ЭМП, генерируемые электросварочными установками

Электросварочные установки (ЭСУ) при своей работе создают помехи излучения и помехи проводимости. Электромагнитные помехи излучения лежат в диапазоне средних и высоких частот и для расстояний L = 300…1610 м пропорциональны L^-1,5 [1]. Излучаемый спектр концентрируется в одной из трех областей частот: 750 кГц, 3 или 20 МГц.

Помехи проводимости, вызываемые ЭСУ, можно разделить: на технологические, создаваемые за счет резкопеременного режима работы, к ним относятся колебания и провалы напряжения; электротехнические, определяемые видом ЭСУ, их систем управления и коммутации, к ним относятся несинусоидальность и несимметрия напряжений; структурно-технологические, зависящие от состава ЭСУ в группах и их коммутации; структурно-составные, характеризующиеся взаимовлиянием помех друг на друга.

По своему характеру ЭМП проводимости, создаваемые ЭСУ, можно разделить на два вида: детерминированные и случайные. Отдельные ЭСУ могут создавать детерминированные или случайные ЭМП, а группы ЭСУ - случайные ЭМП.

Импульсный характер графиков нагрузки машин контактной сварки приводит к появлению в огибающей напряжения провалов. Форма провалов напряжения (ПН) зависит от формы индивидуальных импульсов тока сварки, которые определяются способом включения ЭСУ. Электросварочные установки могут включаться с помощью асинхронных тиристорных контакторов. В общем случае, когда угол открытия тиристоров не равен углу нагрузки ( ), при включении возникает ток переходного процесса. Этот ток состоит из установившегося синусоидального i_у и свободного i_св тока, меняющегося по экспоненте, т.е.

,

где I_m - амплитудное значение тока; A - значение свободного тока в момент включения;  - постоянная времени активно-индуктивной цепи.

В момент включения ток в цепи с индуктивностью должен быть равен нулю, тогда

.                 (3.19)

Из (3.19) видно, что при  и А = 0 ток сразу принимает установившееся значение:

.

Включение контакторов с углами a > φ обеспечивается синхронными контакторами. В асинхронных контакторах момент включения может меняться в процессе работы машины, и возможны случаи, когда a > φ или даже . При 0 < a < φ величина A приобретает положительное значение, и поскольку свободный ток существует во время, равное , то все это время наблюдается асимметрия в форме тока.

Таким образом, при синхронных контакторах сварочные машины создают импульсы тока в виде отрезков синусоид с постоянной амплитудой, а при асинхронных контакторах, наряду с импульсами с постоянной амплитудой, наблюдаются импульсы с амплитудой затухающей по экспоненте.

Последовательность ПН, создаваемых отдельными ЭСУ, может носить периодический, цикличный или случайный характер.

Периодическую последовательность ПН создают ЭСУ, работающие в автоматических сварочных линиях, и сварочные роботы. Эти последовательности ПН в зависимости от числа одновременно свариваемых точек могут быть трех видов: 1) отдельных ПН (рис. 3.12, а); 2) групп ПH (рис. 3.12, б); 3) комплексов групп ПН (рис. 3.12, в). Количество ПН в группах и групп в комплексах, а также периоды следования ПН (Т), группы (Т_г) и комплексов (Т_к), расстояния между ПН ( ) и их длительности ( ) постоянны. Расстояния между ПН, группами ПН и комплексами групп ПН определяются временем смены деталей и перемещения инструмента, а длительность - технологией и режимом работы ЭСУ.

Для циклических последовательностей ПН характерно случайное изменение расстояния между ПН в группах и между группами (рис. 3.12, г). Такие последовательности ПН имеют ЭСУ, работающие в полуавтоматическом режиме при наличии ручных операций установки и снятия деталей.

Случайные последовательности ПН характеризуются случайными изменениями их характеристик: размахов , длительностей , периодов следования (Т_i,Т_гi,T_кi) и др. Случайные последовательности ПH подразделяются на основные группы:

1) случайные последовательности отдельных ПН (работа большинства ЭСУ в неавтоматическом режиме: подвесные и стационарные точечные cварочные машины);

2) случайные последовательности групп ПН (многоточечные сварочные машины);

3) случайные последовательности комплексов групп ПН (работа стационарных и подвесных одноточечных машин при перемещении изделия или инструмента, полуавтоматические сварочно-сборочные линии).

Глубина ПН определяется мощностью сварочной машины и источника питания, а также параметрами питающей сети. Машины точечной и рельефной сварки создают ПН до 7 %. Наибольшую глубину ПН образуют стыковые и многоточечные машины - до 19 %. Длительность ПН зависит от видов ЭСУ и свариваемого металла (толщины и марки). Точечные, рельефные, многоточечные и шовные сварочные машины создают ПН длительностью от 0,02 до 1,0 с, стыковые сварочные машины - от 0,2 до 20 с, а дуговые сварочные установки - от 5 до 600 с.

Средняя частота ПН:

,                                      (3.20)

где n - число ПН за интервал времени Т (с, мин, ч).

Средняя частота размахов напряжения:

.                                   (3.21)

В настоящее время большое число машин контактной сварки снабжается регулируемыми тиристорными контакторами. Большое распространение получили также сварочные машины постоянного тока и установки дуговой сварки постоянного тока.

а)

б)

в)

г)

Рис. 3.12. Виды провалов напряжения, создаваемых

электросварочными установками

Токи отдельных гармоник машин контактной сварки можноопределить по формуле

,              (3.22)

где S_пасп - паспортная мощность ЭСУ; K_з.с, ПВ_ф.с - среднестатистические коэффициенты загрузки и фактической продолжительности включения.

Определяющими являются 3, 5 и 7-я гармоники.

Сварочные машины постоянного тока и сварочные выпрямители, имеющие трехфазную мостовую схему выпрямления, генерируют 5, 7 и 11-ю гармоники. Токи отдельных гармоник для них определяются по выражению

.               (2.23)

Все ЭСУ, как правило, являются однофазными потребителями электроэнергии. Равномерное распределение их по парам фаз трехфазной сети не всегда удается, особенно при наличии крупных сварочных машин, кроме того, сварочные машины включаются в случайном порядке. Поэтому в трехфазной сети с ЭСУ возникает несимметрия токов, которая приводит к несимметрии напряжения; наряду с системой прямой последовательности напряжений, появляются составляющие обратной и нулевой последовательностей.

Коэффициент несимметрии напряжения в сварочных сетях колеблется от 1 до 5 %, что превышает норму 2 %, указанную в ГОСТ 13109-97. Однако большие значения коэффициента несимметрии кратковременны (до 1,0 с) и с большими паузами между ними (до нескольких минут), кроме того, они возникают только при наличии машин с кВ×А. Поэтому при проектировании схем электроснабжения для питания ЭСУ применение специальных симметрирующих устройств должно быть экономически обосновано, так как влияние несимметрии напряжения на нагрев электродвигателей практически сказываться не будет. Несимметрия напряжения, вызываемая сварочной нагрузкой, может повлиять на системы управления и автоматики ЭСУ и других производственных механизмов.

Для дуговой электросварки также могут применяться источники питания переменного и постоянного тока. Дуговые сварочные установки генерируют гармоники тока 3, 5 и 7-го порядков. Однофазные установки создают несимметрию токов и напряжений.

Мощности машин контактной сварки от 10 до 1000 кВ×А, автоматические сварочные линии для сварки кузовов автомобилей, вагонов, тракторов и т.д. имеют установленные мощности сварочных машин от 500 до 20000 кВ×А. Напряжение питания 380 В.

       Мощности дуговых сварочных установок находятся в пределах от 10 до 200 кВ×А, напряжение питания 220 или 380 В.