2.3 Автоматичні регулятори напруги і струму дуги

Доцільність застосування різних регуляторів енергетичних пара­метрів дуги може бути оцінена за взаємними розміщеннями статичної характеристики дуги 1 (рисунок 2.6) при різній силі струму і зовнішньої характеристики 2 джерела зварювального струму, обраного з ураху­ванням критерію стійкості дуги [4]:

За малих зварювальних струмів, наприклад при зварюванні не­плавким вольфрамовим електродом — область І на рисунку 2.6, спадаюча характеристика дуги 1 в поєднанні з крутопадаючою 2 джерела зва­рювального струму забезпечує достатню для більшості випадків ста­білізацію зварювального струму без застосування спеціальних регу­ляторів. Однак при цьому відхилення напруги дуги, наприклад вна­слідок зміни довжини дуги і переміщення її статичної характеристики в положення 1', можуть виходити за припустимі межі, що зумовлює доцільність застосування у таких випадках автоматичних регуляторів напруги дуги (АРНД). Аналогічно, щоб усунути відхилення струму і напруги дуги для більшості застосовуваних режимів зварювання дугою, що вільно розширюється (область ІІ), ефективним є викорис­тання явища саморегулювання дуги (системи АРСД), регуляторів типу АРНД із дією на швидкість подавання електродного дроту або систем сумісного регулювання струму і напруги дуги з дією на подавання електродного дроту і на джерело зварювального струму. Зростаюча статична характеристика стисненої дуги, наприклад при зварюванні тонким електродним дротом в захисному газі, у поєднанні з жорст­кою зовнішньою характеристикою джерела зварювального струму (область ІІІ), вимагає застосування автоматичних регуляторів струму дуги (типу АРСД).

Регулятори напруги при зварюванні неплавким електродом. Особливістю способу зварювання неплавким електродом є відсутність самовирівнювання (саморегулювання) енергетичного стану дуги. Тому поява характерних для дугового зварювання збурень, еквіва­лентних змінам напруги живильної мережі (ЕРС джерела), або довжи­ни дуги можуть супроводжуватися неприпустимими відхиленнями параметрів зварювального режиму.

Статичні помилки за напругою ∆U_д.с і струмом ∆I_д.с (рисунок 2.7), що виникають при еквідистантному зміщенні зовнішньої характеристики джерела живлення в результаті коливань напруги в мережі, можна звести до нуля, використовуючи джерела зі стабілізацією вихідної напруги (типу ВСВУ-160, ВСВУ-315).

При подовженні дуги її статична вольт-амперна характеристика зміщується вгору і праворуч, а при скороченні — ліворуч і донизу(рисунок 2.7). Щоб усунути помилки ∆U_де і ∆І_де , які виникають при змінюванні довжини дуги, використовують регу­лятори, що діють на переміщення зва­рювального пальника або електрода і мають зворотний зв'язок по відста­ні між торцем електрода і поверхнею зварювальної ванни або по напрузі дуги.

1 і 1' — зовнішні характеристики джерела живлення при коливаннях напруги мережі; 2 і 2' — статичні вольт-амперні характеристики ду­ги за різних довжин дуги

Рисунок 2.7 – Вплив збурень за на­пругою мережі і довжиною дуги на статичні помилки за струмом і напругою

Рисунок 2.6 – До вибору регуляторів дуги

Безпосередній контроль довжини дугового проміжку доціль­ний під час зварювання малоамперними дугами, у яких залежність між довжиною і напругою дуги є нелінійною. Найзручніші щодо цього струминні пневматичні або електропневматичні датчики, вста­новлювані на зварювальному пальнику над поверхнею виробу. При зміні відстані між зварюваною поверхнею і соплом датчика змінюється аеродинамічний тиск проміжку між датчиком і виробом. Зміна тиску газу (аргону) в камері датчика, що відбувається при цьому, перетворюється у безперервний або дискретний електричний сигнал. Для вимірювання відстані між зварювальним пальником і виробом із точністю близько 10^-1 мм застосовують фотопірометричні, або оптичні,

перетворювачі [6].

У виконавчій частині сучасних регуляторів типу АРНД із не-плавким електродом широко застосовують крокові електродвигуни з цифровим керуванням. При цьому стабілізується не тільки напруга дуги, але й із метою забезпечення стаціонарності потоку захисного га­зу (відстань сопло — метал) регулюються занурення електрода у ван­ну та інші технологічні операції.

Саморегулювання дуги з плавким електродом. Особливістю елект­ричних дуг під час зварювання плавким електродом є притаманна їм властивість самовирівнювання енергетичного стану в умовах збурюючих дій. Це явище, яке зветься саморегулюванням дуги, ви­конує функцію природного негативного зворотного зв'язку за швид-

Рисунок 2.8 – Структурна схема процесу саморегулювання дуги

кістю v_e плавлення електродного дроту. Його використання дало змогу створити автомати для дугового зварювання зі сталою шидкістю подавання електродного дроту без застосування додаткових регуля­торів.

Найповніший опис автоматичного регулювання дуги з використан­ням явища саморегулювання (АРДС) можна дістати, якщо відобразити його структурною схемою, на якій

окремі етапи перетворення пара­метрів процесу зображуються як сукупність типових динамічних ланок і зв'язків між ними (рисунок 2.8). Структурну схему починають розглядати з вузла 0, тобто з точки прикладання величини, яку зада­ють v_п _ швидкості подавання електродного дроту і потім перемі­щуються у напрямі поширення сигналу.

На першому етапі регулювання, до початку плавлення електрода, змінювання швидкості v_п спричинить відповідну зміну довжини дуги; при цьому швидкість змінювання довжини дуги буде пропор­ційноюv_n:

де k — коефіцієнт пропорційності.

Тому перетворення змінюваності швидкості переміщення кінця електрода у зміну довжини дуги зображено на схемі інтегрувальною ланкою / із передавальною функцією W₁ = S^-1 . Будь-яка зміна довжини дуги супроводжуватиметься відповідно зміною її напруги. Для зварювальних режимів, які звичайно застосовують, зв'язок між змінами довжини дуги і її напругою — пропорційний, що зображено на схемі безінерційною ланкою II. Зміна струму, яка відбувається після зміни напруги, залежить від опору джерела живлення R_дж і проходитиме з запізненням, яке залежить від сталої часу джерела τ_дж. Тому джерело живлення на схемі зображено еквівалентною аперіодичною ланкою III. Знак «—» у його передавальній функції

означає, що при падаючій зовнішній характеристиці джерела живлен­ня збільшенню напруги відповідає зменшення струму і навпаки.

Відхилення струму і напруги дуги супроводжуються відповід­ними змінами швидкостей плавлення електрода υ_е.c і υ_е.н. Змінювання швидкостей υ_е.c і υ_е.н відбувається інерційно залежно від сталої часу плавлення електрода τ_е (ланки IV, V). Вихідні сигнали контурів саморегулювання за струмом і напругою, підсумовуючись у вузлі 11, надходять до входу системи — вузол 0, в якому відбувається порівнян­ня результуючої швидкості плавлення електрода υ_e = υ_е.c + υ_е.н зі швидкістю його подавання. У статиці коефіцієнти саморегулювання k₁ і k₂ пов'язують зміни відповідних складових швидкості плавлення електрода з відхиленнями струму І_д та напруги U_д залежностями:

Тоді результуюча швидкість плавлення електрода

(2.1)

Змінювання струму супроводжуються зміною глибини проплав­лення, а змінювання напруги призводять до зміни ширини шва. Ці процеси зображено аперіодичними ланками VІ, VII, передавальні функції яких мають коефіцієнти пропорційності k_г = ∆h/(∆i_д) та k_ш = ∆h/(∆i_д) і сталі часу плавлення основного металу за глибиною τ_г і шириною τ_ш. Відхилення глибини провару спричинює зміну прихованої складової довжини дуги l_д.г, що зображено в схемі без-інерційною ланкою VIII.

Отже, структурна схема описує динаміку саморегулювання, в процесі якого безперервно порівнюється задана швидкість подавання електрода зі швидкістю його плавлення, яка визначається поточними значеннями струму і напруги дуги. Наслідком саморегулювання дуги є збереження рівності υ_е= υ_п в умовах відхилень режиму зварювання під дією збурень (табл. 2.1), вплив яких на роботу системи АРДС відображено вузлами 1, 2, 4, 6, 7, 12.

Структурна схема є основною для визначення передавальних функцій між параметром, що вивчається, і збуренням та наступно­го аналізу динаміки перехідного процесу відомими методами теорії автоматичного регулювання [6; 7].

Умова стійкості процесу саморегулювання дуги, визначена за до­помогою статичних вольт-амперних характеристик джерела живлення і дуги, має вигляд [6]:

(2.2)

де та — відповідно динамічні опори дуги і джерела живлення для заданого значення струму у колі І_д0; Е — градієнт напруженості електричного поля у стовпі дуги; L — індуктивність джерела живлення і зварювального кола.

Таблиця 2.1

Збурення	ФІЗИЧНИЙ ЗМІСТ
Vn, M-C~J	Коливання відносної швидкості подавання внаслідок нестабільної роботи привода електрода, нерівностей зварюваної поверхні
Vc, M'C""1	Зміна швидкості плавлення електрода через зміни технологічних умов
/д, М	Зміни довжини дуги спричинені нерівностями профілю виробу, краплинним перенесенням металу електрода, флюктуаціями дуги та ін.
йл,в	Зміна напруги дуги внаслідок зміни її фізичних параметрів
І* А	Зміни струму дуги внаслідок зміни параметрів джерела живлен­ня, зварювального контуру та ін.
	Коливання напруги мережі живлення

Оскільки завжди добуток k₂EL > 0, у випадку зварювання плав­ким електродом стійкість можлива за негативних значень критерію стійкості k_c = R_д — R_дж. у межах, що визначаються умовою (2.2). Однак права частина нерівності (2.2) із урахуванням порядку вели­чин, які входять до неї (k₂ ~ 10^-5 м/(с «В); Е ~ —10³ В/м; L ~ ~ 10^-3 Г), мало відрізняється від нуля і тому умова (2.2) практично збігається з умовою стійкості горіння дуги під час зварювання не­плавким електродом [4] — при k₁=0, k₂ = 0.

Якість перехідного процесу при саморегулюванні залежить від індуктивності L та густини струму в електроді. Індуктивність затри­мує спадання струму і_д після збудження дуги. Якщо струм і_д вели­кий, електрод швидко оплавлюється, дуга розтягується і може обір­ватися. Небезпеку обривання дуги можна запобігти, якщо забезпечити аперіодичний перехідний процес, що визначається умовою [1]

(2.3)

яка використовується для визначення максимально допустимого зна­чення індуктивності

Індуктивність L, сповільнюючи зміни струму у зварювальному колі, послаблює саморегулювання, збільшує його сталу часу. Тому під час автоматичного зварювання, якщо перенесення електродного металу відбувається без коротких замикань дугового проміжку, щоб

скоротити час перехідних процесів при саморегулюванні, індуктивність L зварю­вального кола доцільно мінімізувати. У цьому разі стала часу процесу саморе­гулювання визначається залежністю [6]

(2.4)

де d_e— діаметр електрода, мм; γ — густина металу, кг/м³; а = 4/(3, 6π) — коефіцієнт пропорційності; k_п — коефіцієнт плавлен­ня, г/(А • год).

Рисунок 2.9 – Статичні характе­ристики системи АРДС (1) тр зовнішня характеристика джерела живлення (2)

Із виразу (2.4) випливає, що для ско­рочення часу перехідних процесів t_p ≈ 3τ при саморегулюванні дуги треба прагнути до застосування електродних дротів малого діаметра і зменшення різниці динамічних опорів дуги і джерела живлення (R_д — R_дж).

Робота систем АРДС може супроводжуватись появою статичних помилок за струмом ∆І_д і напругою ∆U_д дуги, спричинених постійнодіючими збуреннями, еквівалентними збуреннями: а) за швидкістю

переміщення кінця електрода υ_п; б) у живильній мережі U_м; в) за опо­ром зварювального кола Z_л.

Вплив збурень на режим горіння дуги в усталеному стані можна оцінити графоаналітичним методом, який грунтується на сумісному розгляді статичних характеристик джерела живлення і системи ав­томатичного регулювання дуги.

В автоматах для дугового зварювання в усталених режимах аб­солютні значення швидкостей подавання υ_п і плавлення υ_e електрод­ного дроту рівні:

, (2.5)

до того ж для систем АРДС задане значення υ_п зберігається незмінним:

(2.6)

Сумісний розв'язок рівнянь (2.1), (2.5) і (2.6) дає змогу добути рівняння статичної характеристики системи АРДС:

(2.7)

де .

Кожному значенню υ_п відповідає певна характеристика стійкої роботи системи АРДС (рис. 2.9). Штрихова ділянка характеристики відповідає режимам горіння дуги, які не можуть бути фізично реалі­зованими через низьку напругу. Режим зварювання визначається точкою А перетину характеристик системи АРДС 1 і джерела живлен­ня 2. Якщо дуга видовжилась, то напруга її зросте і режим дуги буде

Рисунок 2.10 – До визначення статичних помилок за струмом ∆І_д і напругою ∆U_д ду­ги при дії на систему АРДС збурень за швидкістю переміщення торця електрода (а), напругою холостого ходу джерела живлення (б), опору зварювального кола (в)

визначатися точкою С. Новий стан є нестійким, оскільки йому в усталеному режимі повинна відповідати швидкість плавлення υ_п1 < < υ_п2, тому що струм дуги зменшується. Відбудеться зменшення дов­жини дуги, напруга на ній почне спадати до тих пір, доки не настане рівність швидкостей подавання і плавлення, тобто якщо відновиться режим точки А. При випадковому вкороченні дуги (точка В) зростання струму супроводжується збільшенням швидкості плавлення, що при­зводить до відновлення вихідного режиму.

При постійному збуренні за швидкістю переміщення торця електрода рівність (2.5) перетворюється до υ_п ± υ_п = υ_е і рівняння статичної характеристики системи АРДС набуде вигляду

де υ_п — відхилення швидкості подавання від заданої.

Залежність (2.8) відрізняється від (2.7) насталу величину ± υ_п/k₁ і означає відповідне еквідистантне зміщення статичної характеристики 1 системи АРДС в положення 1' , що спричинює перехід точки енерге­тичної рівноваги А у положення В (рисунок 2.10, а). Статична помилка

∆І_д визначається у цьому разі величиною і знаком збурення υ_п і може спричинити істотні відхилення глибини провару.

Застосування регуляторів типу АРДС найдоцільніше для попере­дження можливих відхилень глибини провару під час появи збурень за напругою мережі і опором зварювального кола. Зміщення точок енергетичної рівноваги у таких умовах визначається зміною положен­ня зовнішньої характеристики джерела живлення дуги 2 в положення 2' і супроводжується мінімальними статичними помилками за стру­мом ∆І_д при відносно великих помилках ∆U_д (рис. 2.10, б, в). Це означає, що показані збурення, мало впливаючи на глибину провару, можуть спричинити істотні зміни ширини шва.

Таблиця 2.2

Позна­чення	Математичний зміст	Фізичний зміст
іп.м kпід τдв	іп.м= υп/(ωдв) kдв=∆wдв/(∆Uпід) kпід= ∆Uпід/(∆U)	Передавальне число редуктора механізму подавання Передавальний коефіцієнт двигуна за швидкістю Коефіцієнт подсилення підсилювача Стала часу електропривода

Розрахунок помилок регулювання за струмом і напругою дуги можна виконати для різних збурень за формулами в [6, табл. 2.3].

Системи автоматичної стабілізації напруги дуги при зварюванні плавким електродом. Для підвищення точності регулювання у зва­рювальних автоматах із регуляторами типу АРНД природні зво­ротні зв'язки, що характерні для саморегулювання дуги при зва­рюванні плавким електродом, доповнюються штучним зворотним зв'язком за напругою дуги. Сигнал зворотного зв'язку використо­вується для регулювання швидкості подавання електрода υ_п.

Спрощену структурну схему системи АРНД подано на рисунку 2.11. Власне регулятор утворено ланками I—III, передавальні функції яких пояснено у табл. 2.2. Контур саморегулювання, утворений лан­ками IV—VIII, аналогічний рисунку 2.8. Зі схеми вилучено ланки, які зображують процеси плавлення основного металу, оскільки вони знаходяться поза замкненими контурами регулювання, а джерело живлення взято безінерційним, оскільки при зварюванні під флю­сом τ_е > τ_дж.

Передавальна функція системи АРНД із урахуванням контуру саморегулювання має вигляд

(2.9)

де k_p = k_підk_дві_п.м — статичний коефіцієнт підсилення регулятора.

Зрівнявши з нулем знаменник передавальної функції (2.9), дістанемо характеристичне рівняння, досліджуючи яке, можна оці­нити стійкість і якість перехідного процесу в системі.

Для аналізу статичних помилок за струмом і напругою дуги під дією збурень треба визначити статичну характеристику системи регулювання.

Рисунок 2.11 – Структурна схема системи АРНД із дією на швидкість подавання електродного дроту

Закон зміни швидкості подавання електрода, який визначається роботою регулятора,

(2.10)

де U₀ — задана напруга дуги.

Розв'язок рівняння (2.10) для усталеного стану (2.5) із ураху­ванням формули (2.1) дає змогу дістати статичну характеристику системи АРНД:

(2.11)

де

Із (2.11) випливає, що статична характеристика системи регулю­вання — це пряма з кутом нахилу = arctg k₁/(k_p + k₂) (рисунок 2.12).

З а стійкодіючих збурень типу ±υ_п рівняння (2.10) набирає ви­гляду

Рисунок 2.12 – До оцінки статичних помилок за струмом ∆І_д і напругою ∆U_д при ви­користанні регуляторів типу АРНД

тоді рівняння статичної характеристики системи АРНД

Отже, стійкодіючі збурення, еквівалентні v_n, відповідають при­росту параметра, який задають, на величину _.

За стійкодіючих збурень неминуче зміщення точок енергетичної рівноваги А до положення В (рисунок 2.12) супроводжу­ється появою статичних помилок і . Щоб мінімізувати від­хилення за домінуючих збурень типу , доцільно для живлення зварювальних кіл автоматів із регуляторами АРНД використовувати джерела живлення з крутоспадаючою зовнішньою характеристикою

(порівняти на рисунку 2.12, а). Збурення відбиваються перш за все на струмі дуги (рис. 2.12, б, в), до того ж відхилення визначаються в основному рівнем цих збурень.

Статичні помилки і при дії на систему АРНД збурень можна обчислити за формулами в [1, табл. 251.

Застосовувати системи АРНД із дією на швидкість подавання доцільно у тих випадках, коли ставляться підвищені вимоги до точності стабілізації напруги (зварювання і наплавлення під кераміч­ним флюсом, прецизійне наплавлення легованого шару тощо).

Функціональну схему системи АРНД з тиристорним приводом наведено на рисунку 2.13. На вході операційного підсилювача DD1 порівнюються фактична U_д і задана U₀ напруги дуги. Вихідний сигнал DD1 керує тиристорним приводом ТП. Якщо виконується умова R2 = R3 = R, то керуюча напруга

(2.12)

де k_під= –(R+RP)/R — коефіцієнт підсилення операційного під­силювача.

Зміною RP здійснюється настроювання потрібного начення R_під, а отже, коефіцієнта під­силення регулятора K_р.

Рисунок 2.13 – Функціональна схема системи АРНД із тиристорним приводом

Із збільшенням k_p зменшується статична помилка , але одно­часно збільшується по­милка . Мінімальне значення k_p визначаєть­ся з умови [6]

де — максимальна швидкість плавлення електрода при заданих режимах зварювання і діаметрі електрода; £/д'³ — напруга короткого замикання електрода на деталь (при зварюванні під флюсом = 5...7 В).

Настроювання зварювального режиму при використанні типових автоматичних регуляторів дуги на заданий режим роботи здійснюється визначенням і введенням у регулятор параметра, який задають. Нехтування цією обставиною спричинює широко розповсюджений у практиці спосіб настроювання шляхом добору режиму методом проб при зварюванні контрольних пластин, що пов'язане з непродуктивними витратами електроенергії, металу, зварювальних матеріалів і робочого часу. Це положення можна усу­нути, використовуючи розрахунковий метод визначення параметра, який задають. Для регуляторів типу АРДС (зварювальних автоматів із незалежною сталою швидкістю подавання електродного дроту v_n = v₃) параметр, який задають, визначається згідно з рівняннями (2.5), (2.6) і (2.1) залежністю

де І_д , U_д— задані значення струму і напруги дуги відповідно.

Для зварювальних автоматів із регуляторами типу АРНД пара­метр, який задають, визначається згідно з рівнянням (2.11) залеж­ністю

і встановлюється потенціометром R1 (рис. 2.13).

Настроювання другого параметру (струму — при використанні систем АРНД або напруги — при використанні систем АРДС) прова­диться відповідною зміною уставки джерела живлення. Практично це передбачає таке регулювання джерела живлення, при якому його зовнішня характеристика проходить через точку енергетичної рів­новаги, яка визначається заданими значеннями U_n і /_д. Області можливих режимів під час автоматичного дугового зварювання ви­значаються перетином статичних характеристик систем регулювання при мінімальному і максимальному значеннях параметра, який зада­ють, з граничними характеристиками джерела живлення (рисунок 2.14, а, б). Для систем АРДС додатковим обмеженням є також технологічно зу­мовлені межі змінювання напруги дуги.

Метод аналізу систем автоматичного регулювання процесу дугового зварювання за статичними характеристиками може застосовуватись і для аналізу систем регулювання при зварюванні неплавким елект­родом. Дуга з неплавким електродом не має властивостей саморегулю­вання. Узявши в наведених вище рівняннях k₁ і k₂, які дорівнюють нулю, дістанемо потрібні вирази для аналізу властивостей таких си­стем.

1 і 1' — статичні характеристики регулято­рів; 2 і 2' — зовнішні характеристики джерела живлення.

Рисунок 2.14 – Області можливих режимів при зварюванні автоматами з регулятора­ми типу АРДС (а) і АРНД (б).

1 — зовнішні характеристики джерела живлення за різних напруг холостого ходу (вертикальна ділянка — статична характеристика регулятора струму з дією на опір джерела живлення); 2 — статична характеристика АРНД

Рисунок 2.15 – Статичні характеристики системи з двома регуляторами.

Системи з двома регуляторами. Статичні і динамічні показники керування процесом дугового зварювання можна поліпшити, за­стосовуючи системи з двома регуляторами: АРНД з дією на швидкість подавання і регулятором струму, який діє на джерело живлення (рисунок 2.15). При відсутності збурень за вильотом електрода така си­стема за статичними властивостями рівноцінна системі зі сталою швидкістю подавання і джерелом живлення — стабілізатором напру­ги на дузі, однак динамічні властивості у першому випадку можуть бути вищими. Вилучаються також відхилення струму і глибини про­вару при збуреннях за швидкістю подавання. Регулятори струму, що діють на джерело живлення, реалізуються у схемах універсаль­них зварювальних випрямлячів із тиристорним керуванням, на­приклад у випрямлячах ВДУ-305 і ВДУ-504 [6, 4].