CC BY
19ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ
ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES, MATERIALS, SYSTEMS, AND INSTRUMENTS
Статья поступила в редакцию 21.10.11. Ред. рег. № 1131 The article has entered in publishing office 21.10.11. Ed. reg. No. 1131
УДК 621.791.01
ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ИНВЕРТОРНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ С УПРАВЛЯЕМЫМ ТЕПЛОВЛОЖЕНИЕМ
В.П. Сидоров, И.В. Смирнов, С.А. Хурин, А.И. Смирнова
ООО «Сварочные машины и технологии» 445004 Самарская обл., г. Тольятти, ул. Толстого, д. 7, оф. 306 Тел./факс (8482) 28-87-26, 8-9272-68-64-67, e-mail: smt-tlt@rambler.ru
Заключение совета рецензентов: 31.10.11 Заключение совета экспертов: 05.11.11 Принято к публикации: 10.11.11
В статье приведены результаты исследований, позволившие обоснованно выбрать топологию построения инверторно-го источника питания для сварки с управляемым тепловложением, которая позволяет добиться более высокой эффективности потребления электрической энергии из сети, чем топология построения классических инверторных источников питания сварочной дуги. Полученные результаты позволят перейти к этапу проектирования и изготовления энергоэффективной конструкции инверторного источника питания для дуговой сварки с управляемым тепловложением.
Ключевые слова: сварка, управление тепловложением, источник питания.
EVALUATION OF ENERGY EFFICIENCY INVERTER POWER SOURCE FOR ARC WELDING WITH A CONTROLLED HEAT INPUT
V.P. Sidorov, I.V. Smirnov, S.A. Khurin, A.I. Smirnova
"Welding Machines and Technologies" Ltd. 7-306 Tolstogo str., Tolyatty, Samara region, 445004, Russia Tel./fax (8482) 28-87-26, 8-9272-68-64-67, e-mail: smt-tlt@rambler.ru
Referred: 31.10.11 Expertise: 05.11.11 Accepted: 10.11.11
In article the results of the researches which have allowed soundly to choose topology of construction inverters of the power supply for welding with a controlled heat input which allows to achieve higher efficiency of consumption of electric energy from a network, than topology of construction classical inverters power supplies of a welding arc are resulted. The received results will allow to pass to a design stage and manufacturing of a power effective design inverters the power supply for arc welding with a controlled heat input.
Keywords: welding, heat input control, power supply.
Для решения ряда сложных задач, связанных с технологией сварки, в частности, в атомной энергетике, авиа- и ракетостроении, может быть эффективно использован новый технологический процесс дуговой сварки, называемый технологией сварки с управляемым тепловложением. Сущность этого технологического процесса подробно описана в работах [1-3].
Основным отличием от традиционного способа сварки является то, что в процессе сварки произво-
дят периодическое и многократное изменение места подключения тока к изделию, как минимум в двух точках, для программированного отклонения дуги под действием собственного магнитного поля [4].
Схема процесса сварки с управляемым тепловло-жением с коммутацией тока между двумя каналами, а также циклограмма изменения тока на каждом из двух каналов подвода тока к изделию представлены на рис. 1.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (103) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
1,,А
Ь.А
Т, т2 Тде*
Ipl
1д.д 1д.д t.c
- Ьд 1 1 L J к Ill) У |¿ 1дд t.C -k»
a. 21 HP
b
Рис. 1. Процесс сварки с управляемым тепловложением: а - схема процесса сварки с коммутацией тока между двумя каналами; b - циклограмма изменения тока на каждом из двух каналов подвода тока к изделию Fig. 1. Process of welding with a controlled heat input: а - the scheme process of welding with current switching between two channels; b - cyclogram current changes on each of two channels supply current to a product
а
Для реализации показанной на рис. 1, Ь циклограммы изменения тока могут быть потенциально использованы две топологии схем инверторных источников питания:
- источник питания для сварки с управляемым тепловложением с коммутацией выходного тока (рис. 2);
- источник для сварки с управляемым тепловло-жением на двух инверторах (рис. 3).
Схема, представленная на рис. 2, состоит из инверторного источника питания 1, подключенного к транзисторному коммутатору 2, который управляется блоком управления 3. Коммутатор 2 работает на двух транзисторах Р1 и р2, подключенных к горелке с двумя токоподводами 4 и 5.
Выпрямигегь Инвертор Трансформатор Фигьтр
Рис. 2. Источник питания для сварки с управляемым
тепловложением с коммутацией выходного тока: 1 - инверторный источник питания; 2 - транзисторный коммутатор; 3 - блок управления; 4 и 5 - токоподводы;
Q1 и Q2 - транзисторы Fig. 2. The power supply for welding with a controlled heat input with switching of a target current: 1 - inverter power source; 2 - transistor switch; 3 - control block; 4 и 5 - current leads; Q1 и Q2 - transistors
2 — 4 6 _
Инвертор Трансформатор Вторичный выпрямитель Фильтр
3 — 5 7 -
Рис. 3. Источник для сварки с управляемым тепловложением на двух инверторах Fig. 3. Source for welding with operated with a controlled heat input on two inverters
Такой подход является достаточно простым способом реализации технологии сварки с управляемым тепловложением, поскольку направлен на применение выпускаемых промышленностью инверторных источников питания дуги, к которым достаточно присоединить блок коммутации. Однако при совместной работе каналов будет невозможно отдельно регулировать силу сварочного тока на каждом канале и невозможно реализовать импульсное управление сварочным током на отдельном канале подвода тока к изделию без переработки платы управления источника. Т.е. полнофункциональная реализация циклограммы, приведенной на рис. 1, Ь, при использовании такого источника будет невозможна.
К тому же общий КПД такого источника, включающего в себя транзисторный коммутатор, может снизиться на величину от 5 до 20%.
Полностью реализовать циклограмму изменения тока на каналах, показанную на рис. 1, Ь, позволяет схема источника питания, состоящего из двух инверторов (см. рис. 3). Именно эту схему и примем в качестве проектной в дальнейшем анализе.
Схема построения источника питания, приведенная на рис. 3, не является типичной для современных сварочных источников питания, поэтому каков будет общий КПД такой установки и насколько такая конструкция будет эффективней традиционного сварочного выпрямителя, судить сложно. Для ответа на этот вопрос необходимо смоделировать различные
режимы работы источника питания на двух инверторах и сравнить показатели энергопотребления и отдачи энергии в сварочную цепь с аналогичными показателями традиционной конструкции инверторно-го источника питания сварочной дуги.
Для решения этой задачи было принято решение использовать методы имитационного моделирования с применением компьютерных программ для моделирования электрических схем. На сегодняшний день существует множество программ моделирования электрических схем, таких как Multisim, LTSpice, Proteus, Micro-Cap и др. Для моделирования схем, т.е. узлового расчета по источникам и проводимостям, используются в основном алгоритмы языка SPICE.
Для относительного моделирования потребляемой и отдаваемой энергии вполне достаточно использовать бесплатно распространяемую программу моделирования ЬТ8р1се1У от LinearTechnology. Именно в этой среде и было выполнено моделирование работы источников питания.
Целью теоретических исследований было сравнить энергоэффективность проектного источника питания на двух инверторах с традиционной схемой инверторного источника питания, применяемых для аргонодуговой сварки неплавящимся вольфрамовым электродом. Энергоэффективность оценивалась по среднему КПД источника питания. Моделируемые схемы источников представлены на рис. 4 и 5.
,tran0 3m100u 100u uic Сеть Инвертор
Трансформатор
+600V GND
+600V PRI1
GND PWM1 PWM2 FBPRI2
V V
PWM1 PWM2 FB GND
PRI1 SEC1 SEC2
PRI2 SEC3
V
Импульсный
выпрямитель Дроссель L1
-ЛЛГ^-
100м
IN1 0UT+ IN2 OUT-
Управление
Рис. 4. Моделируемая схема классического инвертора в LTSpice Fig. 4. The modelled scheme of the classical inverter in LTSpice
V1 Экв. дуги
10
Rser=0,04
V
Рис. 5. Моделируемая схема инвертора для сварки с управляемым тепловложением в LTSpice Fig. 5. The modelled scheme of the inverter for welding with a controlled heat input in LTSpice
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (103) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
Масштаб напряжения на дуге: 1:20.
Рис. 6. Осциллограммы входных и выходных токов и напряжений классического источника питания Fig. 6. Oscillograms of entrance and target currents and pressure of the classical power supply
Оценке подлежали три основных режима работы проектного инверторного источника: поочередная работа инверторов, совместная работа инверторов и поочередно-совместная работа инверторов. Сравнение работы проектного и классического источника питания дуги в аргоне производили на токах сварки 50, 100 и 200 А. Дуга моделировалась нелинейным источником напряжения с нелинейностью согласно ГОСТ для дуги в аргоне: и = 10 + 0,041, где: и - напряжение на сварочной дуге, В; I - сила тока в сварочной цепи, А.
Для упрощения анализа потребления энергии от сети будем считать, что инверторы подключены к «чистому» выпрямленному напряжению питания, равному 600 В (380-^2+10%).
В качестве примера приведем наглядные результаты моделирования электрических процессов для тока сварки 105 А. На рис. 6 приведены осциллограммы входного и выходного тока и напряжения для случая имитации работы классического сварочного инвертора. Моделируемый интервал сварки 2 мс, ток нагрузки 105 А. Из осциллограмм на рис. 6 видно, что есть некоторые переходные процессы: старт на интервале 0-0,3 мс показывает на «накачку» энергией дросселя и стоп на интервале 2-2,8 мс, показывает рассеяние запасенной энергии в дросселе на дугу. Среднее значение тока потребления в установившемся режиме 3,6 А, средний ток нагрузки 105 А, среднее напряжение на нагрузке 14,2 В.
Анализ потребляемой и отдаваемой мощности показал, что среднее значение в установившемся режиме (интервал времени 1-1,8 мс) потребляемой из сети мощности составляет 2,22 кВт. Среднее зна-
чение отдаваемой мощности на этом же интервале 1,5 кВт. Таким образом, в стационарном режиме при токе дуги 105 А и ее напряжении 14,2 В КПД классического источника составляет 67,6%.
Осциллограммы входных и выходных токов и напряжений при моделировании работы источника питания на двух инверторах для сварки с управляемым тепловложением представлены на рис. 7. Ток каждого инвертора 105 А, время моделирования 3 мс, время поочередной работы инверторов 1 мс, период коммутации тока между каналами 2 мс, время совместной работы - нет.
Анализ осциллограмм на рис. 7 показывает, что происходит рост тока и напряжения дуги при коммутации инверторов. До момента времени 1 мс работает первый инвертор, после его отключения, за время менее чем 3 мкс, подключается второй инвертор, но первый инвертор отдает мощность в сварочную цепь, а второй инвертор начинает накачивать дроссель и нагрузку энергией, что приводит к всплеску величины тока и напряжения на дуге (см. рис. 7). Также заметно, что в момент коммутации дополнительной энергии из сети не потребляется, так как форма тока и напряжения не изменились. Таким образом, на частоте коммутации инверторов 1 кГц наблюдается повышение эффективности преобразования энергии, или, другими словами, рост КПД. Однако при снижении частоты коммутации, очевидно, КПД будет стремиться к КПД классического источника питания. Для сохранения повышенного КПД на низких частотах следует применять дроссели с повышенной индуктивностью.
Q.3ms 0.6ms tt.Sms 1,?ms lirris 1.0ms ?.lms 2,ims 2,7ms
Масштаб напряжения на дуге: 1:20.
Рис. 7. Осциллограммы входных и выходных токов и напряжений источника питания на двух инверторах
для сварки с управляемым тепловложением Fig. 7. Oscillograms of entrance and target currents and pressure of the power supply on two inverters
for welding with a controlled heat input
Рис. 8. Осциллограммы токов каждого из инверторов источника питания для сварки с управляемым тепловложением Fig. 8. Oscillograms of currents of each of inverters of the power supply for welding with a controlled heat input
Для более подробного объяснения эффекта повышения отдаваемой в сварочную цепь мощности в моменты коммутации работы двух инверторов на рис. 8 приведены осциллограммы тока каждого из инверторов.
Анализ осциллограмм на рис. 8 показывает, что работа каждого инвертора не отличается от работы
классического инвертора (рис. 6), однако при отключении одного из инверторов запасенная энергия в дросселе не рассеивается на дуге, а участвует в процессе сварки. По рисунку также видно, что ток в пике возрастает на 50% за время 0,6 мс, т.е. практически реализован импульсный сварочный режим, который нашел широкое применение в сварочном
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (103) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
производстве. Применительно к нашему случаю импульсный режим при переключении инверторов не требуется, поэтому при проектировании источника необходимо учитывать данный фактор и после отключения одного из инверторов необходимо уменьшить выходной ток включаемого инвертора, т.е. сократить потребление им энергии из сети.
Рис. 9. Зависимость КПД классического инверторного источника питания и источника питания для сварки с управляемым тепловложением от тока нагрузки Fig. 9. Dependence of efficiency classical inverters the power supply and the power supply for welding with a controlled heat input from a loading current
Анализ потребляемой из сети и отдаваемой в сварочную цепь мощности показал, что при работе одного из инверторов средняя потребляемая мощность 2,22 кВт, средняя отдаваемая мощность 1,5 кВт, т.е. КПД остался прежним, 67,6%. В момент переключения инверторов (интервалы 1-1,6 мс, 2-2,6 мс) средняя потребляемая мощность 2,8 кВт, средняя отдаваемая мощность 2,16 кВт, КПД 77%. Средняя потребляемая мощность на интервале 0,3-3 мс 2,48 кВт, средняя отдаваемая мощность 1,84 кВт, средний
КПД источника 74%. Т.е. средний КПД источника с управляемым тепловложением при токе 105 А больше, чем КПД классического инвертора, на 6,4%.
При моделировании различных токов нагрузки в диапазоне 20-150 А качественного отличия от ранее приведенных осциллограмм не наблюдается. На графике рис. 9 представлены зависимости КПД для классического способа сварки и способа сварки с управляемым тепловложением.
По зависимостям на рис. 9 видно, что КПД источников возрастает с ростом тока нагрузки, что вполне сходится с общей практикой построения ин-верторных источников питания. Рост КПД объясняется тем, что номинальной нагрузкой для классического и проектного источника считается ток 250 А, а при снижении тока нагрузки снижается скважность импульсов и КПД падает.
Моделирование режима попеременно-совместной работы инверторов в источнике питания для сварки с управляемым тепловложением (т.е. режима, реализующего в чистом виде осциллограмму на рис. 1, Ь) также показало, что при снижении тока в одном инверторе и подключении второго инвертора наблюдается эффект повышения отдаваемой в сварочную цепь мощности без повышения потребляемой мощности из питающей сети. Пример смоделированных осциллограмм тока в режиме попеременно-совместной работы инверторов показан на рис. 10.
Анализ осциллограмм на рис. 10 показывает, что в момент переключения инверторов (интервалы 23 мс) средняя потребляемая мощность 1,18 кВт, средняя отдаваемая мощность 1,08 кВт, КПД 91,5%. В установившемся режиме при токе 56 А потребление 969 Вт, отдача 645 Вт, КПД 67%, но следует учитывать, что КПД классического источника при токе 50 А - 66%. Средняя потребляемая мощность на интервале 0,3-5 мс 1,95 кВт, средняя отдаваемая мощность 1,38 кВт, средний КПД источника 70,8%, т.е. на 3,2% выше классического.
\ \
.........if.................
\Ы
\ ! !
................. V i f :
................. I Vf* X' T1
Рис. 10. Осциллограммы входных и выходных токов инверторов в режиме попеременно-совместной работы Fig. 10. Oscillograms of entrance and target currents of inverters in a mode alternately-teamwork
Выводы и обсуждение
Проведенные исследования показали, что поочередная работа двух инверторов в предлагаемой топологии источника питания для сварки с управляемым тепловложением, построенного на двух инверторах, позволяет повысить КПД до 6% по сравнению с топологией классического инверторного источника питания. Это объясняется тем, что при отключении одного из инверторов запасенная энергия в дросселе не рассеивается на дуге, а участвует в процессе сварки, т. е. накачка энергии в дроссель происходит более эффективно, так как в этот момент инвертор работает практически на номинальной мощности, т.е. скважность импульсов тока максимальна. Однако выбор индуктивности дросселя следует выполнять исходя из частоты коммутации тока между двумя каналами токоподвода, так как при низкой частоте необходим дроссель с большей индуктивностью, чем при высокой. Поочередно-совместная работа двух инверторов позволяет увеличить КПД источника с двумя инверторами примерно на 7%.
Выводы:
1. КПД инверторного источника питания для сварки с управляемым тепловложением, построенного по топологии на двух инверторах, выше, чем у классического инверторного источника, от 2 до 7% в зависимости от частоты коммутации тока и тока нагрузки.
2. Запасать энергию в дросселе и передавать ее в нагрузку на определенной частоте более эффективно, чем использовать дроссель как фильтр нижних частот при поочередно-совместной работе инверторов.
3. Выбор индуктивностей дросселей следует выполнять исходя из частоты коммутации токоподводов.
Заключение
Результаты проведенных исследований позволили обоснованно выбрать топологию построения ин-верторного источника питания для сварки с управляемым тепловложением, которая позволяет добиться более высокой эффективности потребления электрической энергии из сети, чем топология построения классических инверторных источников питания сварочной дуги. Полученные результаты позволят перейти к этапу проектирования и изготовления энергоэффективной конструкции инверторно-го источника питания для дуговой сварки с управляемым тепловложением.
Работа выполнена в рамках ГК № 16.516.11.6018 по программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».
Список литературы
1. Смирнов И.В., Захаренко А.И. Управление те-пловложением в свариваемые кромки при дуговой сварке неплавящимся электродом // Сварочное производство. 2009. № 12. С. 32-36.
2. 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.
3. Смирнов И.В., Захаренко А.И., Фюссель У. Уменьшение влияния магнитного дутья на пространственное положение дуги при сварке // Изв. Самарского НЦ РАН. 2010. Т. 12, № 4. С. 257-261.
4. Патент на изобретение № 2401726 РФ МПК В23К9/08. Способ сварки в защитном газе неплавя-щимся электродом магнитоуправляемой дугой / Смирнов И.В., Сидоров В.П., Захаренко А.И. // Бюлл. № 29. Опубл. 20.10.2010.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (103) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
