Високоефективні джерела для дугового зварювання на основі індуктивно-ємнісних перетворювачів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ ІМ. Є.О.ПАТОНА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

ВИСОКОЕФЕКТИВНІ ДЖЕРЕЛА ДЛЯ ДУГОВОГО ЗВАРЮВАННЯ НА ОСНОВІ ІНДУКТИВНО-ЄМНІСНИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧІВ

Спеціальність - 05.03.06 „Зварювання та споріднені технології”

КОРОТИНСЬКИЙ ОЛЕКСАНДР ЄВТІХІЙОВИЧ

Київ 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, м. Київ

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, член-кореспондент НАН України Волков Ігор Володимирович, Інститут електродинаміки НАН України, завідувач відділом

доктор технічних наук, професор, Пентегов Ігор Володимирович, Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, провідний науковий співробітник

доктор технічних наук, професор Кузнєцов Валерій Дмитрович, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", завідувач кафедрою

Провідна установа: Приазовський державний технічний університет, м. Маріуполь

Захист відбудеться "30" травня 2007 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.182.01 при Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Боженка, 11.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України за адресою: 03680, м. Київ, вул. Боженка, 11.

Автореферат розісланий "20" квітня 2007 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук Л. С. Киреєв

АНОТАЦІЯ

Коротинський О.Є. Високоефективні джерела для дугового зварювання на основі індуктивно-ємнісних перетворювачів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.06 - “Зварювання та споріднені технології”. - Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, Київ, 2007 р.

Дисертацію присвячено дослідженню, розробці й впровадженню в промислове виробництво нових енергоефективних зварювальних джерел, а також мобільних зварювально-технологічних комплексів. Проведено детальні теоретичні та експериментальні дослідження резонансних процесів у зварювальних індуктивно-ємнісних перетворювачах (ЗІЄП) при різних ступенях розладу контурів.

Установлено, що залежно від способу зварювання (ММА, ТИГ, МИГ/МАГ) обирається необхідний ступінь розладу, що забезпечує стабільність горіння дуги, а також інші зварювально-технологічні властивості (формування, розбризкування, дефектоутворення тощо).

Показано, що найбільш прийнятним методом підвищення потужності ЗІЄП є перехід до модульного принципу їх побудови. У цьому зв'язку розроблено методи когерентного аналізу взаємодії зварювальних струмів включених модулів, а також запропоновано способи регулювання потужності при дуговому зварюванні.

Запропоновано й досліджено нові двоконтурні схеми резонансних джерел, які відрізняються підвищеною стабільністю горіння зварювальної дуги, що дозволяє успішно здійснювати процес зварювання на змінному струмі при використанні електродів з основним покриттям. За результатами виконаної роботи в промислове виробництво впроваджено 15 нових джерел, а також п'ять зварювально-технологічних комплексів, виконаних на основі індуктивно-ємнісних перетворювачів.

Ключові слова: електрична дуга, зварювання, індуктивно-ємнісний перетворювач, резонансне джерело, резонансний контур, ємнісний реактор, датчики параметрів дугового зварювання.

АННОТАЦИЯ

енергоефективний зварювальний індуктивний перетворювач

Коротынский А.Е. Высокоэффективные источники для дуговой сварки на основе индуктивно-емкостных преобразователей. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.06 - “Сварка и родственные технологии”. - Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины, Киев, 2006 г.

Диссертация посвящена исследованию, разработке и внедрению в промышленное производство новых энергоэффективных сварочных источников, а также мобильных сварочно-технологических комплексов с улучшенными характеристиками по энергоэффективности, электромагнитной совместимости и массогабаритным параметрам. Показано, что использование индуктивно-емкостных преобразователей обеспечивает высокую энерго-эффективность за счет повышенных КПД и коэффициента мощности, улучшает показатели ресурсосбережения (расход меди сокращается в 1,5 - 1,8 раза, а трансформаторной стали в 1,8 - 2,2 раза), дает самые высокие показатели электромагнитной совместимости, что обусловлено избирательными свойствами сварочного контура.

Проведены детальные теоретические и экспериментальные исследования резонансных процессов в сварочных индуктивно-емкостных преобразователях (СИЕП) при различных степенях расстройки контуров. Установлено, что в зависимости от способа сварки (ММА, ТИГ, МИГ/МАГ) выбирается необходимая степень расстройки, которая наилучшим образом обеспечивает стабильность горения дуги, а также другие сварочно-технологические свойства (формирование, разбрызгивание, дефектообразование и др.) Показано, что наиболее приемлемым методом повышения мощности СИЕП является переход к модульному принципу их построения. В этой связи разработаны методы когерентного анализа взаимодействия сварочных токов включенных модулей, а также предложены новые способы регулирования мощности при дуговой сварке.

Предложены и исследованы новые двухконтурные схемы резонансных источников, отличающиеся повышенной стабильностью горения сварочной дуги, позволяющие успешно осуществлять процесс сварки на переменном токе при использовании электродов с основным покрытием. Показано, что в СИЕП наиболее перспективным методом регулирования сварочного тока является дискретно-временной, при котором не нарушается заданная настройка резонансного контура. Для создания высокочастотных СИЕП в работе предложено использовать устройства с распределенными параметрами, в качестве которых выбраны искусственная длинная линия, замкнутая на конце, и квазииндукон.

По результатам выполненной работы в промышленное производство внедрено 15 ти-пов новых источников, а также пять сварочно-технологических комплексов, выполненных на основе индуктивно-емкостных преобразователей.

Ключевые слова: электрическая дуга, сварка, индуктивно-емкостный преобразователь, резонансный источник, резонансный контур, емкостный реактор, датчики параметров дуговой сварки.

ABSTRACT

Korotynsky A.E. Arc welding high-efficiency power sources based inductance-capacitance transducers. - Manuscript.

Thesis for a Doctor of Technical Sciences degree in speciality 05.03.06 - “Welding and Related Technologies”. - E.O.Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2007.

The thesis is dedicated to research, development and commercial production of new welding high-efficiency power sources, as well as mobile welding-technological systems. Comprehensive theoretical and experimental studies were conducted into the resonance processes occurring in welding inductance-capacitance transducers (WICT) at different degrees of circuit detuning. It was found that the required value of detuning should be selected depending on the welding method (MMA, TIG, MIG/MAG) to provide the best stability of the arc, as well as other welding-technological properties (weld formation, spattering, defects formation, etc.). It is shown that the most suitable method for increasing power of WICT is transition to the modular principle of design of these transducers. Procedures for coherent analysis of interaction of welding currents of the connected modules were developed, and methods for control of power in arc welding were suggested for this purpose. New double-loop circuits of resonance-mode power sources were suggested, characterized by an improved stability of the welding arc, and allowing the welding process to be successfully realized at the alternating current using basic electrodes. The work performed resulted in commercial production of 15 new power sources and 5 welding-technological systems, based on inductance-capacitance transducers.

Key words: electric arc, welding, inductance-capacitance transducer, resonance-mode power source, resonance circuit, capacitance reactor, arc welding parameter sensors.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. В сучасному промисловому виробництві зварювання є одним із провідних технологічних процесів, від рівня розвитку якого значною мірою залежить ефекти-вність багатьох галузей народного господарства. Основну частку зварювального обладнання, що випускається промисловістю розвинених країн, становлять джерела для дугового зварю-вання. У цьому зв'язку зменшення їх матеріалоємності, зниження енергоспоживання за ра-хунок досягнення більш високого коефіцієнта корисної дії при одночасному поліпшенні зва-рювально-технологічних властивостей обладнання даного класу є однією з найважливіших проблем зварювальної науки й техніки. Однак традиційні джерела живлення зварювальної дуги вже вивчені так досконало, що створення перспективних зразків зварювального обладнання можливе лише на основі нових підходів і відповідних технічних рішень.

Одним з таких підходів, ідеї якого розвиваються в роботі, є використання резонансних процесів у зварювальних колах на основі широкого застосування різних схем індуктивно-ємнісних перетворювачів (ІЄП). Запропоновані технічні рішення відрізняються високою енергетичною ефективністю, істотним зниженням об'єму й маси електричних матеріалів (міді та електротехнічної сталі), а також високим рівнем електромагнітної сумісності. Останнє особливо важливе. Нині до нього висуваються досить жорсткі вимоги через широке запровадження в різні сфери народного господарства різноманітних електронних засобів (комп'ютерів, систем автоматизованого управління, засобів комунікації тощо).

Збільшення надійності зварювального обладнання підвищує рівень його конкуренто-спроможності. У цьому розумінні зварювальні ІЄП, що здатні працювати в режимах, близьких до короткого замикання, є досить привабливими при створенні пристроїв для реалізації практично всіх способів дугового зварювання. Проте забезпечення високої надійності резонансних зварювальних перетворювачів потребує вирішення завдань, пов'язаних із розробкою методів захисту ємнісних реакторів.

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 з'єднань. Значно поліпшується форма валика посилення, структура металу шва та навколошовної зони, зменшується розмір зони термі-чного впливу й дефектоутворення (пори, підрізи, непровари тощо). Також зафіксовано суттєве зменшення водню у металі зварних з'єднань, отриманих при резонансному зварюванні.

В обґрунтуванні та доказі низки основних положень роботи, присвяченої дослідженню питань застосування зварювальних ІЄП, використовувалися фундаментальні праці Б.Є.Патона, В.К.Лебедєва, Д.А.Дудка, І.В.Пентегова, І.В.Волкова, О.М.Миляха, І.К.Походні, Г.І.Лєскова, І.І.Заруби, В.О.Троїцького, М.Н.Геленідзе, Е.А.Гладкова, А.М.Сверчевського, М.І.Закса, І.Р.Нарушкявичуса, А.Г.Потап'євського, Е.М.Эсибяна та інш.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана дисертаційна робота виконана у відділі автоматизації наукових досліджень процесів дугового зварювання Інституту електрозварювання ім. Є.О.Патона НАН України в межах державної науково-технічної програми "Нерознімні з'єднання та покриття нових конструкційних матеріалів" і подальших тем науково-дослідних робіт ІЕЗ ім. Є.О.Патона НАНУ: "Пошуки нових схе-мотехнічних рішень ВЧ-перетворювачів для створення енергозберігаючого зварювального обладнання" (шифр теми 55/11-П); "Розробка та дослідження перетворювача зварювального струму на основі чоппер-модулів з поліпшеними характеристиками" (шифр теми 55/13-П); "Резонансний чоппер для дугового зварювання з поліпшеними енергетичними показниками" (шифр теми 55/14-П). Значну частку досліджень також було виконано у межах інноваційного проекту № 89/03-96 "Розробка та виробництво джерел живлення для зварювальних технологій із низьким рівнем енергоспоживання та масогабаритних характеристик", підтриманого Держіннофондом України. Зазначені науково-дослідні роботи, науковим керівником яких є здобувач, стали основою для підготовки й представлення даної дисертації.

Мета й завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є теоретичне та експери-ментальне обґрунтування способів побудови резонансних зварювальних джерел, призначених для різних способів дугового зварювання, відмітних високими показниками енерго- та ресурсо-збереження, а також низьким рівнем створюваних електромагнітних перешкод, що мають працювати у широкому діапазоні частот.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити такі задачі:

- проаналізувати відомі підходи і методи побудови зварювального облад-нання, виконаного на основі ІЄП;

- визначити на основі запропонованої класифікації зварювальних ІЄП найбільш перспективні напрямки в області розробки й створення енерго- та ресурсозберігаючого зварювального обладнання;

- розробити та дослідити зварювальні ІЄП з підвищеною стабільністю горіння дуги на основі схем з комбінованим резонансом, а також адаптивних до напруги живильної мережі;

- дослідити способи побудови високоефективних багатопостових зварюваль-них джерел на основі просторово розподілених резонансних перетворювачів та на їх базі створити обладнання для дугового зварювання на змінному й постійному струмах;

дослідити когерентну взаємодію зварювальних струмів у резонансних джерелах і на їх основі обґрунтувати способи побудови багатомодульних структур зварювальних ІЄП;

дослідити можливість використання високочастотних зварювальних ІЄП як при-строїв з розподіленими параметрами, внаслідок чого створити нові схеми джерел із застосуванням штучних довгих ліній і однофазних індуконів, що різняться високою надійні-стю, простотою регулювання зварювального струму, а також зниженим рівнем перешкод;

оскільки найбільш критичним вузлом зварювальних ІЄП щодо надійності є ємнісний реактор, виконати дослідження, спрямовані на організацію безперервного температурного моніторингу його елементів, створити пристрій для його реалізації;

розробити й дослідити характеристики високоефективного автономного зварювального обладнання, що живиться від міні-електростанцій, акумуляторних та сонячних батарей, створеного на базі резонансних зварювальних перетворювачів.

Для досягнення поставленої мети та одержання основних результатів дисертаційної роботи використовували аналітичні методи дослідження електромагнітних процесів у резо-нансних перетворювачах на основі матричного аналізу й диференційних рівнянь. Експери-ментальні дослідження розроблених у даній роботі пристроїв проведені з використанням спеціалізованої системи автоматизації наукових досліджень на основі персонального комп'ютера Макінтош і пристрою зв'язку з об'єктом Mac Lab 4e, оснащеного датчиками електричних і технологічних параметрів зварювання, які розроблені за участю автора. Випробування, пов'язані з визначенням зварювально-технологічних властивостей і параметрів електромагнітної сумісності, проведені спеціалізованими лабораторіями ІЕЗ ім. Є.О.Патона НАНУ.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

розроблено основи теоретичних розрахунків електромагнітних процесів у резо-нансних перетворювачах, за допомогою яких встановлено, що параметри їх зовні-шньої характеристики можуть регулюватися відповідним вибором відношення реактивних елементів зварювального контуру (X_L/X_C); показано, що оптимальне значення цього відношення для ММА-зварювання знаходиться у межах 0,7…0,8, а для ТИГ-зварювання - 0,4…0,5;

- експериментально показано, що коефіцієнт розбризкування k_p при ММА-зварюванні залежить від ступеня розладу ? зварювального контуру; зі збільшенням розладу k_p зменшується, але при цьому погіршуються умови повторного збудження дуги. Оптимальним варто вважати ступінь розладу 40…50 %, при якому коефіцієнт розбризкування не перевищує 10 %;

- встановлено основні закономірності когерентної взаємодії зварювальних струмів у резонансних модульних джерелах з використанням теорії лінійнозалежних функцій, які дозволяють шляхом фазової корекції параметрів LC-контуру задавати режими регулювання процесів дугового зварювання;

- 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;

показана та експериментально підтверджена доцільність комбінованого управління (резонансного перетворювання із широтно-імпульсною модуляцією) при регулюванні зварювального струму у високочастотних ІЄП на основі штучної довгої лінії, під час якого не відбувається порушення режимів настроювання контурів;

- для підвищення експлуатаційної надійності ємнісних реакторів резонансних джерел запропоновано новий спосіб температурного моніторингу його елементів (конт-роль внутрішньої температури конденсаторів), процедурну реалізацію якого виконано з використанням методу тестових перехідних процесів;

встановлено, що в режимі резервування ємнісного реактора за необхідністю істотно 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 аперіодичному характеру перехідного процесу в джерелах даного типу;

зафіксовано ефект саморегулювання робочої температури ємнісного реактора, який полягає в тому, що при його нагріванні зварювальним струмом відбувається змінен-ня 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;

показано, що усунення флуктуацій зварювального струму, обумовлених ефектом саморегулювання температури ємнісного реактора, можна досягти шляхом створення комбінованих реакторів, виконаних на основі конденсаторів з додатним і від'ємним ТКЄ.

Практичне значення отриманих результатів. У ході виконання дисертаційної роботи запропоновані й розроблені нові схемотехнічні рішення зварювальних ІЄП, що працюють в

області як промислових, так і високих частот. Результати роботи впроваджені в серійних, дрібносерійних та одиничних виробництвах, низку виробів випущено як дослідні зразки відповідно до замовлень підприємств. На деякі перспективні зразки зварювальних ІЄП підготовлено технічну документацію та готується їх впровадження у серійне вироб-ництво. До найбільш значущих практичних результатів можна віднести такі.

1. Розроблено низку резонансних зварювальних джерел, призначених для ММА- зварювання, наплавлення й різання, на струми 90, 120, 160, 200, 250 і 300 А. Пристрої можуть працювати як у режимі змінного, так і постійного струмів. Вони відрізня-ються значно зниженими параметрами енергоспоживання й матеріалоємності. На зазна-чені зразки зварювального обладнання отримані сертифікати відповідності, які дозволили налагодити його дрібносерійне виробництво.

2. На струми 180, 220 А запропоновані та створені зразки зварювального обладнання, виконані за двоконтурною схемою, які відрізняються поліпшеними параметрами стабіль-ності 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 проведенні зварювання трубопроводів на підприємствах ФТРМ АК "Київенерго" показав його високі зварювально-технологічні властивості.

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

4. Розроблено й створено дослідні зразки чотирьох постових зварювальних комплексів, у яких реалізована ідея просторово розподіленого резонансного контуру. Запобігання взаємовпливу постів тут досягають шляхом використання стабілізатора струму, викона-ного на основі перетворювача з фазовим регулюванням. Потужність мотор-генератора, що живить такий чотирипостовий комплекс при коефіцієнті завантаження постів 0,8, три-валості навантаження 60 % і струмі кожного поста 200 А, не перевищує 32 кВт, що значно менше, порівняно з традиційними багатопостовими зварювальними системами. Маса створе-ного чотирипостового трансформатора не перевищує 38 кг, а обладнання кожного поста при зварюванні на змінному струмі до 9 кг, на постійному до 13 кг.

5. Створено низку високочастотних ІЄП на базі штучної довгої лінії, які характери-зуються високими показниками зварювально-технологічних властивостей. Ці пристрої забез-печують режими зварювання на постійному струмі в діапазонах 5...140, 8...160 та 15...300 А. Останній виконано за двомодульною структурою, де підсумовування струмів модулів здій-снюється після випрямлення, а регулювання режимів зварювання провадиться спеці-альним пристроєм, що синхронно зрівнює вихідні параметри модулів. Постачання цих пристроїв замовникам провадиться за узгодженими технічними завданнями. Вже виготов-лено та поставлено різним фірмам понад 30 зварювальних апаратів цього типу.

6. Створені та запроваджені у виробництво автономні зварювально-технологічні комплекси на базі міні-електростанцій, які відрізняються високими показниками економічно-сті щодо витрат пального (бензин або дизпаливо). Випущена низка зазначеного обладнання 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. Його загальна маса не перевищує 40 кг. Цей пристрій не має аналогів у світовій практиці.

7. Технологічні випробування створених зразків зварювальних джерел на основі ІЄП показали таке: досягнуто високу стійкість та еластичність зварювальної дуги при U _х.х ? 38 В; у схемах з комбінованим резонансом можна успішно використовувати на змінному струмі електроди з основним покриттям; отримано високу стабільність горіння зварювальної дуги в малоамперному режимі (0,5…10,0 А) на основі пристроїв з когерентним управлінням; суттєво знижено розбризкування електродного металу; поліпшено форму валика посилення, а також зменшено дефектоутворення (пори, підрізи, непровари); у пристроях з модуляцією зварювального струму отримано високу якість формування зварних швів у всіх просторових положеннях.

Особистий внесок здобувача. У представленій дисертаційній роботі внесок автора полягає в обґрунтуванні загальної концепції проведених досліджень; формулюванні цілей і завдань основних напрямків роботи; самостійному виборі підходів для теоретичного обґрунтування й розрахунку основних параметрів енергозберігаючого зварювального обладнання на основі індуктивно-ємнісних перетворювачів, які працюють в широкому діапазоні частот, а також у безпосередній участі у створенні нових схемотехнічних рішень зразків зварювальних ІЄП.

Всі результати теоретичних і експериментальних досліджень, представлені в роботі, належать здобувачу й отримані на основі особистої наукової творчості.

Апробація результатів роботи. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на таких міжнародних, відомчих та інститутських науково-технічних конференціях і семінарах: всесоюзна конференція „Застосування матема-тичних методів у зварюванні" (Київ, 1988 р.); 19-а міжнародна конференція "Технологічні системи в суднобудуванні" (НДР, Росток, 1989 р.); міжнародний семінар „Гарячі тріщини у зварних з'єднаннях сталей і сплавів" (Київ, 1990 р.); міжнародна науково-технічна конфе-ренція "Датчик - 97" (Кримська АР, сел. Гурзуф, 1997 р.); міжнародний семінар "Сучасне обладнання для зварювання й термічного різання" (Польська республіка, Глівице, 1997 р.); IV всеросійська науково-технічна конференція "Стан і проблеми технічних вимірів" (РФ, Москва, 1997 р.); міжнародний семінар "Сучасне обладнання для зварювання й термічного різання" (Польська республіка, Катовіце, 1999 р.); міжнародна конференція "Зварні конструкції" (Київ, 2000 р.); міжнародна науково-технічна конференція "Енергоефективність - 2002" (Київ, 2002 р.); міжнародний семінар країн СНД "Нові проблеми в розробці джерел живлення та систем автоматизованого управління для зварювання" (Кримська АР, сел. Кацивелі, 2002 р.); міжнародна конференція "Сучасні проблеми зварювання та ресурсу конструкцій" (Київ, 2003 р.); міжнародна конференція "Сучасні проблеми якості зварних конструкцій" (Київ, 2004 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 55 робіт, серед яких одна книга, два препринти, 41 публікація в академічних та зарубіжних журналах, збірниках наукових праць і матеріалах конференцій, а також сім патентів України та чотири авторські свідоцтва СРСР.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, семи розділів, висновку, списку використаної літератури та додатків. Загальний обсяг дисер-тації становить 392 сторінки машинописного тексту, в тому числі 142 малюнка, 23 таб-лиці, список літератури з 307 найменувань на 20 сторінках та додатків на 11 сторінках.

Автор вважає своїм приємним обов'язком висловити подяку науковому консультанту академіку Б.Є. Патону за постійну увагу та інтерес до роботи, а також корисні обговорення її результатів. Автор щиро вдячний академікам НАНУ В.К.Лебедєву та В.І.Махненку, спільно з якими отримано низку результатів даної роботи. За багаторічне наукове співробітництво автор дякує своїм колегам з ІЕЗ ім. Є.О. Патона, чия допомога в проведенні експериментальних досліджень неоціненна. Насамкінець, автор вдячний Державному інноваційному фонду України за фінансування проекту № 89/03-96 “ Розробка та виробництво джерел живлення для зварювальних технологій з низькими енергоспоживан- ням і масогабаритними характеристиками ”, виконання якого дозволило довести результати роботи до широкого практичного впровадження, а також закласти фундамент для подаль-ших перспективних досліджень у галузі енергозберігаючого зварювального обладнання.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи та визначені основні завдання, які необхідно вирішити для її досягнення. Описано предмет дослідження та методи аналізу, визначені наукова новизна й практичне значення результатів, а також особистий внесок автора.

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 сos;

- підвищені показники ресурсозбереження (витрата міді скорочується в 1,5 - 1,8 рази, а трансформаторної сталі в 1,8 - 2,2 рази);

найвищі показники електромагнітної сумісності, що обумовлено вибірковими властивостями зварювального контуру;

високий ступінь електробезпечності через низьке значення напруги холостого ходу резонансних зварювальних джерел тощо.

На основі аналізу процесів у резонансному джерелі, виконаному на базі трансфор-матора з розвиненим розсіюванням, способом чотириполюсника показано, що цей класобладнання належить до зварювальних індуктивно-ємнісних перетворювачів (ЗІЄП), які по суті є стабілізаторами струму, що й пояснює в основному їх високі зварювально-технологічні параметри.

Запропоновано класифікацію (див. нижче) зварювального обладнання на основі ІЄП, за допомогою якої визначено найбільш перспективні напрямки досліджень і розробок. Вона охоплює три великі групи ЗІЄП за ознакою використовуваних частот. До першої групи нале-жать пристрої, в яких використовують трансформатори з розвиненим розсіюванням і які пра-цюють переважно на частоті 50…60 Гц. Другу групу представляють джерела, виконані на базі перетворювачів частоти, що дозволяють значно знизити масогабаритні параметри зварюваль-ного обладнання.

У третю групу включені пристрої на основі високочастотних резонансних ЗІЄП, здатні забезпечити високі динамічні властивості. Окремо тут виділено підклас зварювальних при- строїв, виконаних на перетворювачах із розподіленими параметрами, в яких використовують різні варіанти штучних довгих ліній (ШДЛ). Як показали наші дослідження, особливо це стосується ШДЛ із короткозамкненим виходом індуконів, досить перспективних для створення джерел живлення плазмотронів і ТИГ-зварювання. Саме дослідженню й розробці ЗІЄП, виділеним у класифікації, присвячено основну увагу.

У другому розділі роботи проведено теоретичне обґрунтування роботи ЗІЄП на основі використання трансформаторів з розвиненим розсіюванням. Показано, що в схемі (мал.1) напруга на дузі практично близька до прямокутної. Це дозволяє представити її у вигляді суми ряду по непарним гармонікам:

де U_д - діюче значення напруги на дузі;

t - кругова частота.

При u (t) = U_m sin(t + ) значення зварювального струму можна визначити таким виразом:

Очевидно, що при t = 0 і I_зв = 0 вираз (2) можна перетворити до вигляду

де X_l=L і Х_с = 1/С - реактивні опори вторинного контуру. Якщо позначити = X_l/X_c та U = U_д/U_m, то формулу (3) можна представити виразом

Умова повторного збудження дуги може бути записана в такій формі:

U_msin - U_C(0) ? U_д, (5)

де U_C(0) - напруга на С, що відповідає моменту переходу кривої зварювального струму через "0". Граничний випадок, що характеризує найбільшу напругу на дузі U_{д mах} (режим максимального струму зварювання), повинен мати рівність лівої й правої частин співвідношення (5). Легко показати, що

Спільне вирішення формул (4)-(6) відносно U призводить до такого:

Оцінки, одержувані за допомогою виразу (7), не враховують резонансу по третій гармоніці. Тому цією формулою можна користуватися тільки при ? ? 0,111. Скористаємося цим виразом для аналізу характерних режимів вмикання зварювального трансформатора. При цьому можливі такі чотири варіанти:

У першому випадку, коли U < 0, стійке горіння дуги неможливо забезпечити ні при яких значеннях С. Цей варіант із жорсткою зовнішньою характеристикою трансформа-тора не може знайти практичного застосування при ручному дуговому зварюванні. У випад-ку, коли у вторинному контурі відсутня електрична ємність (С = 0), а отже, ?, значення U визначиться за таким співвідношенням:

Ці дані свідчать про те, що в класичному варіанті зварювального трансформатора із дроселем у вторинному контурі безперервне горіння дуги без піків запалювання можливе при U_д ? U_{д mах} = 0,537U_m. При настроюванні зварювального контуру в резонанс (X_l= X_c) вираз (7) значно спрощується: U=/4?0,785. Загальний вигляд кривої, що описує поведінку функції U = f() для різних режимів настроювання зварювального контуру, наведений на мал.2. Як видно із представленого графіка, максимальне значення U_max відповідає не резонансу, а настроюванню ? 0,75. Параметр U у порівнянні з традиційною схемою зварювального джерела, що містить дросель у вторинному контурі, підвищується в 1,53 рази (0,822 /0,537), а отже, у такому співвідношенні може бути зменшена U_x.x трансформатора.

При виборі елементів (L і С) зварювального кола необхідно додатково врахувати специфічні особливості протікання процесу зварювання. Так, якщо ? = 1, то зовнішня стати-чна характеристика має бути жорсткою. Її нахил визначається тільки падінням напруги на активному опорі. Для ручного дугового зварювання така характеристика не придатна, незва-жаючи на те, що дуга горить досить стійко. Випадкові коливання електрода призводять до вели-ких флуктуацій зварювального струму. Як показує досвід, у цьому випадку електрод завжди перегрівається. Оптимальним для резонансних джерел варто вважати у режимі ємнісного розладу.

Для виведення рівняння зовнішньої характеристики резонансного джерела викорис-тано метод комплексно-сполучених векторів, запропонований І.В. Пентеговим. Для вихідної напруги U₂ отримано

При настроюванні зварювального контуру, обумовленому відношенням X_l/X_c= 0,75, що відповідає реактивному опору Х_к = - 0,25Х_с , одержимо

U₂ = [U_x.x² - I _зв²(0,25Х_сcos + R_ksin^20,5 - I _зв(R_kcos - 0,25Х_сsin. (11)

Аналіз останнього виразу показує, що при виборі параметрів зварювального контуру з умови R_kcos = 0,25X_csin, тобто забезпеченні активних втрат з умови

R_k = 0,25X_ctg (12)

формула (11) значно спроститься:

U₂ = [U_x.x² - I _зв²(0,25Х_сcos + R_ksin² (13)

Підставивши рівняння (12) у вираз (13), одержимо

U₂ = (U_x.x² - 0,0625I _зв²Х_с²/cos² )^0,5 . (14)

Криві, що представляють ВАХ при 60%-му розладі для різних напруг холостого ходу (33, 36, 38, 40 і 42 В), наведені на мал. 3,а. Вони, в порівнянні з точним настроюванням у резонанс та індуктивним розладом зварювального контуру, відрізняються значною кривизною та близькі за своєю формою до еліпса. Якщо за змінюваний параметр обрати рівень розладу, то одержимо при U_x.x=38 В сімейство кривих, представлене на мал. 3,б. Наведені дані пока-зують, що "жорсткість" ВАХ резонансного джерела великою мірою залежить від параметра ?, причому з його збільшенням "жорсткість" спадає. Тому для джерел, призначених для МИГ/ МАГ-зварювання слід рекомендувати 10…20 %, для зварювання штучними електродами ММА = 30…60 %, а для ТИГ-зварювання > 70 %.

Отримано загальний розв'язок неоднорідного диференціального рівняння резонанс-ного контуру з урахуванням індуктивності розсіювання L_s, його розладу ?, активних втрат R_k, а також значення загасання _з у вигляді

Криві, що відповідають виразу (16), наведені на мал.4. У режимі, близькому до резонансу, зафіксовано різке зростання зварювального струму й мінімальне фазове зрушен-ня. При збільшенні ємнісного розладу ( = 0,75; 0,60) амплітуда зварювального струму зменшується й зростає фазове зрушення. У зоні високих індуктивних розладів ( =1,3) одержуємо великі значення фазових зрушень. Цей факт необхідно враховувати при створенні модульних зварювальних джерел на базі резонансних структур, фазові характеристики яких повинні бути суворо ідентичні, інакше загальний зварювальний струм буде меншим за суму струмів окремих модулів. Отже, зварювальні контури повинні мати однакові фазові характеристики, тобто вони мають бути когерентними.

Подальший аналіз показав актуальність цього питання практично для будь-яких типів джерел із багатоканальним формуванням енергетичного потоку, спрямованого в дугу. Розпа-ралелювання каналів формування зварювального струму забезпечує такі переваги: 1 - знижу-ються енерговитрати, оскільки частина модулів може бути виключена при малих і середніх струмах; 2 - значно підвищуються показники надійності зварювального обладнання (довговіч-ність і ремонтопридатність); 3 - спрощується управління режимом зварювання; 4 - поліпшу-ються динамічні властивості пристрою в цілому тощо. Узагальнення результатів когерентної взаємодії резонансних джерел і джерел, виконаних з використанням помножувачів частоти феро-резонансних подвоювачів і циклоконверторів, дозволило сформулювати деякі закономірні положення, наведені нижче.

Положення 1. Про ортогональні складові потужності

При складанні гармонійних коливань рівних амплітуд двох джерел, кратних мережі частот де р = 1, 2, ..., n та q = 1, 2, ..., m, при будь-якому зрушенні фаз між цими коливаннями й будь-якими значеннями р и q ортогональні складові постійні й рівні.

Наслідок 1. При складанні коливань рівних амплітуд N-джерел при зазначених умовах їх ортогональні складові однакові, а загальна ортогональна потужність дорівнює N.

Положення 2. Про спектр коливань потужності в активному навантаженні. Тут обов'язкове застереження - розглядається лише активне навантаження, оскільки саме нелінійний опір дуги є перетворювачем спектра.

При виборі значень р та q (обидва парні або непарні) сумарний спектр коливань когерентного джерела міститиме тільки парні гармоніки. Якщо ж один з коефіцієнтів р або q - парний, а інший непарний, то сумарний спектр міститиме лише непарні гармоніки.

Наслідок 2. Спектр когерентного джерела, що складається з комбінації зварювальний трансформатор - циклоконвертор, тобто р = 1, q = 3, міститиме парні гармоніки, а комбінації з подвоювачем частоти р = 1, q = 2 - непарні гармоніки.

Положення 3. Про коефіцієнт асиметрії сумарного струму когерентного джерела.

При будь-яких р та q, а також будь-яких фазових зрушеннях між двома коливаннями коефіцієнт асиметрії завжди постійний і дорівнює одиниці.

Останнє положення має важливе практичне значення, оскільки свідчить про відсутність постійної складової. Слід також зазначити, що наведені дані залишаються в силі, якщо в пристрої використовується процедура випрямлення зварювального струму.

Третій розділ роботи присвячений питанням схемотехнічної реалізації ЗІЄП для промислової частоти, виконаних на трансформаторах з розвиненим розсіюванням. Показано, що значного підвищення стійкості горіння зварювальної дуги можна досягти у двоконтур-них резонансних пристроях (мал. 5). Обмотка w_2.1, блок тиристорів (БТ) і реактор С₀ утворю-ють основний вторинний контур, а обмотка w_2.2, ключ К1, додатковий реактор С_д - допоміж-ний вторинний контур. У режимі холостого ходу фазовий регулятор зварювального струму (ФРС), робота якого синхронізується напругою живильної мережі, встановлюється в стан, при якому на виході БТ діє напруга, не більша за 12 В. При цьому на виході формувача (Фор.), підключеного паралельно С₀, під час зварювання з'являється сигнал, що запускає К1. Останній відключає струм, що різниться і міг би виникнути в режимі холостого ходу через різницю напруг на обмотках w_2.1 та w_2.2. При припиненні зварювального струму напруга на С_д спадає й сигналом з виходу Фор. вмикається канал формування додаткового струму.

Дещо інший підхід реалізовано у джерелі зі змінюваною структурою (мал.6). Ідея, покладена в основу цього пристрою, полягає в тому, що введений у нього електромагнітний елемент (ЕМЕ), в залежності від режиму роботи, виконує різні функції. У режимі холостого ходу ЕМЕ є дроселем, включеним послідовно з додатковим реактором С_д. При цьому додатковий струм, що формує допоміжний послідовний резонансний контур, полегшує умови початкового збудження дуги. При переході до режиму зварювання, коли ключ Кл. зами-кається, ЕМЕ перетворюється в підвищувальний трансформатор. Його вихідна напруга пере-вищує рівень U₂ в 2,0…2,5 рази, забезпечує високу стабільність горіння зварювальної дуги навіть при використанні електродів з основним покриттям. На мал. 3,б наведені криві, що описують зовнішню характеристику зварювального пристрою. Крива 1 представляє собою зовнішню характеристику основного контуру, утвореного реактором С₀ і регулятором напруги (РН), що задає рівень напруги холостого ходу. Крива 2 визначає характеристику додаткового контуру, що складається з реактора С_д і ЕМЕ.

Сучасні вимоги європейських норм на зварювальне обладнання суворо забороняють його використання з вихідною напругою понад 12 В у режимі холостого ходу. Тому сучасні розробки зварювального обладнання змінного струму, щоб бути конкурентоспроможними, повинні мати у своєму складі блоки обмеження напруги холостого ходу (ОНХХ). Щоб ці пристрої були високонадійними та не погіршували зварювально-технологічних властивостей обладнання, в якому вони встановлені, уже на стадії проектування необхідно передбачити вирішення низки специфічних завдань. По-перше, має бути забезпеченим надійний перехід з режиму холостого ходу у номінальний зварювальний режим за час t_вкл ? 0,06 с; по-друге, для впевненого підпалювання дуги, особливо при зварюванні дуже кородованих виробів, пристрій повинен мати необхідний рівень чутливості. Значною перевагою резонансних джерел є те, що ємнісний реактор виконує функцію датчика струму, напруга на якому служить для реалізації алгоритмів ОНХХ. У роботі запропоновані, розроблені й досліджені нові схеми резонансних джерел з ОНХХ на базі двотрансформаторних модулів, схем з комутацією в первинному і вторинному контурах, а також пристрої з тиристорним регулюванням зварю-вального струму. Розроблено рекомендації їх вибору та використання.

Запропоновані способи підвищення стабільності горіння зварювальної дуги на основі багатоконтурного формування енергетичного потоку покладені в основу модульних схем резонансних джерел, а також систем багатопостового зварювання.

На особливу увагу заслуговують питання регулювання зварювального струму в ІЄП. У роботі запропоновано метод дискретно-часового регулювання зварювального струму, в основу якого покладено ідею виключення цілої кількості періодів живлячої напруги. Якщо напругу, що діє на вході послідовного LC-контуру протягом проміжку t_p, перервати на час t_п, то її середнє значення дорівнюватиме

U_cp = U_o[t_p / (t_p + t_п)], (17)

де U_o - ефективне значення напруги на контурі; t_p, t_п - час відповідно робочого циклу й паузи. Позначимо t_p = n•T_c, t_п = m•T_c, де n, m - кількість періодів Т_с відповідно робочих і паузи. З урахуванням цього вираз (17) представимо у вигляді

U_cp = U_o[n / (n + m)], (18)

Отже, відносна зміна вихідної напруги ?U, що представляє алгоритм регулювання зварювального струму, дорівнюватиме

U = n / (n + m). (19)

Четвертий розділ роботи присвячений питанням аналізу й побудови високо-частотних перетворювачів на елементах з розподіленими параметрами. Одним з них є штучна довга лінія, замкнена на кінці (мал.7). Суть роботи такого класу формувачів високочастотних коливань заснована на вибіркових властивостях ШДЛ, виконаних на зосереджених L, C - еле-ментах. Якщо в лінії, замкненій на одному кінці й підключеній до навантаження (транс-форматор зварювальний - ТЗ) на іншому, попередньо конденсатори C₁, C₂ до напруги джерела живлення (ДЖ), а потім замкнути ключ К, то в ній відбудеться коливальний перехідний процес. Частота цих коливань визначається параметрами реактивних елементів L₁, L₂, C₁, C₂. Тривалість імпульсу в первинній обмотці ТЗ визначатиметься "електричною довжиною" ШДЛ. Якщо параметри лінії обрані так, що L₁ = L₂ = L, a C₁ = C₂ = С, то в пристрої збуджуватимуться коливання на частоті, визначеній співвідношенням f = 1/2 (LC)^0,5. Пристрій здатний генерувати поодинокі імпульси, за формою близькі до гармонійних коливань, тривалістю _і = l/f. Шпаруватість g роботи лінії не може бути меншою за 2, оскільки вона визначається подвійним часом проходження її "електричної довжини".

Оцінимо параметри лінії з урахуванням заданого струму зварювання I_зв і частоти високочастотних перетворень f. При роботі від промислової мережі 220 В вихідна напруга ДЖ дорівнює U_m = 310 В. Отже, струм первинної обмотки ТЗ повинен відповідати значенню I_о = I_зв/k_тр (де k_тр - коефіцієнт трансформації ТЗ, обумовлений відношенням U_m/U_x.x), тобто I_o = I_зв U_x.x/U_m. Оскільки в лінії формуються імпульси тривалістю та шпаруватістю g, то їх енергію можна визначити виразом

W_і = U_m • I_o • g = I_зв • U_x.x • g. (20)

Рівень цієї енергії мають забезпечити конденсатори C_l, C₂, для яких вона визначається співвідношенням W_c = C U_m ²/2. Для лінії без втрат

C U_m ²/2= I_зв • U_x.x • g. (21)

Звідки можна обчислити значення ємності конденсаторів

С = 2 I_зв • g •/ U_m • k_тр . (22)

Параметри індуктивностей, що утворюють ШДЛ, знайдемо, підставивши у вираз L = l/4²•f²•C значення ємності з рівняння (22)

L = U_m • k_тр / 8 • f² • I_зв • g . (23)

Отримані співвідношення (22) і (23) повністю визначають структуру ЗІЄП, виконаного на базі ШДЛ, і є основою для його розрахунку.

Іншим перспективним напрямком створення ЗІЄП є індукони, основи розрахунку яких викладені в роботах І.В. Волкова. Відмінність нашого підходу полягає у використанні квазі-індукона (його електрична ємність складається з ємності дроту та додаткового конденсатора) і резонансного перетворювача (мал. 10). Індукони, що є відрізками однорідних ліній, описуються характеристичним опором Z, коефіцієнтом поширення ? та телеграфним рівнянням. Їх спільне рішення при фіксованій частоті ?_o полягає у визначенні крапки l_к, у якій може бути підключене навантаження, де виконуються умови роботи в режимі перетворювача

Настроювання зварювального пристрою, виконаного за схемою мал.8, здійснюється в такий спосіб. Експериментально визначається значення індуктивності індукона L_і та за формулою (25) обчислюється значення погонної ємності С. Помноживши це значення на, одержимо С_і, а потім обчислимо необхідне значення С_д. Розроблений квазііндукон виконано на броньо-вому магнітопроводі з такими параметрами: перетин S = 25x50 см², ширина/висота вікна - 3/8 см, дріт ПЭВ-2 d = 2 мм, кількість витків - 280. Зазор обрано рівним 1,0 мм. При цьому L_и=0,11 Гн, а С_і?100 мкФ. Випробування комбінованого зварювального пристрою із квазі-індуконом показало, що порівняно із зовнішньою характеристикою базової схеми резонанс-ного джерела, вона більш крутоспадаюча в області струмів короткого замикання. При збільшенні робочого струму зафіксовано значне зменшення струму короткого замикання. Порівняльні випробування пристрою провадилися в режимі стикового зварювання зразків зі сталі 45 товщиною 4 мм електродом АНО-21 на струмі 110 А. При використанні комбінованої схеми, порівняно з базовою, зафіксовано підвищення глибини проплавлення, а також зменшення розбризкування металу. Слід також зазначити більш високу стабільність горін-ня дуги. Проведені випробування дозволяють зробити висновок про те, що в схемі з індуко-ном можна дещо зменшити напругу холостого ходу. Цікавими є результати, пов'язані зі зміною зазору в індуконі. Збільшення його до 2,5 мм значно поліпшує повторне збудження дуги. Але тут слід зауважити, що оскільки із збільшенням зазору зменшується L_і, то це необхідно компенсувати за рахунок збільшення ємності. Слід зазначити, що використання індуконов в області промислової частоти призводить до деякого погіршення масогабарит-них характеристик зварювальних пристроїв. Тому їх доцільно використовувати для відповідальних технологій (ТИГ- зварювання, плазмового різання тощо).

...