автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка энергосберегающих источников для питания импульсно-дуговой сварки на базе компенсированных преобразователей и модуляторов тока

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСОБЕННОСТИ ИМПУЛЬСНОГО ПИТАНИЯ

СВАРОЧНОЙ ДУГИ С ПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ

1.1. Анализ факторов, влияющих на плавление и перенос электродного металла

1.2. Принципиальная возможность импульсного управления плавлением и переносом при сварке в среде С

1.3. Влияние параметров импульсного питания

1.4. Статические характеристики дуги

1.5. Устойчивость энергетической системы источник питания - дуга - ванна)

Выводы

2. ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ НА БАЗЕ ПОЛНОСТЬЮ УПРАВЛЯЕМЫХ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВ

2.1. Особенности построения вентильных преобразователей переменного тока в постоянный для дуговой сварки

2.2. Установившиеся режимы компенсированного преобразователя с конденсаторным фильтром

2.3. Гармонический анализ переменного тока

2.4. Энергетические показатели компенсированных преобразователей

2.5. Компенсированный выпрямитель для питания сварочной дуги

2.6. Инверторные источники питания дуги 85 Выводы

3. ИМПУЛЬСНЫЕ МОДУЛЯТОРЫ СВАРОЧНОГО ТОКА, ПИТАЕМЫЕ ОТ ИСТОЧНИКОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА 95 3.1. Системы импульсного питания

3.2. Импульсные модуляторы на базе тиристорных ключей с искусственной коммутацией

3.3. Исследование и расчет элементов коммутирующего контура

3.4. Исследование режимов работы тиристорного модулятора при питании его от источника с жесткой внешней характеристикой

Выводы 125 4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНО

ДУГОВОЙ СВАРКИ

4.1. Принципы построения датчиков длины дуги

4.2. Разработка схемы управления импульсным модулятором тока дуги

4.3. Управление размерами сварочной ванны и ее кристаллизация 146 4.4 Схема управления компенсированным преобразователем

Актуальность темы. Технический прогресс предъявляет высокие требования к качеству сварных конструкций и экономичности сварочного производства. Традиционными методами сварки трудно решить все усложняющие задачи: возможность регулирования в широких пределах глубины проплавления, сварка по повышенным зазорам и в различных пространственных положениях, повышение стабильности горения дуги и т. д.

В настоящее время традиционные стационарные процессы сварки плавлением (дуговая, электрошлаковая, плазменная) практически исчерпали свои технологические возможности. Концентрация энергии сварочных источников нагрева на серийном оборудовании не решила, да и не может до конца решить многих проблем, в том числе производительности, улучшения качества сварки и не менее важной проблемы - энергосбережения.

Проблема заключается в том, чтобы создаваемые новые высокоэффективные варианты использования сварочной дуги как источника нагрева могли бы поднять сварочную технологию на более высокий уровень.

Одним из наиболее перспективных направлений таких поисков является импульсное введение энергии в зону сварки. Частота модуляции энергии может быть различной, но она должна соответствовать частоте физических процессов, протекающих в зоне сварки: переносу капель электродного металла, периодичности первичной кристаллизации, изменению объема металлической ванны и т. д.

Вследствие капельного переноса расплавленного электродного металла в сварочную ванну процесс сварки носит дискретный характер, состоящий из периодически повторяющихся микроциклов. Металлургические реакции в электродном металле протекают в основном на стадии капли. От идентичности протекания микроциклов зависят стабильность формирования шва и свойства наплавленного металла. Однако из-за ряда причин как внутренних, обусловленных физической природой сварочной дуги, так и внешних, случайных: тока, напряжения, длины дугового промежутка, характер переноса электродного металла в процессе сварки значительно меняется. Это вызывает изменение условий протекания отдельных микроциклов и, следовательно, изменение свойств сварочного соединения.

Для обеспечения стабильности качества сварных соединений требуется активное управление процессом сварки на стадии капли.

Для этого должны сохраняться одинаковые параметры энергии, идущей на расплавление каждой капли, то есть осуществляться точная дозировка энергии при постоянстве ее параметров.

Если рассмотреть энергетические характеристики источников питания постоянного тока, то здесь проблемы энергосбережения решаются неудовлетворительно. Регулирование выходного напряжения в тиристорных преобразователях сопровождается значительным потреблением реактивной мощности, а также генерацией высших гармоник в питающую сеть. Перетоки реактивной мощности в процессе регулирования преобразователей резко изменяются, вызывая колебания напряжения в питающей сети, что неблагоприятно сказывается на работе других потребителей.

Существующие компенсирующие устройства (синхронные компенсаторы, конденсаторные батареи) по быстродействию не успевают реагировать на импульсы реактивных токов, поэтому необходима разработка источников с улучшенными энергетическими показателями. Решением поставленной задачи является разработка преобразователей с энергосберегающей технологией преобразования переменного тока в постоянный. В таких преобразователях при всех режимах, от тока холостого хода до полной загрузки, коэффициент мощности должен поддерживаться близким к единице.

Развитие силовой полупроводниковой техники и теории дискретных систем позволяет создавать высокоэффективные системы дискретного управления сварочными процессами.

Негативные аспекты воздействия токоприемников с управляемыми статическими преобразователями для сварочных технологий на питающую сеть хорошо изучены. Их можно преодолеть за счет реализации энергосберегающих источников питания для электросварки на базе современных силовых полупроводниковых элементов .

В этой связи большие возможности для улучшения динамических и энергетических показателей источников сварочного тока представляет искусственная коммутация тиристоров, которая позволяет в регулируемых выпрямителях получать режимы компенсации реактивной мощности. При этом потребляемая реактивная мощность может изменяться в пределах от индуктивного характера (при управлении с запаздывающими углами управления) до емкостного характера (при опережающих углах управления), а при комбинированном управлении коэффициент сдвига между напряжением сети и первой гармоникой тока (cosqxi)) может быть равен единице при любом диапазоне регулирования выпрямленного напряжения.

Проведенные исследования показывают, что принципы построения управляемых выпрямителей с искусственной коммутацией могут быть перенесены на область преобразовательных схем на полностью управляемых приборах (запираемые тиристоры и силовые транзисторы).

Время выключения этих вентилей более чем на порядок меньше одно-операционных тиристоров и поэтому наряду с решением вопросов по созданию быстродействующих преобразователей, в том числе и модуляторов сварочного тока, необходимо решить и проблему снижения перенапряжений на вентилях при прерывании тока в цепи нагрузки. Помимо указанной проблемы при применении полупроводниковых приборов нарушается электромагнитная совместимость из-за несинусоидальности потребляемого тока из сети. При этом происходит генерирование в сеть высших гармонических составляющих тока, отрицательно влияющих на режим других потребителей.

В этой связи актуальность темы диссертационного исследования заключается в необходимости разработки энергосберегающих источников питания, с помощью которых одновременно можно решить и задачи по автоматизации технологических процессов. При этом валено создание таких структур и способов управления, которые обеспечивали бы возможность снижения затрат при сохранении качества сварки, достаточного для конкретных приложений.

Тематика диссертации соответствует одному из основных научных направлений ВГТУ - "САПР и системы автоматизации производства. "

Целью работы является разработка энергосберегающих источников питания для импульсно-дуговой сварки на базе компенсированных преобразователей и модуляторов тока как основы создания комплекса аппаратных средств по адаптивному управлению импульсными технологическими процессами сварочного производства.

Такие технологии должны обеспечить: - управление процессами плавления и переноса каждой капли расплавленного электродного металла, создание благоприятных условий для перехода капли в сварочную ванну, что позволит снизить разбрызгивание электродного металла с 20 до 3 % за счет управления энергетическими характеристиками процесса;

- уменьшение перегрева изделия, а следовательно, степени остаточных деформаций , варьирование размеров зоны термического воздействия (ЗТВ) и управление формированием благоприятной микроструктуры шва и ЗТВ;

- расширение диапазона толщин свариваемых металлов;

- увеличение линейной скорости сварки, значительное упрощение техники сварки во всех пространственных положениях.

В связи с данной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:

- исследованы возможности упрощения конструкции силовых цепей тиристорных и транзисторных преобразователей с одновременной защитой от коммутационных перенапряжений с помощью фильтровых конденсаторов;

- анализа электромагнитных процессов и энергетических показателей в преобразователях переменного тока в постоянный с конденсаторными фильтрами; исследования гармонического состава потребляемого компенсированным преобразователем тока с целью оценки влияния данного преобразователя на питающую сеть;

- исследования режимов и определение параметров элементов импульсного модулятора сварочного тока с учетом работы узла искусственной коммутации силового вентиля для осуществления стабильности качества сварных соединений путем активного управления переносом электродного металла в сварочную ванну на стадии капли; разработки компенсированного преобразователя ' в качестве многопостового источника питания и в качестве импульсного модулятора тока, обладающие высокими энергетическими показателями;

- разработки адаптивной системы управления импульсно-дуговой технологией сварки.

Методы исследования. ' Для решения поставленных задач использовались методы дифференциального и интегрального исчисления, теория электрических цепей и систем, теория автоматического управления.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной: разработан новый класс энергосберегающих управляемых полупроводниковых выпрямителей, которые могут работать в режиме многопостового источника питания или в режиме модулятора тока, при этом: обеспечивается необходимая жесткость внешней характеристики во всем диапазоне регулирования выходного напряжения; отсутствуют перетоки реактивной мощности;

- в результате исследования выявлено, что увеличение относительного содержания высших гармоник с увеличением угла управления не ведет к ухудшению энергетических показателей, в отличие от обычных выпрямителей, так как при этом происходит одновременно и уменьшение полного потребляемого тока, ( его величина зависит также от углов управления);

- решена проблема защиты от коммутационных перенапряжений;

- установлено, что в отличие от известных в практике процессов дуговой сварки, использующих алгоритмы по жестко задаваемой программе, предлагаемые адаптивные импульсные процессы реализуют корректировку выбранного алгоритма по каналам обратной связи в зависимости от состояния объекта управления сложной электродинамической системы: " источник питания - дуга - сварочная ванна - зона сварного соединения";

- разработан комплекс параметров процесса (частота импульсов, длительность горения дуги в импульсе, время пребывания жидкой капли на электроде, размер капель, равномерность их переноса), который может быть оптимизирован на этапе технологической подготовки производства для получения нужного качества сварного соединения.

Практическая значимость работы

Практическая реализация адаптивных импульсных процессов сварки может быть реализована путем использования специальных импульсных преобразователей по разработанным схемам, представленным на рис.2.16 и рис.2.20, а также в виде отдельных модуляторов тока по схемам рис.3.4 диссертации.

Проведена сварка опытных образцов по рекомендуемой технологии в лаборатории сварки в Томском политехническом университете на макете импульсного модулятора тока.

Макетирование компенсированного преобразователя подтвердило теоретические выводы на всех режимах работы преобразователя.

Предложенные в работе технические решения по энергосберегающим технологиям сварочного производства приняты к практическому внедрению в ОАО "Тяжмехпресс

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе в дисциплинах электротехнического направления в ВГТУ.

Апробация работы.

Результаты работы обсуждались на научно-техническом совете ОАО "Тяжмехпресс", г. Воронеж; на научных конференциях: "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, , производстве" (Воронеж, 2000, 2201 и 2002); на научных семинарах кафедры электромеханических систем и электроснабжения ВГТУ.

Публикации по работе.

По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе две монографии.

В работах [ 1, 2, 4. 11],' опубликованных в соавторстве, автору принадлежит анализ структур источников питания сварочной дуги, разработка принципиальной схемы управления модулятором тока, решение технологических вопросов, разработка концепции энергосбережения.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 173 наименований, трех приложений; изложена на 154 страницах, содержит 57 рисунков, 5 таблиц.

Выводы

1. Анализ факторов, влияющих на плавление и перенос электродного металла, показывает, что для сохранения стабильности горения дуги, формирования шва и протекания металлургических реакций в капле, необходимо стабилизировать процесс на стадии каждой капли.

2. Большие возможности представляет метод импульсного управления процессом сварки на стадии каждого микропроцесса.

3. При оптимальном процессе расплавления капли происходит отделение капли под действием электромагнитных сил и ускоренный перенос ее в сварочную ванну в любом пространственном положении.

4. Чтобы осевая составляющая электродинамической силы действовала на отрыв капли от электрода, необходимо расширить анодное пятно и сечение токоведущего канала до размеров больших сечений электрода. Для осуществления этой цели необходимо ввести в столб дуги большее количество энергии и притом более концентрированно.

5. При защите углекислым газом вводимая энергия импульсов должна быть в несколько раз выше по сравнению со сваркой в аргоне. российская EPCyAA?CJ3S3HAjf шлт1шш ^ 41

6. Наиболее перспективным является процесс, когда вся энергия, необходимая для расплавления, вводится в импульсе, а в паузе вводится энергия, необходимая только для поддержания непрерывности горения дуги.

7. При импульсном питании сварочной дуги необходим контроль длины дугового промежутка. Наиболее эффективным контролем является измерение напряжения на дуге во время паузы. Это позволяет с высокой точностью поддерживать длину дугового промежутка и стабильность качества сварки.

1. Анализу работы преобразователей с искусственной коммутацией посвящено большое количество работ 40,41,63,93,94,96,98,100,102,104 .

2. Одним из основных недостатков вентильных регулируемых компенсированных преобразователей переменного тока в постоянный с искусственной коммутацией является значительное содержание в кривой тока высших гармонических 98.

3. Улучшить гармонический состав тока можно путем увеличения продолжительности перевода тока из фазы с высшим напряжением в фазу с низшим напряжением, т.е. увеличивая угол коммутации у 129.

4. Следующим фактором, влияющим на форму выпрямленного тока, является наличие коммутационных перенапряжений, которые в зависимости от угла коммутации могут при прочих равных условиях весьма существенно видоизменить форму выпрямленного тока.

5. Принципиальная схема тиристорного преобразователя с искусственной коммутацией приведена на рис. 2.1 129.

6. Рис. 2.1. Тиристорный преобразователь с искусственной коммутацией

7. Особенности построения вентильных преобразователей переменного тока в постоянный для дуговой сварки

8. Исследования, проведенные в первой главе, позволяют сформулировать требования, которые нужно выполнить при создании новых источников сварочного тока.

9. Целесообразно применять источники, обладающие высокими энергетическими показателями к.п.д., cos ф, низкий гармонический состав.

10. Форма импульса должна приближаться к максимальному значению активной длительности импульса сварочного тока.

11. Система управления должна обеспечивать изменение амплитуды, длительности и паузы импульса.

12. Изменением частоты импульсов обеспечивать максимальную производительность, определяемую условиями максимальной скорости плавления электродной проволоки.

13. При сварке в различных пространственных положениях для удержания сварочной ванны необходимо использовать пульсирующий тепловой поток путем изменения частоты модуляции импульсов сварочного тока.

14. Такие УИК обеспечивают надежное и практически мгновенное выключение силовых транзисторов в любой части диапазона регулирования при любой допустимой величине протекающего тока.

15. Для его пригодности важно выяснить возможность установившейся работы устройства, когда выполняются условия равенства энергий, отдаваемых и получаемых конденсатором на интервалах повторяемости процессов.

16. Реализация указанного принципа возможна при различной задаваемой частоте следования разряда и заряда конденсатора в схеме, изображенной на рис. 2.2, а, б 119, 120.

17. Рис.2.2. Схема преобразователя с конденсаторным фильтром на первом (а) и втором (б) этапах коммутации

18. Установившиеся режимы компенсированного преобразователяс конденсаторным фильтром

19. Оснащение компенсированного преобразователя конденсаторным фильтром придает ему ряд новых свойств 107,112,113. Принципиальная схема рассматриваемого устройства приведена на рис. 2.3.

20. Рассмотрение режимов будем вести в той очередности, в какой они сменяют друг друга при увеличении угла управления. Рассматриваемые схемы замещения преобразователя приведены на рис. 2.4 и 2.5 112.