Введение к работе
Актуальность проблемы. Широкое использование в промышленности сварочного оборудования приводит к искажениям сетевого напряжения и тока, вызывая негативное влияние на питающую сеть. Искажение сетевого напряжения и тока отрицательно сказывается на работе электронно-вычислительной, измерительной и телеметрической аппаратуры, аппаратуры автоматики и связи, чувствительной к высокочастотным гармоническим составляющим напряжения питающей сети. Неблагоприятное воздействие несинусоидальных режимов питающей сети приводит к высокой вероятности возникновения экономического ущерба из-за нарушения работы указанных видов аппаратуры.
В то же время, современные тенденции ужесточения требований к энергетической экономичности электротехнологического оборудования, вызванные постоянным повышением цен на электрическую энергию, усиливают интерес к энергосберегающим технологиям, к которым относится и компенсация неактивных составляющих мощности.
Вопросам компенсации неактивных составляющих мощности посвящен ряд работ отечественных и зарубежных исследователей: Агунова М.В., Акаджи X., Демирчяна К.С., Джюджи Л., Зиновьева Г.С., Маевского О.А., Матура P.M. и др.
Компенсация неактивных составляющих мощности является одним из основных способов повышения качества питающей сети, а использование компенсирующих устройств совместно со сварочным оборудованием приводит к улучшению его энергетических характеристик. Однако резкоперемен-ный характер сварочного оборудования как нагрузки питающей сети, а также наличие нескольких этапов его работы затрудняют использование совместно с ним традиционных компенсирующих устройств, таких как синхронные компенсаторы, статические конденсаторы, фильтро-компенсирующие LC-цепи, что требует разработки новых устройств и способов компенсации.
При проектировании и эксплуатации сварочного оборудования требуется определение его энергетических параметров и внутренних сопротивлений. Такая задача возникает при анализе сварочного источника питания на электромагнитную совместимость с питающей сетью или другим электротехнологическим оборудованием, при вычислении электрических потерь, когда необходимо экспериментально определить активное сопротивление то-коведущих частей.
Вопросы математического моделирования и анализа сварочной дуга, разработки схем замещения сварочной дуги и источников питания с точки зрения обеспечения горения дуги исследованы'в работах ряда ученых: Касси A.M., Лакомского В.И., Лебедева В.К., Майра О., Патона Б.Е., Пентегова И.В., Рыкалина Н.Н., Сидорова В.П., Столбова В.И., Хренова К.К., Шельгазе М. и др.
В случае периодических синусоидальных питающего напряжения и
потребляемого тока, т.е. при линейной нагрузке, задача нахождения параметров схемы замещения может быть решена традиционными методами. Однако при наличии нелинейных сопротивлений в цепях электроприемника, вычисление активных сопротивлений и проводимостеи в его эквивалентной схеме затруднено. В случае же, когда необходимо составить схему замещения сварочного аппарата во время процесса сварки, как для пассивного двухполюсника, потребляющего энергию из сети, единой методики определения эквивалентных параметров схемы замещения не существует.
Поэтому разработка методики определения активной составляющей сопротивления сварочного оборудования во время процесса сварки, а также разработка новых способов и устройств компенсации неактивных составляющих мощности представляют определенный интерес и являются актуальными.
Диссертационная работа является составной частью исследований, проводимых в Тольяттинском политехническом институте по г/б НИР №06534 "Исследование составляющих электрического сопротивления в нелинейных и параметрических электрических цепях и их математическое моделирование".
Цель работы. Снижение влияния неактивных составляющих сопротивления сварочного оборудования на эффективность эксплуатации питающей сети.
Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Найти выражения для определения активных составляющих сопротивления и проводимости в последовательной и параллельной схемах замещения сварочного оборудования.
-
Сформулировать условия электромагнитной совместимости системы "источник питания — сварочная дуга" с питающей сетью и определить пути ее обеспечения.
-
Выполнить анализ энергетических характеристик сварочного оборудования.
-
Разработать новые способы и устройство компенсации неактивных составляющих сопротивления сварочного оборудования.
-
Экспериментальными исследованиями подтвердить работоспособность предложенного устройства компенсации.
Методы исследований. При решении поставленных в диссертационной работе задач использовался аппарат рядов Фурье, методы теории электрических цепей, методы численного интегрирования.
Достоверность исследований и методов расчета проверялась путем сопоставления результатов расчетов по аналитическим соотношениям с результатами экспериментов.
Научная новизна. В диссертационной работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты:
-
Впервые установленная зависимость между мгновенными значениями тока и напряжения нелинейного двухполюсника и значением активной составляющей сопротивления в последовательной и проводимости в параллельной схемах замещения нелинейного двухполюсника.
-
Сформулированные условия электромагнитной совместимости системы "источник питания - сварочная дуга" с питающей сетью.
-
Способы компенсации неактивных составляющих мощности.
-
Новая структура источника питания сварочной дуги с повышенным коэффициентом мощности.
Практическая ценность. Разработана методика определения активных составляющих сопротивления в электрических цепях несинусоидально-го тока и напряжения, позволяющая вычислять активные составляющие полного сопротивления сварочного оборудования для последовательной и параллельной схем замещения, являющихся основой для выработки рекомендаций по разработке оптимальных режимов энергоснабжения сварочного оборудования.
Сформулированы условия электромагнитной совместимости системы "источник - нелинейная нагрузка", позволяющие оценивать степень электромагнитной совместимости системы "источник питания - сварочная дуга" и питающей сети.
Разработан новый динамический способ полной компенсации неактивных составляющих мощности, позволяющий скомпенсировать негативное влияние на питающую сеть неактивных составляющих сопротивления сварочного оборудования.
Предложена новая структура источника питания сварочной дуги с повышенным коэффициентом мощности.
Внедрение результатов работы. Результаты работы используются в учебном процессе Поволжского технологического института сервиса, а также в производственном процессе МУП "Тольягтинское троллейбусное управление" г. Тольятти при оптимизации электрических параметров электротехнологического оборудования, что позволило компенсировать его негативное влияние на питающую сеть.
Апробация работы. Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено на:
Юбилейной научно-технической конференции (Тольятти, 1997); Научно-технической конференции "Проблемы технического управления в региональной энергетике" (Пенза, 1998).
Научно-технической конференции "Проблемы технического управления в региональной энергетике" (Пенза, 1999).
Ш-ей Международной научно-технической конференции "Математическое моделирование в электротехнике, электронике и электроэнергетике" (Львов, 1999).
VI Международной конференции "Проблемы современной электротехники - 2000" (Киев, 2000)
г Семинарах Электротехнического факультета Тольяттинского политехнического института. Публикации. По теме диссертации опубликовано лично и в соавторстве 13 работ, в том числе 6 научных статей, 5 тезисов докладов на научно -технических конференциях, 2 описания изобретения.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 111 наименований. Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста, иллюстрации на 27 страницах.