Силовая электроника №4'2005

Тиристорный ограничитель напряжения холостого хода сварочного трансформатора типа КЗУСТ

Владимир Копырин
Андрей Ткачук


В статье приведены результаты разработки, производства и использования комбинированных защитных устройств сварочного трансформатора типа КЗУСТ. Устройство обеспечивает безопасное выполнение сварочных работ на переменном токе и экономию электроэнергии. За счет высокой чувствительности исключает помеху сварщику при зажигании дуги. КЗУСТ снабжено защитой, а также системой диагностики и измерения сварочного тока.


Введение

Дуговая сварка на переменном токе штучными электродами получила широкое применение на предприятиях промышленности, энергетики, транспорта, жилищно-коммунального хозяйства. При этом многие сварочные работы производятся в условиях повышенной опасности. Для обеспечения безопасного выполнения сварочных работ согласно ГОСТ [1, 2] требуется обязательное использование ограничителя напряжения холостого хода сварочного трансформатора (ОНХХСТ). Его отсутствие приводит к поражению электрическим током сварщика и окружающего персонала, а в ряде случаев и к смертельным исходам.

Ограничители напряжения холостого хода производятся рядом предприятий, но большинство из них имеет серьезный недостаток. Он обусловлен низкой чувствительностью при диагностировании сварочной цепи, когда производится сварка загрязненных или покрытых ржавчиной поверхностей. Этот недостаток проявляется в том, что в начале сварки дуга трудно зажигается, а во время сварочных работ не обеспечивается ее устойчивое горение, что приводит к прерыванию дуги. В связи с этим, как показало обследование многих предприятий и организаций, устройства ОНХХСТ не используются сварщиками.

Таким образом, перед авторами доклада встала задача создания ограничителя напряжения холостого хода, лишенного указанного выше недостатка. В рамках реализации целевой комплексной программы энергосбережения филиала УАЗ ОАО «СУАЛ» специалистами НПП «Энергия и экология» был разработан опытный образец ограничителя напряжения холостого хода сварочного трансформатора типа КЗУСТ (комбинированное защитное устройство сварочного трансформатора), который затем успешно прошел испытания [3-8]. Устройств типа КЗУСТ-1 первого поколения было внедрено более 25 штук в трех цехах: электролизном, глиноземном и кальцинации. При этом устройства типа КЗУСТ-1 позволяли экономить электроэнергию. В результате накопленного опыта эксплуатации устройство было усовершенствовано во второй модели КЗУСТ-2 [9-11], которая была использована не только на УАЗ-СУАЛ, но и на других предприятиях и в организациях, в том числе в ООО «СУАЛ-Кремний-Урал» и ОАО «Каменск-Уральский металлургический завод».

В настоящее время НПП «Энергия и экология» передало разработку КЗУСТ в ЗАО «Автоматизированные системы и комплексы». Здесь при научно-техническом руководстве НПП «Энергия и экология» освоен выпуск третьего поколения КЗУСТ-3 [12-13]. Внешний вид КЗУСТ-3 представлен на рис. 1. Первая партия из 25 устройств внедрена на ООО «СУАЛ-Кремний-Урал», ООО «Галлий» и на других предприятиях. Учитывая значительную потребляемую полную мощность сварочного трансформатора (до 50 кВА) и их широкое применение в КЗУСТ-3 сохранена функция энергосбережения. Анализ показал, что большую часть времени сварочный трансформатор находится в режиме холостого хода. Большинство сварочных трансформаторов имеют специальную магнитную систему, для намагничивания которой требуется сравнительно большой реактивный ток. Поэтому потребление реактивной мощности сварочным трансформатором из сети в режиме холостого хода значительно. Для максимального энергосбережения при выполнении сварочных работ целесообразно исключать режим холостого хода. В НПП «Энергия и экология» были проведены исследования экономии активной и реактивной электроэнергии при использовании КЗУСТ на сварочном трансформаторе типа ТДМ-501. Трансформаторы такого типа наиболее широко распространены в промышленности. Результаты измерений приведены в таблице 1.

Рис. 1. Внешний ввд КЗУСТ-3
Рис. 1. Внешний ввд КЗУСТ-3

Описание устройства

Способ ограничения напряжения холостого хода сварочного трансформатора (СТ) заключается в следующем [6-11]. При подключении первичной цепи сварочного трансформатора к питающей сети измеряются: напряжение сети, напряжение и ток сварочной цепи и температура тирис-торного ключа, установленного в цепи первичной обмотки сварочного трансформатора. На основании информации о напряжении и токе сварочной цепи (СЦ) контролируется сопротивление последней, которое изменяется от бесконечности (когда сварочная цепь разомкнута) до сопротивления, соответствующего режиму сварки. При изменении сопротивления СЦ от бесконечности до 200 Ом в последней формируются с частотой сети специальные импульсы определенной формы, обеспечивающей высокую чувствительность диагностирования режима. Причем контроль этого диапазона разделяется на две зоны: от ∞ до 500 Ом и от 500 до 200 Ом. Вторая зона соответствует прикосновению человека к сварочной цепи, например, при замене электрода.

При снижении сопротивления сварочной цепи меньше 200 Ом, что соответствует касанию электрода свариваемой детали, формируется сигнал на срабатывание тиристорного ключа и в сварочную цепь подается полное напряжение. И, наоборот, при прекращении сварки, через время, не превышающее 1 с, происходит ограничение напряжения холостого хода сварочного трансформатора и формирование специальных импульсов, действующее значение которых меньше 12 В.

Схема устройства типа КЗУСТ приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема устройства защиты типа КЗУСТ
Рис. 2. Схема устройства защиты типа КЗУСТ(СТ—сварочный трансформатор; СЭ—сварочный электрод; Д -деталь; ТК—тиристорный ключ; ДНС—датчик напряжения сети; ДНСЦ—датчик напряжения сварочной цепи; ДТП—датчик температуры тиристора; ИП — источник питания; БУТК—блок управления тиристорным ключом; БДСЦ—блок диагностики сварочной цепи; БЗД — блок защиты и диагностики; БИ — блок индикации)

Одной из особенностей ограничителей напряжения холостого хода типа КЗУСТ является его универсальность. Она проявляется в первую очередь в возможности его использования для различных типов сварочных трансформаторов с номинальным сварочным током от 50 до 630 А и номинальным напряжением питания от 220 до 380 В. Следует отметить, что КЗУСТ обладает свойством самонастройки, то есть при переходе с одного типа трансформатора на другой не требуется выполнять каких-либо переключений и установок параметров. Поэтому КЗУСТ обеспечивает нормальный режим сварки при сварочном токе до 630 А и изменении напряжения сети от 200 до 400 В. Для сети 500 В применяется специальная серия КЗУСТ.

Схема работает следующим образом. После подключения силовых клемм сварочного трансформатора и КЗУСТ к сети на них подается напряжение 220, 380 или 500 В в зависимости от номинального напряжения первичной обмотки сварочного трансформатора. Одновременно сетевое напряжение подается на ДНС (рис. 2), использование которого позволяет судить о наличии питания КЗУСТ и трансформатора.

В первом режиме, когда Rсц в диапазоне ∞–500 Ом, тиристорный ключ заперт, а БФИ генерирует через сварочный трансформатор в сварочную цепь двухполярные импульсы специальной формы, действующее значение которых не превышает 1 В. Тем самым достигается ограничение напряжения холостого хода до безопасного уровня и диагностирование сварочной цепи. При этом сварщик может менять электрод, прикасаясь к токоведущим частям сварочной цепи. На основе информации о токе и напряжении сварочной цепи БДСЦ анализирует сопротивление СЦ и при значении его ∞–500 Ом БДСЦ не изменяет своего состояния. В этом режиме потребление сварочным трансформатором мощности из сети полностью исключено благодаря выключению тиристорного ключа. Для работы схемы диагностики КЗУСТ требуется незначительная мощность (не более 1 Вт).

Второй режим, при Rсц в диапазоне 500-200 Ом, может иметь место при прикосновении сварщика к СЦ в особо неблагоприятных условиях окружающей среды. При этом на пульте загорается индикатор «500-200 Ом», а БФИ начинает генерировать в сварочную цепь импульсы, действующее значение которых не превышает 12 В. В этом режиме импульсы ощутимы, но также безопасны для человека.

Сканирование сварочной цепи импульсами в первом и втором режимах необходимо для обеспечения высокой чувствительности устройства из-за наличия на поверхности сварочного электрода и детали пленок окислов и масла. Специальные импульсы разрушают пленки, и в результате значительно возрастает надежность и облегчается зажигание сварочной дуги.

В третьем режиме сопротивление Rсц < 200 Ом, что соответствует контакту сварочного электрода с деталью. При этом БДСЦ выдаст команду БУТК на открывание ТК и шунтирование БФИ. Во вторичной цепи СТ наводится полное напряжение, которое вызывает возникновение сварочной дуги. Происходит устойчивое зажигание дуги и начинается процесс сварки, который индицируется свечением излучателей сигналов «Сварка» и «>12 В». Как только ток в сварочной цепи прервется или уменьшится до 10 А на время более 1 с, тиристорный ключ закроется и напряжение на вторичной обмотке трансформатора ограничится до безопасного уровня (<12 В). Разрыв дуги сопровождается гашением индикатора «Сварка», а через 1 с и индикатора «>12В». После чего КЗУСТ переводится во второй режим на 3 с, при котором обеспечивается диагностирование сварочной цепи с целью облегчения повторного зажигания дуги при сварке методом прихвата. Если сеанс сварки не повторяется за это время, то КЗУСТ переходит в первый режим диагностики.

Блок защиты и диагностики реализует следующие функциональные режимы сварочного трансформатора и КЗУСТ: перегрев тирис-торного ключа, обрыв или короткое замыкание в тиристорном ключе или в сварочном трансформаторе; сбои в системе питания схемы управления устройства; неправильное подключение соединительных проводников. Наличие напряжения в сети и питания КЗУСТ, аварийные и рабочие режимы сварочного трансформатора сигнализируются блоком индикации. Величина сварочного тока отображается на цифровом дисплее и запоминается до следующего сеанса сварки. В БДСЦ предусмотрена возможность искусственного введения сопротивлений в сварочную цепь с целью имитации прикосновения человека или наличия контакта сварочного электрода с деталью. Это позволяет проверять работоспособность КЗУСТ перед выполнением сварочных работ.

Система управления устройством реализована на однокристальном микроконтроллере типа ATmega16L фирмы ATMEL. Блоки диагностики сварочной цепи, защиты и индикации реализованы на программном уровне. В программу включен алгоритм самонастройки на сварочный трансформатор, который выполняется перед каждым включением КЗУСТ. Это значительно повышает готовность функционирования устройства практически к любому СТ.

Технические характеристики

Устройство типа КЗУСТ переносное и соответствует современным требованиям эргономичности, дизайна и удобства пользования. Оно устанавливается на боковой стенке корпуса сварочного трансформатора или вблизи его с помощью специального легкосъемного узла крепления. Электрические разъемы выполнены таким образом, что допускают безопасное и быстрое отсоединение КЗУСТ от трансформатора без помощи инструментов. Металлическое исполнение оболочки устройства с IP53 позволяет эксплуатировать его в сильно запыленных и влажных средах при температуре окружающего воздуха от -40 до +45 °С. Технические характеристики ограничителя напряжения холостого хода типа КЗУСТ приведены в таблице 2.

Таблица 2. Технические характеристики КЗУСТ
Таблица 2. Технические характеристики КЗУСТ

Промышленная эксплуатация около 60 устройств типа КЗУСТ на различных предприятиях на сварочных трансформаторах с напряжением сети 220, 380 и 500 В и током в СЦ от 50 до 630 А подтвердили полное удовлетворение комбинированных защитных устройств сварочного трансформатора всем требованиям безопасности на переменном токе, включая требования ограничения напряжения холостого хода, а также техническим требованиям, включая энергосберегающие, сформулированным в техническом задании. Профессиональные сварщики отметили высокую чувствительность, быстродействие КЗУСТ, легкое возбуждение дуги и комфортность при выполнении сварочных работ на любом токе и проявили заинтересованность в приобретении устройств для каждого сварочного трансформатора. Для обучения персонала работе с устройством типа КЗУСТ разработан и выпускается стенд-тренажер с методическим обеспечением. Одним из таких стендов оснащен класс по энергосбережению.

Литература

  1. ГОСТ 12.2.007.8-75. Устройства электросварочные и для плазменной обработки. Требования безопасности.
  2. ГОСТ 95-77. Трансформаторы однофазные однопостовые для ручной дуговой сварки. Общие технические условия.
  3. Копырин В. С, Ткачук А. А., Шаблаков В. С, Лисин В. Р., Тылис П. М., Цветков Н. Т. Защита сварочного трансформатора. В сб. докл. науч.-практ. конф. «Современное состояние и перспектива развития электрооборудования и устройств электроснабжения трамвая». Екатеринбург: УрО АЭН РФ, 1996.
  4. Копырин В. С, Ткачук А. А., Шаблаков В. С, Лисин В. Р., Тылис П. М. Ограничение напряжения холостого хода сварочного трансформатора. В сб. науч. трудов «Вопросы совершенствования электротехнологического оборудования и электротехнологии». Вып. 2. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1997.
  5. Копырин В. С, Шаблаков В. С, Лисин В. Р., Тылис П. М., Цветков Н. Т., Ткачук А. А. Энергосбережение при выполнении сварочных работ на переменном токе. // Официальный каталог выставки «Энергосбере-жение-98». Екатеринбург: Уральские выставки, 1998.
  6. Копырин В. С, Ткачук А. А., Шаблаков В. С, Лисин В. Р., Тылис П. М., Цветков Н. Т. Комбинированное защитное устройство сварочного трансформатора. Промышленная энергетика, 1999.
  7. Экономия электроэнергии устройствами типа КЗУСТ на Уральском алюминиевом заводе при сварке на переменном токе / В. С. Шаблаков, В. Р. Лисин, Н. Т. Цветков, П. М. Тылис, В. С. Копырин, А. А. Ткачук. В сб. докл. науч.-практ. семинара «Энергосберегающие техника и технологии». Екатеринбург: Уральские выставки, 2000.
  8. Устройство типа КЗУСТ для проведения сварочных работ на переменном токе / В. С. Копырин, А. А. Ткачук, Е. Г. Бородац-кий, В. С. Черноскутов, В. Р. Лисин, А. П. Ла-зенков. В сб. докл. науч.-практ. семинара «Энергосберегающие техника и технологии». Екатеринбург: Уральские выставки, 2001.
  9. Копырин В. С, Ткачук А. А, Бородацкий Е. Г. Второе поколение комбинированного защитного устройства сварочного трансформатора типа КЗУСТ. В сб. докл. науч.-практ. семинара «Энергосберегающие техника и технологии». Екатеринбург: Уральские выставки, 2002.
  10. Копырин В. С, Ткачук А. А., Бородацкий Е. Г. Комбинированное защитное устройство сварочного трансформатора типа КЗУСТ-2. В сб. докл. науч.-практ. семинара «Проблемы и достижения в промышленной энергетике». Екатеринбург: Уральские выставки, 2002.
  11. Тиристорный преобразователь для экономии электроэнергии и электробезопасности при эксплуатации сварочных трансформаторов / Б. И. Смоляницкий, В. С. Черноскутов, В. Р. Лисин, А. П. Лазен-ков, В. С. Копырин, А. А. Ткачук, Е. Г. Бородацкий. В сб. докл. науч.-практ. семинара «Энергосберегающие техника и технологии». Екатеринбург: Уральские выставки, 2003.
  12. Ткачук А. А., Кривовяз В. К, Копырин В. С. Третье поколение комбинированного защитного устройства сварочного трансформатора типа КЗУСТ. В сб. докл. науч.-практ. семинара «Энергосберегающие техника и технологии». Екатеринбург: Уральские выставки, 2005.
  13. Копырин В. С, Ткачук А. А. Энергосбережение при сварке на переменном токе — Материалы Всероссийского электротехнического конгресса (ВЭЛК-2005). М.: РАН, 2005.

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_04_60.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо