CC BY
81
УДК 621.3.018.32:621.3.018.783.3:621.3.017
И.В. Пентегов, С.В. Рымар, А.М. Жерносеков, В.Н. Сидорец
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ СВАРОЧНОЙ ДУГИ
Досліджено гармонійний склад електричної мережі при роботі однофазних інверторних і трансформаторних зварювальних джерел живлення. Встановлено, що інверторні джерела живлення генерують у мережу широкий спектр вищих гармонік струму, особливо струми нульової послідовності, що погіршує їх електромагнітну сумісність і потребує застосування фільтрів вищих гармонік струму. Трансформаторні джерела живлення генерують значно менші гармоніки струму і мають хорошу електромагнітну сумісність.
Исследован гармонический состав электрической сети при работе однофазных инверторных и трансформаторных сварочных источников питания. Установлено, что инверторные источники питания генерируют в сеть широкий спектр высших гармоник тока, особенно токи нулевой последовательности, что ухудшает их электромагнитную совместимость и требует применения фильтров высших гармоник тока. Трансформаторные источники питания генерируют значительно меньшие гармоники тока и обладают хорошей электромагнитной совместимостью.
ВВЕДЕНИЕ
Сварка плавлением является основным технологическим процессом сварочного производства, в особенности электродуговая сварка, на которую приходится до 80 % объема сварочных работ [1, 2]. Ручная дуговая сварка, несмотря на интенсивное развитие механизированной и автоматической сварки, по-прежнему востребована и остается актуальной в серийном производстве, при ремонтных работах, в отдельных частях технологических процессов, таких как специальные врезки на магистральных трубопроводах и др. Ручная дуговая сварка покрытыми электродами позволяет осуществлять одно- и многопроходную сварку конструкций с различной конфигурацией швов во всех пространственных положениях, а также швов, расположенных в труднодоступных местах. Важным при таком способе сварке является также возможность легирования металла швов, как через химический состав покрытия электродов, так и через металл электродных стержней.
Это способствует интенсивному развитию источников питания для ручной дуговой сварки, в особенности транзисторных инверторных источников питания сварочной дуги. При этом доля традиционных сварочных источников питания, выполненных на базе сварочных трансформаторов, уменьшается.
Инверторные источники питания сварочной дуги [3] обладают малыми габаритами и массой, обеспечивают высокое качество сварных соединений, позволяют формировать необходимую вольт-амперную характеристику и потребляют небольшую мощность, но остаются по-прежнему достаточно дорогими, не надежными в эксплуатации и требуют наличия сервисных центров с высококвалифицированным персоналом.
Трансформаторные сварочные источники питания имеют большую массу, но на порядок дешевле инверторных источников питания, надежны и неприхотливы в эксплуатации. К тому же не исчерпаны все возможности их совершенствования с целью улучшения их технических, эксплуатационных и экономических показателей [4].
В последнее десятилетие все промышленно развитые страны стали уделять особое внимание энергосберегающим технологиям и качеству электроэнергии элек-
трических сетей. Вызвано это тем, что в начале 90-х годов они столкнулись с проблемой постоянного ухудшения качества электроэнергии питающих сетей, заключающейся в искажении синусоидальной формы напряжения и тока. Это незамедлительно привело к повышению потерь и понижению надежности эксплуатации электрооборудования. Такое явление вызвано увеличением количества оборудования с нелинейными трехфазными и однофазными нагрузками, которые генерируют в электрическую сеть высшие гармоники тока.
Однофазные импульсные источники питания с бестрансформаторным входом, выпрямители, инверторы, частотно-управляемые электроприводы, компьютерные системы, телекоммуникационная и офисная аппаратура, энергосберегающие лампы и другие однофазные нелинейные нагрузки, из-за своей массовости привели к увеличению коэффициента нелинейных искажений (гармоник) тока THDj (Total Harmonic Current Distortion [5]) до 90-140 %, особенно за счет генерации в сеть 3 -ей и кратных ей гармоник тока до 80% (токи нулевой последовательности) [6]. Высшие гармоники тока увеличивают коэффициент нелинейных искажений напряжения THDV (Total Harmonic Voltage Distortion) сетей, доводя его до 7 % и выше.
Нелинейные нагрузки ухудшают электромагнитную совместимость, что приводит к ненадежной работе электрического и электронного оборудования [5, 6], ускоренному старению изоляции, коррозии элементов заземлений, перегреву роторов и износу подшипников электродвигателей. За счет преобладания в сети 3-ей и кратных ей гармоник может возникать реверсное вращение асинхронных электродвигателей и подгорание изоляции нулевых проводов при превышении тока в нулевом проводе выше проектного уровня.
В Украинских и Европейских стандартах, определяющих параметры качества однофазных сетей, не установлены уровни коэффициента нелинейных искажений тока, а ограничены значения токов конкретных гармоник. В Украине стандарт касается только однофазных сетей с током не более 16 А [7]. В Северной Америке [8] и странах Евросоюза уровни THDj стандартизированы для трехфазных сетей. В связи с этим можно прогнозировать введение в Украине норм, определяющих допустимые уровни коэффици-
ента TED, для однофазных сетей.
Приемлемые значения коэффициента TEDU ограничены 3 % для индивидуальных нелинейных нагрузок. Допустимое значение определено 5 % для совокупных нагрузок сети [8]. Отечественные нормативные документы [7] допускают значение TEDU до 8 %, при котором уже существенно искажается синусоидальное напряжения сети.
Однофазные сварочные источники питания, в которых применяется электрическая дуга, являющаяся нелинейной нагрузкой, сварочные выпрямители и инверторы, также являются генераторами высших гармоник тока. В связи с этим, актуально уменьшение уровня гармоник тока при работе сварочного оборудования, особенно при продвижении отечественных сварочных технологий и оборудования в промышленно развитые страны.
Целью статьи является исследование воздействия на электрическую сеть однофазных инверторных и трансформаторных источников питания сварочной дуги.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СЕТЬ ОДНОФАЗНЫХ СВАРОЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
Исследовались следующие сварочные источники питания, питающиеся от однофазной сети переменного тока частотой 50 Гц:
• промышленно выпускаемый Опытным заводом сварочного оборудования Института электросварки им. Е.О. Патона однофазный транзисторный инверторный источник питания ВДИ-Ь-200, предназначенный для ручной дуговой сварки низкоуглеродистых и легированных сталей, многих цветных металлов (кроме алюминиевых и титановых сплавов) любыми видами электродов;
• промышленно выпускаемый тем же заводом однофазный сварочный трансформатор с развитыми поперечными магнитными потоками рассеяния и магнитным шунтом СТШ-250 (на сварочный ток до 250 А), снабженный устройством стабилизации горения сварочной дуги [9]. Источник питания имеет плавное регулирование сварочного тока и предназначен для ручной дуговой сварки штучными электродами переменного и постоянного тока;
• разработанный в Институте электросварки им. Е.О. Патона однофазный сварочный источник питания с конденсаторным умножителем напряжения ВДУ-125-У3 (выпрямитель дуговой универсальный на сварочный ток до 125 А), состоящий из сварочного трансформатора с развитыми ярмовыми магнитными потоками рассеяния и конденсаторного умножителя напряжения с мостовой диодной схемой выпрямления [4, 10]. Умножитель напряжения обеспечивает улучшенное начальное зажигание сварочной дуги, зажигание дуги после перехода тока через ноль, и стабильное ее горение. Источник питания изготавливался в ИЭС им. Е.О. Патона и небольшими партиями в Институте электродинамики НАН Украины. Источник имеет ступенчатое регулирование сварочного тока и предназначен для ручной дуговой сварки штучными электродами переменного тока.
Измерительным прибором служил анализатор
качества электрической сети (одной фазы) СИаиуш Атоих С.А. 8230 (Франция), позволяющий получать временные зависимости тока и напряжения с их характерными значениями (максимальное и минимальное значение, полная, активная и реактивная мощность и т.п.) и спектры гармоник.
Полученные экспериментальные данные сведены в табл. 1, в которой даны обозначения: I, и - действующие значения тока и напряжения; £, Р, Q - полная, активная и реактивная мощности; соБф - коэффициент сдвига фаз между током и напряжением - косинус угла ф.
Таблица 1
Основные параметры сети при работе источников
питания сва ючнои дуги
Параметры ВДИ-Ь-200 СТШ-250 ВДУ-125
Im+, А 59,5 80,8 30,2
Um+, В 312,9 310,6 304,5
Im-, А -59,6 -74,3 -33,3
Um-, В -313,1 -313,2 -304,3
I, А 36,8 41,0 23,8
U, в 221,5 221,0 210,6
S, В-А 8282,5 9895,9 5008,3
P, Вт 6130,1 2787,2 3701,6
Q, В-Ар 5569,6 9495,2 3373,6
cos9 0,980 0,280 0,764
TED, 86,366 15,983 16,879
TEDu 5,957 3,110 2,256
K 7,259 1,383 1,309
В таблице приведены и расчетные данные, которые получались на основании экспериментальных данных. Расчетными данными были следующие.
Коэффициенты нелинейных искажений тока TED: и напряжения TEDU для 1-й гармоники тока и напряжения определяются по формулам [8]:
TED: =
TEDu =
•max
X Uh%,
(1)
h=2
X :h% h=2
где h - номер гармоники (hmax - максимальный номер); Ih%, Uh% - значения тока и напряжения в процентах от действующего значения тока и напряжения 1-й гармоники: Ih% = IyJh, Uh% = UyjUx.
Еще один параметр, K-фактор, определяет увеличение добавочных потерь в электрическом оборудовании и проводниках электрических сетей, по сравнению с током 1-й гармоники:
h lh
"max / "max
K =f] (h • Ih% )2/ £ ,|%. (2)
h=l / h=1
Добавочные потери вызываются вихревыми токами, протекающими в токоведущих частях и проводниках оборудования и электрических сетей. Сами вихревые токи обусловлены магнитными потоками рассеяния, проходящими через токоведущие части и проводники [11].
Рассмотрим работу с сетью сварочного инвер -торного источника питания [3] ВДИ-Ь-200, принципиальная схема работы которого показана на рис. 1.
На рис. 2,а приведены зависимости от времени t относительных мгновенных значений тока i* и напряжения и* в питающей сети при работе сварочного инвертора. Значения получены при сварке стали Ст.3 электродами УОНИ 13/55, диаметр 5мм, сварочный
h
ток 200 А. Величины I* и и* отнесены к наибольшим амплитудным значениям: I* = 1/\1т\ и и* = и/\ит\. Значения \1т\ = 59,6 А, \ ит\ = 313,1 В выбраны из табл. 1, где приведены наибольшие "+" и наименьшие "-" амплитудные значения напряжения и тока за период 1т+, 1т-, ит+, ит-, полученные в опыте.
Рис. 1. Блок-схема инверторного источника питания ВДИ-Ь-200: 1 - однофазный выпрямитель;
2 - высокочастотный инвертор; 3 - блок регулирования; 4 - высокочастотный трансформатор;
5 - выпрямитель и фильтр
Ih/ Uh‘.
80
70
60
30
40
30
20
10
0
0
Рис.
J. Д Д,
27 h
б
на фоне почти нулевых значений на остальном протяжении полупериода и для источника питания ВДИ-Ь-200 коэффициент TED, довольно высокий. При этом в сеть генерируются очень широкий спектр гармонических составляющих тока. Кривая напряжения имеет срезы в области экстремумов, поэтому амплитуды гармонических составляющих напряжения также высоки. Такая форма кривой напряжения может приводить к ложным срабатываниям устройств бесперебойного питания, подключенным к той же сети, которые включаются при понижении амплитудного значения напряжения сети.
При изменении режима сварки эти значения изменяются, при этом, коэффициент TED, лежит в диапазоне 82-121,5 %, а коэффициент TEDu- в диапазоне 2,8-6,7 %.
Гармоники, генерируемые инверторным источником питания, являются следствием работы выпрямителя с емкостным буфером, а не сварочной дуги.
U,
C
X
Ь
:lj+
£
*
U3
-I
U /
2. Ток и напряжение в сети однофазного транзисторного инверторного источника питания ВДИ-Ь-200 (а); гармонический состав тока и напряжения сети (б)
На рис. 2,6 показана диаграмма гармонических составляющих к тока 1щ, и напряжения ик%. В питающей сети источника выражены практически все нечетные гармоники тока, в частности 3-я гармоника тока, составляющая 75,1% от 1-й гармоники, 5-я -39,5%, 7-я - 10,5%, 9-я - 8,3%, 11-я - 7,4%. Нечетные номера гармоник напряжения, превосходящие 1%: 3-я - 5,2%, 5-я - 2,2%, 7-я - 1,4%.
Коэффициенты нелинейных искажений тока и напряжения источника питания ВДИ-Ь-200 равны: ТИБ1 = 86,4 %, ТИБи = 5,9 %, ^-фактор равен 7,2.
Кривая тока на рис. 2,а представляет собой короткий импульс вблизи амплитуды напряжения сети
Рис. 3. Электрическая схема однофазного сварочного трансформатора СТШ-250 со стабилизатором горения сварочной дуги
Рассмотрим работу сварочного трансформатора СТШ-250 снабженного устройством стабилизации горения сварочной дуги, принципиальная электрическая схема которого показана на рис. 3. На рисунке обозначено: и1, и2 - напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора Т; и3 - напряжение на дополнительной обмотке трансформатора, питающей устройство стабилизации горения сварочной дуги иБОБ; Сь С2 - конденсаторы емкостного фильтра источника питания от радиопомех; и, I - напряжение на клеммах источника и ток в сварочной цепи.
На рис. 4,а приведены зависимости от времени относительных значений тока и напряжения в питающей сети при работе сварочного трансформатора. Значения получены при сварке нержавеющей стали 12Х18Н10Т штучным электродом ОЗЛ-8, диаметром 3 мм и сварочным током 90 А. Амплитудные значения тока и напряжения равны: \1т\ = 80,8 А, \ ит\ = 313,2 В.
Форма кривых тока и напряжения незначительно отличаются от синусоидальной. Наблюдается наложение кратковременного импульса, соответствующего импульсу стабилизатора, и небольшой излом кривой тока при переходе через нуль.
На рис. 4,6 показана диаграмма гармонических составляющих тока и напряжения. Из диаграммы видно, что в питающей сети при работе сварочного трансформатора выражены 3-я гармоника тока, составляющая 15,3% от 1-й гармоники и 5-я - 2,3%, остальные нечетные гармоники тока не превосходят 1%.
%
U
h/
I
h/
З
6
9
12
1З
18
21
24
Нечетные номера гармоник напряжения имеют значения: 3-я - 2,3%, 3-я - 1,3%, 9-я - 1%.
Коэффициенты нелинейных искажений тока и напряжения трансформатора СТШ-230 равны: TEDI = 13,9%, TEDU = 3,1%, K-фактор равен 1,3В.
1
0.В
0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.В -1
0 2 4 6 В 10 12 14 16 1В 20 t, ms
Ih / Uh // %
1В 16 14 12 10 В 6 4 2
0 0 3 6 9 12 13 1В 21 24 27 h
h б
Рис. 4. Ток и напряжение в питающей сети однофазного сварочного трансформатора СТШ-230 с устройством стабилизации горения сварочной дуги (а); гармонический состав тока и напряжения сети (б)
Г армоники, генерируемые трансформаторным источником питания, в основном определяются сварочной дугой.
Добавочные потери в сети и оборудовании при работе сварочного трансформатора при данном виде его нагрузки, увеличиваются в 1,3 В раза.
При изменении режима сварки эти значения меняются, при этом, коэффициент TEDI лежит в диапазоне 13-24 %, а коэффициент TEDU - в диапазоне 2,З-З,З %. Эти результаты подтверждают теоретический анализ гармонического состава переменного тока дуги [12], которая питается от сварочного трансформатора.
Сварочный трансформатор СТШ-230 генерирует в питающую сеть не очень большие гармонические составляющие тока. Хотя и они могут отрицательно сказаться на работе оборудования, подключенного к сети. Значение TEDU так же невелико.
Рассмотренные характеристики присущи и другим типам однофазных сварочных трансформаторов.
Рассмотрим работу однофазного сварочного источника питания с конденсаторным умножителем напряжения ВДУ-12З-УЗ, принципиальная электрическая схема которого показана на рис. 3. На рисунке
обозначено: и1, и2 - напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора Т; иы - блок конденсаторного умножителя напряжения; КБ1-КБ4 -диоды выпрямительного моста; С1, С2 и Я1, Я2 - электролитические конденсаторы и резисторы умножителя напряжения; и, I - напряжение на клеммах источника и ток в сварочной цепи.
UN
Рис. 3. Электрическая схема однофазного сварочного источника питания с конденсаторным умножителем напряжения ВДУ-123
На рис. 6,а приведены зависимости от времени относительных значений тока и напряжения в питающей сети при работе сварочного источника питания ВДУ-123. Характеристики снимались при сварке штучным электродом АНО-22, диаметром 3 мм и сварочным током 120 А. Наибольшие амплитудные значения токов и напряжений в опыте были равны: \Im\ = 33,3 А,
\ Um\ = 304,3 В. После перехода тока через нуль на синусоидальный ток накладывается небольшое возмущение, обусловленное работой умножителя напряжения. Форма напряжения очень близка к синусоидальной.
На рис. 6,6 показана диаграмма гармонических составляющих тока и напряжения.
Из диаграммы видно, что в питающей сети при работе источника выражены 3-я гармоника тока, составляющая 13,6% от 1-й гармоники, 3-я - 4,6%, остальные нечетные гармоники тока не превосходят 1%. Нечетные номера гармоник напряжения, превосходящие 1% от 1-й гармоники имеют значения: 3-я - 1,6%, 3-я - 1,1%.
Коэффициенты нелинейных искажений тока и напряжения: TEDI = 16,9%, TEDU = 2,2%. K-фактор равен 1,31.
Сварочный источник питания ВДУ-123 имеет не очень высокие значения TEDI и TEDU. Добавочные потери в сетях и оборудовании при работе источника питания, при данном виде его нагрузки, увеличиваются в 1,31 раза, за счет чего данный источник можно отнести к категории энергосберегающих.
При изменении режима сварки эти значения изменяться, при этом, коэффициент TEDI лежит в диапазоне В,7-20,В %, а коэффициент TEDU - в диапазоне 2,2-2,В %.
Рассмотренные характеристики присущи всем типам сварочных источников питания с конденсаторными умножителем напряжения, с разными видами сварочных трансформаторов, выполненными по такой же схеме: ВДУ-140-УЗ, ВДУ-160-УЗ и ВДУ-1В0-УЗ, разработанных в ИЭС им. Е.О. Патона.
1
0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 ?, тз
Ь%
18 16 14 12 10 8 6 4
2
0 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 И ^
Рис. 6. Ток и напряжение в питающей сети однофазного
сварочного источника питания с конденсаторным умножителем напряжения ВДУ-125-У3 (а); гармонический состав тока и напряжения сети (б)
Также был исследован однофазный трансформаторный сварочный источник питания с конденсаторным умножителем напряжения и тиристорным регулированием сварочного тока ВДУ-201-У3 (на ток сварки до 200 А), разработан в ИЭС им. Е.О. Патона. Источник питания состоит из сварочного трансформатора с развитыми магнитными потоками рассеяния, конденсаторного умножителя напряжения с мостовой тиристорной схемой выпрямления, параллельно включенного дополнительного диодного мостового выпрямителя и фазосдвигающего реактора для обеспечения непрерывности сварочного тока при работе тиристоров. Коэффициенты нелинейных искажений тока и напряжения источника имели значения: ТИП! = 9,5-46,5 %, ТИВи = 1,8-3,9 %, ^-фактор был равен 1,3-3,5. Отметим, что при номинальном сварочном токе, когда тиристоры полностью открыты, характеристики источника питания В ДУ-201 -У3, по воздействию на сеть, близки к характеристикам источника питания ВДУ-125-У3.
АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Не смотря на все свои преимущества (малую массу, обеспечение заданной формы вольтамперной характеристики, ВЫСОКИЙ СОБф и др.), сварочные инверторы генерируют в сеть наиболее широкий спектр гармонических составляющих тока и существенно искажают синусоидальную кривую тока и напряжения. Также они создают радиопомехи [13]. Это свидетельствует об
/ гн'
и
I
их плохой электромагнитной совместимости.
Полученные данные говорят о том, что для улучшения качества электроэнергии и снижения уровня генерируемых сварочным оборудованием высших гармоник тока и напряжения при работе инверторных источников питания необходимо применение фильтров высших гармоник тока. К подобным выводам также пришли китайские исследователи [14]. Так же необходимо применение фильтров совместно со сварочными трансформаторными источниками питания, у которых регулирование тока осуществляется электронными ключами (тиристорами). При этом исследованные сварочные источники питания, помимо обеспечения ими необходимых технологических показателей, будут иметь хорошую электромагнитную совместимость, снижать добавочные потери в проводах сети и подключенном к сети оборудовании.
Отметим положительные свойства трансформаторов и трансформаторных источников питания сварочной дуги, у которых регулирование сварочного тока осуществляется самим трансформатором [15] (без электронного блока регулирования тока). Именно эти источники, помимо своей технологичности, надежности и небольшой стоимости, менее всего воздействуют на сеть. Обусловлено это тем, что сварочный трансформатор имеет повышенную индуктивность рассеяния для обеспечения падающей вольтамперной характеристики [15, 16], что способствует уменьшению высших гармоник тока. Конденсаторы умножителя напряжения и сварочный трансформатор с развитыми магнитными потоками рассеяния, вообще, образуют своеобразный внутренний фильтр высших гармоник тока источника питания. Но сами высшие гармоники тока, в абсолютных значениях, довольно велики, поэтому для однофазных сварочных трансформаторов и источников питания, выполненных на их основе, не обязательно, но желательно применение фильтров высших гармоник тока.
Трансформаторные источники питания сварочной дуги, несмотря на их повышенную массу, обладают многими положительными свойствами и по праву занимают свое место на рынке сварочного оборудования. Поэтому такие источники питания, наряду с инверторными источниками, необходимо и в дальнейшем развивать и совершенствовать. Можно, например, использовать конденсаторные умножители напряжения, позволяющие существенно уменьшить массу трансформатора и потребляемый из сети ток, за счет пониженного вторичного напряжения. Применение устройств стабилизации горения сварочной дуги, позволяет достичь той же цели, к тому же, использовать при сварке электроды постоянного тока. Также перспективно совершенствование трансформаторных источников питания сварочной дуги, имеющих индуктивно-емкостную цепь, разработанных в Институте электросварки им. Е.О. Патона [17].
Наименьшая стоимость среди всех типов источников питания - основное достоинство источников питания с конденсаторными умножителями напряжения. При насыщенности рынка инверторными источниками питания источники с конденсаторными умножителями напряжения могут быть конкурентоспо-
собными благодаря своей низкой стоимости. Они выгодно отличаются от обычных сварочных трансформаторов массогабаритными характеристиками: примерно в 1,5-2 раза легче и в 1,5 раза меньшим уровнем тока, потребляемым из сети, более высоким коэффициентом полезного действия и коэффициентом мощности [4]. По массе, коэффициенту полезного действия, коэффициенту мощности, току, потребляемому из сети, источники питания с конденсаторными умножителями напряжения приближаются к инверторным источникам питания.
Отрицательным влиянием однофазных сварочных источников питания для сетей, в отличие от трехфазных источников, является то, что они значительно загружают нулевой провод высшими гармониками тока нулевой последовательности, не предназначенный для больших нагрузок. Поэтому, помимо резонансных индуктивно-емкостных фильтров высших гармоник тока [18], нужно применять автотрансформаторные фильтры токов нулевой последовательности [19, 20], предназначенные для трехфазных четырехпроводных сетей. Подобные фильтры, к тому же, симметрируют сеть. Они могут подключаться параллельно с сетью на входе в предприятие или здание, а также несколько фильтров по длине сети. В ряде случаев целесообразно применение с однофазными сварочными источниками питания, у которых наблюдается пониженное значение коэффициента мощности (соБф), устройств компенсации реактивной мощности.
Такие фильтры практически не генерируют в сеть реактивную мощность и обладают повышенной надежностью при работе в "некачественных" сетях, обеспечивая снижение коэффициента ТИБ, до 5-15 % в однофазных сетях.
В Украине Институт электросварки им. Е.О. Патона и Институт электродинамики НАН Украины имеют большой опыт по разработке методик расчета параметров сетей и устройств подавления высших гармоник тока для улучшения электромагнитной совместимости.
ВЫВОДЫ
Значение коэффициента нелинейных искажений тока ТИБI при работе однофазных сварочных источников питания лежит в диапазоне 8,7-121,5, а напряжения ТИБи - 2,2-6,7 %, что свидетельствует о плохой электромагнитной совместимости большинства однофазных сварочных источников питания. Особенно опасна генерация третьей и кратных ей гармоник тока.
Коэффициент, учитывающий увеличение добавочных потерь от вихревых токов в оборудовании и сетях - ^-фактор равен 1,38-7,3 %, что не позволяет отнести все однофазные сварочные источники питания к категории энергосберегающих. Лишь один источник питания с конденсаторным умножителем напряжения, у которого ^-фактор был равен 1,31 %, можно назвать энергосберегающим.
Наиболее широкий спектр высших гармоник тока генерируют однофазные сварочные инверторы, которые более всего искажают синусоидальную фор -му тока и напряжения сети, что требует обязательного применения фильтров высших гармоник тока.
Совместно с однофазными источниками питания сварочной дуги целесообразно применение фильтров высших гармоник тока и фильтров токов нулевой последовательности, которые снижают коэффициент нелинейных искажений тока до значений 5-15 %. Для инверторных источников и трансформаторных источников, в которых регулирование тока осуществляется тиристорами, применение фильтров необходимо. Для ряда источников питания целесообразно использование устройств компенсации реактивной мощности.
Установлено, что однофазные трансформаторные источники питания, в которых регулирование сварочного тока осуществляется самим трансформатором (без электронного регулирования тока), помимо своей технологичности, надежности и небольшой стоимости, оказывают наименьшее влияние на сеть.
Трансформаторные источники питания сварочной дуги обладают многими положительными свойствами, в частности хорошей электромагнитной совместимостью, и по праву занимают свое место на рынке сварочного оборудования. Поэтому создание источников питания сварочной дуги на основе трансформаторов необходимо развивать и совершенствовать, например, используя конденсаторные умножители напряжения, устройства стабилизации горения сварочной дуги или индуктивно-емкостную цепь.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Патон Б.Е. Проблемы сварки на рубеже веков // Автоматическая сварка. - 1999. - № 1. - С. 4-14.
2. Лебедев В.К. Современные тенденции развития сварочных источников питания // Новые сварочные источники питания: Сб. науч. тр. - К.: АН Украины. ИЭС им. Е.О. Патона, 1992. - С. 5-13.
3. Схемотехника инверторных источников питания для дуговой сварки / Е.Н. Верещаго, В.Ф. Квасницкий, Л.Н. Мирошниченко, И.В. Пентегов. - Николаев: УГМТУ, 2000. - 283 с.
4. Пентегов И.В., Рымар С.В., Латанский В.П. Перспективы развития новых типов трансформаторов для ручной дуговой сварки // Вісник Приазовського державного технічного університету. - Маріуполь: ПДТУ, 2000. - Вип. № 10. - С. 217-223.
5. Paice D.A. Power Electronic Converter Harmonics. Multipulse Methods for Clean Power. - NY: IEEE PRESS, 1995. - 202 p.
6. Пентегов И.В., Волков И.В., Levin М. Устройства подавления высших гармоник тока // Технічна електродинаміка: Тем. випуск. Проблеми сучасної електротехніки. - К. : ІЕД НАНУ, 2002. - Ч. 1. - С. 13-22.
7. ДСТУ IEC 61000-3-2:2004. Електромагнітна сумісність. Ч. 3-2: Норми. Норми на емісію гармонік струму (для сили вхідного струму обладнання не більше 16 А на фазу). - К.: Держспоживстандарт України, 2007. - 18 с.
8. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems : IEEE Standard 519-1992. - IEEE Standards Board, 1992. - 93 p.
9. Сварочные источники питания с импульсной стабилизацией горения дуги / Б.Е. Патон, П.П. Заруба, В.В. Дыменко, А.Ф. Шатан. - К. : Екотехнологія, 2007. - 248 с.
10. Пентегов И.В., Латанский В.П., Склифос В.В. Малогабаритные источники питания с улучшенными энергетическими показателями // Новые сварочные источники питания: Сб. науч. тр. - К.: АН Украины. ИЭС им. Е.О. Патона.
- 1992. - С. 66-71.
11. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. -М.: Высш. шк., 1964. - 750 с.
12. Сидорец В.Н., Кункин Д.Д., Москович Г.Н. Гармонический анализ переменного тока электрической сварочной
дуги // Технічна електродинаміка: Тем. випуск. Силова електроніка та енергоефективність. Ч. 1. - К.: ІЕД НАНУ, 2011.
- С. 219-222.
13. Оценка параметров электромагнитной совместимости оборудования для дуговой сварки / А.Е. Коротынский, Е.А. Копиленко, Г.В. Павленко, Г.Л. Павленко // Сварочное производство. - 2005. - № 11. - С. 9-12.
14. Suppression Technology of Electromagnetic Disturbance for IGBT Inverter Welder / Jie-Guang Xiao, Min-Zhou Xing, Gang Xiong, Yi Li, Ming-Hong Luo // Dian Han Ji Electric Welding Machine. - 2009. - V. 39. - No. 12. - P. 39-42.
15. Патон Б.Е., Лебедев B.K. Электрооборудование для дуговой и шлаковой сварки. - М.: Машиностроение, 1966. - 360 с.
16. Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. акад. Б.Е. Патона. - М.: Машиностроение, 1974. - 768 с.
17. Коротынский А.Е. Ограничение напряжения холостого хода в резонансных сварочных источниках // Автоматическая сварка. - 2001. - № 2. - С. 46-49.
18. Улучшение качества электроэнергии в сетях промышленных предприятий посредством фильтров высших гармоник тока / И.В. Волков, М.Н. Курильчук, И.В. Пентегов, С.В. Рымар // Вісник Приазовського державного технічного університету. 36. наук. праць. Енергетика. - Маріуполь: ПДТУ, 2005. - Ч. 2, вип. № 15. - С. 15-19.
19. Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Повышение качества энергии в электрических сетях / А.К. Шидловский, В.Г. Кузнецов. - К.: Наук. думка, 1985. - 268 с.
20. Пат. на винахід UA 88912 C2 Україна, МПК (2009) H01F27/24. Трифазний фільтр гармонік струмів нульової послідовності автотрансформаторного типу / І.В. Пентегов,
1.В. Волков, С.В. Римар, В.М. Безручко, Б.Б. Ларченко, Г.С. Кривенко, М.І. Левін (Україна (UA)); Чернігівський державний технологічний університет (UA). - № а 2007 01489; Заявл. 12.02.2007; Опубл. 10.12.2009, Бюл. № 23. - 4 с.
Bibliography (transliterated): 1. Paton B.E. Problemy svarki na rubezhe vekov / Avtomaticheskaya svarka. - 1999. - № 1. - S. 4-14.
2. Lebedev V.K. Sovremennye tendencii razvitiya svarochnyh istochnikov pitaniya // Novye svarochnye istochniki pitaniya: Sb. nauch. tr. -K.: AN Ukrainy. I'ES im. E.O. Patona, 1992. - S. 5-13. 3. Shemotehnika invertornyh istochnikov pitaniya dlya dugovoj svarki / E.N. Vereschago, V.F. Kvasnickij, L.N. Miroshnichenko, I.V. Pentegov. - Nikolaev: UGMTU, 2000. - 283 s. 4. Pentegov I.V., Rymar S.V., Latanskij V.P. Perspektivy razvitiya novyh tipov transformatorov dlya ruchnoj dugovoj svarki // Visnik Priazovskogo derzhavnogo tehnichnogo universitetu. - Mariupol': PDTU, 2000. - Vip. № 10. - S. 217-223. 5. Paice D.A. Power Electronic Converter Harmonics. Multipulse Methods for Clean Power. - NY: IEEE PRESS, 1995.
- 202 p. б. Pentegov I.V., Volkov I.V., Levin M. Ustrojstva podavleniya vysshih garmonik toka // Tehnichna elektrodinamika: Tem. vipusk. Problemi suchasnoi' elektrotehniki. - K. : IED NANU, 2002. - Ch. 1. - S. 13-22. 7. DSTU IEC 61000-3-2:2004. Elektromagnitna sumisnist'. Ch. 3-2: Normi. Normi na emisiyu garmonik strumu (dlya sili vhidnogo strumu obladnannya ne bil'she 16 A na fazu). - K.: Derzhspozhivstandart Ukraini, 2007. - 18 s. S. IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems : IEEE Standard 519-1992. - IEEE Standards Board, 1992. - 93 p. 9. Svarochnye istochniki pitaniya s impul'snoj stabilizaciej goreniya dugi / B.E. Paton, I.I. Zaruba, V.V. Dymenko, A.F. Shatan. - K. : Ekotehnologiya, 2007. -248 s. 10. Pentegov I.V., Latanskij V.P., Sklifos V.V. Malogabaritnye
istochniki pitaniya s uluchshennymi 'energeticheskimi pokazatelyami // Novye svarochnye istochniki pitaniya: Sb. nauch. tr. - K.: AN Ukrainy. I'ES im. E.O. Patona. - 1992. - S. 66-71. 11. Bessonov L.A. Teo-reticheskie osnovy 'elektrotehniki. - M.: Vyssh. shk., 1964. - 750 s.
12. Sidorec V.N., Kunkin D.D., Moskovich G.N. Garmonicheskij analiz peremennogo toka 'elektricheskoj svarochnoj dugi // Tehnichna elektrodinamika: Tem. vipusk. Silova elektronika ta energoefektivnist'. Ch. 1. - K.: IED NANU, 2011. - S. 219-222. 13. Ocenka parametrov ' elektromagnitnoj sovmestimosti oborudovaniya dlya dugovoj svarki /
A.E. Korotynskij, E.A. Kopilenko, G.V. Pavlenko, G.L. Pavlenko // Svarochnoe proizvodstvo. - 2005. - № 11. - S. 9-12. 14. Suppression Technology of Electromagnetic Disturbance for IGBT Inverter Welder / Jie-Guang Xiao, Min-Zhou Xing, Gang Xiong, Yi Li, Ming-Hong Luo // Dian Han Ji Electric Welding Machine. - 2009. - V. 39. - No. 12. - P. 39-42. 15. Paton B.E., Lebedev V.K. 'Elektrooborudovanie dlya dugovoj i shlakovoj svarki. - M.: Mashinostroenie, 1966. - 360 s. 16. Tehnologiya 'elektricheskoj svarki metallov i splavov plavleniem / Pod red. akad.
B.E. Patona. - M.: Mashinostroenie, 1974. - 768 s. 17. Korotynskij A.E. Ogranichenie napryazheniya holostogo hoda v rezonansnyh svarochnyh istochnikah // Avtomaticheskaya svarka. - 2001. - № 2. - S. 46-49. 18. Uluchshenie kachestva 'elektro'energii v setyah promyshlennyh predpriyatij posredstvom fil'trov vysshih garmonik toka / I.V. Volkov, M.N. Kuril'chuk, I.V. Pentegov, S.V. Rymar // Visnik Priazovs'kogo derzhavnogo tehnichnogo universitetu. Zb. nauk. prac'. Energetika. -Mariupol': PDTU, 2005. - Ch. 2, vip. № 15. - S. 15-19. 19. Shidlovskij A.K., Kuznecov V.G. Povyshenie kachestva 'energii v 'elektricheskih setyah / A.K. Shidlovskij, V.G. Kuznecov. - K.: Nauk. dumka, 1985. -268 s. 20. Pat. na vinahid UA 88912 C2 Ukraina, MPK (2009) H01F27/24. Trifaznij fil'tr garmonik strumiv nul'ovoi poslidovnosti avtotransformatornogo tipu / I.V. Pentegov, I.V. Volkov, S.V. Rimar, V.M. Bezruchko, B.B. Larchenko, G.S. Krivenko, M.I. Levin (Ukraina (UA)); Chernigivs'kij derzhavnij tehnologichnij universitet (UA). - № a 2007 01489; Zayavl. 12.02.2007; Opubl. 10.12.2009, Byul. № 23. - 4 s.
Поступила 20.09.2011
ПентеговИгорьВладимирович, д.т.н., проф., в.н.с.
Рымар СергейВладимирович, д.т.н., с.н.с., в.н.с.
Жерносеков Анатолий Максимович, к.т.н., с.н.с., с.н.с. СидорецВладимирНиколаевич, д.т.н., с.н.с., в.н.с.
Институт электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины
03680, Киев-150, ул. Боженко, 11
тел. (044) 206-13-88, e-mail: [email protected]
тел. (044) 205-25-33, e-mail: [email protected]
тел. (044) 200-44-78, e-mail: [email protected]
тел. (044) 205-23-49, e-mail: [email protected]
Pentegov I.V., Rymar S.V., Zhernosekov A.M., Sydorets V.N. Electromagnetic compatibility of arc welding power sources. Harmonic composition of electric mains under operation of single-phase inverter and transformer welding power sources has-been investigated. It is revealed that the inverter power sources generate a wide spectrum of major current harmonics. especially zero-sequence currents, in the mains, which worsens their electromagnetic compatibility and requires application of major current harmonics filters. The transformer power sources generate considerably-smaller current harmonics and are characterized by good electromagnetic compatibility.
Key words - harmonics, electromagnetic compatibility, welding power sources, inverter, transformer.
