автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.12, диссертация на тему:Комбинированный двухтрансформаторный преобразователь с обратным ключом и мягким включением

На правах рукописи

ИДРИСОВ Ильдар Камильевич

КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВУХТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ОБРАТНЫМ КЛЮЧОМ И МЯГКИМ ВКЛЮЧЕНИЕМ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЕЮ? 1:10 П

Томск 2013

005535505

Работа выполнена в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Научный руководитель - кандидат технических наук

Семенов Валерий Дмитриевич,

Официальные оппоненты: Аристов Анатолий Владимирович

доктор технических наук, профессор (Национальный исследовательский Томский политехнический университет, профессор кафедры электропривода и электрооборудования)

Попов Владимир Иванович кандидат технических наук, доцент (Новосибирский государственный технический университет, доцент кафедры электроники и электротехники)

Ведущая организация: Научно-производственный

центр «Полюс» (г. Томск)

Защита состоится «31» октября 2013 г. в 9:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.268.03 при ТУСУРе по адресу: 634050, Томск, пр. Ленина, 40, главный корпус, ауд. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ТУСУРа.

Автореферат разослан «30» сентября 2013 г.

Ученый секретарь //

диссертационного совета Мещеряков Р.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В Российской Федерации за 2011 год было произведено 68,1 млн. тонн стали, из которых 10 млн. тонн приходится на трубную продукцию, что составляет 14,7%. И с каждым годом производство стальных труб возрастает. На конец 2011 года протяженность магистрального газопровода, нефтепровода и нефтепродуктопровода в сумме составили 242 тысячи километров. При этом на возникновение аварийной ситуации из-за дефектов сварных швов приходится 20% случаев.

Потребность в выполнен™ большого объема работ по сварке магистральных трубопроводов и постоянное повышение требований к качеству сварочных швов обусловливают применение новых сварочных технологий, в том числе управляемый капельный перенос электродного металла в сварочную ванну короткими замыканиями. Эта технология была предложена в СССР в 1980-е годы группой ученых из института "Электросварки им. Е. О. Патона" HAH Украины (Потапьевский А.Г., Заруба И.И.), из Томского политехнического университета (Князьков А.Ф., Сараев Ю.Н.) и развивается в наше время в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН и в других организациях России. За рубежом эта технология получила развитие во многих компаниях. Например, она используется в компании Lincoln Electric под названием Surface Tension Transfer (STT), а в компании Miller Electric -Regulated Metal Deposition (RMD). Известны работы, в которых показывается, что преобразователи, реализующие технологию управляемого капельного переноса, не обеспечивают требуемые скорости нарастания и спада тока. При этом скорость спада сварочного тока достигается включением балласта, что приводит к низкой эффективности этих преобразователей. Поэтому разработка новых высокоэффективных преобразователей, реализующих технологию управляемого капельного переноса с заданными скоростями нарастания и спада сварочного тока, является актуальной.

Степепь разработанности темы

Комбинированный двухтрансформаторный преобразователь (КДП), на основе которого разработан преобразователь, представленный в данной диссертации, был предложен Федотовым В.А. и Семеновым В.Д. Подобными преобразователями занимались Царенко А.И., Ноникашвили А.Д., Панфилов Д.И., Сафанюк B.C., Мишачев А.П., Романов A.B., Бардин А.И., Пузиков А.Д., Лебедев В.М., Суворинов М.И. и др. Однако все рассмотренные ими преобразователи имеют большую инерционность, что не позволяет быстро изменять ток нагрузки. КДП обеспечивает высокую скорость нарастания тока, но при сварке короткой дугой не обеспечивает достаточного напряжения для поджига дугового разряда. Кроме того, КДП в режиме стабилизации сварочного тока не обеспечивает равномерное распределение тока нагрузки между управляемыми ключами преобразователя, что уменьшает эксплуатационную надежность преобразователя из-за возможного перегрева более нагруженных ключей.

Вопросам проектирования преобразователей с мягким переключением посвящены работы Гончарова А.Ю., Лукина A.B., Эраносяна С.А., Hämo D. J., Mecke H., Fischer W., Werter F., Redl R., Balogh L., Edwards D.W., Writtenbreder E.H. и др. Однако, в ряде работ необоснованно используются различные названия для обозначения одного и того же преобразователя. Поэтому автором был проведен обзор работ, в которых составлялись классификации преобразователей, реализующих мягкое переключение, среди которых были работы Лукина A.B., Редди P.C., Розанова Ю.К., Рябчицкого М.В., Кваснюк A.A., Силкина Е.М., Brown M., Erickson R.W., Martins ML., Russi J.L., Hey H.L., Rashid M.H., Williams B.W. По результатам обзора автором был предложен свой вариант классификационной диаграммы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование источника питания на основе комбинированного двухтрансформаторного преобразователя, позволяющего реализовать импульсно-дуговую сварку короткой дугой в среде защитных газов и обеспечить заданную скорость нарастания и амплитуду импульса сварочного тока при одновременном повышении эффективности работы преобразователя..

Для достижения этой цели потребовалось решить ряд задач:

1. Провести обзор преобразователей, реализующих технологию сварки управляемым капельным переносом, и выявить их достоинства и недостатки.

2. Разработать преобразователь на основе КДП для импульсно-дуговой технологии сварки управляемым капельным переносом короткой электрической дугой в среде защитных газов и исследовать его характеристики во всем диапазоне заявленных мощностей.

3. Исследовать возможность повышения эффективности преобразователя за счет реализации фазового управления и перехода к мягкой коммутации.

4. Разработать компьютерную модель преобразователя и исследовать на ней его динамические характеристики.

5. Экспериментально исследовать лабораторный макет комбинированного двухтрансформаторного преобразователя с обратным ключом и сравнить результаты исследований с результатами, полученными на компьютерной модели.

Объектом исследования является комбинированный

двухтрансформаторный преобразователь с обратным ключом (КДП с OK) в цепи возврата энергии и мягким включением для импульсно-дуговой технологии сварки в среде защитных газов.

Предметом исследования являются электромагнитные процессы, протекающие в комбинированном двухтрансформаторном преобразователе с обратным ключом в цепи возврата энергии в режиме мягкого включения и в режиме формирования фронта импульса сварочного тока, а также эффективность работы преобразователя.

Научная новизна работы

1. Разработана новая схема комбинированного двухтрансформаторного преобразователя с обратным ключом, позволяющего реализовать импульсно-

дуговую сварку короткой электрической дугой в среде защитных газов с высокой эффективностью.

2. Впервые предложено введение обратного ключа в комбинированный двухтрансформаторный преобразователь, позволяющее реализовать фазовое управление и мягкое включение силовых ключей и таким образом равномерно распределить нагрузку на ключи мостового инвертора и в 2 раза снизить динамические потери.

3. Предложен новый алгоритм управления КДП с ОК, позволяющий обеспечить режимы работы, необходимые для реализации процесса управляемого капельного переноса.

4. Впервые предложено введение накопительного конденсатора в КДП с регулированием напряжения на нем, позволяющее по сравнению с КДП повысить напряжение при поджиге дугового разряда до необходимого уровня, сохранить низкий уровень рабочего напряжения для реализации сварки короткой дугой, увеличить в 2 раза скорость нарастания фронта импульса сварочного тока по сравнению с КДП, а также увеличить коэффициент передачи энергии на 8,5%.

Практическая значимость диссертации

1. Предложенная компьютерная модель КДП с ОК позволяет исследовать алгоритмы формирования импульса тока, влияние емкости накопительного конденсатора на динамические характеристики преобразователя, а также работу преобразователя при мягком переключении с различными моделями транзисторных ключей.

2. Результаты работы использованы при разработке источников питания в системах с адаптивной импульсной технологией сварки.

3. Выведенное расчетное соотношение коэффициента передачи энергии в нагрузку позволяет упростить проектирование КДП для импульсно-дуговой технологии сварки.

4. Выведенное расчетное соотношение скорости нарастания фронта импульса сварочного тока позволяет повысить адекватность оценки и упростить сравнительный анализ результатов эксперимента и моделирования за счет учета дополнительных параметров, таких как напряжение на накопительном конденсаторе, динамическое сопротивление и напряжение дуги, а также индуктивность сварочного контура.

5. Разработанные методики расчета реактивных элементов резонансного контура коммутации, расчета накопительного конденсатора и нахождение граничного режима работы, при котором обеспечивается мягкое включение, позволяют упростить проектирование КДП с ОК.

6. Отдельные положения работы использованы в учебном процессе при преподавании таких дисциплин, как «Основы преобразовательной техники», «Энергетическая электроника» и «Импульсно-модуляционные системы» для студентов кафедры «Промышленная электроника».

Методы и средства исследований

Для решения поставленных задач применялись: теория электрических цепей, теория систем линейных алгебраических уравнений, методы

аналитического и численного решения интегральных и дифференциальных уравнений, методы схемотехнического моделирования с использованием пакетов компьютерного моделирования МаИ^аЬ/ЗйгшИпк и 8\уйсЬ\уегСМ) / ЬТБрке, программа инженерных и научных расчетов МаЛСасЗ, а также методы статистической обработки полученных результатов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный комбинированный двухтрансформаторный преобразователь с обратным ключом обеспечивает реализацию импульсно-дуговой сварки короткой электрической дугой в среде защитных газов с высокой эффективностью. Схема предложенного преобразователя является новой и защищена патентом на полезную модель.

2. Введение обратного ключа в КДП позволяет реализовать фазовое управление и мягкое включение силовых ключей и таким образом равномерно распределить нагрузку на ключи мостового инвертора, снизив в 2 раза динамические потери.

3. Предложенный алгоритм управления КДП с ОК обеспечивает реализацию всех режимов работы, необходимых для технологии сварки управляемым капельным переносом.

4. Введение накопительного конденсатора и регулирование напряжения на нем позволяет по сравнению с КДП повысить напряжение при поджиге дугового разряда до необходимого уровня, сохранить низкий уровень рабочего напряжения для реализации сварки короткой дугой, увеличить в 2 раза скорость нарастания фронта импульса сварочного тока, а также увеличить коэффициент передачи энергии в нагрузку на 8,5%.

Достоверность научных результатов подтверждается совпадением с достаточной точностью результатов аналитических расчетов с результатами математического моделирования и результатами экспериментальных исследований на лабораторном макете.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы в интеллектуальном источнике питания, созданном в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН применительно к адаптивной импульсной технологии сварки для проведения исследований быстропротекающих процессов. Также результаты работы внедрены в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники в учебный процесс и используются при проведении лабораторных работ и курсовых проектов по дисциплине «Энергетическая электроника». Результаты диссертационной работы были использованы при реализации проекта группового проектного обучения (ПрЭ-0732 «Источник питания инверторного типа для ручной электродуговой сварки») и при подготовке выпускных квалификационных работ.

Личный вклад автора

Материалы диссертации являются обобщением работ автора, выполненных в период с 2009-го по 2013 года, и отражают его личный вклад в решаемую задачу. Основные научные результаты получены автором

самостоятельно. Опубликованные работы написаны в соавторстве с руководителем и другими авторами. Совместно с научным руководителем выполнена постановка задач диссертационного исследования, анализ и обсуждение результатов теоретических и практических исследований. Автором совместно с Федотовым В.А. разработан и изготовлен экспериментальный стенд комбинированного двухтрансформаторного преобразователя с обратным ключом и мягким включением, практические исследования на котором проведены автором самостоятельно.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (Томск, 2012 г.), а также на Всероссийских научно-технических конференциях «Научная сессия ТУ СУР» (Томск): «Научная сессия ТУСУР-2010», «Научная сессия ТУ СУ Р-2011», «Научная сессия ТУСУР-2013».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 2 патента на полезную модель по тематике диссертационной работы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 166 страницах машинописного текста, иллюстрируется 75 рисунками и 30 таблицами. Состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 103 наименований и 3 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении доказана актуальность диссертационной работы, показана степень разработанности темы, научная новизна и практическая ценность работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, представлено внедрение результатов и апробация работы.

Первая глава. Обзор преобразователей, реализующих технологию сварки управляемым капельным переносом металла.

Изложен краткий обзор современных технологий импульсно-дуговой сварки. Описана технология сварки управляемым капельным переносом (УКП) электродного металла в сварочную ванну и ее ближайшие аналоги - Surface Tension Transfer (STT) и Regulated Metal Deposition (RMD). Представлена сфера применения и актуальность данных технологий.

На рисунке 1 изображена циклограмма процесса сварки управляемым капельным переносом металла в сварочную ванну, где ¿ц(0, ujiO ~ сварочный ток и напряжение дуги.

/, А h

¡2

'п(0

h /о

/і і h t} і ts и, і и т

и С

Рисунок 1 - Циклограмма процесса сварки управляемым капельным переносом

Базовый ток 1\ меняется в диапазоне от 50 до 120 А, пиковый ток /3 в диапазоне от 250 до 450 А в зависимости от условий сварки (диаметра и материала сварочной проволоки, защитного газа, скорости подачи проволоки, расстояния между сварными деталями и т.д.). Величина тока Ь определяется моментом времени h, когда dup/dt достигает определенного значения (величина достаточной скорости нарастания напряжения на дуге находится экспериментально); после чего ток спадает до минимального значения 10. Период времени h-t2 необходим для перетекания капли в сварочную ванну при минимальном токе и примерно равен 0,75 мс. В момент и происходит разрушение перемычки между электродом и каплей. После чего в момент t5 поджигается дуга, ток достигает значения h, и дуга электродинамическим воздействием на сварочную ванну «давит» обратное разбрызгивание, а также разогревает сварочную ванну. Длительность пикового тока te-h равна = 1-2 мс. А длительность всего цикла Т ~ 8-10 мс. Таким образом, сформулировано, что преобразователь должен "уметь" реализовать показанную выше циклограмму тока с заданными временами импульсов и пауз, амплитудами тока и длительностями необходимых фронтов нарастания и спада сварочного тока.

Подробно описаны преобразователи, реализующие технологию сварки управляемым капельным переносом: УДГИ Института физики прочности и материаловедения СО РАН, Invertec STT & STT II фирмы Lincoln Electric, Power Wave 455 STT фирмы Lincoln Electric, Auto-Axcess 450 фирмы Miller Electric, комбинированный двухтрансформаторный преобразователь - Патент РФ 87379. При рассмотрении особенностей их работы были выявлены следующие недостатки:

1. Преобразователь УДГИ Института физики прочности и материаловедения СО РАН содержит дроссель в цепи коммутации сварочного тока, что ограничивает его динамические свойства. Применение тиристоров также снижает быстродействие преобразователя и усложняет его схемотехнику из-за необходимости реализации контуров запирания тиристоров.

2. В преобразователях фирмы Lincoln Electric также присутствует выходной дроссель, а скорость нарастания сварочного тока регулируется только за счет изменения относительной длительности импульса сигналов управления. Кроме того, формирование заднего фронта сварочного тока обеспечивается дополнительным резистором, что увеличивает потери.

3. В преобразователях фирмы Miller Electric из-за полумостовой схемы в 2 раза снижено напряжение, приложенное к дросселю, что приводит к снижению в 2 раза скорости нарастания импульса сварочного тока. Скорость формирования заднего фронта импульса сварочного тока обеспечивается только за счет подачи сигналов управления с нулевой относительной длительностью на транзисторы полумостового инвертора.

4. Комбинированный двухтрансформаторный преобразователь при реализации сварки короткой дугой не позволяет обеспечить нужную величину напряжения для поджига дугового разряда. Кроме того, его несимметричный алгоритм управления приводит к неравномерному распределению нагрузки на ключи, что уменьшает их эксплуатационную надежность.

Ни у одного из рассмотренных преобразователей не реализовано мягкое переключение, что приводит к увеличению динамических потерь, которые предложено уменьшить, не ухудшая при этом динамику работы преобразователя.

с обратным ключом

Перечисленные недостатки говорят о низкой эффективности использованных схемотехнических решений и их применения для реализации технологии сварки управляемым капельным переносом металла, что приводит к снижению КПД и ухудшению качества сварного соединения. Предложен комбинированный двухтрансформаторный преобразователь с обратным ключом, позволяющий обеспечить технологию сварки управляемым капельным

переносом с высокими скоростями нарастания и спада сварочного тока и лишенный перечисленных выше недостатков. КДП с ОК позволяет равномерно распределить нагрузку на ключах инвертора и, как следствие, повысить их эксплуатационную надежность. Обеспечивает повышенное напряжение во время поджига дугового разряда, по сравнению с КДП, при низком рабочем напряжении для сварки короткой дугой. Снижает динамические потери при переключении ключей инвертора путем реализации мягкого включения.

Разработанный комбинированный двухтрансформаторный

преобразователь с обратным ключом представлен на рисунке 2.

КДП с ОК содержит мостовой инвертор на управляемых ключах УТ^УТ^ с обратными диодами УО\-П)4 соответственно, согласующий электромагнитный блок 7У, и 2Т2, дополнительные управляемые ключи УТ5 и РТ6, резонансные элементы контуров коммутации С1-С4 и накопительный конденсатор С$,

непосредственный преобразователь напряжения инвертирующего типа, построенный на КГ7, УОй, выпрямитель УПв-УЛу, датчики тока, напряжения и температуры и систему управления (на схеме не показаны).

Вторая глава. Режимы работы комбинированного двухтрансформаторного преобразователя для реализации процесса управляемого капельного переноса металла.

Изложено подробное описание и принцип действия комбинированного двухтрансформаторного преобразователя. Описаны режимы работы КДП с ОК для реализации технологии сварки управляемым капельным переносом:

а) режим заряда дополнительного конденсатора С5 до необходимого напряжения, обеспечивающего поджиг дугового разряда (длительность паузы в сварочном токе);

б) режим накопления и стабилизации тока в индуктивностях контуров намагничивания (длительность паузы в сварочном токе);

в) режим формирования фронта импульса сварочного тока (длительность переднего фронта импульса сварочного тока);

г) режим стабилизации амплитуды импульса сварочного тока с мягким включением (длительность импульса сварочного тока);

д) режим формирования заднего фронта импульса (длительность заднего фронта импульса сварочного тока).

е) режим сброса накопленной энергии из конденсатора С5 в источник (длительность заднего фронта импульса и паузы сварочного тока).

Каждый режим имеет соответствующую эквивалентную схему, которые представлены в тексте диссертации. Для примера на рисунках 3-4 приведены эквивалентные схемы для режимов формирования фронта импульса сварочного тока (в) и стабилизации амплитуды импульса сварочного тока (г).

Рисунок 3 - Эквивалентная схема КДП с ОК в режиме формирования фронта импульса сварочного тока

В согласующем электромагнитном блоке индуктивности Ьті и Ьт2 контуров намагничивания условно вынесены из схемы дросселей-трансформаторов ТУ] и ТУ2, которые представлены как совокупность индуктивностей намагничивания ¿тЬ Ьт2 и идеальных трансформаторов ТУ\ и ТУ2. Приняты положительные направления токов г£т1 и /іт2 в дросселях намагничивания Ьт\ и Ьт2, показанные стрелками. Дроссель Ьск представляет собой индуктивность сварочного контура. На рисунке 3 замкнуты ключи РТЬ РТз и УТ$, а ключи РТг, УТ^, УТ6 и УТі разомкнуты, тем самым образуя контур возврата энергии из индуктивностей намагничивания Ьт\ и Ьт2 в накопительный конденсатор Су На рисунке 4 разомкнуты ключи УТ$, УТб и УТт, образуя мостовой инвертор с фазовым управлением, в который включены резонансные элементы контуров коммутации С1-С4 и Ьк\-Lja-

Рисунок 4 - Эквивалентная схема КДП с ОК в режиме стабилизации амплитуды импульса сварочного тока

Система управления КДП с ОК реализована на БЭР-микроконтроллере. Для создания программного обеспечения был использован универсальный язык моделирования ЦМЬ, с помощью которого разработана диаграмма состояний режимов работы КДП с ОК, обеспечивающая реализацию технологии сварки управляемым капельным переносом. Диаграмма состояний показана на рисунке 5.

Режим С1аиИЛ!ШЦШ1

И*.»Г,И)>Л!4 иЩ1[Н>ЧНОГО ЕОКЙ

Стабшишиия 4 амплитуды с&арочного . тока ,1

Формирование замнет \ фронта импульса )

*1а ряд дрполичтель конденсатора

Накопление тока о тшуятивностях шмашичшшшя

/ Сорос накопленной \ .{шергии т конденсатора I 4, С5 а источник

Режим ноджша дугового ратряда

Формирование фрота [шнуяьеа сварочного I ока

Рисунок 5 - Диаграмма состояний режимов работы преобразователя для реализации технологии сварки управляемым капельным переносом

Диаграмма на рисунке 5 показывает все состояния преобразователя и переходы между ними и предназначена для упрощения проектирования системы управления и написания программы для микроконтроллера. Подробное описание переходов между состояниями представлено в тексте диссертации.

Третья глава. Повышение эффективности комбинированного двухтрансформаторного преобразователя.

Описаны факторы, снижающие эффективность работы комбинированного двухтрансформаторного преобразователя, и способы ее повышения.

Для уменьшения динамических потерь реализовано мягкое включение ключей мостового инвертора. Для этого проведен обзор существующих решений. В ходе обзора было выяснено, что на сегодняшний день существует множество различных схем, реализующих мягкое переключение, однако отсутствует их полная классификация. Поэтому для подтверждения объективности выбора того или иного схемотехнического решения была составлена классификационная диаграмма схем, реализующих мягкое переключение. При ее составлении применен системный подход, благодаря которому были выделены отличительные признаки преобразователей с резонансными контурами, положенные в основу классификации.

Сформулированы задачи определения диапазона регулирования сварочного тока преобразователя и исследования его работы во всем диапазоне работах токов, а также исследования влияния реактивных резонансных элементов на скорость нарастания фронта импульса сварочного тока.

В ходе исследования было выяснено, что в области малых токов величина конденсаторов резонансного контура коммутации существенно влияет на динамические потери. При уменьшении емкости конденсаторов резонансного контура коммутации динамические потери будут увеличиваться при выключении и уменьшаться при включении. Во всем остальном диапазоне регулирования сварочного тока работа преобразователя не нарушается, а включение ключей мостового инвертора происходит мягко.

Для расчета динамических потерь при включении транзисторов мостового инвертора в режиме стабилизации амплитуды импульса сварочного тока разработана математическая модель в среде З'У/йсЬегСАБ/ЬТЗрюе, представленная на рисунке 6. В качестве ключей мостового инвертора была использована модель реального транзистора АРТ600Р120ЛШ.

Рисунок 6 — Математическая модель КДП с ОК для исследования динамических потерь

Исследование динамических потерь на математической модели проводилось при напряжении источника питания І/1 = 500 В, суммарной индуктивности резонансного контура коммутации Ьг = 20 мкГн, индуктивности сварочного контура ЬСк — Ю мкГн и различной емкости конденсаторов резонансного контура коммутации. Результаты математического моделирования представлены на рисунках 7 и 8, где показаны процессы жесткого и мягкого включения транзисторов.

ЗЗКУЛ

гжу/ г<К¥/ гчлу-

ІВГіУ-15»»-

ігкуу-

«юл-

екул -згм-)

У(К006.М»Ч

«о»

ит-

УШ-

зим-готк-г«к-іаи-іоот-аи

77* -70* 634 ІИ 45*

ігд -эм ге* ги -і« - ?А

НА -7*

4£2.4ц> 45г.6и< 45г.8»« 453.Зыв 453.2ив «3.4ц» 453.6и> 45Э.9м" «4.0и» 454.2»« 454.4ц»

Рисунок 7 - Процесс жесткого включения транзистора АРТ6(ЮР120ЛШ

Мр4Па£.Ы(М1)

зеку*-. ріки

эазд-гжм- 4еда-42ОТ- •149* ->г»4

24»*- 36М- -109*

генж- зш- - 99*

- 69*

нт- - 49*

4КУ7- —

окл- ____________________________________—4 / - и

44711« 448Н8 443и» 4501» 451|» 452и» 453и« 45ІЦІ 455иа 45Еи>

Рисунок 8 - Процесс мягкого включения транзистора АРТбООРІ 2ШІШ

Для поджига дугового разряда необходимо напряжение 60-90 В, в то время как в режиме стабилизации амплитуды сварочного тока напряжение равно 20 В. КДП не позволяет обеспечить требуемое напряжение поджига при сварке короткой дугой, поэтому предложено в его схему ввести накопительный конденсатор, который обеспечивает необходимый уровень напряжения на выходе. При этом в ходе исследования выяснилось, что введение этого конденсатора приводит к дополнительному положительному эффекту. Чем больше напряжение на конденсаторе, тем больше увеличиваются скорость нарастания фронта, амплитуда импульса сварочного тока и коэффициент передачи энергии. Выведено расчетное соотношение для скорости нарастания фронта импульса сварочного тока V.

ІтСТ -Кур 0,5-А'тр

-и л

, „ (С'ип +Р'С;)А'ТР

-/дДд о,Утр

Д~7Д'ЯД

1<'К ¿ск

где С/ст - напряжение стабилизации, равное сумме напряжения источника питания ¿Тип и напряжения конденсатора С5;

А^тр - коэффициент трансформации дросселя-трансформатора; %п - напряжение источника питания; ис5 - напряжение на конденсаторе С5;

Л^тр - количество дросселей-трансформаторов электромагнитного блока; ид - напряжение на электрической дуге; /д - ток дуги;

Ад — эквивалентное динамическое сопротивление дуги; ЬСк ~ индуктивность сварочного контура.

Для оценки влияния параметров резонансных контуров коммутации на скорость нарастания фронта импульса сварочного тока была разработана математическая модель в среде 8\УПс11егСАВ/ЪТ8рке, представленная на рисунке 9. Емкость накопительного конденсатора С5 принята на два порядка выше расчетной для исключения влияния увеличения напряжения на процесс формирования фронта импульса тока. Это позволяет исследовать влияния параметров резонансных контуров коммутации при постоянном суммарном напряжении иСт-

К1 12 І.З 1. К2 110 И1 1. КЗ 113 ИД 1. К4 І.4 15 1. Ігап 500и иіс .¡ггсіиеі« ЮВТ.ІІЬ рагат 1г = 10 ОрН Сг - 5пр рагат = 105и1з = ІЗОиІІІ = 350и

Рисунок 9 - Математическая модель КДП с ОК для исследования формирования фронта импульса сварочного тока

На рисунке 10 представлены результаты моделирования при напряжении источника питания их = 500 В, индуктивности резонансного контура коммутации Ьг = 20 мкГн, индуктивности сварочного контура Ьск = 10 мкГн и изменении емкости конденсаторов резонансного контура коммутации Сг в пределах до 90 нФ. Видно, что при увеличении емкости конденсаторов

резонансного контура коммутации в начальный момент формирования фронта импульса тока появляется влияние емкости резонансных конденсаторов на время нарастания фронта импульса сварочного тока, что ухудшает скорость нарастания этого тока. При изменении емкости резонансных конденсаторов на 20 нФ время задержки нарастания фронта составляет =0,2 мкс при времени нарастания фронта около 30 мкс, что составляет меньше одного процента. При этом, как показано в диссертации, значение емкости конденсаторов резонансного контура коммутации выбирается в пределах Сг< 10 нФ, поэтому в дальнейшем влиянием емкостей конденсаторов резонансного контура коммутации на время нарастания фронта импульса сварочного тока будем пренебрегать.

уімвву.міюг)

[[СІ]

к«)

ІМ.Вц« 105.2и5 «ІЬ.йцї 10Є.0ц5 106.4М5 Ю6.»н5 Ш/.Ицч

Рисунок 10 - Зависимости тока и напряжения конденсатора резонансного контура коммутации от времени при различных значениях емкости

Выведено расчетное соотношение для коэффициента передачи энергии в нагрузку.

ЦД-Ктр А'тр 2-(иші+ис$)

•Цп

к=-

к-

¡Уд • ЛГхр

Л'тр 2-(С/иП+^С5)

(2)

где Ьт - индуктивность намагничивания дросселя-трансформатора. Остальные обозначения приведены в описании выражения (1). На рисунке 11 представлены зависимости коэффициента передачи энергии в нагрузку от индуктивности сварочного контура 1Ск> гДе К0 - кривая коэффициента передачи энергии при ¡Ус5 = 0; К\ - кривая коэффициента передачи энергии при и^ = 300 В.

о ыо*1 мо"! з*!в"5 ¿ск, Гн

1СК

Рисунок 11 - Зависимости коэффициента передачи энергии в нагрузку К от индуктивности сварочного контура ЬСк

При повышении напряжения на конденсаторе С5 до 300 В коэффициент передачи энергии в нагрузку увеличивается на 8,5% по сравнению с КДП.

Четвертая глава. Практическая реализация комбинированного двухтрансформаторного преобразователя с обратным ключом и экспериментальные исследования его характеристик на физической модели.

Разработаны функциональная и принципиальные схемы КДП с ОК. Рассмотрены основные вопросы расчета преобразователя, представляющие сложность при проектировании, включающие в себя расчет реактивных элементов резонансных контуров коммутации, расчет емкости накопительного конденсатора, а также расчет граничного режима работы, при котором обеспечивается режим мягкого включения.

На рисунке 12 представлена функциональная схема КДП с ОК. На рисунке 13 представлена фотография внешнего вида лабораторного макета КДП с ОК. Питание преобразователя организовано от трехфазной сети переменного тока. Напряжение сети выпрямляется с помощью диодного модуля 8Ю3110 фирмы Зегшкгоп, который является трехфазным мостом, построенным по схеме Ларионова. Инвертор выполнен на транзисторных ЮВТ-модулях 8КМЮООВ12Т4 фирмы 8егшкгоп. Модули установлены непосредственно на радиатор, к которому прикреплен вентилятор для принудительного охлаждения. Между двумя радиаторами установлены дроссели-трансформаторы.

Рисунок 12 - Функциональная схема КДП с ОК

Выходной выпрямитель построен на диодах марки 150EBU04 фирмы Vishay, которые крепятся на радиатор с принудительным охлаждением посредством установленного вентилятора. Система управления построена на базе DSP-микроконтроллера MC56F8013 фирмы Freescale. Для организации обратной связи использовались датчики тока LT300-S/SP50 и LT500-T/SP53 фирмы LEM (ООО "Твелем"), датчики напряжений в виде делителей на резисторах С2-29 и датчики температуры LM19CIZ фирмы Texas Instruments.

Рисунок 13 - Фотография лабораторного макета КДП с ОК

Источник питания собственных нужд построен на модульных источниках питания (KAMN3015, KAMN3005, KAMN3015D) фирмы Chinfa Electronics.

На рисунке 14 представлена структурная схема разработанного программного обеспечения (ПО) для микроконтроллерной системы управления КДП с ОК. Для написания ПО использовалась диаграмма состояний режимов работы преобразователя, которая была представлена на рисунке 5. ПО состоит из следующих блоков: блок управления преобразователем, блок управления технологическим процессом, блок сбора данных, блок защиты, блок таймеров. Подробное описание структурных блоков представлено в тексте диссертации.

Рисунок 14 - Структурная схема программного обеспечения КДП с OK

При проведении экспериментальных исследований на лабораторном макете использовались осциллограф TDS3032B фирмы Tektronix с полосой пропускания 300 МГц, усилитель токовых пробников ТСРА300 фирмы Tektronix и токовый пробник ТСР303 фирмы Tektronix с диапазоном измеряемого действующего тока до 150 А, а импульсного - до 500 А, и полосой пропускания до 15 МГц. Для получения диаграмм тока был использован безиндуктивный шунт собственного изготовления на основе бифилярного дискового шунта.

На представленном лабораторном макете КДП с OK проводились исследования процесса мягкого включения транзисторного ключа при частоте коммутации 20 кГц, осциллограммы которого представлены на рисунке 15.

Рисунок 15 - Осциллограммы напряжения Шэ и тока 1к при включении

транзистора

Исследование процесса формирования фронта импульса сварочного тока проводилось с учетом необходимого количества экспериментов, которое определялось исходя из среднеквадратичного отклонения полученных результатов и доверительной вероятности а = 0,95. Осциллограмма одного из экспериментов формирования фронта импульса сварочного тока приведена на рисунке 16.

Рисунок 16- Осциллограмма формирования фронта импульса тока

На лабораторном макете КДП с ОК получена скорость нарастания фронта импульса тока, равная 12,7 А/мкс при амплитуде тока 160 А и индуктивности сварочного контура 10 мкГн.

В таблице 1 представлено сравнение результатов исследований на реальном лабораторном макете и в системе математического моделирования.

Таблица 1

Скорость нарастания фронта импульса тока, А/мкс

иа,в 0 300

Мат. моделирование 7,0 11,5

Лабораторный макет 6,4 12,7

Погрешность результатов, представленных в таблице 1, не превышает 10%, что лежит в рамках инженерной погрешности и подтверждает адекватность проведенных исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработан комбинированный двухтрансформаторный преобразователь с обратным ключом, позволяющий реализовать сварку короткой электрической дугой с помощью управляемого капельного переноса электродного металла в сварочную ванну.

2. Введение дополнительного управляемого ключа в комбинированный двухтрансформаторный преобразователь позволило реализовать фазовое управление, при котором равномерно распределяется нагрузка на ключи инвертора.

3. Снижены в 2 раза динамические потери за счет реализации мягкого включения транзисторов мостового инвертора комбинированного двухтрансформаторного преобразователя с обратным ключом, в результате чего КПД преобразователя увеличилось на 3,5%.

4. Скорость нарастания тока по сравнению с комбинированным двухтрансформаторным преобразователем увеличена в 2 раза.

5. Коэффициент передачи энергии в нагрузку по сравнению с комбинированным двухтрансформаторным преобразователем увеличен на 8,5%.

6. Выведены расчетные соотношения коэффициента передачи энергии в нагрузку и скорости нарастания фронта импульса сварочного тока.

7. На лабораторном макете был получен режим мягкого включения транзисторов при напряжении 250 В, токе 7-15 А и частоте коммутации 20 кГц.

8. На лабораторном макете была достигнута скорость нарастания импульса тока 12,7 А/мкс при амплитуде импульса в 160 А.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах

В изданиях рекомендованных ВАК РФ:

1. Кобзев, A.B. Формирователь импульсов сварочного тока на основе двухтрансформаторного комбинированного преобразователя / A.B. Кобзев, В.Д. Семенов, В.А. Федотов, И.К. Идрисов // Доклады ТУ СУР. - 2011. №10. - С. 288-294.

2. Кобзев, A.B. Двухтрансформаторный комбинированный преобразователь с регулируемой эффективностью передачи энергии в сварочную дугу / A.B. Кобзев, В.Д. Семенов, В.А. Федотов, И.К. Идрисов // Научный вестник НГТУ. - 2012. №42. - С. 155-167.

Патенты:

3. Патент на полезную модель № 112538 РФ. Преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока / И.К. Идрисов, В.Д. Семенов, В.А. Федотов. Заявл. 07.07.2011. Опубл. 10.01.2012. Бюл. №1. - 2 с.

4. Патент на полезную модель № 128850 РФ. Преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока / И.К. Идрисов, В.А. Федотов, В.Д. Семенов, Е.Е. Сатенбаев. Заявл. 19.12.2012. Опубл. 10.06.2013. Бюл. №16. - 3 с.

В других изданиях:

5. Идрисов, И.К. Двухтрансформаторный транзисторный преобразователь для импульсно-дуговой технологии сварки / И.К. Идрисов, В.Д. Семенов, В.А. Федотов // Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии: сборник докладов V Всероссийской конференции молодых ученых [Электронный ресурс]. - Томск: Издательство ИОА СО РАН, 2012. - С.3-16 - 319. - Режим доступа: http://mte.iao.ai/ru/05/Tomsk 2012.exe.

6. Идрисов, И.К. Исследование комбинированного двухтрансформаторного преобразователя в режиме наброса тока нагрузки / И.К. Идрисов, В.А. Федотов, В.Д. Семенов // Материалы НТК Научная сессия ТУСУР.-2010.-Ч.4.-С. 135-138.

7. Идрисов, И.К. Комбинированный двухтрансформаторный преобразователь с фазовым управлением / И.К. Идрисов, В.А. Федотов, В.Д. Семенов // Материалы НТК Научная сессия ТУСУР. - 2011. - Ч. 5. - С. 27-31.

8. Косолапов, П.С. Комбинированный двухтрансформаторный преобразователь с обратным ключом в режиме сброса накопленной энергии/ П.С. Косолапов, И.К. Идрисов, В.А. Федотов, В.Д. Семенов // Материалы НТК Научная сессия ТУСУР. - 2013. -Ч. 2. - С. 191-196.

9. Идрисов, И.К. Двухтрансформаторный транзисторный преобразователь для импульсно-дуговой технологии сварки / И.К. Идрисов, В.Д. Семенов, В.А. Федотов // Электропитание. - 2013. - № 1. - С. 45-48.

Тираж 100. Заказ 924. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники.

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. 533018.

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ» (ТУСУР)

04201364172

На правах рукописи

ИДРИСОВ Ильдар Камильевич

КОМБИНИРОВАННЫМ ДВУХТРАНСФОРМАТОРНЫИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ОБРАТНЫМ КЛЮЧОМ И МЯГКИМ

ВКЛЮЧЕНИЕМ

Специальность 05.09.12 - Силовая электроника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук Семенов В.Д.

Томск 2013

Содержание

Глава 1 Обзор преобразователей, реализующих технологию сварки 13 управляемым капельным переносом металла

1.1 Современные технологии импульсно-дуговой сварки 13

1.2 Преобразователь УДГИ Института физики прочности и 21 материаловедения СО РАН для реализации технологии сварки управляемым капельным переносом электродного металла короткими замыканиями

1.3 Преобразователь Invertec STT & STT II фирмы Lincoln Electric для 23 реализации технологии сварки STT

1.4 Преобразователь Power Wave 455 STT фирмы Lincoln Electric для 27 реализации технологии сварки STT

1.5 Преобразователь Auto-Axcess 450 фирмы Miller Electric для 29 реализации технологии сварки RMD

1.6 Комбинированный двухтрансформаторный преобразователь для 31 реализации технологии сварки управляемым капельным переносом металла

ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ 34

Глава 2 Режимы работы комбинированного двухтрансформаторного 35 преобразователя для реализации процесса управляемого капельного переноса металла

2.1 Описание преобразователя 35

2.1.1 Структурная схема преобразователя 35

2.1.2 Описание режимов работы преобразователя 38

2.2 Алгоритм работы преобразователя для реализации процесса 40 управляемого капельного переноса металла

2.2.1 Алгоритм формирования импульса тока 40

2.2.2 Диаграммы состояний преобразователя для реализации 42 процесса управляемого капельного переноса металла

2.3 Режим поджига дугового разряда 43

2.3.1 Процесс заряда накопительного конденсатора до 44 необходимого напряжения для поджига дугового разряда

2.3.2 Процесс накопления и стабилизации тока в индуктивностях 46 контуров намагничивания

2.3.3 Процесс формирования фронта импульса сварочного тока 47 2.4 Режим стабилизации амплитуды сварочного тока 49

2.4.1 Процесс стабилизации амплитуды импульса сварочного тока с 50 мягким включением

2.4.2 Процессы формирования заднего фронта импульса и сброса 59 накопленной энергии из накопительного конденсатора в источник

питания

ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ 60

Глава 3 Повышение эффективности комбинированного 62

двухтрансформаторного преобразователя

3.1 Факторы, снижающие эффективность преобразователя 62

3.2 Реализация мягкого переключения 63

3.2.1 Классификационная диаграмма способов мягкого 63 переключения

3.2.2 Особенности резонансного переключения 67

3.2.3 Режимы резонансного переключения ключевых элементов 70 преобразователя

3.2.4 Исследование поведения преобразователя на всем диапазоне 73 рабочих токов

3.2.5 Оценка влияния резонансных контуров коммутации на 89 скорость нарастания фронта импульса сварочного тока на математической модели

3.2.6 Оценка динамических потерь в режиме стабилизации 94 амплитуды импульса сварочного тока на математической модели

3.3 Реализация поджига дугового разряда 97

3.3.1 Проблема поджига дугового разряда преобразователей для 97

сварки короткой электрической дугой

3.3.2 Исследование поведения преобразователя в режиме возврата 97 энергии в накопительный конденсатор и сброса в основной источник питания

3.3.3 Влияние накопительного конденсатора на скорость нарастания 102

фронта импульса сварочного тока

3.3.4 Определение коэффициента передачи энергии в нагрузку 103

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ 110

Глава 4 Практическая реализация комбинированного 112 двухтрансформаторного преобразователя с обратным ключом и экспериментальные исследования его характеристик на физической модели

4.1 Разработка инженерной методики проектирования преобразователя 112

4.1.1 Расчет резонансных реактивных элементов 112

4.1.2 Определение граничного режима работы 114

4.1.3 Расчет емкости накопительного конденсатора 116

4.2 Экспериментальные исследования на физической модели 118

4.2.1 Описание лабораторного макета 118

4.2.2 Исследование процесса формирования фронта импульса 122 сварочного тока

4.2.3 Исследование процесса мягкого включения транзисторного 127 ключа

ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ 130

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 132

Список использованных источников 134

Приложение А Результаты экспериментальных исследований 145

Приложение Б Технические характеристики используемых приборов 148

Приложение В Акты о внедрении 164

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

В Российской Федерации за 2011 год было произведено 68,1 млн. тонн стали, из которых 10 млн. тонн приходится на трубную продукцию, что составляет 14,7%. И с каждым годом производство стальных труб возрастает. На конец 2011 года протяженность магистрального газопровода, нефтепровода и нефтепродуктопровода в сумме составили 242 тысячи километров [33]. При этом на возникновение аварийной ситуации из-за дефектов сварных швов приходится 20% случаев. Это вторая по величине группа факторов аварийности магистральных нефтепроводов, уступающая лишь конструктивно-техническим факторам [35]. Разрыв сварного соединения приводит к потере большого количества нефтеного и газового продукта, что влечет за собой большие убытки. Также это имеет место непосредственное негативное влияние на природу окружающей среды. Устранение последствий аварии зачастую бывает во много раз более дорогостоящей операцией, чем качественно выполненные монтажные работы по сварке магистрального трубопровода.

Потребность в выполнении большого объема работ по сварке магистральных трубопроводов и постоянное повышение требований к качеству сварочных швов обусловливает применение новых сварочных технологий, в том числе управляемый капельный перенос электродного металла в сварочную короткими замыканиями. Эта технология была предложена в СССР в 1980-е годы группой ученых из института "Электросварки им. Е. О. Патона" HAH Украины (Потапьевский А.Г., Заруба И.И.), из Томского политехнического университета (Князьков А.Ф., Сараев Ю.Н.) и развивается в наше время в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН и в других организациях России [29, 36]. За рубежом эта технология получила развитие во многих компаниях. Например, она используется в компании Lincoln Electric под названием Surface Tension Transfer (STT) [24, 30, 46, 49], в компании Miller Electric - Regulated Metal Deposition (RMD) [62]. Известны работы, в которых показывается, что

преобразователи, реализующие технологию управляемого капельного переноса, не обеспечивают требуемые скорости нарастания [51], а скорость спада сварочного тока достигается включением балласта, что приводит к низкой эффективности этих преобразователей [57, 58, 61]. Поэтому разработка новых высокоэффективных преобразователей, реализующих технологию управляемого капельного переноса с заданными скоростями нарастания и спада сварочного тока, является актуальной.

Степень разработанности темы

Комбинированный двухтрансформаторный преобразователь (КДП), на основе которого разработан преобразователь, представленный в данной диссертации, был предложен Федотовым В.А. и Семеновым В.Д. Подобными преобразователями занимались Царенко А.И., Ноникашвили А.Д., Панфилов Д.И., Сафанюк B.C., Мишачев А.П., Романов A.B., Бардин А.И., Пузиков А.Д., Лебедев В.М., Суворинов М.И. и др. Однако все рассмотренные ими преобразователи имеют большую инерционность, что не позволяет быстро изменять ток нагрузки. КДП обеспечивает высокую скорость нарастания тока, но при сварке короткой дугой не обеспечивает достаточного напряжения для поджига дугового разряда. Кроме того, КДП в режиме стабилизации сварочного тока не обеспечивает равномерное распределение тока нагрузки между управляемыми ключами преобразователя, что уменьшает эксплуатационную надежность преобразователя из-за возможного перегрева более нагруженных ключей.

Вопросам проектирования преобразователей с мягким переключением посвящены работы Гончарова А.Ю., Лукина A.B., Эраносяна С.A., Hamo D. J., Mecke Н., Fischer W., Werter F., Redl R., Balogh L., Edwards D.W., Writtenbreder E.H. и др. Однако, в ряде работ необоснованно используются различные названия для обозначения одного и того же преобразователя. Поэтому автором был проведен обзор работ, в которых составлялись классификации преобразователей, реализующих мягкое переключение, среди которых были работы Лукина A.B., Редди P.C., Розанова Ю.К., Рябчицкого М.В., Кваснюк A.A., Силкина Е.М., Brown

M., Erickson R.W., Martins M.L., Russi J.L., Hey H.L., Rashid M.H., Williams B.W. По результатам обзора автором был предложен свой вариант классификационной диаграммы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование источника питания на основе комбинированного двухтрансформаторного преобразователя, позволяющего реализовать импульсно-дуговую сварку короткой дугой в среде защитных газов и обеспечить заданную скорость нарастания и амплитуду импульса сварочного тока при одновременном повышении эффективности работы преобразователя.

Для достижения этой цели потребовалось решить ряд задач:

1. Провести обзор преобразователей, реализующих технологию сварки управляемым капельным переносом, и выявить их достоинства и недостатки.

2. Разработать преобразователь на основе КДП для импульсно-дуговой технологии сварки управляемым капельным переносом короткой электрической дугой в среде защитных газов и исследовать его характеристики во всем диапазоне заявленных мощностей.

3. Исследовать возможность повышения эффективности преобразователя за счет реализации фазового управления и перехода к мягкой коммутации.

4. Разработать компьютерную модель преобразователя и исследовать на ней его динамические характеристики.

5. Экспериментально исследовать лабораторный макет комбинированного двухтрансформаторного преобразователя с обратным ключом и сравнить результаты исследований с результатами, полученными на компьютерной модели.

Объектом исследования является комбинированный

двухтрансформаторный преобразователь с обратным ключом (КДП с OK) в цепи возврата энергии и мягким включением для импульсно-дуговой технологии сварки в среде защитных газов.

Предметом исследования являются электромагнитные процессы, протекающие в комбинированном двухтрансформаторном преобразователе с обратным ключом в цепи возврата энергии в режиме мягкого включения и в

режиме формирования фронта импульса сварочного тока, а также эффективность работы преобразователя.

Научная новизна работы

1. Разработана новая схема комбинированного двухтрансформаторного преобразователя с обратным ключом, позволяющего реализовать импульсно-дуговую сварку короткой электрической дугой в среде защитных газов с высокой эффективностью.

2. Впервые предложено введение обратного ключа в комбинированный двухтрансформаторный преобразователь, позволяющее реализовать фазовое управление и мягкое включение силовых ключей и таким образом равномерно распределить нагрузку на ключи мостового инвертора и в 2 раза снизить динамические потери.

3. Предложен новый алгоритм управления КДП с ОК, позволяющий обеспечить режимы работы, необходимые для реализации процесса управляемого капельного переноса.

4. Впервые предложено введение накопительного конденсатора в КДП с регулированием напряжения на нем, позволяющее по сравнению с КДП повысить напряжение при поджиге дугового разряда до необходимого уровня, сохранить низкий уровень рабочего напряжения для реализации сварки короткой дугой, увеличить в 2 раза скорость нарастания фронта импульса сварочного тока по сравнению с КДП, а также увеличить коэффициент передачи энергии на 8,5%.

Практическая значимость диссертации

1. Предложенная компьютерная модель КДП с ОК позволяет исследовать алгоритмы формирования импульса тока, влияние емкости накопительного конденсатора на динамические характеристики преобразователя, а также работу преобразователя при мягком переключении с различными моделями транзисторных ключей.

2. Результаты работы использованы при разработке источников питания в системах с адаптивной импульсной технологией сварки.

3. Выведенное расчетное соотношение коэффициента передачи энергии в нагрузку позволяет упростить проектирование КДП для импульсно-дуговой технологии сварки.

4. Выведенное расчетное соотношение скорости нарастания фронта импульса сварочного тока позволяет повысить адекватность оценки и упростить сравнительный анализ результатов эксперимента и моделирования за счет учета дополнительных параметров, таких как напряжение на накопительном конденсаторе, динамическое сопротивление и напряжение дуги, а также индуктивность сварочного контура.

5. Разработанные методики расчета реактивных элементов резонансного контура коммутации, расчета накопительного конденсатора и нахождение граничного режима работы, при котором обеспечивается мягкое включение, позволяют упростить проектирование КДП с ОК.

6. Отдельные положения работы использованы в учебном процессе при преподавании таких дисциплин, как «Основы преобразовательной техники», «Энергетическая электроника» и «Импульсно-модуляционные системы» для студентов кафедры «Промышленная электроника».

Методы и средства исследований

Для решения поставленных задач применялись: теория электрических цепей, теория систем линейных алгебраических уравнений, методы аналитического и численного решения интегральных и дифференциальных уравнений, методы схемотехнического моделирования с использованием пакетов компьютерного моделирования МаЛаЬ/ЗтшИпк и 8\укс11\¥егСА1) / ЬТБрюе, программа инженерных и научных расчетов МаШСаё, а также методы статистической обработки полученных результатов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный комбинированный двухтрансформаторный преобразователь с обратным ключом обеспечивает реализацию импульсно-дуговой сварки короткой электрической дугой в среде защитных газов с высокой

эффективностью. Схема предложенного преобразователя является новой и защищена патентом на полезную модель.

2. Введение обратного ключа в КДП позволяет реализовать фазовое управление и мягкое включение силовых ключей и таким образом равномерно распределить нагрузку на ключи мостового инвертора, снизив в 2 раза динамические потери.

3. Предложенный алгоритм управления КДП с ОК обеспечивает реализацию всех режимов работы, необходимых для технологии сварки управляемым капельным переносом.

4. Введение накопительного конденсатора и регулирование напряжения на нем позволяет по сравнению с КДП повысить напряжение при поджиге дугового разряда до необходимого уровня, сохранить низкий уровень рабочего напряжения для реализации сварки короткой дугой, увеличить в 2 раза скорость нарастания фронта импульса сварочного тока, а также увеличить коэффициент передачи энергии в нагрузку на 8,5%.

Достоверность научных результатов подтверждается совпадением с достаточной точностью результатов аналитических расчетов с результатами математического моделирования и результатами экспериментальных исследований на лабораторном макете.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы в интеллектуальном источнике питания, созданном в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН применительно к адаптивной импульсной технологии сварки для проведения исследований быстропротекающих процессов. Также результаты работы внедрены в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники в учебный процесс и используются при проведении лабораторных работ и курсовых проектов по дисциплине «Энергетическая электроника». Результаты диссертационной работы были использованы при реализации проекта группового проектного обучения (ПрЭ-

0732 «Источник питания инверторного типа для ручной электродуговой сварки») и при подготовке выпускных квалификационных работ.

Личный вклад автора

Материалы диссертации являются обобщением работ автора, выполненных в период с 2009-го по 2013 года, и отражают его личный вклад в решаемую задачу. Основные научные результаты получены автором самостоятельно. Опубликованные работы написаны в соавторстве с руководителем и другими авторами. Совместно с научным руководителем выполнена постановка задач диссертационного исследования, анализ и обсуждение результатов теоретических и практических исследований. Автором совместно с Федотовым В.А. разработан и изготовлен экспериментальный стенд комбинированного

двухтрансформаторного преобразователя с обратным ключом и мягким включением, практические исследования на котором проведены автором сам