Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время дуговая электросварка занимает ведущее место в сварочном производстве. Наряду с совершенствованием технологии сварки актуальной для данной отрасли является проблема создания оборудования, отвечающего современным требованиям.
Монтажные и ремонтно-строительные организации, ЖЭУ, гаражные и огородно-садоводческие кооперативы, сельскохозяйственные структуры различных типов, индивидуальные застройщики, автолюбители и другие категории людей, которым приходится производить сварные работы, сталкиваются с трудностью, а то и с невозможностью транспортировки сварочного оборудования к месту расположения спариваемых изделий. Поэтому сейчас приходится оснащать источниками питания дуги (ИПД) все возможные места выполнения сварочных работ или, если это опять же возможно, каждый раз транспортировать сами свариваемые изделия.
Такое состояние организации выполнения сварочных работ является результатом того, что выпускаемые промышленностью источники питания для ручной дуговой электросварки, как правило, содержат сетевой трансформатор, во многом определяющий массогабаритные и энергетические показатели источника в целом. Таким образом, большие габариты и пес трансформаторных источников ограничивают возможности оперативной организации сварочных работ, причем резкий рост пен на обмоточную медь и трансформаторную сталь приводит к росту себестоимости таких источников при неизменных потребительских свойствах.
В связи с вышеизложенным проблема совершенствования технико-экономических показателей источников питания для электродуговой сварки связана прежде всего с исключением из их структуры входного трансформатора за счет введения преобразовательного звена повышенной частоты. Увеличение частоты передаваемых напряжений и токов позволяет резко уменьшить массогабаритные показатели всех реактивных элементов, дает экономию металла и материалов, улучшает динамические свойства источника питания.
Как показывает опыт стран Западной Европы и США, где различные фирмы выпускают серийно десятки типов различных по структуре бестрансформаторных источников, новое поколение источников уверенно занимает свое место на рынке рядом с традиционными трансформаторными источниками. При этом в нашей стране, в связи с разукрупнением больших промышленных и строительных предприятий и организаций и расширени-
4 ем сети мелких и средних частных производственных структур, потребность в переносных источниках в ближайшие годы будет расти.
Итак, проблема разработки переносных бестрансформаторных источников питания для сварки является для России актуальной.
Дальнейшее развитие схемотехники источников питания для сварки требует, в свою очередь, дальнейшего развития методов анализа и расчета электромагнитных процессов в них. Так, для тех инверторпых ИПД, где центральным звеном является резонансный инвертор, несмотря на появление в последние годы у нас и, в особенности, за рубежом, казалось бы, достаточного количества публикаций, посвященных проектированию и исследованию его основных классов и внесших весомый вклад в теорию и практику расчет, остается актуальной задача получения интегральных характеристик установившегося режима работы в аналитической форл;е, удобной для анализа и параметрической оптимизации реактивных элементов инвертора.
Целью диссертационной работы является исследование установившихся электромагнитных процессов и однофазных резонансных инверторах, используемых в составе источников питания дуговой сварки на постоянном токе со звеном повышенной частоты, разработка методики расчета и оптимизации основных энергетических характеристик однофазных мостовых и нолумостовых инверторов с обратными диодами.
Методы исследования. При анализе электромагнитных процессов в резонансных инверторах мостового и полумостового видов с обратными диодами использовался прямой метод расчета интегральных характеристик процессов в преобразователях - метод алгебраизации дифференциальных уравнений (АДУ) и мстолы теории электрических цепей, а для проверки достоверности аналитических результатов и для получении характеристик предложенной схемы резонансного инвертора - метод машинного моделирования.
Научная новизна работы заключается:
в уточнении математической модели однофазного симметричного резонансного инвертора с обратными диодами в установившемся режиме;
в развитии теории однофазных мостового и гюлумостового резонансных инверторов с обратными диодами с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно при частотном и широтном способах регулирования выходного напряжения;
в результатах анализа основных энергетических характеристик исследуемых инверторов с типовыми эквивалентными коммутирующими цепями
5 второго, третьего и четвертого порядков, а также с произвольной конфигурацией эквивалентной коммутирующей цепи до четвертого порядка включительно, как при учете основных реактивных параметров Т-образной схемы замещения выходного ірансформатора, так и в предположении его идеальности;
в полученном аналитическом выражении для установленной мощности реактивных элементов типовой коммутирующей цепи четвертого порядка исследуемых инверторов и аналитическом выражении для оптимизированного по минимуму этой величины значения одного из параметров данной коммутирующей цепи;
в полученных аналитических выражениях для схемного времени выключения тиристоров исследуемых инверторов с типовыми эквивалентными коммутирующими пенями второго и іретьсго порядков;
в применении в предложенной схеме квазиоднотактного резонансного инвертора принципа отработки заданного времени восстановления управляющих свойств тиристоров.
Практическая ценность работы. Разработана инженерная методика как расчета основных энергетических характеристик однофазных мостового и иолумостового резонансных инверторов с обратными диодами и трансформаторным выходом, нагруженным выпрямителем, фильтром и сварочной дугой, так и выбора конфигурации и основных параметров коммутирующей цепи в зависимости от требований, предъявляемых видом сварки к параметрам внешней характеристики инвертора. Проведена оптимизация параметров типовой коммутирующей цепи четвертого порядка по минимуму установленной мощности реактивных элементов.
Реализация работы. Настоящая диссертация подготовлена в НИЛ Энергооптимизации преобразовательных систем (ЭОПС) кафедры промышленной электроники в процессе работы автора в составе группы сотрудников лаборатории в рамках республиканской госбюджетной программы "Оборудование и технология дуговой сварки, наплавки и пайки" и по гранту МЭИ "Основы анализа и синтеза энергоэффективных модуляционных токовых преобразователей".
Результаты работы в виде методик и рекомендаций внедрены в АКБ "Якорь" (г. Москва) и в НПО "Коминтерн" (г. Новосибирск) и использованы при проектировании опытно-промышленного и серийного образцов ти-ристорных инверторных источников питания для дуговой электросварки на постоянном токе. Информация, необходимая для освоения выпуска пере-
поеных ИПД, передана также на следующие предприятия: торгово-промышленное объединение "Урал", ПО "Север", АО СибПКТИ.
На зашиту выносятся основные положения и результаты диссертационной работы, сформулированные в заключении.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научной конференции с международным участием "Проблемы электротехники" (г. Новосибирск, 1993г.) на трех международных научно-технических конференциях "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (г. Новосибирск, 1994г., 1996г., 1998г.), па международной научной конференции "Power Electronics and Motion Control" (Варшава, 1994г.), а также на научных семинарах кафедры промышленной электроники НГТУ в 1993-1998гг.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано восемь печатных работ, в том числе получен патент на изобрегенис.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (115 наименований) и приложений. Содержит 185с. основного текста, 87с. иллюстраций, 4 таблицы, 10с. приложений.
