Wersję elektroniczną opracował:

mgr inż. Marek Kott

BADANIE PROCESU ZGRZEWANIA ELEKTRYCZNEGO

1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i działaniem zgrzewarki elektrycznej prądu przemiennego oraz procesem zgrzewania elektrycznego. Podczas ćwiczenia należy wyznaczyć parametry transformatora zgrzewarki w stanie jałowym oraz w stanie zwarcia -

podczas zgrzewania.

2. Wiadomości podstawowe

2.1. Zasady zgrzewania oporowego

Zgrzewanie elektryczne oporowe ma miejsce wtedy, kiedy przez elementy łączone przepływa prąd elektryczny o określonym natężeniu i gdy elementy te nagrzane prądem do żądanej temperatury (temperatury topnienia lub plastyczności) dociska się do siebie z określoną siłą, za pośrednictwem elektrod doprowadzających prąd z transformatora zgrzewarki.

Połączenie elementów następuje w wyniku powstawania wewnętrznych sił wiązania międzyatomowego. Ciepło wydzielane w czasie przepływu prądu w obwodzie zgrzewania określa się na podstawie prawa Joule^a w postaci:

Q = ,

0

I 2

24

Rt

gdzie:

Q - ilość ciepła

I - natężenie prądu zgrzewania

R - oporność całkowita strefy zgrzewania

T - czas przepływu prądu zgrzewania

0,24 - stały równoważnik zamiany energii elektrycznej na ciepło

Zgodnie z tym prawem ilość wytworzonego ciepła jest wprost proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu, rezystancji strefy zgrzewania i czasu przepływu prądu. Rezystancja całkowita R strefy zgrzewania, w której odbywa się intensywne wydzielanie ciepła, składa się: z opornoś ci styku pomiędzy elementami zgrzewanymi oraz z opornoś ci metalu zawartego między elektrodami. W początkowej fazie zgrzewania największa jest rezystancja styku pomiędzy zgrzewanymi elementami i w tym miejscu wydziela się największa ilość ciepła, co umożliwia powstanie trwałego połączenia. Wartość tej rezystancji zależy od:

- rodzaju zgrzewanego metalu,

- stanu powierzchni metalu,

- wielkości przyłożonego docisku.

Podczas nagrzewania się elementów w procesie zgrzewania, rezystancja elektryczna metalu wzrasta proporcjonalnie do temperatury, natomiast rezystancja elektryczna styku pomiędzy łączonymi elementami zmniejsza się na skutek dalszych odkształceń, nierówności i powiększaniu się powierzchni styku. Zmniejszenie rezystancji przejścia następuje też w wyniku szybkiego niszczenia tlenków wykazujących właściwości izolacyjne.

1

Wersję elektroniczną opracował:

mgr inż. Marek Kott

W końcowej fazie procesu zgrzewania rezystancja całkowita strefy zgrzewania może

być większa od wartości początkowej mimo, że rezystancja elektryczna styku pomiędzy łączonymi elementami praktycznie równa się wtedy zeru.

Czas trwania procesu zgrzewania jest stosunkowo krótki i w czasie tym musi być zamieniona na ciekło taka ilość energii elektrycznej by wystarczyła ona na utworzenie trwałego połączenia. Należy przy tym pamiętać, że znaczna część ciepła zostaje rozproszona do otaczającego środowiska oraz odprowadzona do materiału otaczającego miejsce łączenia, a także do elektrod. Jest przy tym oczywiste, że im wolniej przebiega proces zgrzewania, tym większe są straty ciepła.

2.2. Parametry zgrzewania

Podstawowe parametry zgrzewania oporowego punktowego złączy przedmiotów

metalowych to:

- natężenie prądu,

- siła docisku,

- czas zgrzewania,

- średnica elektrod.

Do podstawowych parametrów zgrzewania oporowego punktowego mających

decydujący wpływ na przebieg procesu tworzenia się zgrzeiny, zalicza się siłę docisku elektrod, natężenie prądu zgrzewania oraz czas przepływu prądu zgrzewania (nazywany często czasem zgrzewania). Parametry te dobiera się w zależności od rodzaju metalu lub stopu, jego grubości, kształtu i wymiarów elementów zgrzewanych oraz wymagań specjalnych stawianych gotowej konstrukcji.

Wielkości poszczególnych parametrów są tym większe im większa jest grubość

łączonych elementów. W przypadku zgrzewania elementów o różnych grubościach parametry dobiera się zawsze dla elementu cieńszego z tym, że prąd zgrzewania zwiększa się średnio o 10-20%. Wyjątkiem jest przypadek gdy wśród zgrzewanych trzech elementów nierównej grubości, najcieńszy znajduje się w środku; parametry dobiera się wówczas dla elementów grubszych.

2.3. Stan jałowy pracy zgrzewarki

Zgrzewarka elektryczna zbudowana jest w oparciu o transformator 1-fazowy

dwuuzwojeniowy o dużym stopniu, rozproszenia, w którym występuję jedno uzwojenie wtórne. Uzwojenie to można zwierać lub rozwierać poprzez przymocowane do niego dwie elektrody. W przypadku rozwarcia elektrod mamy do czynienie z klasycznym przypadkiem stanu jałowego transformatora, którego schemat zastępczy przedstawiono na rys. 1.

2

Wersję elektroniczną opracował:

mgr inż. Marek Kott

Iµ

X µ

I µ

I µ

Rys. 1. Transformator w stanie-jałowym wraz z wykresem wskazowym

W schemacie zastępczym transformatora w stanie jałowym występują reaktancje: Xu

- związana ze strumieniem głównym Φ(tzw. reaktancja główna lub magnesująca) oraz Xsl

- reaktancja rozproszenia strony 1, związana ze strumieniem rozproszenia. Element rezystancyjny R1 odwzorowuje rezystancję; uzwojenia pierwotnego, z którym związane są straty mocy czynnej ∆PCu występujące w uzwojeniach. Chcąc określić straty mocy w rdzeniu należy wprowadzić do schematu zastępczego rezystancję RFe tak dobraną i tak połączoną, aby powstające w niej ciepło odpowiadało pod względem ilościowym ciepłu rzeczywiście powstającemu w rdzeniu stalowym ∆P

2

Fc = RFs -IFe . Należy podkreślić, ze

element RFe nie reprezentuje żadnego, rzeczywiście istniejącego w transformatorze rezystora, lecz jest elementem zastępczym.

Wartości elementów R1 Xsl oraz RFe można uznać - przy stałej częstotliwości - za praktycznie stałe.

W uzwojeniu wtórnym indukuje się w stanie jałowym napięcie U2 lecz prąd w nim płynie, gdyż obwód tego uzwojenia jest otwarty. Dlatego na schemacie zastępczym dla stanu jałowego można nie uwzględniać strony wtórnej.

W stanie jałowym spadki napięcia na elementach R1 oraz Xs1 są bardzo małe w porównaniu z napięciem U1, dlatego też można uznać, że napięcie E1= U1

W stanie jałowym można zatem wyznaczyć przekładnię napięciową transformatora.

U

z

1

1

ϑ =

≈

u

U

z

2

2

gdzie

z1 - liczba zwojów uzwojenia pierwotnego

z2 =1.

Prąd jałowy I0 zawiera 3k.adową bierna. Iu = I0 sinφ (prąd magnesuje), która wytwarza strumień magnetyczny Φ oraz sadowa czynna IFe =I0cosφ , która określ straty mocy czynnej

∆P

2

FE=RFE IFE występujące w rdzeniu transformatora.

Jest spełniony warunek:

2

2

I =

I µ + I

oraz U

1 = X

I

µ µ = X

I

0

Fe

Fe

Fe

P

Współczynnik mocy transformatora w stanie jałowym wynosi

o

cosϕ =

o

U I

1 o

3

Wersję elektroniczną opracował:

mgr inż. Marek Kott

Moc czynna Po pobierana przez transformator w stanie płowym zamienia się w całości

na ciepło wskutek strat w rdzeniu ∆Pfe , ponieważ straty w uzwojeniu są pomijalnie małe.

Stadmożna przyjąć że ∆PFe, ≈ P0. Składowa, czynna prądu jałowego można zatem wyznaczyć P

U 2

z zależności I

o

=

rezystancję R

1

=

Fe

U

Fe

P

1

o

2.4. Stan zwarcia zgrzewarki

Podczas zgrzewania elementów transformator zgrzewarki pracuje w stanie zbliżonym do stanu zwarcia. Stanem zwarcia dowolnego transformatora nazywany stan, w którym jedno z uzwojeń zasilane jest ze źródła energii elektrycznej, a zaciski drugiego uzwojenia s, zwarte W tych warunkach napięcie na zaciskach zwartego uzwojenia jest równe zeru, mimo iż płynie w nim prąd, nie oddaje mocy na zewnątrz. Całkowita moc pobierana przez zwarty transformator, pokrywa wyrżnie straty, zamieniając się w całości na ciepło. Schemat zastępczy transformatora w stanie zwarcia obrazuje rys. 2.

W stanie zwarcia można pominąć prąd jałowy, ponieważ jest on kilka rzędów

mniejszy od prądu pobieranego w stanie zwarcia.

Rys.2. Transformator w stanie zwarcia.

W stanie zwarcia zachodzą następujące zależności:

U = Z I

1

z 1

gdzie Zz jest impedancją wewnętrzną,

Z = R + jX = (

|

R + R ) + (

|

X + X )

z

z

z

1

2

1

s

s 2

4

Wersję elektroniczną opracował:

mgr inż. Marek Kott

Przy czym

2

2

Z = R + X

z

z

sz

Wartość współczynnika mocy w stanie zwarcia wynosi

Rz

cosϕ =

z

Z

z

Moc Pz pobierana przez transformator w stanie zwarcia przy zasilaniu napięciem zwarcia zamienia-się niemal wyłącznie na straty, w uzwojeniach P ≈

z

∆PCu. Stąd można

P

wyznaczyć rezystancję zastępczą transformatora:

z

R ≈

z

2

I n

Napięciem zwarcia Uz transformatora nazywamy napięcie, które, należy doprowadzić

do jednego z uzwojeń, przy zwarciu drugiego, aby w uzwojeniu zasilanym płynął prąd znamionowy In.

Jak już wcześniej wspomniano zgrzewarka podczas zgrzewania pracuje w stanie

zbliżonym do stanu zwarcia. Uzwojenie wtórne jest zwarte poprzez elektrody oraz materiał

zgrzewany. Stąd podczas zgrzewania napięcie po stronie wtórnej jest większe od zera gdyż występuje spadek napięcia na rezystancji materiału zgrzewanego. Moc pobierana Pz jest zamieniana na ciepło w uzwojeniu pierwotnym oraz wtórnym (ciepło, które nadtapia materiały zgrzewane). Moc użyteczną, pod wpływem której zgrzewane są elementy można wyznaczyć z zależności Pu = U2 I2, gdzie U2 jest napięciem po stronie wtórnej, I2 prądem płynącym przez uzwojenie wtórne, elektrody i zgrzewany materiał.

Proces zgrzewania charakteryzuję się pewną sprawnością, którą można wyznaczyć ze

P

wzoru:

u

η ≈

Pz

3. Przebieg ćwiczenia

Podczas ćwiczenia należy:

a)

Zapoznać się z budową modelu zgrzewarki oraz zgrzewarki firmy ASPA.

b)

Zmontować układ pomiarowy jak na rys. 3 oraz dla napięcia zasilania od 160 do 250V

wyznaczyć parametry transformatora zgrzewarki w stanie jałowym, tj I

η

o,Iu, IFe, Po,

,

u

RFe, Xu oraz cosφo.

5

Wersję elektroniczną opracował:

mgr inż. Marek Kott

L

A

W

1

230V

V

zgrzewarka

V

1

2

reg.

Zasilanie obwodu

czasowego

N

230V

L1

niereg.

N

Rys.3. Układ zgrzewarki w stanie jałowym

c)

Narysować charakterystyki Io = f(U1), IFe = f(U1), oraz IU =f(U1),

d)

Zmontować układ pomiarowy jak na rys. 4. Dla 4 wartości napięcia zasilania przeprowadzić próby zgrzewania blach stalowych w funkcji czasu przepływu prądu.

Dla czasów większych od 1 s należy odczytać moc pobieraną Pz, prąd pobierany In, napięcie U2, oraz prąd I2. .

udo iwbrka owienrzelasizgaZ

Rys .4 Zgrzewarka w stanie zwarcia.

e)

Z pomiarów wykonanych podczas zgrzewania blach należy wyznaczyć parametry

podłużne transformatora zgrzewarki, tj. Zz, Rz, Xz cosφz oraz sprawność procesu zgrzewania

6