1. مقدمه
از آنجا که برای ایجاد نقطه جوش از جریان های خیلی بالا استفاده میشود، طبیعتاً اثر سوء میدان مغناطیسی حاصل از جریان های در حدود چند کیلوآمپر بر روی بدن کاربر حائز اهمیت است. در این پروژه اثر میدان حاصل شده از یک نمونه دستگاه نقطه جوش که با فرکانس 50 هرتز کار می‌کند از نظر تحلیلی و عملی بررسی شده و روشهایی برای کاهش آن پیشنهاد خواهد شد. آنچه که مسلم است اینست که تحلیل میدانهای نزدیک مورد توجه خواهد بود چرا که در محدوده کار کاربران فاصله از دستگاه نسبت به طول موج بسیار ناچیز می‌باشد.
در این وسیله صنعتی با استفاده از دو فاز از برق شهر و یک ترانس کاهنده ولتاژ می‌توان جریان چند کیلوآمپری را برای عمل نقطه جوش تامین کرد. گانهای نقطه جوش از ثانویه ترانس کاهنده ولتاژ تغذیه می‌شوند. برای عمل نقطه جوش دو سر حلقه گان در دو سمت صفحات فلزیی که می‌خواهند جوش داده شوند قرار می‌گیرند و در فاصله خیلی کوتاهی در حدود چند سیکل (مثلا 10 سیکل) حلقه گان بسته شده و یک نقطه جوش بر روی صفحه زده میشود.
در هنگام بسته شدن حلقه ثانویه ترانس اتصال کوتاه شده، جریان بالایی در حدود چند کیلوآمپر از حلقه می‌گذرد. عبور چنین جریان بالایی از لبه‌های کوچک دو طرف حلقه گان که بوسیله ورقه فلزی اتصال کوتاه شده‌اند باعث ایجاد حرارت بالایی میشود و این حرارت باعث جوش خوردن نقطه‌ای صفحات فلزی خواهد شد.
ولتاژ متغیر با زمان Vmax در دو سر گان قرار دارد. با کوچک شدن فاصله d، امکان یونیزه شدن هوا بالا رفته و با قرار گرفتن فلز در فاصله بین این دو پلاریته مخالف، در فاصله کوچکی از d، هوا یونیزه شده مقاومت آن به شدت کاهش یافته و جریان خیلی بالا حرارت زیادی تولید خواهد شد و همین حرارت برای ایجاد نقطه جوش کافی خواهد بود. با فرض اینکه تابش حاصل از جرقه الکتریکی کم است می‌توان فرض کرد که جریان I در کل حلقه جاری خواهد شد.
البته اثر ترانس کاهنده ولتاژ در تولید میدان مغناطیسی و الکتریکی نیز باید مورد توجه قرار گیرد. این بررسی را می‌توان از روی نتایج عملی و اندازه‌گیری مورد توجه قرار داد. از طرفی مهار میدانهای مغناطیسی از طریق حفاظ کردن کامل ترانس می‌تواند میدانها را تا حد زیادی کاهش دهد. در مورد کابل برق که حامل جریان بالا می‌باشد اثرات میدان کم است زیرا جریان رفت و برگشت در آن جریان دارد و در نتیجه میدانهای حاصل از آنها همدیگر را خنثی خواهند کرد.
بنابراین آنچه که از نظر تحلیلی می‌توان مورد بررسی قرار داد حلقه جریان مربوط به گان و امواج منتشر شده از آن است. البته با ساده‌سازی و در نظر گرفتن اجسام فلزی محیط می‌توان یک حد ماکزیمم برای میدانها بدست آورد و براساس آن راه‌حلها و یا استانداردهایی را پیشنهاد کرد.
2. مشخصات فیزیکی و الکتریکی دستگاهها
ترکیب ترانس جدا
ترانس در ارتفاع تقریباً 2 متری بالای سطح زمین نصب شده و از طریق کابل به گان متصل میشود. برای تغذیه جریان از دو فاز استفاده میشود. در یک نمونه موجود ولتاژ 380 ولت توسط ترانس در توان کل KVA100 و توان نامی در نسبت کار 50 درصد به دو ولتاژ 17 ولت و 21 ولت تبدیل می‌گردد. مشخصات کامل یک ترانسفورمر جوش آویز خوانده شده از روی کاتالوگ به شرح زیر است:
ولتا اولیه: 380Volt
فرکانس ورودی: 50Hz
تعداد پله ورودی: 2
ولتاژ ثانویه: 17Volt- 22Volt
توان نامی ترانس در سیکل کار 50%: 120KVA
نحوه خنک کنندگی: سیستم آبگرد
مصرف آب: 18 Liter/min
اتصال کابل: کابل دوبل (Kickless) با ضخامت سر کابل mm19
برق ورودی که از قسمت یونیت کنترل جوش وارد ترانس میشود علاوه بر اینکه باید مطابق کلیه مشخصات برق ورودی ترانسفورمر باشد بایستی عاری از هر گونه مؤلفه DC باشد. وجود مؤلفه DC در برق ورودی (در نتیجه خرابی یونیت کنترل) می‌تواند باعث سوختن ترانسفورماتور شود.
اتصال ثانویه: کابل ثانویه انواع کابل دوبل (Kickless) بوسیله پیچ عایق‌دار که روی ترانسفورماتور موجود می‌باشد به دو سر ثانویه ترانس وصل میشود. کابل به کار رفته بدون حفاظ است.
ترکیب ترانس سرخود
این ترانس دقیقاً زیر دسته گان نصب میشود. در پشت ترانس یک کابل حامل دو فاز با ولتاژ 380 ولت برق گان را تامین می‌کند. در یک نمونه با توان کل KVA30 (خوانده شده از روی دستگاه) ولتاژ 380 ولت به ولتاژ 6/5 ولت تبدیل میشود. در نمونه دیگر با همان توان کل، ولتاژ 380 ولت به 75/4 ولت تبدیل می‌گردد.
3. حضور تقریبی کاربر در معرض میدان
در فاصله زمانی 10 سیکل یعنی msec200 در ثانویه ترانس، اتصال کوتاه ایجاد میشود و جریان چند کیلوآمپری در حلقه گان، ایجاد می‌گردد.
بطور متوسط 70 نقطه جوش برای هر دستگاه ماشین زده میشود و در روز 200 دستگاه ماشین از خط می‌گذرد و این در طول مدت تقریباً 9 ساعت کار در پای دستگاه می‌باشد.
(جداول و فرمول ها در فایل اصلی موجود است)
4. مدل الکتریکی دستگاه جوش نقطه ای
دستگاه نقطه‌ای شامل ترانس، کابل و گان می‌باشد در ورودی ترانس برق دو فاز 380 ولت وارد شده و در خروجی ترانس کاهنده با تامین جریان در حدود جریان کیلوآمپر توانایی جوش نقطه‌ای توسط گان فراهم میشود. در ترکیب گان با ترانس جدا بعد از ترانس، کابل بلندی در حدود دو متر، برق مورد نیاز را به گان می‌رساند، در صورتی که در ترکیب گان با ترانس سرخود، کابل قبل از ترانس واقع است و گان مستقیماً بعد از ترانس کاهنده قرار می‌گیرد.
در ترانس کاهنده با کاهش ولتاژ جریان بالایی تامین خواهد شد مدل مداری صفحه بعد نحوه عملکرد دستگاه جوش نقطه‌ای را نشان می‌دهد.
جریان I داخل حلقه گان تقریباً همان جریان اتصال کوتاه ترانس می‌باشد. در داخل کابل دو سیم که جریان I به صورت رفت و برگشت از آن عبور می‌کند، وجود دارد. بنابراین اثر میدان مغناطیسی آن بسیار کم خواهد شد زیرا اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند. بنابراین تولیدکننده‌های میدان را می‌توان به موارد زیر منحصر کرد.
1 حلقه جریان I مربوط به گان 2 نقطه جوش 3 ترانس
در قسمت مدل سازی گان اثر مورد اول، بطور تحلیلی بررسی شده است. برای بررسی اثرات موارد (2) و (3) می‌توان از اندازه‌گیری عملی کمک گرفت. آنچه که از نظر تحلیلی و نظری بدست می‌آید در عمل دستخوش تغییرات خواهد بود چرا که اولاً موارد (2) و (3) نیز تا حدودی ایجاد کننده میدان خواهند بود و ثانیاً وسایل و اجسام فلزی در محدوده کار و همچنین دستگاههای نقطه جوش دیگر عواملی هستند که باعث تغییر اندازه میدان و جهت آن می‌شوند.
5. مدل سازی گان
از آنجا که فرکانس کار 50 هرتز می‌باشد و طول موج Km6000 و ما به دنبال امواج الکترومغناطیسی در محدوده چند متر اطراف دستگاه می‌باشیم، بنابراین تمام محاسبات برحسب میدانهای نزدیک خواهد بود و از طرفی چون ابعاد گان در حدود چند سانتی‌متر است و نسبت به طول موج خیلی خیلی کوچک می‌باشد بنابراین می‌توان دایره‌ای با سطح مقطع معادل گان را بعنوان یک مدل خوب در نظر گرفت. ده مدل گان با ابعاد زیر که در صنعت کاربرد بیشتری دارند اندازه‌گیری شد و مساحت میانگین 0.0962m2 بدست آمد. تمام نمودارها و اشکال براساس این مساحت میانگین و یا به عبارت دیگر براساس شعاع دایره 17.5 cm محاسبه شده‌اند. بنابراین وقتی که کاربر نقطه‌جوش می‌دهد، یک جریان چند کیلوآمپری از حلقه گان عبور می‌کند، همانطور که گفته شد این حلقه جریان به صورت دایره با سطح مقطع میانگین به عنوان یک تابش کننده میدان عمل خواهد کرد برای بدست آوردن میدان حاصل از هر یک از سطح مقطع‌های روبرو کافی است که در ضریب زیر ضرب شود.
(فرمول ها در فایل اصلی موجود است)
(1) سطح مقطع میانگین/ سطح مقطع مورد نظر (فرمول ها در فایل اصلی موجود است)
برای سادگی کار، میدانهای ترسیم شده با فرض جریان یک کیلوآمپری محاسبه شده‌اند. برای هر ترانس دلخواه با جریان گان I، میدان بدست آمده با این ساده‌سازی را باید در ضریب زیر ضرب کرد.
(2) IDA/ جریان مربوط به گان مورد نظر =
(فرمول ها در فایل اصلی موجود است)
را می‌توان ضریب نرمالیزه کردن جریان نامید.
را می‌توان ضریب نرمالیزه کردن سطح حلقه نامید.
برای حلقه جریان با مدل زیر میدانهای ، ، موجود خواهد بود که با در نظر گرفتن اینکه فاصله r نسبت به (طول موج) خیلی کوچک است به صورت ساده شده زیر در خواهند آمد.