Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Влияние источников питания контактной сварки на питающую сеть
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
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
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
- Экспериментальное снятие кривых потребляемого контактной машиной тока и питающего напряжения и их анализ
- Математическое моделирование источника питания точечной контактной сварочной машины с однофазным питанием
- Имитационное моделирование контактной сварочной машины
- Выработка рекомендаций по возможности использования результатов в сфере машиностроения
Введение к работе
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 электротехнологического 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 А. (Draou A.), Маевского О.А., Матуры Р.М., Патела Х.С. (Patel H.S.), Тахри А. (Tahri A.), 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 – питающая 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 MatLab и MathCAD.
Достоверность научных результатов подтверждается математическими доказательствами, моделированием в системах MatLab и MathCAD, 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 рег. №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 включает в себя 156 страниц основного текста, 13 таблиц и 52 рисунка, 11 страниц списка литературы.
Экспериментальное снятие кривых потребляемого контактной машиной тока и питающего напряжения и их анализ
Как было показано, при оценке влияние контактной сварки на питающую сеть большую роль играют такие вредные факторы, как потребление реактивной мощности и значительное содержание высших гармоник.
Стимулирование промышленных потребителей к поддержанию оптимального для энергосистемы коэффициента реактивной мощности было введено еще в 30-х годах прошлого века, во времена интенсивной индустриализации. Была разработана гибкая система скидок и надбавок к тарифу на электроэнергию. Основной целью снижения величины реактивной мощности тогда было стремление к минимизации расходов на строительство электрических сетей. То есть, снизив величину реактивной мощности, можно было сэкономить на сечении проводов и уменьшении мощности трансформаторов [52].
Существует достаточно много способов и средств снижения реактивной мощности и уменьшения содержания высших гармоник в питающей сети, описанных, например, в [8, 74, 83].
Наиболее распространено было использование статических компенсаторов, которые представляли собой конденсаторную батарею (КБ) и включались на шины подстанций. Такая компенсация применяется до сих пор в различных узлах электрических сетей и для различных классов напряжения.
Широкое применение конденсаторов для компенсации реактивной мощности объясняется их значительными преимуществами по сравнению с другими видами компенсирующих устройств: незначительные удельные потери активной мощности до 0,005 кВт/квар, отсутствие вращающихся частей, простота монтажа и эксплуатации, относительно невысокая стоимость, малая масса, отсутствие шума во время работы, возможность установки около отдельных групп электроприемников и т.д. Однофазные машины переменного тока электрической контактной сварки обладают cos p, обычно не превышающим 0,5, а у машин с развитым вторичным контуром cos p уменьшается до 0,2. Из-за нагрузки одной фазы возможна несимметрия напряжения силовых фаз питающей сети. Даже в случае использования трехфазного питания несимметрия фаз будет проявляется из-за использования полупроводниковых преобразователей.
Кроме того, нелинейные элементы в схеме являются источниками высших гармоник, причем это наиболее актуально для источников питания с частотой не равной частоте сети.
К недостаткам источников питания низкочастотных машин следует отнести сложность электронной аппаратуры и значительно большие размеры сварочного трансформатора, сечение стали которого увеличено примерное во столько же раз, во сколько уменьшена частота питающего напряжения [77].
С начала эксплуатации источников питания для контактной сварки возникла проблема обеспечения требуемого качества электроэнергии. Она продолжает оставаться актуальной и в настоящее время в связи с ростом доли контактных сварочных машин на промышленных предприятиях. Недостатки конденсаторных батарей: пожароопасность, наличие остаточного заряда, повышающего опасность при обслуживании; чувствительность к перенапряжениям и толчкам тока; возможность только ступенчатого, а не плавного регулирования мощности.
Общим вопросам компенсации реактивной мощности и проектирования конденсаторных батарей посвящен ряд работ отечественных и зарубежных исследователей: Шидловский А.К. (1977 г. - Использование конденсаторных батарей для симметрирования нагрузки в низковольтных системах электроснабжения [103]), Жежеленко И.В. (1974 г. - Проблема высших гармоник в системах электроснабжения промпредприятий), Железко Ю.С. (Повышение качества электроэнергии в электрических сетях) и другие.
Примерно к этому же периоду относится и появление синхронных компенсаторов реактивной мощности. Известно, что при увеличении тока возбуждения выше номинального значения синхронные двигатели (СД) могут вырабатывать реактивную мощность, следовательно, их можно использовать как средство компенсации реактивной мощности. Главным отличием СД от асинхронного двигателя является то, что магнитное поле, необходимое для действия СД, создаётся в основном от отдельного источника постоянного тока (возбудителя). Вследствие этого СД в нормальном режиме почти не потребляет из сети реактивной мощности, необходимой для создания главного магнитного потока, а в режиме перевозбуждения, т.е. при работе с опережающим коэффициентом мощности, может генерировать ёмкостную мощность в сеть.
Синхронные двигатели, выпускаемые отечественной промышленностью, рассчитаны на опережающий коэффициент мощности и при номинальной активной нагрузке и напряжении могут вырабатывать номинальную реактивную мощность:
Преимуществом СД, используемым для компенсации реактивной мощности, по сравнению с КБ является возможность плавного регулирования генерируемой реактивной мощности.
Математическое моделирование источника питания точечной контактной сварочной машины с однофазным питанием
Значительную долю в полной мощности, потребляемой машиной контактной сварки переменного тока, имеют реактивная составляющая и мощность искажений. Это приводит к необходимости использования компенсирующих устройств для улучшения таких энергетических показателей, как коэффициент мощности, составляющий примерно 0,7, и коэффициент нелинейности. С одной стороны, машина потребляет значительную реактивную мощность на коротком промежутке времени и большие по амплитуде токи, составляющие сотни ампер. С другой - в спектральном составе потребляемого тока источника питания машины контактной сварки ярко выражена первая гармоника с практически неизменной амплитудой и незначительно меняющийся состав высших гармоник. С учетом этих особенностей имеет смысл разработка специальных, более эффективных и дешевых, чем существующие, средств компенсации для контактной сварки.
Известны идея и общие принципы построения и управления гибридных статических компенсаторов в виде системы взаимодополняющих устройств компенсации реактивной мощности [10]. Такие устройства устраняют базовую составляющую реактивной мощности, имеющую по сравнению с другими наиболее низкую частоту токов при взаимодействии сети, нагрузки и устройств компенсации мощности искажения. В результате их работы ток сети, образованный сложением тока компенсируемой нагрузки и тока компенсатора реактивной мощности, доводится до синусоидальной формы с амплитудным значением, равным активной составляющей основной гармоники тока нагрузки [104, 64].
В [53] показана необходимость разработки объединенных систем компенсации. Она объясняется ограниченными функциональными возможностями современных компенсаторов, а именно недостаточно широкой полосой пропускания компенсатора реактивной мощности, не позволяющей использовать их для компенсации мощности искажения - с одной стороны, а также ограниченной энергоемкостью компенсатора мощности искажения, не позволяющей в процессе энергообмена генерировать мощность на достаточно продолжительных временных интервалах - с другой.
В этом случае, при проектировании гибридных компенсаторов, необходимо учесть все возможные режимы работы контактной сварочной машины и компенсирующего устройства. Учет необходим для решения таких задач, как, например, создание систем управления и может быть выполнен путем создания имитационной модели системы «сеть - компенсатор -контактная сварочная машина».
Построение данной модели невозможно без математического описания отдельных ее компонентов. Чем более адекватна будет математическая модель, тем точнее будут учтены изменения параметров системы в процессе сварки.
Таким образом, ставится задача разработки математической модели, лежащей в основе имитационной модели системы «сеть - компенсатор -контактная сварочная машина». Основные требования к математической модели: 1 Учет вариативности тока, потребляемого контактной сварочной машиной, вызванной изменением технологических параметров процесса сварки. 2 Учет инерционности ключевых элементов компенсатора мощности искажения. 3 Учет дискретности процессов работы системы управления. 4 Возможность совместного моделирования компенсирующих устройств различных типов. 2.2 Математическое моделирование источника питания точечной контактной сварочной машины с однофазным питанием
Известен подход к моделированию работы электрической части контактной сварочной машины, описанный в [49], когда ток и напряжение находятся из схемы замещения.
Как известно из [59], сварочную машину можно представить в виде последовательно включенного активного сопротивления г и катушки индуктивностью L, как показано на рисунке 2.2.1. В этом случае L -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. Пренебрегая приведенными ко вторичной цепи сопротивлениями обмотки трансформатора, получим, что полное сварочное сопротивление можно представить в виде:
Имитационное моделирование контактной сварочной машины
На втором этапе значения проводимости интегрируются, и значение интеграла записывается в ячейку памяти G в момент окончания текущего периода, такие моменты вычисляется блоком «Period Measurement». Аналогично вычисляется и сохраняется период сетевого напряжения путем интегрирования единицы. Таким образом, в любой момент времени, за исключением первого периода работы компенсатора, в ячейках памяти сохранены значения проводимости нагрузки и периода сетевого напряжения, которые используются в выражении (3.1.1). На третьем этапе вычисляется мгновенное значение компенсационного тока, которое поступает на информационный вход подсистемы компенсатора «Static Var Compensator».
Подсистема полупроводникового статического компенсатора "Static Var Compensator" показана на рисунке 3.1.3.
Блок состоит из силовой схемы преобразователя, включающей транзисторы VT1 - VT4, обратные диоды VD1 - VD4, накопительный конденсатор С1, сглаживающий дроссель L1; блока генерации управляющих импульсов «Pulse gen» и измерительных элементов.
Ток, генерируемый компенсатором, измеряется датчиком "Current Measurement" и подается на информационный вход Icm блока генерации управляющих импульсов, на другой вход Ice подается вычисленный ток. В результате работы подсистемы "Pulse gen" формируются управляющие импульсы, которые подаются на транзисторы одной из ветвей мостовой схемы. Для формирования положительной полуволны компенсационного тока используются транзисторы VT1 - VT4 и импульсы с выхода Pulses_pos, в то время, когда на другом выходе Pulses_neg импульсы отсутствуют. Для отрицательной полуволны используются транзисторы VT2 - VT3 и выход Pulses_neg.
Генерацию импульсов осуществляет стандартный блок S-Function Builder, логика формирования импульсов описана на языке программирование Си [70, 54], блок-схема алгоритма его работы показана на рисунке 3.1.5, а код приведен в листинге 3.1.1.
Импульсы формируются по гистерезисному закону. Сначала вычисляется нижняя и верхняя границы гистерезиса. Если измеренное значение пересекает границу гистерезиса, происходит изменение состояния выходов.
Результаты работы модели в виде временных диаграмм сетевого потребляемого тока, тока через транзисторы и диоды, спектральные характеристики токов приведены на рисунках 3.1.6-3.1.10. В качестве модели нагрузки использовали управляемый источник тока, мгновенные значения тока которого задавались таблично полученными предварительно экспериментальными данными потребляемого контактной сварочной машиной тока. I ! г
Спектральный состав потребляемого из сети тока при работе статического компенсатора в зависимости от ширины зоны гистерезиса Спектральный анализ показал, что в кривой сетевого тока помимо основной гармоники присутствуют высшие гармоники. С помощью имитационной модели можно найти частоту переключения силовых ключей компенсатора в зависимости от номиналов пассивных элементов схемы и параметров систем управления. С помощью модели можно также подобрать требуемые параметры элементов для задания определенной ширины гистерезиса AI, или же наоборот, найти получаемую ширину гистерезиса для заданных параметров.
Например, при емкости накопительного конденсатора 500 мкФ, индуктивности сглаживающего дросселя 5 мГн и ширине зоны гистерезиса 20 А, частота переключения транзисторов составляет примерно 2,5 кГц, а в спектре потребляемого тока велики доли нечетных 39-43, а также 79-83.
Можно сделать вывод, что полученная имитационная модель позволила установить, что функционирование приборов с точки зрения потребления мощности и токовой нагрузки силовой части зависит от алгоритма функционирования и режима системы управления значительно меньше, чем качество компенсации неактивных составляющих полной мощности. Кроме этого, показано, что для использования известных способов компенсации необходимы предварительно накопленные данные о нагрузке. В рассмотренном способе используется проводимость, 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, и приводит к увеличению стоимости устройства и ограничивает применение компенсации неактивной мощности в области контактной сварки в настоящее время [60].
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.
Выработка рекомендаций по возможности использования результатов в сфере машиностроения
Как правило, устройство повышения коэффициента мощности включает силовую часть на полупроводниковых ключах, генерирующую выходной ток, и систему управления, определяющую законы управления ключами. Причем законы функционирования системы управления играют доминирующую роль в работе всего устройства. Данные законы удобно отрабатывать путем моделирования с помощью ЭВМ. В целом, вся компенсирующая система постоянно работает в режимах, близких к переходным и которые только со значительной натяжкой можно назвать квазистационарными.
Для повышения эффективности труда разработчиков используются различные средства имитационного моделирования. На рынке программного обеспечения существует множество средств, позволяющих реализовать как схемотехническое моделирование (например, Micro-CAP, DesignLab, Electronic Workbench, Multisim) или математическое (MathCAD), так и совокупность схемотехнического моделирования силовой части, и математическое описание системы управления на уровне функциональных блоков (MatLab). Таким образом, возможно полное или частичное построение имитационной модели устройства коррекции коэффициента мощности и нагрузки с помощью программных средств, расчет токов и напряжений и других параметров в системе, построение графиков, что увеличивает эффективность труда разработчика.
Однако за удобство работы с программными имитационными продуктами приходится платить отсутствием возможности наблюдать реальные особенности работы полупроводниковых ключей и их устройств управления. Так, например, не всегда возможно учесть инерционные процессы в системах измерения входных величин, управления и силовой части или недостаточно полно имитационные модели отдельных компонентов описывают реальные устройства. Это может стать серьезной проблемой, например, при построении специализированных силовых полупроводниковых преобразователей, предназначенных для повышения коэффициента мощности с учетом характеристик энергопотребления оборудования.
Удобно сочетать имитационную модель в программном продукте и модель физическую, позволяющую исследовать процессы появления и развития тех или иных режимов. Так при работе с программой Simulink, входящей в пакет MatLab, существует возможность обмена данными между компьютерной имитационной моделью и электронными платами систем измерения или силовой части полупроводникового преобразователя через порты ввода-вывода ЭВМ.
При работе по повышению коэффициента мощности кроме программного продукта [81] разработана аппаратная часть имитационного комплекса.
Структура комплекса показана на рисунке 4.4.1. Этот комплекс позволяет средствами Matlab определить численные значения управляющих воздействий на полупроводниковые ключи. В качестве входных переменных в этом случае используются реальные измеренные значения тока I и напряжения U. Ввод осуществляется с помощью внешнего модуля, представляющего собой микропроцессорную систему управления с аналоговыми входами, выходами для управления полупроводниковыми ключами и интерфейсом USB для связи с PC.
Кроме измерения входных токов и напряжения комплекс позволяет измерять значения токов через полупроводниковые ключи, напряжение на конденсаторе и полупроводниковых ключах и средствами MatLab строить графики для сравнения измеренных реальных и вычисленных значений.
Подобная организация работы позволяет повысить эффективность разработки законов управления полупроводниковыми преобразователями и способов вычисления необходимых управляющих воздействий.
Устройство состоит из 5 функциональных блоков: блок питания для системы управления и датчиков измерительной части, полупроводниковый статический компенсатор, емкостной компенсатор, измерительная часть и система управления. Размещено на трех, гальванически развязанных, печатных платах: силовая плата, информационная и система управления.
Измерительная часть служит для измерения сетевого напряжения и тока, а также тока компенсирующего устройства.
