CC BY
9ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ
ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES, MATERIALS, SYSTEMS, AND INSTRUMENTS
Статья поступила в редакцию 17.12.12. Ред. рег. № 1482 The article has entered in publishing office 17.12.12. Ed. reg. No. 1482
УДК 621.791.01
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТОПОЛОГИЙ УСТАНОВОК ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ С УПРАВЛЯЕМЫМ ТЕПЛОВЛОЖЕНИЕМ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ПРОИЗВОДСТВА СВАРОЧНЫХ РАБОТ
B.П. Сидоров, И.В. Смирнов, А.И. Смирнова,
C.А. Хурин, В.Г. Добровольский, О.И. Сорокин
Тольяттинский государственный университет 445667 Самарская обл., Тольятти, ул. Белорусская, д. 14 Тел./факс: (8482) 53-92-45, 78-64-67, e-mail: ivansm1@rambler.ru, anna.211@rambler.ru
Заключение совета рецензентов: 18.12.12 Заключение совета экспертов: 19.12.12 Принято к публикации: 21.12.12
В статье приводится сравнительная оценка эффективности применения различных топологий установок для дуговой сварки с управляемым тепловложением в зависимости от условий производства сварочных работ.
Ключевые слова: дуговая сварка, энергоэффективность, управление тепловложением.
EFFECTIVENESS OF DIFFERENT TOPOLOGIES FOR ARC WELDING INSTALLATIONS WITH CONTROLLED HEAT INPUT, DEPENDING ON THE CONDITIONS OF PRODUCTION OF WELDING
V.P. Sidorov, I.V. Smirnov, A.I. Smirnova, S.A. Khurin, V.G. Dobrovolsky, O.I. Sorokin
Togliatti State University 14 Belorusskaya str., Togliatty, Samara region, 445667, Russia Tel./fax: (8482) 53-92-45, 78-64-67, e-mail: ivansm1@rambler.ru, anna.211@rambler.ru
Referred: 108.12.12 Expertise: 19.12.12 Accepted: 21.12.12
The paper presents a comparative evaluation of the efficacy of various topologies of installations for arc welding with controlled heat input, depending on the conditions of production of welding.
Keywords: arc welding, energy efficiency, management of heat input.
В настоящее время в машиностроении начинается процесс внедрения в производство способа аргоно-дуговой сварки неплавящимся электродом с управляемым тепловложением. Суть предлагаемого подхода достаточно подробно описана в работах [1-4]. Способ основан на практическом применении нового принципа пространственно-параметрического управления тепловложением и базируется на изменении пространственного положения сварочной дуги за счет управления параметрами ее собственного магнитного поля.
Одной из наиболее перспективных областей применения новой разработки является повышение
энергоэффективности технологических процессов сварки. Результаты проведенных в данном направлении исследований показывают, что применение принципа пространственно-параметрического управления тепловложением позволяет повысить эффективность передачи тепла сварочной дуги свариваемому изделию в среднем на 61% в сравнении с традиционным способом аргонодуговой сварки и снизить затраты электроэнергии на образование единицы площади сварного соединения в среднем на 36% [5, 6]. Для реализации нового технологического процесса было разработано специализированное сварочное оборудование, построенное по новой для ис-
точников питания сварочной дуги топологии. Применение новой топологии позволило повысить коэффициент полезного действия инверторного источника в среднем на 6,5% [7].
Наибольшую эффективность обеспечивает комплексное применение оригинального сварочного оборудования новой конструкции с энергоэффективной технологией дуговой сварки. Однако, учитывая современные экономические условия, далеко не каждое предприятие может позволить себе масштабное техническое перевооружение и полный отказ от старого сварочного оборудования. Поэтому для широкого внедрения новой энергоэффективной технологии сварки необходимо предлагать на рынок технические решения, адаптированные под разные условия и состояние сварочного производства на предприятиях. Анализу таких решений и посвящена данная работа.
В первую очередь, говоря об экономии электроэнергии на формирование сварных соединений, выполняемых по энергоэффективной технологии сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением, следует четко понимать, что эффект достигается за счет применения двух отдельных технических решений:
1. Применение технологического процесса сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением.
2. Применение топологии источника питания построенной на основе двух независимых инверторных источников с половинной номинальной мощностью, соединенных на выходе одним общим проводом.
Как было отмечено, наибольший эффект в отношении энергоэффективности дает комплексное применение обоих технических решений. Однако каждое из технических решений вносит свой вклад в достигаемой уровень экономии электроэнергии. Как указывалось выше, применение принципа пространственно-параметрического управления тепловложе-нием позволяет снизить затраты электроэнергии на образование единицы площади сварного соединения в среднем на 36%. В то же время применение новой топологии источника питания позволяет повысить
коэффициент полезного действия инверторного источника в среднем на 6,5%. Таким образом, при раздельном использовании двух технических решений наиболее эффективным оказывается применение энергоэффективного технологического процесса сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением.
Основные сложности, связанные с внедрением новой энергоэффективной технологии сварки в действующие производства, базируются на необходимости замены традиционных источников питания на новые специализированные источники питания. Однако существенно повысить возможность внедрения новой технологии в действующие производства может разработка технических решений, основанных на применении имеющихся у предприятия традиционных источников питания с их незначительной и, главное, не дорогостоящей модернизацией.
Технической основой принципа пространственно-параметрического управления тепловложением является управляемая коммутация сварочного тока между двумя каналами подвода тока к изделию. В данной работе предлагается рассмотреть три варианта технических решений, позволяющих реализовать процесс коммутации:
1. Источник питания, построенный на основе двух независимых инверторных источников с половинной номинальной мощностью, соединенных на выходе одним общим проводом.
2. Тиристорный источник питания с модернизированным выпрямительным блоком и новой системой управления.
3. Традиционный инверторный или тиристорный источник питания с подключаемым внешним коммутационным модулем (коммутатором).
Источник питания, построенный на основе двух независимых инверторных источников с половинной номинальной мощностью, соединенных на выходе одним общим проводом, является оригинальным решением разработчика энергоэффективной технологии. Функциональная схема данного решения представлена на рис. 1.
Выпрямитель
Инбертор
Трансформатор
Вторичный Выпрямитель
Фильтр
Инбертор Трансформатор Вторичный выпрямитель Фильтр
Рис. 1. Функциональная схема источника питания с коммутируемым положительным полюсом, построенного на основе двух независимых инверторных источников с половинной номинальной мощностью, соединенных на выходе одним общим проводом Fig. 1. Functional diagram of the power supply to the circuit switched positive pole, built on the basis of two independent sources with half the inverter rated power, connected to the output of a common wire
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (116) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Подробное описание схемы источника питания, построенного на основе двух независимых инвер-торных источников с половинной номинальной мощностью, соединенных на выходе одним общим проводом, приведено в работе [8]. Применение на предприятии данного решения предполагает приобретение нового источника питания.
Хотя доля вновь выпускаемых тиристорных источников питания для сварки неуклонно уменьшается, еще четыре-пять лет назад это был основной сегмент рынка сварочного оборудования. Поэтому на промышленных предприятиях имеется большое количество таких источников питания. Применение технического решения, основанного на модернизации тиристорного источника питания, предполагает использование для сварки с управляемым тепловло-жением имеющихся на предприятиях тиристорных источников питания без необходимости покупки нового сварочного оборудования.
Принципиальная схема тиристорного источника питания, модернизированного под возможность коммутации тока между двумя положительными полюсами, представлена на рис. 2. В плане аппаратной части отличия от традиционного тиристорного источника питания заключаются в том, что в схему выпрямительного блока (собранного по мостовой схеме) введены три дополнительных тиристора УБ1-У83. Это и является элементом модернизации аппаратной части. Наиболее важным элементом модернизации является необходимость замены системы управления источником питания на новую, которая обеспечивает управление девятью тиристорами и осуществляет программируемую коммутацию тока между двумя положительными полюсами источника питания. Система управления (блок управления) представляет собой блок, встраиваемый в тиристор-ный источник питания.
Рис. 2. Электрическая принципиальная схема тиристорного источника питания для дуговой сварки с коммутируемым положительным полюсом: 1 - свариваемые кромки; 2, 3 - скользящие контакты токоподвода; 4 - сварочная горелка; T1 -силовой трансформатор; T2-T7 - элементы гальванической развязки; VS1-VS9 - тиристоры; L1 - стабилизирующий дроссель Fig. 2. Electrical circuit diagram thyristor power source for arc welding with dial positive pole: 1 - side sealed; 2, 3 - sliding contacts current supply; 4 - torch; T1 - power transformer; T2-T7 - items galvanic isolation; VS1-VS9 - thyristors; L1 - stabilizing choke
Последнее техническое решение, позволяющее реализовать процесс сварки с управляемым тепло-вложением, заключается в применении любого традиционного инверторного или тиристорного источника питания, к которому подключается внешний коммутационный модуль (коммутатор). Функциональная схема этого решения приведена на рис. 3.
Схема, представленная на рис. 3, состоит из ин-верторного или тиристорного источника питания 1, подключенного к транзисторному коммутатору 2, который управляется блоком управления 3. Комму-
татор 2 работает на двух транзисторах и р2, подключенных к скользящим контактам токоподвода двумя токоподводами 4 и 5.
Коммутационный блок имеет две входных клеммы, которые соединяются с выходами источника питания, и три выходных клеммы, одна из которых (с минусовой полярностью) соединяется со сварочной горелкой, а две других (с положительной полярностью) подключаются к двум скользящим контактам токоподвода.
Рис. 3. Функциональная схема источника питания для сварки с управляемым тепловложением с коммутацией сварочного тока посредством внешнего коммутационного блока: 1 - источник питания для сварки; 2 - коммутационный блок на управляемых транзисторах; 3 - блок управления;
4, 5 - коммутируемые положительные выходы Fig. 3. Functional diagram of the power supply for welding with controlled heat input welding current is switched by an external switching unit: 1 - power supply for welding; 2 - switching unit for controlled transistor; 3 - control unit; 4, 5 - switched positive output
Применение технического решения с коммутационным блоком не предполагает никакой модернизации имеющего на предприятии сварочного оборудования, а базируется на приобретении коммутационного блока. Коммутационный блок легко встраивается в сварочную цепь посредством штатных сварочных кабелей.
Выводы и обсуждение
С точки зрения затрат на внедрение самым дорогостоящим является решение, основанное на применении оригинального источника питания (первое техническое решение). На втором месте стоит решение, основанное на применении внешнего коммутационного блока. И самым бюджетным является решение, основанное на модернизации тиристорного источника питания.
С точки зрения достигаемой энергоэффективности наиболее выгодным является применение оригинального источника питания, построенного на основе двух независимых инверторных источников с половинной номинальной мощностью, соединенных на выходе одним общим проводом. Помимо повышения энергоэффективности самого сварочного процесса в среднем на 36%, это решение обеспечивает и одновременное повышение КПД инверторного источника питания в среднем на 6%. Таким образом, общая энергоэффективность такого решения может достигать в среднем 42% в сравнении с традиционной дуговой сваркой.
Модернизация тиристорного источника питания практически никак не сказывается на величине его коэффициента полезного действия, а вот возможность реализовать энергоэффективную технологию сварки позволяет этому решению добиться в среднем 36% снижения затрат электроэнергии на образование сварного соединения. К тому же если провести более глубокую модернизацию и добавить в источник питания еще один стабилизирующий дроссель, то это позволит незначительно повысить КПД тиристорно-го источника питания. Однако это приведет к удорожанию данного решения.
Применение внешнего коммутационного блока позволяет обеспечивать эффект энергоэффективности только за счет повышения энергоэффективности самого сварочного процесса. В данном решении КПД комплекса сварочного оборудования, состоящего из источника питания и коммутационного блока, не только не повышается, но и может снизиться на величину от 5 до 20% [7]. Поэтому с точки зрения энергоэффективности это самое низкоэффективное решение.
Подводя итоги проведенного сопоставительного анализа, следует отметить, что наиболее эффективным является применение оригинального сварочного оборудования, позволяющего добиться максимальной величины энергоэффективности. Однако это решение наиболее приемлемо в случае покупки нового сварочного оборудования. Для предприятий, обладающих большим парком старого сварочного оборудования и желающих повысить энергоэффективность сварочных процессов, наиболее привлекателен подход, основанный на втором или третьем техническом решении.
С точки зрения соотношения достигаемой энергоэффективности и затрат на внедрение наиболее привлекателен подход по модернизации тиристорно-го оборудования. Однако следует иметь в виду, что КПД тиристорных источников питания на 10-15% ниже, чем у инверторных, поэтому по энергоэффективности это решение вполне соответствует варианту применения инверторного источника питания с коммутационным блоком. В то же время модернизация оборудования требует выезда специалистов непосредственно к месту расположения сварочного оборудования, что может существенно увеличивать сроки внедрения этого решения и ведет к дополнительным затратам.
Оптимальным решением по расширению возможностей уже применяемого на промышленных предприятиях оборудования может явиться применение коммутационного блока в сочетании с инверторным источником питания. Такое решение обеспечивает КПД технической системы на уровне тиристорного источника питания и не требует модернизации существующего сварочного оборудования, что существенно упрощает процесс внедрения.
Самым неэффективным решением является применение коммутационного блока в сочетании с тири-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (116) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
сторным источником питания. Такое решение может привести к снижению КПД технической системы до уровня 60%, что неприемлемо в современных условиях производства.
Таким образом, для повышения энергоэффективности сварочных процессов с использованием уже применяемого на промышленных предприятиях ин-верторного оборудования наиболее оптимальной является схема применения коммутационного блока в сочетании с инверторным источником питания. Если на предприятии большая часть применяемого оборудования является оборудованием тиристорного типа, то тут наилучшим решениям является модернизация выпрямительного блока и замена системы управления тиристорного источника питания.
Выводы
1. Для целей повышения энергоэффективности процессов сварки на предприятиях наиболее целесообразным является применение сварочного оборудования на основе двух независимых инверторных источников с половинной номинальной мощностью, соединенных на выходе одним общим проводом, позволяющего добиться максимальной величины энергоэффективности. Однако это решение наиболее приемлемо в случае покупки нового сварочного оборудования.
2. Для повышения энергоэффективности сварочных процессов с использованием уже применяемого на промышленных предприятиях инверторного оборудования наиболее оптимальной является схема применения коммутационного блока в сочетании с инверторным источником питания.
3. Если на предприятии большая часть применяемого оборудования является оборудованием тири-сторного типа, то наилучшим решением для повышения энергоэффективности сварочных процессов является модернизация выпрямительного блока и замена системы управления тиристорного источника питания.
Заключение
Проведенная работа позволила оценить эффективность применения различных топологий установок для дуговой сварки с управляемым тепловложе-нием в зависимости от условий производства сварочных работ и сформулировать рекомендации по выбору конкретного технического решения, позволяющего внедрить в производство энергоэффективную технологию дуговой сварки.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение №14.В37.21.0339.
Список литературы
1. Смирнов И.В., Сидоров В.П., Захаренко А.И., Добровольский В.Г., Гилязев Э.С. Исследование процесса управления пространственным положением дуги за счет изменения параметров ее собственного магнитного поля // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2011. №10. С. 64-71.
2. Смирнов И.В., Захаренко А.И. Управление те-пловложением в свариваемые кромки при дуговой сварке неплавящимся электродом // Сварочное производство. 2009. № 12. С. 32-36.
3. Смирнов И.В., Сидоров В.П., Захаренко А.И. Специфические аспекты описания процесса автоматической аргонодуговой сварки дугой, отклоняемой собственным магнитным полем // Сварочное производство. 2010. № 1. С. 3-6.
4. Патент на изобретение №2401726 Российская Федерация МПК В23К9/08. Способ сварки в защитном газе неплавящимся электродом магнитоуправ-ляемой дугой / Смирнов И.В., Сидоров В.П., Захаренко А.И. // Бюлл. № 29. опубл. 20.10.2010.
5. Сидоров В.П., Смирнов И.В., Смирнова А.И., Архипкин Д. И. Расчетная оценка энергоэффективности процесса дуговой сварки с управляемым тепло-вложением // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2012. № 7. С. 170-174.
6. Сидоров В.П., Смирнов И.В., Смирнова А.И., Добровольский В.Г., Архипкин Д.И. Экспериментальные исследования энергоэффективности процесса аргонодуговой сварки с управляемым тепловло-жением // Альтернативная энергетика и экология -ШАБЕ. 2012. № 8. С. 131-136.
7. Смирнов И.В., Сидоров В.П., Хурин С.А., Смирнова А.И., Добровольский В.Г., Гилязев Э.С. Сравнение показателей энергоэффективности традиционного инверторного источника питания для дуговой сварки и инверторного источника питания для сварки с управляемым тепловложением // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2012. № 8. С. 138-141.
8. Сидоров В.П., Смирнов И.В., Хурин С.А., Смирнова А.И. Оценка энергоэффективности ин-верторного источника питания для дуговой сварки с управляемым тепловложением // Альтернативная энергетика и экология - 181АЕЕ. 2011. № 11. С. 96-102.
