Энергетические характеристики процессов контактной стыковой сварки на переменном и постоянном токах
Рассмотрены основные энергетические параметры контактных стыковых машин. Показано, что машины переменного тока по основным параметрам имеют более высокие показатели. Main energy parameters of flash butt welding machines are considered. It is shown that the DC machines have higher values of their m...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Datum: | 2010 |
| Hauptverfasser: | , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2010
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102976 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Энергетические характеристики процессов контактной стыковой сварки на переменном и постоянном токах / С.И. Кучук-Яценко, П.М. Руденко, В.С. Гавриш, В.П. Кривонос, В.М. Сидоренко, Ю.С. Нейло, К.В. Гущин // Автоматическая сварка. — 2010. — № 12 (692). — С. 29-33. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859823322873724928 |
|---|---|
| author | Кучук-Яценко, С.И. Руденко, П.М. Гавриш, В.С. Кривонос, В.П. Сидоренко, В.М. Нейло, Ю.С. Гущин, К.В. |
| author_facet | Кучук-Яценко, С.И. Руденко, П.М. Гавриш, В.С. Кривонос, В.П. Сидоренко, В.М. Нейло, Ю.С. Гущин, К.В. |
| citation_txt | Энергетические характеристики процессов контактной стыковой сварки на переменном и постоянном токах / С.И. Кучук-Яценко, П.М. Руденко, В.С. Гавриш, В.П. Кривонос, В.М. Сидоренко, Ю.С. Нейло, К.В. Гущин // Автоматическая сварка. — 2010. — № 12 (692). — С. 29-33. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Рассмотрены основные энергетические параметры контактных стыковых машин. Показано, что машины переменного
тока по основным параметрам имеют более высокие показатели.
Main energy parameters of flash butt welding machines are considered. It is shown that the DC machines have higher
values of their main parameters.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:27:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.762.03
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ
КОНТАКТНОЙ СТЫКОВОЙ СВАРКИ
НА ПЕРЕМЕННОМ И ПОСТОЯННОМ ТОКАХ
Академик НАН Украины С. И. КУЧУК-ЯЦЕНКО,
П. М. РУДЕНКО, В. С. ГАВРИШ, В. П. КРИВОНОС, кандидаты техн. наук,
В. М. СИДОРЕНКО, Ю. С. НЕЙЛО, К. В. ГУЩИН, инженеры
(Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Рассмотрены основные энергетические параметры контактных стыковых машин. Показано, что машины переменного
тока по основным параметрам имеют более высокие показатели.
К л ю ч е в ы е с л о в а : контактная стыковая сварка, ма-
шины переменного и постоянного тока, энергетические па-
раметры
Выбор оборудования для контактной стыковой
сварки является одним из основных вопросов при
разработке технологии сварки различных конс-
трукций. Существует большое количество типов
контактных машин, в которых используются раз-
личные принципы преобразования электрической
энергии [1, 2]. Поэтому целесообразно провести
сравнение существующих источников питания
машин для контактной стыковой сварки. Неко-
торые из этих вопросов рассмотрены в работе [3].
В настоящее время для электрического питания
машин контактной сварки наибольшее распростра-
нение получили однофазные (двухфазные) источ-
ники питания от сети переменного тока частотой
50 (60 Гц ) и трехфазные источники в таких схемах:
от преобразователей частоты и количества фаз;
от выпрямленного напряжения промышленной
частоты;
от выпрямленного напряжения повышенной
частоты, полученного с помощью инвертора;
от инверторов частотой 40…60 Гц.
Для оценки эффективности применения этих
источников (в основном по энергетическим па-
раметрам) используются следующие показатели:
коэффициент полезного действия η, коэффициент
мощности kм, коэффициент полезного использо-
вания мощности машины χ.
Коэффициент полезного действия η равен от-
ношению активной мощности Pк, выделяемой в
сварочном контакте, к активной мощности на вхо-
де сварочной машины Pвх. Для машины перемен-
ного тока
η = Pк/Pвх = Rк/(Rк + Rк.з), (1)
а для машины с выпрямлением во вторичном кон-
туре
η = Pк/Pвх = Rк/[(Rк + Rк.з) + ΔU(Iсв)/Icв], (2)
где Rк, Rк.з — сопротивление свариваемых деталей
и активное сопротивление короткого замыкания
машины; ΔU(Iсв) — падение напряжения на вып-
рямителе; Iсв — ток сварки.
Коэффициент мощности сварочной машины
kм = Pвх/(UI) = (Rк + Rк.з)/Z, (3)
где U, I — эффективное значение напряжения и
тока на входе сварочной машины; Z — полное
сопротивление машины и свариваемых деталей.
Когда на входе приемника электроэнергии
(сварочной машины) синусоидальное напряже-
ние, а ток несинусоидальный ( при фазовом ре-
гулировании), активная мощность, потребляемая
машиной, определяется только основной гармо-
никой
Pвх = U1I1cos ϕ1,
где U1, I1 — действующие напряжение и ток на
входе сварочной машины и cos ϕ1 для первой гар-
моники.
Очевидно, что U1 = U, так как напряжение
на входе машины синусоидальное и
kм = U1I1cos ϕ1/(UI) = vcos ϕ1, (4)
где v = I1/I — коэффициент искажения, так как
ток на входе сварочной машины может быть не-
синусоидальный.
Коэффициент полезного использования мощ-
ности машины χ
χ = Pк/(UI) = Pк/(Pвх/kм) = ηkм. (5)
Из выражений (1)–(5) очевидно, что
© С. И. Кучук-Яценко, П. М. Руденко, В. С. Гавриш, В. П. Кривонос, В. М. Сидоренко, Ю. С. Нейло, К. В. Гущин, 2010
12/2010 29
η не зависит от угла включения вентилей и
определяется соотношением сопротивления вто-
ричного контура и свариваемых деталей;
с увеличением угла включения вентилей, ко-
торое приводит к росту искажения кривой тока,
коэффициент мощности падает по сравнению с
полнофазным включением и соответственно па-
дает коэффициент использования мощности ма-
шины;
улучшить η, kм и χ контактной машины можно
путем снижения сопротивления короткого замы-
кания машины Rк.з, Xк.з, Zк.з при оптимизации раз-
меров и формы контура машины, а также пони-
жении частоты источника питания.
При стыковой сварке сопротивлением и оп-
лавлением в основном применяют источники пи-
тания переменного и постоянного (выпрямленно-
го) тока [4–7].
В ИЭС им. Е. О. Патона была разработана и
создана машина для стыковой сварки оплавле-
нием постоянным током на базе машины К-724
для определения основных энергетических харак-
теристик процессов при сварке на переменном и
постоянном токах. В качестве источника питания
использовали трехфазный выпрямитель фирмы
«RoMan», содержащий три однофазных трансфор-
матора, первичные обмотки которых включены
треугольником. На базе каждого трансформатора
собран двухполупериодный двухплечный выпря-
митель. В каждом плече включены параллельно
три диода. Таким образом, выпрямитель имеет
18 диодов (рис. 1).
Основные технические характеристики
выпрямителя
Номинальная мощность, кВ⋅А ............................ 180 при ПВ 50 %
Первичное напряжение/частота, В, Гц .............. 400/50
Вторичное переменное напряжение, В .............. 5,55
Выходное постоянное напряжение, В ............... 7,4
(при питании выпрямителя от сети напряжением 380 В
выходное постоянное напряжение 7,1 В)
Конструктивно выпрямитель представляет со-
бой единый блок. Трансформаторы и диоды, ус-
тановленные на радиаторах, имеют водяное охлаж-
дение.
Последовательно с первичными обмотками
трансформаторов включены тиристорные контак-
торы, которые управляются от локальной компь-
ютерной системы КСУ КС [7] и промышленного
компьютера системы верхнего уровня СУ для уп-
равления сварочной машиной в целом (рис. 2).
На вход АЦП, встроенного в систему управления
СУ, подключены датчики основных электричес-
ких параметров: напряжения на выходе выпря-
мителя Uв и на губках машины Uт, тока сварки
Iсв и токов в фазах IA, IB, IC. Для измерения нап-
ряжения использовали преобразователи сигналов
с гальванической изоляцией PSA-01.01.14.18.03
ООО «ПРОМСАТ» (г. Киев), который имеет ди-
апазон измерения от 0 до 10 В при частоте вход-
ного сигнала от 0 до 1 кГц. В качестве
датчиков фазных токов использовали
трансформаторы тока. Для измерения
сварочного тока была собрана схема
выпрямления, на вход которой подклю-
чены выходы фазных трансформаторов
тока.
Выходное напряжение выпрямителя
определяется по среднему значению за
период повторяемости Tп = π/3, который
равен интервалу времени совместной ра-
боты пары вентилей в каждом плече:
Ud0 = ((3 √⎯⎯3 ) ⁄ π)U2л = 2,34U2ф,
где U2л, U2ф — соответственно вторич-
ное линейное и фазное напряжение.
Регулирование вторичного выпрям-
ленного напряжения осуществляется
путем изменения угла включения ти-
ристорных контакторов α.
Рис. 1. Электрическая схема контактной машины постоянно-
го тока
Рис. 2. Блок-схема подключения регистрирующих устройств и системы
управления машиной К-724
30 12/2010
При фазовом регулировании возникают повы-
шенные пульсации вторичного напряжения. Коэф-
фициент пульсации выпрямленного напряжения оп-
ределяется как отношение амплитуды первой гар-
моники к среднему значению напряжения:
Kп = Um1
⁄ Ud = (2 ⁄ m2 – 1)√⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯1 + m2tg2α ,
где m = 6 — количество пульсаций для трехфаз-
ного двухполупериодного выпрямителя.
Для α = 0о Kп = 0,057, а для α = 30о Kп =
= 0,2.
Конструктивные особенности механической
части машины К-724 и выпрямительного блока
с силовыми трансформаторами, мощными диода-
ми и тиристорами не позволили разместить этот
блок в непосредственной близости от губок сва-
рочной машины. В результате активное и индук-
тивное сопротивления сварочного контура оказа-
лись больше, чем у некоторых машин перемен-
ного тока. При питании машины переменным то-
ком использовали сварочный трансформатор типа
ТК-2008-6, конструкция которого позволила под-
ключить его как к месту подсоединения выпря-
мителя (практически стандартный контур), так и
к месту, расположенному в непосредственной
близости от губок машины (оптимизированный
контур). Расчет параметров проводили для двух
этих вариантов.
По результатам измерений и расчетов построены
внешние характеристики сварочной машины
(рис. 3), а также зависимости полезной мощности
(активной мощности, выделяемой в сварочном кон-
такте) от тока нагрузки (рис.4) для переменного
и постоянного тока. При построении этих зави-
симостей приняты следующие данные: диапазон
изменения сварочного тока Iсв = 5…40 кА, паде-
ние напряжения на диодах выпрямительного бло-
ка фирмы «RoMan» (три диода, включенных па-
раллельно) ΔU = 0,57 В при Iсв = 10 кА, ΔU =
= 1,1 В при Iсв = 40 кА, активное сопротивление
контура R = 32 мкОм, индуктивность контура L =
= 0,7 мкГн, сопротивление Rк.з = 96 мкОм.
Параметры сварочного трансформатора типа
ТК-2008-6 машины переменного тока: U2 = 6 В,
активное сопротивление обмоток трансформатора
Rт = 13,6 мкОм, реактивное сопротивление Xт =
= 16 мкОм. С целью создания равных условий ра-
боты источников напряжение U2 уменьшено на
значение падения напряжения на диодах.
Из зависимостей Рк = f(Iсв) (рис. 4) видно, что
полезная мощность при сварке на переменном то-
ке существенно зависит от размеров контура. При
этом в основном диапазоне сварочного тока
(10…20 кА) полезная мощность машины перемен-
ного тока больше, чем машины постоянного тока
даже при стандартном контуре.
Зависимости КПД машин постоянного и пе-
ременного токов, построенные по формулам (1),
(2), приведены на рис. 5. Зависимость коэффи-
циента полезного использования мощности ма-
шины постоянного и переменного тока, построен-
ные по формуле (5), приведены на рис. 6. Здесь
также эти параметры в основном диапазоне сва-
рочного тока больше у машины переменного тока.
Поскольку регулирование напряжения в сва-
рочных машинах в основном осуществляется фа-
зовым способом, необходимо оценить влияние уг-
ла включения тиристоров на энергетические па-
раметры. С этой целью проведено компьютерное
моделирование с помощью программы MatLab и
построены зависимости kм = f(ΔU), χ = f(ΔU) при
фазовом регулировании (рис. 7, 8). При этом рас-
сматривали диапазон регулирования по току и
Рис. 3. Внешние характеристики машины К-724 при питании
постоянным (1) и переменным током со стандартным (2) и
оптимизированным (3) контуром
Рис. 4. Зависимости полезной мощности машины К-724 от
тока нагрузки при питании постоянным (1) и переменным
током со стандартным (2) и оптимизированным (3) контуром
12/2010 31
напряжению питания сварочного трансформатора
1:2 как наиболее используемый. Видно, что ма-
шина переменного тока имеет более высокие по-
казатели.
Важной характеристикой мощных сварочных
машин является их электромагнитная совмести-
мость, т. е. свойство функционировать без ухуд-
шения показателей общей электрической сети.
При работе контактные сварочные машины ока-
зывают существенное влияние на все показатели
качества электрической энергии. В первую оче-
редь это колебания и провалы напряжения сети,
несимметричная загрузка трехфазной сети, гар-
монические составляющие тока и напряжения. По
существу сварочные машины являются источни-
ками электромагнитных помех, которые оказы-
вают вредное влияние как на сами сварочные ма-
шины, так и на другие электроприемники, кото-
рые питаются от этой же сети. Источники питания
сварочных машин должны выбираться с мини-
мальным уровнем электромагнитных помех, до-
пустимый уровень которых определяется стандар-
тами на качество электрической энергии в элек-
трических сетях общего назначения [8].
Поскольку почти все контактные машины
снабжаются тиристорными контакторами, то в за-
висимости от угла включения сварочный ток мо-
жет иметь разный спектр гармонических состав-
ляющих тока. Таким образом, эти машины явля-
Рис. 5. Зависимость коэффициента полезного действия маши-
ны К-724 от значения сварочного тока при питании постоян-
ным (1) и переменным током со стандартным (2) и опти-
мизированным (3) контуром
Рис. 6. Зависимость коэффициента полезного использования
мощности машины К-724 от ее сварочного тока при питании
постоянным (1) и переменным током с увеличенным (2) и
стандартным (3) контуром
Рис. 7. Зависимости коэффициента мощности машины К-724
от относительного изменения напряжения при ее фазовом
регулировании при питании постоянным (1) и переменным
током со стандартным контуром при токе сварки 10 (2) и 20
кА (3)
Рис. 8. Зависимость коэффициента полезного использования
мощности машины К-724 при питании постоянным (1) и
переменным током со стандартным (2) контуром и сварочном
токе 10 кА при фазовом регулировании
32 12/2010
ются источниками высших гармоник тока. Зна-
чение составляющих тока по разным гармоникам
определяет электромагнитную совместимость
сварочных машин и регламентируется стандар-
тами.
Зависимость коэффициента гармоник KTHD
(Total Harmonic Distortion) от относительного нап-
ряжения при фазовом регулировании приведена
на рис. 9. При одном и том же изменении нап-
ряжения машины постоянного тока имеют мень-
ший коэффициент гармоник. В связи с этим целе-
сообразно регулировать напряжение машины пе-
ременного тока при помощи автотрансформатора
или ступеней сварочного трансформатора.
Выводы
1. Такие энергетические показатели, как КПД,
коэффициент мощности, коэффициент полезного
использования мощности в рабочем диапазоне то-
ка и напряжения для стыковой сварки у машин
переменного тока выше, чем у машины с вып-
рямлением напряжения.
2. Основное преимущество трехфазных источ-
ников по сравнению с однофазными связано с
лучшими показателями электромагнитной сов-
местимости, при этом осуществляется равномер-
ная загрузка фаз питающей сети и снижается на
18 % фазный ток при одной и той же потреб-
ляемой мощности.
3. Снижение реактивной составляющей соп-
ротивления вторичного контура практически до
нуля при использовании выпрямителя во вторич-
ном контуре не приводит к снижению полного
сопротивления вторичного контура из-за особен-
ности конструкции машины. Применение диодов
вносит дополнительное электрическое сопротив-
ление в контур.
4. Стоимость комплектующих изделий сило-
вой части однофазного источника, как минимум,
в 12 раз ниже по сравнению с рассмотренным
выпрямительным источником.
1. Патон Б. Е., Лебедев В. К. Электрооборудование для
контактной сварки. — М.: Машиностроение, 1969. —
440 с.
2. Технология и оборудование контактной сварки / Под ред.
Б. Д. Орлова. — М.: Машиностроение, 1986. — 352 с.
3. Перспективы повышения энергетических показателей
при контактной стыковой сварке (Обзор) / С. И. Кучук-
Яценко, Ю. С. Нейло, В. С. Гавриш, К. В. Гущин // Авто-
мат. сварка. — 2010. — № 2. — С. 30–35.
4. Лебедев В. К. Эффективность применения машин пос-
тоянного тока для контактной сварки // Там же. — 1992.
— № 11/12. — С. 3–6.
5. Лебедев В. К., Письменный А. А. Совершенствование
систем питания машин для контактной сварки сопротив-
лением // Сварка и родственные технологии – в XXI век.
— Киев: Наук. думка, 1998. — С. 130–136.
6. Лебедев В. К., Письменный А. А. Системы питания ма-
шин для контактной сварки // Автомат. сварка. — 2001.
— № 11 . — С. 32–36.
7. Гавриш В. С., Руденко П. М. Система автоматического уп-
равления и контроля процесса контактной точечной сварки
КСУ КС 02 // Там же. — 2007. — № 11. — С. 43–46.
8. Жаркий А. Ф., Палачев С. А. Законодательное регулиро-
вание эмиссии высших гармоник тока в системах элект-
роснабжения стран Евросоюза // Техн. електродинаміка.
— 2005. — № 6. — С. 57–61.
Main energy parameters of flash butt welding machines are considered. It is shown that the DC machines have higher
values of their main parameters.
Поступила в редакцию 05.07.2010
Рис. 9. Зависимость коэффициента гармоник от относитель-
ного изменения напряжения при фазовом регулировании ма-
шины К-724 при питании постоянным (1) и переменным
током со стандартным контуром (2)
12/2010 33
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-102976 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:27:59Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кучук-Яценко, С.И. Руденко, П.М. Гавриш, В.С. Кривонос, В.П. Сидоренко, В.М. Нейло, Ю.С. Гущин, К.В. 2016-06-13T05:08:02Z 2016-06-13T05:08:02Z 2010 Энергетические характеристики процессов контактной стыковой сварки на переменном и постоянном токах / С.И. Кучук-Яценко, П.М. Руденко, В.С. Гавриш, В.П. Кривонос, В.М. Сидоренко, Ю.С. Нейло, К.В. Гущин // Автоматическая сварка. — 2010. — № 12 (692). — С. 29-33. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102976 621.791.762.03 Рассмотрены основные энергетические параметры контактных стыковых машин. Показано, что машины переменного тока по основным параметрам имеют более высокие показатели. Main energy parameters of flash butt welding machines are considered. It is shown that the DC machines have higher values of their main parameters. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Производственный раздел Энергетические характеристики процессов контактной стыковой сварки на переменном и постоянном токах Power characteristics of processes for d.c and a.c.flash butt welding Article published earlier |
| spellingShingle | Энергетические характеристики процессов контактной стыковой сварки на переменном и постоянном токах Кучук-Яценко, С.И. Руденко, П.М. Гавриш, В.С. Кривонос, В.П. Сидоренко, В.М. Нейло, Ю.С. Гущин, К.В. Производственный раздел |
| title | Энергетические характеристики процессов контактной стыковой сварки на переменном и постоянном токах |
| title_alt | Power characteristics of processes for d.c and a.c.flash butt welding |
| title_full | Энергетические характеристики процессов контактной стыковой сварки на переменном и постоянном токах |
| title_fullStr | Энергетические характеристики процессов контактной стыковой сварки на переменном и постоянном токах |
| title_full_unstemmed | Энергетические характеристики процессов контактной стыковой сварки на переменном и постоянном токах |
| title_short | Энергетические характеристики процессов контактной стыковой сварки на переменном и постоянном токах |
| title_sort | энергетические характеристики процессов контактной стыковой сварки на переменном и постоянном токах |
| topic | Производственный раздел |
| topic_facet | Производственный раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/102976 |
| work_keys_str_mv | AT kučukâcenkosi énergetičeskieharakteristikiprocessovkontaktnoistykovoisvarkinaperemennomipostoânnomtokah AT rudenkopm énergetičeskieharakteristikiprocessovkontaktnoistykovoisvarkinaperemennomipostoânnomtokah AT gavrišvs énergetičeskieharakteristikiprocessovkontaktnoistykovoisvarkinaperemennomipostoânnomtokah AT krivonosvp énergetičeskieharakteristikiprocessovkontaktnoistykovoisvarkinaperemennomipostoânnomtokah AT sidorenkovm énergetičeskieharakteristikiprocessovkontaktnoistykovoisvarkinaperemennomipostoânnomtokah AT neiloûs énergetičeskieharakteristikiprocessovkontaktnoistykovoisvarkinaperemennomipostoânnomtokah AT guŝinkv énergetičeskieharakteristikiprocessovkontaktnoistykovoisvarkinaperemennomipostoânnomtokah AT kučukâcenkosi powercharacteristicsofprocessesfordcandacflashbuttwelding AT rudenkopm powercharacteristicsofprocessesfordcandacflashbuttwelding AT gavrišvs powercharacteristicsofprocessesfordcandacflashbuttwelding AT krivonosvp powercharacteristicsofprocessesfordcandacflashbuttwelding AT sidorenkovm powercharacteristicsofprocessesfordcandacflashbuttwelding AT neiloûs powercharacteristicsofprocessesfordcandacflashbuttwelding AT guŝinkv powercharacteristicsofprocessesfordcandacflashbuttwelding |