, однако требует достаточно сложного аппаратного и программного обеспечения, необходимого для реализации предложенных вычислительных алгоритмов. Кроме того, в этом способе не производится численного определения величины сварочного тока, что усложняет работу с системой и снижает применимость способа.

Наиболее близким к изобретению по техническому решению является способ управлением сварочным током при контактной точечной сварке на однофазных машинах [Авторское свидетельство СССР №1611642, кл. В23К 11/24, 1990], заключающийся в определении угла включения тиристоров сварочной машины в соответствии с выражением

,

где N - величина нагрева, равная отношению заданного сварочного тока к полнофазному току на данной нагрузке;

U_с и U_оп - измеренное и опорное (минимально допустимое) напряжение сети;

b₀ и b₁ - параметры регулировочной характеристики, определяемые по величине углов включения и проводимости сварочных тиристоров, при котором в каждый момент времени определяют коэффициент мощности cosφ, а значение величины нагрева рассчитывают по формуле

,

где N_э - заданная величина нагрева для эталонной детали, определяемая заранее при сварке в условиях отсутствия возмущающих факторов;

cosφ_э, cosφ - коэффициенты мощности для эталонной детали и реального процесса соответственно.

Использование данного способа позволяет повысить качество сварки за счет расчета параметров фазной регулировки с учетом влияния возмущений, которое оцениваются по изменению напряжения питающей сети и значения коэффициента мощности cosφ. Однако данный способ позволят судить лишь об относительном изменении сварочного тока и не дает возможности измерять и стабилизировать сварочный ток непосредственно в численном виде. В процессе сварки изменение полного сопротивления Z сварочной цепи приводит к изменению величины полнофазного тока, а следовательно, стабилизация величины N будет приводить к некоторой погрешности регулирования величины действующего значения сварочного тока. Эта погрешность будет увеличиваться на машинах с малым сопротивлением Z сварочного контура. К тому же осуществление способа требует проведения комплекса вычислений, что усложняет систему управления сваркой.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в упрощении систем автоматического управления и повышении точности регулирования контактной точечной сварки в условиях различных возмущений за счет стабилизации сварочного тока с использованием в качестве параметров обратной связи коэффициента мощности сварки cosφ и напряжения питающей сети U_c.

Поставленная задача достигается тем, что в способе стабилизации тока контактной сварки, предусматривающем измерение в каждом периоде коэффициента мощности cosφ и принятие решения о корректировке угла φ_j+1 включения тиристоров в следующем периоде, перед началом сварки определяют напряжение питающей сети U_c, коэффициент трансформации на выбранной ступени К_m и индуктивное сопротивление Х_2к контактной сварочной машины в режиме короткого замыкания, а значение α_j+1 на интервале U_н±ΔU, где U_н и ΔU - номинальное напряжение сети и его допускаемое отклонение, определяют по формуле

где А₀ и А₁ - коэффициенты, зависящие от cosφ, которые определяют как коэффициенты линейного двучлена наилучшего равномерного приближения в соответствии с формулами

где α' и α'' - задают для значений

как результат решения относительно α уравнения

где I₂ - заданное значение сварочного тока;

k_i - коэффициент регулирования сварочного тока, зависящий от значений α и cosφ, который определяют по формуле [Орлов Б.Д. Технология и оборудование контактной сварки. / Б.Д.Орлов, А.А.Чакалев, Ю.В.Дмитриев [и др.]. - М.: Машиностроение, 1986. - С.235]

где λ - длительность включенного состояния тиристоров определяют как первый ненулевой корень уравнения

Определение значений α_j+1 в соответствии с формулой (1) позволяет скомпенсировать такие возмущения, как колебание напряжения сети и сопротивления участка «электрод-электрод», и не требует использования значительных вычислительных мощностей.

Расчет значений А₀ и A₁ по формулам (2) и (3) позволяет получить коэффициенты линейного двучлена, аппроксимирующего функцию α_j+1=f(U_c, cosφ) на отрезке U_c∈[U_н-ΔU, U_н+ΔU], приняв в качестве узлов интерполяции значения U_c, обеспечивающие минимальную погрешность интерполяции.

Вычисление угла α открытия сварочных тиристоров по формулам (6), (7) и (8) позволяет для известных значений U_c, К_т, Х_2к и cosφ получить сварочный ток, равный заданному, при этом расчеты производят численными методами на ЭВМ, вследствие чего отсутствует погрешность, связанная с применением аппроксимирующих зависимостей. Для конкретного случая сварки можно представить зависимости А₀ и А₁ от cosφ в параметрическом виде как таблицы A₀=p₀(cosφ) и А₁=р₁(cosφ).

Таким образом, задание в каждом периоде угла открытия тиристоров по линейной зависимости от отклонения напряжения сети (U_C-U_H), коэффициенты для которой предварительно рассчитывают на ЭВМ в зависимости от значений cosφ при известных параметрах конкретной сварочной машины, позволяет повысить точность регулирования сварочного тока и упростить аппаратуру управления.

Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых представлены:

на фиг.1 - функциональная схема стабилизации тока при контактной точечной сварке;

на фиг.2 - диаграммы мгновенных значений тока и напряжения при сварке и соответствующие им сигналы микроконтроллера;

на фиг.3 - график зависимости α_j+1 от значения U_c при заданных параметрах контактной машины, величины сварочного тока и коэффициента мощности cosφ.

на фиг.4 - результаты стабилизации сварочного тока при сварке, например, на машине МТПУ-300 листовых заготовок из низкоуглеродистой стали толщиной 1+1 мм.

Способ реализуется на стандартных машинах контактной сварки, работающих от сети переменного тока промышленной частоты и содержащих (фиг.1) тиристорный контактор КТ, обеспечивающий включение в сеть сварочного трансформатора ТС. Цифровой измеритель напряжения 1 предназначен для измерения сетевого напряжения U_c в начале каждого цикла сварки и передачи информации о нем в цифровом виде в микроконтроллер 2. Момент перехода сетевого напряжения через ноль отслеживается детектором полярности 3, передающим в микроконтроллер 2 единичные импульсы, соответствующие переходу напряжения через ноль. Длительность включенного состояния тиристоров измеряется детектором включения тиристоров 4, который передает в микроконтроллер 2 логическую единицу при падении напряжения на тиристорах, сопровождающем их включение. Программатор 5 предназначен для закладывания в память микроконтроллера 2 таблиц значений А₀ и А₁. В процессе сварки на основании данных, полученных от измерителя напряжения 1, детектора полярности 3, детектора включения тиристоров 4 и хранящихся в памяти таблиц значений А₀ и А₁, микроконтроллер 2 вычисляет коэффициент мощности cosφ и принимает решение о корректировке угла α_j+1 включения тиристоров в следующем периоде в соответствии с формулой (1), причем для первого периода угол α задают фиксированным.

Способ стабилизации тока контактной сварки осуществляется следующим образом.

Перед началом сварки задают напряжение питающей сети U_c, коэффициент трансформации на выбранной ступени К_m индуктивное сопротивление Х_2к и требуемое значение сварочного тока 12. Далее с использованием ЭВМ по формулам (2)…(8) для всех возможных cosφ рассчитывают значения А₀ и А₁ и представляют их в виде таблиц A₀=p₀(cosφ) и A₁=p₁(cosφ), которые заносят в память микроконтроллера. В процессе сварки расчет значения угла α_j+1 открытия тиристоров в следующем периоде производят по формуле (1), в которой коэффициенты А₀ и А₁ определяют из соответствующих таблиц на основании установленного для предыдущего периода угла α открытия тиристоров и измеренного коэффициента мощности.

Как известно, вторичный ток при контактной сварке с тиристорным управлением может быть вычислен по формуле

где Z₂ - полное сопротивление контактной машины в режиме сварки, которое может быть выражено через индуктивное сопротивление в режиме короткого замыкания Х_2к

Преобразовав формулу (9) с учетом (10) и выразив из нее значение коэффициента регулирования тока k_i, получим

Решение системы уравнений (7), (8) и (11) позволяет при всех возможных сочетаниях угла α включения тиристоров и длительности λ их включенного состояния в предыдущем периоде для заданного значения U_c получить требуемый угол α_j+1, включение тиристоров с которым в следующем периоде позволит получить требуемое значение сварочного тока I₂. Зависимость a_j+1=f(U_c, cosφ) от значения U_c при заданных параметрах контактной машины, величине сварочного тока I₂ и коэффициенте мощности cosφ может быть представлена в виде графика (фиг.3), который аппроксимируется линейной функцией (1), с узлами интерполяции, с целью получения многочлена наилучшего равномерного приближения, определяемыми в соответствии с формулой [Амосов А.А. Вычислительные методы для инженеров: Учебное пособие. / А.А.Амосов, Ю.А.Дубинский, Н.В.Копченова. - М.: Издательство МЭИ, 2003. - С.347-348]:

где а и b - границы отрезка интерполяции [а, b];

k - номер узла интерполяции (k=0 и 1);

n - максимальный номер узла интерполяции (n=2).

Для отрезка U_c∈[U_y-ΔU, U_н+ΔU] по формуле (12) в качестве узлов интерполяции могут быть выбраны точки с абсциссами и , ординаты которых рассчитывают в соответствии с (11), а коэффициенты А₀ и А₁ определяют по формулам (2) и (3).

Пример. При сварке на контактной сварочной машине типа МТПУ-300 на основании проведенных измерений были введены в регулятор следующие значения: индуктивное сопротивление в режиме короткого замыкания X_2к=240 мкОм, коэффициент трансформации на VII ступени К_т=100, на основании которых по формулам (2)…(8) были рассчитаны таблицы A₀=p₀(cosφ) и A₁=p₁(cosφ), по которым производилась стабилизация сварочного тока около заданного значения I₂=10 кА. Производилась сварка листовых заготовок из низкоуглеродистой стали толщиной 1+1 мм. Результаты измерений сварочного тока для сетевого напряжения U_с=380 В (фиг.4а) и U_с=350 В (фиг.46) позволяют сделать вывод, что предлагаемый способ обеспечивает стабилизацию сварочного тока около заданного значения (отклонение тока составило не более 10%).

Таким образом, предложенный способ стабилизации тока контактной сварки позволяет простыми аппаратными средствами стабилизировать сварочный ток около заданного значения в условиях действия различных возмущений.

Изобретение относится к способу стабилизации тока контактной сварки И может быть использовано в машинах для контактной точечной сварки. Перед началом сварки определяют напряжение питающей сети U_c, коэффициент трансформации на данной ступени K_m и индуктивное сопротивление Х_2к в режиме короткого замыкания. В процессе сварки измеряют в каждом периоде коэффициент мощности cosφ и принимают решение о корректировке угла α_j+1 включения тиристоров в следующем периоде на интервале U_н±ΔU, где U_н и ΔU - номинальное напряжение сети и его допускаемое отклонение, по формуле a_j+1=A₁·(U_c-U_н)+A₀, где А₀ и А₁ - коэффициенты, зависящие от cosφ, которые определяют как коэффициенты линейного двучлена наилучшего равномерного приближения в соответствии с формулами и A₀=α', где α' и α'' - задают для значений и как результат решения относительно α уравнения , где I₂ - заданное значение сварочного тока; k_i - коэффициент регулирования сварочного тока, который зависит от значений α и cosφ. Технический результат заключается в упрощении системы автоматического управления и повышении точности регулирования контактной точечной сварки в условиях действия различных возмущений за счет стабилизации сварочного тока. 4 ил.

Способ стабилизации тока контактной сварки, включающий перед началом сварки определение напряжения питающей сети U_c, коэффициента трансформации на данной ступени К_т и индуктивного сопротивления Х_2k в режиме короткого замыкания, а в процессе сварки измерение в каждом периоде коэффициента мощности cosφ и принятие решения о корректировке угла α_j+1 включения тиристоров в следующем периоде, отличающийся тем, что значение α_j+1 на интервале U_н±ΔU, где U_н и ΔU - номинальное напряжение сети и его допускаемое отклонение, определяют по формуле
α_j+1=A₁·(U_c-U_н)+A₀,
где А₀ и A₁ - коэффициенты, зависящие от cosφ, которые определяют как коэффициенты линейного двучлена наилучшего равномерного приближения в соответствии с формулами
и
где α' и α'' - задают для значений и как результат решения относительно α системы уравнений



где I₂ - заданное значение сварочного тока;
k_i - коэффициент регулирования сварочного тока;
λ - длительность включенного состояния тиристоров.