СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПИТАНИЕМ СВАРОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ОДНОФАЗНЫХ КОНТАКТНЫХ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ СВАРКЕ
CONTROL OVER ELECTRIC POWER SUPPLY OF WELDING TRANSFORMER FOR SINGLE-PHASE AC WELDING MACHINES

Настоящее изобретение относится к области сварки, а точнее к способу электрического питания сварочного трансформатора однофазных контактных машин переменного тока.
Уровень техники. Известны различные способы питания сварочного трансформатора контактных стыковых машин, обеспечивающие в большей или меньшей степени равномерное распределение (симметрирование) токов в трех фазах питающей сети.
Известен способ симметрирования однофазной нагрузки, при котором к сварочному трансформатору подключают один или несколько модулей реактивных элементов, собранных по схеме Штейнметца (патент ФРГ №3927437, 1989, H02j 3/26, B23k 11/24, патент РФ №2156532, 1997, H02j 3/26, B23k 11/24).
Недостатком этого способа является то, что он обеспечивает равномерное распределение тока по трем фазам питающей сети только при неизменных параметрах нагрузки. При контактной стыковой сварке оплавлением сопротивление сварочного контакта изменяется в широких пределах - от некоторой минимальной величины до бесконечности. Поэтому достичь симметрии фазных токов проблематично даже при большом количестве модулей реактивных элементов, рассчитанных на различную мощность. Кроме того, установленная мощность силовых реактивных элементов значительно превышает мощность однофазной нагрузки.
Известен способ электрического питания сварочных трансформаторов контактных машин, при котором для равномерной токовой загрузки фаз питающей сети применяют трехфазные выпрямители ("Canadian Welder and Fabrication" - 1989, 80, №9, с.15, 17-19, Butt welding with three-phase DC power).
Недостатки известного способа заключаются в низком к.п.д. машин постоянного тока из-за значительного падения напряжения на диодах (до 30% от номинального напряжения холостого хода) и усложнении конструкции вторичного контура сварочной машины.
Известен способ электрического питания трансформаторов контактных стыковых машин с преобразованием трехфазного тока промышленной частоты в однофазный ток низкой частоты (Н.В. Подола, С.И. Кучук-Яценко, Контактная стыковая сварка токами низкой частоты, «Автоматическая сварка», 1957, №1, с.63-72). Частота тока выбирается из ряда 16, 10 или 5 Гц. Недостатком этого способа является то, что с понижением частоты значительно увеличиваются габариты и масса сварочного трансформатора, что влечет за собой изменение конструкции машины. По этой причине известный способ преобразования частоты и числа фаз не может быть реализован на серийных контактных стыковых машинах, сварочный трансформатор которых рассчитан на промышленную частоту.
Наиболее близким по техническому решению является способ электрического питания сварочного трансформатора однофазных контактных машин переменного тока, при котором для питания сварочного трансформатора, рассчитанного на промышленную частоту (50 Гц), с помощью двух трехфазных управляемых выпрямителей, включенных встречно-параллельно, формируют напряжение пониженной частоты (37,5 Гц), принятый нами в качестве прототипа (патент РФ №2392099 В23к 11/24). При этом каждую полуволну напряжения формируют последовательной коммутацией двух линейных напряжений.
Недостаток известного способа состоит в том, что при коммутации двух линейных напряжений с частотой 37,5 Гц сварочный трансформатор, рассчитанный на 50 Гц, насыщается и ток холостого хода превышает допустимую норму (ГОСТ 297-73 «Машины электросварочные контактные», Технические требования, п.2.13). На Фиг.1 приведены экспериментальные зависимости тока холостого хода от приложенного напряжения различной частоты для однофазной стыковой контактной машины типа К-190П. Из приведенных данных видно, что с понижением частоты источника питания до 37,5 Гц ток холостого хода увеличивается в четыре раза (при номинальном напряжении на номинальной ступени трансформатора). Это вызывает технологические трудности на этапе возбуждении процесса оплавления, так как величина тока холостого хода оказывается соизмеримой с величиной сварочного тока и может превысить его заданную величину. В результате система управления с обратной связью по сварочному току воспринимает значение тока холостого хода как величину, при которой формируется команда на разведение свариваемых деталей. Поэтому этап возбуждения процесса оплавления приходится начинать на пониженном напряжении, что не всегда возможно при сварке изделий с большим поперечным сечением.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Предлагается способ питания сварочного трансформатора однофазных контактных машин переменного тока, при котором сварочный трансформатор, рассчитанный на промышленную частоту, питают напряжением, которое формируют посредством циклической поочередной коммутации линейных напряжений с помощью двух трехфазных управляемых выпрямителей, включенных встречно-параллельно, отличающийся тем, что каждые из линейных напряжений трехфазной питающей сети подключают к сварочному трансформатору на время, равное 2n полупериодов напряжения сети, где n=2,3,4…50, причем подключение каждого последующего линейного напряжения осуществляют до окончания полупериода предыдущего линейного напряжения в той же полярности и эти подключения циклически повторяют.
С увеличением числа n возрастает длительность работы трансформатора на одном линейном напряжении. При n=50 эта длительность составляет 1 с. Соответственно цикличность коммутации линейных напряжений трехфазной питающей сети составит 3 с, что укладывается в допустимый интервал усреднения измерения показателей качества электроэнергии - коэффициентов несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательности (Межгосударственный стандарт. ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»).
С уменьшением числа n уменьшаются длительность работы трансформатора на одном линейном напряжении и, соответственно, перерывы протекания тока в двух других фазах. При n=2 перерывы протекания фазных токов составляют всего 0,03 с, а коммутация линейных напряжений происходит с частотой близкой к 45 Гц. При этом ток холостого хода уменьшается в 2,5 раза по сравнению с прототипом (см. фиг.1).
1
2
1
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Для реализации предложенного способа включение тиристоров трехфазных выпрямителей синхронизируют, например, относительно момента перехода через нуль линейного напряжения А-С (Фиг.2) и далее для формирования импульса одной полярности в момент времени t, который определяется заданным значением напряжения на выходе выпрямителей, подключают к сварочному трансформатору линейное напряжение А-В, а в момент времени t=t+3,3 мс подключают напряжение А-С. На этом формирование полуволны одной полярности коммутацией двух линейных напряжений завершается. Следующий полупериод напряжения начинают в момент времени t с того же линейного напряжения, на котором заканчивали предыдущую полуволну, но используют его противоположную по знаку часть -А+С. Это же линейное напряжение А-С сохраняется в течение третьего полупериода (t-t) и захватывает начало четвертой полуволны (-А+С), где в момент времени t подключается второе линейное напряжение -В+С. На этом формирование полуволны отрицательной полярности коммутацией двух линейных напряжений завершается. Второе линейное напряжение сохраняется следующие два полупериода (t-t-t) и захватывает начало седьмого полупериода до момента времени t, когда подключается третье линейное напряжение В-А. На этом формирование полуволны положительной полярности коммутацией двух линейных напряжений завершается. В моменты времени t и t тиристоры подключают к сварочному трансформатору линейное напряжение -В+А и В-А соответственно. На этом один цикл поочередной коммутации линейных напряжений трехфазной сети заканчивается. Далее описанную последовательность коммутации линейных напряжений в течение цикла (0,1 с) повторяют с частотой 10 Гц.
3
4
1
3
п
Учитывая, что при последовательной коммутации в течение полупериода одного (t…t) и двух (t…t) линейных напряжений длительность полупериодов напряжения, питающего сварочный трансформатор, различна, последний может насытиться. Для исключения магнитного насыщения сердечника трансформатора напряжение в каждом полупериоде коммутации двух линейных напряжений регулируют так (длительностью пауз t), чтобы его интегральное значение за период равнялось нулю.
Устройство, реализующее предложенный способ, показано на фиг.3. Устройство содержит два трехфазных двухполупериодных управляемых выпрямителя 1 и 2, усилитель-распределитель импульсов отпирания тиристоров 3, блок синхронизации 4, одновибратор импульсов 5, датчик тока сварки 6, блок измерения эффективного значения тока 7, датчик напряжения 8, блок измерения среднего значения напряжения 9, процессор 10, запоминающее устройство 11, блок задания напряжения и вывода диагностического сообщения 12. Числом 13 показан сварочный трансформатор. Блоки устройства соединены следующим образом. Входы выпрямителей 1 и 2 соединены с фазными напряжениями питания А, В и С, а выходы - параллельно друг другу, причем положительный выход одного выпрямителя соединен с отрицательным выходом другого выпрямителя, и далее один объединенный выход (через датчик тока сварки 6, выход которого подключен к входу блока измерения эффективного значения тока 7) соединен с одним входом трансформатора 13, а другой объединенный выход - с другим входом трансформатора 13. Входы трансформатора 13 соединены также с входами датчика напряжения 8, выход которого подключен к входу блока измерения среднего значения напряжения 9. Усилитель распределитель 3 выходами подключен к цепям отпирания тиристоров выпрямителей 1 и 2, а входом через одновибратор 5 с выходом процессора 10. К входам последнего подключены выходы блока измерения эффективного значения тока 7, блока измерения среднего значения напряжения 9, запоминающее устройство 11, блок задания напряжения и вывода диагностического сообщения 12 и блок синхронизации 4, вход которого подключен к фазам А и С.
1
1
Устройство работает следующим образом. Процессор 10 работает согласно программе, находящейся в запоминающем устройстве 11. При его включении с блока задания напряжения и вывода диагностического сообщения 12 процессор считывает заданное напряжение, которое должно быть на выходе выпрямителей. По этой величине согласно функциональной зависимости, записанной в запоминающем устройстве 11, процессор 10 вычисляет момент времени t для подключения к сварочному трансформатору линейного напряжения А-В. После поступления импульса синхронизации от блока 4 процессор отсчитывает заданное время t и затем формирует сигнал отпирания тиристоров, подключенных к линейному напряжению А-В в выпрямителе, формирующем положительные полуволны. Этот сигнал попадет на вход одновибратора 5, с выхода которого формируется импульс, совпадающий по фронту с сигналом с выхода процессора 10, и имеет длительность 3,3 мс. Благодаря этому усиленный импульс с выхода усилителя-распределителя 3 подается на управляющие входы соответствующих тиристоров в течение всего времени выполнения условия управляемости этих тиристоров.
1
2
1
5
6
5
9
10
9
13
После отработки времени t процессор отсчитывает время t=t+3,3 мс и при его выполнении формирует импульсы отпирания на управляющие входы тиристоров, которые подключены к линейному напряжению А-С. Далее в течение двух полупериодов включаются только тиристоры, которые подключены к этому линейному напряжению. В следующем полупериоде осуществляется смена линейного напряжения на выходе выпрямителей. Для этого в момент времени t процессор формирует импульсы отпирания на управляющие входы тиристоров, которые подключены к напряжению -А+С, а в момент времени t=t+3,3 мс - на управляющие входы тиристоров, которые подключены к линейному напряжению -В+С. Затем в течение двух полупериодов процессор включает только тиристоры, которые подключены к линейному напряжению В-С и -В+С. При очередной смене линейного напряжения на выходе в момент времени t процессор формирует импульсы отпирания на управляющие входы тиристоров, которые подключены к напряжению В-С, а в момент времени t=t+3,3 мс - на управляющие входы тиристоров, которые подключены к линейному напряжению В-А. Затем в течение двух полупериодов процессор включает только тиристоры, которые подключены к линейному напряжению -В+А и В-А. В момент времени t заканчивается один цикл коммутации линейных напряжений и описанную последовательность подключения линейных напряжений на выходе выпрямителей повторяют.
При смене полярности полуволн напряжения на выходе выпрямителей процессор считывает с выхода блока измерения эффективного тока 7 измеренное значение тока сварки. Если эта величина превосходит максимально допустимую величину, процессор 10 выключает формирование импульсов управления тиристорами и в блок задания напряжения и вывода диагностического сообщения 12 выдается сообщение о недопустимой величине тока в сварочной цепи.
п
При смене линейных напряжений на выходе выпрямителей процессор 10 считывает с выхода блока 9 измеренное среднее значение напряжения на входе сварочного трансформатора. Это значение сравнивается с измеренным средним напряжением в следующей полуволне и по величине рассогласования процессор 10 корректирует длительность времени t при следующей смене линейного напряжения на выходе.
Способ электрического питания сварочного трансформатора контактных машин (при n=2) прошел экспериментальную проверку в лабораторных условиях на однофазной стыковой машине типа К-190П. Сваривали рельсы типа Р65 непрерывным и пульсирующим оплавлением на режимах, принятых на рельсосварочных поездах. Одновременно регистрировали ток в каждой фазе и в первичной обмотке сварочного трансформатора. Было подтверждено, что данный способ позволяет питать от трехфазной сети контактные машины, которые имеют однофазный трансформатор, рассчитанный на промышленную частоту. При этом три фазы питающей сети загружаются равномерно, а фазные токи по сравнению с током нагрузки уменьшаются на 20%.