Размещено на http://allbest.ru

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Розробка джерела живлення з квазірезонансними принципами комутації для плазмового різання металів і сплавів

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основним компонентом комплексів для повітряно-плазмового різання (ППР) є джерело живлення (ДЖ), від властивостей і характеристик якого безпосередньо залежить стабільність процесу різання, а отже, якість і точність вирізуваних заготівок і деталей (якість кінцевого продукту), техніко-економічні, енергетичні характеристики технологічного процесу (ККД, енергетика споживання), питомі витрати енергії, праці, маса і габарити встановленого обладнання, собівартість готової продукції, відповідність правилам техніки безпеки тощо.

Аналіз номенклатури ДЖ для плазмового різання, що випускаються підприємствами України і країнами ближнього зарубіжжя показує, що їх продукція істотно відстає за своїми динамічними і статичними властивостями, технологічними можливостями від наявного рівня розробок в даній області. На даний момент розвитку машинобудівної промисловості широке застосування знаходять керовані тиристорні перетворювачі. Основні проблеми експлуатації таких установок пов'язані із значною масою електроустаткування, неприпустимо великим спотворенням вхідних струмів і суперечливими вимогами до вибору індуктивності вихідного дроселя. Тому розробка нових підходів при побудові потужних ДЖ для плазмового різання на основі транзисторних перетворювачів з високочастотною імпульсною модуляцією спрямована на поліпшення його технологічних властивостей при одночасному зменшенні маси і габаритів та впливу на мережу живлення, є актуальним завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до тематики науково-дослідних робіт Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова. Результати наукових досліджень використані в держбюджетних науково-дослідницьких роботах: «Розробка нових джерел живлення інверторного типу для мікроплазмового різання металів» (тема № 1574, шифр 6.05.73); «Резонансні перетворювачі постійної напруги для живлення суднових систем автоматики і спеціальних систем» (№ ДР - 0104U003097); «Суднові резонансні та квазірезонансні перетворювачі постійної напруги з фазовим та широтно-частотним регулюванням» (№ ДР - 0109U002219), де здобувач приймав участь як виконавець.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є розробка джерела живлення з квазірезонансними принципами комутації для плазмового різання металів і сплавів.

Для досягнення вказаної мети в роботі поставлені такі завдання:

1) вивчити особливості комплексів плазмового різання і створити їх схемотехнічну модель;

2) проаналізувати відомі підходи і методи побудови устаткування для ППР;

3) визначити перспективні напрями в області розробки і побудови енерго- і ресурсозбережуючого зварювального устаткування;

4) розробити принципи побудови силової схеми ДЖ для плазмового різання, засновані на забезпеченні простоти схемних рішень, мінімізації маси і габаритів, високого ККД і КП, з високими динамічними властивостями, низькими спотвореннями вхідних струмів, широким діапазоном регулювання;

5) дослідити динамічні характеристики елементів процесу;

6) провести математичне і комп'ютерне моделювання процесів в системі «джерело живлення - плазмова дуга»;

7) визначити статичні (зовнішні і регулювальні) характеристики ДЖ з дуговим навантаженням при фазовому і частотному регулюванні;

8) розробити і створити дослідний зразок ДЖ для комплексу плазмового різання з поліпшеними енергетичними та якісними показниками із застосуванням нової топології і виконати експериментальні дослідження, підтверджуючі адекватність теоретичних положень і застосовність розроблених перетворювачів;

9) дослідити вплив параметрів ДЖ на якість вирізуваних деталей і створюваний ним рівень електромагнітних перешкод;

10) розробити нові схемотехнічні рішення на основі результатів моделювання і виконаних досліджень.

Об'єкт дослідження - технологічний процес повітряно-плазмового різання.

Предмет дослідження - процеси в ДЖ та в системі «ДЖ - плазмова дуга».

Методи дослідження. При вирішенні поставлених в дисертації задач використовувалися методи лінійної алгебри, теорія електричних ланцюгів, положення фундаментальної теорії лінійних і нелінійних імпульсних систем, операторний метод, математичне і фізичне моделювання, чисельні методи математики та експериментальні дослідження з використанням спеціалізованої системи наукових досліджень на основі персонального комп'ютера на макеті і промислових зразках комплексу для плазмового різання. Комп'ютерне моделювання проводилось в програмному середовищі Matlab 7.0 / Simulink 6.1.

Дослідження якості поверхні різу визначали за допомогою профілометра-профілографа моделі 252, мікроструктура кромок плазмового різу вивчена з використанням металографічного мікроскопа «Neophot 21» та растрового електронного мікроскопа-мікроаналізатора РЕММА-102-02, мікротвердість металу визначали за допомогою приладу ПМТ-3.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в такому:

- вперше запропоновано і обгрунтовано застосування квазірезонансного принципу комутації при побудові нових ДЖ для плазмового різання металів, забезпечуючого покращені технологічні і техніко-економічні показники;

- розроблено математичний опис силових та інформаційних трактів ДЖ, створено комп'ютерні моделі візуального і числового відображення струмів і напруг з різними типами систем керування, які дозволили дослідити електромагнітні процеси в перетворювачах та розрахувати їх статичні характеристики;

- побудовані еквівалентні схеми заміщення і фізико-математичні моделі електромагнітних компонентів ДЖ і системи «ДЖ-плазмова дуга» при плазмовому різанні з лінійним і нелінійним дроселями, які враховують нестійкість горіння дуги при малих струмах, процес виходу дуги на робочий режим та її нестаціонарність, отримані їх передатні функції з числовими значеннями коефіцієнтів і в символьному вигляді, що створює основу для символьного і числового аналізу процесів та розрахунку характеристик;

- розроблено методологію застосування програмного пакету Matlab для аналізу сталих і перехідних процесів у силових трансформаторах та дроселях ДЖ для плазмового різання, що підвищує достовірність одержаних результатів і дозволяє досліджувати роботу комплексу плазмового різання.

Практична цінність отриманих результатів. Проведені дослідження дозволяють значно поліпшити техніко-економічні характеристики технологічного устаткування для ППР та їх електромагнітну сумісність з мережею живлення.

Розроблені рекомендації щодо поліпшення технологічних процесів і експлуатаційних показників устаткування за рахунок створення ДЖ нового покоління для повітряно-плазмового різання.

Дослідні зразки ДЖ пройшли тривалі випробування на машинах термічного різання НВП «УкрТермМаш» (м. Миколаїв) та на ВАТ «Херсонський суднобудівний завод» (м. Херсон). Теоретичні результати розробки використовуються в учбовому процесі Національного університету кораблебудування. Розроблене ДЖ PLASMA 110i HF одержало диплом за перемогу у Всеукраїнському конкурсі-виставці «Кращий вітчизняний товар 2008 року».

Особистий внесок автора в одержанні наукових результатів. Автором самостійно виконаний аналіз електромагнітних процесів в квазірезонансному імпульсному перетворювачі (КРІП) з LCC-контурами при електродуговому навантаженні та визначений вплив плазмової дуги на режим перемикання при нульовій напрузі.

Автор брав участь в розробці математичної та комп'ютерної моделі процесів в системі «ДЖ - плазмова дуга», проводив дослідження процесів на основі створених моделей, отримав аналітичні залежності вихідної напруги і струму перетворювача.

Автор брав участь в проведенні експериментів, узагальненні та аналізі отриманих результатів. Написання статей і оформлення заявок на винаходи виконувалося при безпосередній участі автора.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: Всеукраїнській науково-технічній конференції «Системи керування і автоматики», м. Севастополь, 2007 р.; IV Всеукраїнській науково-технічній конференції «Зварювання та суміжні технології», м. Київ, 2007 р.; Міждержавній науковій раді зі зварювання і споріднених технологій «Найближчі проблеми вдосконалення джерел живлення і систем автоматичного управління для електрозварювання», Крим, м. Кацивелі, 2007 р.; V Всеукраїнській науково-технічній конференції молодих учених і спеціалістів, м. Кременчук, 2007 р.; Всеукраїнській науково-технічній конференції студентів, аспірантів і молодих науковців «Зварювання та споріднені процеси і технології», м. Миколаїв, 2008 р.; Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми зварювання, споріднених процесів і технологій», м. Миколаїв, 2009 р.; Міжнародній науково-технічній конференції „Силова електроніка та енергоефективність”, м. Алушта, 2007 - 2009 рр.

Публікації. За результатами проведених досліджень опубліковано 14 статей у наукових журналах ВАК, 6 тез наукових конференцій, отримано 1 патент України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаної літератури і додатків. Загальний об'єм роботи - 191 сторінка. Дисертація містить 72 рисунки, 8 таблиць, список використаної літератури складає 165 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність і доцільність роботи, сформульовано мету й завдання дослідження, викладені наукова новизна, практичне значення одержаних результатів, зазначено особистий внесок здобувача, наведено дані щодо апробації результатів дисертаційної роботи та публікації.

В першому розділі на основі комплексної оцінки конкуруючих технологій розподілу матеріалів вибрано раціональний високоефективний технологічний процес - повітряно-плазмове різання на підвищеній густині струму, що забезпечує високу якість виробів при мінімальному рівні часових і матеріальних витрат, проведено аналіз науково-технічної літератури, присвяченої питанням створення джерел живлення для плазмового різання.

Наведено вольт-амперні характеристики та аналіз еквівалентної схеми заміщення «джерело живлення - плазмова дуга». Сформульовано технологічні і техніко-економічні вимоги до ДЖ. Проведений аналіз дозволив зробити висновок, що поряд зі статичною (формула 1) та динамічною стійкістю (формула 2) ДЖ повинно забезпечувати просторову стійкість, технологічну стійкість системи «джерело - дуга» і усувати нестійкість, обумовлену двозначністю та розривністю вольт-амперної характеристики дуги (формула 3):

, (1)

де А - кінцева величина, що залежить від умов горіння дуги;

Е_c l_c < U_пр,(2)

де Е_с - напруженість в каналі сопла, В / мм; l_с - довжина каналу сопла, мм; U_пр - напруга пробою зазначеного вище прошарку газу, В;

, , , (3)

де І_вим - рівень струму деіонізаціі дуги, А; - тривалість деіонізації, с.

З урахуванням усіх чинників стійкості системи і високого ККД ДЖ ідеальною його ВАХ є крива, наведена на рис. 1.

Рис. 1. Діаграма можливих режимів роботи ДЖ

У цьому випадку ідеальна (найкраща) складнокомбінована ВАХ ДЖ містить в загальному випадку три ділянки: пологозрастаючий по напрузі на коротких дугах; штиковий або жорсткий по струму (|с_и|=40 В/А) - при середніх дугах; зростаючий (|с_и|=0,3 В/А) - при довгих дугах.

На основі проведеного аналізу обґрунтована мета і сформульовані завдання роботи.

В другому розділі розглянуті питання, пов'язані з використовуваними для досліджень матеріалами й устаткуванням. Відповідно до поставлених задач основні показники якості і точності поверхні різу деталей визначалися на таких матеріалах як сталь категорії Д32, сталь 12Х18Н9Т та сплав АМг3. Вибір матеріалів був обумовлений частотою їх використання у промисловості. Для порівняння різання зразків виконували розробленим джерелом PLASMA 110i HF і ДЖ LINCOLN PC 100 (плазмотрон ABIPLAS CUT MT 110 Z).

Точність і якість вирізуваних плазмово-дуговим різанням заготівок оцінювали відповідно ГОСТ 14792-80 «Детали и заготовки, вырезаемые кислородной и плазменно-дуговой резкой» та аналогічними стандартами Німеччини, Франції і інших країн за чотирма показниками: точність розмірів, неперпендикулярність кромок, мікрошороховатість поверхні різу та ЗТВ.

Була описана методика металографічного аналізу та устаткування, що використовувалося під час досліджень.

В третьому розділі розглядається схемна реалізація і принцип дії розробленого стабілізатора струму з квазірезонансним перетворювачем.

Рис. 2. Новий FB-ZVS-PS DC-DC конвертор

Показано, що для усунення недоліків типового повномостового фазозсувного конвертора з перемиканням в нулі напруги (Full Bridge Zero Voltage Switched Phase Shift DC-DC Converter - FB-ZVS-PS DC-DС) - розширення ZVS діапазону без властивих типовому конвертору втрат в робочому циклі - до останнього слід ввести LCC-контури, як показано на рис. 2

Наведено особливості розрахунку, аналіз електромагнітних процесів, визначено точне значення резонансної індуктивності L_k і значення ємності снабберних конденсаторів

C1=C2=C3=C4=C_rcrit=I_Dt_f / 4U_in, i=1..4,

де t_f _ тривалість спаду струму, с; I_D _ струм стоку, А.

На рис. 3 показані варіанти для енергії накопиченої в індуктивності первинної високочастотної обмотки W_L при різних струмах навантаження. Тут же показано необхідне значення енергії для отримання ZVS (W_C = 2,92 мДж). Як видно з рис. 3, для L_S <1 мГн перемикання в нулі напруги проходить у всьому діапазоні зміни навантаження.

Виконано електронне моделювання стабілізатора з фазовим керуванням. Адекватність динамічної моделі для силового ланцюга встановлена шляхом порівняння результатів моделювання з осциллограмами відповідних струмів реального перетворювача, ординати яких відрізняються на кілька відсотків. Для аналізу статичних характеристик запропонована функціональна схема перетворювача (рис. 4).

Силова частина квазірезонансного перетворювача з дроселем змінного струму (наприклад, для частого регулювання) формує вихідну напругу відповідно з виразом

, (4)

де - базові напруга та еквівалентний опір навантаження, які відповідають режимові роботи з номінальним струмом навантаження



Рис. 3. Варіанти для енергії комутації WL

Рис. 4. Функціональна схема перетворювача

; ; ; ;

;

- базове значення частоти модуляції, Гц;

;

- відносна (нормалізована) вхідна напруга приведена до вторинної обмотки; - коефіцієнт заповнення;

- коефіцієнт трансформації; - сумарний активний опір, Ом; - тривалість зворотного відновлення діода, с; - частота роботи перетворювача, Гц; - диференційний опір плазмової дуги, Ом; - вхідна напруга, В.

Співвідношення, що визначає вихідний струм стабілізатора з замкнутим ланцюгом зворотного зв'язку:

,(5)

де ; - коефіцієнти передачі керованого напругою генератора (частотного модулятора), датчика струму й пристрою управління відповідно; - струм завдання, А.

Струм навантаження визначається як позитивний корінь виразу (5):

. (6)

Статична похибка регулювання струму стабілізатора, силова частина якого виконана за схемою на рис. 4 має вигляд

.(7)

Як видно з (6) - (7), точність підтримки струму навантаження збільшується із зростанням коефіцієнтів передачі частотного модулятора і передачі підсилювача . При статична похибка регулювання дорівнює нулю. При кінцевому значенні на точність підтримки струму впливає, наприклад, значення напруги на дузі. Зі зменшенням похибка регулювання збільшується. Зростає похибка регулювання і зі зменшенням індуктивності , струму та напруги на навантаженні .

Сумарна зміна вихідного струму при сукупному впливі дестабілізуючих факторів визначиться виразом

,(8)

де - параметр, що входить до керування регулювальної характеристики або описує роботу частотного модулятора.

З формули (8) випливає, що для зменшення вимушеної (усталеної) складової помилки необхідно збільшувати . Однак, при підвищенні зменшується запас стійкості, система наближається до межі стійкості, перехідний процес стає більш коливальним (погіршуються показники якості перехідного процесу).

Вираз, що описуює зовнішню характеристику перетворювача в усталеному режимі має вигляд:

, (9)

де - діапазон зміни частоти модуляції.

Графік даної залежності показано на рис. 5, звідки видно, що зовнішня характеристика перетворювача має три характерні ділянки: I - ділянка малих навантажень, яка характеризується збільшенням вихідної напруги при зменшенні струму навантаження; II - ділянка стабілізації вихідного струму, на якій параметр D змінюється від 1 до 5; III - ділянка, де перетворювач знову переходить в нерегульований режим, який характеризується плавним спадом вихідної напруги.

Рис. 5. Зовнішні характеристики перетворювача (, мкГн)

З рис. 5 видно, що вже при коефіцієнт нестабільності струму навантаження при зміні опору від до нуля (від струму, близького до нуля, до струму, що прямує до нескінченності - коротке замикання навантаження) дорівнює 12-2,7%.

Варіант тільки струмового зворотного зв'язку дозволяє варіювати нахил робочої ділянки ВАХ джерела в межах , де - кут нахилу природної ВАХ джерела для .

У той же час у процесі управління необхідно мати «штикову» і зростаючу робочу ділянку ВАХ джерела живлення. З цією метою одноконтурну систему доповнюємо зворотними зв'язками за напругою на дузі, що вступає в роботу, коли контрольована координата прагне перевищити задане значення . Тут в загальному випадку реалізується від'ємний зворотній зв'язок за струмом і додатній / від'ємний зворотній зв'язок за напругою. Сигнал зворотного зв'язку , пропорційний напрузі на навантаженні, знімається з датчика напруги і надходить на вхід системи керування, де порівнюється із заданим сигналом .

Таким чином, гнучка і точна реалізації регульованих зовнішніх характеристик складної форми ДЖ і швидкодіюче регулювання параметрів режиму (струму) дає можливість підвищити продуктивність різання на 15-20 %.

У четвертому розділі розроблено методику розрахунку індуктивних елементів інверторів, що дозволяє вибрати оптимальні електромагнітні та геометричні параметри; створено фізико-математичну модель системи «джерело живлення - плазмова дуга».

В якості магнітопроводів використані сучасні магнітні матеріали ГАММАМЕТ 414, Мо-пермалой (Molypermalloy Powder - MPP). Виявилося, що практично у всій області частот від 15 до 100 кГц потужність трансформатора з магнітопроводом ГМ 414 вища більш ніж в 1,25 рази за традиційні магнітні матеріали.

Розрахунками та експериментально визначено параметри схеми двохобмоточного трансформатора, побудована його математична модель, знайдена передатна функція, отримана діаграма Боде, пік якої відповідає резонансній частоті і обумовлений явищем послідовного резонансу в ().

Проведено аналіз системи живлення плазмотрона (рис. 6).

Рис. 6. Схема живлення плазмотрона

Тут плазмова дуга представлена вольт-амперною характеристикою, залежністю напруги на дузі від її довжини і швидкості продування .

Передатну функцію ланцюга від його виходу до входу можна записати у вигляді

, (10)

де , , ; - смуга пропускання ланцюга, с^-1; - відносне значення хвильового опору.

Амплітудна частотна функція

,

де ; - поточна частота, с^-1.

Фазова частотна функція змінюється монотонно від 0 до -р і виражається формулою

(11)

де ; - сполучаюча частота, с^-1.

Сімейство АЧХ утворено варіюванням параметра r, що має сенс втрат в системі. При цьому

, (12)

так як .

Як і слід було очікувати, АЧХ цього ланцюга має резонансний пік. Пік буде існувати при . Висота піку буде тим більшою, чим менше параметр затухання

, (13)

де - параметр затухання.

Максимуму АЧХ відповідає частота

. (14)

При певних с резонансний пік може бути зведений до нуля. У смузі частот до АЧХ і ФЧХ такого ланцюга наближаються до ідеальної безперешкодної системи, причому . Такий «добрий» варіант можливий при . Смуга пропускання знаходиться в інтервалі від до .

Для зменшення коливальності системи та тривалості встановлення напруги на виході ДЖ у режимі збудження пілотної дуги можна використовувати згладжувальний LC-фільтр з конденсатором, шунтованим резистором R₁. Передатна функція такої ланки описується рівнянням (10), де

; ; ( кОм). (15)

Введення шунтуючого резистора збільшує ступінь затухання вихідного фільтра і тим самим зменшує зворотню напругу на діодах випрямляча і підвищує стійкість перетворювача напруги при дії сигналу збурення в режимі пілотної дуги.

Величину дефекту амплітуди К_А можна визначити за формулою:

, (16)

де А₀ - постійна складова сигналу на вході фільтра; r = .

Введення коефіцієнта дозволяє усунути систематичну помилку, обумовлену падінням напруги на внутрішньому опорі перетворювача при , так як її завжди можна усунути підвищенням напруги живлення на фіксовану величину.

Наближено плазмотрон можна уявити джерелом напруги, що змінюється в часі, як це показано на рис. 7.

Рис. 7. Пульсації вихідної напруги ДЖ

Результати моделювання процесів в ланцюзі з нелінійною індуктивністю при імпульсній пульсації напруги на дузі показані на рис. 8.



Рис. 8. Результат імітації процесу в системі ДЖ-дуга при нелінійному та нестаціонарному характері навантаження з нелінійним дроселем (f_d = 1 кГц, R_d = 1,2, k_з = 0,7)

З цього прикладу видно залежність режиму роботи цього ланцюга від значень параметрів імпульсу пульсацій напруги. Зокрема, значення пульсацій струму, викликані пульсацією напруги, зменшуються зі зменшенням тривалості імпульсів. При цьому, для кГц струм дроселя коливається біля заданого струму, а значення відхилення струму Дi досягає свого мінімуму при фіксованій індуктивності.

П'ятий розділ присвячено експериментальному дослідженню ефективності розробленого ДЖ, яке забезпечує стійкість, необхідну крутизну зовнішньої характеристики, високу швидкодію та керування за миттєвим значенням струму дуги. На рис. 9 показаний характер зміни рельєфу поверхні різу вуглецевої сталі, виконаного розробленим ДЖ.



Рис. 9. Профілограма плазмового різу джерелом живлення PLASMA 110i HF, плазмотрон ABIPLAS CUT MT 110 Z (вертикальне збільшення Ч2000, горизонтальне збільшення Ч20, мм, плазмоутворювальний газ - повітря, v_p = 1400 мм / хв (23,3 мм / с))

Як видно з рис. 9, на сталі товщиною 10 мм при ППР з досліджуваним джерелом рівчачки на поверхні різу відсутні, шороховатість поверхні різу мкм ( мкм) і наближається до шороховатості поверхні металу, обробленого фрезеруванням.

Порівняння ППР листів товщиною 6-10 мм устаткуванням попереднього покоління і новим ДЖ дозволяє зробити висновок, що в останньому випадку якість різу за параметром неперпендікулярність значно краща (в 2,33 рази менше) і становить 0,354 мм, що відповідає I класу за ГОСТ 14792-80.

На практиці при струмі 70 А, напрузі на дузі 130 В, товщині металу 10 мм (вуглецева сталь), діаметрі сопла 1,2 мм, відстані від різака до поверхні заготівки 1,5 мм та за оптимальної швидкості різання 2,58 см / с ширина різу становила 1,5-2,0 мм.

При дослідженні встановлено, що при плазмовому різанні розробленим ДЖ ширина ЗТВ становить 0,19 мм, тобто в 2,8 рази менше, ніж при різанні з вирористанням типового ДЖ і відповідає I класу.

Поверхня різу сталі Ст 3 товщиною 10 мм показана на рис. 10.



Рис. 10. Поверхня різу сталі Ст 3 товщиной 10 мм (60 А)

На рис. 11 показані поверхні різу сталі 12Х18Н9Т і сплаву АМг3 товщиною 6 і 10 мм.

а) б)

Рис. 11. Поверхні різу сталі 12Х18Н9Т (а) і сплаву АМг3 (б)

На рис. 12 показано процес запалювання пілотної дуги та перехід до основної дуги.

а) б)

Рис. 12. Осцилограми процесу ППР: струм різання 45 А; u₀ - напруга дуги (m_U = 50 B / под); i₀ - струм дуги (m_I = 10 A / под); а - початок різання; б - закінчення різання з повним проплавленням

Результати вимірювання ККД розглянутих ДЖ в залежності від струму навантаження показані на рис. 13.

Видно, що ККД, наприклад для ДЖ PLASMA 110i HF, знаходиться в межах 92-95%, виявляється вищим на 5-12 %, ніж для традиційного інвертора, і практично незмінним у діапазоні струмів від 20 А до 100 А.

При тих же значеннях для КРІП з частотним регулюванням ККД змінюється в межах 91-93 % і приблизно на 1-2 % нижче, ніж у ДЖ PLASMA 110i HF.

ДЖ PLASMA 110i HF дозволяє в середньому отримати ширину різу на 20 % меншу, збільшити швидкість різання на 30 % і ресурс роботи плазмотрона більш ніж у 2 рази в порівнянні зі своїм найближчим аналогом (рис. 14).

Рис. 13. Експериментальні залежності ККД: 1 - PLASMA 110i HF; 2 - КРІП з частотним регулюванням; 3 - традиційний інвертор

Рис. 14. Ресурсні характеристики (стійкість електрода): 1 - плазмотрона з стандартним ДЖ; 2 - плазмотрона з ДЖ PLASMA 110i HF

У додатках наведені: модель КРІП і часові діаграми перетворювача з фазовим регулюванням; пристрій формування складнокомбінованих ВАХ; динамічна модель трансформатора; аналіз динамічних властивостей ланцюга живлення плазмотрона; акти впровадження результатів дисертаційної роботи.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення та нове рішення завдання побудови нового джерела живлення з квазірезонансними принципами комутації для плазмового різання металів і сплавів, що дозволяє значно покращити техніко-економічні характеристики технологічного устаткування для повітряно-плазмового різання і його електромагнітну сумісність з мережею живлення.

2. Виконаний огляд сучасних способів регулювання вихідної потужності резонансних перетворювачів постійної напруги для зварювання і споріднених процесів і технологій дозволив виявити переваги і недоліки частотного і широтного способів регулювання, вибрати спосіб регулювання і стабілізації вихідних параметрів технологічного комплексу.

3. Запропоновано спосіб стабілізації струму при побудові ДЖ для ППР, який істотно поліпшуює характеристики і підвищуює енергоефективність резонансних перетворювачів постійної напруги: комутаційні втрати в перетворювачі приблизно в 3 рази менше комутаційних втрат в нерезонансному перетворювачі постійної напруги (патент № 91768).

4. В результаті теоретичних та експериментальних досліджень запропоновано та реалізовано складнокомбіновану зовнішню характеристику ДЖ: пологозростаючу за напругою при малих напругах дуги, жорстку за струмом при середніх напругах дуги і зростаючу за струмом при великих напругах дуги. Це дозолило побудувати якісну діаграму можливих режимів роботи ДЖ і підвищити технологічну стійкість системи «ДЖ - плазмова дуга» при ППР.

5. Розроблені математична, комп'ютерна схемотехнічна і імітаційна моделі, що адекватно описують динамічні і статичні режими комплексу плазмового різання з погоджувальним управлінням. Адекватність моделей підтверджена результатами експериментальних досліджень енергетичної ефективності системи плазмового різання. Вони можуть бути рекомендовані для використання при проектуванні перетворювачів з поліпшеними техніко-економічними показниками.

6. Застосування квазірезонансних принципів комутації в джерелах живлення, що працюють на дугове навантаження, і оригінального алгоритму управління в порівнянні з традиційними забезпечують зниження встановленої потужності інвертування і приводять до зниження індуктивності вихідного дроселя (? 300 мкГн), забезпечують універсальність джерела живлення, максимально враховують специфічні вимоги таких технологічних навантажень як дугові повітряні плазмотрони, дозволяють використовувати його з різними об'єктами управління.

7. Гнучка і точна реалізації регульованих зовнішніх характеристик складної форми ДЖ (формування зовнішніх характеристик за заданими законами і оперативного переходу з однієї характеристики на іншу автоматично або програмно) і швидкодіюче регулювання параметрів режиму (струму) дає можливість поліпшити технологічні процеси і експлуатаційні показники устаткування: брак по різанню повністю виключений; підвищені точність і якість поверхні різу; знижено витрати на бистрозношувані деталі в 1,5-2 рази; підвищено продуктивність процесу різання на 15-20 %.

8. Експериментальні дослідження ДЖ на базі квазірезонансного перетворювача підтвердили перспективність запропонованого схемного рішення: ККД в номінальному режимі складає 0,95, питомі характеристики - 517 Вт/кг, розширюється робочий діапазон струмів навантаження 10 - 100 А. Точність і якість поверхні різу деталей і заготівок, вирізаних плазмовим різанням з листової сталі (вуглецевої звичайної якості, високолегованої корозійностійкої, жаростійкої, жароміцної), листів алюмінію і його сплавів завтовшки 5 - 35 мм відповідає I класу (ГОСТ 14792-80). Розроблене ДЖ дозволяє зменшити ширину різу на 20 %, збільшити швидкість процесу різання на 30 % і ресурс роботи плазмотрона більш ніж в 2 рази в порівнянні з своїм найближчим аналогом.

9. Дослідні зразки джерела живлення пройшли тривалі випробування на машинах термічного різання НВП «УкрТермМаш» (м. Миколаїв) та на ВАТ «Херсонський суднобудівний завод» (м. Херсон) з очікуваним річним економічним ефектом понад 27 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

плазмовий різка дуговий

1. Верещаго Е.Н. Новый источник питания для плазменной обработки деталей / Е.Н. Верещаго, И.Ф. Фельдшер, В.И. Костюченко // Вестник двигателестроения. - 2006. - № 4. - С. 16 - 19.

2. Верещаго Е.Н. Анализ источника электропитания для плазменной дуги с промежуточным повышением частоты / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко, И.Ф. Фельдшер // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету ім. Михайла Остроградського. - 2007. № 4 (45). - Ч. 1. - С. 89 - 91.

3. Верещаго Е.Н. Анализ электромагнитных процессов в FB-ZVS-PS DC-DC конверторе с LCC-контурами / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко, И.Ф. Фельдшер // Вісник Хмельницького національного університету.- 2007. - № 2. - Т. 1. - С. 225 - 229.

4. Верещаго Е.Н. Квазирезонансные инверторы в устройствах электропитания для воздушно-плазменной резки / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко, И.Ф. Фельдшер // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск «Силова електроніка та енергоефективність». - 2007. Ч. 4. - С. 8 - 11.

5. Верещаго Е.Н. Микропроцессорное устройство управления источником питания плазменной дуги / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко, И.Ф. Фельдшер // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації. - 2007. - № 2 (15). - Ч ІІ. - С. 13 - 18.

6. Верещаго Е.Н. Системы управления с транзисторными преобразователями для плазмотронов большой мощности / Е.Н. Верещаго, И.Ф. Фельдшер, В.И. Костюченко // Системи керування та автоматики: наук.-техн. конф., 10-11 квітня 2007 р.: тези допов. - Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2007. - С. 15 - 16.

7. Верещаго Е.Н. Источники питания для дуговой нагрузки на основе ZVS-преобразователя / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко, И.Ф. Фельдшер // Ближайшие проблемы совершенствования источников питания и систем автоматического управления для электросварки: межгосударственный научный совет по сварке и родственным технологиям, 2007.: тезисы докл. - Крым: Кацивели, 2007. - С. 8.

8. Костюченко В.И. Квазирезонансный инверторный источник питания для электропитания плазмотронов / В.И. Костюченко, И.Ф. Фельдшер // Зварювання та суміжні технології: IV Всеукраїнська науково-технічна конференція молодих учених та спеціалістів, 23-25 травня 2007 р.: тези допов. - К., - 2007. - С. 156.

9. Фельдшер И.Ф. Компьютерное моделирование системы управления для плазмотронов большой мощности / И.Ф. Фельдшер, В.И. Костюченко // Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації. Збірник матеріалів V Всеукраїнської науково-технічної конференції молодих учених і спеціалістів, 18-20 квітня 2007 р.: тези допов. - Кременчук, 2007 р. - С. 160-161.

10. Верещаго Е.Н. Автоматический регулятор напряжения для автономного инвертора системы электропитания сварочной дуги / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету ім. Михайла Остроградського. - 2008. №. 4 (51). - Ч. 2. - С. 89 - 91.

11. Верещаго Е.Н. Малосигнальная модель квазирезонансного преобразователя с фазовым управлением / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск «Силова електроніка та енергоефективність». - 2008. Ч. 1. - С. 117 - 122.

12. Верещаго Е.Н. Перспективный источник питания для плазменного технологического оборудования / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко, И.Ф. Фельдшер // Праці Луганського відділення Міжнародної Академії інформатизації. - 2008. - № 1(16). - С. 18 - 21.

13. Верещаго Е.Н. Квазирезонансный источник питания PLASMA 110i HF для плазменной резки / Е.Н. Верещаго, В.Ф. Квасницкий, В.И. Костюченко // Сварочное производство. - 2008. - № 6. - С. 37 - 41.

14. Верещаго Е.Н. Перспективы развития воздушно-плазменной резки / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко // «Зварювання та споріднені процеси і технології» Матеріали всеукраїнської науково-технічної конференції студентів, аспірантів і молодих науковців, 3-7 вересня 2008 р.: тези допов. - Миколаїв: НУК, 2008. - С. 64 - 65.

15. Верещаго Е.Н. Новые топологии и системы управления импульсными источниками питания для дуговой нагрузки (обзор). Ч.1. / Е.Н. Верещаго, В.Ф. Квасницкий, В.И. Костюченко // Сварочное производство. - 2009. - № 1. - С. 22 - 28.

16. Верещаго Е.Н. Новые топологии и системы управления импульсными источниками питания для дуговой нагрузки (обзор). Ч.2. / Е.Н. Верещаго, В.Ф. Квасницкий, В.И. Костюченко // Сварочное производство. - 2009. - № 10. - С. 21 - 28.

17. Верещаго Е.Н. Системы электропитания на базе резонансных инверторов / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко // Автоматическая сварка. - 2009. - № 8.- С. 35 - 42.

18. Верещаго Е.Н. Характеристики источника тока с улучшенной электромагнитной совместимостью для питания воздушных плазмотронов / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск «Силова електроніка та енергоефективність». - 2009. Ч.4. - С. 49 - 54.

19. Верещаго Е.Н. Экспериментальное исследование источника питания на базе квазирезонансного преобразователя для плазменной технологи / Е.Н. Верещаго, В.И. Костюченко // Збірник наукових праць НУК. - 2009. - №4(427). - С. 62 - 70.

20. Костюченко В.И. Уровни математических моделей для описания схем импульсных преобразователей / В.И. Костюченко // Проблемы сварки, родственных процессов и технологий. Материалы Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию кафедры сварочного производства НУК и 75-летию ИЭС им. Е.О. Патона, 14-17 октября 2009 г.: тезисы докл. - Николаев: НУК, 2009 г. - С. 66.

21. Пат. 91768 Україна, МПК (2009) В23К9/06. Джерело живлення для дугового навантаження / Верещаго Є.М., Квасницький В.Ф., Костюченко В.І.; заявник і патентовласник Національний університет кораблебудування ім. адм. Макарова. - Заяв. № а200814841 від 23.12.2008; Опубл. 25.08.2010. - Бюл. №16.

Размещено на Allbest.ru

...