Электрические цепи машин контактной сварки с аккамулированием (накоплением) энергии

В этих машинах происходит медленное аккумулирование энергии с потреблением небольшой мощности из сети и кратковременное использование ее во время сварки. Поэтому, в некоторых случаях, возможно, их использование в полевых условиях, с применением генераторов использующих дизельное топливо евро или другие виды горючих материалов.

Эффективность использования аккумулятора энергии как средства снижения потребляемой мощности из сети может быть, например, при конденсаторной сварке, оценена соотношением

,

где  и  — время зарядки и разрядки конденсаторов;  и  — средние мощности при этих процессах;  — КПД установки.

Отношение  обратно пропорционально отношению средних мощностей. Например, при вылете 1,5 м машина с аккумулированием энергии в электрическом поле конденсаторов позволяет сваривать точечной сваркой детали из алюминиевых сплавов толщиной 2,5+2,5 мм (сварочный ток до 80 кА) при потребляемой мощности из сети 75 кВ×А. Низкочастотные машины при этих условиях потребляют мощность 300…400 кВ×А, а однофазные машины переменного тока — 1500 кВ×А

Аккумулировать энергию, достаточную для получения необходимых сварочных токов, можно в конденсаторах, магнитопроводах трансформаторов, во вращающихся массах, электрохимических аккумуляторах и специальных униполярных электрических генераторах. В настоящее время нашла промышленное применение лишь схема с накоплением энергии в конденсаторах. Электрическая схема конденсаторной машины состоит из двух частей: зарядной, обеспечивающей зарядку конденсаторной батареи до заданного уровня напряжения зарядки, и разрядной, обеспечивающей разрядку конденсаторной батареи на свариваемое изделие с заданным сварочным током.

Одна из распространенных электрических схем конденсаторных машин приведена на рис. а. В этой схеме батарея конденсаторов емкостью  заряжается от сети переменного тока через управляемый выпрямитель  (однофазный или трехфазный в зависимости от необходимой мощности) и зарядное сопротивление . При переключении переключателя П зарядка конденсаторов прекращается, и они разряжаются через первичную обмотку сварочного трансформатора СТр. Для предотвращения намагничивания сварочного трансформатора при сварке однополярными импульсами тока в схеме предусмотрен коммутатор полярности КП.

Сварка изделия осуществляется благодаря разряду конденсаторной батареи. Импульс разрядного тока и, следовательно, импульс сварочного тока определяются параметрами машины, рабочим напряжением  и емкостью  батареи конденсаторов, а также коэффициентом трансформации  трансформатора СТр. Упрощенная схема замещения разрядной цепи конденсаторной машины дана на рис. б.

В большинстве конденсаторных машин  поэтому разряд носит колебательный характер ( — приведенная к вторичному контуру емкость батареи конденсаторов;  и  — сопротивление и индуктивность разрядной цепи).

Для сварки используется лишь первый полупериод колебательного разряда с временем, в течение которого концентрированно отдается основная часть аккумулированной энергии. При этом в начале разрядки энергия Wc конденсаторов тратится на тепловыделение и аккумулирование энергии в магнитном поле сварочной машины. К моменту, когда ток станет максимальным (точка 1, рис. в), конденсаторы разряжаются настолько, что не могут поддерживать ток  во вторичном контуре, и в дальнейшем он уменьшается. Когда напряжение становится равным  нулю, ток  поддерживается только за счет расходования магнитной энергии (участок 2-3), причем часть этой энергии идет на перезарядку конденсаторов. Когда ток снизится до нуля (точка 3), напряжение на конденсаторах достигнет вторичного максимума. Далее процесс повторится с той же частотой, но с меньшей амплитудой до полного затухания.

Рис. Машина с накоплением энергии в конденсаторах:

а) электрическая схема;

б) упрощенная схема замещения разрядной цепи, приведенной к вторичному контуру;

в) графики тока и напряжения при разряде конденсаторов;

г) графики токов короткого замыкания конденсаторной машины при изменении исходных параметров С, U_1C и K_C

Для получения апериодического заряда (), более эффективного для сварки, в схему вводят шунтирующий вентиль В_ш (рис. а), который открывается при изменении знака напряжения , и переходный процесс имеет апериодический характер (штриховая линия 2-4; рис. в). Ток  поддерживается в цепи аккумулированной магнитной энергией, которая преобразуется в тепловую во вторичном контуре и магнитопроводе трансформатора. Обратное напряжение на конденсаторах незначительно и равно падению напряжения  на вентиле В_ш.

Значение сварочного тока и форма его импульса зависят как от соотношения параметров  и  машины, так и от емкости  батареи конденсаторов, зарядного напряжения на ней  коэффициента трансформации . Определив параметры

Графики токов короткого замыкания машины, характеризующие влияние изменения параметров С,  и  на форму импульса сварочного тока, даны на рис. г. При увеличении зарядного напряжения  в основном увеличивается  (пропорционально ), незначительно возрастает общая длительность  импульса, и практически не изменяется длительность нарастания тока . При снижении коэффициента  увеличивается , и снижаются  и . Изменение длительностей  и  происходит примерно пропорционально изменению коэффициента K_C. При увеличении емкости С увеличиваются максимальное значение тока, его длительности  и .

В отдельных случаях для повышения энергетических показателей машин применяют более сложные схемы зарядно-разрядных цепей: с накопительной емкостью; с использованием сварочного трансформатора с выводом средней точки первичной обмотки и др. Форма импульса тока в процессе сварки, как правило, не регулируется. Относительно крутой фронт нарастания импульса сварочного тока ( с) иногда вызывает выплески металла. Во избежание выплесков применяют повышенные усилия сжатия деталей, а также проводят более тщательную подготовку поверхностей деталей под сварку. При сварке ответственных деталей в конденсаторных машинах предусматривают возможность получения требуемых по технологическим соображениям форм импульсов сварочного тока. Для этой цели в разрядную цепь включают реактивную катушку со стальным магнитопроводом, имеющим небольшой зазор. Вначале, пока магнитопровод катушки не насыщен, скорость нарастания тока невелика. После насыщения магнитопровода влияние реактивной катушки на процесс разряда становится небольшим.

В другом случае в зарядную цепь включают несколько конденсаторов, имеющих разную емкость и зарядное напряжение. Подключая их с определенным интервалом друг за другом, можно получить требуемую форму импульса тока. Однако эти схемы не получили широкого распространения. В общем случае сварочный ток и форму импульса регулируют изменением параметров ,  и .

Емкость батареи и коэффициент трансформации — величины постоянные при данной настройке машины; напряжение батареи стабилизируется аппаратурой управления с высокой точностью. Поэтому импульсы сварочного тока отличаются высокой стабильностью, что при прочих равных условиях обусловливает стабильную повторяемость показателей качества свариваемых изделий.

Конденсаторные машины весьма широко используют для точечной и шовной сварки деталей малых толщин, для герметизации контактной сваркой корпусов интегральных микросхем, полупроводниковых приборов и др., а также для сварки деталей из легких сплавов. Для сварки очень тонких деталей применяют машины, в которых разряд конденсаторов осуществляется непосредственно на свариваемые детали без сварочного трансформатора (бестрансформаторная конденсаторная сварка сопротивлением) или сближающиеся детали (ударно-конденсаторная сварка встык и впритык проводов с диаметром до 2 мм).