авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Повышение энергетической эффективности электротехнического комплекса контактная сварочная машина – электрическая сеть

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Глибин Евгений Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА «КОНТАКТНАЯ СВАРОЧНАЯ

МАШИНА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СЕТЬ»

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Самара - 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет» на кафедре «Промышленная электроника».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Шевцов Александр Александрович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Кузнецов Анатолий Викторович

кандидат технических наук, доцент

Салтыков Александр Валентинович

Ведущая организация: Нижегородский государственный технический университет (г.Нижний Новгород)

Защита диссертации состоится «21» февраля 2012 г. в 10 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, Первомайская ул., 18, корпус № 1 ауд. 4а (учебный центр СамГТУ - Электрощит).

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус, Самарский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; факс: (846) 278-44-00, e-mail: aleksbazarov@yandex.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18)

Автореферат разослан « » января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04

д.т.н., доцент А.А. Базаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оборудование для контактной сварки имеет ведущие позиции на рынке сварочного оборудования после дуговой сварки, около 30% общего объема сварных конструкций в мире производится с помощью контактных сварочных машин. В материалах семинаров и конференций, проводившихся в последние годы в различных странах, показано, что в ближайшем будущем доля контактной сварки в машиностроительном производстве возрастет.

Проблема повышения энергетических показателей электротехнического комплекса «Контактная сварочная машина – электрическая сеть» в большей степени зависит от мощных сварочных машин, которая решается с помощью разработки более совершенных питающих преобразователей электрической энергии, обеспечивающих повышение коэффициента полезного действия и коэффициента мощности.

Известно, что во время работы контактных сварочных машин возникают искажения потребляемого тока и питающего сетевого напряжения. Кратковременные выбросы и провалы питающего напряжения во время контактной сварки негативно сказываются на работе электронно-вычислительной, измерительной аппаратуры, беспроводных каналов связи и приводят к высокой вероятности экономического ущерба из-за нарушения нормальной работы указанных видов аппаратуры.



Повышение требований к энергетической эффективности электротехнологического оборудования, вызванное повышением цен на электрическую энергию, усиливают интерес к энергосберегающим технологиям, в частности к компенсации неактивных составляющих полной мощности.

Вопросам энергосбережения в области контактной сварки как электротехнического комплекса и применения полупроводниковых преобразователей для компенсации неактивных составляющих полной мощности посвящено много работ отечественных и зарубежных исследователей: Агунова М.В., Вагина Г.Я., Дроу А. (Draou A.), Маевского О.А., Матуры Р.М., Патела Х.С. (Patel H.S.), Тахри А. (Tahri A.), Хофта Р. Г. (Hoft R.G.) и других. Объясняется это, в первую очередь, сложностью энергетических процессов, протекающих в цепях с несинусоидальными токами, имеющих нелинейный или параметрический характер, а также особенностями работы статических компенсирующих устройств. От точности и быстродействия работы компенсаторов зависит эффективность компенсации неактивных составляющих мощности в целом. Однако, все эти достижения не обеспечивают повышения энергетических показателей до необходимого уровня, требуется поиск новых решений, с этой точки зрения работа является актуальной.

Цель работы заключается в совершенствовании источника питания, обеспечивающее повышение энергетических характеристик электротехнического комплекса «Контактная сварочная машина – электрическая сеть» за счет совместного использования полупроводникового компенсатора и компенсатора на базе конденсаторных батарей.

Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие задачи:

1. Создание математической модели известного электротехнического комплекса «Контактная сварочная машина – питающая электрическая сеть».

2. Создание математической модели статического полупроводникового компенсатора и ее исследование.

3. Разработка структурной схемы специализированного источника питания контактной сварочной машины с повышенной энергетической эффективностью.

4. Разработка нового способа управления компенсирующим устройством, с учетом изменения параметров сварочной машины в течение работы, и исследование его эффективности путем имитационного моделирования.

5. Анализ работы имитационной модели разработанного источника питания.

6. Проверка адекватности результатом путём физического моделирования.

Методика исследований базируется на общих положениях теории электрических цепей, теории дифференциальных и алгебраических уравнений, вычислительных методах и использовании современных инструментальных систем моделирования MatLab и MathCAD.

Достоверность научных результатов подтверждается математическими доказательствами, моделированием в системах MatLab и MathCAD, сравнениями результатов моделирования с результатами экспериментов.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

1. Модель электротехнического комплекса «контактная сварочная машина – электрическая сеть».

2. Способ расчета компенсационного тока для активно-индуктивной нагрузки с фазовым регулированием тока.

3. Практические рекомендации по совместному использованию источников питания для контактной сварки и компенсирующих средств.

Научная новизна:

1. Предложено для повышения энергетической эффективности электротехнического комплекса «Контактная сварочная машина – питающая электрическая сеть» использовать комплексное решение: для компенсации высокочастотных составляющих статический компенсатор, а для компенсации медленно изменяющихся низкочастотных - компенсирующие устройства на базе коммутируемых конденсаторов.

2. Создан новый эффективный способ расчета компенсационного тока при работе компенсатора на активно-индуктивную нагрузку с фазовой регулировкой, сокращающий время вычисления компенсационного тока.

3. Разработан алгоритм функционирования системы управления.

Практическая ценность и результаты работы:

1. Получены параметры кривых потребляемого тока и напряжения в стационарных и переходных режимах работы.

2. Разработано устройство для компенсации неактивных составляющих в кривой потребляемого тока и математическая модель, описывающая работу, законы управления полупроводниковыми ключами в данном устройстве.

3. Создана имитационная компьютерная модель и испытательный стенд для моделирования переходных режимов компенсирующего устройства.

Апробация работы. Основные результаты доложены и обсуждены на:

- II международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2006);

- Всероссийском молодежном научно-инновационном конкурсе – конференции «Электроника – 2006» (Москва, 2006);

- Научно – технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2007);

- III международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (Вологда, 2007);

- Международной научно-практической конференции «Проблемы строительства, инженерного обеспечения, благоустройства и экологии» (Пенза, 2008);

- XX всероссийской межвузовской научно-технической конференции «Электромеханические и внутрикамерные процессы в энергетических установках, струйная акустика и диагностика, приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий» (Казань, 2009);

- Всероссийской научно-технической конференции с элементами научной школы для молодежи «Проведение научных исследований в области машиностроения» (Тольятти, 2009);

- Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 12-15 мая 2009 г);

- Выставка «Всероссийская неделя электроники», Москве 2010 г.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры «Промышленная электроника» по дисциплине «Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей»

Диссертационная работа является частью исследований проводимых в Тольяттинском государственном университете по г/к НИР № 831 «Создание энергосберегающего источника питания для контактной сварки» и г/б НИР рег. №01.20 0502734 «Разработка математической модели автономной электрической системы ограниченной мощности с учетом особенностей электромагнитной совместимости».

Публикации. По теме диссертации опубликовано лично и в соавторстве 14 работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ и патент на изобретение РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (104 наименования). Объем работы включает в себя 156 страниц основного текста, 13 таблиц и 52 рисунка, 11 страниц списка литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цель и основные задачи диссертации, приводятся методы исследований, отражается научная новизна, отмечается практическая значимость результатов работы.

В первой главе выполнен обзор электротехнического комплекса «контактная сварочная машина – электрическая сеть» и перспектив его развития. Виды контактных машин систематизированы в зависимости от технологического процесса, то есть на машины точечной, стыковой, рельефной и шовной сварки, от рода используемого в источнике питания тока, то есть машины переменного, постоянного тока, конденсаторные, низкочастотные, инверторные и от других параметров. Для каждого вида выделены достоинства и недостатки с точки зрения влияния на питающую сеть, а также уровень распространенности на современном производстве.

Контактные сварочные машины являются неблагоприятными потребителями электроэнергии, оказывая следующее влияние на питающую сеть:

- колебания напряжения и кратковременные его выбросы и провалы;

- несимметрия напряжений и токов;

- значительное потребление реактивной мощности;

- несинусоидальность кривых напряжений и токов.

Это приводит к повышенным требованиям к энергоснабжающему оборудованию, повышенным затратам на оплату, и негативному влиянию на других потребителей, работающих в сети.

В связи с этим актуальной является задача организации рационального энергопотребления.

Анализ способов компенсации реактивной мощности и высших гармоник, применяемых в других областях промышленности, позволил выделить основные типы компенсирующих устройств. Наиболее современными универсальными устройствами, позволяющими значительно повысить качество электрической энергии, представляются статические полупроводниковые компенсаторы неактивных составляющих полной мощности.





Для выбора способа создания энергосберегающего источника питания экспериментально сняты кривые потребляемых токов и напряжения одного из наиболее распространенного вида контактных машин – однофазной точечной машины переменного тока. Исследования проводились на базе машины МПТУ – 300. Измерительный блок подключался в разрыв между однофазной сетью переменного тока 380 В и машиной контактной сварки. Структурная схема экспериментальной установки показана на рисунке 1. Было установлено, что форма тока, а, следовательно, и его спектральный состав, зависят от алгоритма работы системы управления сварочной машины и от технологических параметров свариваемых деталей, что необходимо учитывать при разработке источника питания.

 хема экспериментальной установки -0

Рис.1 Схема экспериментальной установки

Таким образом, были поставлены задачи:

  • создать математическую модель, описывающую сработу КСМ при вариации технологических параметров свариваемых деталей и углов управления тиристорным контактором VS1-VS2;
  • создать математическую модель, описывающую статического работу полупроводникового компенсатора.

Во второй главе составлены математические модели контактной сварочной машины и полупроводникового компенсатора. Рассмотрены известные способы описания тока контактной машины и сделан вывод, что для целей имитационного моделирования работы системы «сеть – компенсатор - сварочный источник питания – нагрузка» они не подходят, поскольку не связывают напрямую мгновенные значения тока и питающего напряжении. Был создан способ описания, позволивший смоделировать работу источника питания в системе «Питающая сеть - Источник питания - Контактная машина». На рисунке 2 приведена упрощенная схема электрической части машины, а на рисунке 3 ее эквивалентная схема. В эквивалентной схеме L - индуктивность катушки в схеме замещения, которая включает в себя индуктивность вторичного контура и приведённую к вторичной цепи индуктивность первичной обмотки сварочного трансформатора, r – активное сопротивление в схеме замещения, включает сопротивление вторичного контура, сопротивление участка электрод-электрод и приведённое к вторичной цепи сопротивление первичной обмотки трансформатора.

При замыкании ключа К уравнение электрического состояния схемы замещения примет вид:

. (1)

Рис. 2 – Упрощенная электрическая схема однофазной контактной машины

Рис. 3 - Эквивалентная электрическая схема контактной сварочной машины

Преобразуем данное уравнение, предполагая, что активное сопротивление вторичного контура определяется параметрами КСМ и не меняется во время сварки, не есть является константой и не зависит от времени, а сварочное сопротивление, напротив, является функцией времени:

. (2)

Обозначив , а получим классическое линейное неоднородное уравнение первого порядка:

. (3)

Общее решение может быть записано по методу вариации произвольных постоянных (Лагранджа) в виде:

. (4)

Для построения имитационной модели КСМ запишем решение задачи Коши, исходя из начальных условий :

. (5)

Таким образом, получено уравнение, которое позволяет, зная мгновенные значения Rсв(t), u(t) и заменяя интегралы суммой, можно получить мгновенное значение тока вторичного контура и через коэффициент трансформации первичного, потребляемого из питающей сети.

, (6)

За цикл сварки полное контактное сопротивление Rк уменьшается в несколько раз. Например, при сварке коррозионностойких сталей уменьшается с 300…500 (в начальный момент времени) до 100…150 мкОм. Это в свою очередь влияет на величину тока, потребляемого КСМ из питающей сети.

В результате анализа получены выражения для определения токов и напряжений в компенсаторе на различных этапах работы, позволяющие сделать первоначальный выбор элементов его схемы в зависимости от параметров нагрузки. На рисунке 4 приведена электрическая схема силовой части полупроводникового компенсатора, на рисунке 5 эквивалентная схема замещения этапа работы.

  Статический полупроводниковый-12

Рис. 4 – Статический полупроводниковый компенсатор

  Эквивалентная схема замещения-13

Рис. 5 – Эквивалентная схема замещения этапа компенсации.

Уравнение состояния имеет вид:

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

I0, U0 – ток дросселя и напряжение на конденсаторе предыдущего этапа компенсации.

Корни характеристического уравнения:

(13)

где - коэффициент затухания, - резонансная частота контура.

Зная коэффициенты A1 и A2, можно найти зависимость тока компенсатора, напряжения на емкости от времени.

Видно, что токи и напряжения в компенсаторе зависят от начальных условий на каждом этапе работы. Моменты переключения этапов и, следовательно, начальные условия, определяются системой управления компенсатором и зависят от параметров нагрузки. Для анализа работы устройства достаточно сложно использовать только математическую модель, поэтому необходимо разработать компьютерную имитационную модель всей системы «сеть-компенсатор-контактная сварочная машина».

В третьей главе разработана имитационная модель системы «сеть-компенсатор-контактная сварочная машина» с известным законом управления в пакете Simulink.

Результаты работы модели в виде временных диаграмм сетевого потребляемого тока приведены на рисунке 6.

  Временные диаграммы-23

Рис. 6 – Временные диаграммы потребляемого из питающей сети тока и тока компенсатора

Зависимость токов ключевых элементов схемы полупроводникового компенсатора от ширины зоны гистерезиса приведена в таблице 1.

Таблица 1. Зависимость токов ключевых элементов схемы полупроводникового компенсатора от ширины зоны гистерезиса



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.