5.2 Типові структури та основні пристрої систем автоматичного керування процесом 1 машинами точкового і шовного зварювання

Розімкнені системи програмного керування і системи керування за збуренням (системи компенсації) набули найбільшого поширення у контактному зварюванні.

Рисунок 5.5 – Система розімкненого керу­вання та автоматичної компенсації

Система програмно­го керування (СПК) скла­дається з таких основних компонен­тів (рисунок 5.5): пристрою задавання циклу зварювання РЦЗ і виконав­чих пристроїв — тиристорного кон­тактора ТК, який вмикає трансфор­матор зварювальної машини ЗМ до мережі, і привода рухомого елек­трода — привода стиснення ПС із апаратурою керування. Пристрої задавання циклу зварювання нази­вають регуляторами циклу зварю­вання РЦЗ або регуляторами часу РЧ, хоча по суті вони є задатчиками струму і часу. До складу РЦЗ вхо­дять блоки задавання часу БЗЧ, струму БЗС і фазообертач Ф. РЦЗ, діючи на ТК, забезпечує вмикан­ня і вимикання трансформатора і зварювальної машини ЗМ. Систе­ма, що розглядається, забезпечує жорстке програмування часових інтервалів циклу, зварювання, струмів зварювання, підігрівання та відпалювання, а також керування роботою привода стиснення ПС зварювальної машини. Основна перевага розімкнених систем керу­вання — простота і швидкодія апаратури, яка застосовується у них.

Широкого розповсюдження набули найпростіші системи з РЦЗ, які забезпечують задавання постійних значень часу та струму зварю­вання. Якщо потрібна модуляція зварювального струму, то засто­совують системи, які дають змогу здійснити плавне нарощування струму. Найдосконаліші серед розімкнених СПК змінюють зварюваль­ний струм за програмою, яка забезпечує виконання високоякісного з'єднання. У цих системах як БЗС використовують програмуючі при­строї.

У конденсаторних машинах система керування складається з бло­ку, що забезпечує заряджання конденсаторної батареї до потрібної напруги і тиристорного ключа для розрядження конденсаторів на зварювальний трансформатор.

Недоліком розімкнених СПК є незалежність керуючих дій від фактичного стану зварювального процесу, оскільки збурення В1— BN, виникнення і дію яких не можна заздалегідь передбачити, не враховуються в законі керування.

Усунення зазначеного недоліку забезпечується в розімкне­них системах із регулюванням за збурен­ням (системах компенсації), які поряд із розглянутими блоками РЦЗ, ТК, ПС містять блоки компенсації БКІ—BKN (рисунок 5.5). Ці блоки призначені для вимірювання найістотніших збурень і

Рисунок 5.6 – Схема заміщення зварювальної машини

Рисунок 5.7 – Регулювальні ха­рактеристики зварювальної машини

формування додаткових компенсуючих дій, які на вході фазообертача підсумо­вуються з діями від БЗЧ та БЗС. Тоді результуюча» керуюча напруга на вході фазообертача, що визначає кут вмикання тиристорів контак­тора ТК,

(5.1)

де — напруга від блоків БЗС та БЗЧ; .— напруга компен­сації з блоку БК_і; k_і — коефіцієнт пропорційності; п — кількість враховуваних збурюючих дій.

Якщо вірно обрано знак і значення коефіцієнтів пропорційності в рівнянні (5.1), кут зміниться таким чином, що вплив збурень на режим зварювання виявиться скомпенсованим. Щоб досягти повної компенсації збурень, треба обрати коефіцієнт k_і враховуючи неліній­ний характер залежності . Найуспішніше це завдання можна розв'язати на основі застосування мікропроцесорної тех­ніки.

Якщо проектують системи автоматичного керування з тиристор­ним контактором як виконавчим пристроєм, то першочерговим зав­данням є визначення регулюючої характеристики, що встановлює зв'я­зок між діючим значенням зварювального струму і кутом вмикан­ня тиристорів при різних . Для цього розглянемо схему заміщен­ня зварювальної машини разом із тиристорним контактором (рисунок 5.6), будуючи яку, взято такі позначення: — напруга джерела живлення (мережі змінного струму); —кут вмикання тиристора; R, L — зведені до первинної обмотки трансформа­тора машини ЗМ активний опір і індуктивність відповідно; S — зустріч­но-паралельно ввімкнені тиристори; Us — спадання напруги на ти­ристорах. Електричні процеси, що відбуваються у такому колі, опи­сують рівнянням

(5.2)

Нехтуючи спаданням напруги Us, з огляду на його малість, діста­немо розв'язок рівняння (5.2) у відносних одиницях:

де

(5.3)

У момент природного вимикання тиристорів струм і' = 0, а три­валість його протікання залежить від значення , де — кут вимкнення тиристора. Параметр , визначають із рівняння (5.3), якщо взяти . Якщо розраховують регулюючі характе­ристики , то діюче значення струму визначають за форму­лою

(5.4)

За формулою (5.4) побудовано ряд регулюючих характеристик при різних значеннях кута (рисунок 5.7). Користуючись цими характери­стиками, можна визначити значення струму І_еф за заданим кутом а вмикання тиристорів. Можна розв'язати також зворотне завдання: за потрібним значенням зварювального струму визначають потрібний кут вмикання тиристорів.

За малого часу зварювання с форма імпульсу струмів у кожному півперіоді істотно позначається на характеру процесу теп­ловиділення. Форма імпульсу струму та його передній фронт зале­жать від кутів і . Крутість попереднього фронту імпульсу струму характеризує швидкість зростання стру­му в початковий момент часу:

(5.5)

Для будь-яких значень похідна має максимум.

(рисунок 5.8). Найкрутіший передній фронт імпульсу струму має місце за малих зна­чень і , а найпологіший — за великих (наприклад, при введенні до­даткової індуктивності) і . Змен­шувати кут доцільно також,

Рисунок 5.9 – Схема тиристорного контактора

щоб досяг­ ти максимального використання актив­ної потужності. При цьому слід урахо­вувати: якщо с, тобто під час зварювання, що провадиться кількома півперіодами струму, то щоб уникнути аварійного ви­прямного режиму, за якого від­бувається пропускання вмикан­ня другого тиристора, потрібно дотримуватись умови

(5.6)

Тиристорні контактори. Як керовані вентилі в контакторах, що призначено для вмикання, вимикання, а також змінювання зварювального струму в контактних машинах, застосовують тиристо­ри які мають значні переваги порівняно з використовуваними три­валий час ігнитронами: мале спадання напруги на вентилі; невелику масу і габаритні розміри; високу надійність; значний термін служби тощо.

Регулювання діючого значення зварювального струму через кон­тактор здійснюється зміщенням щодо напруги мережі моменту пода­вання імпульсу до керуючого електрода вентиля. Особливістю робо­ти контактора є втрата ним керованості в кожному півперюді з момен­ту вмикання до моменту часу, коли струм проходить через нульове

значення.

Принципову схему тиристорного контактора наведено на рисунок 5.9. Два тиристори VS1 і VS2 увімкнено зустрічно-паралельно. їхні ке­руючі електроди через діоди VD1, VD2 і резистори R1, R2 підімкнено до обмоток ІІ і ІІІ трансформатора Т. Первинну обмотку 1 трансфор­матора Т увімкнено до виходу регулятора циклу зварювання РЦЗ, а паралельно тиристорам - коло R3 -R4-C1. Первинну обмотку зва­рювального трансформатора ЗТ зашунтовано резистором R5. Схему сигналізації складено на діодах VD3—VD6, резисторах R6, R7, кон­денсаторі С2 і тиратроні з холодним катодом (або неоновій лампі)V1.

У вихідному стані тиристори VS1 і VS2 закриті і не проводять струм Від РЦЗ на обмотку І трансформатора Т надходять уніполяр­ні симетричні імпульси з частотою, яка вдвічі перевищує частоту ме­режі Від вторинних обмоток ІІ і ІІІ ці імпульси подаються до керу­ючих електродів VS1 і VS2. Оскільки тиристори з'єднано зустрічно­паралельно, то ввімкнеться той із них, до аноду якого в даний момент часу прикладено позитивну півхвилю напруги. В наступний півпері­од увімкнеться інший тиристор, і таким чином через зварювальний трансформатор ЗТ протікатиме змінний струм. Резистори R1, R2 є обмежниками струму в колі керуючих електродів VS1 і VS2. Обмеж­ником швидкості зростання напруги на тиристорах під час комутації і понижувачем імпульсних перенапруг є коло R3 — R4 — R5 — C1.

Схема сигналізації дає змогу контролювати режим повнофазового струму. У вихідному стані, якщо тиристори VS1, VS2 не проводять струм, до індикатора V1 через випрямний міст прикладено напругу мережі і він запалюється. Якщо тиристори VS1, VS2 відкриті, інтен­сивність світіння індикатора залежить від фази їхнього вмикання. В граничних станах, коли через зварювальний трансформатор проті­кає повнофазний струм, опір контактора і спадання напруги на ньому мінімальні і тиратрон V1 гасне. Згладжуючий конденсатор С2 призна­чений для підвищення стійкості горіння тиратрона.

Вітчизняна промисловість випускає кілька типів тиристорних контакторів, якими комплектуються контактні машини для точкового і шовного зварювання. Основна відмінність цих контакторів полягає в силових тиристорах, які встановлюють залежно від потрібного но­мінального струму.

Регулятори циклу зварювання призначені для того, щоб зада­вати часові інтервали зварювального циклу, плавного регулювання зварювального струму, а також вмикання і вимикання в задані момен­ти часу пневматичних клапанів зварювальної машини. Основні еле­менти регуляторів: блоки задавання часу БЗЧ] струму БЗС і фазообер­тач Ф (див. рисунок 5.5).

Блоки задавання часу БЗЧ регуляторів відпрацьовують встановлю­вані оператором тривалості основних (див. рисунок 5.3) і додаткових операцій: «попереднє стиснення», «підігрівання», «відпалювання» то­що. БЗЧ будують на основі обчислювальних схем, які працюють за дискретним принципом. Основним елементом таких схем є лічиль­ник електричних імпульсів, виконаний як одне ціле (декатрон, інте­гральна мікросхема) або складений із окремих елементів (тригер, феритдіодна комірка). Принцип роботи цих схем такий. До входу лі­чильника подають імпульси частотою 50 чи 100 Гц, які формуються генератором синхронно з мережею. Лічильник відлічує потрібну кіль­кість імпульсів, задану установкою за допомогою перемикачів. Коли число імпульсів, що надходять до входу лічильника, дорівнюватиме заданому, витримка часу закінчується і відбувається спрацьовування виконавчого пристрою.

Розглянемо блоки задавання сили і форми імпульсу зварювального струму БЗС. У найпростішому випадку струм задають за допомогою постійної керуючої напруги, що подається до входу фазообертача. В деяких схемах БЗС суміщено з фазообертачем, задавання струму здійснюється зміною опору резистора, увімкненого в мостову схему фазообертача.

Щоб задавати плавне наростання і зниження струму, можна за­стосовувати модулятори, принцип роботи яких грунтується на заря­джанні або розряджанні конденсатора. До входу фазообертача у цьому разі подають керуючу напругу U_кер, що змінюється за законами наростання або зменшення:

або (5.7)

Ці модулятори застосовують у багатьох регуляторах циклу зва­рювання, наприклад типу РЦС, РВТ. Основна їхня перевага — про­стота схемної реалізації та надійність у роботі. Однак вони мають істотні недоліки:

а) швидкість наростання U_кер, а отже, і зварювального струму на початку циклу більша, ніж у кінці, оскільки

(5.8)

і якщо _{то а якщо то}

Це збільшує можливість утворення вибризкувань на початку зва­рювання, що знижує ефективність застосування модуляторів, оскіль­ки їхнє основне призначення — це зменшення початкових вибризку­вань;

б) неможливість задавання форми імпульсу зварювального стру­му, відмінної від експоненціальної, що обмежує технологічні можли­вості процесу зварювання;

в) імовірність виникнення постійної складової в первинній обмот­ці зварювального трансформатора, оскільки при безперервній зміні керуючої напруги кути вмикання вентилів тиристорного контактора в позитивному і негативному півперіодах виявляються різними.

Щоб задавати керуючу напругу U_кер іншої форми, слід використо­вувати модулятори, в яких перетворюється вихідний сигнал і таким чином забезпечується потрібна форма імпульсу зварювального струму. Наприклад, лінійні модулятори, вихідна напруга яких змінюється за законом U_Kep = kt, або квадратичні модулятори, для яких U_Kep = kt². В останньому випадку забезпечується плавне наростання струму зі змінною швидкістю, яка збільшується з часом, що істотно зменшує ймовірність появи вибризкувань на початку зварювання.

Рисунок 5.10 – Ступінчасте задавання форми імпульсу струму; а — через період; б — через півперіод

Н айбільші можливості мають програмуючі пристрої, які

працюють на дискретному принципі і дають змогу задавати U_Kep не у вигляді безперервної кривої, а ступінчасто (рисунок 5.10, а, б). Ступінь U_Kep за­лишається постійним протягом кожного періоду. При цьому можна задавати будь-яку форму кривої струму з потрібною точністю. Про­граму режиму зварювання можна записати в пам'ять ЕОМ або на окремому носії, наприклад перфокарті у цифровому вигляді, і далі автоматично повторювати потрібну кількість разів.

а — схема; б — векторна діаграма; ПО — підсилювач-обмежник; ФІ — формувач імпульсів

Рисунок 5.11 – Фазообертач

Рисунок 5.12 – Схема імпульсного фазообер­тача

зварювання можна записати в пам'ять ЕОМ або на окремому носії, наприклад перфокарті у цифровому вигляді, і далі автоматично повторювати потрібну кількість разів. Такі програмуючі пристрої можна застосовувати при індивідуальному і груповому ке­руванні зварювальними машинами та використовувати замість кіль­кох звичайних регуляторів циклу зварювання.

Напругу U_Kep, яку виробляє БЗС чи програмуючий пристрій, подають до входу фазообертача, що формує імпульси

вмикання тири­сторів контактора. Змінюючи фазу цих імпульсів щодо синусоїди жи­вильної напруги, можна плавно регулювати ефективне значення зварювального струму.

Фазообертачі найпростішої конструкції виконують за мостовою схемою (рисунок 5.11, а, б) із регулюванням фази вихідної напруги 11%, U_RP1, змінюючи активний опір RP2 — «нагрівання».

Імпульсні фазообертачі (рисунок 5.12) містять генератор пилкоподібної напруги і вузол порівнювання (компаратор). Генератор пилкоподібної напруги складено на транзисторі VT1. У вихідному положенні тран­зистор VT1 закритий і конденсатор С2 заряджається через резистор R4 від напруги джерела живлення. Параметри заряджального кола вибирають так, що використовують тільки лінійну наростаючу ділян­ку напруги заряду. На базу транзистора VT1 подають імпульси часто­тою 100 Гц, синхронізовані з частотою живильної мережі. В момент надходження негативного імпульсу на базі VT1 транзистор відкрива­ється і конденсатор С2 швидко розряджається. Процес заряджання і розряджання конденсатора С2 продовжується періодично з частотою проходження імпульсів 100 Гц.

Пилкоподібну напругу з конденсатора С2 через резистор R5 пода­ють до входу компаратора. До цього ж входу подають керуючу напру­гу f/кер. Компаратор є несиметричним тригером із позитивним емітер­ним зв'язком, який складено на транзисторах VT2 і VT3. Цей тригер є імпульсним пристроєм, у якому при досягненні вхідним сигналом певного рівня відбувається швидкий перехід від одного стану до ін­шого. Рівень спрацьовування тригера, що визначається спаданням на­пруги на резисторі R10, обирають таким, щоб за відсутності напруги U_кер перекидання не відбувалося. Коли подають U_кер підсумову­вання її з пилкоподібною напругою призводить до спрацьовування тригера, транзистор VT2 відкривається, a VT3 закривається. На ко­лекторі VT3 формується прямокутний імпульс напруги, тривалість якого пропорційна напрузі U_кер. Змінюючи U_кер, можна зміщувати передній фронт прямокутного імпульсу. Цей імпульс диференціюється трансформатором Т2, у вторинних обмотках якого формуються імпуль­си напруги. Фаза цих імпульсів відповідає передньому фронту прямо­кутних імпульсів і пропорційна керуючій напрузі U_кер. Із вторинних обмоток Т2 імпульси керування подають на керуючі електроди тири­сторів тиристорного контактора ТК (див. рисунок 5.5). У деяких сучасних схемах використовують імпульсні фазообертачі, в яких основним еле­ментом є лічильник електричних імпульсів. Принцип роботи таких фазообертачів засновано на підрахунку кількості імпульсів, що про­ходять із певною частотою і видаванні на тиристори керуючого імпульсу в момент збігання числа відлічених імпульсів із заданим значенням.