Високоефективні джерела для дугового зварювання на основі індуктивно-ємнісних перетворювачів - Автореферат

В сучасному промисловому виробництві зварювання є одним із провідних технологічних процесів, від рівня розвитку якого значною мірою залежить ефективність багатьох галузей народного господарства. Актуальність теми дисертаційної роботи додатково підтверджується й результатами досліджень інших авторів, які свідчать про те, що при зварюванні за допомогою резонансних джерел можна досягти нової якості зварних зєднань. Метою дисертаційної роботи є теоретичне та експериментальне обґрунтування способів побудови резонансних зварювальних джерел, призначених для різних способів дугового зварювання, відмітних високими показниками енерго-та ресурсозбереження, а також низьким рівнем створюваних електромагнітних перешкод, що мають працювати у широкому діапазоні частот. розроблено та обґрунтовано нові способи регулювання зварювального струму в резонансних джерелах, де використовується дискретно-часове перетворювання, завдяки чому розлад зварювального контуру залишається практично постійним при зміні режимів зварювання в широких межах; · зафіксовано ефект саморегулювання робочої температури ємнісного реактора, який полягає в тому, що при його нагріванні зварювальним струмом відбувається змінення розміру електричної ємності, а це призводить до розладу резонансного контуру, внаслідок чого рівень робочого струму спадає, а реактор починає охолоджуватися, його ємність змінюється у зворотному напрямку, що спричиняє нове зростання струму, і т.д.; показано, що глибина такої паразитної температурної модуляції зварювального струму залежить від вибору типу конденсаторів по ТКЄ, застосування примусового обдування, а також установленого режиму зварювання;У першому розділі дисертації на основі аналізу сучасних тенденцій розвитку зварювального обладнання показано, що використання індуктивно-ємнісних перетворювачів як силових модулів джерел для дугового зварювання дозволяє практично, окрім високих показників зварювально-технологічних властивостей, додатково реалізувати низку переваг, основні з яких такі: - висока енергоефективність за рахунок підвищених значень ККД і cos; Граничний випадок, що характеризує найбільшу напругу на дузі Uд max (режим максимального струму зварювання), повинен мати рівність лівої й правої частин співвідношення (5). Тому для джерел, призначених для МИГ/ МАГ-зварювання слід рекомендувати 10…20 %, для зварювання штучними електродами ММА = 30…60 %, а для ТИГ-зварювання > 70 %. Розпаралелювання каналів формування зварювального струму забезпечує такі переваги: 1 - знижуються енерговитрати, оскільки частина модулів може бути виключена при малих і середніх струмах; 2 - значно підвищуються показники надійності зварювального обладнання (довговічність і ремонтопридатність); 3 - спрощується управління режимом зварювання; 4 - поліпшуються динамічні властивості пристрою в цілому тощо. По-перше, має бути забезпеченим надійний перехід з режиму холостого ходу у номінальний зварювальний режим за час твкл ?Ј 0,06 с; по-друге, для впевненого підпалювання дуги, особливо при зварюванні дуже кородованих виробів, пристрій повинен мати необхідний рівень чутливості.На основі аналізу методів побудови високоефективного зварювального обладнання, що характеризується високими параметрами енергозбереження, низькою матеріалоємністю, а також малим рівнем створюваних при роботі електромагнітних перешкод показано, що найкращих результатів можна досягти при використанні силових елементів зварювальних джерел ІЄП. Розроблено основи теоретичних розрахунків електромагнітних процесів у резонансних перетворювачах, за допомогою яких установлено, що їх зовнішня характеристика може регулюватися відповідним вибором відношення реактивних елементів зварювального контуру (XL/XC); показано, що оптимальне значення цього відношення для Мма-зварювання перебуває в межах 0, 7…0,8, а для ТИГ-зварювання - 0, 4…0,5. Запропоновано, розроблено й обґрунтовано нові способи регулювання зварювального струму в резонансних джерелах, що використовують дискретно-часове перетворювання, завдяки чому розлад зварювального контуру залишається практично постійним при зміні режимів зварювання в широких межах. Використання індуконів як силових модулів ЗІЄП значно поліпшує їх зварювально-технологічні властивості, особливо це стосується процесу ТИГ-зварювання. Показано, що глибина такої паразитної температурної модуляції зварювального струму залежить від вибору типу конденсаторів по ТКЄ, застосування примусового обдування, а також установленого режиму зварювання; усунення флуктуацій зварювального струму, обумовлених ефектом саморегулювання температури ємнісного реактора, можна досягти шляхом створення комбінованих реакторів на основі конденсаторів з позитивним і негативним ТКЄ.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВІДБИТИЙ У ТАКИХ РОБОТАХ

1. Коротынский А.Е., Корниенко А.Н., Мухлыгин Н.С. Программно-управляемое устройство формирования временной задержки // ПТЭ. - 1981. - № 6. - С. 119-121.

2. Korotynskij A.E., Muchlygin N.S. Besonderheiten des Aufbaus von Messgeraten zur Erfassung des echten Effektivwertes des Schweisstromes // ZIS-Mitteilungen. - 1981. - № 5. - S. 507-512.

3. Коротынский А.Е., Симонов В.И. Устройство измерения малых скоростей с двойным цифро-аналоговым преобразованием // Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов: Сб. тр. всесоюз. конф. - Рига, 1983. - С. 76-81.

4. Выбор структурной схемы и технических средств сбора информации при дуговой сварке / А.Е.Коротынский, Я.Ф.Кисилевский, Н.С.Мухлыгин, В.М.Терехов // Автомат. сварка. - 1984. - №10 - С. 59-62.

5. Коротынский А.Е., Мухлыгин Н.С. Контроль энергетических режимов процессов дуговой сварки и СЭМ. - Киев: Изд "Знание", 1985. - 22 с.

6. Коротынский А.Е., Мухлыгин Н.С., Заичко В.Н. Выбор информационных параметров при контроле режимов аргонодуговой сварки неплавящимся электродом // Автомат. сварка. - 1988. - № 6. -С. 33-35.

7. Коротынский А.Е. Принципы построения информационно-измерительных систем контроля электрических параметров дуговой сварки. - Киев: Изд-во "Знание", 1990. - 24 с.

8. Коротынский А.Е., Драченко Н.П. Устройство аналоговой оптической развязки для систем автоматизации экспериментальных исследований процессов дуговой сварки // Датчики систем контроля и управления технологическими процессами сварки: Сб. тр. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1991. -С.121-124.

9. Коротынский А.Е., Вертецкая И.В. Особенности использования методов термо-шумометрии в сварочном эксперименте // Там же. - Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1991. - С. 116-120.

10. Коротынский А.Е. Информационно-измерительные и управляющие комплексы для систем автоматизации экспериментов при исследовании дуговой сварки // Автомат. сварка. - 1993. - №2. - С. 28-31.

11. Коротынский А.Е., Панченко А.В. Линейный преобразователь расхода защитных газов // Там же. - 1993. - №11. - С. 48-50.

12. Коротынский А.Е., Куница И.И. Контроль основных параметров дуговой сварки плавлением с использованием стандартной аппаратуры КАМАК // Там же. - 1994.- № 2. - С.15-18.

13. Лебедев В.К., Коротынский А.Е. Дуга переменного тока в цепи с последовательно соединенными индуктивностью и емкостью // Там же. - 1994. - № 12. - С. 47-48.

14. Коротынский А.Е. Автоматизированный стенд для испытаний сварочного оборудования // Там же. -1997. - №12. - С. 21 - 24.

15. Paton B.E., Korotinskij A.E., Skopjuk M.J. Programowalny interfejs MACLAB do two-rzenia systemow informacyjno-pomiarowych w spawalnictwie // Biuletyn Instytutu Spawalnictwa. - 1997. - №3. - S.27-30.

16. Lebedev W.K., Korotinskij A.E., Zuk G.W. О niektorych wlasnosciach procesu spawania lukowego z wykorzystaniem zrodel zasilania z obwodem resonansowym LC // Ibid.-1997. - №3. - S. 34-36.

17. Патон Б.Е., Дудко Д.А., Коротынский А.Е. Источники питания на основе аккумуляторов для дуговой сварки // Автомат. сварка. - 1999. - №1. - С. 29-34.

18. Коротынский А.Е., Павленко Г.Л. Бесконтактный широкополосный датчик сварочного тока с регулируемыми пределами измерений // Там же. - 1999. - №7. - С. 55-56.

19. Korotynsky А.Е. Peculiarities of operation of high-frequency welding inverters on the basis of an artificial long line // The Paton Welding J. - 1999.- №1.- P. 76-77.

20. Paton B.E., Korotinskij A.E. Wielozadaniowe urzadzenie spawalnicze о przeksztalcalnej structure // Biuletyn Instytutu Spawalnictwa. - 1999. - № 5. - S. 33-35.

21. Коротынский А.Е. Оборудование для дуговой сварки на основе резонансных циклоконверторов // Материалы доклада международной конференции "Сварные конструкции". - Киев. - 2000. - С.45-46.

22. Коротынский А.Е. Дискретно-временное регулирование сварочного тока в источниках типа LC // Автомат. сварка. - 2000. - № 6. - С. 44-46.

23. Коротынский А.Е. Ограничение напряжения холостого хода в резонансных сварочных источниках //Там же. - 2001. - № 2. - С. 46-49.

24. Опыт применения дуговой наплавки с импульсной подачей электродной проволоки / В.А.Лебедев, А.Е., Коротынский В.М. Мозок, В.Г.Пичак // Там же. - 2001.- №2.- С.37-41.

25. Коротынский А.Е. Повышение устойчивости горения сварочной дуги // Там же. - 2001. - № 10. - С. 63 - 65.

26. Коротынский А.Е. Функциональная и тестовая диагностика сварочного оборудования // Там же. - 2001. - № 11. - С. 47 - 50.

27. Методы построения устройств для гелиосварки / Б.Е. Патон, А.Е. Коротынский, Г.Ф. Колесник и др. // Там же. - 2001.-№ 12. - С. 53 - 57.

28. Система оперативного контроля качества сварочного оборудования в процессе его промышленного производства / Б.Е.Патон, А.Е. Коротынский, М.И. Скопюк и др. // Там же. - 2002. - № 5. - С. 29 - 31.

29. Коротынский А.Е. Состояние, тенденции и перспективы развития высокочастотных сварочных преобразователей (обзор) // Там же. - 2002. - № 7. - С. 50 - 63.

30. Коротынский А.Е. Многоцелевой сварочный мини-агрегат //Там же. - 2002.- №10.- С. 52.

31. Коротынский А.Е., Махлин Н.М., Богдановский В.А. К расчету электронных регуляторов сварочного тока многопостовых сварочных систем // Там же. - 2002. - № 12. - С. 19 - 27.

32. Коротынский А.Е. Многофункциональный сварочный инвертор, выполненный по двухмодульной схеме // Там же. - 2003. - № 1. - С. 52 - 54.

33. Коротынский А.Е. Улучшение энергетической эффективности резонансных сварочных источников, выполненных на основе модульных структур //Там же. - 2004. - № 2. - С. 38-41.

34. Выбор методов комплексной оценки качества сварочного оборудования / Л.М. Лобанов, А.Е. Коротынский, В.И. Юматова М.И. Скопюк // Там же. - 2004.- № 9.- С. 37 - 39.

35. Электронные регуляторы сварочного тока для многопостовых сварочных систем / Н.М. Махлин, А.Е. Коротынский, В.А. Богдановский и др. // Свароч. пр-во. - 2004. - № 5. - С. 13-18.

36. Коротынский А.Е., Махлин Н.М., Полосков С.И. Ободном подходе в оценке надежности сварочного оборудования // Там же .- 2004.- № 4.- С.13 - 15.

37. Универсальный датчик электрических параметров сварки / А.Е. Коротынский, Н.М. Махлин, В.Г. Буряк, Д.Д.Кункин // Автомат. сварка. - 2005. - № 3. - С. 58 - 59.

38. Сравнение методов оценки тепловой мощности процесса дуговой сварки / А.Е. Коротынский, Н.М. Махлин, С.И. Полосков, Г.Л. Павленко // Свароч. пр-во. - 2005. - № 3. - С. 3 - 6.

39. Коротынский А.Е., Драченко Н.П. Резонансный сварочный источник с адаптацией к напряжению питающей сети // Славяновские чтения: Сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. - Липецк, 2004. - С. 194 - 202.

40. Резонансный сварочный источник для ТИГ-сварки / А.Е. Коротынский, Н.П. Драченко, Д.Д. Кункин, М.И. Скопюк // Там же. - Липецк, 2004. - С. 202 - 207.

41. Коротынский А.Е., Кункин Д.Д. Резонансный источник в режиме сварки пульсирующей дугой // Источники питания и системы автоматического управления сварочным оборудованием: Материалы докладов. - Санкт-Петербург, 2005. - С. 27 - 32.

42. Mobile photovoltaic electric welding system / V.G.Litovchenko, A.V.Makarov, B.E.Paton, A.E.Korotynsky // Nineteenth European Photovotaic Solar Energy Conf (Paris, France, 7 - 11, June, 2004). - Paris, 2004. - P.2364- 2366.

43. Оценка параметров электромагнитной совместимости оборудования для дуговой сварки /А.Е. Коротынский, Е.А. Копиленко, Г.В. Павленко, Г.Л. Павленко // Свароч. пр-во. - 2005. -№ 11. - С. 9 -12.

44. Имитационное моделирование и тренажерно-обучающие системы в электросварке / В.В. Васильев, Л.А. Симак, В.А. Богдановский, А.В.Васильев, О.С.Воронова, А.Ф.Зыков, А.Е. Коротынский и др.- Киев: НАН Украины, 2003. - 120 с.

45. Пат. 1494 С1 Украина, МКИ В 23 К 9/ 00. Сварочный источник питания переменного тока / А.Е. Коротынский, Г.В. Жук, О.А. Митрофанов - Опубл. 25.07.94; Бюл. № 2.

46. Пат. 23804 А Украина, МКИ В 23 К 9/10. Автономное устройство для дуговой сварки / Б.Е. Патон, Д.А. Дудко, А.Е. Коротынский, Л.Д. Кистерская. - Опубл. 31.08.98; Бюл.№ 4.

47. Пат. 62977 Україна, МКІ В 23 К 9/ 10. Резонансне зварювальне джерело та спосіб його захисту від перегрівання / О.Є. Коротинський, M.I. Скопюк. - Опубл. 15.01.04; Бюл. № 1.

48. Пат. 62982 Україна, МКІ В 23К 9/10. Резонансне зварювальне джерело живлення / О.Є. Коротинський, M.I. Скопюк. - Опубл. 15.01.04; Бюл. № 1.

49. Пат. 63930 Україна, МКІ В 23 К 9/ 10. Зварювальне джерело живлення змінного струму / О.Є. Коротинський, М. І. Скопюк. - Опубл. 16.02.04; Бюл. № 2.

50. Пат. 63934 Україна, МКІ В 23 К 9/ 10. Зварювальне джерело живлення / О.Є. Коротинський, M.I. Скопюк. - Опубл. 16.02.04; Бюл. № 2.

51. Пат. 67762 Україна, МКІ В 23 К 9/10, В 23 К 9/06 Резонансне зварювальне джерело живлення / О.Є. Коротинський, М.І. Скопюк. - Опубл. 15.07.04; Бюл. № 7.

52. А.с. 1707612 СССР А1, МКИ G 08 F 15/00. Измерительно-информационная система / А.Е. Коротынский, В.М. Лукаш, И.И. Куница, Е.А. Герасимчук. - Опубл. 23.01.92; Бюл. №3.

53. А.с. 1659889 А1 СССР, МКИ G01 R19/ 22. Измерительный преобразователь переменного напряжения в постоянное / А.Е. Коротынский, А.Е. Сергеев, В.М. Лукаш и др. - Опубл. 30.06.91;Бюл. № 24.

54. А.с. 1114964 А СССР, МКИ G 01 R 19/ 22. Преобразователь среднего значения напряжения / И.Ю. Сергеев, В.М. Лунин, А.Е. Коротынский и др. - Опубл. 23.09.84; Бюл. № 35.

55. А.с. 1428554 А1 СССР, МКИ В 23 К 20/26. Способ измерения частоты вращения шпинделя в сварке трением и устройство для его осуществления / А.Е. Коротынский, В.И. Симонов, В.Г. Станиславский, А.С. Товштейн. - Опубл. 07.10.88; Бюл. № 33.

Размещено на .ru

1. На основі аналізу методів побудови високоефективного зварювального обладнання, що характеризується високими параметрами енергозбереження, низькою матеріалоємністю, а також малим рівнем створюваних при роботі електромагнітних перешкод показано, що найкращих результатів можна досягти при використанні силових елементів зварювальних джерел ІЄП. Розроблено класифікацію даного типу обладнання, за допомогою якої визначені основні напрямки досліджень схемотехнічних рішень резонансних зварювальних джерел. Показано, що такі джерела живлення зварювальної дуги відрізняються, порівняно із традиційним обладнанням, зниженим енергоспоживанням (в 1,8…2,2 рази) і меншою матеріалоємністю (в 2,0…2,5 рази).

2. Розроблено основи теоретичних розрахунків електромагнітних процесів у резонансних перетворювачах, за допомогою яких установлено, що їх зовнішня характеристика може регулюватися відповідним вибором відношення реактивних елементів зварювального контуру (XL/XC); показано, що оптимальне значення цього відношення для Мма-зварювання перебуває в межах 0, 7…0,8, а для ТИГ- зварювання - 0, 4…0,5.

3. Установлено основні закономірності когерентної взаємодії зварювальних струмів у резонансних модульних джерелах з використанням теорії лінійнозалежних функцій, які дозволили визначити способи регулювання режимів зварювання. Запропоновано, розроблено й обґрунтовано нові способи регулювання зварювального струму в резонансних джерелах, що використовують дискретно-часове перетворювання, завдяки чому розлад зварювального контуру залишається практично постійним при зміні режимів зварювання в широких межах.

4. Показано й експериментально підтверджено, що при регулюванні зварювального струму у високочастотних ЗІЄП на основі ШДЛ доцільне комбіноване управління - резонансне перетворення із широтно-імпульсною модуляцією, при якому не відбувається порушення режимів настроювання контурів.

5. Використання індуконів як силових модулів ЗІЄП значно поліпшує їх зварювально-технологічні властивості, особливо це стосується процесу ТИГ- зварювання. Застосування комбінованої схеми, порівняно з базовою, дозволяє підвищити глибину проплавлення на 15…20 %, а також зменшити розбризкування металу до 8…12 %. Проведені випробування свідчать про те, що в схемах з індуконом забезпечується більш висока стабільність горіння дуги, що дозволяє зменшити напругу холостого ходу. Показано, що поліпшення повторного збудження дуги можна досягти шляхом оптимального вибору зазору. Наприклад, при збільшенні його до 2,5 мм стабільний процес зварювання на струмі 110…120 А відбувається при напрузі холостого ходу 29…32 В.

6. Для підвищення експлуатаційної надійності ємнісних реакторів резонансних джерел запропоновано новий спосіб температурного моніторингу його елементів, процедурна реалізація якого виконана з використанням методу тестових перехідних процесів. Установлено, що в режимі резервування ємнісного реактора, за необхідності набагато підвищити такий показник, як ПН резонансного джерела, процедура вмикання реактора з резерву має випереджати процедуру вимикання робочого реактора на 2..3 мс, що можливо завдяки тому, що перехідний процес у джерелах даного типу має аперіодичний характер.

7. Виявлено ефект саморегулювання робочої температури ємнісного реактора, який полягає в тому, що при його нагріванні зварювальним струмом відбувається змінення значення електричної ємності, а це призводить до розладу резонансного контуру, внаслідок чого робочий струм спадає, і реактор починає охолоджуватися, його ємність змінюється у зворотному напрямку, що викликає нове зростання струму, і т.д. Показано, що глибина такої паразитної температурної модуляції зварювального струму залежить від вибору типу конденсаторів по ТКЄ, застосування примусового обдування, а також установленого режиму зварювання; усунення флуктуацій зварювального струму, обумовлених ефектом саморегулювання температури ємнісного реактора, можна досягти шляхом створення комбінованих реакторів на основі конденсаторів з позитивним і негативним ТКЄ.

8. На основі проведених досліджень і запропонованих нових схемотехнічних рішень розроблено низку резонансних зварювальних джерел, призначених для ММА-зварювання, наплавлення й різання на струми 90, 120, 160, 200, 250 і 300 А. На зазначені зразки зварювального обладнання отримані патенти, а також сертифікати відповідності, які дозволили налагодити його промислове виробництво. На струми 180, 220 А запропоновані й створені зразки зварювального обладнання, виконані за двоконтурною схемою, які характеризуються поліпшеними властивостями стабільності горіння зварювальної дуги. Як показав досвід їх практичного використання, ці пристрої забезпечують стабільне горіння зварювальної дуги навіть при використанні електродів з основним покриттям. Досвід промислової експлуатації апарата РСИ-180/к при зварюванні трубопроводів на підприємствах ФТРМ АК "Київенерго" показав його високі зварювально-технологічні властивості.

9. На базі ІЄП розроблені й створені зразки зварювального обладнання для ТИГ- зварювання й механізованого зварювання в активних газах. Результати цієї роботи реалізовані в універсальному резонансному джерелі, призначеному для ММА-, ТИГ- та МИГ/ МАГ-зварюванні на струмах 50…250 А. Передбачено режими зварювання як на змінному, так і постійному струмах. Один з дослідних зразків цього пристрою впроваджений на підприємстві "Чорнобильводоканал" і експлуатується протягом шести років.

10. Розроблено й створено дослідні зразки чотирипостових зварювальних комплексів, у яких реалізована ідея просторово розподіленого резонансного контуру. Усунення взаємного впливу постів тут досягається за рахунок використання стабілізатора струму, виконаного на основі перетворювача з фазовим регулюванням. Потужність мотор-генератора, що живить такий комплекс при коефіцієнті завантаження постів 0,8, тривалості навантаження 60 % і струмі кожного поста 200 А, не перевищує 32 КВТ, що значно менше, порівняно із традиційними багатопостовими зварювальними системами. Масові характеристики створеного пристрою такі: чотирипостовий трансформатор - не більше, як 38 кг, а обладнання кожного поста при зварюванні на змінному струмі - до 9 кг і до 13 кг при зварюванні на постійному струмі.

11. Створено низку високочастотних ІЄП, виконаних на базі ШДЛ, що характеризуються високими зварювально-технологічними властивостями. Ці пристрої забезпечують режими зварювання на постійному струмі в діапазонах 5…140; 8…160 та 15…300 А. Останній виконано за двомодульною структурою, де підсумовування струмів модулів здійснюється після випрямлення, а регулювання режимів зварювання провадиться спеціальним пристроєм, що синхронно зрівнює вихідні параметри модулів.

12. Створено й впроваджено у зварювальне виробництво автономні зварювально-технологічні комплекси на базі міні-електростанцій, що відрізняються високими показниками економічності відносно споживання пального (бензин або дизпаливо). Випущено низку зазначених пристроїв на струми 90, 120, 150, 220 і 300 А. Особливо слід виділити міні-агрегат потужністю 2,2 КВТ, спроможний з використанням ІЄП забезпечити зварювальний струм 90 А, загальна маса якого менша за 40 кг. Цей пристрій не має аналогів у світовій практиці.

13. На основі порівняльного аналізу технічних параметрів ЗІЄП, які працюють на промисловій частоті з високочастотними ЗІЄП, показано, що перші конкурентоспроможні за такими параметрами, як вартість, електромагнітна сумісність, надійність і електробезпечність, що обумовлено досить низьким рівнем напруги холостого ходу. Якщо ввести таку оцінювальну характеристику, як коефіцієнт відносної переваги параметра, то виявиться, що переваги високочастотних ЗІЄП в основному стосуються питомих масогабаритних характеристик. За енергетичними параметрами вони досить близькі. В іншому вони поступаються резонансним джерелам, що працюють на промисловій частоті.