СИСТЕМА ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЛЕКСА КОНТАКТНОЙ СВАРКИ И ТЕРМООБРАБОТКИ ПЕРЕДВИЖНЫХ РЕЛЬСОСВАРОЧНЫХ МАШИН

Полезная модель относится к электротехнике, и может быть использована для повышения энергетической эффективности применения контактной сварки с последующей термообработкой.
Широкое использование технологии контактной сварки рельсовых плетей обусловлено высокой производительностью и значительным снижением трудозатрат. Одним из основных недостатков контактной сварки оплавлением являются низкие физико-механические характеристики сварного стыка, особенно при низких температурах. Основным методом устранения этого недостатка является последующая термическая обработка зоны сварного стыка. В связи с этим передвижные рельсосварочные машины, как правило, представляют собой комплексы, состоящие из машины контактной сварки (КСМ) и установки индукционного нагрева, осуществляющей финальную термообработку зоны термического влияния сварки (см. патент РФ №2272859). Общим фактором, объединяющим технологические операции сварки и термообработки, является однофазное потребление энергии нагрузкой, причем ток, потребляемый КСМ из сети может достигать величин в диапазоне от 1,0 до 2,0 кА при напряжении на ее входе 400 V.
В связи с этим при питании от трехфазной сети, и особенно от источника ограниченной мощности (например, от дизель-генераторной установки), независимо от частоты рабочего тока нагрузки, системы эффективного энергообеспечения этих технологических операций имеют, как правило, общую структуру, выполненную на базе преобразователя трехфазного напряжения в однофазное с промежуточным звеном постоянного тока. Использование такого технического решения при реализации этого технологического процесса позволяет обеспечить симметричное потребление энергии от трехфазной сети, снизить за счет этого установленную мощность дизель-генераторной установки в 1,7-2 раза, повысить ее моторесурс на 30-40%, исключить циркуляцию реактивной мощности в цепи генератор-нагрузка, замыкая ее по контуру «емкостной фильтр преобразователя - нагрузка», обеспечить стабильность заданных параметров напряжения питания сварочной головы во всех режимах сварки, снизить расход дизельного топлива 1,5-2 раза. Данная структура состоит из последовательно соединенных трехфазного выпрямителя - LC фильтра - инвертора напряжения - согласующего трансформатора - нагрузки.
Сварка и термообработка рельсовых стыков производятся как в стационарных, так и в полевых условиях в процессе укладки и ремонта железнодорожного пути. Для этого применяются мобильные системы как на железнодорожном (на базе железнодорожной платформы), так и на автомобильном и комбинированном ходу (на базе автомобильного шасси). В связи с этим, задача создания эффективных комплексов энергообеспечения этих технологических операций с минимальной массой и габаритами приобретает большую актуальность.
Учитывая то, что режим работы передвижной рельсосварочной машины (ПРСМ), как правило, предусматривает чередование процессов сварки и термообработки, очевидно, что для питания инвертора установки индукционного нагрева для термообработки сваренного стыка появляется возможность использования входного выпрямителя и LC фильтра системы энергообеспечения наиболее мощного потребителя энергии - сварочной головы КСМ, построенной на базе преобразователя с промежуточным звеном постоянного тока. Такое решение позволит значительно снизить суммарную стоимость, установленную мощность и массогабариты комплекса энергообеспечения ПРСМ в целом, что особенно важно для мобильных рельсосварочных машин на комбинированном ходу, собираемых на базе шасси автомобилей типа КамАЗ, УРАЛ, МАЗ и т.п.
Источники питания контактной сварочной машины (КСМ) с симметричным потреблением энергии от 3-х фазной сети описаны в статье «Тиристорный преобразователь для мощных сварочных электроконтактных установок» Электротехники №10, 1985 г., стр.7, О.Г. Булатов, В.Д. Поляков, А.И. Царенко.
Источники питания для индукционных нагревателей хорошо известны, и обычно включают источник постоянного напряжения, содержащий силовой трансформатор, выпрямительный блок, фильтрующие устройства, и высокочастотный инвертор («Электротехнологические установки». Болотов А.В., Шепель Г.А., Высшая школа, 1988, с.335; «Кодово-импульсный способ регулирования технологического параметра преобразователя частоты установки индукционного нагрева». С.К. Земан, О.Е. Сандырев, Известия ТПУ, Томск, том 315, №4, 2009, стр.191).
В качестве прототипа выбран путевой рельсосварочный и термообрабатывающий комплекс по патенту РФ №2272859, в котором на одной раме установлены сварочная машина со своей силовой установкой и термообрабатывающий блок, соединенный с преобразователем частоты.
Комплекс позволяет повысить производительность за счет сокращения времени, необходимого для проведения работ и устранения сложных движений, за счет универсальности и мобильности комплекса.
Недостатком данного комплекса является использование отдельных систем питания для сварочной машины и термообрабатывающего блока, что приводит к увеличению массогабаритов, а также к нерациональному использованию мощности дизель-генераторной установки, от которой запитаны как силовая установка сварочной машины, так и преобразователь термообрабатывающего блока. Сварка рельсовых стыков осуществляется контактной сварочной машиной (КСМ) подключенной к линейному (межфазному) питающему напряжению. Это приводит к неравномерному потреблению энергии по фазам, что существенно завышает габаритную мощность дизель-генератора питающего КСМ.
Задача полезной модели - снижение стоимости, установленной мощности и массогабаритов основных составных элементов комплекса, а также комплекса энергообеспечения процессов сварки и термообработки в целом.
Поставленная задача решается тем, что в систему энергообеспечения комплекса контактной сварки и термообработки передвижных рельсосварочных и термообрабатывающих машин, содержащей дизель-генератор, к выходам которого подключен трехфазный выпрямитель со сглаживающим фильтром, выходы которого соединены с входом низкочастотного инвертора, формирующего питание контактной сварочной машины (КСМ), введены высокочастотный инвертор, подключенный к выходам сглаживающего фильтра и связанный с первичной обмоткой высокочастотного трансформатора, с вторичной обмоткой которого связан резонансный контур, состоящий из конденсатора и индуктора термообрабатывающего блока, а также блок управления технологическим процессом, выходы которого связаны с управляющими входами высокочастотного и низкочастотного инверторов.
Соответственно существенное повышение эффективности системы энергообеспечения комплекса контактной сварки и термообработки достигнуто за счет питания КСМ через промежуточный преобразователь трехфазного напряжения в однофазное, а также за счет использования общего входного выпрямителя и сглаживающего фильтра, проектируемых на максимальную мощность только одной из технологических операций, а именно контактной сварки.
Далее сущность изобретения поясняется с помощью рисунка. Система энергообеспечения выполненная в едином конструктивном исполнении состоит из входного выпрямителя 1, подключенного к выходам дизель-генератора (не показан), сглаживающего фильтра 2, высокочастотного резонансного инвертора 3, генерирующего ток индукторной системы 4, трансформатора 5, согласующего параметры инвертора 3 и индукторного модуля 4, состоящего из двух индукторов 7, соединенных между собой в последовательную цепь, конденсатора 6, спрейера и блока согласования (не показаны), а также низкочастотного инвертора 8, формирующего питание контактной сварочной машины 9, и блока управления технологическим процессом 10.
Термообрабатывающий модуль 4, содержащий соединенные в единую конструкцию спрейер, индукторную систему 7, конденсатор 6 и блок согласования, образует резонансный контур. Термообрабатывающий модуль выполнен переносным, имеет низкие массогабаритные показатели, и при установке посредством ловителей на плеть может свободно перемещаться вдоль рельсовой плети и фиксироваться зажимным устройством после точного позиционирования спрейера и индукторной системы относительного стыка рельса.
Устройство работает следующим образом. В процессе сварки рельсового стыка транзисторы высокочастотного инвертора 3 закрыты, а низкочастотный инвертор 8 работает с частотой 50 Гц, обеспечивая питание сварочного модуля 9 КСМ. По окончании процесса сварки, по сигналам от блока управления технологическим процессом 10 транзисторы низкочастотного инвертора 8 закрываются, и система переходит в режим термообработки, в котором генерация высокочастотного тока осуществляется за счет переключения транзисторов высокочастотного инвертора 3, генерируемое инвертором напряжение поступает на согласующий трансформатор 5, уменьшающий его амплитуду до величины, требуемой индукторной системой 4. Нагрев индуктора 7 и соответствующее включение спрейера обеспечивает термообработку сварного стыка под управлением блока 8. Совмещение в единой системе энергообеспечения контактной сварочной машины и термообрабатывающего модуля позволяет уменьшить габариты и повысить эффективность системы.