Устройство для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, создаваемой контактной стыковой машиной

 

Изобретение относится к области сварки. Технический результат - обеспечение равномерности распределения токов в трехфазной питающей сети. Устройство содержит компенсатор реактивной мощности и симметрирующее устройство, образующие n одинаковых модулей, реактивные элементы которых подключены через тиристорные контакторы к нагрузке и к свободной фазе по схеме Штейнметца. Устройство содержит датчик уровня сварочного тока, имеющий n выходов и соединенный с трансформатором тока в первичной цепи сварочного трансформатора, формирователь импульсов, синхронизированный с фазами сети, питающими индуктивные элементы модулей, выход которого соединен со входом блока фазовой задержки импульсов. Устройство также содержит формирователи импульсов, синхронизированные с фазами сети, питающими емкостные элементы модулей и подключенные параллельно соответствующим тиристорным контакторам, блок управления упомянутыми модулями, состоящий из n одинаковых каналов. Каждый из каналов содержит три синхронных триггера, выходы которых подключены к блокам управления тиристорными контакторами соответствующего модуля, а объединенные информационные входы триггеров каждого канала подключены к соответствующему выходу датчика уровня сварочного тока, при этом объединенные тактовые входы одного из триггеров каждого канала подключены к выходу блока фазовой задержки импульсов, а тактовые входы двух других триггеров каждого канала подключены к выходам соответствующих формирователей импульсов, синхронизированных с фазами сети, питающими емкостные элементы соответствующего модуля. 2 ил.

Настоящее изобретение относится к области сварки, а более точно - к устройству для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, создаваемой контактной стыковой машиной.

Уровень техники.

Известно устройство для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, состоящее из двух 3-фазных тиристорных выпрямителей, включенных встречно-параллельно и работающих на общую нагрузку - первичную обмотку сварочного трансформатора (Низкочастотная контактная машина ЦСТП-25-42 для стыковой сварки непрерывным оплавлением котельных труб, "Сварочное производство", 1990, N 2, с. 22-24, Н.В.Подола, Е.П.Кривонос, А.А.Данько и др.). Один из выпрямителей формирует положительные, а второй - отрицательные полуволны выходного напряжения низкой частоты. Однако при использовании низкой частоты значительно увеличиваются габариты и масса сварочного трансформатора. Поэтому контактные стыковые машины с тиристорными преобразователями частоты и числа фаз в качестве симметрирующих устройств не нашли широкого промышленного применения.

Известны машины для контактной стыковой сварки, работающие на постоянном токе. В этих машинах функции симметрирующего устройства выполняют три однофазных сварочных трансформатора или один трехфазный трансформатор, ко вторичным обмоткам которого подключен выпрямитель (см., например, "Canadian Welder and Fabricator" - 1989, 80, N 9, с. 15, 17-19, Butt welding with three-phase DC power).

Недостатки известного устройства заключаются в значительном падении напряжения на диодах (до 30% от номинального напряжения холостого хода сварочной цепи), а также в высших гармониках, обусловленных схемой выпрямления. Они проникают в 3-фазную систему и искажают форму кривой напряжения. Кроме того, усложняется конструкция вторичного контура сварочной машины.

Известно устройство для симметрирования однофазной нагрузки (см., например, патент ГДР N 213796, МКИ H 02 J 3/26, 1983), содержащее регулировочный трансформатор, подключенный к двум фазам питающей сети, а между его отводом и третьей фазой включен симметрирующий конденсатор. Недостаток известного устройства состоит в том, что в нем не предусмотрена компенсация реактивной мощности сварочной машины. Кроме того, емкость конденсатора и положение отвода трансформатора должны соответствовать определенному значению тока нагрузки. Поэтому при переменной нагрузке, имеющей место, например, в процессе контактной стыковой сварки оплавлением, получить равномерную загрузку 3-х фаз при использовании известного устройства невозможно.

Известно также устройство для симметрирования однофазной нагрузки (см., например, патент ФРГ N 3927437, 1989, H 02 J 3/26, B 23 K 11/24), взятое нами за прототип. Устройство содержит один модуль реактивных элементов, состоящий из компенсатора реактивной мощности, включенного параллельно первичной обмотке сварочного трансформатора, и симметрирующего устройства, состоящего из последовательно соединенных конденсатора и дросселя, общая точка которых подключена к свободной фазе, а две другие к фазам нагрузки. Устройство содержит также измерители сварочного тока и напряжения, включенные в первичную цепь сварочного трансформатора, выходы которых соединены с блоком управления, в котором производится измерение активной и реактивной мощностей и определение параметров, необходимых для компенсации и симметрирования однофазной нагрузки.

Данное устройство обеспечивает равномерное распределение тока по трем фазам питающей сети при неизменных параметрах нагрузки. Однако в процессе контактной стыковой сварки оплавлением сопротивление сварочного контакта изменяется в широких пределах - от некоторой минимальной величины до бесконечности. Соответственно должна изменяться мощность компенсирующих и симметрирующих элементов. Практически осуществить плавное регулирование индуктивности в широких пределах очень сложно, а емкости - невозможно. Поэтому использование известного устройства при контактной стыковой сварке не дает желаемого эффекта.

Другим недостатком известного устройства является то, что в нем не решены проблемы коммутации реактивных элементов большой мощности, из-за чего может возникнуть аварийная ситуация, когда ток в питающей сети во много раз превышает ток нагрузки.

Сущность изобретения.

В основу изобретения положена задача создать устройство для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, создаваемой контактной стыковой машиной, обеспечивающее равномерное распределение токов в 3-фазной питающей сети за счет автоматического подключения реактивных элементов необходимой мощности.

Поставленная задача решается тем, что устройство для симметрирования однофазной нагрузки, содержащее трансформатор тока, включенный в первичную цепь сварочного трансформатора, компенсатор реактивной мощности, включенный параллельно первичной обмотке сварочного трансформатора, и симметрирующее устройство, состоящее из конденсатора и дросселя, один из выводов которых соединен со свободной фазой сети, а вторые выводы - с фазами нагрузки сети, согласно изобретению, состоит из n одинаковых модулей, конденсаторы и дроссели которых подключены к упомянутым фазам через тиристорные контакторы, при этом в устройство дополнительно введены датчик уровня сварочного тока, имеющий n выходов и соединенный с трансформатором тока; формирователь импульсов, синхронизированных с фазами сети, питающими дроссели модулей, выход которого соединен со входом блока фазовой задержки импульсов; формирователи импульсов, синхронизированных с фазами сети, питающими конденсаторы модулей, и подключенные параллельно соответствующим тиристорным контакторам; блок управления упомянутыми модулями, состоящий из n одинаковых каналов, каждый из которых содержит три синхронных триггера, выходы которых подключены к блокам управления тиристорными контакторами соответствующего модуля, а объединенные информационные входы триггеров каждого канала подключены к соответствующему выходу датчика уровня сварочного тока, при этом объединенные тактовые входы одного из триггеров каждого канала подключены к выходу блока фазовой задержки импульсов, а тактовые входы двух других триггеров каждого канала подключены к выходам соответствующих формирователей импульсов, синхронизированных с фазами сети, питающими конденсаторы соответствующего модуля.

Такое модульное выполнение силовой части устройства для симметрирования, а также блока управления упомянутыми модулями позволяет автоматически изменять параметры устройства при изменении нагрузки, за счет чего достигается равномерное распределение токов по трем фазам питающей сети и исключаются аварийные ситуации при коммутации реактивных элементов большой мощности.

Перечень фигур чертежей.

В дальнейшем изобретение поясняется примером выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг. 1 изображает блок-схему устройства для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, создаваемой контактной стыковой машиной, согласно изобретению; фиг. 2 - графики, иллюстрирующие эффективность симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, когда устройство содержит один (а), два (б) и три (в) модуля реактивных элементов.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Устройство для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, создаваемой контактной стыковой сварочной машиной, согласно изобретению, содержит трансформатор тока 1 (фиг. 1), включенный в первичную цепь сварочного трансформатора 2. Выход трансформатора тока 1 соединен со входом датчика уровня сварочного тока 3, имеющего n выходов. Параллельно первичной обмотке сварочного трансформатора 2 включен компенсатор реактивной мощности 4, состоящий из n одинаковых блоков 5 (5n), соединенных параллельно. Каждый блок содержит конденсаторную батарею 6, подключенную к фазам нагрузки А, В через тиристорный контактор 7. Параллельно тиристорам контактора 7 подключен формирователь импульсов 8, синхронизированных с фазами сети А, В.

Симмерирующее устройство 9 состоит из n одинаковых блоков конденсаторных батарей 10 (10n), соединенных параллельно, и n одинаковых блоков дросселей 11 (11n), соединенных также параллельно между собой. Каждый емкостной блок 10 (10n) содержит батарею конденсаторов 12, подключенную к фазе нагрузки В и к свободной фазе С через тиристорный контактор 13. Параллельно последнему соединен формирователь импульсов 14, синхронизированных с фазами сети В, С. Каждый индуктивный блок 11 (11n) содержит дроссель 15, подключенный к фазе нагрузки А и к свободной фазе С через тиристорный контактор 16. К этим же фазам (А, С), питающим индуктивные блоки 11 (11n), подключен формирователь синхронизированных импульсов 17, выход которого соединен со входом блока фазовой задержки 18 упомянутых импульсов. Емкостные блоки 5, 10 и индуктивный блок 11 образуют один модуль реактивных элементов устройства согласно изобретению.

Блок управления 19 модулями устройства состоит из n одинаковых каналов, каждый из которых содержит три субблока 20, 21, 22 (20n, 21n, 22n) для управления соответственно компенсатором реактивной мощности 5(5n), конденсаторной батареей 10 (10n) и дросселем 11 (11n) одного модуля. В свою очередь каждый субблок 20 (21, 22) состоит из синхронного триггера 23(24, 25), к выходу которого подключен блок управления 26 (27, 28) соответствующим тиристорным контактором названного модуля. При этом объединенные информационные входы синхронных триггеров 23, 24, 25 первого канала подключены к первому выходу датчика уровня сварочного тока 3. Объединенные информационные входы синхронных триггеров других каналов подключены аналогично. Объединенные тактовые входы триггеров субблоков 22, 22n соединены с выходом блока фазовой задержки импульсов 18. Тактовые входы триггеров 20, 21 соединены с выходом формирователей синхронизированных импульсов 8, 14 соответственно. Аналогично подключены тактовые входы триггеров субблоков 20n, 21n к формирователям синхронизированных импульсов в блоках 5n и 10n соответственно.

Тиристорные контакторы 7, 13, 16 представляют собой два силовых тиристора включенных встречно-параллельно. Их назначение - коммутация силовых реактивных элементов модулей устройства. Поскольку контакторы 7, 13, 16 работают в режиме "включено-выключено", то к блокам управления тиристорными контакторами 26, 27, 28 особых требований не предъявляется.

Формирователи синхронизированных импульсов 8, 14, 17 представляют собой преобразователи синусоидального напряжения соответствующих фаз в последовательность коротких импульсов, формирующихся в точках перехода синусоиды через ноль. В блоке задержки 18 входные импульсы сдвигаются по фазе на 90 электрических градусов относительно фаз А, С, питающих индуктивную нагрузку. Датчик 3 уровня сварочного тока содержит измерительный узел и n компараторов, имеющих разное задание величины уровня сварочного тока. На соответствующих выходах датчика 3 появляются сигналы логической "1", если сварочный ток достигает заданного значения.

Предложенное устройство для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки работает следующим образом. Реактивная мощность, которую необходимо компенсировать, а также активная мощность, необходимая для симметрирования нагрузки, прямопропорциональны току нагрузки. Поэтому параметры устройства, согласно изобретению, изменяются в зависимости от величины сварочного тока.

В исходном состоянии, когда нет сварочного тока, на всех выходах датчика 3 уровня сварочного тока сигнал логического "0". Такой же сигнал на выходе всех синхронных триггеров запрещает включение тиристорных контакторов. Поэтому все реактивные элементы модулей обесточены. В таком состоянии схема находится до тех пор, пока ток в сварочной цепи не превысит величину тока холостого хода сварочного трансформатора. При достижении уровня срабатывания первого компаратора датчика 3 на его первом выходе появляется сигнал логической "1", который поступает на информационные входы синхронных триггеров 23, 24 и 25 первого канала блока управления 19, подготавливая включение реактивных элементов первого модуля. В момент прихода очередного импульса синхронизации с формирователя 8 на тактовый вход триггера 23 последний переключается и на его выходе появляется сигнал логической "1" - разрешение блоку управления 26 на отпирание тиристорного контактора 7. При этом подключается к сети конденсаторная батарея 6 первого блока 5 компенсатора реактивной мощности 4.

В момент прихода очередного импульса синхронизации с формирователя 14 на тактовый вход триггера 24 последний переключается и на его выходе появляется сигнал логической "1" - разрешение блоку управления 27 на отпирание тиристорного контактора 13. При этом подключается к сети конденсаторная батарея 12 первого блока 10 симметрирующего устройства 9. С приходом очередного импульса синхронизации с блока задержки 18 на тактовый вход триггера 25 последний переключается и на его выходе появляется сигнал логической "1" - разрешение блоку 28 на отпирание тиристорного контактора 16. При этом подключается к сети дроссель 15 первого модуля симметрирующего устройства 9. Таким образом, при достижении уровня сварочного тока, при котором срабатывает первый компаратор датчика 3, все реактивные элементы первого модуля устройства для симметрирования подключены к 3-фазной сети.

С увеличением нагрузки сварочный ток достигает уровня срабатывания второго компаратора датчика 3. На втором выходе последнего появляется сигнал логической "1" и происходит подключение к 3-фазной сети второго модуля устройства для симметрирования аналогично подключенного первого модуля, как описано выше.

В зависимости от диапазона изменения сварочного тока и дискретности задания в датчике 3 уровней сварочного тока работает одновременно то или иное количество модулей реактивных элементов, т. е. симметрирование однофазной нестационарной нагрузки происходит автоматически. При этом исключается возникновение аварийных ситуаций в сети, когда коммутируются реактивные элементы большой мощности, поскольку емкостные блоки компенсатора реактивной мощности и симметрирующего устройства подключаются к фазам сети в момент перехода синусоиды напряжения через ноль на соответствующей конденсаторной батарее, а блоки дросселей - со сдвигом по фазе на 90 электрических градусов. При перерывах в протекании сварочного тока (например, на этапе возбуждения процесса оплавления) и после осадки деталей на всех выходах датчика 3-го уровня сварочного тока сигнал логического "0" возвращает устройство для симметрирования в исходное выключенное состояние.

Дискретный характер регулирования параметров устройства для симметрирования при переменной нагрузке обеспечивает полное симметрирование при n определенных значениях величины сварочного тока. При других значениях тока происходит неполное симметрирование однофазной нагрузки. Тем не менее использование предложенного устройства по сравнению с прототипом дает значительный эффект.

Действительно, однофазную нагрузку можно представить в виде суммы прямой и обратной симметричных составляющих тока. Если нагрузка подключена к фазам A и B (см. фиг. 1), то ток в фазе А I_A = I, а ток в фазе В I_B = -I, где I - ток нагрузки. Задача симметрирования нагрузки в 3-фазной трехпроводной системе при симметричных питающих напряжениях сводится к компенсации обратной составляющей тока I_A2, наибольшее значение которой соответствует величине Если распределение нагрузки в диапазоне 0<I равновероятно, то сопротивления реактивных элементов X_L и X_C каждого модуля могут быть выбраны из условия равенства тока нагрузки на один модуль симметрирующего устройства: Из графиков, приведенных на фиг. 2, видно, что при n=1 (прототип) максимальная несбалансированная часть обратной составляющей тока тогда как при n=2 при n=3 Из сравнения приведенных данных следует, что симметрирующее устройство, имеющее три модуля реактивных элементов, снижает вдвое максимальную несбалансированную часть обратной составляющей тока нагрузки по сравнению с прототипом и в 4 раза по сравнению с однофазной нагрузкой. С увеличением количества модулей реактивных элементов достигается более полное симметрирование однофазной переменной нагрузки.

Предложенное устройство может быть использовано на контактных стыковых машинах при сварке непрерывным и пульсирующим сплавлением, а также с предварительным подогревом сопротивлением.

Формула изобретения

Устройство для симметрирования однофазной нестационарной нагрузки, создаваемой контактной стыковой машиной, содержащее трансформатор тока, включенный в первичную цепь сварочного трансформатора, компенсатор реактивной мощности, включенный параллельно первичной обмотке сварочного трансформатора, и симметрирующее устройство, состоящее из конденсатора и дросселя, один из выводов которых соединен со свободной фазой сети, а вторые выводы - с фазами нагрузки сети, отличающееся тем, что симметрирующее устройство состоит из n одинаковых модулей, конденсаторы и дроссели которых подключены к упомянутым фазам через тиристорные контакторы, при этом в устройство дополнительно введены датчик уровня сварочного тока, имеющий n выходов и соединенный с трансформатором тока, формирователь импульсов, синхронизированных с фазами сети, питающими дроссели модулей, выход которого соединен со входом блока фазовой задержки импульсов, формирователи импульсов, синхронизированных с фазами сети, питающими конденсаторы модулей и подключенные параллельно соответствующим тиристорным контакторам, блок управления модулями, состоящий из n одинаковых каналов, каждый из которых содержит три синхронных триггера, выходы которых подключены к блокам управления тиристорными контакторами соответствующего модуля, а объединенные информационные входы триггеров каждого канала подключены к соответствующему выходу датчика уровня сварочного тока, при этом объединенные тактовые входы одного из триггеров каждого канала подключены к выходу блока фазовой задержки импульсов, а тактовые входы двух других триггеров каждого канала подключены к выходам соответствующих формирователей импульсов, синхронизированных с фазами сети, питающими конденсаторы соответствующего модуля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2