автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Динамические процессы в источнике питания для сварки на переменном токе высокой частоты

На правах рукописи

48435114

БОРИСОВ Дмитрий Александрович

V

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ИСТОЧНИКЕ ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРКИ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2010

4843504

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Бардин Вадим Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Степанов Сергей Федорович

кандидат технических наук Архипов Данила Алексеевич

Ведущая организация: ОАО «Электровыпрямитель»,

г. Саранск

Защита состоится «25 » ноября 2010 г. в 13°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 1,ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан «*<8 » октября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Томашевский Ю.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы традиционные электросварочные аппараты переменного тока промышленной частоты и выполненные на их основе аппараты постоянного тока заменяются сварочными аппаратами инверторного типа. За счёт включения в них звена преобразования выпрямленного сетевого напряжения в импульсы тока повышенной частоты (от 30 до 100 кГц) современным разработчикам сварочного оборудования удалось существенно снизить массогабаритные показатели сварочных устройств. Применение а таких сварочных аппаратах мощных полевых транзисторов и электронной системы управления позволило разработчикам существенно расширить функциональные возможности аппаратов. Однако все имеющиеся на рынке сварочные инверторы отечественных и иностранных фирм обеспечивают сварку только на постоянном токе. Изучение физических процессов, имеющих место в электрической дуге и соединяемых материалах, позволяет утверждать, что качество и производительность электросварки могут быть повышены, если процесс осуществлять на переменном токе с частотой в десятки килогерц. Однако к настоящему времени таких аппаратов нет, и сам процесс практически не изучен. В связи с этим автором была поставлена задача провести необходимые теоретические и прикладные исследования с целью создания нового класса электросварочных устройств - инверторных сварочных аппаратов (ИСА) переменного тока высокой частоты. В этом заключаются актуальность и новизна диссертационной работы.

Учитывая, что переходные процессы мало изучены не только в ИСА переменного тока, но и в ИСА постоянного тока, в работе отражены и результаты исследования ИСА постоянного тока.

Целью работы являются комплексное исследование динамических процессов в источнике питания для сварки на переменном токе высокой частоты, получение результатов физического и компьютерного моделирования и создание на их основе нового класса электронных преобразовательных устройств — инверторных сварочных аппаратов переменного тока высокой частоты.

Для достижения этой цели потребовалось решить ряд задач:

1. Дать обоснование физических предпосылок для создания электросварочных аппаратов переменного тока высокой частоты.

2. Разработать электрическую схему ИСА переменного тока и её компьютерную модель.

3. Исследовать на основе компьютерной модели характер переходных процессов в схеме и влияние на них конструктивных и паразитных параметров схемы.

4. Определить зону оптимальных рабочих частот ИСА и спектральный состав тока с учётом свойств сварочной дуги.

5. Проверить адекватность полученных результатов моделирования реальным процессам в физических моделях ИСА.

Объектом исследования является источник питания для сварки на переменном токе высокой частоты.

Предметом исследования являются переходные процессы в схеме и влияние на них конструктивных и паразитных параметров схемы.

Методы и средства исследований. В диссертации использованы методы компьютерного моделирования электрических схем полупроводниковых преобразователей электрической энергии с применением специализированных программных средств РБ1М и МаЛсас!, методы параметрической оптимизации и спектрального анализа, методики приборного анализа процессов в физических моделях ИСА.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Обоснование целесообразности создания сварочных аппаратов переменного тока высокой частоты.

2. Авторская схема инверторного сварочного аппарата переменного тока высокой частоты и её компьютерная модель, учитывающая конструктивные и паразитные параметры схемы, а также особенности сварочной дуги.

3. Результаты компьютерного и физического моделирования переходных процессов в схеме, на различных этапах сварочного цикла (холостой ход, режим сварки, обрыв дуги).

4. Двухпараметрическая модель выбора зоны оптимальных по критерию потерь зоны рабочих частот сварочного инвертора, а также результаты спектрального анализа тока инвертора с учётом характеристик сварочной дуги.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием аппарата математического анализа, теории электрических цепей, теории статистических методов обработки результатов экспериментов и профессиональных пакетов прикладных программ РБГМ и Ма&сас! и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы:

1. Обоснованы возможность и целесообразность осуществления дуговой электросварки на переменном токе частоты ультразвукового диапазона (25 - 75 кГц).

2. Обоснована и предложена оригинальная (подтверждённая патентом) схема ИСА переменного тока.

3. Предложены компьютерные модели ИСА постоянного и переменного тока, позволяющие оценить влияние конструктивных и паразитных параметров схемы на характер переходных процессов, в частности, на величину импульсных перенапряжений на силовых транзисторах инверторов.

Предложена электрическая модель сварочной дуги, позволяющая учитывать её динамику на участке обрыва.

4. На основе предложенных моделей ИСА получены полезные для практического проектирования результаты, отражающие характерные осо-

бенности динамики процессов в схемах ИСА, в частности, связь амплитуды импульсных перенапряжений на транзисторах инвертора с паразитными и конструктивными параметрами схемы.

5. Обоснована оптимальная по критерию потерь зона рабочих частот ИСА и выявлено влияние сварочной дуги на спектральный состав тока ИСА.

Практическая ценность диссертации.

1. Создание нового класса малогабаритных и эффективных электросварочных устройств — инверторных сварочных аппаратов переменного тока высокой частоты, не имеющих аналогов в настоящее время.

2. Предложенная компьютерная модель ИСА позволяет путём варьирования параметров и характеристик входящих в неё элементов проводить различные исследования без проведения дорогостоящих и трудоёмких физических экспериментов. Полученные результаты и рекомендации позволяют более обоснованно осуществлять проектирование электрических схем и конструирование элементов ИСА и могут быть использованы при разработке других преобразователей электрической энергии (источники питания, устройства для индукционного нагрева, преобразователи частоты и пр.).

Практическая ценность и полезность работы подтверждена выделением в 2010 году её автору гранта конкурса «У.М.Н.И.К.».

Реализация и внедрение результатов работы.

Предложенная компьютерная модель и полученные на ее основе результаты были использованы при изготовлении макетных образцов ИСА постоянного и переменного тока и подготовки конструкторской документации для изготовления опытных образцов в рамках программы «У.М.Н.И.К.» с переходом в 2011 году в программу «Старт». Наработанный автором опыт компьютерного моделирования был использован в процессе совершенствования схемотехнических решений источников гарантированного питания в ЗАО «Конвертор» (г. Саранск).

Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на XXXV, XXXVI, XXXVII Огаревских конференциях Мордовского государственного университета, V, VI республиканских научно-практических конференциях «Наука и инновации в Республике Мордовия», на VIII Всероссийской конференции с элементами молодёжной научной школы «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение», Саранск, 2009, на V Международном конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2009), на IX Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2010 (Саратов,

2010). Получены два патента на изобретения по тематике диссертационной работы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе - 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Работа включает в себя введение, четыре главы основного материала, заключение и список использованной литературы. Объем работы составляет 121 страницу, включая приложение на 2 страницах, 71 иллюстрацию, 1 таблицу. Список использованной литературы содержит 108 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны актуальность диссертационной работы, её научная новизна и практическая ценность, сформулированы основные положения, выносимые на защипу, представлена структура диссертации.

В первой главе кратко изложена суть физических процессов, происходящих в процессе электродуговой сварки на постоянном и переменном токе. Процесс возбуждения, горения и обрыва электрической дуги является принципиально нестационарным процессом, что предъявляет особые требования к источникам сварочного тока. Дуговая электросварка металлов в большинстве случаев ведётся на постоянном токе, либо на переменном токе промышленной частоты, при этом физика сварочного процесса имеет ряд существенных различий.

Изучение физических механизмов дугового разряда позволило сделать ряд выводов и предложений.

1. Качество сварного соединения во многом зависит от стабильности процессов в дуговом промежутке, которые определяют размер, температуру и массу капель переносимого металла, размеры получаемого шва (ширину и глубину проплавления), а также производительность процесса сварки.

2. Сварка на постоянном токе из-за «блуждания» дуги, разбрызгивания металла, крупнокапельного переноса, влияния восходящих газовых потоков, изменяющих траекторию движения капель металла, не всегда может обеспечить высокое качество сварного соединения.

3. Сварка на промышленной частоте за счёт изменения полярности электродов приводит к изменению размера капель, заметным колебаниям температуры плазмы дуги и требует достаточно высокого напряжения возбуждения дуги.

Можно предположить, что увеличение частоты питания сварочного тока до нескольких десятков килогерц позволит получить ряд преимуществ по сравнению со сваркой на переменном токе промышленной частоты и на постоянном токе.

Во-первых, возможно снизить напряжение холостого хода и увеличить коэффициент трансформации по току. Во-вторых, за счёт повышения

частоты можно снизить величину колебаний температуры плазмы дуги, что будет способствовать повышению качества сварного соединения. В-третьих, усреднение и снижение размера капель металла и повышение частоты их внедрения в зону соединения металлов должны способствовать образованию более однородной структуры зерен металла в сварном соединении и повышению его прочности. В-четвёртых, при сварке на переменном токе повышенной частоты перестаёт действовать эффект магнитного дутья со всеми присущими ему недостатками. В-пятых, дополнительный нагрев при пролёте капли металла через столб позволит повысить КПД и производительность сварки. В-шестых, повышенная частота рабочего напряжения позволяет отказаться от низкочастотных сетевых трансформаторов и в несколько раз уменьшить габариты и массу сварочных аппаратов.

Таким образом, создание сварочных аппаратов переменного тока повышенной частоты позволяет не только снизить их массогабаритные показатели по сравнению с традиционными аппаратами, но и повысить качество и производительность сварки.

Однако серьёзной проработки схемотехнических решений сварочных источников переменного тока высокой частоты и происходящих в них процессов пока никто не проводил. Решение задач, поставленных в данной диссертационной работе, позволит устранить этот пробел.

Во второй главе дан обзор схемотехнических решений сварочных инверторов и особенностей их работы, обоснован выбор схемы инвертора для разрабатываемого сварочного аппарата переменного тока высокой частоты.

Абсолютное большинство сварочных инверторов предназначено для осуществления сварки на постоянном токе, т.е. к выходу собственно инвертора подключены диодный выпрямитель и сглаживающий дроссель. Структура такого ИСА (без системы управления) приведена на рис. 1.

1 - входной выпрямитель с емкостным накопителем энергии;

2 - инверторный модуль; 3 - выходной выпрямитель с дросселем

Анализ схемотехнического построения (топологии) сварочных инверторов зарубежных и отечественных производителей даёт основание полагать, что число вариантов таких решений весьма ограничено и все схемы можно разделять на однотактные и двухтактные. Однотактные схемы формируют импульсы одной полярности, двухтактные - двухполярные импульсы. Во всех схемах транзисторы работают в ключевом режиме, причём время включенного состояния может регулироваться, что даёт возможность изменять величину нагрузочного тока. Наиболее распространённые схемотехнические решения инверторных модулей представлены на рис. 2.

-Ш 7

♦■Г." -fa?

д —

ПР

iter o-

_^—i —

ЖП7Г-

ins j |

a)

6)

tft* <>

Z\

2 i IEjli-5

в)

Рис. 2. Схемы импульсных источников питания: а - двухтактная мостовая схема; б - двухтактная полумостовая схема; в - однотактный прямоходовой преобразователь (ООП)

В двухтактной мостовой схеме (рис. 2а) формирование двухполяр-ных импульсов происходит за счёт попарного отпирания транзисторов VT1 - УТ4 и УТ2 - VJ3. При номинальной мощности в нагрузке через транзисторы протекает лишь половина полного тока моста, а напряжение на каждом из них составляет половину напряжения на ёмкости С. Однако здесь требуется обеспечить полную симметрию плеч моста для исключения возможности протекания через первичную обмотку трансформатора тока подмагничивания. Кроме того, в схеме необходимо обеспечить некоторое «мёртвое время» между отключением одной пары транзисторов и включением другой для исключения опасности сквозного короткого замыкания.

В двухтактной полумостовой схеме (рис. 26) за счёт наличия емкостного делителя (С2, СЗ) напряжение на каждом из транзисторов и на первичной обмотке трансформатора составляет половину напряжения на ёмкости С1, т.е. при питании от однофазной сети 220 В не превышает 150 В. Обеспечение сварочного тока величиной до 160 А при относительно малом коэффициенте трансформации приводит к необходимости применения мощных транзисторов (либо их групповому соединению). В такой схеме также необходимо задавать «мёртвое время».

В однотактном прямоходовом преобразователе (ООП) транзисторы VT1 и VT2 открываются и закрываются одновременно и здесь нет опасности сквозного короткого замыкания. На транзисторах в запертом состоянии напряжение не превышает 0,5 (/ex. Энергия выбросов, возникающая при запирании транзисторов, сбрасывается во входную ёмкость С через диоды VDI, VD2. Недостатком схемы является подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей входного тока. Эту про-

блему можно решить, например, путём применения сердечника с зазором, увеличением его сечения иди введением размагничивающей обмотки. Схема позволяет без увеличения напряжения на транзисторах и при приемлемом значении потребляемого из сети тока за счёт увеличения коэффициента трансформации получить требуемое значение выходного тока. Схема проста в управлении, не требует жёсткого симметрирования плеч, исключает возможность сквозного короткого замыкания, обеспечивает высокий КПД. Поэтому она нашла широкое применение в сварочных инверторах.

Проектирование сварочных инверторов имеет ряд особенностей. Одна из них заключается в необходимости надёжного возбуждения электрической дуги. Известно, что при ручной сварке в воздушной среде на постоянном токе или на токе промышленной частоты напряжение холостого хода должно быть не менее 60 - 80 В. В сварочных инверторах это ограничивает величину коэффициента трансформации по току, а следовательно, и величину сварочного тока. Для зажигания дуги необходимо каким-либо способом осуществить ионизацию разрядного промежутка. С целью обеспечения надёжного возбуждения дуги разработчики применяют различные схемотехнические решения. Кроме увеличения напряжения холостого хода трансформатора, ионизация обеспечивается высоковольтными импульсами от отдельного генератора, воздействием лазерного излучения, введением вольтодобавочных обмоток и др.

При коммутации транзисторов в схемах ИСА происходят различные переходные процессы, сопровождающиеся возникновением импульсных перенапряжений на элементах схемы. Кроме нежелательных явлений, связанных с возникновением паразитных колебаний при коммутации транзисторов в режиме холостого хода, сложные переходные процессы в схеме происходят на этапе сварки и при обрыве дуги. В моменты возбуждения дуги, при изменении её длины или обрыве нагрузка инверторного модуля резко изменяется. То есть режим работы сварочного инвертора является принципиально нестационарным. Значительная энергия, накопленная в реак-тивностях, при изменениях нагрузки и при коммутации транзисторов и является причиной перенапряжений. Переходные процессы в схеме зависят от целого ряда факторов: конструктивных особенностей трансформатора, характера монтажа, параметров выходного дросселя, динамических 'свойств демпфирующих диодов, параметров отпирающих импульсов, реактивных свойств накопительных конденсаторов и соединительных проводов, быстродействия системы управления. Классический приём снижения перенапряжений путём подключения различных демпфирующих цепей далеко не всегда даёт нужный эффект.

Ключевой режим работы транзисторов и переходные процессы, протекающие в цепях схемы ИСА, приводят к появлению ещё одной проблемы - широкому спектральному составу входного и выходного токов. Эти токи весьма значительны и могут стать причиной электрических и электромагнитных помех, Поэтому во всех ИСА постоянного тока на входе ус-

танавливаются сетевые фильтры, задача которых - предотвращение попадания помех в питающую сеть. Менее проработаны вопросы снижения радиоизлучения сварочных кабелей. Считается, что если на выходе аппарата установлен диодный выпрямитель, то никакого излучения со сварочных кабелей на выходе не будет. Однако, учитывая ограниченные частотные свойства силовых диодов, это предположение не очевидно. До настоящего времени характер спектрального состава тока ИСА, его изменения на разных этапах сварочного цикла и вопросы обеспечения ЭМС аппаратов практически не изучены. Проблема становится ещё более актуальной для ИСА переменного тока высокой частоты, где нет выходного выпрямителя.

В третьей главе обоснован выбор программного средства и приведены результаты компьютерного моделирования схем ИСА постоянного тока и ИСА переменного тока высокой частоты.

В настоящее время на рынке программных средств, предназначенных для проектирования электронных цепей и устройств, предлагается более десятка специализированных пакетов. На основе анализа их возможностей и с учётом опыта специалистов в области силовой полупроводниковой техники в качестве базовой среды программирования был выбран пакет РБШ (демонстрационная версия). Он включает схемный редактор, моделирующую программу и графический постпроцессор, а также обширную библиотеку моделей компонентов схем. С учётом возможностей этого пакета были созданы модели выбранных базовых схем ИСА постоянного и переменного тока. В рамках данной работы за базовые модели для исследования приняты схема инвертора однотактного прямоходового преобразователя (ОПП) (рис. 2в) и авторская схема инверторного источника питания для сварки на переменном токе высокой частоты, выполненная из двух однотактных схем, работающих на один трансформатор (рис. 3). Такое решение позволяет использовать преимущества схемы ОПП, а за счёт встречного включения первичных обмоток трансформатора исключить эффект его подмагничивания. Для увеличения коэффициента трансформации по току при одновременном обеспечении надёжного возбуждения дуги к выходной обмотке трансформатора подключена КС - цепочка, которая вместе с индуктивностью обмотки образует параллельный колебательный контур. Контур настроен на частоту одной из высших гармоник частоты коммутации транзисторов инвертора, а его добротность задаётся с помощью резистора. На холостом ходу напряжение на контуре устанавливается на уровне 70 - 90 В, что достаточно для возбуждения дуги. При возбуждении дуги контур шунтируется её низким сопротивлением и напряжение на выходе трансформатора падает до рабочего значения. На основе электрических схем ИСА были построены их компьютерные модели.

При построении моделей был учтён ряд специфических факторов:

- наличие падения напряжения на силовых ключах в проводящем состоянии;

- индуктивности входного и выходного кабелей;

- паразитные межобмоточные ёмкости трансформатора;

- влияние скорости переключения транзисторных ключей;

- динамические свойства нагрузки (дуги).

Последнему элементу модели уделено особое внимание. Дуга является динамической нагрузкой и оказывает наиболее существенное влияние на характер переходных процессов в схеме. В работе предложены две модели дуги: чисто резистивная (безынерционная) и с заданной постоянной времени на этапе обрыва. Для сопоставительного анализа процессов, происходящих в схемах ИСА, была выбрана наиболее простая модель душ - резистивная. В работе приведены диаграммы переходных процессов в различных точках базовых схем ИСА, полученные в результате компьютерного моделирования. Характерный вид одной из таких диаграмм приведён на рис. 4.

УТI

б)

Рис. 3. Электрическая схема (а) и компьютерная модель (б) сварочного инвертора

переменного тока

г, в

600

50О

400

а) 300 —1

200

100

0 1

-100

17'/

400

300\

200;

6)'0°\

0

-100 '

-200 !

ргг. V.

1 МУУЦЛЛ' . ........1 ЛЛ/МУУ

2-.-3

Ф 1

.......... ..........]

Г.80 .

Рис. 4. Диаграммы напряжений, полученные на компьютерной модели инверторного источника питания для сварки на переменном токе: а - форма напряжения на транзисторе; б -форма напряжения на вторичной обмотке трансформатора в режиме горения дуги (1), в момент обрыва дуги (2) и на холостом ходу (3)

Для наглядного сравнения степени влияния величин параметров схемы и импульсов управления величину амплитуды перенапряжений на транзисторах на рис. 5 приведены графики, отражающие зависимость величины импульсных перенапряжений на транзисторах от паразитных параметров схемы и фронта отпирающих импульсов, а в таблице приведены значения крутизны каждой характеристики для линейного участка для ИСА постоянного и ИСА переменного тока, г, в '•■•».

мкГн

Ш§11111111

1111)1111111» и, лкГн 2 4 6 810 1214161! 20 22 24

II I М I I I I I I I >

12 3 4!« Ч,""

I I I 1111 I I II I

0,1 0.2 0,3 0,4 0,5 0,6

1015 20 2! 30 35 40 4.1 50.1.5 60 1-11111111111' С4, С", т

*МШШШ

1 I I I I I I I I I I I > !■„, мкГн

2 4 6 8 10 12141618 20 22 24

I I I I I I I I I I I I >т

1 2 3 4 5 б Ч>.'

I I I I I I I I I I I I »'*

0,1 0,2 0,3 0,4 0.5 0,6

а) б)

Рис. 5 .Объединённые графики, отражающие зависимость величины импульсных перенапряжений на транзисторах от паразитных параметров схемы, длительности фронта и коэффициента скважности к отпирающих импульсов для ИСА постоянного тока (а) и ИСА переменного тока (б)

Род тока ИСА

Постоянный 0,15 0,15 0,22 -0,08 -0,07

Переменный 0,25 0,25 0,24 -0,09 -0,08

Управление сварочным током (задание и изменение величины, стабилизация) в них осуществляется путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Импульсный характер работы ключей инвертора является причиной формирования спектрального состава входного и выходного токов ИСА. А поскольку их величина значительна, это может стать проблемой при обеспечении требований по электромагнитной совместимости сварочных аппаратов. Форма тока на выходе собственно инвертора (но не аппарата в целом) носит характер периодической последовательности импульсов, которая может быть представлена в виде ряда Фурье. С целью анализа спектрального состава тока ИСА на базе специализированного пакета МаШсасЗ 13 было проведено компьютерное моделирование и показано, что нестационарный характер нагрузки (дуга) существенно обогащает спектральный состав выходного тока (рис. 6).

1.А ¡0

< 1 Т У)

:.„.|1|

1и

... -........ - - и ¿.-ГГ.. ... .........

/МП,

Рис. 6. Спектральный состав сварочного тока инвертора

Для оценки граничной частоты фильтров ИСА была рассчитана суммарная мощность спектра Р для рабочей частоты;50 кГц и получена зависимость интегральной мощности на выходе от числа гармоник (рис. 7) согласно формуле:

Р =

А2 50 А2

4 ¿2

где А0 - амплитуда первой гармоники; Ап - амплитуда п-й гармоники.

Характер данной зависимости говорит о том, что ширину спектра фильтров ИСА следует ограничить десятой гармоникой.

Одной из задач проекти-

Рис. 7. Зависимость нормированной интегральной мощности от числа гармоник

рования ИСА является выбор рабочей частоты. Если исходить из необходимости обеспечения высокого КПД, то критерием оптимальности может служить минимум потерь в инверторе. Известно, что наименьшие потери в полупроводниковых коммутирующих элементах достигается при их работе в ключевом режиме, т.е. в режиме, когда форма импульсов управления близка к прямоугольной. Однако при этом необходимо учитывать частотные свойства ключей, поскольку они влияют на величину потерь на этапах коммутации (отпирания и запирания) ключей и потери в его обмотках.

Потери в трансформаторе зависят от частоты. На низших частотах потери будут нарастать из-за увеличения числа витков в обмотках, на высоких частотах они растут за счёт увеличения потерь как в сердечнике, так и в обмотках, в том числе и за счёт высших гармоник тока. Очевидно, должна существовать некоторая зона рабочих частот и параметров импульсов, где суммарные потери будут минимальными. Для нахождения этих потерь с помощью программы МаШсас! были оценены потери в трансформаторе с учётом спектрального состава тока инвертора, который связан с рабочей частотой и формой импульсов тока. Форма импульсов тока была принята трапецеидальной с коэффициентом трапецеидальности р«(0,03-Ч),3)тя, где Ти— длительность импульса тока. Результаты расчётов представлены на рис. 8.

Потери от высших гармоник увеличивают

потери в трансформаторе по сравнению с потерями от первой гармоники примерно на 15- 18%.

В четвёртой главе представлены результаты исследования переходных процессов на физических моделях сварочных инверторов. Для проверки адекватности предложенных компьютерных моделей и

Р; Вт и

I кГц

Коз ффищуеш трапеиеида/юности

Рис. 8. Зависимость потерь в трансформаторе от частоты и коэффициента трапецеидальности полученной с их помощью информации о характере переходных процессов в ИСА, были изготовлены действующие макеты (физические модели) ИСА постоянного и переменного тока. Оба макета работали в режиме сварочной дуги при токе 100 А. Временные диаграммы переходных процессов в различных точках физических моделей фиксировались с помощью цифрового осциллографа. Осциллограммы, полученные в контрольных точках физических моделей, и временные диаграммы, полученные на компьютерных моделях, приведены на рис. 9-10.

И.-/Л1 И. 50- и.*1 и. '1.1 и.11*

а) 6)

Рис. 9. Диаграммы напряжений на нагрузке и транзисторах в момент обрыва дуги полученные на физической модели инвертора постоянного тока (а) и в среде

РБ1М (б) %_

[лЗЛлЛи

а)

б)

¿■же

Рис. 10. Диаграммы напряжений на нагрузке (точки СО на рис. 5 о) и транзисторах (точки ЕР на рис. 5 а) в режиме горения дуги, полученные на физической модели инвертора переменного тока (а) и в среде РБШ (б)

С целью проверки справедливости предположения о мелкокапельной структуре металла в сварочном соединении, полученном при сварке токами высокой частоты, был проведён металлографический анализ. Фотографии микрошлифов соединений, полученных при сварке на постоянном токе и на переменном токе высокой частоты приведены на рис. 11. Отчётливо видно, что гранулы в соединении, полученном путём сварки переменным током, существенно меньше и расположены более плотно, что должно привести к повышению прочности соединения.

а) б)

Рис. 11. Фотография микрошлифа при сварке постоянным током (а) и переменным током высокой частоты (б), увеличение х500

На основании результатов компьютерного и физического моделирования сделаны следующие выводы.

1. Наличие резонансной цепи на выходе инвертора позволяет возбуждать электрическую дугу при пониженном рабочем напряжении на выходной обмотке трансформатора.

2. Из-за наличия в сварочном трансформаторе паразитных элементов, в моменты коммутации транзисторов в схеме возникают переходные процессы, имеющие характер затухающих колебаний.

3. Величина перенапряжений на транзисторах в моменты их выключения может кратковременно превышать напряжение источника питания. Величина этих перенапряжений существенно зависит от индуктивности обмоток и паразитной ёмкости трансформатора, индуктивности монтажа, длительности фронта отпирающих транзисторы импульсов.

4. В момент обрыва дуги резко возрастает амплитуда импульсного напряжения на вторичной обмотке трансформатора, что необходимо учитывать при его конструировании.

5. Сопоставление осциллограмм с компьютерными диаграммами показывает, что характер переходных процессов в целом качественно одинаков. Из этого можно сделать вывод, что результаты исследования компьютерной и физической моделей адекватно отображают характер переходных процессов в сварочных инверторах.

6. Более высокие значения крутизны графиков зависимостей амплитуды выбросов на транзисторе от параметров схемы в случае ИСА переменного тока говорят о том, что инверторы переменного тока в силу отсутствия в нём выходного диодного выпрямителя гораздо более чувствительны к переходным процессам, происходящим в процессе сварки, по сравнению с ИСА постоянного тока, в которых этот выпрямитель присутствует.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Обоснована и подтверждена возможность создания инверторных сварочных аппаратов переменного тока частоты ультразвукового диапазона.

2. Предложены компьютерные модели источников питания для сварки на постоянном токе и переменном токе высокой частоты. На основе моделей проведён комплекс исследований по изучению характера переходных процессов в схемах инверторов на разных участках сварочного цикла (холостой ход, рабочий режим горения, обрыв дуги) с учётом конструктивных и паразитных параметров схемы. Предложена электрическая модель сварочной дуги, позволяющая учитывать её динамику на участке обрыва. На основе предложенных моделей ИСА получены полезные для практического проектирования результаты,.' отражающие характерные особенности динамики процессов в схемах ИСА, в частности, связь амплитуды импульсных перенапряжений на транзисторах инвертора с паразитными и конструктивными параметрами схемы.

3. Созданы физические модели (макетные образцы) сварочных инверторов постоянного и переменного тока, проведены исследования переходных процессов в схемах с целью проверки адекватности компьютерных моделей. Выявлено удовлетворительное соответствие процессов.

4. Проанализирован спектральный состав сварочного тока, в том числе и с учётом характеристик сварочной дуги. Установлено, что ширину спектра тока ИСА можно ограничить десятой гармоникой рабочей частоты без существенного снижения КПД. Теоретически обоснована зона оптимальных рабочих частот сварочных инверторов. Разработана двухпарамет-рическая модель выбора зоны оптимальных по критерию потерь рабочих частот сварочного инвертора. Выбор частоты в диапазоне минимальных потерь в инверторе (35 - 45 кГц) позволяет оптимизировать проектирование инверторов с точки зрения повышения КПД.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Борисов, Д.А. Моделирование переходных процессов в сварочном инверторе / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Электротехника. 2009. № 6. - С.47-49.

2. Борисов, Д.А. Спектральный состав тока инверторных сварочных аппаратов / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Сварочное производство. 2010. № 6. - С. 35-38.

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ по смежным специальностям:

3. Борисов, Д.А. Оптимизация режима работы высокочастотных сварочных аппаратов по критерию минимума потерь / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Сварочное производство. 2007. № 2. - С. 23-25.

Свидетельства и патенты:

4. Патент 2311996, МПК 8 В23 К9/09. Способ дуговой сварки и устройство для его осуществления / В.М. Бардин, Д.А. Борисов (RU). Опубл. 2007, бюлл. № 34.

5. Решение о выдаче патента от 30 августа 2010 г., заявка № 2009133151 /02 (046602), дата подачи заявки 03.09.2009. Устройство для электродуговой сварки / В.М. Бардин, Д.А. Борисов.

В других изданиях:

6. Борисов, Д.А, Эволюция электросварочных устройств в соответствии с законами развития техники / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // XXXV Огарёвские чтения: материалы науч. конф.: в 2 ч. Ч. 2. Естественные и технические науки. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. - С. 109-110.

7. Борисов, Д.А. Новые решения в электросварочном приборостроении / В.М. Бардин, Д.А. Борисов, A.B. Горинов // Наука и инновации в Республике Мордовия : материалы V респ. науч.-практ. конф. Саранск, 8-9 февр. 2006 г. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. - С. 623-626.

8. Borisov, D.A. Optimization of the working conditions of high-frequency welding equipment using the minimum loss criterion / V.M. Bardin, D.A. Borisov // Welding International. 2007, № 21(9). - P. 680-682.

9. Борисов, Д.А. Переходные процессы в сварочных инверторах / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Наука и инновации в Республике Мордовия : материалы VI респ. науч.-практ. конф. Саранск, 8-9 февр. 2007 г. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. - С. 594-596.

10. Борисов, Д.А. Инверторные сварочные аппараты переменного тока высокой частоты / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Электроника и информационные технологии. -2009. Специальный выпуск. http://fetmag.mrsu.ru/2009-2/pdfAVelder.pdf Регистрационный номер: 0420900067/0003.

11. Борисов, Д.А. Структура и особенности схемотехники сварочных инверторов / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Электроника и информационные технологии. - 2009. Специальный выпуск, http://fetmag.mrsu.ru/ Регистрационный номер: 0420900067/0009.

12. Борисов, Д.А. Спектральный состав тока инверторных сварочных аппаратов / A.B. Пивкин, В.М. Бардин, ДА. Борисов // Электроника и информационные технологии. - 2009. Специальный выпуск, http://fetmag.mrsu.ru/ Регистрационный номер: 0420900067/0034.

13. Борисов, Д.А. Переходные процессы в сварочных инверторах / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Современная электроника. 2010. №2. - С. 52-53.

14. Борисов, Д.А. Сварочный инвертор переменного тока. Влияние реактивных параметров схемы на характер переходных процессов / Д.А. Борисов // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2010: материалы Междунар. науч. -техн. конф. Саратов, 22-23 сентября, 2010 г. - Саратов: Издат. центр «Наука», 2010. -С. 374-379.

БОРИСОВ Дмитрий Александрович

ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ИСТОЧНИКЕ ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРКИ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Автореферат Корректор O.A. Панина

Подписано в печать 14.10.10 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ.л. 1,0 Уч.-изд.л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 329. Бесплатно

Саратовский государственный технический университет , 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая уд., 77

Список сокращений и обозначений.

Введение.

Глава 1 Предпосылки для создания сварочных аппаратов переменного 13 тока высокой частоты.

1.0 Введение.

1.1 Некоторые особенности электродуговой сварки на по- 13 стоянном и переменном токе

1.1.1 Дуга постоянного тока

1.1.2 Дуга переменного тока

1.1.3 Механизмы переноса электродного металла в дуге

1.2 Предпосылки для создания сварочных аппаратов пе- 23 ременного тока высокой частоты

1.3 Цель и основные задачи диссертации

1.4 Выводы

Глава 2 Инверторные источники питания для сварки и особенности их ра

2.0 Введение.

2.1 Схемотехника и особенности работы инверторных 28 сварочных источников питания с выходом на постоянном токе

2.2 Инверторный сварочный источник питания с выходом 39 на переменном токе высокой частоты

2.3 Выводы.

Глава 3 Компьютерное моделирование переходных процессов в сварочных инверторах

3.0 Введение.

3.1 Обзор существующих публикаций по моделированию 43 инверторов

3.2 Средства моделирования

3.3 Компьютерные модели ИСА

3.4 Переходные процессы в инверторных сварочных ап- 51 паратах постоянного и переменного тока

3.4.1 ИСА постоянного тока

3.4.2 ИСА переменного тока

3.5 Спектральный состав тока сварочных инверторов

3.6 Определение оптимального диапазона рабочих частот 89 сварочного инвертора

3.7 Выводы.

Глава 4 Исследование переходных процессов на физических моделях сварочных инверторов

4.0 Введение.

4.1 Исследование переходных процессов на физическом 96 макете ИСА постоянного тока

4.2 Исследование переходных процессов на физическом 100 макете ИСА переменного тока высокой частоты

4.3 Дополнительные исследования

4.4 Выводы

Дуговая электрическая сварка является едва ли не главным производственным процессом во многих отраслях производства. Технологии электродуговой сварки и устройства для её осуществления непрерывно совершенствуются и развиваются. Так, в последние два десятилетия громоздкие и неэффективные трансформаторно-дроссельные сварочные аппараты переменного тока промышленной частоты и выполненные на их основе аппараты для сварки постоянным током, успешно заменяются малогабаритными и эффективными полупроводниковыми сварочными инверторами. Применение элементов силовой электроники в сочетании с микропроцессорными системами управления позволили существенно расширить функциональные возможности сварочных устройств, повысить качество сварки и увеличить производительность сварочных процессов. Применение в современных аппаратах высокочастотных транзисторных инверторов с широтно-импульсным способом регулирования сварочного тока, позволили не только в разы снизить массу и габариты аппаратов, но и обеспечить целый ряд важных функций: задание и стабилизацию сварочного тока, надежную защиту от аварийных ситуаций, функцию Hot Start (автоматическое увеличение сварочного тока в момент начала сварки), Anti-Stiking (автоматическое снижение тока при залипании электрода). В настоящее время ин-верторные сварочные аппараты выпускают десятки, если не сотни, зарубежных и отечественных фирм, их доля в общем арсенале электросварочных устройств непрерывно увеличивается. Однако абсолютное большинство таких аппаратов предназначено для осуществления сварки только на постоянном токе. Сварка на переменном токе промышленной частоты по- прежнему осуществляется с помощью обычных сварочных трансформаторов, имеющих большие габариты и массу.

Переход на более высокие частоты позволяет, по крайней мере, существенно снизить массогабаритные показатели сварочных устройств, а возможно, и улучшить качественные и другие показатели сварочного процесса. Но эти предположения требуют серьёзной проработки.

Главной целью данной работы было создание инструмента для осуществления сварки на частоте ультразвукового диапазона, т.е. сварочного аппарата. Вопросы технологии его применения выходят за рамки данной диссертационной работы, поскольку требуют участия технологов сварочного производства. Основное внимание в работе уделено изучению особенностей переходных процессов в схемах инверторных сварочных аппаратов с учётом влияния как конструктивных, так и паразитных параметров схемы. Это важно потому, что на разных участках сварочного цикла: холостой ход, возбуждение, горение и обрыв дуги в схеме аппарата возникают различные электрические переходные процессы. Одним из неприятных следствий таких процессов является возникновение импульсных перенапряжений на силовых транзисторах инвертора, что может привести к их пробою. Кроме того, при работе инвертора во входном и выходном токе появляются гармонические составляющие, что должно быть учтено при проектировании аппаратов. Возникает ряд других вопросов, ответы на которые автор попытался изложить в данной работе.

Актуальность темы. Полупроводниковые приборы давно и успешно применяются в преобразователях электрической энергии различного назначения и различной мощности. Наряду с мощными диодами и тиристорами при построении преобразователей широкое применение нашли мощные полевые транзисторы. Использование в системах управления этих приборов микропроцессорной техники и принципов широтно-импульсного регулирования позволили существенно улучшить характеристики преобразовательных устройств и расширить сферу их применения. Не стала исключением и электросварочная техника. В настоящее время инверторные сварочные аппараты (ИСА) зарубежных и отечественных фирм широко представлены на российском рынке. Однако, как уже было сказано, все существующие ИСА обеспечивают дуговую электросварку только на постоянном токе.

Анализ физических процессов, происходящих в сварочной дуге и сварочной ванне (без претензий на полноту и корректность), проведённый автором по литературным источникам, дает основание предполагать, что сварка на частотах ультразвукового диапазона может дать лучшие результаты по сравнению со сваркой на промышленной частоте и повысить производительность процесса. Однако этот вопрос оказался совершенно неисследованным и сварочные аппараты переменного тока высокой частоты в настоящее время на рынке не представлены. Кроме того, несмотря на существование ИСА, происходящие в них электрические процессы исследованы явно недостаточно. В немногочисленных публикациях, относящихся к ИСА, в основном рассматриваются только схемотехнические решения, и дается качественное описание происходящих в них процессов. Что, впрочем, можно сказать в целом об исследовании переходных процессах в схемах с силовыми транзисторами и сложными алгоритмами управления. Учитывая, что переходные процессы совершенно не изучены не только в ИСА переменного тока, но и мало изучены в ИСА постоянного тока, их исследование является актуальной задачей.

Целью работы является комплексное исследование динамических процессов в источнике питания для сварки на переменном токе высокой частоты, получение результатов физического и компьютерного моделирования и создание на их основе нового класса электронных преобразовательных устройств — инвер-торных сварочных аппаратов переменного тока высокой частоты.

Для достижения этой цели потребовалось решить ряд задач:

1. Дать предварительное обоснование предпосылок для создания электросварочных аппаратов переменного тока высокой частоты.

2. Разработать электрическую схему ИСА переменного тока и её компьютерную модель.

3. Исследовать на основе компьютерной модели характер переходных процессов в схеме и определить степень влияния конструктивных и паразитных параметров схемы на характер и величину перенапряжений на транзисторах инвертора.

4. Определить зону оптимальных рабочих частот ИСА и спектральный состав тока с учётом свойств сварочной дуги.

5. Проверить адекватность полученных результатов моделирования реальным процессам в физических моделях ИСА.

Объектом исследования является источник питания для сварки на переменном токе высокой частоты.

Предметом исследования являются переходные процессы в схеме ИСА и, в частности, влияние конструктивных и паразитных параметров схемы на характер и величину перенапряжений на транзисторе инвертора.

Методы и средства исследований. В диссертации использованы методы компьютерного моделирования электрических схем полупроводниковых преобразователей электрической энергии с применением специализированных программных средств Р81М и МаШсас!, методы параметрической оптимизации и спектрального анализа, методики приборного анализа процессов в физических моделях ИСА.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Авторская схема инверторного сварочного аппарата переменного тока высокой частоты и её компьютерная модель, учитывающая конструктивные и паразитные параметры схемы, а также особенности сварочной дуги.

2. Результаты компьютерного и физического моделирования переходных процессов в схемах ИСА постоянного и переменного тока на различных этапах сварочного цикла (холостой ход, режим сварки, обрыв дуги).

3. Двухпараметрическая модель выбора зоны оптимальных по критерию потерь зоны рабочих частот сварочного инвертора, а также результаты спектрального анализа тока инвертора с учётом характеристик сварочной дуги.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием аппарата математического анализа, теории электрических цепей, теории статистических методов обработки результатов экспериментов, профессиональных пакетов прикладных программ Р81М и МаШсас! и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы:

1. Сформулированы предпосылки возможности и целесообразности осуществления дуговой электросварки на переменном токе частоты ультразвукового диапазона (25 - 75 кГц).

2. Обоснована и предложена оригинальная (подтверждённая патентом) схема ИСА переменного тока.

3. Предложены компьютерные модели ИСА постоянного и переменного тока, позволяющие оценить влияние конструктивных и паразитных параметров схемы на характер переходных процессов, в частности, на величину импульсных перенапряжений на силовых транзисторах инверторов.

Предложены различные электрические модели сварочной дуги, позволяющие учитывать её динамику на участке обрыва.

4. На основе предложенных моделей ИСА получены полезные для практического проектирования результаты, отражающие характерные особенности динамики процессов в схемах ИСА, в частности, связь амплитуды импульсных перенапряжений на транзисторах инвертора с паразитными и конструктивными параметрами схемы.

5. Обоснована оптимальная по критерию потерь зона рабочих частот ИСА и выявлено влияние сварочной дуги на спектральный состав тока ИСА.

Практическая ценность диссертации.

1. Предложено решение, которое может быть положено в основу создания нового класса малогабаритных и эффективных электросварочных устройств — инверторных источников питания для сварки на переменном токе высокой частоты.

2. Предложенная компьютерная модель ИСА даёт возможность путём варьирования параметров и характеристик входящих в неё элементов проводить различные исследования без проведения дорогостоящих и трудоёмких физических экспериментов. Полученные результаты и рекомендации позволяют более обоснованно осуществлять проектирование электрических схем и конструирование элементов ИСА и могут быть использованы при разработке других преобразователей электрической энергии (источники питания, устройства для индукционного нагрева, преобразователи частоты и пр.).

Практическая ценность и полезность работы подтверждена выделением в 2010 году её автору гранта конкурса «У.М.Н.И.К.».

Реализация и внедрение результатов работы.

Предложенная компьютерная модель и полученные на ее основе результаты были использованы при изготовлении макетных образцов ИСА постоянного и переменного тока и подготовки конструкторской документации для изготовления опытных образцов в рамках программы «У.М.Н.И.К.» с переходом в 2011 году в программу «Старт». Наработанный автором опыт компьютерного моделирования оказался полезным в процессе совершенствования схемотехнических решений источников гарантированного питания в ЗАО «Конвертор» (г. Саранск).

Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на XXXV, XXXVI, XXXVII Огаревских конференциях Мордовского государственного университета, V, VI республиканских научно-практических конференциях «Наука и инновации в Республике Мордовия», на VIII Всероссийской конференции с элементами молодёжной научной школы «Материалы нано-, микро-, оп-тоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение», Саранск, 2009, на V Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2009), на IX Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2010 (Саратов, 2010). Получены два патента на изобретения по тематике диссертационной работы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе - 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации включает в себя введение, четыре главы основного материала, заключение и библиографический список использованных литературных источников. Объем работы составляет 121 лист и прило

Основные результаты работы и вытекающие из них выводы можно сформулировать следующим образом.

1. Обоснована и подтверждена возможность создания инверторных сварочных аппаратов переменного тока частоты ультразвукового диапазона.

2. Предложены компьютерные модели источников питания для сварки на постоянном токе и переменном токе высокой частоты. На основе моделей проведён комплекс исследований по изучению характера переходных процессов в схемах инверторов на разных участках сварочного цикла (холостой ход, рабочий режим горения, обрыв дуги) с учётом конструктивных и паразитных параметров схемы. Предложена электрическая модель сварочной дуги, позволяющая учитывать её динамику на участке обрыва. На основе предложенных моделей ИСА получены полезные для практического проектирования результаты, отражающие характерные особенности динамики процессов в схемах ИСА, в частности, связь амплитуды импульсных перенапряжений на транзисторах инвертора с паразитными и конструктивными параметрами схемы.

3. Созданы физические модели (макетные образцы) сварочных инверторов постоянного и переменного тока, проведены исследования переходных процессов схемах с целью проверки адекватности компьютерных моделей. Выявлено удовлетворительное соответствие процессов.

4. Проанализирован спектральный состав сварочного тока, в том числе и с учётом характеристик сварочной дуги. Установлено, что ширину спектра тока ИСА можно ограничить десятой гармоникой рабочей частоты без существенного снижения КПД. Теоретически обоснована зона оптимальных рабочих частот сварочных инверторов. Разработана двухпараметрическая модель выбора зоны оптимальных по критерию потерь рабочих частот сварочного инвертора. Выбор частоты в диапазоне минимальных потерь в инверторе (35 - 45 кГц) позволяет оптимизировать проектирование инверторов с точки зрения повышения КПД.

Материалы по теме данной диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Борисов, Д.А. Моделирование переходных процессов в сварочном инверторе / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Электротехника. 2009. № 6. - С.47-49.

2. Борисов, Д.А. Спектральный состав тока инверторных сварочных аппаратов / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Сварочное производство. 2010. № 6. -С. 35-38.

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ по смежным специальностям:

3.Борисов, Д.А. Оптимизация режима работы высокочастотных сварочных аппаратов по критерию минимума потерь / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Сварочное производство. 2007. № 2. - С. 23-25.

Свидетельства и патенты

4. Патент 2311996, МПК 8 В23 К9/09. Способ дуговой сварки и устройство для его осуществления / В.М. Бардин, Д.А. Борисов (RU). Опубл. 2007, бюлл. № 34.

5. Решение о выдаче патента от 30 августа 2010 г., заявка № 2009133151 / 02 (046602), дата подачи заявки 03.09.2009. Устройство для электродуговой сварки / В.М. Бардин, Д.А. Борисов.

В других изданиях:

6. Борисов, Д.А. Эволюция электросварочных устройств в соответствии с законами развития техники / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // XXXV Огарёвские чтения: материалы науч. конф.: в 2 ч. Ч. 2. Естественные и технические науки. -Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. - С. 109-110.

7. Борисов, Д.А. Новые решения в электросварочном приборостроении / В.М. Бардин, Д.А. Борисов, A.B. Горинов // Наука и инновации в Республике

Мордовия : материалы V респ. науч.-практ. конф. Саранск, 8-9 февр. 2006 г. -Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2006. - С. 623-626.

8. Borisov, D.A. Optimization of the working conditions of high-frequency welding equipment using the minimum loss criterion / V.M. Bardin, D.A. Borisov // Welding International. 2007, № 21(9). - P. 680-682.

9. Борисов, Д.А. Переходные процессы в сварочных инверторах / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Наука и инновации в Республике Мордовия : материалы VI респ. науч.-практ. конф. Саранск, 8-9 февр. 2007 г. — Саранск: Изд-во Мордов. унта, 2007.-С. 594-596.

10. Борисов, Д.А. Инверторные сварочные аппараты переменного тока высокой частоты / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Электроника и информационные технологии. - 2009. Специальный выпуск, http://fetmag.mrsu.ru/2009-2/pdf/Welder.pdf Регистрационный номер: 0420900067/0003.

11. Борисов, Д.А. Структура и особенности схемотехники сварочных инверторов / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Электроника и информационные технологии. - 2009. Специальный выпуск, http://fetmag.mrsu.ru/ Регистрационный номер: 0420900067/0009.

12. Борисов, Д.А. Спектральный состав тока инверторных сварочных аппаратов / A.B. Пивкин, В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Электроника и информационные технологии. - 2009. Специальный выпуск, http://fetmag.mrsu.ru/ Регистрационный номер: 0420900067/0034.

13. Борисов, Д.А. Переходные процессы в сварочных инверторах. / В.М. Бардин, Д.А. Борисов // Современная электроника. 2010. №2. - С. 52-53.

14. Борисов, Д.А. Сварочный инвертор переменного тока. Влияние реактивных параметров схемы на характер переходных процессов / Д.А. Борисов // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП - 2010: материалы междунар. науч. - техн. конф. Саратов, 22-23 сентября. 2010 г. - Саратов: Издат. центр «Наука», 2010. - С. 374-379.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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

2. Десятков, Г.А. Теория цилиндрического дугового разряда / Г.А. Десятков, Е.С., Энгельшт. — Фрунзе, изд-во «Илим», 1985. 147 с.

3. Демянцевич, В.П. Металлургические и технологические основы дуговой сварки / В.П. Демянцевич М.: Машгиз, 1962. - 296 с.

4. Браткова, О.М. Источники питания сварочной дуги / О.М. Браткова -М.: Высшая школа, 1982. 182 с.

5. Эраносян С. А. Сетевые блоки питания с высокочастотным преобразованием / С. А. Эраносян. Л. : Энергоатомиздат, 1991. - 176 с.

6. Горский, А.Н. Расчёт электромагнитных элементов источников вторичного питания / А.Н. Горский, Ю.Н. Русин, Н.Р. Иванов, Л.А. Сергеев -М.: Радио и связь, 1988. 176 с.

7. Электротехнический справочник / В. Г. Герасимов и др. . М.: Энер-гоиздат, 1986. - 225 с.

8. Петров, С. Схемотехника промышленных сварочных инверторов / С. Петров // Современная электроника, 2007 № 8. С. 42-47.

9. Петров, С. «Косой» мост в картинках. Режим доступа: http://www.samopal.sU/node/l5, свободный. - Загл. с экрана. 2008.

10. Схема блока питания для сварки и пускозаряда. Режим доступа: http://sg-sg. chat.ru/swsch.htm, свободный. - Загл. с экрана.

11. Чиженко, И.М. Справочник по преобразовательной технике. / И.М. Чиженко и др. К.: Техника, 1978. - 445 с.

12. Пат. 2065344 RU, С1 МПК В 23К9/06. Способ возбуждения сварочной дуги переменного тока и устройство для его осуществления / Балакин С.В., Ка-реев А.Е. № 93048142/08; заявлено 15.10.1993; опубл. 20.08.1996, Бюл.

13. Атаманов B.H., Калимулин В А., Круглов Г.Н., Лукашев A.B., Слонов И.Л. № 5007891/08; заявлено 17.09.1991; опубл. 27.01.1996, Бюл.

14. Пат. 2253551 RU С2 МПК В 23К9/10. Способ дуговой сварки и устройство для дуговой сварки / Леонтьев А.Б., Горячев В.Ф.— № 2003104501/02,; заявлено 17.02.2003; опубл. 10.06.2005, Бюл.

15. Пат. RU 2311996 С1 МПК В 23К9/09. Способ дуговой сварки и устройство для дуговой сварки / Бардин В.М., Борисов ДА — № 2006116969/02,; заявлено, 17.05.2006; опубл. 10.12.2007, Бюл. № 34.

16. Лазарев, Д.М. Математическое моделирование процессов в источнике., питания для электролитно-плазменной обработки / Д.М. Лазарев, А.Р. Фаткуллин, Е.В. Парфенов, А.И. Даутов // Вестник УГАТУ, 2008, Т.10 №2 (27). С. 131-141.

17. Mecke, Н. Мягко коммутируемый инверторный источник для электродуговой сварки / Н. Mecke, W. Fischer, F. Werter // Режим доступа: http://valvolodin.narod.ni/schems/Soft switch.html, свободный. - Загл. с экрана.

18. Соловьев, И.Н. Инвариантный к нагрузке инвертор / Соловьев, И.Н., • Гранков И.Е. // Практическая силовая электроника, 2001 №1. С. 24 28.

19. Герман-Галкин, С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем / С.Г. Герман-Галкин — СПб.: КОРОБА принт, 2001.-320 с.

20. Теоретические основы электротехники. Т.2. Нелинейные цепи и основы теории электромагнитного поля / Под ред. проф. П.А. Ионкина. - ■ М.: Высшая школа, 1982. - 768 с.

21. Болотовский, Ю. Некоторые аспекты моделирования систем силовой электроники / Ю. Болотовский, Г. Таназлы // Силовая электроника, 2006 № 4. С. 34-42.

22. Герман-Галкин, С. Школа MATLAB. Урок 6. Моделирование устройств силовой электроники. Программные и инструментальные средства представления результатов / С. Герман-Галкин // Силовая электроника, 2007 № 4. С. 24-31.

23. Колпаков, A. PSIM программа анализа силовых преобразовательных устройств и систем / А. Колпаков // Электронные компоненты - 2003. - №6 — С. 77-82.

24. Максимов, A.B. Моделирование и тестирование электронных схем при изучении курса физической электроники /A.B. Максимов// Режим доступа: http://www.physicsnet.ru/ru/scholastic/labpractice2/38/, свободный. -Загл. с экрана.

25. Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. / С.И. Баскаков М.: Высшая школа, 2000. - 448 с.

26. Гоноровский, И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебное пособие для высших учебных заведений / И.С. Гоноровский, М.П. Демин М.: Радио и связь, 1994. - 479 с.

27. Гоноровский, И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов / И.С. Гоноровский М.: Радио и связь, 1986. - 512 с.

28. ГОСТ Р 51318.11-99. Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные от промышленных, научных, медицинских и бытовых (ПНМБ) высокочастотных устройств. Нормы и методы испытаний.

29. Очков, В.Ф. Mathcad 14 для студентов и инженеров: русская версия. / В.Ф. Очков СПб.: BHV, 2009.

30. Демирчян, К. С. Моделирование и машинный расчет электрических цепей: Учеб. пособие для электр. и электроэнерг. спец. Вузов / К. С. Демирчян, П. А. Бутырин М.: Высш. шк., 1988. - 335 с.

31. Расчёт силовых полупроводниковых приборов / П. Г. Дерменжи, В. А. Кузьмин, Н. Н. Крюкова и др.; Под ред. В. А. Кузьмина. М: Энергия, 1980. -184 с.

32. Бардин, В. М. Аппаратура и методы контроля параметров силовых полупроводниковых приборов / В. М. Бардин, JL Г. Моисеев, Ж. Г. Сурочан, О. Г. Чебовский-М.: Энергия, 1971. 184 с.

33. Беспалов, H.H. «АДИП»: диагностика силовых полупроводниковых приборов / H.H. Беспалов, A.B. Мускатиньев // Силовая электроника 2004. -№ 1-С. 24-25.

34. Энергетическая электроника: Справочное пособие: Пер. с нем. / Под. Ред. В. А. Лабунцова. М: Энергоатомиздат, 1987. - 464 с.

35. Чебовский, О. Г. Силовые полупроводниковые приборы: Справочник / О. Г. Чебовский, JL Г. Моисеев, Р. П. Недошивин. 2-е изд. перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1985. - 400 с.

36. Чебовский, О. Г. Испытания силовых полупроводниковых приборов / О. Г. Чебовский, JI. Г. Моисеев М.: Энергоатомиздат, 1981. - 200 с.

37. Владимиров, Я. Г. Моделирование на ЭВМ процессов в полупроводниковом преобразователе БДПТ / Я. Г. Владимиров // Электронная техника в автоматике. Сборник статей М: Радио и связь ЭТВА, 1986, вып. 17, С. 28 - 35.

38. Чуа, Л. О. Машинный анализ электронных схем / Л. О. Чуа, Пеи-Мин Лин. -М.: Энергия, 1980. 638 с.

39. Зевеке, Г. В. Основы теории цепей. Учебник для вузов. Изд. 4-е, переработанное / Г. В. Зевеке, П. А. Ионкин, А. В. Нетушил, С. В. Страхов. М.: Энергия, 1975. - 752 с.

40. Дащенко, А. Ф. MatLab в инженерных и научных расчётах / А. Ф. Да-щенко, В. X. Кириллов, Л. В. Коломиец, В. Ф. Оробей. Одесса: Астропринт, 2003.-213 с.

41. Дьяконов, В. Математические пакеты расширения MATLAB., Специальный справочник / В. Дьяконов, В. Круглов. СПб.: Питер, 2001. - 480 с.

42. Дьяконов, В. SIMULINK 4. Специальный справочник / Дьяконов В. -СПб.: Питер, 2002. 528 с.

43. Хайнеман, P. PSPICE Моделирование работы электронных схем / Р. Хайнеман. М.: ДМК-пресс. - 336 с.

44. Карлащук, В. И. Электронная лаборатория на IDM PC. Программа Electronics Workbench и её применение. Издание 2-е, дополненное и переработанное / В. И. Карлащук. М.; Солон-Р, 2001. - 736 с.

45. Разевиг, В. Д. Система схемотехнического моделирования Micro-Cap V / В. Д. Разевиг. М.: Солон, 1997. - 274 с.

46. Расчёт силовых полупроводниковых приборов / П. Г. Дерменжи, В. А. Кузьмин, Н. Н. Крюкова и др.; Под ред. В. А. Кузьмина. М: Энергия, 1980. -184 с.

47. Энергетическая электроника: Справочное пособие: Пер. с нем. / Под. Ред. В. А. Лабунцова. -М: Энергоатомиздат, 1987. 464 с.

48. Сенигов, П. Н. Анализ режимов работы делителей тока с вспомогательным вентилем / П. Н. Сенигов // Автоматизация энергосистем и энергоустановок промышленных предприятий, т. 224 Челябинск: ЧПИ, 1979, С. 43 - 50.

49. Гольдштейн, М. Е. Параметры и допустимые нагрузки схем с групповым соединением вентилей / М. Е. Гольдштейн // Электричество. 1977. № 6. -С. 78-82.

50. Григорьев, А. М. Основные направления исследования и повышения надёжности силовых полупроводниковых приборов / А. М. Григорьев, Г. А. Синегуб, В. Л. Шпер М.: Информэлектро. - 1985. Сер. 05. Вып. 1. - С. 1-53.

51. Бурков, А. Т. Электронная техника и преобразователи: Учеб. Для вузов ж.-д. трансп / А. Т. Бурков М.: Транспорт, 1999. - 464 с.

52. Орехов, В. И. Низковольтовые сильноточные источники вторичного электропитания РЭА/В / В. И. Орехов и др. М.: Радио и связь, 1986. - 104 с.

53. Ромаш, Э. М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры / Э. М. Ромаш. М.: Радио и связь, 1981. - 224 с.

54. Чиженко, И. М. Справочник по преобразовательной технике / И. М. Чиженко и др. К.: Техника, 1978. - 445 с.

55. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Изд-во стандартов, 1997. 18 с.

56. Каталог Conrad Electronic 2002 (http://www.conrad.com). — 1260 с.

57. Казанцев, Ю.М. Проектирование электронных устройств в среде пакетов программ "PSPICE", "POLUCE". Учебно-методическое пособие / Ю.М. Казанцев, Чертов— Томск: Изд. ТПУ, 2000. -104 с.

58. Казанцев, Ю.М. Автоматизированное проектирование электронныхiустройств. Учебное пособие / Ю.М. Казанцев Томск: Изд. ТПУ, 1999. - 88 с.

59. Ковалев Ф.И., Флоренцев Н. Силовая электроника на рубеже веков // Труды IV международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (АПЭП-98) / Новосибирск: Изд. НГТУ, 1998, Т.7. 3-8.

60. Розанов, Ю.К. Высокочастотная коммутация электрических цепей с резонансными контурами перспективное направление преобразовательной техники / Ю.К. Розанов А.А. Никифоров // Электротехника. 1991. № 6. 20-28.

61. Цветков Г.И. Разработка и исследование однофазных стабилизированных инверторов с синусоидальным выходным напряжением: Дисс. на соискание учен, степени канд. техн. Наук / Г.И. Цветков Томск, 1975, - 213 с.

62. Кулик, В.Д Тиристорные инверторы резонансного типа с широтным регулированием напряжения / В.Д. Кулик, Н.Н. Юрченко; Отв. Ред. Губаревич В.И.; АН УССР. Ин-т электродинамики. - Киев: Наук. Думка, 1990. - 200 с.

63. Резисторы: Справочник / В.В. Дудровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Прату-севич и др.; Под ред. И.И. Четвертакова и В.М. Терехова. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Радио и связь, 1991. - 528 с: ил.

64. Четги, П. Проектирование ключевых источников электропитания: Пер. с англ. П. Четги М.: Энергоатомиздат, 1990. - 240 с , ил.

65. Джентри, Ф. Управляемые полупроводниковые вентили / Ф. Джентри, Ф. Гутцвиллер, Н. Голоньяк, Э. фон Застров. Пер. с англ., под ред. В.М, Тучкевича, М., "Мир", 1967. 456 с.

66. Хасаев О.И. Транзисторные преобразователи напряжения и частоты / О.И. Хасаев М.: Наука, 1966. -176 с.

67. Ковалёв, Ф.И. Стабилизированные автономные инверторы с синусоидальным выходным напряжением / Ф.И. Ковалёв и др. М., "Энергия", 1972. -152с.

68. Тонкаль, В.Е. Синтез автономных инверторов модуляционного типа / В.Е. Тонкаль Киев: Наук, думка, 1979. - 207 с.

69. Руденко, B.C. и др. Расчёт устройств преобразовательной техники / B.C. Руденко, В.Я. Жуйков, И.Е. Коротеев. К.: Техшка, 1980. 135 с

70. Кузин Л.Т. Расчёт и проектирование дискретных систем управления / Л.Т. Кузин М., "Машгиз", 1962. - 684 с.

71. Миловзоров, В.П. Дискретные стабилизаторы и формирователи напряжения / В.П. Миловзоров, А.К. Мусолин М.: Энергоатомиздат, 1986. -248 с : ил.

72. Кобзев, A.B. Многозонная импульсная модуляция. Теория и применение в системах преобразования параметров электрической энергии / Кобзев A.B. Новосибирск, "Наука", 1979. - 304 с.

73. Кобзев, A.B. Модуляционные источники питания РЭА / A.B. Кобзев, Г.Я. Михальченко, Н.М. Музыченко Томск: Радио и связь. Томский отдел, 1990.-336 с: ил.

74. Моин, B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи /B.C. Моин М.: Энергоатомиздат, 1986. -376 с: ил.

75. Разевиг, В.Д. Применение программы P-CAD и Pspice для схемотехнического моделирования на ПЭВМ / В.Д. Разевиг // М.: Радио и связь, 1992.

76. Разевиг, В.Д. Система схемотехнического моделирования и проектирования печатных плат Design Center (PSpice) / В.Д. Разевиг // М.: CK Пресс, 1996.-272 с, ил.

77. Ромаш, Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры / Э.М. Ромаш М.: Радио и связь, 1981, - 224 с , ил.

78. Дмитриков, В.Ф. и др. Высокоэффективные формирователи гармонических колебаний /В.Ф. Дмитриков, Н.Б, Петяшин, М,А, Сивере М,: Радио и связь, 1988,- 192с, ил.

79. Руденко, B.C. Основы преобразовательной техники / B.C. Руденко, В.И. Сенько, И.М. Чиженко М.: Высшая школа, 1980, - 340 с.

80. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн М.: Наука, 1973. - 832 с.

81. Соловьев, И.Н. Инвариантный к нагрузке инвертор, // Практическая силовая электроника / И.Н. Соловьев, И.Е. Гранков // — 2001. №1. С. 24 28.

82. Бальян, Р.Х. Оптимальное проектирование силовых высокочастотных ферромагнитных устройств / Р.Х. Бальян, В.П. Обрусник- ТИАСУР, Томск: Изд-во Томского университета, 1987, - 168 с , ил.

83. Джентри, Ф. Управляемые полупроводниковые вентили / Ф. Джентри, Ф. Гутцвиллер, Н. Голоньяк, Э. фон Застров. Пер. с англ., под ред. В.М, Тучке-вича, М., "Мир", 1967. 456 с.

84. Ту Юлиус, Т. Цифровые и импульсные системы автоматического управления. Пер. с англ., под ред. В.В. Солодовникова / Т. Ту Юлиус М., "Машиностроение", 1964. - 704 с.

85. Бальян, Р.Х. Трансформаторы для радиоэлектроники / Р.Х. Бальян -М.: Советское радио, 1971. 720 с.

86. Цыпкин, Я.З. Теория линейных импульсных систем / Я.З. Цыпкин -М "Физматгиз", 1963. 968 с.

87. Миловзоров, В.П., Мусолин А.К. Дискретные стабилизаторы и формирователи напряжения / В.П. Миловзоров М.: Энергоатомиздат, 1986. -248 с: ил.

88. Обухов, Г. Коэффициент мощности импульсных регулирующих устройств. Г. Обухов // Электричество. №11. 1965. с. 36-39.

89. Найвельт, Г.С. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; Под ред. Г.С. Найвельта М.: Радио и связь, 1986. - 576 с , ил.

90. Забродин, Ю.С. Промышленная электроника: Учебник для вузов / Ю.С. Забродин-М.: Высш. школа, 1982. 496 с , ил.

91. Дьяконов, В.П. Справочник по MathCAD PLUS 6.0 PRO / В.П. Дьяконов- М.: СК Пресс, 1997. 336 с , ил.

92. Джури, Э. Импульсные системы автоматического регулирования. Пер. с англ., под ред. Цыпкина ЯЗ. / Э. Джури М., "Физматгиз", 1963, - 456 с.

93. Norrish, J.: Arc welding power sources Design evaluation and welding characteristics, International Institute of Welding (IIW), 1991, Doc. XII-1215-91.

94. Mecke, H.; Merfert, I.: Improvement of the dynamic performance of inverter type welding power supplies by auxilary current sources in the output circuit, electrónica 94, Munich, 1994, pp. 155-169

95. Pollock, H.; Flower, J.O.: Design, simulation and testing of a series resonant converter for pulsed load applications, PEYD r94, 1994, London, pp. 256-261

96. Malesani, L.; et al.: Electronic welder with high-frequency resonant converter, IEEE Conf. Ind. Appl. (IAS) 1993, Toronto, pp. 1073- 1080

97. Theron, P.C.; et al.: Welding power supplies using the partial series resonant converter, IECON 1993, pp. 115-120

98. Hua, G.; Lee, F. C.: Novel full bridge - zero - current - switched PWM converter, EPE r91, 1991, Firenze, pp 2-029 - 2-034

99. Hua, G.; Lee, F.' C.: Soft-switching PWM techniques and their applications, ЕРЕ r93, Brighton, 1993, pp. 111/87-92

100. Jovanovic, M.M.; Lee, F.C.: Resonant and soft-switching converters, Lecturer notes, March 16-17, 1995, chapters 4, 6

101. Werther, F.: Resonanzwandler ftr das Lichtbogenschweissen, Diploma thesis, Otto-von-Guericke-University Magdeburg, 1997.

102. Ph.C. Todd. Snubber circuits: theory, design and applications. Unitrode Corporation, May 1993, pp. 2-1-2-17. Application Note sluplOO.

103. S. Ben-Yaakov, G. Ivensky. Passive lossless snubbers for high frequency PWM converters. IEEE PESC97 Tutorial proceedings, 1997.