способ стабилизации тока контактной сварки

Формула изобретения

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 cos и принятие решения о корректировке угла _j+1 включения тиристоров в следующем периоде, отличающийся тем, что значение _j+1 на интервале U_н± U, где U_н и U - номинальное напряжение сети и его допускаемое отклонение, определяют по формуле

_j+1=A₁·(U_c-U _н)+A₀,

где А₀ и A₁ - коэффициенты, зависящие от cos , которые определяют как коэффициенты линейного двучлена наилучшего равномерного приближения в соответствии с формулами

и

где ' и '' - задают для значений и как результат решения относительно системы уравнений







где I₂ - заданное значение сварочного тока;

k_i - коэффициент регулирования сварочного тока;

- длительность включенного состояния тиристоров.

Описание изобретения к патенту

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 cos при заданном угле 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 cos и значения величины тепловыделения на участке «электрод-электрод» q_i, в случае отклонения этого значения от заданного тепловыделения q принятие решения на корректировку угла _i+1 открытия тиристоров в следующем периоде, при этом

угол _i+1 определяют по формуле

,

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

_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 cos и с учетом измеренного напряжения сети регулирование угла 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;

b ₀ и b₁ - параметры регулировочной характеристики, определяемые по величине углов включения и проводимости сварочных тиристоров, при котором в каждый момент времени определяют коэффициент мощности cos , 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;

cos _э, cos - 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 cos . 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 cos и напряжения питающей сети U_c.

Поставленная задача достигается тем, что в способе стабилизации тока контактной сварки, предусматривающем измерение в каждом периоде коэффициента мощности cos и принятие решения о корректировке угла _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 _j+1 на интервале U_н± U, где U_н и U - номинальное напряжение сети и его допускаемое отклонение, определяют по формуле

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

где ' и '' - задают для значений

как результат решения относительно уравнения

где I₂ - заданное значение сварочного тока;

k_i - коэффициент регулирования сварочного тока, зависящий от значений и cos , 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 - длительность включенного состояния тиристоров определяют как первый ненулевой корень уравнения

Определение значений _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 _j+1=f(U_c, cos ) на отрезке U_c [U_н- U, U_н+ U], приняв в качестве узлов интерполяции значения U _c, обеспечивающие минимальную погрешность интерполяции.

Вычисление угла открытия сварочных тиристоров по формулам (6), (7) и (8) позволяет для известных значений U_c, К_т , Х_2к и cos 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 А ₀ и А₁ от cos в параметрическом виде как таблицы A₀=p ₀(cos ) и А₁=р₁(cos ).

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 cos 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 _j+1 от значения U_c при заданных параметрах контактной машины, величины сварочного тока и коэффициента мощности cos .

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 А ₁. 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 cos и принимает решение о корректировке угла _j+1 включения тиристоров в следующем периоде в соответствии с формулой (1), причем для первого периода угол 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 cos рассчитывают значения А₀ и А₁ и представляют их в виде таблиц A₀=p₀(cos ) и A₁=p₁(cos ), которые заносят в память микроконтроллера. В процессе сварки расчет значения угла _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 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 включения тиристоров и длительности их включенного состояния в предыдущем периоде для заданного значения U_c получить требуемый угол _j+1, включение тиристоров с которым в следующем периоде позволит получить требуемое значение сварочного тока I₂. Зависимость a_j+1=f(U_c, cos ) от значения U_c при заданных параметрах контактной машины, величине сварочного тока I₂ и коэффициенте мощности cos 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- U, U_н+ U] 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 (cos ) и A₁=p₁(cos ), 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.