автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Обеспечение электромагнитной совместимости сварочных инверторов

На правах рукописи

ПИВКИН Антон Викторович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СВАРОЧНЫХ ИНВЕРТОРОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2014

11 МАЯ 2074

005548549

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва»

Научный руководитель: кандидат технических наук

Бардин Вадим Михайлович

Официальные оппоненты: Вахтша Вера Васильевна -

доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет», заведующий кафедрой «Электроснабжение и электротехника»

Менгциков Игорь Александрович -кандидат технических наук, доцент, Российская открытая академия транспорта Московского государственного университета путей сообщения, доцент кафедры «Тяговый подвижной состав»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Новосибирский

государственный технический университет»

Защита состоится «26» июня 2014 г. в 1530 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте www.sstu.ru

Автореферат разослан « 2-2~ » апреля 2014 г.

Ученый секретарь --^

диссертационного совета --Томашевский Ю.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Инверторные преобразователи электрической энергии, выполненные на тиристорах, ГСВТ- и МОБРЕТ-транзисторах, имеют широкую область использования: преобразователи частоты для электропривода, источники питания постоянного тока, установки гарантийного питания, индукционные печи, сварочные аппараты и др. Применение в инверторах принципа широтно-импульсного регулирования позволяет обеспечивать гибкость задания выходных параметров преобразователя и их стабилизацию. Устройства подобного типа имеют высокий КПД, поскольку активные элементы инвертора (в частности, МОЯБЕТ- и ЮВТ-транзисторы) работают в ключевом режиме с минимальными потерями. Однако этот режим работы при коммутации значительных токов и напряжений с частотой в десятки килогерц приводит к формированию широкого спектра гармонических составляющих, которые являются источником электрических (фидерных) и электромагнитных помех. Уровень таких помех в соответствии с действующими стандартами должен быть ограничен.

В последние два десятилетия в области сварочного приборостроения четко прослеживается тенденция перехода от громоздких трансформаторно-дроссельных аппаратов переменного и постоянного тока к малогабаритным и эффективным транзисторным инверторным сварочным аппаратам (ИСА). Абсолютное большинство представленных в настоящее время на рынке отечественных и зарубежных ИСА предназначены для сварки только на постоянном токе. Однако сегодня на кафедре радиотехники Мордовского государственного университета проводятся активные работы по созданию нового класса сварочных аппаратов -сварочных инверторов знакопеременного тока частоты ультразвукового диапазона. Результаты разрушающих испытаний нескольких партий образцов, полученных путем сварки на постоянном токе, на переменном токе промышленной частоты и на знакопеременном токе частотой 25 кГц, показали, что в последнем случае прочность соединений повышается не менее чем на 8-10 %. Однако появление ИСА переменного тока частоты 2550 кГц вызвало и новые проблемы. Одна из них - обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) таких устройств при сохранении высокого КПД. Дело в том, что ток ИСА имеет форму знакопеременных импульсов, а стабилизация и регулирование тока осуществляются путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Такая форма тока при изменении рабочей частоты и скважности импульсов приводит к формированию широкого спектра составляющих, что может стать проблемой при обеспечении требований по электромагнитной совместимости аппарата. Ситуация осложняется еще и тем, что переходные процессы, возникающие при возбуждении и обрыве сварочной дуги, существенно расширяют спектральный состав тока, вплоть до мегагерцового диапазона.

Широкий спектральный состав тока ИСА и значительный уровень его составляющих могут быть причиной работы сварочного кабеля в качестве радиопередающей антенны. Актуальным представляется вопрос о влиянии мощного высокочастотного поля трансформатора на схему управления ИСА, т.е. на обеспечение помехоустойчивости. С учетом перечисленных особенностей сварочный аппарат может рассматриваться как часть технической системы, состоящей из питающей сети переменного тока промышленной частоты, самого сварочного аппарата и окружающей среды. Поэтому в работе все научно-технические задачи рассматриваются во взаимодействии всех элементов этой системы.

Сварочные аппараты переменного тока частоты килогерцового диапазона находятся на стадии создания, поэтому пока нет достаточных данных об особенностях их работы и применения на практике. Для их признания и рыночного продвижения необходимо получить максимально полную информацию, позволяющую производителям обеспечивать высокое качество аппаратов, а потребителю - оценить их достоинства.

Цель работы. Целью данной работы является проведение комплексного исследования ИСА как части электротехнической системы, состоящей из питающей сети, сварочного инвертора знакопеременного тока повышенной частоты и окружающей среды, для выявления причин, характера и уровня электрических и электромагнитных помех. Данная информация позволяет предложить технические решения и рекомендации по обеспечению ЭМС на этапе проектирования не только конкретного сварочного инвертора, но и других инверторных преобразователей с ШИМ-регулированием тока/напряжения.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи.

1. Изучить причины возникновения электрических помех в аппарате, их уровень и спектральный состав для оценки соответствия этих показателей требованиям стандартов по ЭМС.

2. Определить спектр излучения сварочного кабеля как возможного источника электромагнитных помех, представляющих опасность для внешних технических устройств.

3. Установить количественные показатели поля излучения трансформатора сварочного аппарата для оценки возможного влияния этого поля на помехоустойчивость системы автоматики инвертора.

4. Выявить условия обеспечения максимального коэффициента полезного действия аппарата с учетом влияния факторов режима работы и требований стандартов по ЭМС.

Объектом исследования выступает транзисторный инвертор знакопеременного тока повышенной частоты.

Предметом исследования являются причины, характер и количественные характеристики генерируемых аппаратом электрических и электромагнитных помех и взаимосвязь спектрального состава тока с коэффициентом полезного действия.

Методы н средства исследований. В диссертации использованы методы компьютерного моделирования электрических схем и спектрального анализа тока полупроводниковых преобразователей электрической энергии с применением специализированной программной среды МаМаЬ. Для теоретической оценки поля в ближней зоне при обрыве дуги и для моделирования статических и низкочастотных электромагнитных полей использовались среда ЛЫЗУЯ, а также методики приборного анализа процессов в физических моделях ИСА.

Научные результаты, выносимые на защиту.

1. Предложенная компьютерная модель сварочного инвертора, отличающаяся тем, что учитывает его схемотехническое построение, особенности работы, паразитные параметры конструкции, распределенные паразитные реактивности элементов схемы и конструкции и полученная с ее помощью информация о спектральном составе возникающих в аппарате электрических (кондуктивных) помех.

2. Предложенная компьютерная модель сварочного кабеля как излучающей антенны, создающей в окружающей среде электромагнитное поле. Результаты исследования излучающей способности сварочного кабеля, полученные путем компьютерного моделирования и физического эксперимента.

3. Предложенная модель сварочного трансформатора, отличающаяся тем, что учитывает его конструктивное исполнение и технические характеристики; полученная с ее помощью информация о конфигурации поля излучения трансформатора и величине его напряженности. Результаты исследования поля излучения импульсного сварочного трансформатора сварочного инвертора.

4. Результаты исследования влияния факторов режима работы на потери в силовых элементах аппарата, позволяющие оценить зону режимов для обеспечения наибольшего коэффициента полезного действия аппарата при условии обеспечения требований по ЭМС.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием методов спектрального анализа и профессиональных пакетов прикладных программ МаНаЬ, АЫЯУЗ а также подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна состоит в разработанных компьютерных моделях инверторных преобразователей - в данном случае сварочного инвертора, полученных с их помощью ранее неизвестных данных о характере и количественных характеристиках электрических и электромагнитных помех, достоверность которых подтверждена серией физических экспериментов. В частности:

1. Выявлена взаимосвязь спектрального состава, создаваемых аппаратом кондуктивных помех с факторами режима работы (частота, скважность, длительность фронта импульсов управления), а также влияние на спектр

тока паразитных параметров элементов и конструктивных особенностей аппарата.

2. Получены ранее неизвестные сведения о характере и количественных показателях уровня электромагнитного излучения сварочного кабеля, позволившие сделать вывод об отсутствии опасности воздействия этого излучения на технические средства, расположенные не ближе одного метра от кабеля.

3. Определены количественные характеристики поля излучения силового импульсного трансформатора и степень его возможного влияния на элементы системы управления ИСА.

Полученные при исследовании конкретного сварочного инвертора результаты позволили предложить методику предварительной расчетной оценки уровня помех и его сравнения с требованиями стандартов не только для сварочных инверторов, но и для других преобразовательных устройств на силовых транзисторах с ШИМ-регулированием выходного тока/напряжения. Данная методика на этапе разработки позволяет сделать вывод о ЭМС преобразовательного устройства.

Практическая ценность диссертации. Предложенная методика компьютерного моделирования для оценки спектра и уровня кондуктивных помех позволяет еще на стадии проектирования преобразователей оценить уровень таких помех и при необходимости провести конструктивную доработку для успешного прохождения сертификационных испытаний по ЭМС.

Наличие достаточно мощного электромагнитного поля сварочного кабеля в ближней зоне дает основание для совершенствования стандартов по ЭМС с целью обеспечения безопасной работы рядом расположенной аппаратуры.

Полученная оценка поля излучения сварочного трансформатора дает основания разработчикам преобразователей с ШИМ-регулированием напряжения/тока более обоснованно принимать конструктивные решения по взаимному расположению конструктивных модулей преобразователей.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные теоретические и практические результаты диссертационной работы в части расчетной оценки уровня кондуктивных помех используются в ЗАО «Конвертор» (г. Саранск) при проектировании источников гарантированного питания на основе силовых транзисторов.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на V Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2009), на 9-й, 10-й и 11-й Всероссийских конференциях с элементами научной школы для молодежи «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2010 — 2012), Региональной научно-практической конференции «Научный потенциал молодежи -будущему Мордовии», XXXIX Огаревских чтениях, на XV и XVI Научно-

практических конференциях молодых ученых аспирантов и студентов Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева, Международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» (Одесса, 2012), X Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2012, Саратов, 2012), 12-й Международной научной конференции-школе «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Работа включает введение, четыре главы основного материала, заключение и список использованной литературы. Объем работы составляет 108 страниц, 63 иллюстрации, 10 таблиц. Список использованной литературы содержит 67 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность диссертационной работы, ее научная новизна и практическая ценность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации.

В первой главе даны краткий анализ наиболее распространенных схем транзисторных источников вторичного электропитания (ИВЭП), а также перечень причин появления электрических и электромагнитных помех в таких преобразователях. Показано, что, несмотря на то, что в основе силовой части ИСА могут лежать те же самые топологии силовых узлов, что и в ИВЭП, работа ИСА связанна с определенными особенностями, отличными от ИВЭП. Динамические свойства ИСА и переходные процессы существенно отличаются от этих же процессов в ИВЭП из-за наличия переходных режимов на участках сварочного цикла и их сочетания с установившимся квазистационарным режимом поддержания номинального тока дуги.

Проведен анализ публикаций по вопросам ЭМС статических преобразователей. Среди ученых, внесших вклад в развитие данного научного направления, следует отметить С. А. Эраносяна, В. В. Ланцова, М. Л. Волина, Г. С. Векслера, В. С. Недочетова, В. В. Пилинского, В.А. Темникова, В. И. Мелешина, В. М. Бардина, А. В. Колпакова. Результаты этого анализа позволили сделать вывод, что практически все изученные работы рассматривают процессы в импульсных ИВЭП с выходом на постоянном токе или на переменном токе частотой 50 Гц. Исследованию переходных процессов в ИСА знакопеременного тока посвящена только работа Д. А. Борисова. Не было найдено ни одной публикации, раскрывающей проблему электромагнитной совместимости инверторных сварочных аппаратов. В работе Д. А. Борисова имеется

упоминание о спектре ИСА знакопеременного тока, но спектр был оценен только качественно.

В заключительной части главы сформулированы цель и основные задачи выполняемой научной работы.

Во второй главе рассматриваются схемотехническое решение и особенности работы сварочного инвертора, созданного на кафедре радиотехники Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева. Сварочный ток такого инвертора имеет форму двухполярных импульсов с высокочастотными колебаниями на фронтах и соответственно с наличием в сварочном токе гармоник, кратных частоте следования импульсов. Обогащение гармонического состава тока и напряжения облегчает условия возбуждения и горения дуги. Кроме того, отпадает необходимость в установке в сварочном аппарате достаточно мощного и дорогостоящего силового выходного выпрямителя с высокочастотными диодами, что позволяет уменьшить общие потери, снизить стоимость и повысить КПД аппарата.

Электрическая схема сварочного аппарата приведена на рис. 1. Основными причинами генерирования электрических (кондуктивных) и электромагнитных помех в инверторных преобразователях с ШИМ-регулированием являются коммутационные процессы в силовых цепях, обусловленные ключевым характером работы активных элементов и вызванные ими электрические колебания в многочисленных колебательных контурах, образованных как конструктивными, так и паразитными элементами схемы.

Рис. 1. Упрощенная схема инверторного сварочного аппарата знакопеременного тока

Приведена эквивалентная схема ИСА знакопеременного тока с учетом паразитных параметров элементов схемы, рассмотрена работа схемы и отдельных ее компонентов с точки зрения возникновения электромагнитных помех. На основе этой схемы с целью оценки уровня и спектрального состава кондуктивных помех была построена модель ИСА в пакете МаЙаЬ 8ушРошег8у51еш (рис. 2).

Рис. 2. Модель ИСА знакопеременного тока в среде Matlab SymPower System

В модель были введены следующие параметры и элементы, участвующие в формировании кондуктивных помех:

- сопротивление VT1—VT4 во включенном состоянии;

- индуктивность VT1-VT4 во включенном состоянии;

- сопротивление и емкость демпфирующей цепи VT1—VT4-,

- номинальная частота трансформатора 77;

- индуктивность выводов входных конденсаторов, распределенная индуктивность силовых шин и силовых проводников L1;

- паразитные емкости трансформатора 77 (С2-С6);

- емкость Сп — паразитная емкость между землей и токоведущими частями, через которую распространяются кондуктивные помехи.

Предложенная компьютерная модель сварочного инвертора позволила получить информацию о спектральном составе входного и выходного токов, зависимости спектра от факторов режима работы (частота, скважность) и другие сведения, полезные на этапе проектирования устройств с ШИМ-регулированием.

В третьей главе приведены полученные путем компьютерного моделирования и физического эксперимента результаты исследования электромагнитных помех, как распространяющихся по фидерам, так и излучаемые в эфир. Исследовано влияние на ширину спектра длительности фронтов отпирающих импульсов. Показано, что установка выходного дросселя существенно сужает выходной спектр ИСА, но несколько снижает КПД.

Основной причиной появления помех в сетевом фидере являются кондуктивные помехи, создаваемые ИСА. На рис. 3 приведена временная диаграмма кондуктивной помехи, полученная в компьютерной модели при частоте 25 кГц и скважности импульсов, равной 4.

5 9 10

/, с-10'*

Рис. 3. Временная диаграмма напряжения кондуктивной помехи На рис. 4. приведена спектрограмма напряжения кондуктивной помехи.

по юс

50

и оБикВ ^ ->0 -100

Рис. 4. Спектрограмма напряжения кондуктивной помехи

Кондуктивные помехи должны иметь значения, не превышающие величин, указанных в ГОСТ Р 51526-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование для дуговой сварки. Требования и методы испытаний». Из ГОСТ следует, что в полосе частот 0,5-5 МГц напряжение кондуктивных помех не должно превышать 73 дБмкВ. А из результатов моделирования следует, что напряжение кондуктивной помехи достигает в данной полосе частот 150 дБмкВ, что является недопустимым, и поэтому аппарат должен быть доработан. С целью проверки адекватности результатов компьютерного моделирования реальным значениям были проведены измерения уровня кондуктивных помех на физическом образце ИСА в соответствии с ГОСТ Р 51526-99 Результаты измерений напряжения кондуктивной помехи приведены на рис. 5.

На рис. 5 толстой линией отмечен допустимый уровень кондуктивных помех в соответствии с нормами ГОСТ. Из рисунка следует, что в диапазоне частот 500 кГц - 4 МГц наблюдается превышение измеренных среднеквадратичных значений кондуктивной помехи над нормами ГОСТ. Следовательно, испытуемый аппарат не соответствует требованиям стандарта по ЭМС и должен быть доработан.

Для снижения уровня кондуктивных помех на входе ИСА был включен помехоподавляющий фильтр ROXBURGH РСЗ-15Р. В результате повторных измерений были получены результаты, удовлетворяющие требованиям ГОСТ (рис. 6).

0.04 0,02 U, В о -0.02 -0.04

OS 1 2 3 -I 5 6 ~

f.itTu

Рис. 5. Спектральный состав напряжения кондуктивной помехи на входе ИСА при нагрузке 0,3 Ом и токе 150 А (верхняя спектрограмма - пиковое значение, нижняя - среднеквадратичное значение)

Поскольку наблюдается хорошее сходство спектрального состава тока кондуктивной помехи, полученного на компьютерной модели и на реальном аппарате, результаты проведенных исследований позволяют полагать, что использование компьютерных моделей преобразовательных устройств дает возможность еще на стадии проектирования оценивать степень их соответствия требованиям стандартов по ЭМС.

Рис. 6. Спектральный состав напряжения кондуктивной помехи на входе ИСА при нагрузке 0,3 Ом и токе 150 А (верхняя спектрограмма -пиковое значение, нижняя - среднеквадратичное значение) с фильтром ROXBURGH РСЗ-15Р

При работе сварочного аппарата через сварочный кабель протекают значительные токи и ширина их спектрального состава достигает 400-500 кГц. В момент обрыва дуги появляется спектр тока на частотах 4±0,1 МГц (рис. 7).

Рис. 7. Спектральный состав тока при обрыве дуги

Такой спектральный состав тока, протекающего через кабель, позволяет рассматривать его как излучающую антенну, генерирующую в пространство электромагнитную энергию. При оценке пространственной напряженности электромагнитного поля принято рассматривать две зоны пространства - дальнюю и ближнюю. Напряженность поля излучения сильно зависит от соотношения длины антенны и длины генерируемой волны источника. Максимальная мощность излучения достигается при условии равенства длины антенны длине волны Ь = Я. Поскольку в рассматриваемом случае длина кабеля Ь составляет всего несколько метров, что существенно меньше длины волны, то можно полагать, что напряженность поля в дальней зоне будет весьма незначительной и может не фиксироваться приборами. Но в ближней зоне на расстоянии от нескольких десятков сантиметров до нескольких метров уровень излучения может быть весьма значительным и представлять опасность для близкорасположенной электронной аппаратуры и для сварщика. Поэтому был изучен вопрос о величине напряженности поля сварочного кабеля только в ближней зоне.

На рис. 8 представлена структура системы, состоящей из источника сварочного тока, имеющего форму знакопеременных импульсов с изменяющейся скважностью и амплитудой 160 А, и двухпроводного сварочного кабеля длиной Ь равной 2,6 м. В данной задаче излучающей антенной будет является рамка сложной формы одна часть которой образована электродом и держателем электрода, другая сварочным аппаратом и кабелем. Со стороны электрода рамка замыкается сварочной

дугой. С помощью такой модели можно оценить значения векторов Ей И электромагнитного поля рамки.

~ 220 0—

ИСА

знакопеременного тока

I.

Рис. 8. ИСА знакопеременного тока совместно со сварочным кабелем. Ь - длина сварочного кабеля

Для теоретической оценки поля рамочной антенны в ближней зоне при обрыве дуги был использован программный пакет А№У8. Виртуальная геометрическая модель рамочной антенны в программе АНЗУЭ представлена на рис. 9.

Оценка напряженности электрического поля с учетом угла (р и длины / была проведена в прямоугольной системе координат для момента обрыва дуги и в режиме горения. Результаты приведены на рис. 10 и рис. 11

Из рис. 10 видно, что наибольшее значение напряженности электрического поля в ближней зоне равно 451 В/м (173 дБмкВ/м). Во втором случае значение напряженности составляет 200 В/м (166 дБмкВ/м).

Для экспериментальной оценки поля сварочного кабеля инверторного сварочного аппарата знакопеременного тока были произведены непосредственные измерения на физическом макете сварочного аппарата с кабелем длиной 3 м при максимальном значении сварочного тока 160 А и нагрузке 0,3 Ом на расстоянии 0,1 м от поверхности кабеля.

Антеш

Рис. 9. Модель рамочной антенны в программе

Рис. 10. График зависимости напряженности электрического поля Е в ближней зоне при обрыве дуги от / и ¡р

О (!..< 0,6 (1,9 1.2 1и1.5 ЬУ 2.1 2.3 2

Рис. 11. График зависимости напряженности электрического поля Е в ближней зоне в режиме горения дуги от / и <р

Измерение электромагнитного поля, создаваемого сварочным кабелем осуществлялось с помощью измерителя электромагнитного поля АКТАКОМ АТТ-8509 с широким частотным диапазоном. Измерения проводились в трех точках сварочного кабеля:

1) около зажимов сварочного аппарата;

2) в середине сварочного кабеля;

3) около зажимов нагрузки.

В результате измерений были получены следующие значения напряженности электрического поля:

1) около зажимов сварочного аппарата 100 В/м (160 дБмкВ/м);

2) в середине сварочного кабеля 272 В/м (168 дБмкВ/м);

3) около зажимов нагрузки 200 В/м (166 дБмкВ/м).

Эти значения расходятся с расчетными, полученными для режима горения дуги (см. рис. 11) не более чем на 10 %. В соответствии с действующим ГОСТ Р 51318.11-99 «Совместимость технических средств электромагнитная. Радиопомехи индустриальные от промышленных, научных медицинских и бытовых устройств. Нормы и методы испытаний» измерения должны проводиться на расстоянии не менее 10 м от источника помех. На данном расстоянии прибор АКТАКОМ АТТ-8509 не фиксировал значений напряженности электромагнитного поля. Фиксация значений начиналась только на расстоянии, равном 1 м и ближе. Следовательно, излучение сварочного кабеля в дальней зоне не представляет опасности с учетом требований ГОСТа. Но в то же время непосредственно около сварочного кабеля напряженность поля имеет весьма большие значения (451 В/м при обрыве дуги и 272 В/м при ее горении). Такие значения напряженности поля могут оказывать негативное влияние на работу близкорасположенной электронной техники и, возможно, на организм человека. Но этот вопрос относится к сфере медицины.

В сварочном инверторе, кроме силовых узлов (сварочного трансформатора, транзисторных модулей), имеется еще и достаточно

сложная система управления, выполненная на элементах слаботочной электроники. Возникает закономерный вопрос: не будет ли проявляться негативное влияние силовых элементов на слаботочные, т.е. будет ли обеспечен необходимый уровень помехоустойчивости системы автоматики аппарата? В рассматриваемом сварочном инверторе используется тороидальный импульсный трансформатор. Магнитное поле такого трансформатора будет полностью сосредоточено внутри тороида и не будет излучаться в окружающее пространство. Поэтому опасность для слаботочных цепей может представлять только электрическое поле трансформатора. Задача решалась методами компьютерного моделирования и физического эксперимента. Компьютерная модель тороидального трансформатора строилась в программе АК8У8 (рис. 12).

Рис. 12. Геометрическая модель сварочного трансформатора

В данной модели были учтены размеры сердечника сварочного трансформатора, геометрические параметры обмоток и число их витков, электрические параметры, и свойства материалов. В результате получена картина поля, представленная на рис. 13 и 14.

Из рис. 13 и 14 следует, что максимальное значение электрического поля равно 105 дБмкВ/м. На расстоянии 5 см от середины сечения тора значение поля падает до 95 дБмкВ/м.

Для экспериментальной оценки поля сварочного трансформатора были произведены непосредственные измерения на физическом макете трансформатора сварочного инвертора при максимальном значении сварочного тока 160 А и нагрузке 0,3 Ом на равноудаленном расстоянии 0,03 м от поверхности трансформатора. Измерение напряженности электрического поля, создаваемого сварочным трансформатором, осуществлялось с помощью измерителя электромагнитного поля АКТАКОМ АТТ-8509. Результаты приведены на рис. 15 и 16. Картина поля, полученная путем моделирования и измеренная на реальном тороидальном трансформаторе, хорошо совпадают между собой. Их количественные значения расходятся не более чем на 10 %.

Рис. 13. Поле £ тороидального трансформатора в ближней зоне в плоскости

Рис. 14. Поле £ тороидального трансформатора в ближней зоне в плоскости ХУ

2 и и .грею

Рис. 15. Измеренное значение напряженности электрического поля в ближней зоне в плоскости Х2 в полярной системе координат

2~0 а.грао

Рис. 16. Измеренное значение напряженности электрического поля в ближней зоне в плоскости ЛТ в полярной системе координат

На основании проведенных исследований сделан вывод, что поле трансформатора в дальней зоне не представляет никакой опасности. Однако близко к поверхности трансформатора напряженность электрического поля велика. Это следует учитывать при конструировании аппаратов, чтобы поле не влияло на работу узлов системы управления.

В четвертой главе исследуется взаимосвязь КПД и спектрального состава тока ИСА. Для анализа цепочки потерь на модели ИСА были оценены мощность на входе аппарата, потери в транзисторном модуле, силовом трансформаторе и выходном дросселе. В качестве варьируемых факторов влияния были выбраны рабочая частота, скважность импульсов тока, длительность фронтов отпирающих импульсов. Если подходить к проблеме с позиции энергосбережения, то желательно определить, какой режим работы преобразователя позволяет обеспечить максимальный КПД при условии удовлетворения требований стандартов по ЭМС. В работе приведено решение данной оптимизационной задачи в системе двух факторов режима: рабочей частоты и скважности импульсов тока. В качестве критерия оптимальности был выбран минимум потерь в силовых элементах инвертора. Результаты расчета приведены на рис. 17, 18.

Наложение двух зон с минимальными потерями позволило получить зону оптимальных КПД для ИСА. Данная зона находится в диапазоне рабочих частот 25-35 кГц при скважности 2-4.

Было проверено соответствие уровня помех в этой зоне требованиям ГОСТ. Спектр и энергетический уровень кондуктивных помех были приведены ранее в гл. 3. Был сделан вывод, что для данной оптимальной зоны режимов и величины тока 150 А требования по ЭМС удовлетворяются.

Ррпсс

-О № М ?0 60 Г. кГц

.<0 Л) 61)

Г. кГц

Рис. 17. Зависимость потерь на транзисторах от частоты

и скважности

Рис. 18. Зависимость потерь в трансформаторе от частоты и скважности

Полученные при исследовании конкретного сварочного инвертора результаты позволили предложить методику предварительной расчетной оценки уровня помех и его сравнения с требованиями стандартов не только для сварочных инверторов, но и для других преобразовательных устройств на силовых транзисторах с ШИМ-регулированием выходного тока/напряжения. Предложенная методика позволяет снизить риск получения отрицательных результатов при сертификации аппарата по ЭМС.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана компьютерная модель сварочного инвертора, учитывающая его схемотехническое построение, особенности работы, распределенные паразитные реактивности элементов схемы и конструкции аппарата. Модель позволила провести ряд виртуальных экспериментов для оценки характера, уровня и спектрального состава возникающих при работе аппарата электрических (кондуктивных) помех. Результаты этих экспериментов были проверены инструментально на действующем образце сварочного инвертора. Расхождение полученных результатов не превышает 15 %. Было выявлено, что в зоне частот спектра от 0,5 до 4 МГц уровень спектральных составляющих кондуктивной помехи превышает требования стандартов по ЭМС. Путем установки на входе инвертора сетевого фильтра требования стандартов по ЭМС были удовлетворены.

2. Для исследования спектрального состава и оценки уровня напряженности электромагнитного поля, создаваемого сварочным кабелем при работе аппарата, была предложена соответствующая компьютерная модель и проведена серия виртуальных экспериментов. Результаты этих экспериментов были подтверждены инструментальными измерениями на физическом образце. Расхождения в расчетных и экспериментальных (приборных) результатах не превышают 17 %. Выявлено, что в ближней зоне (до 1 м от кабеля) напряженность электромагнитного поля имеет значительную величину (451 В/м при обрыве дуги и 272 В/м при ее горении) и может представлять опасность для близкорасположенной аппаратуры. В дальней зоне (более 10 м от кабеля) излучение для технических объектов опасности не представляет.

3. Для оценки помеховой обстановки внутри корпуса сварочного инвертора была предложена компьютерная модель силового импульсного трансформатора, с помощью которой было исследовано его поле излучения. Конфигурация и количественные характеристики поля подтверждены инструментально при испытаниях физического образца трансформатора. Расхождения в результатах находятся в пределах 10 %. Пространственная конфигурация электрического поля трансформатора и величина его напряженности позволяют сформулировать рекомендации по пространственному расположению трансформатора и слаботочных узлов системы управления сварочного инвертора.

4. Поскольку на величину коэффициента полезного действия сварочного инвертора влияют такие факторы, как рабочая частота и скважность импульсов тока, путем компьютерного моделирования была определена наилучшая по критерию КПД зона рабочих режимов при одновременном обеспечении требований по ЭМС. Такой зоной с учетом примененных силовых транзисторов следует считать частоту 25-35 кГц.

5. Проведенные с использованием методик компьютерного моделирования комплексные исследования проблемы электромагнитной совместимости инверторного источника знакопеременного сварочного тока позволили сделать вывод о высокой эффективности такого подхода, позволяющего существенно сократить время на получение необходимой на этапе проектирования информации. В работе приведены методические рекомендации, позволяющие на ранней стадии создания преобразовательной техники дать предварительную оценку уровня и спектрального состава возможных помех и тем самым повысить вероятность успешного прохождения сертификационных испытаний аппаратов на электромагнитную совместимость.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах: В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Пивкин, А. В. Спектральный состав знакопеременного тока сварочного инвертора / А. В. Земсков, А. В. Пивкин // Известия высших учебных заведений. -Поволжский регион. Технические науки. - 2012. -№ 1. - С. 97-104.

2. Пивкин, А. В. Новый класс сварочных инверторов / В. М. Бардин, Д. А. Борисов, А. В. Земсков, А. В. Пивкин // Электротехника. - 2012. - № 6. - С. 60-64.

3. Пивкин, А. В. Излучающая способность сварочного кабеля / В. М. Бардин, А. В. Пивкин // Практическая силовая электроника. - 2013. -№ 1 (49). - С. 45-48.

4. Пивкин, А. В. Поле излучения импульсного трансформатора / В. М. Бардин,

A. В. Пивкин // Практическая силовая электроника. - 2013. - № 3 (51). - С. 45-47.

В других изданиях

5. Пивкин, А. В. Гармонический состав тока сварочного инвертора / А. В. Пивкин // Научный потенциал молодежи - будущему Мордовии: материалы итоговой региональной научно-практической конференции. Естественные и технические науки. -Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2009. - С. 97.

6. Пивкин, А. В. Спектральный состав тока инверторных сварочных аппаратов /

B. М. Бардин, Д. А. Борисов, А. В. Пивкин // Электроника и информационные технологии. -2009. - Спец. вып. (6). - URL: http://fetmag.mrsu.ru/2009-2/pdf/spectral_composition_of_ current.pdf. Зарегистрировано 12.01.2010 под номером 0420900067/0048.

7. Пивкин, А. В. Электрические модели сварочной дуги / В. М. Бардин, А. В. Пивкин // Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение : сборник трудов 9-й Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2010. - С. 162.

8. Пивкин, А. В. Компьютерные модели сварочной дуги / В. М. Бардин, А. В. Пивкин // XXXIX Огаревские чтения. Материалы научной конференции : в 3 ч. Ч.2: Естественные науки. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2011. - Ч. 2. - С. 137.

9. Пивкин, А. В. Спектральный состав тока источника для сварки на переменном токе высокой частоты / В. М. Бардин, А. В. Пивкин // Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение: сборник трудов 10-й Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. -Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2011. - С. 160.

10. Пивкин, А. В. Спектральный способ оценки КПД сварочного инвертора / В. М. Бардин, Д. А. Борисов, А. В. Пивкин // Электроника и информационные технологии. -2012. - Вып. 1 (12). - URL: http://fetmag.mrsu.ru/2012-l/pdf/Bardin%20 Borisov%20Pivkin.pdf. Зарегистрировано 04.09.2012 под номером 0421200067/0001.

11. Пивкин, А. В. Зависимость КПД сварочного инвертора от характеристик тока / В. М. Бардин, А. В. Пивкин // Силовая электроника. - 2012. № 4. - С. 32-34.

12. Пивкин, А. В. Спектральный состав тока и КПД сварочного инвертора / В. М. Бардин, А. В. Пивкин // Актуальные проблемы электронного приборостроения. АПЭП-2012. Материалы 10-й юбилейной Международной научно-технической конференции, - Саратов, 2012.-С. 317-322.

13. Пивкин, А. В. Виртуальная проверка электрических аппаратов на электромагнитную совместимость / В. М. Бардин, А. В. Пивкин // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2012: материалы Международной научно-практической конференции. - Одесса, 2012. -Вып. 3,Т. 11.-С. 3-6.

14. Пивкин, А. В. Излучающая способность сварочного кабеля / В. М. Бардин, А. В. Пивкин // Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение : сборник трудов 11-й Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2012. - С. 152.

15. Пивкин, А. В. Кондуктивные помехи в инверторном сварочном аппарате знакопеременного тока высокой частоты / В. М. Бардин, А. В. Пивкин // Силовая электроника. - 2012. - № 6. - С. ! 8-20.

16. Пивкин, А. В. Оптимизация КПД сварочного аппарата знакопеременного тока по критерию ЭМС / В. М. Бардин, А. В. Пивкин // Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение : сборник трудов 12-й Международной научной конференции-школы. - Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2013.-С. 187.

17. Пивкин, А. В. Оптимизация инверторного источника знакопеременного тока повышенной частоты по критерию КПД / В. М. Бардин, А. В. Пивкин // Силовая электроника. - 2013. - № 6. - С. 64-67.

Подписано в печать 17.04.14 Формат 60^84 1/16

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

Тираж 100 экз. Заказ 65 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ni

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.

На правах рукописи

04201 459359

ПИВКИН Антон Викторович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СВАРОЧНЫХ ИНВЕРТОРОВ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук В. М. Бардин

Саратов 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение........................................................................................................... 4

Глава 1. Проблемы обеспечения электромагнитной совместимости

статических преобразователей с импульсным регулированием 12

1.0. Введение....................................................................... 12

1.1. Инверторные преобразователи электрической энергии

с широтно-импульсным регулированием.................. 12

1.2. Виды, классификация и причины появления помех в инверторных преобразователях.............................. 18

1.3. Требования по обеспечению электромагнитной совместимости преобразовательных устройств.......... 24

1.4. Цель диссертации и постановка задачи....................... 29

Глава 2. Источники, причины и характер электрических и

электромагнитных помех в сварочном инверторе знакопеременного тока 30

2.0. Введение.......................................................... 30

2.1. Инверторный сварочный аппарат знакопеременного тока 30

2.2. Причины, источники и характер помех в инверторном сварочном аппарате знакопеременного тока.............. 32

2.3. Компьютерная модель сварочного инвертора............ 39

2.4. Выводы............................................................ 43

Глава 3. Теоретическое и экспериментальное исследование помех в

инверторном сварочном аппарате..................................... 45

3.0. Введение.......................................................... 45

3.1. Спектральный состав тока ИСА и его зависимость от элементов схемы и режима работы.......................... 45

3.2. Кондуктивные помехи и их исследование................. 54

3.3. Излучающая способность сварочного кабеля............. 61

3.4. Излучающая способность сварочного трансформатора 69

3.5. Выводы............................................................................................................................................................76

Глава 4. Коэффициент полезного действия ИСА и его связь со

спектральным составом тока......................................................................................79

4.0. Введение....................................................................................................................79

4.1. Зависимость КПД от факторов режима и конструктивных элементов ИСА........................................................79

4.2. Оптимизация КПД по критерию ЭМС..........................................87

4.3. Методические рекомендации по расчетной оценки ЭМС инверторных источников тока................................................91

4.4. Выводы........................................................................................................................96

Заключение............................................................................................................................................................................................................98

Список сокращений и условных обозначений............................................................................................103

Библиографический список использованной литературы....................................................104

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Инверторные преобразователи электрической энергии, выполненные на тиристорах, ЮВТ- и МОЭРЕТ- транзисторах, имеют широкую область использования: преобразователи частоты для электропривода, источники питания постоянного тока, установки гарантийного питания, индукционные печи, сварочные аппараты и др. Применение в инверторах принципа широтно-импульсного регулирования позволяет обеспечивать гибкость задания выходных параметров преобразователя и их стабилизацию. Устройства подобного типа имеют высокий КПД, поскольку активные элементы инвертора (в частности, МОБРЕТ- и ЮВТ- транзисторы) работают в ключевом режиме с минимальными потерями. Однако этот режим работы при коммутации значительных токов и напряжений с частотой в десятки килогерц приводит к формированию широкого спектра гармонических составляющих, которые являются источником электрических (фидерных) и электромагнитных помех. Уровень таких помех в соответствии с действующими стандартами должен быть ограничен.

В последние два десятилетия в области сварочного приборостроения четко прослеживается тенденция перехода от громоздких трансформаторно-дроссельных аппаратов переменного и постоянного тока к малогабаритным и эффективным транзисторным инверторным сварочным аппаратам (ИСА). Абсолютное большинство представленных в настоящее время на рынке отечественных и зарубежных ИСА предназначены для сварки только на постоянном токе. Однако сегодня на кафедре радиотехники Мордовского государственного университета, проводятся активные работы по созданию нового класса сварочных аппаратов - сварочных инверторов знакопеременного тока частоты ультразвукового диапазона. Результаты разрушающих испытаний нескольких партий образцов, полученных путем сварки на постоянном токе, на переменном токе промышленной частоты и на знакопеременном токе частотой 25 кГц показали, что в последнем случае прочность соединений повышается не

менее чем на 8-10 %. Однако появление ИСА переменного тока частоты 25-50 кГц вызвало и новые проблемы. Одна из них - обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) таких устройств при сохранении высокого КПД. Дело в том, что ток ИСА имеет форму знакопеременных импульсов, а стабилизация и регулирование тока осуществляются путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Такая форма тока при изменении рабочей частоты и скважности импульсов приводит к формированию широкого спектра составляющих, что может стать проблемой при обеспечении требований по электромагнитной совместимости аппарата. Ситуация осложняется еще и тем, что переходные процессы, возникающие при возбуждении и обрыве сварочной дуги, существенно расширяют спектральный состав тока, вплоть до мегагерцового диапазона.

Широкий спектральный состав тока ИСА и значительный уровень его составляющих могут быть причиной работы сварочного кабеля в качестве радиопередающей антенны. Актуальным представляется вопрос о влиянии мощного высокочастотного поля трансформатора на схему управления ИСА, т.е. на обеспечение помехоустойчивости. С учетом перечисленных особенностей сварочный аппарат может рассматриваться как часть технической системы, состоящей из питающей сети переменного тока промышленной частоты, самого сварочного аппарата и окружающей среды. Поэтому в работе все научно-технические задачи рассматриваются во взаимодействии всех элементов этой системы.

Сварочные аппараты переменного тока частоты килогерцового диапазона находятся на стадии создания, поэтому пока нет достаточных данных об особенностях их работы и применения на практике. Для их признания и рыночного продвижения необходимо получить максимально полную информацию, позволяющую производителям обеспечивать высокое качество аппаратов, а потребителю - оценить их достоинства.

Цель работы. Целью данной работы является проведение комплексного исследования ИСА как части электротехнической системы, состоящей из

питающей сети, сварочного инвертора знакопеременного тока повышенной частоты и окружающей среды, для выявления причин, характера и уровня электрических и электромагнитных помех. Данная информация позволяет предложить технические решения и рекомендации по обеспечению ЭМС на этапе проектирования не только конкретного сварочного инвертора, но и других инверторных преобразователей с ШИМ-регулированием тока/напряжения.

Для достижения этой цели потребовалось решить следующие задачи.

1. Изучить причины возникновения электрических помех в аппарате, их уровень и спектральный состав для оценки соответствия этих показателей требованиям стандартов по ЭМС.

2. Определить спектр излучения сварочного кабеля как возможного источника электромагнитных помех, представляющих опасность для внешних технических устройств.

3. Установить количественные показатели поля излучения трансформатора сварочного аппарата для оценки возможного влияния этого поля на помехоустойчивость системы автоматики инвертора.

4. Выявить условия обеспечения максимального коэффициента полезного действия аппарата с учетом влияния факторов режима работы и требований стандартов по ЭМС.

Объектом исследования выступает транзисторный инвертор знакопеременного тока повышенной частоты.

Предметом исследования являются причины, характер и количественные характеристики генерируемых аппаратом электрических и электромагнитных помех и взаимосвязь спектрального состава тока с коэффициентом полезного действия.

Методы и средства исследований. В диссертации использованы методы компьютерного моделирования электрических схем и спектрального анализа тока полупроводниковых преобразователей электрической энергии с применением специализированной программной среды МайаЬ. Для

теоретической оценки поля в ближней зоне при обрыве дуги и для моделирования статических и низкочастотных электромагнитных полей использовались среда А^УБ, а также методики приборного анализа процессов в физических моделях ИСА.

Научные результаты, выносимые на защиту.

1. Предложенная компьютерная модель сварочного инвертора, отличающаяся тем, что учитывает его схемотехническое построение, особенности работы, паразитные параметры конструкции, распределенные паразитные реактивности элементов схемы и конструкции и полученная с ее помощью информация о спектральном составе возникающих в аппарате электрических (кондуктивных) помех.

2. Предложенная компьютерная модель сварочного кабеля как излучающей антенны, создающей в окружающей среде электромагнитное поле. Результаты исследования излучающей способности сварочного кабеля, полученные путем компьютерного моделирования и физического эксперимента.

3. Предложенная модель сварочного трансформатора, отличающаяся тем, что учитывает его конструктивное исполнение и технические характеристики; полученная с ее помощью информация о конфигурации поля излучения трансформатора и величине его напряженности. Результаты исследования поля излучения импульсного сварочного трансформатора сварочного инвертора.

4. Результаты исследования влияния факторов режима работы на потери в силовых элементах аппарата, позволяющие оценить зону режимов для обеспечения наибольшего коэффициента полезного действия аппарата при условии обеспечения требований по ЭМС.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием методов спектрального анализа и профессиональных пакетов прикладных программ Ма^аЬ, АЫБУБ а также подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна состоит в разработанных компьютерных моделях

инверторных преобразователей - в данном случае сварочного инвертора, полученных с их помощью ранее неизвестных данных о характере и количественных характеристиках электрических и электромагнитных помех, достоверность которых подтверждена серией физических экспериментов. В частности:

1. Выявлена взаимосвязь спектрального состава, создаваемых аппаратом кондуктивных помех с факторами режима работы (частота, скважность, длительность фронта импульсов управления), а также влияние на спектр тока на спектр тока паразитных параметров элементов и конструктивных особенностей аппарата.

2. Получены ранее неизвестные сведения о характере и количественных показателях уровня электромагнитного излучения сварочного кабеля, позволившие сделать вывод об отсутствии опасности воздействия этого излучения на технические средства расположенные не ближе одного метра от кабеля.

3. Определены количественные характеристики поля излучения силового импульсного трансформатора и степень его возможного влияния на элементы системы управления ИСА.

Полученные при исследовании конкретного сварочного инвертора результаты позволили предложить методику предварительной расчетной оценки уровня помех и его сравнения с требованиями стандартов не только для сварочных инверторов, но и для других преобразовательных устройств на силовых транзисторах с ШИМ-регулированием выходного тока/напряжения. Данная методика на этапе разработки позволяет сделать вывод о ЭМС преобразовательного устройства

Практическая ценность диссертации. Предложенная методика компьютерного моделирования для оценки спектра и уровня кондуктивных помех позволяет еще на стадии проектирования преобразователей оценить уровень таких помех и при необходимости провести конструктивную доработку для успешного прохождения сертификационных испытаний по ЭМС.

Наличие достаточно мощного электромагнитного поля сварочного кабеля в ближней зоне дает основание для совершенствования стандартов по ЭМС с целью обеспечения безопасной работы рядом расположенной аппаратуры.

Полученная оценка поля излучения сварочного трансформатора дает основания разработчикам преобразователей с ШИМ-регулированием напряжения/тока более обоснованно принимать конструктивные решения по взаимному расположению конструктивных модулей преобразователей.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные теоретические и практические результаты диссертационной работы в части расчетной оценки уровня кондуктивных помех используются в ЗАО «Конвертор» (г. Саранск) при проектировании источников гарантированного питания на основе силовых транзисторов.

Апробация работы. Результаты работы были представлены на V Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск 2009), на 9-й, 10-й и 11-й Всероссийских конференциях с элементами научной школы для молодежи «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск 2010 - 2012), Региональной научно-практической конференции «Научный потенциал молодежи - будущему Мордовии», XXXIX Огаревских чтениях, на XV и XVI Научно-практических конференциях молодых ученых аспирантов и студентов Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева, Международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» (Одесса, 2012), X Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (АПЭП-2012, Саратов, 2012), 12-й Международной научной конференции-школе «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, в том

числе 4 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 110 страниц, 63 иллюстрации, 10 таблиц. Список использованной литературы содержит 67 наименований.

Содержание диссертации

Во введении описано состояние проблемы и обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи, решаемые в диссертационной работе, методики исследования, научная новизна, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе даны краткий анализ наиболее распространенных схем транзисторных источников вторичного электропитания, а также перечень причин появления электрических помех в таких преобразователях. Приведена краткая классификация таких помех и требования стандартов по ограничению их величины.

Проведен анализ публикаций по вопросам ЭМС статических преобразователей. Среди ученых, внесших вклад в развитие данного научного направления, следует отметить С. А. Эраносяна, В. В. Ланцова, М. Л. Волина, Г. С. Векслера, В. С. Недочетова, В. В. Пилинского, В.А. Темникова, В. И. Мелешина, В. М. Бардина, А. В. Колпакова. Результаты этого анализа позволили сделать вывод, что практически все изученные работы рассматривают процессы в импульсных ИВЭП с выходом на постоянном токе или на переменном токе частотой 50 Гц. Исследованию переходных процессов в ИСА знакопеременного тока посвящена только работа Д. А. Борисова. Не было найдено ни одной публикации, раскрывающей проблему электромагнитной совместимости инверторных сварочных аппаратов. В работе Д. А. Борисова имеется упоминание о спектре ИСА знакопеременного тока, но спектр был оценен только качественно.

В заключительной части главы сформулированы цель и основные задачи выполняемой научной работы.

Во второй главе с учетом электрической схемы сварочного инвертора предложена его эквивалентная схема с указанием паразитных параметров, которые могут оказывать влияние на характер и величину электрических помех, генерируемых аппаратом. На основании этой схемы построена компьютерная модель инвертора для исследования возникающих в нем помех с учетом факторов режима.

В третьей главе прив