Комбинированный двухтрансформаторный преобразователь с обратным ключом и мягким включением Идрисов, Ильдар Камильевич

Введение к работе

Актуальность темы

В Российской Федерации за 2011 год было произведено 68,1 млн. тонн стали, из которых 10 млн. тонн приходится на трубную продукцию, что составляет 14,7%. И с каждым годом производство стальных труб возрастает. На конец 2011 года протяженность магистрального газопровода, нефтепровода и нефтепродуктопровода в сумме составили 242 тысячи километров. При этом на возникновение аварийной ситуации из-за дефектов сварных швов приходится 20% случаев.

Потребность в выполнении большого объема работ по сварке магистральных трубопроводов и постоянное повышение требований к качеству сварочных швов обусловливают применение новых сварочных технологий, в том числе управляемый капельный перенос электродного металла в сварочную ванну короткими замыканиями. Эта технология была предложена в СССР в 1980-е годы группой ученых из института "Электросварки им. Е. О. Патона" НАН Украины (Потапьевский А.Г., Заруба И.И.), из Томского политехнического университета (Князьков А.Ф., Сараев Ю.Н.) и развивается в наше время в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН и в других организациях России. За рубежом эта технология получила развитие во многих компаниях. Например, она используется в компании Lincoln Electric под названием Surface Tension Transfer (STT), а в компании Miller Electric -Regulated Metal Deposition (RMD). Известны работы, в которых показывается, что преобразователи, реализующие технологию управляемого капельного переноса, не обеспечивают требуемые скорости нарастания и спада тока. При этом скорость спада сварочного тока достигается включением балласта, что приводит к низкой эффективности этих преобразователей. Поэтому разработка новых высокоэффективных преобразователей, реализующих технологию управляемого капельного переноса с заданными скоростями нарастания и спада сварочного тока, является актуальной.

Степень разработанности темы

Комбинированный двухтрансформаторный преобразователь (КДП), на основе которого разработан преобразователь, представленный в данной диссертации, был предложен Федотовым В.А. и Семеновым В.Д. Подобными преобразователями занимались Царенко А.И., Ноникашвили А.Д., Панфилов Д.И., Сафанюк B.C., Мишачев А.П., Романов А.В., Бардин А.И., Пузиков А.Д., Лебедев В.М., Суворинов М.И. и др. Однако все рассмотренные ими преобразователи имеют большую инерционность, что не позволяет быстро изменять ток нагрузки. КДП обеспечивает высокую скорость нарастания тока, но при сварке короткой дугой не обеспечивает достаточного напряжения для поджига дугового разряда. Кроме того, КДП в режиме стабилизации сварочного тока не обеспечивает равномерное распределение тока нагрузки между управляемыми ключами преобразователя, что уменьшает эксплуатационную надежность преобразователя из-за возможного перегрева более нагруженных ключей.

Вопросам проектирования преобразователей с мягким переключением посвящены работы Гончарова А.Ю., Лукина А.В., Эраносяна С.A., Hamo D. J., Меске Н., Fischer W., Werter F., Redl R., Balogh L., Edwards D.W., Writtenbreder E.H. и др. Однако, в ряде работ необоснованно используются различные названия для обозначения одного и того же преобразователя. Поэтому автором был проведен обзор работ, в которых составлялись классификации преобразователей, реализующих мягкое переключение, среди которых были работы Лукина А.В., Редди Р.С, Розанова Ю.К., Рябчицкого М.В., Кваснюк А.А., Силкина Е.М., Brown М., Erickson R.W., Martins M.L., Russi J.L., Hey H.L., Rashid M.H., Williams B.W. По результатам обзора автором был предложен свой вариант классификационной диаграммы.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование источника питания на основе комбинированного двухтрансформаторного преобразователя, позволяющего реализовать импульсно-дуговую сварку короткой дугой в среде защитных газов и обеспечить заданную скорость нарастания и амплитуду импульса сварочного тока при одновременном повышении эффективности работы преобразователя.

Для достижения этой цели потребовалось решить ряд задач:

1. Провести обзор преобразователей, реализующих технологию сварки управляемым капельным переносом, и выявить их достоинства и недостатки.

2. Разработать преобразователь на основе КДП для импульсно-дуговой технологии сварки управляемым капельным переносом короткой электрической дугой в среде защитных газов и исследовать его характеристики во всем диапазоне заявленных мощностей.

3. Исследовать возможность повышения эффективности преобразователя за счет реализации фазового управления и перехода к мягкой коммутации.

4. Разработать компьютерную модель преобразователя и исследовать на ней его динамические характеристики.

5. Экспериментально исследовать лабораторный макет
комбинированного двухтрансформаторного преобразователя с обратным
ключом и сравнить результаты исследований с результатами, полученными на
компьютерной модели.

Объектом исследования является комбинированный

двухтрансформаторный преобразователь с обратным ключом (КДП с ОК) в цепи возврата энергии и мягким включением для импульсно-дуговой технологии сварки в среде защитных газов.

Предметом исследования являются электромагнитные процессы, протекающие в комбинированном двухтрансформаторном преобразователе с обратным ключом в цепи возврата энергии в режиме мягкого включения и в режиме формирования фронта импульса сварочного тока, а также эффективность работы преобразователя.

Научная новизна работы

1. Разработана новая схема комбинированного двухтрансформаторного преобразователя с обратным ключом, позволяющего реализовать импульсно-

дуговую сварку короткой электрической дугой в среде защитных газов с высокой эффективностью.

2. Впервые предложено введение обратного ключа в комбинированный двухтрансформаторный преобразователь, позволяющее реализовать фазовое управление и мягкое включение силовых ключей и таким образом равномерно распределить нагрузку на ключи мостового инвертора и в 2 раза снизить динамические потери.

3. Предложен новый алгоритм управления КДП с ОК, позволяющий обеспечить режимы работы, необходимые для реализации процесса управляемого капельного переноса.

4. Впервые предложено введение накопительного конденсатора в КДП с регулированием напряжения на нем, позволяющее по сравнению с КДП повысить напряжение при поджиге дугового разряда до необходимого уровня, сохранить низкий уровень рабочего напряжения для реализации сварки короткой дугой, увеличить в 2 раза скорость нарастания фронта импульса сварочного тока по сравнению с КДП, а также увеличить коэффициент передачи энергии на 8,5%.

Практическая значимость диссертации

1. Предложенная компьютерная модель КДП с ОК позволяет исследовать алгоритмы формирования импульса тока, влияние емкости накопительного конденсатора на динамические характеристики преобразователя, а также работу преобразователя при мягком переключении с различными моделями транзисторных ключей.

2. Результаты работы использованы при разработке источников питания в системах с адаптивной импульсной технологией сварки.

3. Выведенное расчетное соотношение коэффициента передачи энергии в нагрузку позволяет упростить проектирование КДП для импульсно-дуговой технологии сварки.

4. Выведенное расчетное соотношение скорости нарастания фронта
импульса сварочного тока позволяет повысить адекватность оценки и
упростить сравнительный анализ результатов эксперимента и моделирования за
счет учета дополнительных параметров, таких как напряжение на
накопительном конденсаторе, динамическое сопротивление и напряжение дуги,
а также индуктивность сварочного контура.

5. Разработанные методики расчета реактивных элементов резонансного контура коммутации, расчета накопительного конденсатора и нахождение граничного режима работы, при котором обеспечивается мягкое включение, позволяют упростить проектирование КДП с ОК.

6. Отдельные положения работы использованы в учебном процессе при преподавании таких дисциплин, как «Основы преобразовательной техники», «Энергетическая электроника» и «Импульсно-модуляционные системы» для студентов кафедры «Промышленная электроника».

Методы и средства исследований

Для решения поставленных задач применялись: теория электрических цепей, теория систем линейных алгебраических уравнений, методы

аналитического и численного решения интегральных и дифференциальных уравнений, методы схемотехнического моделирования с использованием пакетов компьютерного моделирования MatLab/Simulink и SwitchwerCAD / LTSpice, программа инженерных и научных расчетов MathCad, а также методы статистической обработки полученных результатов. Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанный комбинированный двухтрансформаторный
преобразователь с обратным ключом обеспечивает реализацию импульсно-
дуговой сварки короткой электрической дугой в среде защитных газов с
высокой эффективностью. Схема предложенного преобразователя является
новой и защищена патентом на полезную модель.

2. Введение обратного ключа в КДП позволяет реализовать фазовое
управление и мягкое включение силовых ключей и таким образом равномерно
распределить нагрузку на ключи мостового инвертора, снизив в 2 раза
динамические потери.

3. Предложенный алгоритм управления КДП с ОК обеспечивает
реализацию всех режимов работы, необходимых для технологии сварки
управляемым капельным переносом.

4. Введение накопительного конденсатора и регулирование напряжения
на нем позволяет по сравнению с КДП повысить напряжение при поджиге
дугового разряда до необходимого уровня, сохранить низкий уровень рабочего
напряжения для реализации сварки короткой дугой, увеличить в 2 раза скорость
нарастания фронта импульса сварочного тока, а также увеличить коэффициент
передачи энергии в нагрузку на 8,5%.

Достоверность научных результатов подтверждается совпадением с достаточной точностью результатов аналитических расчетов с результатами математического моделирования и результатами экспериментальных исследований на лабораторном макете.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы в интеллектуальном источнике питания, созданном в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН применительно к адаптивной импульсной технологии сварки для проведения исследований быстропротекающих процессов. Также результаты работы внедрены в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники в учебный процесс и используются при проведении лабораторных работ и курсовых проектов по дисциплине «Энергетическая электроника». Результаты диссертационной работы были использованы при реализации проекта группового проектного обучения (ПрЭ-0732 «Источник питания инверторного типа для ручной электродуговой сварки») и при подготовке выпускных квалификационных работ.

Личный вклад автора

Материалы диссертации являются обобщением работ автора, выполненных в период с 2009-го по 2013 года, и отражают его личный вклад в решаемую задачу. Основные научные результаты получены автором

самостоятельно. Опубликованные работы написаны в соавторстве с руководителем и другими авторами. Совместно с научным руководителем выполнена постановка задач диссертационного исследования, анализ и обсуждение результатов теоретических и практических исследований. Автором совместно с Федотовым В.А. разработан и изготовлен экспериментальный стенд комбинированного двухтрансформаторного преобразователя с обратным ключом и мягким включением, практические исследования на котором проведены автором самостоятельно.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Всероссийской конференции молодых ученых «Материаловедение, технологии и экология в 3-м тысячелетии» (Томск, 2012 г.), а также на Всероссийских научно-технических конференциях «Научная сессия ТУ СУР» (Томск): «Научная сессия ТУСУР-2010», «Научная сессия ТУСУР-2011», «Научная сессия ТУСУР-2013».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 2 патента на полезную модель по тематике диссертационной работы.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 166 страницах машинописного текста, иллюстрируется 75 рисунками и 30 таблицами. Состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 103 наименований и 3 приложений.