Лабораторная работа №2. Исследование динамических и статических характеристик системы ардс.

2.1. Цели работы:

• изучение структурной схемы системы АРДС;

• определение статической ошибки и коэффициентов структурной схемы системы АРДС;

• построение графиков переходных процессов по току, напряжению, ширине и глубине проплавления.

2.2. Содержание работы

АРДС – это система автоматического регулирования дуги саморегулированием, которая также иногда называется автоматом с постоянной скоростью подачи проволоки. АРДС является простейшей системой автоматического регулирования дуги, работающей по принципу саморегулирования, характерного для дуги с плавящимся электродом с питанием от источника с падающей характеристикой.

Система АРДС состоит из механизма подачи электрода и питающей системы (рис. 2.1.).

Р ис. 2.1. Система АРДС: 1 – механизм подачи электрода; 2 – питающая система; М - двигатель механизма подачи электрода; Т – сварочный трансформатор; L – дроссель; PV – вольтметр.

Задающим органом в системе АРДС является механизм подачи, обеспечивающий независимую постоянную скорость подачи V_п, которая, в свою очередь, является независящим от системы регулирования задающим (управляющим) параметром.

В процессе плавления электрода эта заданная скорость подачи V_п сравнивается со скоростью плавления электрода V_э. Равенство этих скоростей V_п = V_э преобразуется в заданное значение тока I_з, которое поддерживается системой в результате саморегулирования с определенной точностью, зависящей от соотношения коэффициентов саморегулирования по току К_ст и по напряжению К_сн.

Структурная схема системы АРДС представлена на рисунке 2.2.

Рис. 2.2. Структурная схема системы АРДС

Структурная схема предполагает, что процесс плавления электродной проволоки является безинерционным, хотя реальные передаточные функции звеньев IV и IX имеют вид:

и (2.1)

где Т_э – постоянная времени плавления электрода, которая Т_э → 0.

2.2.1. Построение ВАХ источника питания

ВАХ источника питания может быть построена экспериментальным путем или получена аналитически. В последнем случае необходимо иметь некоторые параметры источника питания: U_хх – напряжение холостого хода, В; U_д и I_д – напряжение на дуге и ток дуги, В и А.

Зависимость напряжение на дуге от тока дуги имеет вид:

, (2.2)

где I_кз – ток короткого замыкания, А.

В случае отсутствия численного значения тока короткого замыкания источника питания I_кз, оно может быть получено расчетным путем с помощью задаваемых при выполнении работы данных U_хх , U_д и I_д . Например: U_хх = 85 В; U_д =50 В; I_д = 350 А, тогда

(2.3)

Задавая значения тока дуги I_д от 0 до тока короткого замыкания I_кз , можно построить ВАХ источника питания, что и было сделано для приведенных выше данных (см. рис. 2.3.)

Рис. 2.3. ВАХ источника питания

2.2.2. Определение коэффициента питающей системы К_пс = dI_д/dU_д

Коэффициент питающей системы К_пс может быть определен тремя способами: экспериментально (если ВАХ отсутствует), графически с использованием ВАХ и аналитически.

В первом случае, в сварочном контуре изменяется напряжение на дуге на величину ΔU_д и по амперметру определяется соответствующее ему изменение тока ΔI_д:

(2.4)

Во втором случае, вышеуказанные изменения параметров определяют на ВАХ, задавая ΔU_д = ± 5 В. Для приведенного примера, значение коэффициента питающей системы К_пс ≈ 4 А/В.

В третьем случае (рекомендуется применять данный способ), необходимо воспользоваться следующей формулой:

, (2.5)

где U₀ – падение напряжения в сварочной цепи, U₀ = 2…3 В. Для приведенного примера, значение коэффициента питающей системы К_пс = 2,27 А/В.

Следует иметь в виду, что для источников питания с крутопадающей характеристикой К_пс ≤ 0.

2.2.3. Определение коэффициента саморегулирования по току К_ст

коэффициент саморегулирования по току К_ст характеризует зависимость отклонения скорости плавления электрода ΔV_эт от изменения тока ΔI_д в сварочном контуре при постоянном напряжении на дуге U_д:

, см∙с^-1 А^-1∙ (2.6)

коэффициент саморегулирования по току К_ст может быть определен несколькими способами:

1 способ: по эмпирической формуле

(2.7)

где К_п – коэффициент плавления электрода, г∙А^-1∙час^-1; d_э – диаметр электрода, мм.

2 способ: по экспериментальным зависимостям V_п = f ( I_д ), представленным на рисунке 2.4. или по следующим эмпирическим формулам:

, (2.8)

где V_п.8 , V_п.6 , V_п.5 , V_п.4 , V_п.3 - скорости плавления электрода, соответственно, при диаметрах электрода d_э равных 8, 6, 5, 4, 3 мм.

При конкретном значении диаметра электрода d_э задается приращение по току в сварочном контуре ΔI_д от заданного значения тока на 10…15% и по графикам (см. рис. 2.4) определяют соответствующее приращение ΔV_п. коэффициент саморегулирования по току К_ст определяется из выражения:

(2.9)

Рис. 2.4. экспериментальные зависимости V_п = f ( I_д )

3 способ: экспериментальным путем.

Устанавливаются заданные параметры режима – рабочая точка А₀ на ВАХ источника питания и дуги (рис. 2.5.).

Задается возмущение на источнике питания на величину ΔU_хх. После переходного процесса рабочая точка А₀ переместится в точку А₁. Увеличением скорости подачи (регулируемый привод) с V_п.0 до V_п.1 (ΔV_п = V_п.1 - V_п.0) точка А₁ переместится в точку А₂, что соответствует условию U_д = Const.

Определяются значения ΔV_п и ΔI_д и по формуле (2.9) рассчитывается коэффициент саморегулирования по току К_ст.

2.2.4. Определение коэффициента саморегулирования по напряжению К_сн

коэффициент саморегулирования по напряжению К_сн характеризует зависимость отклонения скорости плавления электрода ΔV_эн от изменения напряжения на дуге ΔU_д в сварочном контуре при постоянном токе в сварочном контуре I_д:

, см∙с^-1 В^-1∙ (2.10)

Р

I_д

ис. 2.5. Определение коэффициента саморегулирования по току К_ст

Воздействие на скорость плавления электрода в системе АРДС по напряжению значительно слабее, чем саморегулирование по току, однако это не означает, что можно не учитывать влияние напряжения на дуге на скорость плавления электрода.

коэффициент саморегулирования по напряжению К_сн рассчитать аналитическим способом крайне сложно, поэтому его определяют экспериментальным путем:

Устанавливаются заданные параметры режима – рабочая точка А₀ на ВАХ источника питания и дуги (рис. 2.6.).

Рис. 2.6. Определение коэффициента саморегулирования по напряжению К_сн

Задается возмущение на источнике питания на величину ΔU_хх. После переходного процесса рабочая точка А₀ переместится в точку А₁. Уменьшением скорости подачи (регулируемый привод) с V_п.0 до V_п.1 (ΔV_п = V_п.1 - V_п.0) точка А₁ переместится в точку А₂, что соответствует условию I_д = Const.

Определяются значения ΔV_п и ΔU ^~_c и по формуле (2.10) рассчитывается коэффициент саморегулирования по напряжению К_сн.

Как показывают экспериментальные данные К_сн = 1…2 см∙с^-1 В^-1

2.2.5. Определение коэффициента К_д

коэффициент К_д характеризует приращение напряжения на ΔU_д от изменения длины дуги ΔL_д:

(2.11)

Для определения коэффициента К_д необходимо иметь характеристику U_д = f ( L_д ), которая может быть получена экспериментальным путем. Однако, можно воспользоваться результатами исследований, согласно которым в диапазоне средних значений токов К_д = 15…25 В/см.

2.2.6. Приведение приращения от возмущения по напряжения сети ΔU_хх к напряжению на дуге ΔU ^~_c

Приведение приращения от возмущения по напряжения сети ΔU_хх к напряжению на дуге ΔU ^~_c производится по формуле:

, (2.12)

где cos φ – косинус угла сдвига фаз между током и напряжением в сварочном контуре, который может быть определен из соотношений

, где (2.13)

Для рассматриваемого примера (U_хх = 80 В; I_кз = 524,14; К_пс = 2,27 А/В), получаем

Следует обращать внимание на знаки возмущений: принято считать положительными возмущения, изменение которых приводит к удлинению дуги, а отрицательными – такие, которые приводят к ее укорочению.

Процесс плавления основного металла инерционный и характеризуется инерционными постоянными по ширине Т_иш и глубине Т_иг проплавления. В расчетах эти постоянные принимаются одинаковыми и равными 1 секунде.

2.2.7. Определение коэффициента К_гт, характеризующего приращение в глубине проплавления от изменения тока в сварочном контуре при постоянном напряжении на дуге

Коэффициент К_гт определяется по графикам, представленным на рисунке 2.7.

Рис. 2.7. Зависимости коэффициента К_гт от тока в сварочном контуре I_д при постоянном напряжении на дуге

2.2.8. Определение коэффициента К_гн, характеризующего приращение в глубине проплавления от изменения напряжения на дуге при постоянном токе в сварочном контуре

Коэффициент К_гн определяется по графикам, представленным на рисунке 2.8.

Рис. 2.8. Зависимости коэффициента К_гн от изменения напряжения на дуге при постоянном токе в сварочном контуре.

Следует обратить внимание, что коэффициент К_гн может принимать как положительные, так и отрицательные значения: с увеличением напряжения на дуге (ΔU_д > 0) коэффициент К_гн < 0, т.е. глубина проплавления уменьшается.

2.2.9. Определение коэффициента К_шт, характеризующего приращение в ширине шва от изменения тока в сварочном контуре при постоянном напряжении на дуге

Коэффициент К_шт определяется по графикам, представленным на рисунке 2.9.

2.2.10. Определение коэффициента К_шн, характеризующего приращение в ширине шва от изменения напряжения на дуге при постоянном токе в сварочном контуре

Коэффициент К_шн определяется по графикам, представленным на рисунке 2.10.

Результирующее изменение в ширине шва выразится как сумма:

(2.14)

Рис. 2.9. Зависимости коэффициента К_шт от тока в сварочном контуре I_д при постоянном напряжении на дуге.

Рис. 2.10. Зависимости коэффициента К_шн от изменения напряжения на дуге при постоянном токе в сварочном контуре

В структурной схеме введена еще одна единичная связь со звеном Х, которая отображает изменение длины дуги от изменения глубины проплавления. Учет этой связи, в силу значительной инерционности процесса проплавления при возмущении по напряжению сети, приводит к существенному затягиванию переходных процессов по току и напряжению. Однако, на величины установившихся значений тока и напряжения на дуге, эта связь влияния практически не оказывает.

Из всех возможных возмущений, действующих на систему АРДС, наиболее характерным и значимым является возмущение по напряжению сети, которое оказывает существенное влияние на работу автоматов с постоянной скоростью подачи электродной проволоки, работающих в заводских условиях. В соответствии с ГОСТ 13109-87, допустимыми колебаниями напряжения в сети считаются изменения в пределах ± 5%, а кратковременно - ± 10%, хотя на практике можно наблюдать и более существенные изменения U_с, особенно если в цехе (на заводе) имеется группа мощных приемников электроэнергии.

Проведем анализ динамических характеристик системы АРДС при воздействии возмущения по напряжению сети ΔU ^~_c.

Введем обозначения:

(2.15)

Характеристическое уравнение переходной функции, описывающей изменение напряжения на дуге в результате действия возмущения по напряжению сети ΔU ^~_c, имеет вид:

(2.16)

После подстановки значений и решения уравнения (2.16), получаем два корня р₁ и р₂, которые в дальнейшем будут использованы для построения переходных процессов по току и напряжению.

Установившиеся ошибки по току и напряжению при t → ∞:

(2.17)

где ΔU ^~_c – приведенное приращение напряжения (см. п. 2.3.7.)

Изменение глубины и ширины проплавления определяются в соответствии со следующей методикой:

изменение глубины проплавления Δh_г

(2.18)

изменение ширины проплавления ΔВ_ш

(2.19)

Построение переходных процессов по току и напряжению:

переходной процесс по току Δi_д(t)

(2.20)

переходной процесс по напряжению Δu_д(t)

(2.21)

Продолжительность переходного процесса. На основании графиков переходного процесса продолжительность его составляет τ_пп = 5...6 с, тогда

(2.22)

где V_п – скорость подачи электродной проволоки, мм/с.

Результаты исследований представлены на рисунках 2.11. и 2.12.

Рис. 2.11. Переходной процесс по току Δi_д(t)

Рис.2.12. Переходной процесс по напряжению Δu_д(t)

Изменение глубины проплавления Δh_г = 0,9985 мм; изменение ширины проплавления ΔВ_ш = 5,915 мм; протяженность участка при переходном процессе l_пп = 25 мм, при скорости подачи электродной проволоки V_п = 5 мм/с.

2.3. Порядок выполнения работы

1. Построить ВАХ источника питания.

2. Определить коэффициенты всех элементов структурной схемы системы АРДС.

3. построить графики переходных процессов по току, напряжению, ширине и глубине проплавления.

4. Проанализировать результаты и оформить отчёт в требуемом объёме (см. стр. 3).