автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Устройство управления тиристорным источником питания для дуговой сварки

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ОСОБЕННОСТЕЙ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССАМИ

ДУГОВОЙ СВАРКИ.

1Л. Физические процессы, протекающие в сварочном контуре

1.2. Анализ методов управления процессом сварки плавлением.

1.3. Цель и задачи работы.

2. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СВАРОЧНОГО КОНТУРА.

2.1. Математическая модель процессов в сварочном контуре при сварке плавлением

2.2. Скользящие режимы управления процессами сварки.

2.3. Исследование электрических процессов в сварочном контуре. . . 41 Выводы по главе 2.

3. СИНТЕЗ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОМ ДУГОВОЙ СВАРКИ.

3.1. Исследование структурной схемы устройства управления.

3.2. Исследование управляемости сварочного контура.

3.3. Экспериментальные исследования устройства управления сварочным контуром.

Выводы по главе 3.

4. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ.

4.1. Аппаратная реализация устройства управления.

4.2. Исследование сварочно-технологических свойств модернизированного тиристорного источника питания серии ВДУ.

Выводы по главе

В сварочном производстве основным элементом обеспечения стабильности и управляемости технологического процесса является источник питания (ИП) сварочной дуги. Основными отечественными промышленными ИП являются универсальные тиристорные ИП серии ВДУ, которые по своим энергетическим показателям перекрывают практически весь диапазон требуемых технологических режимов дуговой сварки. Схема управления и силовая часть ИП серии ВДУ построена по традиционной схеме тиристорных регуляторов и обеспечивают формирование как жестких, так и крутопадающих вольтамперных характеристик с достаточно широким диапазоном регулирования в статических режимах.

Современными исследованиями в области технологии процесса дуговой сварки установлено, что основная группа дефектов сварного соединения зарождается в объеме сварочной ванны и вероятность их появления связана с уровнем стабильности тепловых, электрических и гидродинамических процессов протекающих в сварочном контуре.

Ведущие отечественные и зарубежные фирмы начали освоение быстродействующих инверторных систем питания обеспечивающих более высокие сварочно-технологические показатели. Однако такие ИП отличаются сложностью, дороговизной и низкой надежностью. Кроме того, в настоящее время в промышленности накоплен значительный парк ИП серии ВДУ.

Анализ схемы ИП серии ВДУ показал возможность улучшения сва-рочно-технологических свойств источников за счет модернизации системы управления и увеличения ее быстродействия. Наиболее перспективным путем совершенствования схемы управления является разработка регуляторов релейного типа, работающих в режиме высокочастотных переключений, или по современной терминологии, в скользящих режимах.

С учетом вышеизложенного, особую актуальность приобретает модернизация серии ВДУ путем выделения устройства управления как самостоятельной системы и оснащение разработанным устройством как находящиеся в эксплуатации, так и новых ИП.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с комплексной научно-технической программой «Атоммаш» Северо-Кавказского научного центра высшей школы и госбюджетной темы «Разработка теории и методов повышения технологической прочности качества и надежности оборудования на основе создания математических методов расчета и моделирования новых технологий и материалов» № 1.3.99 Ф МИНОБР РФ и научного направления «Автоматизация производственных процессов».

Тесное сотрудничество с сотрудниками института проблем управления Уткиным В.И., Рыбкиным C.B. позволило решить многие поставленные задачи. Большую помощь в обсуждении результатов работы оказали А.И.Акулов, Б.Л.Боженко, Ю.С.Сысоев, В.Т. Загороднюк.

Научная новизна работы:

1. Установлена математическая зависимость величины порогового напряжения звена регулятора обеспечивающего скользящие режимы управления от значений параметров сварочного контура характеризующих его устойчивость, интенсивность процесса плавления электрода и индуктивность силовой схемы ИП.

2. Введением в уравнение теплового баланса краевых условий, учитывающих характер теплового потока от дуги к электроду, получено трансцендентное уравнение связывающее скорость плавления электрода с энергетическими параметрами процесса сварки.

3. Впервые осуществлена интеграция технологических и электротехнических подходов к разработке источников питания для дуговой сварки, заключающаяся во введении в структуру сварочного контура «электрод-дуга-сварочная ванна» звеньев, описывающих силовую часть тиристорного источника питания.

На защиту выносятся следующие основные положения работы: 6

1. Математическая модель процесса нагрева и плавления сварочного электрода.

2. Результаты исследования взаимодействия тепловых, электрических и гидродинамических процессов в сварочном контуре, обеспечивающих возможность построения структурной схемы устройства управления.

3. Результаты теоретического анализа управляемости процесса дуговой сварки в скользящих режимах.

4. Экспериментальные результаты, подтверждающие повышение сва-рочно-технологических свойств модернизированного источника питания серии ВДУ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выделение устройства управления как самостоятельной системы, входящей составной частью в тиристорный источник питания, позволяет осуществить комплексный анализ элементов сварочного контура, с учетом влияния на него параметров тиристорного преобразователя и силовой схемы, сформулировать требования к улучшению сварочно-технических свойств и осуществить модернизацию серии универсальных источников питания типа ВДУ, являющихся основными отечественными источниками питания для дуговой сварки.

2. Учитывая, что значительное количество дефектов сварного соединения зарождается в объеме сварочной ванны, а вероятность их появления зависит от стабильности электрических, тепловых и гидродинамических процессов протекающих в сварочном контуре, для улучшения показателей качества сварного соединения требуется повышение быстродействия системы питания дуговой сварки.

3. Теоретическими и экспериментальными исследованиями идентифицированы взаимосвязи физических процессов протекающих при дуговой сварке. Полученные математические модели сведены к описанию влияниях указанных процессов на состояние дугового разряда и на значения основных энергетических параметров процесса сварки.

4. Повышение быстродействия источника питания для дуговой сварки может быть осуществлено за счет использования алгоритмов управления в скользящих режимах. Анализом структурной схемы системы управления показана возможность управления процессами сварки в скользящих режимах и сформулированы требования к параметрам сварочного контура, при которых обеспечивается его управляемость.

5. Для экспериментальных исследований быстродействующих процессов при дуговой сварке может быть использована информационно

101 измерительная система на базе средств микропроцессорной техники. С учетом классификационных характеристик аналого-цифровых измерений получено уравнение измерительной процедуры, учитывающее погрешности при квантовании и дискретизации измеряемых сигналов.

6. При использовании разработанных устройств управления в серийных тиристорных источниках питания типа ВДУ в несколько раз повышено быстродействие системы управления. Дисперсия значений сварочного тока при ручной дуговой сварке сократилась более чем на 40%. Стабильность процесса полуавтоматической сварки в среде СОз увеличилась на 25%. Получено улучшение механических свойств сварочных соединений и структуры наплавленного металла.

102

1. Розавсков Ю.Н. Оборудование для сварки плавлением. М.: Энергоатомиздат, 1981. - 270 с.

2. Шитова В.М., Робинович Н.Я. Вопросы динамики источников питания при автоматической сварки в защитных газах //Автоматическая сварка, 1959.-№ 9.-С. 17-19.

3. Гладков Э.А., Чернышев ГГ., Сас A.B. Задачи управления качеством формирования шва при дуговой сварке //Известия вузов. Машиностроение. 1981. - № 12. - С. 11-12.

4. Сас A.B., Гладков Э.А., Чернов A.B. Автоматизированная система управления качеством аргоно-дуговой сварки труб //Труды МВТУ. -1980.-№ 337.-с. 81 -88.

5. Патон Б.Е. Основные задачи развития сварочного производства в СССР //Автоматическая сварка. 1986. - № 3. - С. 1-4.

6. Алекин Л.Е. Полная структурная схема дугового автомата типа АРДС//Труды МВТУ. 1970. - № 136. - С. 67 - 117.

7. Львов И.С., Гладков Э.А. Автоматика и автоматизация сварочных процессов. М.: Машиностроение, 1982. - 304 с.8. 26. Акулов А.И., Бельчук Г.А., Деменцевич В.П. Технология и оборудование сварки плавлением. М.: Машиностроение, 1977. - 420 с.

8. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга. М.: Машиностроение, 1970. - 335 с.

9. Шитова В.М., Робинович Н.Я. Вопросы динамики источников питания при автоматической сварки в защитных газах //Автоматическая сварка. 1959. - № 9. - С. 17-19.

10. Девицин Б.Н. Дефекты оборудования АЭС при входном контроле //Обеспечение изготовления оборудования для АЭС на уровне требований высшей категории качества: Тез. докл. научн.-техн. конф.- Волгодонск, 1980. С. 27-29.

11. Puscher P. Konventionelle und elektronische Schweissstomguellen Bauarten, statische und dynamische Eigenschaften, Wirkungsweiss //DFS -Ber. 1986.-№ 105. - S. 193-195.

12. Ерохин A.A. Основы сварки плавлением. Физико-химические закономерности. М.: Машиностроение, 1973. - 448 с.

13. Трофимов Н.М. Повышение точности регуляторов напряжения на дуге при использовании электрода //Автоматическая сварка. -1979. №6,- С. 55-60.

14. Алекин Л.Е. Инерционность расплавления электродной проволоки и проплавления металла изделия при автоматической сварке под флюсом//Автоматическая сварка. 1963. - № 10. - С. 1-7.

15. Фролов В.А., Чернов A.B. Исследование влияния неравномерности углов открытия тиристоров в сварочных источниках питания: Стабильность, качество и работоспособность сварных конструкций// Межвузовский сборник научных трудов. М., 1993. - С. 129-136.

16. Чернов A.B., Фролов В.А. и др. Влияние динамических свойств источников питания на стабильность процесса сварки плавящимся электродом //Современные проблемы сварочной науки и техники: Тез. докл. междунар. научн.-техн. конф. Ростов-н/Д, 1993. - С. 127.

17. Лебедев В.К., Медведенко Н.Ф. К исследованию переходных процессов, вызванных переносом металла//Автоматическая сварка.-1967. -№9.-С. 25-28.

18. Оборудование для дуговой сварки: Справочное пособие /Под ред. В.В. Смирнова. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1986.

19. Сварка в машиностроении. Т. З/Под ред. Ю.Н.Зорина. М.: Машиностроение, 1979. - 512 с.

20. Lucas W. Computer in arc Welding te next industrial revolution Part 3: Innstrumentation and processanalysis //Metal Constraction. -1985.- №7. P. 431-436.

21. Михайлов И.В. Оценка априорной вероятности образованиядефектов в сварном шве на основе определения исходной неупорядоченности процесса сварки //Сварочное производство. 1992. - № 5. - С. 25-26.

22. Чернов A.B. Обработка информации в системах контроля и управления сварочным производством: Монография/ Новочерк. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: НГТУ, 1995. 180 с.

23. Патон Б.Е., Подола Н.В. Автоматизация сварочных процессов //Сварка и спецметаллургия. 1984. - С. 221 - 227.

24. Каспаржак Г.М., Шитова В.М. Структурная классификация и сравнительный анализ систем автоматического регулирования процесса дуговой сварки, труды секции, электросварки АН СССР. М.: Академиз-дат, 1953. Вып. 1. С. 31 -57.

25. Алекин Л.Е. Полная структурная схема дугового автомата типа АРДС//Труды МВТУ. 1970. - № 1 36. - С. 67 - 1 17.

26. Чернов A.B., Фролов В.А. и др. Исследование динамических характеристик источников питания для сварки //Производство и надежность сварных конструкций: Тез. докл. научн. конф. стран СНГ. -Калининград, Моск. обл. М., 1993. - С. 57.

27. Чвертко А.И., Патон Б.Е., Тимченко В.А. Оборудование для механизированной дуговой сварки. Машиностроение, 1985. - 264 с.

28. Микропроцессорное управление электросварочным оборудованием /Бортняков Ю.А., Шаверов В.Н., Куратов и др. //Сварочное производство. 1986. - № 11. - С. 11-12.

29. Уткин В.И. Скользящие режимы в задачах оптимизации и управления. М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1981.- 368 с.

30. Тихонов А.Н. О некорректных задачах оптимального управления. ЖВМ и МФ, 1966, № 1. - С. 81- 89.

31. Кулебякин B.C. К теории автоматических вибрационных регуляторов для электрических машин. Теоретическая и экспериментальная электроника, 1932, № 4. С. 15-18.

32. Борцов Ю.А., Юнгер И.В. Автоматические системы с разрывным управлением. — JL: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1986. 168 с.

33. Freund Е., Hayer Н. Das Princip nichtlinearer Sistementkoppling mit der Anurnding auf Industrieroboter//Pegelungstechnik. 1980. T2, Bd 28. - № 4. S. 31 - 57.

34. Афанасиади H.Г. Автоматический тиристорный сварочный источник питания. Принцип построения. Реализация. Ростов-на-Дону: Издательство СКЦНВШ, 1997. 102 с.

35. A.C. 1731537 (СССР) МКИ В23К 25/00 Устройство для автоматического регулирования уровня сварочной ванны /Е.А. Алексеев, Н.Г. Афанасиади, Г.В. Машкин //Б.И. 1992 - № 17.

36. Пат. 1836199 РФ, МПК В23К 9/00 Сварочный выпрямитель /М.А. Кириллов, Н.Г. Афанасиади //Б.И. 1993 -№31.

37. A.C. 1196808 (СССР) МКИ В 11/01 Следящая система с запаздыванием / Б.Н. Лаунин, Н.Г. Афанасиади, Г.В. Машкин //Б.И. 1984. № 45.

38. A.C. 1199013 (СССР) МКИ В23К 9/00 Устройство зажигания и контроля горения/ А.И. Томилин, Б.Н. Луанин, Н.Г.Афанасиади //Б.И. 1986 -№32

39. Н.Г. Афанасиади, В.П. Демин, Б.И. Лаунин. Цифровое программно-задающее устройство //Энергомашиностроение. 1986. - № 9. — С. 46 — 47.

40. Н.Г. Афанасиади, В.П. Демин, Б.Н. Лаунин. Автоматизированная система управления технологическим процессом термообработки изделий АЭС.// Энергомашиностроение. 1984. - № 7. - С. 28 - 30.

41. И.В. Анчевский, Н.Г. Афанасиади, В.П. Демин. Модернизация систем автоматического регулирования температуры электропечей сопротивления //Энергомашиностроение. 1985. - № 1. С. 42 -43.

42. В.И. Мороз, М.С. Хазанов, Н.Г. Афанасиади. Автоматизированная система импульсного отопления крупногабаритных газовых печей //Энергомашиностроение. -1989. №4.С.38-41.

43. Н.Г. Афанасиади, A.B. Чернов. Система управления источниками питания для дуговой сварки // Известия высших учебных заведений. СевероКавказский регион. 2000. - № 3. С. 24 - 26.

44. Н.Г. Афанасиади. Анализ методов управления тиристорными источниками питания для дуговой сварки // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион 2000 - № 3. - С. 53 - 54.

45. Афанасиади Н.Г., Сысоев Ю.С. Математическая модель тепловых полей электрода в процессе дуговой сварки плавлением// Научная мысль Кавказа. Сев.-Кавк. научн. центр высшей шк. 2000. - № 6. - С. 42- 43.

46. Походня И.К., Заруба М.И., Пономарев В.Е. и др. Критерии щенки стабильности процесса дуговой сварки на постоянном токе //Автоматическая сварка. 1989. - № 8. - С. 1-4.

47. Чернышев Г.Г., Ковтун В.Л. Возможности повышения производительности при дуговой сварке //Труды МВТУ, 1985. № 434. - С. 31-41.

48. Кубарев В.Ф., Чернышев Г.Г. Методика экспериментального определения электродинамических сил, действующих на сварочную ванну //Известия вузов. Машиностроение. 1987. - № 7. - С. 147-151.

49. Чернышев Г.Г., Ковтун B.JI. Влияние теплового потока и давления дуги на предельную скорость сварки //Сварочное производство. -1985. -№ 2. С. 14-15.

50. Влияние гидродинамических явлений в сварочной ванне на формирование стыковых швов при сварке плавящимся электродом.

51. Акулов А.И, Чернышев Г.Г., Доронин Ю.В., Сас A.B., Чернов A.B. //Известия вузов. Машиностроение. № 2. - 1981. - С. 135-140.

52. Гладков Э.А., Гуслистов И.А., Сас A.B. Динамические процессы в сварочной ванне при вариации действующих сил //Сварочное производство. 1974. - № 4. - С. 5-6.

53. Чернов A.B., Сысоев Ю.С., Прокопенко В.В. Определение мгновенной скорости плавления электрода //Сварочное производство. -1991.- №11. С. 34-35.

54. Алекин Л.Е. Инерционность расплавления электродной проволоки и проплавления металла изделия при автоматической сварке под флюсом//Автоматическая сварка. 1963. - № 10. - С. 1-7.

55. Алекин Л.Е. Полная структурная схема дугового автомата типа АРДС//Труды МВТУ. 1970. - № 136. - С. 67 - 117.

56. Походня И.К, Костенко Б.А. Исследования кинетики плавления электродов при сварке. //Автоматическая сварка. 1965. -№ 4. - С. 15-16.

57. Моисеев H.H., Иванилов Ю.П. Методы оптимизации. М.: Наука,1978.- 184 с.

58. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. Киев: Техника, 1977. - 768 с.

59. Неймарк Ф.И. Замечания к докладу А.Ф. Филиппова. Труды I конгресса ФАК - М.: Изд-во АН СССР, 1961. - С. 52.

60. Чубаров Е.П. Контроль и регулирование с подвижным локальным воздействием. М.: Наука, 1977. - 350 с.

61. Мееров М.В. Синтез структур автоматического регулирования высокой точности. М.: Физматгиз. 1959. - 160 с.

62. Цыпкин ЯЗ. Основы теории автоматических систем. М.: Наука, 1977.-480 с.

63. Браткова О.Н. Источники питания сварочной дуги. М.: Высшая школа, 1978. - 184 с.

64. Устойчивость горения дуги /Под ред. М.Ф. Жданова: Изд. СО

65. АН СССР, Новосибирск, 1973. 168 с.

66. Красовский A.A., Поспелов Г.С. Основы автоматики и технической кибернетики. М.: Госэнергоиздат, 1962. - 600 с.

67. Тареев А.П. Микропроцессорная система регистрации параметров режима сварки труб большого диаметра //Автоматическая сварка. 1987. - № 7. - С. 57-60.

68. Cook G. E., Woliz A.M. Analising arc welding signals whith a mi-crocjmputer. Conf, - Ree, Ind. Appl. Soc IEEE - IAS, - 17 th AN Met, San -Francisco, - 1982 - P. 1-7.

69. Цветков Э.И. Основы теории статистических измерений. JL: Энергоатомиздат, 1986. - 256 с.

70. Гоьденберг JI.M. и др. Цифровая обработка сигналов: Справочник /Гольденберг JI.M., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н. М.: Радио и связь, 1985. - 312 с.

71. Алиев Т.А. Экспериментальный анализ. М.: Машиностроение, 1991. - 272 с.

72. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. Т. 1. М.: Мир, 1983. - 31 1 с.

73. Ефимов В.М. Квантование по времени при измерении и контроле. М.: Энергия, 1969. - 88 с.

74. Катюк А.Ф., Цветков Э.И. Спектральный и корреляционный анализ случайных процессов. М.: Изд-во стандартов, 1970. - 104 с.

75. Лакатош Л., Калик А. Метод объективной оценки сварочных свойств электродов с основным покрытием и технологии их механизированного производства. Братислава. - Б.И. - 1984. -С.93-114.

76. Surgean I., Leiutiu I., Benea F., Aprecierea comportaru la sudare a eitctrozilor inveliti cu ajutorul unui sistem electronic modular. Lucrarile isti-tutuluide sudare si incercare de materiall //Sudara si incercmater. 1984. № 4,-P. 43-45.

77. Трофимов H.M. Повышение точности регуляторов напряжения на дуге при использовании электрода //Автоматическая сварка. -1979. № 6.- С. 55-60.

78. Влияние гидродинамических явлений в сварочной ванне на формирование стыковых швов при сварке плавящимся электродом. /Акулов А.И, Чернышев Г.Г., Доронин Ю.В., Сас А.В., Чернов А.В. //Известия вузов. Машиностроение. № 2. - 1981. - С. 135-140.

79. Походня И.К. Газы в сварных швах. М.: Машиностроение, 1972. -255 с.

80. Puscher P. Konventionelle und elektronische Schweissstomguellen Bauarten, statische und dynamische Eigenschaften, Wirkungsweiss //DFS -Ber. 1986. - № 105. - S. 193-195.

81. Статистические методы в экспериментальной физике /Идье В, Драйард Д., Джеймс Ф. и др.: Пер. с англ. М.:Атомиздат, 1976. -335 с.

82. Трухляев Р.И. Модели принятия решений в условиях неопределенности. М.: Наука, 1981. - 258 с.