GYtjwTGbJr

φ – коэффициент распределения токов между 1 и 2 обмотками трансформатора, принимаемый обычно φ = 0,5;

kc = 0, 95, k0 = 0,8 – коэффициенты заполнения ферромагнетиком магнитопровода и проводом обмоток окна соответственно;

f = 50 Гц – частота сети;

δd – начальную плотность тока в обмотках примем 3 · 106 А/м2 для медных обмоток или 2 · 106 А/м2 для алюминиевых обмоток;

Bm – амплитудное значение магнитной индукции примем 1,2 Тл (типичное для горячекатанной трансформаторной стали);

η – КПД трансформатора (предполагаемое значение) η = 0,95;

Sc – площадь сечения магнитопровода (в первом приближении выбирается квадратной А = В).

Длины стержня и ярма также выберем равными LCA = LC0. Эквивалентная магнитная проницаемость магнипровода:

e 1 0 r r z , lm

где 0 4 10 7 Гн/м – магнитная постоянная; r – относительная магнитная проницаемость вещества; z – суммарный зазор из немагнитного материала, толщина которого примерно равна толщине пластины (0,0005 м); lm – средняя длина магнитной силовой линии магнитопровода (5.4):

Определение индуктивности намагничивания трансформатора.

Зададим ток холостого хода (ХХ) I0 равным 10 % от номинального.

Ток 1 обмотки: In P , А.

Uc

Индуктивность намагничивания (1 обмотки) (5.5):

Определение количества витков 1 обмотки производится по 2 усло-

виям:

21

стимой амплитуде магнитной индукции Bm

Если разница в количестве витков существенна, то решение принимается на основе компромиса, за счет которого увеличения или уменьшения тока ХХ или рабочей индукции.

Расчетная мощность трансформатора составила P1 3 Uc I1.

Определение размеров шин обмоток.

Выберем отношение ширины шины к толщине rat = h/d = 4 для обеих обмоток. Если плотность тока δ задана в А/мм2, ширина шины равна (5.6):

Затем выбираются шины стандартных размеров.

5.3. Оптимизация силового трансформатора

Силовой трансформатор (СТ) является важнейшим элементом системы питания, определяющим энергетические параметры, динамические свойства, экономические, массогабаритные характеристики ИП.

Необходимость оптимизации продиктована следующими соображениями:

–параметры схемы замещения СТ в значительной степени влияют на технические характеристики всего устройства;

–его конструкция и КПД – на экономические параметры;

22

–задача проектирования любого трансформатора неоднозначна;

–СТ является элементом, в котором через конструктивные особенности взаимосвязаны различные физические процессы: электромагнитные, тепловые, механические.

Сущность алгоритма оптимального проектирования в том, что по известным из электротехники фундаментальным соотношениям, справочным данным, практическим рекомендациям проводится расчет параметров неоптимального СТ (начальный план).

Затем строится аналитическая математическая (ММ) СТ, позволяющая решить прямую задачу, сущность которой – нахождение по конструкции СТ параметров электрической схемы замещения и тепловых параметров в номинальном режиме.

Ваналитической ММ приняты следующие допущения:

–расчет ведется по 1 – й гармонике тока.

–СТ полагается линейным элементом;

–температурное поле СТ в номинальном режиме стационарно, все элементы его имеют одинаковую среднюю температуру Tm ;

–коэффициенты теплоотдачи конвекцией k и коэффициенты черноты

также усреднены.

–отдача тепла СТ происходит посредством процессов излучения и конвекции. Теплопроводностью можно пренебречь, т. к. площадь зоны соприкосновения его элементов с основанием мала.

На первом этапе по данным начального плана и известным из электротехники и теплотехники соотношениям определяются параметры электрической схемы замещения СТ и тепловой режим.

При этом числа витков обмоток корректируются по соображениям ограничения амплитуды магнитной индукции на уровне Вm и тока холостого хо-

да Imax.

Эквивалентная индуктивность рассеяния Ls вычисляется с учетом

стержневого рассеяния и поверхностного эффекта.

Этот эффект учтен и при определении активных потерь в обмотках. Управление тепловым режимом осуществимо 2 способами: изменением

конструкции СТ и коэффициента конвекции k за счет интенсивности обдува. Решение уравнения баланса мощности относительно k дает (5.7):

23

Здесь Sизл, Sконв соответственно площади поверхностей, участвующих в лучистом и конвективном теплообмене (вычисляются по конструкции), PR1 , PR2, PFE – мощности активных потерь в 1, 2 обмотках и в магнитопроводе, – коэффициент черноты.

Выбор вида целевой функции (ЦФ) и вектора переменных плана.

В данном случае решалась задача создания СТ с минимальной массой, максимальным КПД и заданным тепловым режимом ( k ).

Минимизируемое выражение для ЦФ представлено в виде линейной комбинации относительных значений этих переменных с весовыми коэффициентами Y, что позволяет деформировать ЦФ в процессе проектирования (5.8).

где Q0 и 0 – начальное значение массы СТ и заданный коэффициент конвекции.

В качестве элементов вектора начального плана, меняющих свои значения в процессе минимизации ЦФ, приняты наиболее существенно влияющие параметры: размеры магнитопровода А и В, ток холостого хода IMAX, плотность тока в обмотках .

Уточнение токов трансформатора с учетом коммутации вентилей.

Наличие интервалов перекрытия вентелей γ в начале (нарастание тока) и в конце (спад тока) проводящего состояния приводит к увеличению значений анодного тока тиристора и тока фазы трансформатора.

Угол перекрытия определяется следующим выражением (5.9):

ная к вентильной (вторичной) обмотке индуктивность рассеяния СТ.

При допущении о том, что длительность импульса тока с амплитудой Id распространяется на угол γ, предел интегрирования анодного тока вентиля увеличится на время перекрытия (5.10):

24

саций без сглаживания.

U p0 = 0,16 для 6 – полупериодной схемы выпрямителя. U pf – заданный коэффициент пульсаций. По заданию U pf = 0,05. Следовательно, S = 3.

Индуктивность L1 (см. рис. 5.1) L1 SRp . Количество пульсаций схемы

p = 6, частота 2 f 314с–1.

Индуктивно-емкостный фильтр.

Произведение LC (Sp )12 с.

5.5. Расчет защитных RC-цепей

5.6. Численная модель преобразователя в системе MATLAB

Структура SPS модели показана на рис. 5.4.

25

Позиции на этом рисунке:

1 – трехфазная сеть ~380 В, 50 Гц с учетом активных и реактивных потерь в линии электропередачи; 2 – фильтр гпрмоник, параметрами настройки которого являются схема, линейное напряжение, резонансная частота, реактивная мощность и добротность; 3 – силовой трансформатор. Его параметры частично задаются в относительных единицах (о. е.). Правила пересчета в о. е. изложены в справочной системе Help SPS. При необходимости могут быть введены реальная кривая намагничивания материала магнитопровода и параметры петли гистерезиса; 4 – дополнительные трансформаторы с единичным коэффициентом трансформации. (В библиотеке SPS имеется трехфазный трансформатор с двумя вторичными обмотками, выходные напряжения которых синфазны. Схема выпрямителя с уравнительным реатором предполагает противофазное включение обмоток. Таким образом, элемент 4 выполняет функцию силового инвертора; параметры трансформаторов 4 заданы близкими к идеальным и не влияют на процессы в преобразователе); 5 – генераторы импульсов управления группами тиристоров (задаются амплитуда, длительность, частота и фазовый сдвиг); 6 – управляемые вентили (тиристоры) с защитными RC-цепями; 7 – уравнительный реактор. (Индуктивность секции штатного реактора 0.0017 Гн, коэффициент связи между секциями 0.4.); 8 – цепь нагрузки. Ее параметры устанавливаются в зависимости от выбранного режима (в номинальном режиме активное сопротивление 0.1 Ом; индуктивность сглаживающего дросселя 210 млГн); 9 – блок быстрого дискретного преобразования Фурье (FFT). Этот блок управляется графическим интерфейсом пользователя Powergui (поз. 10). Если в Powergui выбрана опция FFT, открывается меню настроек, среди которых опорная частота, частота высшей гармоники, время начала выборки периода сигнала для анализа, источник информации (структура) и др.

Вспомогательные блоки 11…15 – приборы наблюдения, сохранения информации в рабочей области.

6. ИНВЕРТОРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Такие ИП называют также источниками питания с промежуточным звеном повышенной частоты (ПЗПЧ).

В отличие от рассмотренных выше трансформаторов и выпрямителей для дуговой сварки такие ИП в своей структурной схеме (рисунок) содержат промежуточный преобразователь постоянного тока в переменный ток, часто-

27

та которого значительно превышает частоту промышленной сети (50 Гц) и может составлять в зависимости от элементной базы преобразователя, техни- ко-экономических требований, прочих соображений разработчика десятки и даже сотни кГц.

На рис. 6.1 обозначено: В1 – входной неуправляемый выпрямитель; Ф1 – первый фильтр; АИ – автономный инвертор; Т – трансформатор; В2 – выходной неуправляемый выпрямитель; Ф2 – второй (выходной) фильтр; Н – нагрузка (сварочная цепь); СУ – система управления автономным инвертором.

В качестве ПЗПЧ применяются разные виды автономных инверторов, отличающиеся схемными решениями, типами силовых ключей (вентилей), принципами управления и пр.

Наличие высокочастотного управляемого преобразователя значительно улучшает массогабаритные показатели оборудования, приближает к единице коэффициент мощности установки, придает ей подвижность, экономит электротехнические материалы.

Самым существенным достоинством такой структуры источника энергии является приобретение им новых технологических свойств и, зачастую, многофункциональности. Это достигается возможностью формирования оптимальных для конкретного процесса статических внешних характеристик, легкостью реализации во времени оптимального закона управления энергией.

С помощью инверторной техники эти задачи решаются вполне успешно. Производятся и пользуются спросом как источники питания на номинальный сварочный ток до 160 А, масса которых составляет менее 10 кг, так и установки большой мощности, реализующие функции «горячего старта», целый ряд разнообразных режимов.

Пример – установка FRONIUS TRANSPOCKET 450 для ручной и TIG сварки, воздушно-дуговой строжки.

Деформация статических характеристик придает им вид, оптимальный для типа электрода, материала и формы изделия, положения шва по желанию сварщикаиосуществляетсяимспомощьюоргановуправлениянапереднейпанели.

28

Статической характеристике может быть придан произвольный наклон. Полого падающие характеристики применяют при сварке электродами с целлюлозным покрытием, а также для выполнения узких, выпуклых и корневых швов основными электродами, для дуговой строжки деталей.

В динамике реализуется функция «горячего старта», причем возможно плавное изменение как амплитуды импульса стартового тока, так и его длительности. Технологический эффект заключается в легкости зажигания дуги с электродами любого состава, устранении холодного спая и шлаковых включений.

Применение инверторов в системах электропитания открыло совершенно новые технологические возможности. Управление процессом на стадиях плавления металла и его переноса в сварочную ванну, длительность которых измеряется сотнями мкс – единицами млс, достижимо уже при частотах инвертирования в несколько кГц.

Технологический эффект – отсутствие брызг и дефектов швов в начале и в конце прохода, легкость перенастройки в условиях сварочного производства изделий из различных материалов.

Пример – установка ARISTO 2000 (ESAB, Швеция).

Сварка неплавящимся (вольфрамовым) электродом (TIG) цветных ме-

таллов. Качество сварного шва зависит от формы тока, особенно касается это сплавов алюминия. Скорость нарастания и окончания сварочного цикла, частота знакопеременных импульсов «очистка-плавление», соотношение их длительностей часто являются решающими факторами.

Инверторные источники тока способны обеспечить любую его форму на «медленных» стадиях (старт, нарастание тока до номинального, сварка с модуляцией значений тока или без нее, заварка кратера, баланс в периоде очистка – плавление) и «быстрых» (в частности, получение импульсов, близких по форме к прямоугольной). Формирование специальных статических характеристик также проблем не вызывает. Пример – установка FRONIUS MW 2600 (Австрия).

Встроенный компьютер позволяет программировать работу установки на разных уровнях: диагностика, виды сварки и пр.

29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современное электросварочное оборудование (ЭСО) в своем составе содержит сложные аппаратные средства. Это касается как информационного обеспечения, так и силовых преобразовательных устройств.

Последние являются сложными динамическими нелинейными импульсными системами.

Их анализ, синтез и оптимизация не вызывают серьезных проблем у специалиста, владеющего современным математическим аппаратом и программным обеспечением.

В результате освоения данной дисциплины специалисты должны приобрести навыки проектирования электросварочного оборудования для различных применений и условий производства, с разнообразными технологическими возможностями.

Более подробные сведения о процессах и оборудовании для дуговой электросварки специалист может найти в литературе [3], [4], [5].

30