Метод построения внешних статических характеристик сварочных источников питания Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 004:621.791.75

МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ ВНЕШНИХ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СВАРОЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

© 2008 г. В.В. Кривин, М.Ю. Виниченко, П.И. Руденко, А.А. Тямалое

Волгодонский институт Institute of South-Russian

Южно-Российского государственного State Technical University

технического университета (Новочеркасского (Novocherkassk Polytechnic Institute),

политехнического института) Volgodonsk

Рассматривается информационно-измерительная система, предназначенная для измерения и хранения вольтамперных характеристик сварочных источников питания. Достоинством данной системы является то, что график внешней характеристики можно получить из мгновенных значений сигналов тока сварки и напряжения дуги, измеренных во время процесса сварки. Такой подход позволяет оценить статическую характеристику источника питания сразу после завершения процесса, не отключая его от сварочного поста.

Ключевые слова: источники питания, сварка, статические характеристики, перенос металла, короткие замыкания.

Information-measuring system meant for measurement and storage of volt-ampere characteristics of welding supply sources is considered in the article. The advantage of the system is the fact, that the graph of the volt-ampere characteristic can be received in instantaneous meanings of welding current and voltage signals, measured during the welding process. The approach allows to estimate volt-ampere characteristic of supply source immediately after process completion without disconnecting it from the welding post.

Keywords: power source, welding, steady-state features, carrying the metal, short circuits

При организации сварочного производства оператором-сварщиком или технологом решается задача о выборе сварочного оборудования, наиболее полно удовлетворяющего требованиям технологического процесса. Известно, что эффективность процесса электродуговой сварки во многом зависит от статических и динамических характеристик применяемого оборудования. Поэтому одним из критериев выбора источника питания является вид его внешней характеристики. Задача достоверного измерения статической характеристики является актуальной также при аттестации сварочного оборудования, где по виду вольтамперной характеристики (ВАХ) определяется

соответствие источника питания установленным нормам.

В настоящее время определение семейства внешних статических характеристик сварочного оборудования производится либо с применением балластных реостатов, имитирующих сопротивление дуги, либо с применением специализированных программируемых нагрузочных устройств и цифровых регистраторов тока и напряжения [1]. Недостатками обоих способов являются громоздкость применяемого оборудования, необходимость снятия источника питания со сварочного поста для проведения измерений и высокие материальные затраты на покупку специализированного оборудования.

Рис. 1. Структурная схема информационно-измерительной системы и способ ее подключения к источнику питания: НП - нормирующий преобразователь; ФНЧ - фильтр нижних частот; РФ - режекторный фильтр; БГР - блок гальванической развязки; АЦП - аналого-цифровой преобразователь

В статье рассматривается информационно-измерительная система, предназначенная для измерения и хранения вольтамперных характеристик сварочных источников питания. Достоинством данной системы является то, что график внешней характеристики можно получить из мгновенных значений сигналов тока сварки и напряжения дуги, измеренных во время процесса сварки. Такой подход позволяет оценить статическую характеристику источника питания сразу после завершения процесса, не отключая его от сварочного поста. На рис. 1 показаны структурная схема информационно-измерительной системы (показана схема измерения тока сварки) и способ ее подключения к источнику питания.

Измерение, нормирование и фильтрация сигналов тока и напряжения сварки производится с помощью нормирующих преобразователей (НП), фильтров нижних частот (ФНЧ), режекторных фильтров (РФ) и модуля АЦП. Блок гальванической развязки (БГР) предназначен для электрического разделения измерительной и сварочной цепей. Ниже приведены технические характеристики системы:

Время измерения, с 30

Интерфейс для связи с ПК USB

Напряжение питания, B 220

Разрядность АЦП, бит 12

Частота дискретизации, кГц 1 - 100

Габаритные размеры, мм 260x240x70

Масса, кг 4

Интерфейс пользователя, реализованный в среде графического программирования LabVIEW, обеспечивает простоту настройки параметров информационно-измерительной системы и наглядность полученных результатов в виде графика ВАХ.

Проведенные исследования показывают, что область существования действительных значений сигналов сварочного тока !св и напряжения на дуге определяется не только пересечением статических характеристик дуги и источника питания, но и динамическими свойствами последнего (рис. 2).

Внешняя характеристика i

1

1

г

1 \ло<

1

L. Горен 1ие ду ги

Ф* щ

. *: Г

Пр эмежу гочная Ви^Г^м ЦЙ Ж; « ':

1 •<- облас ть. Igpfr;-^ ыкани е

С 'рабаты шание Щщ « . **

си стемы ^ защиты I ........ ш

:Г ш tff&wvte? -ян»

IrOp I М[ 'А

и времени) возмущений. Следовательно, эти сигналы следует рассматривать как случайные процессы, протекающие во времени. В [2] показано, что сигналы о процессе сварки (/св, Uj) обладают свойством стационарности и эргодичности, что предполагает использование методов теории вероятности и математической статистики для их обработки.

Измерение внешней характеристики источника питания происходит следующим образом. Во время процесса сварки мгновенные значения тока сварки (/св) и напряжения дуги (Uj) записываются в память компьютера. В результате получается двумерный массив, содержащий данные о состоянии процесса сварки. Но, как было указано выше, на эти данные накладываются случайные возмущения, поэтому для построения внешней характеристики их необходимо подвергнуть статистической обработке.

В работе [3] показано, что процессу сварки характерны три состояния - холостой ход, горение дуги и короткое замыкание. Другие состояния являются промежуточными - в них процесс находится очень непродолжительное время. Для идентификации состояний процесса определяются соответствующие критерии U^ и U^. Абсолютные значения этих критериев находятся по эмпирической функции плотности распределения напряжения дуги (рис. 3). Последующая агрегация данных позволяет отнести их к одному из состояний процесса. Например, для источника питания Prestige 164 при сварке стали Ст3 электродами ОК 53.70 диаметром 2,5 мм U^ = 10 В, Uk^ = 40 В.

а*)

100

so

40

20

...... ы«**** ■ ■ Ш ■■ ■■ Л О- ¡р Ol ■ ■ ■ Л ш

LI____ 1 £ 1 \

г ■ 1 1 !

U пор1 U пор2

Г % L

Рис. 2. График ток - напряжение сварки, построенный по мгновенным значениям

Это связано с тем, что на мгновенные значения сварочного тока и напряжения влияет большое количество недетерминированных (случайных по величине

I-- 1 ".и I-- - .... U, В

Рис. 3. Эмпирическая функция плотности распределения данных напряжения на дуге

Обработка данных для каждой области проводится отдельно с помощью соответствующего программного обеспечения. Для области «холостого хода» программа выбирает только те точки «ток - напряжение», для которых ток сварки принимает минимальные значения (1св «0) при напряжении на дуге

ид > ипор2 . После чего для точки (назовем ее точкой

«холостого хода» Тхх) рассчитывается среднее значение напряжения, на основании которого определяются ее координаты Тхх[0, ихх], где

X U

U = ——

(1)

Для источника Prestige164 точка Тхх имеет координаты [0; 62,1].

При построении участка ВАХ, находящегося между областями холостого хода и горения дуги, программа анализирует плотность точек «ток - напряжение» и на основании этой информации определяет значение сварочного тока /гор, с которого начинается область горения дуги. Точек, лежащих в диапазоне токов [0, 1гор], крайне мало, т.к. эта область является

промежуточной и процесс находится в этом состоянии только при переходе из холостого хода в горение дуги и наоборот. Следовательно, в этом интервале токов мало данных и любые возмущения, связанные, например, со срабатыванием системы защиты источника питания, могут существенно исказить форму рассчитываемой ВАХ. Поэтому программа не учитывает (отбрасывает) те точки из указанного диапазона, для которых напряжение оказывается меньше ипор1. Затем рассчитываются средние значения напряжения для каждого значения тока с шагом 1 А. Для сварочного инвертора Prestige 164 при установленном рабочем токе 90 А значение тока 1гор = 68 А (см. рис. 2).

Для областей «горение дуги» и «короткое замыкание» рассчитывается среднее значение напряжения для каждого значения тока при шаге измерений 1 А. На рис. 4 показаны графики вольт-амперных характеристик инвер-торного источника питания Prestige 164 при установленном рабочем токе 90 и 100 А, измеренные с помощью балластного реостата и разработанного метода. Как известно [4], оценка вида

(1) является нормальной, т.е.

асимптотически

(

yfn

X U

i=1

->N,

а

(0,1)

б

Рис. 4. График ВАХ инвертора Prestige164 при рабочем токе 90 А (а), 100 А (б)

где N(01) - стандартизованное нормальное распределение, ри -математическое ожидание С; ии - среднеквадратичное отклонение и.

Это позволяет приближенно оценить доверительные интервалы для полученной оценки. Используем для этого несмещенную оценку дисперсии:

~2 i=1 а и = —

X (U - и, )2

п -1

Воспользовавшись известными 0,05-процентилями стандартизованного нормального распределения, получаем

Л* 1

,96^

П __"

X(u - и,)2 i=1

n (n -1)

n

и

n

а

где А - половина ширины доверительного интервала. Рассчитанные по этой формуле приближенные доверительные интервалы изображены на рис. 4 пунктиром. Из рисунка видно, что полученные статические характеристики сварочного источника питания находятся внутри этого интервала.

Выводы

Разработанная информационно-измерительная система и специализированное программное обеспечение позволяют получать форму внешней характеристики источника питания сразу после окончания процесса сварки. При этом отпадает необходимость в применении дорогостоящего (цифровые регистраторы тока и напряжения), громоздкого (балластные реостаты) оборудования и снятии источника питания со сварочного поста.

Литература

1. «Порядок применения сварочного оборудования при изготовлении, монтаже, ремонте и реконструкции технических устройств для опасных производственных объектов» РД 03-614-03.

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

3. Кривин В.В. Автоматизация ограниченных детерминированных процессов: Монография / Юж.-Рос. гос. техн. унт. - Новочеркасск: Ред. журн. "Электротехника", 2003. -176 с.

4. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: В 2-х томах. Пер. с франц. - М.: Мир, 1983. - Т. 1. 312 с.

Поступила в редакцию 10 сентября 2008 г.

Кривин Валерий Вольфович - доцент, д-р техн. наук, профессор Волгодонского института Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). E-mail: ngtu@volgodonsk.ru. Тел. (86392) 62526.

Виниченко Михаил Юрьевич - доцент, канд. техн. наук Волгодонского института Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). E-mail wmy@mail.ru Тел. (86392) 62526.

Руденко Павел Иванович - старший преподаватель Волгодонского института Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). E-mail: ngtu@volgodonsk.ru. Тел. (86392) 62526.

Тямалов Александр Анатольевич - ассистент Волгодонского института Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института). E-mail: altyam@mail.ru. Тел. (86392) 62526._