НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ІМ. Є.О. ПАТОНА

Лавренюк Андрій Валентинович

УДК 621.791.03: 621.791.754

ТРИФАЗНО – ДВОФАЗНЕ ДЖЕРЕЛО ЖИВЛЕННЯ

ПОСТІЙНОГО СТРУМУ ДЛЯ ЗВАРЮВАННЯ В СЕРЕДОВИЩІ СО2

Спеціальність: 05.03.06 - “Зварювання та споріднені технології”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Пентегов Ігор Володимирович,

Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України,

провідний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Размишляєв Олександр Денисович,

Приазовський державний технічний університет,

Міністерство освіти та науки України,

м. Маріуполь, професор кафедри

"Устаткування та технологія зварювального виробництва".

кандидат технічних наук, доцент

Верещаго Євген Миколайович,

Національний університет кораблебудування

ім. адмірала Макарова,

Міністерство освіти та науки України,

м. Миколаїв, провідний науковий співробітник кафедри

"Зварювальне виробництво".

Провідна установа:

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, МОН України, м. Київ.

Захист відбудеться 6 червня 2007 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, за адресою: 03680, м. Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, за адресою: 03680, м. Київ-150, МСП, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий " 3 " травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук Л.С. Киреєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Темі побудови зварювальних джерел живлення (ДЖ) присвячена велика кількість робіт. Дослідженнями, присвяченими цій темі, займалися такі вчені як Патон Б.Є., Лебедєв В.К., Заруба І.І, Пентегов І.В., Троїцький В.О., Браткова О.М., Андреєв В.В., Лебедєв О.В., Коротинський О.Є., Закс М.І., Верещаго Є.М., Дименко В.В. та ін., якими зроблений значний внесок у розробку сучасних зварювальних ДЖ.

Актуальність теми. Вимоги, що висуваються до зварювальних технологій, постійно зростають, тому необхідне створення нових комплексів зварювального устаткування, які забезпечать високу якість зварних з'єднань. Основним компонентом у комплексі зварювального устаткування є ДЖ, від властивостей і характеристик якого безпосередньо залежить стабільність процесу зварювання, а отже, якість зварного з'єднання. На даний момент розвитку машинобудівної промисловості, завдяки простоті реалізації процесу та дешевизні захисної атмосфери, широке застосування знаходить зварювання в середовищі СО2. Тому вдосконалення ДЖ для зварювання в СО2, що спрямоване на поліпшення його зварювальних властивостей при одночасному зменшенні маси та габаритів, є актуальним завданням.

Незважаючи на зростаюче поширення на ринку зварювального устаткування ДЖ інверторного типу тиристорні ДЖ, що працюють на промисловій частоті (далі традиційного типу), завдяки своїй простоті та низькій вартості залишаються затребуваними. Тому назріло завдання створення ДЖ традиційного типу, яке за зварювальними властивостями не поступалося ДЖ інверторного типу, а по масі та габаритам наближалося до них.

Висока маса та габарити ДЖ традиційного типу обумовлені застосуванням зварювальних трансформаторів з шихтованим магнітопроводом, маса якого становить приблизно 50% і більше маси всього ДЖ. Такі трансформатори, як правило, мають неоптимальні параметри. Тому завдання вдосконалювання зварювальних трансформаторів з метою зменшення їх маси та габаритів також актуальне.

Розробка нових підходів при проектуванні силової схеми зварювального ДЖ традиційного типу дозволить поліпшити його зварювальні властивості та створити конкурентноздатне устаткування.

Актуальність теми дисертаційної роботи додатково підтверджується тим, що вона виконана відповідно до планів наукових досліджень ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України в 2000 - 2002 та 2005 рр.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота за темою дисертації проводилася у відділі №43 “Електротермія” Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України у відповідності з наступними темами: 43/13-П “Дослідження процесів при дуговому зварюванні електродом, що плавиться, в середовищі вуглекислого газу (СО2), розробка математичної моделі процесів в системі “джерело живлення-зварювальна дуга”, створення методики розрахунку нового джерела живлення з конденсаторним помножувачем напруги та покращеними експлуатаційними й технологічними характеристиками” (2000 р.); 43/15-П “Розробка математичної моделі процесів при дуговому зварюванні в середовищі вуглекислого газу і створення на її основі приставки для поліпшення параметрів процесу зварювання” (2001 р.); 1.6.1.43.7 “Розробка технології зварювання у твердій фазі труб із легованих та нержавіючих сталей” (2001 р.); 43/8-П “Розробка пропозицій по пригніченню вищих гармонік струму при роботі зварювального обладнання” (2002 р.); 43/3-П “Дослідження впливу кута нахилу зовнішньої вольтамперної характеристики джерела живлення та динамічних властивостей зварювального дроселя на якість зварювання в середовищі вуглекислого газу та експериментальне визначення падіння напруги у контакті „мундштук – зварювальний дріт”” (2005 р.).

Мета та завдання роботи. Метою роботи є створення ДЖ для зварювання в середовищі СО2 нового типу з малою масою і габаритами та високими зварювальними властивостями у всьому діапазоні регулювання, яке базується на подальшому розвитку теорії, проектування та розрахунку зварюваних ДЖ.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання:

- розробити принципи побудови силової схеми ДЖ для зварювання в СО2, які ґрунтуються на забезпеченні мінімізації встановленої потужності зварювального трансформатора та кількості елементів схеми, високого значення ККД, плавного регулювання параметрів режиму зварювання, високих зварювальних властивостей ДЖ у всьому діапазоні регулювання;

- розробити підходи до побудови трифазних та трифазно-двофазних зварювальних трансформаторів, в яких за рахунок використання нетрадиційних елементів витих магнітопроводів повинна забезпечуватись необхідна величина поперечного перетину магнітопроводу в зоні змішування магнітних потоків фаз, що дозволить мінімізувати масу і габарити трансформаторів;

- створити дослідний зразок ДЖ для зварювання в СО2 із застосуванням розробленої схеми випрямлення та нової конструкції зварювального трансформатора;

- дослідити вплив параметрів ДЖ на стабільність зварювання в СО2 і визначити їх оптимальні значення;

- розробити нові критерії оцінки зварювальних властивостей ДЖ з використанням обробки експериментальних даних на ПЕОМ.

Об'єкт дослідження – процес дугового зварювання в середовищі СО2.

Предмет дослідження – ДЖ для зварювання в середовищі СО2.

Методи дослідження. Для вирішення поставлених завдань та одержання основних результатів дисертаційної роботи використовувалися теорія зварювальних процесів та електромагнітних перетворювачів, а також теорія електричних і магнітних ланцюгів. В роботі застосовувалися методи математичного моделювання електромагнітних процесів та експериментальні методи випробування дослідного зразка ДЖ.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше для забезпечення високих технологічних та техніко-економічних показників ДЖ для зварювання в середовищі СО2 запропоновано його побудова на основі двох послідовно з'єднаних різнофазних випрямлячів, живлення яких здійснюється від трифазно-двофазного трансформатора.

2. Вперше для зниження матеріалоємності трифазних і трифазно-двофазних трансформаторів плоских конструкцій запропоновані принципи їх побудови, які основані на застосуванні нетрадиційних елементів витих магнітопроводів, що дозволяє забезпечити умови змішування магнітних потоків фаз та мінімізувати масу і габарити трансформаторів.

3. Вперше запропоновано використовувати в якості критеріїв оцінки зварювальних властивостей ДЖ для зварювання в СО2 точкову динамічну вольтамперну характеристику сумісно з осцилограмами та гістограмами розподілу значень зварювального струму і напруги.

Практична цінність отриманих результатів.

1. Створено дослідний зразок ДЖ для зварювання в СО2, що має меншу масу, габарити та більш високі зварювальні властивості у порівнянні з існуючими аналогами.

2. Розроблено нові конструкції трифазних і трифазно-двофазних трансформаторів, які легше (до 28%) існуючих аналогів. Такі трансформатори можуть використовуватись в електрозварювальному устаткуванні та в інших електротехнічних пристроях.

3. Визначено, що при зварюванні в середовищі СО2 у нижньому положенні для забезпечення найменшого розбризкування слід застосовувати дросель, магнітопровід якого не насичується при короткому замиканні (КЗ).

4. Розроблено критерії оцінки властивостей ДЖ для зварювання в СО2.

Особистий внесок здобувача. Автором самостійно поставлені завдання та намічені шляхи їх рішення, проведені теоретичні і експериментальні дослідження, узагальнені результати, розроблені рекомендації та зроблені виводи.

У друкованих працях, які опубліковані у співавторстві, особисто здобувачеві належить: в [1, 2, 5-7, 11] - розробка нових конструкцій трифазних трансформаторів та їх оптимізаційних математичних моделей, проведення порівняльного аналізу втрат потужності в магнітопроводах різних конструкцій, визначення залежності відношення щільності струму в трансформаторах з поверненою на 90 градусів центральною котушкою до щільності струму у звичайних трансформаторах залежно від потужності; в [3, 8 та 9] - розробка нових конструкцій трифазно-двофазних трансформаторів та їх оптимізаційних математичних моделей, визначення залежності відношення щільності струму в трансформаторах зі збільшеною в 2 рази поверхнею охолодження котушок до щільності струму у звичайних трансформаторах залежно від потужності; в [4] - підготовка та проведення експериментів, розробка і виготовлення гальванично розв'язаного підсилювача; в [10, 13, 14] - розробка та дослідження характеристик силової схеми ДЖ зварювальної дуги; в [12] - дослідження та оцінка впливу на мережу електроживлення вищих гармонік, що виникають при роботі зварювальних ДЖ; в [15] - розробка нових методів оцінки зварювальних властивостей ДЖ.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та окремі результати роботи доповідалися і обговорювалися: на I, II та ІІІ Всеукраїнських науково-технічних конференціях молодих вчених і фахівців “Зварювання та споріднені технології”, (м. Київ, 2001, 2003 і 2005 рр.); на Міжнародній конференції “Сучасні проблеми зварювання та ресурсу конструкцій”, (м. Київ, 2003 р); на 2-ій Міжнародній науково-методичній конференції “Сучасні проблеми зварювання та споріднених технологій, удосконалювання підготовки кадрів”, (м. Маріуполь, 2006 р).

Публікації. Результати дисертації представлені в 15 опублікованих роботах: 4 статті в спеціалізованих наукових журналах і збірниках, 5 тез доповідей науково-технічних конференцій, 6 деклараційних патентів на винахід України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Дисертація має загальний обсяг 157 сторінок, у тому числі 100 сторінок основного тексту, 65 малюнків та 8 таблиць (37 сторінок), список літератури з 135 найменувань (13 сторінок) і 4 додатки (7 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета та завдання дослідження, показані наукова новизна і практична цінність роботи. Наведені дані про практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі наведено системний аналіз тенденцій розвитку ДЖ для зварювання в середовищі СО2, сформульовані завдання досліджень.

Відзначимо, що, незважаючи на інтенсивний розвиток ДЖ інверторного типу з високими технологічними та техніко-економічними показниками, ДЖ традиційного типу залишаються затребуваними на ринку зварювального устаткування. Це пов'язано з тим, що інверторні ДЖ дорожчі і складніші за конструкцією, чим традиційні. Тому сформувалася необхідність вдосконалення зварювальних ДЖ традиційного типу так, щоб за масою і габаритами вони наближалися до інверторних, а за зварювальними властивостями не поступалися їм.

Встановлено, що найбільш перспективна розробка нових ДЖ, побудованих на базі декількох однофазних випрямлячів, напруги живлення яких зміщені по фазі. Також перспективне введення до складу ДЖ діод-конденсаторних помножувачів напруги (ДКП). Це дозволить зменшити масу, габарити ДЖ і забезпечити його простоту та високі зварювальні властивості.

Зниження маси і габаритів зварювальних ДЖ традиційного типу можливо за рахунок розробки нових конструкцій зварювальних трансформаторів, які побудовані із застосуванням витих магнітопроводів, у яких забезпечується безперешкодний перехід магнітних потоків фаз із одних його частин в інші.

Показано, що для визначення оптимальних параметрів і характеристик ДЖ необхідне проведення досліджень із застосуванням сучасних методів дослідження дугових процесів.

Другий розділ дисертації присвячено дослідженню характеристик та розробці силової схеми випрямляча ДЖ для зварювання в СО2, а також методики розрахунку комбінованої вольтамперной характеристики (ВАХ) нового ДЖ з вбудованим ДКП.

Розроблені варіанти двофазних схем ДЖ із плавним регулюванням напруги представлені на рис. 1. У таких схемах два випрямлячі включені послідовно або паралельно. Кожний з них може бути зібраний за однофазною мостовою схемою, або за двохполуперіодною схемою з середньою точкою з використанням діодів VD1-VD7 і тиристорів VS1-VS4. Живлення випрямлячів здійснюється напругами, що здвигнуті по фазі. Плавне регулювання зварювальної напруги (Uвых) таких схем проводиться за рахунок використання тиристорів.

Проведений аналіз регулювальних характеристик схем з паралельним і послідовним з'єднанням випрямлячів (див. рис. 2) показує, що уявний діапазон регулювання напруги для схем випрямлення з паралельним включенням випрямлячів становить 100%. Однак, при куті відкриття тиристорів > /2 в таких схемах виникають значні провали напруги до нуля (на рис. 2 ця ділянка регулювальної характери-

а) | б) | в) | г) | д) | е) | ж) | Рис. 1. Двофазні схеми випрямлення.

стики показана пунктиром). Ліквідація цих пауз, що збільшуються з ростом , можлива за рахунок обмеження границь регулювання ( </2), або за рахунок застосування спеціальних мір, які ведуть до значного ускладнення ДЖ. Реальна максимальна глибина регулювання напруги в таких схемах не перевищує 25%. В той час глибина регулювання напруги в схемах з послідовним включенням випрямлячів становить 50% і більше.

Таким чином, застосування двофазних схем з паралельним з'єднанням випрямлячів у зварювальних ДЖ нераціонально, тому далі вони не розглядаються.

З метою виявлення оптимального варіанту двофазної схеми випрямлення з послідовним з'єднанням випрямлячів був проведений порівняльний аналіз таких основних показників схем як: ККД; встановлена потужність зварювального трансформатора; загальна кількість вентилів; кількість тиристорів.

При оцінці умовної встановленої потужності зварювального трансформатора та розрахунку ККД як допущення з метою спрощення розрахунку зневажали втратами в провідниках обмоток трансформатора і з’єднувальних проводах перетворювача, струмами холостого ходу трансформатора.

Рис. 2. Регулювальні характеристики двофазних схем.

Напруги живлення первинних обмоток трансформатора вважали однаковими і незмінними, а їх фази зміщені друг відносно друга на 90 ел. градусів.

Оцінка умовних встановлених потужностей виконувалася при номінальному режимі роботи схем випрямлення (повне відкриття тиристорів).

При порівняльному аналізі схем має сенс говорити лише про умовну встановлену потужність, яку оцінювали по відношенню:

, (1)

де: Sн - номінальне значення потужності, на яку навантажені схеми, становить:

, (2)

де Uвых – середнє значення напруги на виході схеми; Iнагр – середнє значення струму, що протікає через навантаження;

ST - встановлена потужність трансформатора, як відомо, визначається напівсумою потужностей всіх первинних SУ(1) і вторинних SУ(2) обмоток:

, (3)

, (4)

, (5)

де kф – коефіцієнт форми кривої напруги, визначається як відношення середніх значень напруги до їх діючих значень (відомо що, kф = ); UVD – середнє значення прямого падіння напруги на вентилях схеми, для спрощення розрахунку приймаємо, що вона не залежить від величини струму, що протікає через нього, тоді: , де UVD – пряме падіння напруги на тиристорах і діодах, приймаємо рівним ДUVD = 1,5 В; nVD – загальна кількість послідовно включених вентилів випрямляча, що дорівнює сумі послідовно включених вентилів першого ( ) і другого ( ) випрямлячів; , – коефіцієнти відповідно для першого і другого випрямлячів, що враховують збільшення маси міді вторинних обмоток (відомо, що для двохполуперіодної схеми із середньою точкою , а для мостової схеми ).

Підставивши в (1) вирази (2) -(5), оцінювали для кожної з порівнюваних схем величину умовної встановленої потужності зварювального трансформатора. ККД () перетворювача визначали як відношення активної потужності, споживаною навантаженням SН , до активної потужності, яка споживається з мережі SПОТР:

, (6)

де . (7)

Використовуючи вирази (1) - (7) та приймаючи Uвых = 40 В, оцінюємо відповідно величину умовної встановленої потужності зварювального трансформатора ( ) та ККД ( ) для кожної з порівнюваних схем, а також приводимо загальну кількість використаних у схемі вентилів (nобщ) і кількість тиристорів (nТ).

Для виявлення оптимального варіанта схеми визначали значення узагальненого коефіцієнта КОБ відповідно до виразу (8). Чим більше цей коефіцієнт, тим краще характеристики схеми.

, (8)

де g1, g2, g3 й g4 – коефіцієнти, що вказують пріоритет відповідного параметра при виборі схеми, приймаємо g1 = 0,36, g2 = 0,72, g3 = 0,36 й g4 = 0,54.

Вибір величини g1, g2, g3 й g4 продиктований наступними міркуваннями: маса трансформатора та загальна кількість вентилів рівною мірою впливають на вартість і складність (надійність) ДЖ, тому приймаємо g1 = g3 і серед коефіцієнтів, що розглядаються, вони мають найменший пріоритет; найвищий пріоритет при порівнянні схем має значення ККД. Це пов'язано з сучасними високими вимогами до енергозбереження, тому g2=2?g1. Наявність великої кількості тиристорів у схемі веде до здорожчання ДЖ і значному ускладненню схем їх керування, тому g4 = 1,5?g1. Чисельні значення коефіцієнтів пріоритету підібрані так, щоб значення коефіцієнта КОБ було близьким до 1.

Аналізуючи параметри схем (див. табл. 1) робимо висновок, що оптимальним варіантом з точки зору розглянутих показників є схема, зображена на рис. 1,б, тому що коефіцієнт КОБ для цієї схеми найбільший. Ця схема приймається за основу при розробці зварювального ДЖ.

Таблиця 1

Основні параметри двофазних схем

№ схеми | Рисунок | nТ, шт. | nобщ, шт. | , шт | , шт | nVD, шт. | UVD, В | ККД | KОБ

1. | 1,б | 2 | 5 | 1 | 1 | 2 | 3,0 | 0,9302 | 1,766 | 1,216

2. | 1,г | 1 | 1 | 2 | 8 | 2 | 2 | 4 | 6,0 | 0,8696 | 1,507 | 1,18

3. | 1,е | 1 | 2 | 7 | 1 | 2 | 3 | 4,5 | 0,8989 | 1,637 | 1,189

4. | 1,д | 1 | 2 | 6 | 2 | 1 | 3 | 4,5 | 0,8989 | 1,637 | 1,197

5. | 1,ж | 1 | 1 | 2 | 9 | 2 | 2 | 4 | 6 | 0,8696 | 1,507 | 1,175

Проведений аналіз можливих варіантів підключень схеми на рис. 1,б до трифазної напруги мережі живлення (підключення за схемою “відкритий трикутник” або за схемою Скотта) показав, що найбільш раціонально застосування схеми Скотта. Однак, у зв'язку з виникненням пульсуючої напруги на нижніх границях регулювання, з метою “заливання” виникаючих пауз напруги, в основну схему ДЖ введено додатковий випрямляч, див. рис. 3, фаза живлення якого збігається з фазою

а) б)

Рис. 3. Схеми з додатковим випрямлячем.

керованого випрямляча. В першому варіанті (див рис. 3,а) додатковий випрямляч, зібраний із застосуванням діодів VD4, VD5, підключено паралельно двом основним випрямлячам (VD1, VD2 та VS1, VS2), а в другому варіанті додатковий випрямляч зібрано із застосуванням діодів VD3, VD4 (див. рис. 3,б) і підключено паралельно тільки керованому випрямлячу VS1, VS2.

Незважаючи на необхідність наявності додаткових обмоток і більшої кількості вентилів, перший варіант найбільш доцільний, тому що при цьому забезпечується найширший діапазон регулювання напруги ДЖ.

В результаті проведених досліджень, на базі схеми на рис. 3,а, розроблена силова схема ДЖ для зварювання в середовищі СО2 з інтегрованим у її склад ДКП (див рис. 4), що захищена деклараційним патентом України, яку умовно можна поділити на три основних блоки:

А1 – силовий трансформатор, вторинна сторона якого складається із двох основних обмоток W’2 й W’’2, додаткової обмотки Wд, намотаної поверх основної обмотки W’’2, а також двох додаткових конденсаторних обмоток WдС.

A2 – блок випрямлення, що складається з двох основних випрямлячів (VS1, VS2 та VD1-VD3) та додаткового – VD4, VD5, і блоку ДКП, зібраного за відомою схемою подвоєння (VD6-VD9 і C1, C2).

Рис. 4. Схема нового ДЖ для зварювання в СО2.

A3 – зварювальний дросель DL, що виконаний дводіапазонним.

Використання розробленої схеми (див. рис. 4) при побудові зварювальних ДЖ дозволяє забезпечити високе значення ККД (має місце всього два послідовно включених вентиля), мінімізацію встановленої потужності зварювального трансформатора (за рахунок застосування ДКП) і просту схему керування тиристорами (в схемі їх два).

ВАХ ДЖ на рис. 4 являє собою комбінацію ВАХ випрямляча (рис. 3,а), яка розрахована відповідно до відомих методик, і ВАХ ДКП, що побудована за результатами математичного моделювання схеми ДКП на ПЕОМ. На рис. 5 представлена ВАХ ДЖ для зварювання в СО2 (див. рис. 4) при різних кутах відкриття ти-

Рис. 5. ВАХ нового ДЖ для зварювання в СО2.

ристорів, а також наведена залежність нормованої напруги на вихідних клемах ДЖ від струму.

Використовуючи розроблену методику побудови ВАХ зварювального ДЖ, можна ще на етапі проектування, знаючи необхідну величину нахилу ВАХ, одержати необхідні параметри зварювального трансформатора або вирішити зворотнє завдання. Адекватність методики розрахунку ВАХ підтверджується результатами випробувань.

У третьому розділі запропоновані нові підходи до побудови трифазних і трифазно-двофазних зварювальних трансформаторів з використанням витих магнітопроводів, які базуються на забезпеченні необхідної величини поперечного перерізу магнітопровода у зоні змішування магнітних потоків фаз.

Відповідно до запропонованих нових підходів розроблено нові конструкції трифазних трансформаторів із витими магнітопроводами, що захищені деклараційними патентами України, які зображені на рис. 6 – 8, де дані позначення: 1, 2 – виті магнітопроводи; 3 – котушки з обмотками; 4 – яремні накладки.

Нові конструкції трифазних трансформаторів (рис. 6 - 8) позбавлені недоліків, які властиві існуючим аналогам. В них немає необхідності в збільшенні поперечного перерізу стрижнів магнітопроводів в2/v3 рази, тому що магнітні потоки фаз безпе-

а) | б)

Рис. 6. Нова конструкція трансформатору.

а) | б)

Рис. 7. Нова конструкція трансформатору.

решкодно переходять уздовж площини стрічки з одних частин магнітопровода в інші. В конструкціях на рис. 6 та 7 цьому сприяють яремні накладки 3, виготовлені з електротехнічної сталі, які виконують роль змішувачів магнітних потоків. В конструкції на рис. 8 магнітні потоки переходять із одних частин магнітопровода в інші через С-образні виті магнітопроводи 2. При використанні конструкції трансформаторів на рис. 7 і 8 мають місце поліпшені умови охолодження обмоток трансформаторів, оскільки центральна обмотка повернута на 90 градусів щодо крайніх. Визначено, що це дозволяє підвищити щільність струму в провідниках обмоток в 1,07...1,11 рази в порівнянні зі звичайними трансформаторами а, отже, знизити масу таких трансформаторів. Відзначимо особливість конструкцій трансформаторів на рис. 7,а та 8: для забезпечення рівності геометричних розмірів крайніх і центральних стрижнів необхідно, щоб виті магнітопроводи 1 мали квадратний поперечний переріз. При цьому обмотки всіх фаз однакові.

Рис. 8. Нова конструкція трансформатору.

На рис. 6 та 7 показані варіанти витих магнітопроводів несиметричної (рис. 6,а і 7,а) та симетричної (рис. 6,б і 7,б) конструкцій.

Нові конструкції зварювальних трифазних трансформаторів можуть бути застосовані у зварювальних ДЖ, побудованих із застосуванням традиційних схем випрямлення, що дозволить зменшити їх масу та вартість у порівнянні з існуючими аналогами.

У результаті аналізу перетворювачів трифазної напруги мережі у двофазну визначено, що оптимальним варіантом при побудові зварювальних ДЖ є використання трифазно-двофазних трансформаторів.

На рис. 9 - 10 показані розроблені конструкції трифазно-двофазних трансформаторів, що захищені деклараційними патентами України, в яких використовуються виті магнітопроводи.

На рис. 9 представлені три проекції нової конструкції трифазно-двофазного трансформатора з нерозщепленим центральним стрижнем. Магнітопровід такого трансформатора складається із витого магнітопровода, що складається з двох однакових підковоподібних частини 1 і центрального стрижня 2. Товщина центрального стрижня дорівнює ширині стрічки витого магнітопровода, а ширина дорівнює товщині навивки витого магнітопровода або більше її.

Рис. 9. Нова конструкція трифазно-двофазного трансформатора. |

Рис. 10. Нова конструкція трифазно-двофазного трансформатора.

На рис. 10 представлена друга нова конструкція трифазно-двофазного трансформатора з розщепленим центральним стрижнем. Магнітопровід такого трансформатора складається із трьох витих магнітопроводів, одного великого 1 і двох малих 2. Крайні стрижні великого 1 і малих магнітопроводів 2 суміщені та утворять крайні стрижні магнітопровода трансформатора. Центральний стрижень розщеплений, і на ньому обмоток немає.

Рис. 11. Варіант з’єднання обмоток трансформатора. |

Рис. 12. Варіант з’єднання обмоток трансформатора.

а) | б)

Рис. 13. Варіант з’єднання обмоток трансформатора за схемою Скотта.

При використанні конструкції трансформаторів на рис. 9 і 10 обмотки однієї фази розміщені у двох котушках, що поліпшує умови їх охолодження та дозволяє підвищити щільність струму в провідниках в 1,17…1,28 рази в порівнянні зі звичайними трансформаторами, отже, знизити масу.

На рис. 11 - 13 представлені три варіанти схем з'єднань обмоток трансформатора, зображеного на рис. 9 і дані позначення: w11, w12 й w21, w22 – відповідно кількість витків первинних і вторинних обмоток трансформатора; Uвых1, Uвых2 – напруги вторинних обмоток:

1) первинні обмотки з'єднані за схемою “відкритий трикутник”, вторинні обмотки незалежні. Вторинні напруги зміщені по фазі на 120 ел. градусів. Площі поперечного перерізу центрального стрижня 2 і магнітопровода 1 рівні (рис. 11);

2) первинні та вторинні обмотки з'єднані за схемою “відкритий трикутник”. Вторинні напруги зміщені по фазі на 120 ел. градусів. Площа поперечного перерізу центрального стрижня 2 дорівнює площі поперечного перерізу магнітопровода 1 (див. рис. 12);

3) обмотки трансформатора з'єднані за схемою Скотта. Вторинні напруги зміщені по фазі на 90 ел. градусів. Існує два варіанти з'єднань обмоток за цією схемою: з використанням “нульового” проводу (рис. 13,а) і без його використання (рис. 13,б). Площа поперечного перерізу центрального стрижня 2 для обох варіантів повинна бути в разу більше площі поперечного перерізу магнітопровода 1 (див. рис. 9).

Обмотки трансформатора, зображеного на рис. 10, можна з'єднувати за схемами, які показані на рис. 11 і 12.

Відзначимо, що використання розроблених конструкцій трифазно-двофазних трансформаторів дає можливість значно знизити масу і габарити ДЖ завдяки можливості уникнути наявності двох однофазних трансформаторів, які, як правило, використовуються для отримання двофазної напруги.

Для визначення оптимального варіанта конструкції трансформатора з точки зору масо-вартісних показників був проведений порівняльний аналіз нових конструкцій трансформаторів (див. рис. 6,б, 7,б, 8 - 10) із трансформатором традиційної конструкції з шихтованим магнітопроводом. Для цього були розроблені їх оптимізаційні математичні моделі.

При побудові оптимізаційних математичних моделей трансформаторів із прямокутним поперечним перерізом магнітопроводів (див. рис. 6, 9 та 10, а також трансформатор із шихтованим магнітопроводом) використовувалася відома методика, а для трансформаторів із квадратним поперечним перерізом магнітопроводів була розроблена нова. Використання існуючої і розробленої методики побудови оптимізаційних математичних моделей трансформаторів розширює можливості розробника при проектуванні трансформаторів завдяки можливості визначати оптимальні з погляду масо-вартістних показників параметри трансформаторів з урахуванням заданих технічних характеристик.

Таблиця 2

Відносна маса порівнюваних трансформаторів

№ | Номер рисунка | М*

1 | 6,б | 0,982

2 | 7,б | 0,799

3 | 8 | 0,923

4 | 9 | 0,714

5 | 10 | 0,739

В таблиці 2 наведені значення відносної маси порівнюваних трансформаторів M*, яка визначається як відношення маси оптимального порівнюваного трансформатора до маси аналогічного оптимального трансформатора із шихтованим магнітопроводом.

Визначено, що при однакових потужностях трифазно-двофазні трансформатори на рис. 9 та 10 легше і дешевше трансформатора із шихтованим магнітопроводом приблизно на 26 - 28 %, при цьому вони технологічні у виготовленні та зборці. Це говорить про можливості істотної економії активних матеріалів при використанні таких трансформаторів. Розроблені нові конструкції трифазних і трифазно-двофазних трансформаторів можуть використовуватися як у зварювальному устаткуванні при побудові ДЖ із жорсткою або крутоспадаючою ВАХ, так і в інших електротехнічних пристроях.

У четвертому розділі розглянуті наступні питання:

· визначення оптимальних параметрів ДКП, при яких забезпечується надійне встановлення процесу зварювання;

· дослідження впливу параметрів і характеристик дослідного зразка ДЖ на стабільність зварювання в СО2 і визначення їх оптимальних значень;

· розробка нових критеріїв оцінки властивостей ДЖ для зварювання в СО2;

· дослідження зварювальних властивостей дослідного зразка ДЖ і порівняння їх з властивостями існуючих аналогів.

Рис. 14. Осцилограми напруги та струму при підпалі зварювальної дуги.

В результаті досліджень впливу параметрів ДКП (величини напруги на виході ДКП (Uум) і величини ємності конденсаторів С1 і С2 (див. рис. 4)) на надійність встановлення процесу зварювання в СО2 визначено, що при використанні дроту діаметром 0,8 мм надійне встановлення процесу зварювання з першого торкання спостерігається при Uум = 110 В и С1=С2=3000 мкФ, а при використанні дроту діаметром 1,2 мм – Uум = 110 В и С1=С2=4500 мкФ.

У зв’язку з тим, що дослідний зразок ДЖ повинен забезпечувати надійне встановлення процесу зварювання при використанні двох розглянутих діаметрів електродного дроту (0,8 і 1,2 мм), параметри ДКП прийняті рівними: С1 = С2 = 4500 мкФ та Uум = 110 В. Типові осцилограми напруги та струму при підпалі зварювальної дуги з використанням дротів діаметром 0,8 мм й 1,2 мм відповідно наведені на рис. 14, а і б.

Таким чином, використання ДКП в складі ДЖ для зварювання в СО2 дозволяє забезпечити стабільно надійне встановлення процесу зварювання та значне зниження напруги холостого ходу трансформатора, що поліпшує технологічні і техніко-економічні характеристики ДЖ в цілому.

Для визначення оптимального значення індуктивності дроселя проведені серії експериментів з наплавлення зварних валиків із застосуванням електродних дротів діаметрами 0,8 і 1,2 мм при різних значеннях індуктивності.

Стабільність процесу зварювання оцінювалася за характером звучання зварювальної дуги, аналізом отриманих осцилограм зварювального струму і напруги, записаних на ПЕОМ, а також за рівнем розбризкування.

Визначено, що оптимальна величина індуктивності дроселя при зварюванні електродним дротом діаметром 0,8 мм становить 0,12 мГн, а для дроту діаметром 1,2 мм – 0,45 мГн. При зварюванні з такими параметрами дроселя спостерігалося найменше розбризкування, зварювальна дуга горіла спокійно, а її “тріск” був рівномірним. Аналіз осцилограм струму і напруги показав, що процес наплавлення проходив стабільно без обривів дуги і з практично постійною частотою КЗ, а також спостерігалася стабілізація постійної складової зварювального струму. При зміні величини індуктивності дроселя в бік збільшення або зменшення спостерігалася дестабілізація процесу зварювання.

Рис. 15. Залежність оптимальної швидкості наростання струму при КЗ від діаметра електродного дроту

В результаті аналізу отриманих осцилограм струму і напруги при зварюванні з дроселем, що має оптимальне значення індуктивності, знайдені оптимальні швидкості наростання струму при КЗ (di/dt) для дротів діаметром 0,8 й 1,2 мм, які відповідно рівні 150 кА/с й 80 кА/с. На базі отриманих та існуючих даних побудовано графік залежності di/dt від діаметра електродного дроту dэл (див рис. 15), використовуючи який можна визначати оптимальні середні значення di/dt для різних діаметрів електродного дроту, уникнувши трудомістких експериментів.

З метою визначення впливу часу насичення дроселя на стабільність зварювання в СО2 була проведена серія експериментів, в яких при різному часі насичення магнітопроводу дроселя проводилися наплавлення зварних валиків у нижнім положенні електродним дротом діаметром 1,2 мм. Паралельно наплавленням проходив запис на ПЕОМ осцилограм зварювального струму і напруги. Стабільність зварювання в СО2 оцінювалася з аналізу осцилограм струму і напруги, рівнем розбризкування і якістю формування зварного шву.

У результаті проведених експериментів визначено, що при зварюванні в нижньому положенні застосування зварювальних дроселів, що насичуються, недоцільно. При побудові ДЖ для зварювання в СО2 дросель не повинен насичуватися під час КЗ, у цьому випадку досягаються мінімальні втрати на розбризкування (до 4%).

Для більш повного аналізу отриманих експериментальних даних за допомогою ПЕОМ була побудована точкова динамічна вольтамперна характеристика (ТДВАХ) зварювального ДЖ. Побудова ТДВАХ дає можливість провести повноцінний аналіз процесів, що відбуваються.

На рис. 16 представлена типова ТДВАХ дослідного зразка ДЖ при зварюванні дротом діаметром 0,8 мм із дроселем, що має оптимальну індуктивність.

Рис. 16. Типова ТДВАХ дослідного зразка ДЖ.

Умовно ТДВАХ ділиться на три основних області: 1) область роботи ДКП (точки, що характеризуються високою напругою та малими струмами); 2) верхня гілка (точки із середнім рівнем напруги); 3) нижня гілка (точки з малим рівнем напруги).

Проаналізувавши залежності напруги від струму в процесі КЗ при використанні дротів діаметром 0,8 і 1,2 мм, одержали виразну схему динаміки фізичних процесів, що відбуваються, яка наведена на рис. 17. При різних режимах зварювання і діаметрах електродного дроту можуть варіюватися величини зварювальної напруги та струму, довжини ділянок процесу, але характер змін зберігається у всіх випадках при зварюванні з КЗ дугового проміжку.

Процеси при зварюванні з КЗ дугового проміжку умовно можна поділити на чотири ділянки:

Перша ділянка (точки 1-2 на рис. 17). Крапля на торці електродного дроту

Рис. 17. Схема динаміки фізичних процесів при зварюванні в СО2.

досягла таких розмірів, що закорочує дуговий проміжок, зварювальна дуга гасне.

Друга ділянка (ділянка КЗ, точки 2-3-4 на рис. 17). Площа контакту між краплею і зварювальною ванною зростає. Наприкінці другої ділянки (точки 3-4 на рис. 17) площа контакту між краплею електродного металу і зварювальною ванною досягає максимально можливого розміру, шийка краплі утончується, що підготовлює обрив краплі (точка 4 на рис. 17).

Третя ділянка (точки 4-5 на рис. 17). Обрив краплі з торця електродного дроту, який супроводжується вибухом перемички та переходом краплі у зварювальну ванну, після чого дуговий проміжок зростає до максимальних розмірів.

Четверта ділянка (ділянка горіння дуги, точки 5-6-1 на рис. 17). Після обриву краплі відновлюється процес горіння зварювальної дуги. На торці електродного дроту починає утворюватися крапля. Наприкінці четвертої ділянки (точки 6-1 на рис. 17) крапля на торці електродного дроту продовжує зростати до моменту, коли вона закорочує дуговий проміжок (точка 1 на рис. 17).

Описана вище схема зміни напруги і струму відбувається циклічно при кожному КЗ дугового проміжку в процесі зварювання в середовищі СО2.

Таким чином, робимо висновок, що точки, що утворюють нижню гілку, відносяться до ділянки 2-4 (рис. 17) і відповідно точки, що утворюють верхню гілку, відносяться до ділянки 5-1 (рис. 17).

Аналіз ТДВАХ ДЖ з різними динамічними характеристиками показує, що при оптимальних параметрах дроселя спостерігається локалізація і звуження верхньої та нижньої гілок, що свідчить про мінімізацію відхилень параметрів КЗ протягом всього наплавлення. Цю закономірність запропоновано використати в якості критерія при оцінці стабільності протікання процесу зварювання: чим локальніше та вужче області обох гілок, тим стабільніше процес зварювання.

Рис. 18. Гістограми розподілу значень зварювального струму і напруги.

Також з метою поглибленого дослідження експериментальних даних разом з аналізом ТДВАХ був використаний метод, запропонований академіком І.К. Походнею, що базується на аналізі гістограм розподілу значень зварювального струму і напруги (див. рис. 18).

З виконаного аналізу гістограм при різних параметрах і характеристиках ДЖ можна зробити висновки: чим стабільніше проходить процес зварювання, тим ближче форма гістограми розподілу значень зварювального струму описується законом нормального розподілу Гаусса (тим наявніше виражений пік гістограми) і тим менше “хвіст” гістограм струму в області великих струмів; чим стабільніше процес зварювання, тим гістограма розподілу значень зварювальної напруги вужче, має “кинджальну” форму.

Таким чином, якщо оптимальні форми гістограм розподілу значень зварювального струму і напруги сполучаються з оптимальною формою ТДВАХ, можна зробити висновок, що ДЖ має оптимальні зварювальні властивості.

Розглянемо більш детально гістограму розподілу значень зварювальної напруги, що складається із двох піків: першого - в області малих напруг (показує кількість точок (N1), виміряних на ділянці 2-3-4 (див рис. 17)); другого - в області зварювальних напруг (показує кількість точок (N2), виміряних на ділянці 5-6-1 (див рис. 17)).

В зв’язку з тим, що дискретність вимірів постійна, робимо висновок, що N1 пропорційно часу КЗ (tкз), а N2 пропорційно часу горіння дуги (tд). Тоді час циклу КЗ (tц):

tц= tкз+ tд ~ N1 + N2. (9)

Шляхом обробки на ПЕОМ отриманих осцилограм зварювальної напруги можна визначити кількість КЗ (nкз) за весь час наплавлення (tн). Тоді середнє значення часу циклу КЗ ( ) і середня частота КЗ (fкз) відповідно визначаються по формулах:

, (10) . (11)

Знаючи , визначаємо середні величини часу КЗ ( ) і горіння дуги ( ):

, (12) . (13)

Таким чином, використовуючи гістограми розподілу та відповідні осцилограми зварювальної напруги, а також використовуючи вирази (9) - (13), визначаємо параметри , , . Ці параметри також є критеріями оцінки властивостей ДЖ для зварювання в СО2.

Практичним результатом досліджень дисертаційної роботи є розробка схеми ДЖ (див. рис. 4), що живиться від трифазно-двофазного трансформатора нової конструкції (див. рис. 9). За результатами проведених досліджень в ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАНУ створений дослідний зразок ДЖ для зварювання в СО2.

Проведені відповідно до ГОСТ 25616-83 комплексні випробування зварювальних властивостей дослідного зразка ДЖ показали, що він забезпечує легке запалення зварювальної дуги з першого дотику електродного дроту до виробу; стабільний процес зварювання у всьому діапазоні регулювання; мале розбризкування (до 4%); гарне формування зварювального шва (валик рівномірний, мілкочешуйчатий з плавними переходами до основного металу). Також дослідний зразок ДЖ показав свою придатність при використанні його при дуговому точковому зварюванні нахльосточних з'єднань.

Проведений порівняльний аналіз технічних характеристик дослідного зразка ДЖ з випрямлячами марки ВС-300Б и КИГ-401 показав, що дослідний зразок має значно меншу масу і габарити (див. табл. 3).

Результати порівняльних випробувань зварювальних