автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование инверторных источников питания с улучшенными характеристиками для контактной сварки на постоянном токе

¡¿'Э ^ ^

АЖТ-ПЕТЕРк/РГСКИЙ 0РД1ьНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ В.И.УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) •

На правах рукописи

Ибрахим Длюрге М'юб

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИНВЕРТОРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ С УЛУЧШЕННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ДЛЯ КОНТАКТНОЙ СВАРКИ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ

Специальность:05.09.03 - электротехнические комплексы

и системы,' включал их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени . кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1932

Работа выполнена в Санкт-Петербургском ордена Ленина и о] дена Октябрьской Революции электротехническом институте имени В.И.Ульянова (Ленина).

Научный руководитель -доктор технических наук профессор Васильев A.C.

Официальные оппоненты: доктор технических наук профессор Герман-Галкин С.Г. кандидат технических наук Гой А.И.

Ведущая организация - Всероссийский институт сварки

(г.Санкт-Петербург).

Защита состоится 1992г. в'-' часов на

заседании специализированного совета К 063.об.08 Санкт-Петерб гского ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции электроте нического института имени В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке институт;. Автореферат разослан 'bffi1 CUlJx.uSj 1992г.

Ученый секретарь специализированного совета

Валабух А.И.

- I -

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

-г-

Актуальность пройдемы. Контактная сварка является важной неотъемлемой частью современного машиностроительного произ-¡эдствп, во многом определяющей его эффективность. Особый ин-ерес представляет использование контактной сварки постоянным ■оком (КСПТ), Он обусловлен рядом существенных преимуществ ;СПТ по сравнению с другими видами контактной сварки. Постоян-;ым током можно сваривать все материалы, свариваемые контактам способом. Контактная сварка ряда материалов только возмож-1а постоянным током. Кроме того, сварочные выпрямители имеют щсокий коэффициент мощности, обеспечивают равномерную загруз-;у фаз питающей сети, возможность регулирования длительности ¡варочного импульса в широких пределах.

Внедрение КСПТ сдерживается рядом негативных факторов, ¡вязанных с электрической чаотью контактных машин. К ним отно-¡ится значительная относительная материалоемкость современных' ¡варочных выпрямителей (порядка 10-50 кг/кВА), в то время как шсшие показатели в машиностроении - до I кг/кВА; невысокий ЛД - 0,4-0,6 из-за значительных потерь энергии на выпрямление; [изкие динамические свойства сварочных'выпрямителей, связанные ! фазовым методом управления.прй рабочей чаототе 50 Гц. [менно поэтому доля машин К'СПТ не превышает 10% от общего чис-[а контактных машин.

Новое и развивающееся в мировом сварочном производстве на--сравление основывается на использовании в машинах КСПТ известии схемотехнических решений инверторных источников питания, )аботающих на повышенной частоте. Такой подход во многом рп-твдан и обеспечивает снижение массы и габаритов электрической 1асти машины, расширение ее технологических возможностей.

Однако известные схемотехнические решения силовых преоб-эазователей разрабатывались без учета специфических условий ра-5оты источников питания в машинах КСПТ и не могут в полной мезе соответствовать самым жестким требованиям, предъявляемым к зовременним машинам ответственного назначения. Именно разра-5отка электрооборудования для машин ответственного назначена?, з частности, встраиваемых в робототехнические комплексы, явля-зтся наиболее перспективным направлением развитая КСПТ.

Возможности дальнейшего совершенствования электросварочных установок связаны с пересмотром схем источников электрош тания, систем управления ими с точки зрения специфики контакт ной сварки на постоянном токе.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационно* работы является разработка оптимальных схемных решений источников питания для контактных сварочных машин ответственного назначения, в частности, встраиваемых в робототехнические комплексы и создание инженерной методики расчета таких устройств.

В работе поставлены следующие задачи:

1. Исследовать возможность применения ряда схем преобразователей повышенной частоты в машинах КСПТ для улучшения характеристик сварочного оборудования.

2. Выбрать оптимальные с точки зрения специфических уши вий работы контактного сварочного электрооборудования схемы силовых преобразователей.

3. Выработать рекомендации по выбору оптимальной рабоче! частоты, обеспечивающей снижение расхода активных материалов устройстве, высокие энергетические показатели.

4. Разработать методику расчета параметров элементов и основных энергетических характеристик предложенных преобразователей.

5. Провеоти экспериментальные исследования на макетах разработанных источников питания.

Методы исследования. .Математическое моделирование источников питания. Использована программа ПАКЛС, моделирующая рас четную вентильную схему совместно о ее системой управления в переходных и установившихся режимах. Моделирование процессов устройстве осуществляется блоком модели электрической схемы системы ПАКЛС путем решения начальной задачи Коши для дифференциальных уравнений цепи с приравниванием вектора переменш ь моменты коммутации ключей.

Расчет параметров стационарного периодического режима В! полняется методом установления, т.е. расчета переходного процесса в схеме от некоторых начальных условий до его затуха-ии с заданно!; точностью. Статические характеристики определяйте: с помощью метода медленной ьариации параметра.

Алгоритм наследований программируется в две стадии - сначала разрабатывается расчетная структурная схема о использованием набора элементов блока системы управления модели, затем она и ее связи с другими частями модели формально описываются на входном языке системы. С целью уменьшения вычислительных затрат критические параметры схем коммутации определены из аналитических выражений, полученных при исследовании электромагнитных процессов методом отдельных составляющих, использую- , щим непрерывное преобразование Лапласа.

Экспериментальные исследования на макетах трехфазных ин-верторных источников питания.повышенной частоты с увеличенной длительностью интервалов проводимости силовых вентелей.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем',

1. Разработана методика расчета параметров и характеристик мойных источников питания повышенной частоты о учетом сие- , цифики ях работы в машинах контактной сварки. v

2. Получены сравнительные характеристики предложенного источника питания.

3. Рассмотрены вопросы, связанные о выбором оптимальной рабочей частоты устройства.

4. Предложена схема источника питания с полностью управляемым ключом в цепи постоянного тока, обеспечивающая порыша-ние технико-экономических показателей контактного сварочного электрооборудования.

Практическая ценность работы заключается в следующем: .

1. Предложена схема источника питания с полностью управляемым ключом в цепи постоянного.тока, обеспечивающая ряд данных с практической точки зрения преимуществ по сравнению с другими схемами инверторов напряжения: таких как пониженный уровень напряжений на ключевых элементах, эффективное использование активных материалов трансформаторов, вкоокую стабильность длительностей интервалов проводим) стей силовю; центелел, возможность выполнения силовых трансформаторов ьа высокотехнологичных витых магнлтолроводах без дополнительных контуров размагничивания.

2. Разработана методика расчета параметров х

тлк предложенного кстсчнека питания, которая мотет ра:о~

мекдоаана при проектировании контакт|щх сварочных преобрао телей повышенной частоты.

3. Предложена методика измерения параметров источника питания, в частности, определения параметров сварочного трансформатора, работающего на повышенных частотах.

4. Приведен пример практической реализации предлагаемого ИП на ток 15 кА, включающий перечень параметров элементов и основные характеристики устройства.

Практическая реализация, - Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в хоздоговорной НИР (хоздоговор £ 3666/ВЧЭТ-Ю1 от 12.12.86 г.) "Разработка источников питания со звеном повышенной частоты для сварки на постоянном токе, систем их управления и средств контроля параметров", выполненной по заказу Ленинградского завода "Электрик" им. А.Ц.Шверника.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на:

- Постоянном научно-техническом семинаре "Опыт применена технологии и оборудования контактной сварки" (Ленинградский дом научно-технической пропаганды, декабрь 1989 г.).

- Научно-технических конференциях ЛЭТИ им.В.И.Ульянова (Ленина) (гЛенинград, I989-X990 гг.).

- Заседании кафедры Электротехнологической и преобразовательной техники ДЭТИ (Санкт-Петербург, март 1992 г.).

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 2 печатных работы; результаты отражены такие в научно-техническом отчете.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вв< дения, четырех глав, заключения, списка литературы, включаыще го 89 наименований и 2 приложений. Основная часть работы изло жена на 84 страницах машинописного текста. Работа содержит 54 рисунка и 4' таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы, цели и задачи диссертационной работы, а также основные положения, i.u нооимне на защиту.

В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы разработки электрооборудования для КСПТ о улучшенными показателями качества. Выбор схемы источника питания машин КСПТ зависит от технологических требований к пульсациям в кривой выпрямленного тока, характера изменения нагрузки (и других специфических условий работы), простоты и надежности схемы.

Под спецификой работы контактного сварочного электрообо-, рудования понимают: I. Широкий диапазон изменения нагрузка (от хЗс до кз). 2. Малое сопротивление постоянному току вторичного контура машин. 3.- Высокие значения сварочных токов от деоятков до сотен кА. 4. Низкий уровень напряжений хх, порядка нескольких Вольт. 5. Значительные потери энергии на выпрямление.. 6. Повторно-кратковременный режим работы о преобладанием (по длительности) переходных процессов.

Анализ известных схем сварочных выпрямителей, работающих на промышленной частоте 50 Гц, показал, что возможности повышет ния их энергетических характеристик ограничены. Рассматриваемые типы источников, как правило, не обеспечивают необходимою для качественной сварки изделий из легких металлов и сплавов (особенно малых толщин) уровня пульсаций в нагрузке, имеют низкие динамические свойства, значительную массу и габариты, невысокий КПД. По указанным причинам применение такого электрооборудования в машинах КСПТ ответственного назначения, налример.для рооотстзхнических комплексов, где требования к качеству сварных соединений особенно высоки, нецелесообразно.

Основные направления, позволяющие улучшить качественные характеристики электрооборудования: I. Снижение металлоемкости путем перехода на повышенную частоту. 2. Улучшение энергетических характеристик засчет более эффективного испол;>зования силовых полупроводниковых вентиле!] по то*у, снижение потерь в магнитной системе. 3. Повышение динамических свойств путем отработки заданных алгоритмов управления с высокой точлестьм ¡а скоростью.

Применение инверторных источником повшеп-ой чистоты позволяет решить Оодшлнствз задач, возникающих лря ралрэЗотко электрооборудования ,г:я кзьэш КСПТ с расширеичимя тохнологи-л-ски!/:< ьозкэщ)стс«1. Сснз-ными элемент-зга указанных ггтш;.!! электропитания яа-.ялтпя: г-ходнэй вкпряуитель, г» в то и ;шг.:.-|;,.

тор о трансформаторным выходом и сварочный выпрямитель. Высокая частота переключения управляемых вентилей определяет высокие чаототные свойства и позволяет снизить массогабаритные показатели сварочного трансформатора. Наилучшими энергетическими характеристиками из известных контактных сварочных источников питания обладают источники питания на основе преобразователей повышенной частоты с увеличенной длительностью интервала проводимости силовых вентилей. От других источников питания повышенной частоты они отличаются,,в частности, более высЬким 1ЩД и сниженным расходом активных материалов обмоток сварочного . трансформатора. Для снижения потерь на выпрямление и массы обмоток формируются более оптимальные импульсы тока в них. Это ' позволяет снизить уровень действующего значения тока при том же выпрямленном токе.

Из указанной группы источников питания наибольший практический интерес представляет трехфазный источник питания, первичные обмотки трансформатора которого соединены в звезду. Од нако ряд существенных недостатков ограничивает его практическое применение, К ним относятся: I. Плохое использование активных материалов первичных обмоток трансформатора по току (низкие значения-коэффициента формы тока) из-за соединения не; . шчных обмоток в "зигзаг" и поочередного режима работы управляемых ключевых элементов. 2. Невозможность использования отдельных высокотехнологичных однофазных трансформаторов на витых машитопроводах. 3. Соединение первичных обмоток в зигзаг создает дополнительные сложности при реализации схемы их переключения. 4. Наличие собственного контура коммутации у каадоп тиристора преобразователя усложняет систему формирования управляющих. импульсов, устройство б целом, снижает надежность ь работы. 5. Реализация схемы требует большого количества полупроводниковых приборов. 6. переключение

Вторая глава посвшцена рассмотрению возможности и цел е со образности использования ряда новых схемотехнических решений кнверторних источников питания в машинах КСПТ ответственного назначения.

Принимая в качестве основополагающего принципа резким од повременной работы нескольких вентилей на стороне выпрямленного сварочного тока, проведено рассмотрение других воичсщшх

схемотехнических решений,в ознову которых положены идеи: упрощения схемы обмоток с целью создания возможности ступенчатого регулирования коэффициента трансформации отпайками на первичной стороне трансформатора; снижения класса используемых тиристоров при неуправляемом выпрямителе на первичной стороне и питании от трехфазной сети 380 В; уменьшения количества управляемых и неуправляемых вентилей в' схеме инвертора; применения отдельных независимых трансформаторов в каждой '¿язе преобразователя, Рассмотрен источник питания на основе несимметричного многофазного инвертора тока, выполненного по полумостовой схеме. По сравнению с известным источником питания в устройстве обеспечивается: лучшее использование активных материалов обмоток трансформатора, упрощается организация ступенчатого переключения коэффициента трансформации, требуется меньшее количество полупроводниковых приборов. Недостатком схемы являются значительные перенапряжения на управляемых вентилях при работе устройства. Переход о-т иолумостовой схемы инвертора к мостовой юзволяет уменьшить уровень напряжения на тиристорах..Соедините первичных обмоток трансформатора в звезду требует общей /агнитной цепи. Переход к соединению этих обмоток в треугольна позволяет использовать однофазные трансформаторы. Общим \ля рассмотренных- выше источников питания недостатком является ^возможность регулирования сварочного тока путем НИМ напрялс-П1Я в инверторах. Это обстоятельство не позволяет рекомендовать сказанные источники питания для практического использования.

Вариантом дальнейшего совершенствования преобразователя тля контактной сварки является источник питания с общим коммутационным узлом. В нем нашли свое отражение следующие изм^нени^, Iслезные при практической реализации идеи;

1. Используются едоние, не секционированное по требован.',«) :оедпн-зш!Я в схег^ зигзаг, первичные обмотки тран скорма тор а ,'л: :уцес.твенно упрошает их исполнение. Это особенно ви;кно при ¡к;-)бхода.мостя икеть переключение коэффициента трансформации по ¡тупеня:/:. Прзялагаегаи вариант зллючения первлт^-:ых. охоток с.-5-гсловлзбзот увеличение интервала протекания тока б кьъкУл V.?. :екций, что прн£Оа;:т к снижению потерь в них '/ь-за улучггк;м соэффлцнепта формы тска.

2. Так как принцип раоотн схег.я обеспечяг-нс? прлг:оус:;

к первичным обмоткам равных по во^ьтоикуидной площади импульсов меняющейся полярности, то становится возможным использовать дня каждой из фаз преобразователя отдалыши однофазный трансформатор, что,в свою очередь, позволяет перейти к витым магнитопроводам.

3. Последовательное соединение тиристоров в пернячной цени преобразователя приводит к снижению уровней прямого напряжения, приходящихся на каждой из них. Это дает возможность при питании от неуправляемого выпрямителя, работающего непосредственно от сети 380. В, обходиться вентилями 7-8 классов.

4. Использование в охеме единого "гасящего" тиристора до принудительной коммутации всех сплоти вентилей преобразователя существенно упрощает систему формирования управляющих импульсов, повышает ее надежность. Рассмотрен источник питания < полностью управляемым ключом в цепи постоянного тока. От приведенного выше источника питания устройство отличается струят; рой коммутационного узла. Введение единого коммутирующего узл; о тиристором в цепь постоянного тока позволяет отказаться от отсекающих диодов в фазах трансформатора, так как в источнике отсутствуют контура для частичного разряда коммутирующего кон денсатора на нагрузку, снижающие коммутационную способность устройства. Наличие единого коммутационного узла, обеспечиваю щего ШМ выходного напряжения, определяет высокую степень постоянства интервалов проводимости вентилей источника питания. Снижаются потери в магнитных системах трансформаторов, связан низ с некомпенсированными МДС. Последняя схема выбрана в каче стве объекта дальнейшего исследования.

Рабочая частота, наряду со схемным решением, является па раметром, во многом определяющим характеристики всего сварочного, устройства.

Минимальная рабочая частота источника питания определяет ся технологическими требованиями, предъявляемыми к ответствен ной сварке. Важнейшим технологическим требованием является сч б&льность качества сварки. Стабильность качества сварки завис от ряда факторов, важнейший среди которых - величина пульсащ. в сварочном токе,связана с электрической частью контактной мь огни.

Экспериментально установлено, что снижение пульсации тоь

при сварке на контактных машинах всех типов повышает устойчивость процесса 'формирования неразъемного соединения металлов. Наиболее высокие требования к пульсациям тока предъявляются при сварке жаропрочны.*. сплавов малых толщин. При этом коэффициент пульсации в сварочном токе не должен превышать 0,25.

Анализ изменения глубины пульсаций в сварочном токе при его регулировании, с"учетом диапазона изменения постоянной времени сьарочного контура малин контактной сварки на постоянном токе, показал, что минимальная рабочая частота трехфазного инвертора, когда еще обеспечивается высокое качество сварного соединения, составляет 100 Г'ц.

Таким образом, рассмотренные источники питания обладают всеми преимуществами инверторных источников повышенной частот с увеличенным интервалом проводимости силовых вентилей. Источник питания с общим коммутационным узлом и источник питания о полностью управляемым ключом в цепи постоянного токе) имеат пониженный,по сравнению с известными устройствами, уровень напряжения на управляемых ключевых элементах. В них более эффективно используются активные материалы обмоток трансформаторов, не требуется введения дополнительных контуров размагни'шзания при использовании однофазных трансформаторов. Обеспечивается высокая степень симметрии реактивных сопротивлений всех фпа у стройства.

Наиболее перспективно использование источника питания с полностью управляемым ключом в цепи постоянного тока. Наличие единого коммутационного узла определяет высокую Степень постоянства интервалов проводимости силовых вентилей и, следовательно, обеспечивает высокую стабильность параметров режима сварки. Высокая степень постоянства интервалов проводимости силовых вентилей приводит к дополнительному снижении активных потерь в устройстве.

Б третьей главе приведены методика исследований электромагнитных процессов в предлагаемых источниках питания, результаты численного анализа на математических моделях, алгоритм поиска оптимальных параметров и режимов работы источников.

Сварочный трансформатор является элементом, в значительной степени определявшим энергетические и массообъемше характеристики всего устройства. Особенностью рассматриваемого трансфор-

матора, в отличии от трансформаторов известных сварочных выпрямителей, является несимметричная форма напряжении в обмотках и особая "ступенчатая" форма токов вторичных обмоток. Эта особенность учтёна при выводе аналитических выражений для напряжений и токов в фазах, суммарного объема и активных потерь в элементах трансформатора. Оценены потери в магнитопроводе трансформатора при несинусоидальной периодической индукции.

Аналитические выражения получены для идеального случая, когда коммутация токов в фазах устройства мгновенна, а выпрям ленный ток постоянен за период работы ключевых элементов. Полученные аналитические выражения и результаты сравнения потер в стали использованы при построении схемы замещения трансформатора и при поиске диапазона оптимальных рабочих частот. Коммутационные процессы определяют предельную нагрузку, при ki торой возможна нормальная работа всего устройства, диапазон р гулирования и стабилизацию выходного напряжения, неличину напряжений на элементах сварочного источника, влияют на НПО уст ройства, регулировочную характеристику и переходные процессы.

При выборе схемы искусственной коммутации предлагаемых источников учтены следующие факторы: простота и надежность,ми нимальное влияние на форму выходного напряжения, параметры ре активных элементов, регулировочные возможности, уровень напря жения на рабочем тиристоре, относительная длительность коммутационного процесса.

Анализ различных схем показал, что в наибольшей степени указанным требованиям отвечают схемы узлов параллельной двухступенчатой коммутации с ускоряющим диодом на основе последовательно резонансного контура.

Коммутационная способность устройства зависит от частотн свойств и максимальной длительности интервалов проводимости с ловых тиристоров.

Анализ электромагнитных процессов при включении и выключении тиристоров по полученным аналитическим выражениям позво лкет определить максиуально допустимый при задашшх параметра схекк коэ.'^Гг.цлент регулирования., для которого длительность ян тертаяов прог-одо'остп с/.ловкх ткрасторэз не превышает критиче с.чого зн^чемня.

ЬыОср пэяуяровоцьйколис приборов устройства ;; роак-ткншх

лементов контуров коммутации производится на основании данных шализа электромагнитных процессов.

Задача поиска диапазона оптимальных рабочих частот устрои-;тва рассмотрена в том числе и с точки зрения определения зависимости характеристик и параметров силового трансформатора от ¡астога.

В машинах- контактной сварки традиционно используются ш:з-очастотяые полупроводниковые приборы, материалы и комллектую--,ие, имеющие сравнительно низкую стоимость. Применение указание элементов ограничивает рабочую частоту устройств на уровне ,2-1,5 кГц. Необходимость использования средств вычислительна техники для решения оптимизационной .т-адачл объясняется до-¡таточно сложной зависимостью потерь в обмотках и магнитной :истеме трансформатора от частоты и широкой областью поиска, ри расчете используются аналитические выражения, учитывающие специфику работы трансформатора в рассматриваемых источниках ;итания. Расчет проводится для установившегося режима.

Целевой функцией является зависимость объема трп.нсформато-¡а от частоты. В качестве критерия оптимизации исиользустся по-.азатель, численно равный произведению плотности тока но и-.'о-'Ичной обмотке и максимальной индукции в магнитопрср.одэ. Поиск шнимального объема трансформатора проведен в диачазоне частот т 50 до 1500 Гц. На первом этапе расчета при заданных плотно-тлх токов в обмотках, максимальной индукции, питащем напря-:ешш, максимальной выходной мощности, ПВ, соотношении геометрических размеров трансформатора, заданных характеристиках ма-ериалов обмоток и магаитолровода, времени отключения тиристо-ов преобразователя и числе .витков вторичной обмотки по анали-ическим выражениям определяется максимальное значение КПД для ¡сего указанного выше диапазона рабочих частот. На втором эта-е расчета для каждого значения частоты осуществляется отработ-а частных итерационных циклов по контуру коррекции геометри-еских размеров трансформатора в сторону их увеличения, и вы-ислениа КПД. По достижении КПД максимального значения осуществляется выход из итерационного цикла и формирование выходных ;ан1шх.

Пакет выходных данных включает численные значения активных отерь в элементах трансформатора, результирующий обьем актив-

- 12 -

ных материалов, угол регулирования,максимально допустимый по необходимому времени отключения тиристоров, коэффициент трансформации, максимальную индукцию и плотности тока в обмотках для всех исследуемых частот при одинаковом для всех частот зна чейии КПД. Экстремум целевой функции находится в области часто 1100-1200 Гц.

При работе устройства на частотах около 400 Гц обеспечива ется значительное относительное снижение объема трансформатора и широкий диапазон регулирования сварочного тока. Объем трансформатора, работающего на чаототе 400 Гц, не превышает 20$ от объема всего устройства. Возможный переход на повышенную часто ту 1200 Гц позволяет при сохранении характеристик трансформато ра снизить массу всего устройства лишь на несколько процентов. Но при этом значительно возрастают потери в активных элементах преобразователя. 44

Основными характеристиками, определяющими эксплуатацислны свойства источника питания, являются коэффициент мощности, дей ствующие значения токов в элементах устройства, коэффициент ис пользования трансформатора по мощности, КПД трансформатора, внешняя и регулировочная характеристики. Сравнение характеристик известных сварочных выпрямителей.с характеристиками предла гаемых источников питания, полученных аналитически, наглядно иллюстрируют преимущества последних.

Сварочные машины на основе предложенных преобразователей имеют сниженные на .50 и более процентов потери в блока силовыз вентилей и вторичных обмотках.

Источник питания имеет более жесткую внешнюю характерней* ку из-за сниженного напряжения холостого хода, обусловленного меньшими потерями на выпрямление. Регулировочная характерно™ линейна практически во всем диапазоне 'регулирования, что существенно упрощает реализацию системы управления, особенно при организации сложных законов управления (например, при сварке ¡■-.онструхцп;: ответственного назначения). Использование неуправляемого входного выпрямителя и искусственной коммутации г-ока обусловливают высокие знамения коэффициента мощности,око^о 0,5 при полно.; нзаом рагепуз. Относительно невысоки:'; коэффициент ис-пгльзог-пнил транс-^пуааор-.-ь по шцнэстп (0,367) связан с не-с:1'.:.к?тр:;гаоС 5оркоЗ калрк&вагй к токов з обмотках. Однако

грансдорматоры предлагаемых источников питания отличаются высокой степенью симметрии реактивных сопротивлений.

В 3 главе приведена методика расчета параметров, основных энергетических характеристик и режимов работы предложенных легочников питания г/ашин КСПТ. В качестве рабочего инструмента уш расчета использован программный комплекс ПАКЛС, преднезна-1енный для исследования схем силовой электроники.

При выборе моделирующей программы учитывались следующие юобенности: I. Расчет периодического режима в преобразователе 1ри использовании его динамической модели требует расчета длительности переходного процесса от заданных начальных условий до 'становления периодического режима. 2. Низкая частота переклю-¡ения тирлсторсв и диодов в преобразователе делает несуществен-[ыми потери переключения в них по сравнению о потерями от токов грягжзй проводадасти, поэтому модели этих элементов могут быть щкеимально упрощены, т.е. могут использоваться ключевые модели, юзволяющие существенно ускорить расчета. 5, Сложная расчетная ;хема преобразователя диктует необходимость использования универсальной моделирующей програмш.

На первом этапе на основания исходных данных, представлен-1ых в техническом задании, производятся вычисление, по получен-шм в работе аналитическим выражениям, параметров силовых цепей I энергетических характеристик, выбор рабочей частоты. На вто->ом этапе проектирования выполняется поверочный расчзт на циф->овой модели.

Программа расчета на входном языке включает: описание то-¡[ологии я параметров эквивалентных расчетных схем силовой цепи греобразователя; описание алгоритма работы системы управления греобрэзователя и алгоритмов обработки решения; параметры режима работа системы ПАКЛС.

В процессе поверочного расчета осуществляется отработка лерацаошшх циклов яо контуру коррекций вспомогательных цепей 1 параметров алгоритмов управления. На этапе расчета, когда ограничения по скорости нарастания токов, напряжений, по уровням тпряжений на ключевых элементах и по макет альному значению штервала проводимости тиристоров не нарушаются, осуществляет-зя выход из итерационного цикла и формирование выходных данных, [акет выходных данных включает параметры основных и вспомога-

тельних цепей, основные'энергетические характеристики, параме ры алгоритмов управления. При построении расчетной электричес кой охемы были приняты следующие допущения: I. Входной выпрям тель заменен идеальным источником. 2. Вентили - идеальные клю чи. 3. Магнитная характеристика стали трансформатора линейна. 4. Влияние паразитных емкостей пренебрежимо "мало. Система ПАК позволяет исследовать объект в переходных, установившихся,и аварийных режимах.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований по проверке адекватности использованных в работе математических моделей. Исследования проводились на макетах трехфазных источников питания с номинальными токами 6 и 15 кА Разработке макетов предшествовали исследования на цифровых мо делях.

Питание источников осуществлялось от трехфазной сети про мысленной частоты напряжением 380 В. Рабочая частота преобраз вателей устройств - 300 Гц. Приведен развернутый перечень пар метров элементов и полупроводниковых приборов разработанных источников питания. В макетах использованы тиристоры ТУ 80-9374, диоды JW I6I-I25-I0-3, диоды выходного выпрямителя Д .293 4000, конденсаторы типа МЕГУ-I. Системы управления выполнены на микросхемах серии 5SI. Изложена методика экспериментов,пре ложен способ измерения параметров силового трансформатора при работе источника питания на частотах около I кГц. В работе ис пользовано цифроаналоговое устройство .для измерения активногс и реактивного сопротивления сварочного контура машин КСПТ, разработанное в ДЭТИ.

Для измерения вторичных токов применен высокостабильный датчик с компенсацией наводки в измерительных проводах, созданный в ЛЭТИ. На макетах исследованы внешние и оегулировочнь характеристики, электромагнитные процессы при статической и сварочной нагрузках.

Отмочена вксокал стабильность работы макета предлагаемо] лоточника питания с полностью управляемым ключом в цепи поете лшюго текл при изменении нагрузки от холостого хода до коро^ >>ого заг-л-глшя, высокая степень симметрии фазных токов.

Прэго;;гл;о сравнение результатов моделирования и экспериментального .чсслодоганая :: о~:.:зчено их хорошее качественное

- 15 -

зоответствио. Попазано, что использование ь работе цифровые лодели обеспечивают требуемую для инженерных расчетов точность. 1ри этом результаты моделирования и эксперимента количествен:!'"' )тличались не более чем на 1Ъ%. Выявлены причины количественных расхождений, им ¿ищие регулярный характер.

Доказана адекватность использованных в работе математических моделей.

Приложения со^агрьлт фрагменты листингов программ, реалпзу-яцих модели трансформатора и источника питания, пакет Е!.:<п>:-"л tan них.

Основные результаты работы

1. Рассмотрен ряд схем источников электропитания повышен -[ой частоты для маиш КСПТ, реализация которых позволяет улуч-шть техниког-экономические показатели оборудования ответственно назначения.

2. Предложена схема источника питания с полностью управлявши ключом в цени постоянного тока, обеспечивающая ряд важш;>:,

: практической точки зрения, преимуществ по сравнению с другикл :хемами инверторов напряжения, таких как пониженный уровень наряжений на ключевых элементах, эффективное использование ак-ивных материалов трансформаторов, высокую стабильность дли-ельностей интервалов проводимости силовых вентилей, возмож-ость выполнения силовых трансформаторов на высокотехнологичных итых магнитопроводах без дополнительных контуро» размагничива-ия.

3. Получены сравнительные характеристики предложенного ио-очника питания.

•1. Рассмотрены вопросы, связанные с выбором оптимальной абочеп частоты устройства.

5. Разработана методика расчета параметров и характеристик родложенного источника питания, которая может быть рекомендо-ана при проектировании контактных сварочных преобразователей огшшенной частоты.

G. Предложена методика намерения параметров источника паянии, и частности, определения параметров сварочного транс-орматора, работающего на попиленных частотах.

- 16 -

7. Разработаны и изготовлены лабораторные макеты контактных сварочных преобразователей на ток 6 и 15 кЛ, проведены экспериментальные исследования на лабораторных макетах.

8. Приведен пример практической реализации предложенного источника питания на ток 15 кА, включающий список параметров элементов и основные эксплуатационные характеристики.

Публикации по теме диссертации

1. Источники сварочного тока контактных машин. Опит применения технологии и оборудования контактной сварки / Г.Л.Бенедиктов, В.Б.Вандышев, Ю.П.Горлов, Д.А.Ибрахим, Ю.А.Петров, Г.Н.Сидоров // Материалы научно-технического семинара,., 21— 2с дек.1989 г.-Л.,;1989. - С. 32 - 37.

2. Источник питания с общим коммутационным узлом / В.&.Ва| дашев, А.И.Гой, Д.А.Ибрахим, Ю.Б.Петров // Изв. ЛЭТИ. - 1990. ■ Внп.424. - 0.73-77.

Подп. к печ. 21.04.92. Формат 60x84 1/16. Офсетная печать. Печ.л. 1,0; учгизд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ Р 197.

Ротапринт С.-ПО,ЭТИ 197376, Санкт - Петербург, ул. Проф. Попова, 5