Моделирование электрических схем маломощных сварочных выпрямителей

Рис. 6. Образцы изолированной фторопластом проволоки

Прочность соединения оценивали по усилию разрушения, отнесенную к усилию разрушения образца пленки, определяя ее в долях единицы от усилия разрушения сплошной пленки. Усилие разрушения основного материала лент из фторопласта-4 составило 13,2 Н, а пленок из фторопласта-4Д - 4,4 Н.

Результаты проведенных экспериментов (рис. 3, 4 и 5) показывают, что образцы, сваренные и подвергнутые испытанию на расслаивание, вне зависимости от примененных режимов сварки, показали достаточно низкое усилие расслаивания. Объясняется это явление тем, что при сварке пленочного фторопласта по границам контактирования соединяемых поверхностей, не образуется, так называемой, сварочной гусеницы, то есть расплава полимера при кристаллизации образующего грат. Именно он при сварке полимеров, способных к образованию расплава (полиэтилен, плавкие марки фторопластов) определяет прочность соединений пленочных материалов [2]. В результате сварные соединения при сравнительно малых усилиях последовательно отслаиваются друг от друга.

При испытании образцов на сдвиг, прочность соединения, в зависимость от выбранных режимов сварки менялась от 50 до 100 % от прочности основного материала.

После определения оптимальных параметров режимов сварки, были выполнены пробные сварки ленты из указанных материалов длиной по 30 метров, со сварными швами через каждые 1,5 метра. Далее, на одном из предприятий кабельной промышленности в производственных условиях были выполнены операции по нанесению лент на проволоку путем ее намотки, с последующей термообработкой для образования сплошного слоя изоляции (рис. 6). Результаты испытаний показали, что все сварные соединения выдержали усилие натяжения при операции намотки и последующей термообработки.

Таким образом, результаты выполненных исследований могут быть рекомендованы к применению на предприятиях кабельной промышленности.

Библиографический список

1. Сварка полимерных материалов [Текст] : справочник / К. И. Зайцев [и др.] ; под общ. ред. К. И. Зайцева, Л. Н. Ма-цюк. — М. : Машиностроение, 1988. — 312с. — КВЫ 5-21700312-Х.

2. Волков, С. С. Сварка и склеивание полимерных материалов : учеб. пособие для вузов [Текст] / С. С. Волков. — М. : Химия, 2001. — 376 с.

СОКОЛОВ Валерий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» ОмГТУ.

ШЕСТЕЛЬ Леонид Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства» ОмГТУ.

ВОЛКОВ Станислав Степанович, кандидат технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры МТ-7 «Сварка и контроль» МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 24.06.2011 г.

© В. А. Соколов, Л. А. Шестель, С. С. Волков

УДК 621.791.75:621.311.6 В. Ф. МУХИН

Е. Н. ЕРЁМИН

Омский государственный технический университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ МАЛОМОЩНЫХ СВАРОЧНЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ_____________________________________________

Рассмотрена возможность моделирования программой ЬТ5Р!СЕ!У {5^^СА0Ш) схем сварочных выпрямителей, а также изменение параметров режима при переносе капли во время сварки.

Ключевые слова: дуговая сварка, сварочный выпрямитель, моделирование электрических схем, осциллограммы, короткое замыкание, перенос капель.

Экспериментальные исследования, направленные на повышение эффективности дуговой сварки, увеличение устойчивости сварочной дуги с плавящимся электродом и управляемости процесса переноса электродного металла достаточно трудоемки и связаны

со значительными материальными затратами. В связи с ограниченными возможностями широкого варьирования конструкций трансформаторов, дросселей, схем управления и других элементов выпрямителя, авторы различных разработок анализируют, как

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

правило, несколько вариантов, выбранных по предположениям, интуиции или руководствуясь случайными наблюдениями. Исходя из этого, наиболее эффективным методом является моделирование и исследование полученных моделей после проверки их адекватности реальным процессам [1]. Создание общей физико-математической модели процесса горения дуги и переноса электродного металла в виде системы уравнений, полностью связанных со всеми электрическими параметрами цепи выпрямителя и входящими в его схему управляемых электронных устройств достаточно сложно и ограничено неизбежными допущениями и ограничениями.

С другой стороны, согласно [2], возможно моделирование электрических схем для несложного сварочного источника питания с помощью программы

БШСЛЭШ [3]. Программа SwitchCad предназначена для анализа процессов, происходящих в импульсных источниках питания, не имея в виду процессы сварки. Исходя из этого, в настоящей работе исследуется, насколько достоверными являются результаты такого моделирования путем сравнения с осциллограммами, снятыми с реальных схем сварочных выпрямителей.

При трансформаторе с нормальным рассеянием (близкая к жесткой внешняя характеристика), моделируя его синусоидальным источником и включив в исследуемую программой силовую схему маломощного однофазного сварочного выпрямителя [4, 5] элементы с реально измеренными параметрами при нагрузке балластным сопротивлением, получаем осциллограммы практически идентичные реальным,

Рис. 1. Осциллограммы тока через конденсатор дополнительного источника и напряжения в точках схемы 1 - 2 ^N006^003) в модели и реальной схеме

Рис. 2. Моделирование тиристора в БшСАБ III

*

Рис. 3. Схема источника и осциллограмма тока через «дугу» при сдвигах импульсов управления 1, 2, 3 и 4 мс.

Определение минимального тока при сдвиге импульсов управления 4 мс - точка 1

снятым с опытного источника светолучевым осциллографом (рис. 1).

При сварке напряжение на дуге слабо зависит от тока, поэтому можно считать, что выпрямитель работает на встречную ЭДС, соответствующую линии установившихся режимов и = 20 + 0,04 I для сварки штучными электродами и И = 14 + 0,05 I — для сварки в среде углекислого газа. Таким образом, моделируя сварку, вместо балластного сопротивления можно включить встречную ЭДС, соответствующую способу сварки.

Для случая управляемого выпрямителя тиристоры в Б’мСАБ III моделируются двумя транзисторами (рис. 2). Для реализации этой схемы достаточно обозначить на схеме тиристор из диалогового окна Бе-

lect Component Symbol и указать SPICE директиву на поле схемы. В качестве схемы управления тиристорами используем источники импульсного напряжения, сдвинутые соответственно на 180 градусов (10 мс) относительно друг друга. Таким образом, имеется возможность смоделировать схему тиристорного выпрямителя с дополнительным источником и при изменении угла управления тиристоров (рис. 3) определить минимальный ток в дуге для сравнения его с допустимым.

При плавлении электрода горящей дугой напряжение дуги не имеет четкой формы, как при постоянной нагрузке модели. Однако из сравнения осциллограммы реального процесса сварки от однофазного выпрямителя с осциллограммой его модели следует,

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

Рис. 4. Осциллограммы нагрузки «дугой» модели и реальная сварки этим выпрямителем, покрытым электродом

;то<іеі МУЭШГ 51ПЦРоп= 006 йо»=.5 У»=5 УИ=0)

220А- ША~ 140А-

60А-

20У- 16У- 12У- 8У- 4У- 0У-

/I \ЛЛ ЛА... А ГУ

V V

— —

Оте 40 те 80 те 120 те

Рис. 5. Модель источника для сварки в СО2 с короткими замыканиями дугового промежутка и осциллограммы тока и напряжения дуги в модели и при сварке от этого источника

Рис. 6. Схема моделирования короткого замыкания с помощью электронного ключа: ИП - исследуемый источник питания; RS - стандартный шунт;

Ш и R2 - балластные сопротивления; э.кл. - электронный ключ; эл.осц. - двухлучевой электронный осциллограф

Рис. 7. Модель схемы выпрямителя ВД306С1

что средние значения тока и напряжения практически равны и численные соотношения максимумов и минимумов пульсаций напряжения и тока также соответствуют друг другу (рис. 4).

Сварку с периодическими короткими замыканиями, связанными с переносом электродного металла, можно смоделировать включением управляемого напряжением переключателя. Сравнение осциллограмм такой модели и реальной сварки показывает близкие изменения по току, но изменения напряжения модели при нагрузке «дугой» имеет существенные различия по форме, так как не отражают физические процессы, проходящие при возбуждении дуги после короткого замыкания (рис. 5).

При переносе электродного металла короткими замыканиями во время сварки скорость нарастания и спада тока короткого замыкания, характер пульсаций влияют на экономические показатели процесса сварки от используемого источника питания. Так как электрические параметры короткого замыкания при переносе электродного металла во время сварки штучными электродами определяются теплофизическими характеристиками металла электрода, покрытия, атмосферы дуги и колебаниями её длины, то электрические процессы не имеют строго постоянных значений за время сварки и анализировать их можно лишь по записанным осциллограммам, усредняя полученные результаты измерений. Упростить процесс анализа работы сварочного источника питания, применяя электронные осциллографы для периодических процессов, можно, моделируя процесс короткого замыкания с помощью электронных ключей. Использование мощных современных элект-

ронных приборов тиристоров или транзисторов дает возможность смоделировать процесс короткого замыкания с постоянными параметрами и периодичностью (рис. 6). На схеме балластный реостат Я1 обеспечивает заданный режим сварки, а Я2 моделирует сопротивление, соответствующее сопротивлению жидкого металла, замыкающего дуговой промежуток. Электронный ключ «э.кл.» с помощью схемы управления с заданной частотой переключает источник питания с Я2 на Я1, задавая режим короткого замыкания. Длительность короткого замыкания выбирается как наиболее вероятная на основании анализа литературных данных или исходя из предварительных экспериментов. Процесс таким образом можно наблюдать на экране электронного осциллографа, производя необходимые измерения электрических параметров.

Эксперименты с вышеописанной схемой проводились с использованием промышленного выпрямителя ВД306С1 и его модели в SwCAD III (рис. 7). Моделирование трехфазных выпрямителей в SwCAD III представляет определенную сложность. В данном случае для упрощения модели вторичные обмотки трехфазного трансформатора ВД306С1 моделировались источниками синусоидального напряжения, сдвинутыми на 120 градусов. Модель не учитывает всех процессов, связанных с реальной картиной рассеяния магнитных потоков при изменении расстояния между обмотками выпрямителя. Назначение постоянной расчетной индуктивности рассеяния согласно [6] дает линейно падающую внешнюю характеристику для схемы модели выпрямителя. Реальная внешняя характеристика выпрямителя не лине-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

15V-10V-5V-0V 0 ms

20 ms

а)

б)

в)

Рис. 8. Осциллограммы тока и напряжения при неизменном среднем токе: моделирование в Б-СЛО III

йна, имеет более сложную форму и в диапазоне малых токов, в котором производился эксперимент, отличается по току на некоторых участках от модели на величину до 15 %.

Результаты экспериментов (рис. 8) показывают, что осциллограммы процесса сварки при том же среднем токе отличаются от моделей изменением напряжения. Это связано с тем, что в моделях не учитывается повышение напряжения при коротком замыкании из-за увеличения сопротивления жидкого металла при нагреве его проходящим током в отсутствие дуги, а также не могут быть отражены реальные процессы возбуждения дуги с образованием приэлектронных падений напряжений и столба дуги. Эти процессы не могут быть выявлены при постоянной нагрузке в модели, однако изменение тока по форме и величине достоверно отражает электрические процессы, происходящие при питании дуги от конкретного источника питания.

Таким образом, моделирование вышеописанными способами не требует составления системы весьма приближенных уравнений процессов при сварке. Это может существенно облегчить решение задач по выбору оптимальных параметров схемы сварочного источника питания и улучшить технико-экономические показатели маломощных выпрямителей, выпускаемых в том числе и малыми предприятиями региона. Кроме этого, моделирование коротких замыканий с помощью электронного ключа может обеспечить аргументированную объективную оценку эксплуатируемых сварочных источников питания при их аттестации.

Библиографический список

1. Гецкин, О. Б. Моделирование процесса переноса элект-

родного металла при сварке с короткими замыканиями / О.Б. Гецкин, В.А. Ерофеев, С.И. Полосков // Свароч. пр-во. — 2009. - № 2. - С. 16-21.

2. Володин В. Я. Современные сварочные аппараты своими руками / В. Я. Володин — СПб. : Наука и техника, 2008. — 304 с.

3. SWCADIII [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://www.linear.ru/index.htm (дата обращения: 15.02.2010).

4. Косович, В. А. Анализ электрических схем однофазных

сварочных выпрямителей / В. А. Косович, И. Е. Лапин, В. С. Седых // Свароч. пр-во. — 1995. — № 1. — С. 28 — 30.

5. Mukhin V. F., Eremin E. N. A single-phase rectifier with a relay feedback // Welding International, vol.22, N8, August 2008, 541 — 543 с.

6. Патон, Б. Е. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки / Б. Е. Патон, В. К. Лебедев. — М. : Машиностроение, 1966. — 360 с.

МУХИН Василий Фёдорович, кандидат технических наук, доцент (Россия). Доцент кафедры «Оборудование и технология сварочного производства». ЕРЁМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), директор Машиностроительного института, заведующий кафедрой «Оборудование и технология сварочного производства».

Адрес для переписки: e-mail: fm2009@jandex.ru

Статья поступила в редакцию 04.05.2011 г.

© В. Ф. Мухин, Е. Н. Ерёмин