автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности электротехнического комплекса "контактная сварочная машина - электрическая сеть"

005008766

На правах рукописи

Глибин Евгений Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА «КОНТАКТНАЯ СВАРОЧНАЯ МАШИНА - ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СЕТЬ»

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ФЕВ 2012

Самара - 2012

005008766

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тольяттиский государственный университет» на кафедре «Промышленная электроника».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Шевцов Александр Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кузнецов Анатолий Викторович

кандидат технических наук, доцент Салтыков Александр Валентинович

Ведущая организация: Нижегородский государственный техниче-

ский университет

Защита диссертации состоится «21» февраля 2012 г. в 10 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, Первомайская ул., 18, корпус № 1 ауд. 4а (учебный центр СамГТУ - Электрощит).

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус, Самарский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; факс: (846) 278-44-00, e-mail: aleksbazarov@yandex.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18)

Автореферат разослан « » января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04

л____^

А.А. Базаров

д.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оборудование для контактной сварки имеет ведущие позиции на рынке сварочного оборудования после дуговой сварки, около 30% общего объема сварных конструкций в мире производится с помощью контактных сварочных машин. В материалах семинаров и конференций, проводившихся в последние годы в различных странах, показано, что в ближайшем будущем доля контактной сварки в машиностроительном производстве возрастет.

Проблема повышения энергетических показателей электротехнического комплекса «Контактная сварочная машина - электрическая сеть» в большей степени зависит от мощных сварочных машин, которая решается с помощью разработки более совершенных питающих преобразователей электрической энергии, обеспечивающих повышение коэффициента полезного действия и коэффициента мощности.

Известно, что во время работы контактных сварочных машин возникают искажения потребляемого тока и питающего сетевого напряжения. Кратковременные выбросы и провалы питающего напряжения во время контактной сварки негативно сказываются на работе электронно-вычислительной, измерительной аппаратуры, беспроводных каналов связи и приводят к высокой вероятности экономического ущерба из-за нарушения нормальной работы указанных видов аппаратуры.

Повышение требований к энергетической эффективности электротехно-логического оборудования, вызванное повышением цен на электрическую энергию, усиливают интерес к энергосберегающим технологиям, в частности к компенсации неактивных составляющих полной мощности.

Вопросам энергосбережения в области контактной сварки как электротехнического комплекса и применения полупроводниковых преобразователей для компенсации неактивных составляющих полной мощности посвящено много работ отечественных и зарубежных исследователей: Агунова М.В., Вагина Г.Я., Дроу A. (Draou А.), Маевского О.А., Матуры P.M., Патела Х.С. (Patel

H.S.), Тахри A. (Tahri А.), Хофта Р. Г. (Hoft R.G.) и других. Объясняется это, в первую очередь, сложностью энергетических процессов, протекающих в цепях с несинусоидальными токами, имеющих нелинейный или параметрический характер, а также особенностями работы статических компенсирующих устройств. От точности и быстродействия работы компенсаторов зависит эффективность компенсации неактивных составляющих мощности в целом. Однако, все эти достижения не обеспечивают повышения энергетических показателей до необходимого уровня, требуется поиск новых решений, с этой точки зрения работа является актуальной.

Цель работы заключается в совершенствовании источника питания, обеспечивающее повышение энергетических характеристик электротехнического комплекса «Контактная сварочная машина - электрическая сеть» за счет совместного использования полупроводникового компенсатора и компенсатора на базе конденсаторных батарей.

Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие задачи:

1. Создание математической модели известного электротехнического комплекса «Контактная сварочная машина - питаюшая электрическая сеть».

2. Создание математической модели статического полупроводникового компенсатора и ее исследование.

3. Разработка структурной схемы специализированного источника питания контактной сварочной машины с повышенной энергетической эффективностью.

4. Разработка нового способа управления компенсирующим устройством, с учетом изменения параметров сварочной машины в течение работы, и исследование его эффективности путем имитационного моделирования.

5. Анализ работы имитационной модели разработанного источника питания.

6. Проверка адекватности результатом путём физического моделирования.

Методика исследований базируется на общих положениях теории электрических цепей, теории дифференциальных и алгебраических уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем моделирования МаЛаЬ и МаЛСАБ.

Достоверность научных результатов подтверждается математическими доказательствами, моделированием в системах МаЛаЬ и МаШСАБ, сравнениями результатов моделирования с результатами экспериментов.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

1. Модель электротехнического комплекса «контактная сварочная машина

- электрическая сеть».

2. Способ расчета компенсационного тока для активно-индуктивной нагрузки с фазовым регулированием тока.

3. Практические рекомендации по совместному использованию источников питания для контактной сварки и компенсирующих средств.

Научная новизна:

1. Предложено для повышения энергетической эффективности электротехнического комплекса «Контактная сварочная машина - питающая электрическая сеть» использовать комплексное решение: для компенсации высокочастотных составляющих статический компенсатор, а для компенсации медленно изменяющихся низкочастотных - компенсирующие устройства на базе коммутируемых конденсаторов.

2. Создан новый эффективный способ расчета компенсационного тока при работе компенсатора на активно-индуктивную нагрузку с фазовой регулировкой, сокращающий время вычисления компенсационного тока.

3. Разработан алгоритм функционирования системы управления.

Практическая ценность и результаты работы:

1. Получены параметры кривых потребляемого тока и напряжения в стационарных и переходных режимах работы.

2. Разработано устройство для компенсации неактивных составляющих в кривой потребляемого тока и математическая модель, описывающая работу, законы управления полупроводниковыми ключами в данном устройстве.

3. Создана имитационная компьютерная модель и испытательный стенд для моделирования переходных режимов компенсирующего устройства.

Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на:

- II международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2006);

- Всероссийском молодежном научно-инновационном конкурсе - конференции «Электроника - 2006» (Москва, 2006);

- Научно - технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2007);

- III международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2007);

- Международной научно-практической конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии» (Пенза, 2008);

- XX всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2009);

- Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области машиностроения» (Тольятти, 2009);

- Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 12-15 мая 2009 г);

- Выставка «Всероссийская неделя электроники», Москве 2010 г.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Промышленная электроника» по дисциплине «Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей»

Диссертационная работа является частью исследований проводимых в Тольяттинском государственном университете по г/к НИР № 831 «Создание энергосберегающего источника питания для контактной сварки» и г/б НИР per. №01.20 0502734 «Разработка математической модели автономной электрической системы ограниченной мощности с учетом особенностей электромагнитной совместимости».

Публикации. По теме диссертации опубликовано лично и в соавторстве 14 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ и патент на изобретение РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (104 наименования). Объем работы вклю-

чает в себя 156 страниц основного текста, 13 таблиц и 52 рисунка, 11 страниц списка литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и основные задачи диссертации, приводятся методы исследований, отражается научная новизна, отмечается практическая значимость результатов работы.

В первой главе выполнен обзор электротехнического комплекса «контактная сварочная машина - электрическая сеть» и перспектив его развития. Виды контактных машин систематизированы в зависимости от технологического процесса, то есть на машины точечной, стыковой, рельефной и шовной сварки, от рода используемого в источнике питания тока, то есть машины переменного, постоянного тока, конденсаторные, низкочастотные, инверторные и от других параметров. Для каждого вида выделены достоинства и недостатки с точки зрения влияния на питающую сеть, а также уровень распространенности на современном производстве.

Контактные сварочные машины являются неблагоприятными потребителями электроэнергии, оказывая следующее влияние на питающую сеть:

- колебания напряжения и кратковременные его выбросы и провалы;

- несимметрия напряжений и токов;

- значительное потребление реактивной мощности;

- несинусоидальность кривых напряжений и токов.

Это приводит к повышенным требованиям к энергоснабжающему оборудованию, повышенным затратам на оплату, и негативному влиянию на других потребителей, работающих в сети.

В связи с этим актуальной является задача организации рационального энергопотребления.

Анализ способов компенсации реактивной мощности и высших гармоник, применяемых в других областях промышленности, позволил выделить основные типы компенсирующих устройств. Наиболее современными универсальными устройствами, позволяющими значительно повысить качество электрической энергии, представляются статические полупроводниковые компенсаторы неактивных составляющих полной мощности.

Для выбора способа создания энергосберегающего источника питания экспериментально сняты кривые потребляемых токов и напряжения одного из наиболее распространенного вида контактных машин - однофазной точечной машины переменного тока. Исследования проводились на базе машины МПТУ

- 300. Измерительный блок подключался в разрыв между однофазной сетью переменного тока 380 В и машиной контактной сварки. Структурная схема экспериментальной установки показана на рисунке 1. Было установлено, что форма тока, а, следовательно, и его спектральный состав, зависят от алгоритма работы системы управления сварочной машины и от технологических параметров свариваемых деталей, что необходимо учитывать при разработке источника питания.

Рис. 1 Схема экспериментальной установки

Таким образом, были поставлены задачи:

- создать математическую модель, описывающую сработу КСМ при вариации технологических параметров свариваемых деталей и углов управления тиристорным контактором У81-У82;

- создать математическую модель, описывающую статического работу полупроводникового компенсатора.

Во второй главе составлены математические модели контактной сварочной машины и полупроводникового компенсатора. Рассмотрены известные способы описания тока контактной машины и сделан вывод, что для целей имитационного моделирования работы системы «сеть — компенсатор - сварочный источник питания - нагрузка» они не подходят, поскольку не связывают напрямую мгновенные значения тока и питающего напряжении. Был создан способ описания, позволивший смоделировать работу источника питания в системе «Питающая сеть - Источник питания - Контактная машина». На рисунке 2 приведена упрощенная схема электрической части машины, а на рисунке 3 ее эквивалентная схема. В эквивалентной схеме Ь - индуктивность катушки в схеме замещения, которая включает в себя индуктивность вторичного контура и приведённую к вторичной цепи индуктивность первичной обмотки сварочного трансформатора, г - активное сопротивление в схеме замещения, включает сопротивление вторичного контура, сопротивление участка электрод-электрод и приведённое к вторичной цепи сопротивление первичной обмотки трансформатора.

При замыкании ключа К уравнение электрического состояния схемы замещения примет вид:

£—+ п = «(/). Л

ТС

о'св

о----------------------1

Рис. 2 - Упрощенная электрическая схема однофазной контактной машины

К

Рис. 3 - Эквивалентная электрическая схема контактной сварочной машины

,

Ы-

-380В

Л/32

Преобразуем данное уравнение, предполагая, что активное сопротивление вторичного контура определяется параметрами КСМ и не меняется во время сварки, не есть является константой и не зависит от времени, а сварочное сопротивление, напротив, является функцией времени:

./ КК+КСв{<) ■ »(0 (2)

11' v '

Обозначив Кк +^ся^ = р(г), а ^=д(г) получим классическое линейное неоднородное уравнение первого порядка:

(3)

Общее решение может быть записано по методу вариации произвольных постоянных (Лагранджа) в виде:

1 = е-№{с+\Ч{х)е\р{х)‘Ь:<ьу (4)

Для построения имитационной модели КСМ запишем решение задачи Коши, исходя из начальных условий ;(о)=10:

- //>(')<* / = е 0

Таким образом, получено уравнение, которое позволяет, зная мгновенные значения Ясв(1), и(1) и заменяя интегралы суммой, можно получить мгновенное значение тока вторичного контура и через коэффициент трансформации первичного, потребляемого из питающей сети.

.................... (6)

-Iі

1-е

За цикл сварки полное контактное сопротивление Як уменьшается в несколько раз. Например, при сварке коррозионностойких сталей уменьшается с 300...500 (в начальный момент времени) до 100...150 мкОм. Это в свою очередь влияет на величину тока, потребляемого КСМ из питающей сети.

В результате анализа получены выражения для определения токов и напряжений в компенсаторе на различных этапах работы, позволяющие сделать первоначальный выбор элементов его схемы в зависимости от параметров нагрузки. На рисунке 4 приведена электрическая схема силовой части полупроводникового компенсатора, на рисунке 5 эквивалентная схема замещения этапа работы.

Рис. 5 - Эквивалентная схема замещения этапа компенсации.

Уравнение состояния имеет вид:

(7)

(8)

"с(0=ЛеЛ' +Л2ел' +истахс05(т( + срс) _!_е-,9<Г

----е

(9)

(10)

(11)

(12)

Рг ~Р\

10, Ио - ток дросселя и напряжение на конденсаторе предыдущего этапа компенсации.

Корни характеристического уравнения:

где а - коэффициент затухания, в>1 - резонансная частота контура.

Зная коэффициенты А1 и А2, можно найти зависимость тока компенсатора, напряжения на емкости от времени.

Видно, что токи и напряжения в компенсаторе зависят от начальных условий на каждом этапе работы. Моменты переключения этапов и, следовательно, начальные условия, определяются системой управления компенсатором и зависят от параметров нагрузки. Для анализа работы устройства достаточно сложно использовать только математическую модель, поэтому необходимо разработать компьютерную имитационную модель всей системы «сеть-компенсатор-контактная сварочная машина».

В третьей главе разработана имитационная модель системы «сеть-компенсатор-контактная сварочная машина» с известным законом управления в пакете 81шиНпк.

Результаты работы модели в виде временных диаграмм сетевого потребляемого тока приведены на рисунке 6.

Зависимость токов ключевых элементов схемы полупроводникового компенсатора от ширины зоны гистерезиса приведена в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость токов ключевых элементов схемы полупроводникового компенсатора от ширины зоны гистерезиса__________________________

ДІ, А Параметр

Действ, ток УТ1, А Действ, ток УТЗ, А Действ. ток УЭ1,А Действ. ток УБЗ, А Ср. ток УТ1, А Ср. ток УТЗ, А Ср. ток У01,А Ср. ток УЭЗ, А

5 34,08 33,37 31,69 32,25 15,61 15,33 15,18 15,36

10 34,24 33,35 31,78 32,54 15,55 15,21 15,18 15,43

20 34,61 33,69 32,31 33,08 15,38 15,01 15,12 15,39

40 35,03 34,71 33,8 34,44 14,5 14,43 14,75 15,18

Результаты моделирования показывают, что действующий ток на ключевых элементах, а, следовательно, и мощность, рассеваемая на них, меняются при изменении ширины зоны гистерезиса.

Тем не менее, гармонический состав потребляемого тока сильно зависит от ширины зоны гистерезиса, как показано на рисунке 7. Полученная имитационная модель позволила установить, что функционирование приборов с точки зрения рассеиваемой мощности и токовой нагрузки силовой части зависит от алгоритма функционирования и режима системы управления значительно

меньше, чем качество компенсации неактивных составляющих полной мощности.

4.5 4

м3.5

3

2.5 2

1.5 1

0.5

О

-

- - -

п Г

И 1 шш пи Г1 Ы

2 3 4 5 6 7 8 9 10

□ 20 □ 40

N

Рис. 7 - Спектральный состав потребляемого из сети тока при работе статического компенсатора в зависимости от ширины зоны гистерезиса

Анализ известных способов компенсации показал, что для их использования необходимы предварительно накопленные данные о нагрузке. В качестве примера рассмотрен способ вычисления компенсационного тока, в котором вычисляется активная проводимость нагрузки, рассчитанная для предыдущего периода сетевого напряжения. Таким образом, традиционные подходы компенсации при работе на контактную машину имеют недостатки:

1. Значительные по величине токи протекают через ключевые элементы полупроводникового компенсатора, это сложно исправить сменой алгоритма управления ими, что приводит к увеличению стоимости устройства и ограничивает применение компенсации неактивной мощности в области контактной сварки в настоящее время.

2. Использование предварительно рассчитанных параметров в способе компенсации менее эффективно по сравнению с использованием реальных данных, если параметры нагрузки меняются каждый период сетевого напряжения и технологический процесс занимает всего несколько периодов, что справедливо для контактной сварки.

Следовательно, появляется необходимость разработки нового способа компенсации и усовершенствования схемотехнического устройства для его реализации.

Проведенные экспериментальные исследования по снятию кривых тока и напряжения и их анализ для наиболее распространенного типа - однофазной точечной машины переменного тока показали, что возможно получить энергосберегающий источник питания путем совместного использования статического полупроводникового компенсатора, параллельно включенного ему компенсатора на основе конденсаторных батарей и существующего схемотехнического решения источника питания. Этим достигается повышение энергетических характеристик источника питания и при этом технологический процесс сварки

остается неизменным. На рисунке 7 изображена схема источника питания контактной сварочной машины.

9 общая система управления компенсаторами

Рис. 8 - Структурная схема устройства

Применение устройства позволяет снизить высшие гармонические составляющие в кривой потребляемого из сети тока, а также уменьшить потребление неактивных составляющих полной мощности, что повышает коэффициент мощности и снижает полную мощность, потребляемую сварочной машиной.

Повысить скорость реакции системы управления на изменения параметров нагрузки можно следующим способом. Измеряют одновременно мгновенные значения тока потребителя в трех точках 1,,12,/3 и мгновенные значения напряжения питающей сети в те же моменты времени затем определяют сопротивление Я, индуктивность Ь последовательной схемы замещения активноиндуктивной нагрузки, напряжение на сопротивлении Я ик:

£ =

г,«2- 2»,

! •

.• *3 2 ‘2 М

1 1 2

и,-1^—

и ->1 .

и„=и-Ь

л

. Л

-и, =и-Ь—* О Л >

0,1=0

(14)

(15)

(16)

где и - сетевое напряжение, ^ измеренный ток нагрузки. Вычисляют мгновенные значения компенсационного тока в соответствии с формулой

1к=ин*°-1н О8)

и генерируют компенсационный ток в питающую сеть в соответствии с вычисленными значениями.

В четвертой главе выполнена проверка адекватности полученных результатов путем расчета, имитационного моделирования работы системы «сеть

- полупроводниковый компенсатор - емкостной компенсатор - контактная сварочная машина » и экспериментально полученных результатов работы макетного образца предложенного устройства, работающего на модель контактной сварочной машины (рисунок 9).

в)

Рис. 9 - Макетный образец предложенного устройства (а), Ток компенсатора при работе на модель сварочной машины: б - полученный в результате имитационного моделирования, в - полученный в результате эксперимента.

В результате имитационного моделирования системы показана экономическая эффективность, которая достигается путем снижения стоимости устройства в целом за счет снижения стоимости полупроводниковых ключей. Форма потребляемого контактной сварочной машиной тока определяется углом включения тиристоров, параметрами свариваемых деталей и собственно конструкцией машины. По экспертным оценкам типичное значение угла включения ти-

14

ристоров составляет от 60 до 120 градусов. Используя разработанную модель контактной машины МПТУ-300 в ЗшшНпк, получена временная зависимость потребляемого тока для угла включения тиристоров 79 градусов при сварке 2 листов стали 0,8 КП толщинами 1 мм и 0,8 мм. Результаты моделирования совпадают с экспериментом - относительные погрешности амплитуды потребляемого тока и угла проводимости составляют 5% и 1%. После выполнения спектрального анализа экспериментальных кривых тока при изменении угла управления от 60 до 120 градусов с шагом в 10 градусов построена объемная диаграмма зависимости для первых семи гармоник амплитуды гармоники от угла

а, приведенная на рисунке 10а.

Видно практически линейное изменение амплитуды первой гармоники в зависимости от угла включения тиристоров. С помощью имитационной модели установлено, что включение дополнительного конденсатора, рассчитанного на угол включения тиристоров 90 градусов, снижает токовую нагрузку на ключевые элементы полупроводникового компенсатора на всем рабочем диапазоне углов управления не менее, чем на 30% (рисунок 106).

Угол управления .>■ §)

Рис. 10 - Зависимости спектрального состава тока контактной машины (а)

и действующего тока полупроводникового компенсатора (б) от угла

управления

В ходе выполнения диссертационной работы выработаны следующие рекомендации:

1. Производить сварочный процесс на углах управления, при которых доля высших гармонических составляющих потребляемого тока минимальна.

2. Совместно с источником питания использовать систему полупроводникового компенсатора и конденсаторной батареи, с емкость рассчитанной на амплитуду тока для угла включения тиристоров 90°.

3. Выбирать Д1 не менее 3% от амплитудного значения тока нагрузки.

4. Компенсационный ток рассчитывать на основе схемы замещения КСМ по разработанному в диссертационной работе способу.

Оценка энергоэффективности работы контактной сварочной машины с новым источником питания приведена в таблице 2.

Согласно ГОСТ Р 51541-99 «Энергетическая эффективность. Состав показателей» к основным показателям энергетической эффективности относят экономичность потребления энергетических ресурсов, величина которых зависит от полной мощности. Таким образом, снижение полной мощности на 19,41 % доказывает повышение энергетической эффективности электротехнического комплекса.

Таблица 2. Оценка энергоэффективности работы контактной сварочной машины с новым источником питания

Источник питания Величина

Б, кВА Р, кВт 0, ВАР Б, кВАИ сое ф

Известный источник питания 32,56 24,92 20,17 5,721 0,765

Новый источник питания 26,24 26,21 1,06 0,48 0,998

Изменение, % -19,41 5,18 -94,74 -91,61 30,46

Соответствие источников питания контактной сварочной машины стандарту МЭК 1ЕС 1000-3-2, определяющему нормы по гармоническим составляющим потребляемого тока и коэффициенту мощности приведено в таблицах 3,4.

Таблица 3. Уровни высших гармоник потребляемого тока, А

Нагрузка № гармоники

2 3 4 5 6 7 8 9 10

Максимально допустимое значение по 1ЕС 1000-3-2 1,08 2,30 0,43 1,14 0,30 0,77 0,23 0,40 0,18

Известный источник питания 2,59 18,84 2,00 10,12 1,86 5,70 0,53 2,11 0,31

Новый источник питания 0,362 0,232 0,253 0,263 0,117 0,307 0,137 0,133 0,133

Таблица 4. Коэффициенты мощности

Минимальное значение по 1ЕС 1000-3-2 для нагрузки более 5 кВт 0,995

Известный источник питания 0,765

Новый источник питания 0,998

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Впервые получена математическая зависимость между током потребляемого однофазной точечной машиной переменного тока и сетевым напряжением при изменении угла управления и технологических параметров свариваемых деталей.

2. Получена математическая модель полупроводникового компенсатора, позволяющая производить первоначальный выбор элементов схемы.

3. Предложено схемотехническое решение, позволяющее повысить энергетическую эффективность работы контактной машины, защищенное патентом Российской Федерации на изобретение.

4. Предложен новый эффективный способ расчета компенсационного тока при работе компенсатора на активно-индуктивную нагрузку с фазовой регулировкой, позволяющий повысить скорость реакции системы управления компенсатором и снизить вычислительные затраты.

5. Разработана имитационная модель системы «компенсатор - контактная сварочная машина» и проведен анализ работы в различных режимах.

6. Проведена проверка адекватности математической и имитационной моделей путем физического моделирования.

Достигнуто улучшение энергетических характеристик контактной сварочной машины со встроенным компенсатором за счет снижения на 19% потребления полной мощности. Предложенное решение полностью соответствует стандарту МЭК1ЕС 1000-3-2.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемом журнале из списка ВАК:

1. Шевцов А.А., Глибин Е.С. Моделирование работы компенсационных устройств совместно с контактными сварочными установками // Сварочное производство №5, 2009 г. - с. 17 - 21.

2. Шевцов А.А., Глибин Е.С. Ценовые аспекты выбора компенсатора неактивных составляющих мощности при работе с контактными сварочными машинами // Вестник СамГТУ №2,2009

3. Шевцов А.А., Глибин Е.С. Имитационное моделирование совместной работы статических компенсаторов и контактной сварочной машины // Электротехника № 4, 2010

В других изданиях:

4. Глибин Е.С. Проблема электромагнитной совместимости машин контактной сварки и электрической сети // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования: Материалы второй международной научно-технической конференции. Т. 1 - Вологда: ВоГТУ, 2006.

5. Глибин Е.С., Шевцов А.А. Энергосберегающая система для предприятий машиностроительной отрасли // Всероссийский молодежный научноинновационный конкурс - конференция «Электроника - 2006» : тезисы докладов конференции. - М.: МИЭТ, 2006

6. А.А. Шевцов, Е.С. Глибин. Математическая модель статического компенсатора реактивной мощности // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии. Тольятти: ТГУ, 2007. - с. 351-357.

7. А.А. Шевцов, А.С. Климов, Е.С. Глибин. Сравнение работы компенсирующих устройств на источники питания дуговой и контактной сварки. Авто-

матизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования: Материалы третьей международной научно-технической конференции. Т. 2 - Вологда: ВоГТУ, 2007. -с. 150-154.

8. Шевцов А.А., Глибин Е.С. Совмещение имитационной и физической моделей системы энергосбережения // Сборник статей X Международной научно-практической конференции. Пенза: РИО ПГСХА, 2008.

9. Шевцов А.А., Глибин Е.С. Особенности совместной работы емкостных и статических компенсаторов неактивных составляющих полной мощности в цепях сварочных источников питания // Электромеханические и внутрикамер-ные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий, материалы XX всероссийской межвузовской научно-технической конференции.

10. Шевцов А.А., Глибин Е.С. Взаимосвязь между токами и напряжения-

ми в однофазном статическом полупроводниковом компенсаторе неактивных составляющих полной мощности // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: сборник трудов Международной научно-

технической конференции. Тольятти, 12-15 мая 2009 г. В 3-х ч. - Тольятти: ТГУ,2009.-4.3.-с. 22-25.

11. Шевцов А.А., Глибин Е.С. Моделирование работы однофазной точечной контактной сварочной машины // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: сборник трудов Международной научнотехнической конференции. Тольятти, 12-15 мая 2009 г. В 3-х ч. - Тольятти: ТГУ, 2009. - Ч.З. - с. 96-99.

12. Шевцов А.А., Глибин Е.С. Имитационное моделирование работы статического компенсатора неактивных составляющих мощности // Проведение научных исследований в области машиностроения. - Тольятти: ТГУ, 2009. - Ч.

З.-с. 111-116.

13. Шевцов А.А., Глибин Е.С. Патент РФ № 2421311 Источник питания контактной сварочной машины.

14. Шевцов А.А., Глибин Е.С. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 2010615673 Программный модуль управления полупроводниковым компенсационным устройством.

Личный вклад автора в совместных публикациях заключается в постановке задачи исследования, разработке математической модели, составлении программы исследований, анализе полученных результатов.

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.04 ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет». (протокол № 20 от 21 декабря 2011 г.).

Заказ № 5546. Тираж 100 экз.

Отпечатано на принтере. Типография «Зигзаг».

445031 г.Тольятги, ул. Тополиная, 4а

\ / 19

61 12-5/1824

Тольяттинский государственный университет

На правах рукописи

ГЛИБИН Евгений Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА «КОНТАКТНАЯ СВАРОЧНАЯ МАШИНА - ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СЕТЬ»

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Шевцов А.А.

Тольятти-2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

Глава 1. Влияние источников питания контактной сварки на питающую сеть .................................................................................................................................11

1.1 Обзор современного состояния источников питания контактной сварки ..............................................................................................................................11

1.2 Компенсация неактивных составляющих полной мощности.................19

1.3 Экспериментальное снятие кривых потребляемого контактной машиной тока и питающего напряжения и их анализ....................................................25

1.4 Постановка задачи.......................................................................................40

Выводы................................................................................................................ 42

Глава 2. Математические модели точечной контактной сварочной машины и статического полупроводникового компенсатора.............................................44

2.1 Постановка задач математического моделирования источника питания ..............................................................................................................................44

2.2 Математическое моделирование источника питания точечной контактной сварочной машины с однофазным питанием.............................47

2.3 Математическое моделирование однофазного статического полупроводникового компенсатора неактивных составляющих полной мощности............................................................................................................58

Выводы................................................................................................................74

и ч/ и

Глава 3. Имитационное моделирование точечной контактной сварочной машины и статического полупроводникового компенсатора..........................75

3.1 Имитационное моделирование работы статического компенсатора неактивных составляющих мощности.............................................................75

3.2 Имитационное моделирование контактной сварочной машины............90

3.3 Способ компенсации неактивных составляющих мощности точечной контактной сварочной машины переменного тока и устройство его реализующее.......................................................................................................96

Выводы..............................................................................................................108

Глава 4. Повышение эффективности контактной сварки с точки зрения электромагнитной совместимости....................................................................109

4.1 Примеры вычисления активной мощности различными способами... 109

2

4.2 Ценовые аспекты выбора компенсатора неактивных составляющих мощности при работе с контактными сварочными машинами...................118

4.3 Выработка рекомендаций по возможности использования результатов в сфере машиностроения....................................................................................129

4.4 Физическое моделирование компенсирующего устройства.................138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................144

Список использованных источников................................................................146

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Оборудование для контактной сварки имеет ведущие позиции на рынке сварочного оборудования после дуговой сварки, около 30% общего объема сварных конструкций в мире производится с помощью контактных сварочных машин. В материалах семинаров и конференций, проводившихся в последние годы в различных странах, показано, что в ближайшем будущем доля контактной сварки в машиностроительном производстве возрастет.

В настоящее время существует проблема повышения энергетических показателей мощных сварочных машин, которая решается с помощью разработки более совершенных питающих преобразователей электрической энергии, обеспечивающих повышение коэффициента полезного действия и коэффициента мощности.

В ходе проведенных исследований установлен ряд отличительных особенностей контактной сварки с точки зрения питающей сети. Основными можно считать:

- большие пики потребляемого из сети тока при включении из-за большой величины сварочного тока, составляющего тысячи ампер, на небольшом промежутке времени (сотые или десятые доли секунды);

- несинусоидальность потребляемого тока в виду использования полупроводниковых преобразователей в конструкции типовых машин;

- низкий коэффициент мощности (сов^ = 0,2...0,8), обусловленный в основном индуктивностью внешнего контура.

С одной стороны, искажения потребляемого тока и питающего сетевого напряжения, его кратковременные выбросы и провалы негативно сказываются на работе электронно-вычислительной, измерительной аппаратуры, беспроводных каналах связи и приводят к высокой вероятности

экономического ущерба из-за нарушения нормальной работы указанных видов аппаратуры.

С другой стороны, повышение требований к энергетической эффективности электротехнологического оборудования, вызванное повышением цен на электрическую энергию, усиливают интерес к энергосберегающим технологиям, в частности к компенсации неактивных составляющих полной мощности.

Вопросам применения полупроводниковых преобразователей для компенсации неактивных составляющих полной мощности посвящено много работ отечественных и зарубежных исследователей: Агунова М.В., Дроу А. (Draou А.), Маевского O.A., Матура P.M., Пател Х.С. (Patel H.S.), Тахри А. (Tahri А.), Хофт Р. Г. (Hoft R.G.) и другие. Объясняется это, в первую очередь, сложностью энергетических процессов, протекающих в цепях с несинусоидальными токами, имеющих нелинейный или параметрический характер, а также особенностями таких компенсаторов. С одной стороны, имеется возможность генерирования тока компенсации практически произвольной формы и, следовательно, работа даже в нелинейных и параметрических системах, а с другой стороны - функционирование определяется в основном алгоритмами работы систем управления полупроводниковыми ключами. От ее точности, быстродействия и принципа работы зависит эффективность компенсации в целом.

В связи с изложенным, разработка новых методов повышения энергетической эффективности контактных сварочных машин с учетом особенностей данного вида сварки представляется актуальной.

Цель работы заключается в совершенствовании источника питания, обеспечивающее повышение энергетических характеристик

электротехнического комплекса «Контактная сварочная машина -электрическая сеть» за счет совместного использования полупроводникового компенсатора и компенсатора на базе конденсаторных батарей.

Основные задачи. Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие задачи:

- проведен анализ кривых потребляемого тока и напряжения с первичной стороны источника питания контактной сварочной машины (КСМ);

- создана математическая модель, описывающая совместную работу статического компенсатора и компенсирующего устройства на базе конденсаторов совместно с источником питания КСМ в качестве нагрузки;

- разработано оригинальное программное обеспечение в среде МаЙЬаЬ для компактного и наглядного представления процессов в системе «Сеть -источник питания КСМ»;

- разработан алгоритм функционирования системы управления статическим компенсатором при работе на источник питания КСМ с минимизацией ресурсных затрат;

- сопоставлены результаты теоретических и экспериментальных исследований.

Методика исследований базируется на общих положениях теории электрических цепей, теории дифференциальных и алгебраических уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем моделирования МаЛаЬ и МаШСАБ.

Достоверность научных результатов подтверждается математическими доказательствами, моделированием в системах МаЛаЬ и МаШСАБ, сравнениями результатов моделирования с результатами экспериментов.

Научная новизна:

1 Предложено использовать для компенсации высокочастотных составляющих статический компенсатор, а для компенсации медленно изменяющихся низкочастотных - компенсирующее устройства на базе коммутируемых конденсаторов.

2 Получен новый эффективный способ расчета компенсационного тока при работе компенсатора на активно-индуктивную нагрузку с фазовой регулировкой, сокращающий время вычисления компенсационного тока.

3 Разработан алгоритм функционирования системы управления.

Практическая ценность и результаты работы:

1 Получены параметры кривых потребляемого тока и напряжения в стационарных и переходных режимах работы.

2 Разработано устройство для компенсации неактивных составляющих в кривой потребляемого тока и математическая модель, описывающая работу, законы управления полупроводниковыми ключами в данном устройстве.

3 Создана имитационная компьютерная модель и испытательный стенд для моделирования переходных режимов компенсирующего устройства.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Промышленная электроника» по дисциплине «Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей»

Диссертационная работа является частью исследований проводимых в Тольяттинском государственном университете по г/к НИР № 831 «Создание энергосберегающего источника питания для контактной сварки» иг/б НИР per. №01.20 0502734 «Разработка математической модели автономной электрической системы ограниченной мощности с учетом особенностей электромагнитной совместимости».

Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на:

- II международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2006);

- Всероссийском молодежном научно-инновационном конкурсе -конференции «Электроника - 2006» (Москва, 2006);

- Научно - технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2007);

- III международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2007);

- Международной научно-практической конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии» (Пенза, 2008);

- XX всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2009);

- Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области машиностроения» (Тольятти, 2009);

- Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 12-15 мая 2009 г);

- Выставка в Москве 2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано лично и в соавторстве 13 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, патент на изобретение РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (104 наименования). Объем работы включает в себя 156 страниц основного текста, 15 таблиц и 53 рисунка, 11 страниц списка литературы.

В первой главе выполнен обзор современного состояния источников питания контактной сварки и перспектив их развития. Виды контактных машин систематизированы в зависимости от технологического процесса, то

есть на машины точечной, стыковой, рельефной и шовной сварки, от рода используемого в источнике питания тока, то есть машины переменного, постоянного тока, конденсаторные, низкочастотные, инверторные и от других параметров. Для каждого вида выделены достоинства и недостатки с точки зрения влияния на питающую сеть, а также распространенность на современном производстве.

Выполнен анализ способов компенсации реактивной мощности и высших гармоник, применяемых в других областях промышленности.

Приведены снятые экспериментально кривые потребляемых токов и напряжения одного из наиболее распространенного вида контактных машин - однофазной точечной машины переменного тока. Исследования проводились на базе машины МПТУ - 300.

На основании полученных данных были поставлены задачи создания математической модели, описывающую совместную работу статического компенсатора и компенсирующего устройства на базе конденсаторов совместно с источником питания КСМ в качестве нагрузки.

Во второй главе составлены математические модели контактной сварочной машины и полупроводникового компенсатора, необходимые для имитационного моделирования источника питания при разных возможных режимах работы машины. Рассмотрены известные способы описания тока контактной машины и сделан вывод, что для целей имитационного моделирования работы системы «сеть - компенсатор - сварочный источник питания - нагрузка» они не подходят, поскольку не связывают напрямую мгновенные значения тока и питающего напряжении. Был создан способ описания, позволивший смоделировать работу источника питания в системе «Питающая сеть - Источник питания - Контактная машина».

В результате анализа получены выражения для определения токов и напряжений в компенсаторе на различных этапах работы, позволяющие сделать первоначальный выбор элементов его схемы в зависимости от параметров нагрузки.

Сделан вывод, что токи и напряжения в компенсаторе зависят от параметров нагрузки. Поэтому для анализа работы устройства недостаточно только математической модели компенсационного устройства, необходимо разработать имитационную модель системы «сеть-компенсатор-контактная сварочная машина».

В третьей главе разработана имитационная модель системы «сеть-компенсатор-контактная сварочная машина» с известным законом управления в пакете БштИпк.

Выделены недостатки традиционные подходов компенсации при работе компенсирующего устройства на контактную сварочную машину. Предложен новый способ компенсации неактивных составляющих мощности и устройство для его реализации.

В четвертой главе выполнена проверка адекватности полученных результатов путем математического расчета, имитационного моделирования «сеть - полупроводниковый компенсатор - емкостной компенсатор -контактная сварочная машина» и созданием макетного образца предложенного устройства, работающего на модель контактной сварочной машины, с формой потребляемого тока подобном току точечной контактной сварочной машине переменного тока.

Показана экономическая эффективность от использования предлагаемого компенсирующего устройства.

Выработаны рекомендации по повышению эффективности использования контактных сварочных машин с точки зрения питающей сети в области машиностроения.

В заключении сформулированы выводы, отражающие основные научные и практические результаты диссертационной работы.

В приложении представлены материалы по внедрению результатов диссертационного исследования.

Глава 1. Влияние источников питания контактной сварки

на питающую сеть

1.1 Обзор современного состояния источников питания

контактной сварки

Контактная сварка - это разновидность сварки плавлением и давлением, при которой джоулева теплота и сжимающие усилия локализуются непосредственно в месте контакта свариваемых деталей. При контактной сварке нагрев металла производится электрическим током, проходящим по свариваемым деталям. В месте соединения деталей металл нагревается до пластического состояния или частичного расплавления, и затем нагретые детали сдавливаются в зоне их контактирования [61].

Сегодня контактная сварка занимает второе место после дуговой по распространенности в промышленности. Около 30% общего объема сварных конструкций в мире производится с помощью контактных сварочных машин. Широкое распространение и развитие контактная сварка получила в авто-, судо-, авиастроении и других отраслях промышленности. Контактная сварка в кузовостроении занимает ведущее положение, и ее способами выполняется 75 % общего объема сварочных работ. Из способов контактной сварки наибольшее применение имеет точечная сварка - основной способ соединения внахлестку штампосварных конструкций кузова.

Распространение контактной сварки обуславливается ее достоинствами

[18]:

- высокая производительность, определяемая возможностью проводить сварочный процесс с потреблением большой электрической мощности;

- широкая возможность автоматизации сборочно-сварочных работ, позволяющая достаточно просто встраивать контактные машин�