CC BY
10Статья поступила в редакцию 26.07.12. Ред. рег. № 1378
The article has entered in publishing office 26.07.12. Ed. reg. No. 1378
УДК 621.791.01
СРАВНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТРАДИЦИОННОГО ИНВЕРТОРНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ ДУГОВОЙ СВАРКИ И ИНВЕРТОРНОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ СВАРКИ С УПРАВЛЯЕМЫМ ТЕПЛОВЛОЖЕНИЕМ
И.В. Смирнов, В.П. Сидоров, С.А. Хурин, А.И. Смирнова, В.Г. Добровольский, Э.С. Гилязев
ООО «Сварочные машины и технологии» 445004, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Толстого, д. 7, оф. 306 Тел./факс: (8482) 42-35-99, 55-62-68, 8-9272-68-64-67, e-mail: smt-tlt@rambler.ru
Заключение совета рецензентов: 28.07.12 Заключение совета экспертов: 30.07.12 Принято к публикации: 31.07.12
В статье приводятся результаты экспериментальной оценки влияния на коэффициент полезного действия топологии инверторного источника питания, построенного на базе повторно-переменной коммутируемой работы двух инверторов, в сравнении с топологией традиционного источника питания на базе одного инвертора.
Ключевые слова: источник питания, дуговая сварка, энергоэффективность, управление тепловложением.
COMPARISON OF THE ENERGY EFFICIENCY OF TRADITIONAL INVERTER POWER SOURCE FOR ARC WELDING, INVERTER WELDING POWER SOURCE
WITH CONTROLLED HEAT INPUT
I.V. Smirnov, V.P. Sidorov, S.A. Khurin, A.I. Smirnova, V.G. Dobrovolsky, E.S. Gilyazev
"Welding Machines and Technologies" Ltd. 7-306 Tolstogo str., Tolyatty, Samara region, 445004, Russia Tel./fax (8482) 55-62-68, 8-9272-68-64-67, e-mail: smt-tlt@rambler.ru
Referred: 28.07.12 Expertise: 30.07.12 Accepted: 31.07.12
The article presents the results of experimental evaluation of effects on the efficiency of the topology of the inverter power source, re-built on the basis of variable-switched operation of two inverters, in comparison with the topology of the traditional supply based on a single inverter.
Keywords: power source, arc welding, energy efficiency, management of heat input.
В последние несколько лет в России проводятся исследования и постепенное внедрение в производство нового способа аргонодуговой сварки неплавя-щимся электродом, а именно способа аргонодуговой сварки неплавящимся электродом с управляемым тепловложением. Суть предлагаемого способа сварки достаточно полно описана в работах [1-3].
Для практической реализации нового способа дуговой сварки с управляемым тепловложением был разработан специальный источник питания для сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением, построенный на основе двух независимых инверторных источников с половинной номинальной мощностью, соединенных на выходе
одним общим проводом. Такая топология инвертор-ного источника питания является новой и не типичной для современных сварочных инверторных источников.
Теоретические исследования эффективности схемы инверторного источника питания, построенного на базе двух независимых инверторных источников с половинной номинальной мощностью, соединенных на выходе одним общим выводом, были проведены в работе [4]. Исследования выполнялись в виде имитационного моделирования. Результаты исследований, помимо общей работоспособности схемы и ее наибольшей эффективности для целей реализации процесса сварки с управляемым тепловложением, пока-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (112) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
зали возможность повышения коэффициента полезного действия инверторного источника питания, построенного по исследованной топологии.
Результаты исследований, представленных в работе [4], показали, что поочередная работа двух инверторов, в предлагаемой топологии источника питания для сварки с управляемым тепловложением, построенного на двух инверторах, позволяет повысить КПД источника 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.
Подобный рост коэффициента полезного действия говорит о более полном использовании источником питания электроэнергии, потребляемой из первичной сети.
В ходе выполнения научно-исследовательских работ по ГК № 16.516.11.6018 были созданы экспериментальные образцы источников питания для сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением, построенные на основе двух независимых инверторных источников с половинной номинальной мощностью, соединенных на выходе одним общим выводом.
Целью исследований, результаты которых представлены в данной работе, являлось провести экспериментальную оценку влияния на коэффициент полезного действия топологии инверторного источника питания, построенного на базе повторно-переменной коммутируемой работы двух инверторов, в сравнении с топологией традиционного источника питания на базе одного инвертора.
Для исследований применялся экспериментальный источник питания марки СМТ-1.2, поскольку он имеет возможность работать как в режиме работы одного инвертора (т.е. реализовывать традиционный процесс сварки), так и в режиме сварки с управляемым тепловложением (т.е. реализовывать процесс сварки с коммутируемым подключением двух инверторов).
Исследование проводилось в виде двух отдельных серий экспериментов. В первой серии экспериментов оценивали коэффициент полезного действия традиционного источника питания на базе одного инвертора, на разных режимах работы нагрузки. Во второй серии экспериментов оценивали коэффициент полезного действия инверторного источника питания, построенного на базе повторно-переменной коммутируемой работы двух инверторов, на тех же режимах работы нагрузки, что и в первом эксперименте.
Все эксперименты проводились с применением стенда для оценки коэффициента полезного действия технических сварочных систем. Для измерения па-
раметров первичной сети в стенде используется прибор Omix P99-MA-3-0.1-ACX220-RS485, а для записи параметров работы вторичной цепи используется регистратор аналоговых сигналов Flash-Recorder-2-16RTC-SD. Внешний вид стенда для оценки коэффициента полезного действия технических сварочных систем приведен на рис. 1.
Рис. 1. Стенд для оценки коэффициента полезного действия технических сварочных систем
Fig. 1. Stand to assess the efficiency of technical welding systems
Стенд для оценки коэффициента полезного действия технических сварочных систем позволяет оценить количество электроэнергии, потребляемое источником питания из сети, и количество электроэнергии, отдаваемое источником питания на нагрузку (сварочную дугу или балластный реостат).
Используя полученные со стенда данные в виде потребленной и отданной в нагрузку мощности, рассчитывали коэффициент полезного действия источника питания на конкретном режиме работы.
При проведении экспериментальных исследований было принято решение в качестве стандартной нагрузки использовать балластный реостат. Это обеспечило стабильность нагрузки от опыта к опыту.
При проведении эксперимента с традиционным инверторным источником питания выполняли пять опытов, в каждом из которых нагрузку во вторичной цепи инверторного источника питания задавали из ряда 30; 50; 80; 110; 140 А. Выполняли по три параллельных опыта для каждого значения нагрузки.
При проведении эксперимента по определению коэффициента полезного действия инверторного источника питания, построенного на базе повторно-переменной коммутируемой работы двух инверторов, выполняли шестьдесят пять опытов. Эксперимент состоял из пяти серий опытов, в каждой из которых нагрузку во вторичной цепи инверторного источника питания задавали из ряда 30; 50; 80; 110; 140 А. В рамках каждой серии опытов изменяли частоту коммутации тока между двумя каналами токо-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
И.В. Смирнов, В.П. Сидоров, С.А. Хурин и др. Сравнение энергоэффективности инверторных источников питания для сварки
подвода инверторного источника питания из ряда: 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10 Гц. Выполняли по три параллельных опыта для каждого сочетания значений нагрузки и частоты коммутации тока.
Значение входной мощности, потребляемой источником питания из сети, определяется визуально по показаниям анализатора электроэнергии трехфазного Ош1х P99-MA-3-0.1-ACX220-R.S485 (по его же показаниям определяются составляющие мощности: ток по каждой фазе и фазное напряжение).
Значения тока и напряжения во вторичной цепи определяются с помощью регистратора аналоговых сигналов Р1а8Ь-ЯесоМег-2-16КТС-8Б посредством программного обеспечения 8-ЯесоМег V. 2.2 фирмы АБС1аЪ.
В результате проведения экспериментов по приведенной выше методике были получены данные о коэффициенте полезного действия на разных режимах нагрузки как традиционного инверторного источника питания, так и инверторного источника питания, построенного на базе двух независимых ин-верторных источников с половинной номинальной мощностью, соединенных на выходе одним общим выводом. Для примера на рис. 2, а и Ь приведены графики коэффициента полезного действия двух сравниваемых источников питания при токе нагрузки во вторичной цепи 50 и 140 А соответственно.
КПД, % 90
70
50
1
'—♦— ■ ♦ * / ♦
É« ■ 11 -Я- V-»- 1—-■-Г=Й
Ч2 *
Частота коммутации тока между инверторами, Гц a
КПД, %
90
70
и
* *
500 4 8 12
Частота коммутации тока между инверторами, Гц
b
Рис. 2. График зависимости коэффициента полезного действия инверторного источника питания, построенного на базе повторно-переменной коммутируемой работы двух инверторов (1), от частоты коммутации тока между инверторами в сравнении с коэффициентом полезного
действия традиционного источника питания (2) при токе нагрузки во вторичной цепи: a - 50 A ; b - 140 А Fig. 2. Graph of the dependence the efficiency of the inverter power source, re-built on the basis of variable-switched operation of two inverters (1), the frequency of the switching current between inverters, in comparison with the efficiency of traditional power supply (2), the load current in the secondary circuit: a - 50 A ; b - 140 А
На рис. 3 представлен сводный график, характеризующий изменение коэффициента полезного действия инверторного источника питания, построенного на базе повторно-переменной коммутируемой работы двух инверторов (1), в зависимости от частоты коммутации тока между инверторами в сравнении с коэффициентом полезного действия традиционного источника питания (2).
Рис. 3. График изменения коэффициента полезного действия инверторного источника питания, построенного на базе повторно-переменной коммутируемой работы двух инверторов, в зависимости от частоты коммутации тока между инверторами в сопоставлении с коэффициентом полезного действия традиционного источника питания
при токе нагрузки во вторичной цепи 30-140 А Fig. 3. Graph change in the efficiency of the inverter power source, re-built on the basis of variable-switched operation of two inverters, depending on the switching frequency current between inverters, in comparison with the efficiency of traditional power source, the load current in the secondary circuit 30-140 A
Обсуждение результатов
Анализ полученных в исследовании результатов показывает, что в общем преобладает тенденция повышения коэффициента полезного действия источника питания для сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением по сравнению с коэффициентом полезного действия традиционного двухполюсного инверторного источника питания.
Как показывают данные, на малых токах (до 50 А) возможен эффект как увеличения, так и уменьшения коэффициента полезного действия источника по сравнению с традиционной конструкцией инвертора. При значениях рабочих токов 80 А и выше наблюдается стабильное повышение коэффициента полезного действия источника питания для сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением по сравнению с коэффициентом полезного действия традиционного двухполюсного инверторного источника питания.
Минимальная величина повышения КПД для малых токов составляет 2%, максимальная величина повышения КПД наблюдается на больших токах и достигает 19%. Средняя величина повышения коэф-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 08 (112) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
фициента полезного действия источника питания для сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением по сравнению с коэффициентом полезного действия традиционного двухполюсного инверторного источника питания составляет 6,5%, что полностью соответствует теоретическим расчетам и оценкам, отраженным в работе [4].
Выводы
1. Инверторный источник питания для сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением обладает более высоким коэффициентом полезного действия, чем традиционный двухполюсный инверторный источник питания. Средняя величина роста коэффициента полезного действия составляет 6,5%. При этом минимальная величина повышения КПД характерна для малых токов и составляет 2%, а максимальная величина повышения КПД наблюдается на больших токах и достигает 19%.
2. Наиболее эффективно выполнять сварку на источнике питания для сварки с пространственно-параметрическим управлением тепловложением на больших силах тока (свыше 100 А), при которых достигаются наибольшие показатели роста КПД источника по сравнению с традиционной топологией построения инверторного сварочного выпрямителя.
Заключение
Проведенные экспериментальные исследования позволили достоверно показать эффективность топологии построения инверторного источника питания для сварки с управляемым тепловложением на базе повторно-переменной коммутируемой работы двух
инверторов, которая позволяет добиться более высоких показателей эффективности использования потребленной из сети электрической энергии, чем топология построения классических инверторных источников питания сварочной дуги. Полученные результаты позволят перейти к этапу проектирования и изготовления промышленных образцов энергоэффективных инверторных источников 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. 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.
4. Сидоров В.П., Смирнов И.В., Хурин С.А., Смирнова А.И. Оценка энергоэффективности инверторного источника питания для дуговой сварки с управляемым тепловложением // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2011. № 11. С. 96-102.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 08 (112) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
