Тезисы докладов. 5 региональная научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Электроэнергетика

Подождите немного. Документ загружается.

Секция 13. Электротехника и электротехнологии

131

вторного зажигания дуги для наиболее неблагоприятного режима – ми-

нимального сварочного тока при пониженном на 10 % напряжении. Если

разброс в результататах полученных сварочные токов с заданными со-

ставляет более 10 %, или не выполняется проверка на устойчивость зажи-

гания дуги в режиме минимального тока, то программа предлагает скор-

ректировать конструкцию трансформатора. После этого весь расчет по-

вторяется до тех пор, пока спроектированный трансформатор не будет

соответствовать исходным данным. Для окончательного варианта опре-

деляются потери в стали магнитопровода, ток холостого хода, а также

энергетические показатели. Кроме этого проводят проверку трансформа-

тора по допустимой температуре нагрева в режимах заданного тока свар-

ки. Данная система позволяет в режиме диалога, при экономии времени,

произвести проектирование вариантов, которые отличаются конструк-

тивными и массогабаритными показателями.

А.В. Киселев, студ.; рук. М.С. Сайкин, к.т.н., доцент

МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОПОСТОВОЙ СВАРКИ

В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ «SWCAD»

Представленная работа является продолжением исследования воз-

можностей программного комплекса SWCAD для моделирования про-

цессов, протекающих в электронных схемах [1].

Целью работы является изучение возможностей программы

LTspice/Swither CAD для моделирования многопостовой сварки [2].

На машиностроительных предприятиях, где наблюдается большая

концентрация сварочных рабочих мест, традиционно использовалась и

используется многопостовая сварка постоянным и переменным током.

Достоинством данного типа сварки является простота, безопасность

и возможность экономии производственных площадей. При многопосто-

вой сварке несколько сварочных рабочих мест подключаются к одному

многопостовому сварочному источнику.

Относительная независимость сварочных постов, работающих от

одного общего источника, достигается тем, что каждый сварочный пост

подключается через индивидуальный балластный реостат (БР), служа-

щий для регулирования сварочного тока и получения необходимой кру-

топадающей нагрузочной характеристики (рис. 1).

Использование БР является, возможно, наиболее простым, но не

лучшим решением, т. к. при этом сильно снижается КПД. Низкий КПД

обусловлен тем, что часть мощности рассеивается в виде тепла на БР. Так

ЭНЕРГИЯ-2010

132

как напряжение сварочной дуги составляет 30 − 50% от напряжения мно-

гопостового источника, то таким же является и КПД такого способа про-

ведения сварочных работ.

Рис. 1. Многопостовая сварка с использованием балластных реостатов

Достижения современной электроники позволяет изготовить элек-

тронный аналог БР, который имеет улучшенные эксплуатационные ха-

рактеристики и обладает КПД, близким к 100 %.

На рис. 2 изображен вариант, когда к одному многопостовому источни-

ку посредством ЭРСТ подключено большее количество рабочих мест, при

этом многопостовой источник работает в обычном нагрузочном режиме.

Рис. 2. Многопостовая сварка с использованием ЭРСТ

Секция 13. Электротехника и электротехнологии

133

Выгода от такого решения очевидна, так как достигается одновре-

менная экономия электроэнергии и оборудования при неизменном объе-

ме сварочных работ. Если сравнивать ЭРСТ с инверторными сварочными

источниками, то он имеет следующие преимущества:

 повышенная безопасность, которая связана с отсутствием высоко-

вольтных цепей;

 меньшая масса;

 более высокий КПД за счет меньшего количества преобразований.

В данной работе описаны общие принципы конструирования и ре-

альная конструкция простого ЭРСТ. Несмотря на свою простоту, благо-

даря идеальным внешним характеристикам ЭРСТ обеспечивает наилуч-

шее формирование сварочного шва и практически исключает разбрызги-

вание металла. В ЭРСТ предусмотрена возможность регулировки накло-

на внешней характеристики от крутопадающей до жесткой. Данное об-

стоятельство позволяет использовать ЭРСТ как для ручной, так и для по-

луавтоматической сварки.

Принцип работы ЭРСТ основан на модуляции входного напряжения

полупроводниковым (ПП) ключом с последующей фильтрацией среднего

значения напряжения. Благодаря тому, что ПП ключ имеет малую мощность

рассеивания в закрытом и открытом состояниях, его КПД близок к 100 %.

Основой ЭРСТ является импульсный понижающий преобразователь

постоянного напряжения (ЧОППЕР).

Понижающий преобразователь показан на рис. 3. Он состоит из

электронного ключа, роль которого в данном случае выполняет полевой

транзистор VT, диода VD и дросселя сглаживающего фильтра L.

Рис. 3. Понижающий преобразователь постоянного напряжения

Наличие конденсатора С не является принципиальным. Схема

управления может регулировать выходное напряжение U

вых

на нагрузоч-

ном резисторе R

, осуществляется с помощью ключа VT широт-

но-импульсную модуляцию (ШИМ) входного напряжения U

вх

Принцип действия ШИМ заключается в том, что транзистор открыт в те-

чение времени t

, которое меньше или равно периоду коммутации ключа Т.

На рис. 4 изображена модель понижающего преобразователя, кото-

рый понижает входное напряжение с U = 60 (В) до напряжения 30 В на

нагрузочном резисторе R1.

ЭНЕРГИЯ-2010

134

Рис. 4. Модель понижающего преобразователя постоянного напряжения

Первый этап работы заключался в исследованиях преобразователя в

режиме непрерывного тока. При этом в качестве генератора

ШИМ-сигнала использовался источник напряжения V2, который работал

в расширенном режиме импульсного генератора. На рис. 5 приведены

расчетные диаграммы токов через диод и через дроссель, и диаграмма

мощности.

Рис. 5. Диаграммы токов и мощностей

При этом на транзисторе выделяется импульсная мощность. И это об-

стоятельство не может быть оправданным, т.к. большие импульсы мощности

Секция 13. Электротехника и электротехнологии

135

вызывают локальные перегревы и деградацию полупроводниковой структу-

ры, что, в конце концов, приведет к отказу транзистора или диода.

Из диаграммы токов, построенной для диода D1 видно, что в момент

отпирания транзистора М1 через диод протекает короткий импульс

сквозного тока (обратного тока восстановления). Он вызван процессом

рассеивания избыточного заряда в области его «p–n» перехода.

Второй этап работы состоял в исследовании преобразователя в ре-

жиме прерывистого тока. Добиться коммутации при нулевом токе мож-

но, если ранее рассмотренный преобразователь заставить работать в ре-

жиме с прерывистым током дросселя. В этом случае при окончании пе-

риода ток дросселя уменьшится до 0 и диод D1 успеет восстановить вы-

сокое обратное сопротивление.

Для получения требуемого режима коммутации достаточно умень-

шить индуктивность дросселя ниже минимального значения L

min

, гаран-

тирующего неразрывность тока дросселя L1.

В работе были рассмотрены и смоделированы режимы при разных

нагрузочных сопротивлениях R1 в диапазоне от 10 до 100 Ом и построе-

ны диаграммы токов и напряжений при этих значениях сопротивлений.

Проведенные исследования позволяют прогнозировать работу пре-

образователей, применяемых при многопостовой сварке в различных

технологических режимах работы.

Библиографический список

1. Киселев А.В. Применение программной среды SWCAD для моделирования элек-

тротехнологического оборудования / Энергия 2009: мат-лы региональной науч.-техн. конф.

студентов и аспирантов. − Т. III. − С. 86 − 89.

2. Володин В.Я. Современные сварочные аппараты своими руками. − СПб.: Наука и

техника, 2008. − 304 с.

Д.Н. Кормилицын, студ.; рук. В.А. Мартынов, д.т.н., проф.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

В ЦЕПЯХ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Целью работы являлась разработка программы анализа установив-

шихся режимов в линиях с распределенными параметрами. Программа

реализована на языке программирования Microsoft Visual Basic 6.0. Ин-

терфейс программы приведен на рис. 1. Он включает в себя: схематичное

изображение длинной линии, поля для ввода исходных данных и пере-

ключатели для выбора вводимых данных.

ЭНЕРГИЯ-2010

136

Рис. 1. Рабочий лист программы версии 1.1

Вводимые данные подразделяются на 2 типа: параметры длинной

линии и параметры приемника. В качестве исходных данных реализована

возможность вводить либо первичные, либо вторичные параметры ли-

нии. Вторичные параметры задаются в виде комплексных величин в ал-

гебраической или в показательной формах записи по усмотрению поль-

зователя. После ввода исходных данных можно рассчитать недостающие

параметры, нажав на кнопку «Рассчитать величины».

Аналогичным образом, параметры приемника могут быть введены по-

разному в зависимости от известных величин. Возможность представления

параметров приемника приведена на рис. 2. Кроме комплексных токов и

напряжений приемника, входящих в уравнения состояния длинной линии,

можно вводить действующие значения величин, активную мощность прием-

ника, его коэффициент мощности. После ввода необходимой информации

необходимо нажать кнопку «Рассчитать величины». После этого определяют-

ся недостающие переменные и готовятся функции к представлению на графи-

ке.

Секция 13. Электротехника и электротехнологии

137

Рис. 2. Выбор вводимых данных приемника

На графике представлены прямые и обратные бегущие волны тока и

напряжения, распределение мгновенных величин по линии в различные

моменты времени, распределение действующих значений токов и напря-

жений по линии при различной нагрузке. Кроме того, возможно опреде-

лить КПД линии. В качестве примера на рис. 3 показано распределение

по линии прямой бегущей волны напряжения в заданный момент време-

ни. В программе реализована возможность, как ускорения, так и замедле-

ния скорости движения прямых и обратных волн. Это достигается с по-

мощью кнопок «+» и «−» в поле «Коррекция времени». Также во время

построения графика можно сменить тип отображаемого графика: прямая,

обратная и их сумма.

Рис. 3. График распределения мгновенных значений в линии

Таким образом, разработанная программа дает возможность иссле-

довать установившиеся режимы в длинных линиях при различных режи-

мах ее работы. При этом графики дают возможность наглядно увидеть

распределение действующих значений токов и напряжений по линии, а

также возможность отображения прямых и обратных волн в зависимости

от характера нагрузки. Кроме того, возможность наглядного представле-

ния анимации прямых и обратных волн позволяет студентам лучше усво-

ить тему длинные линии при ее изучении. Она позволяет наглядно пред-

ставить для студентов само понятие «бегущие волны».

ЭНЕРГИЯ-2010

138

В.А. Баранов, асп.; рук. В.Д. Лебедев., к.т.н., доцент

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОРРЕКТОРОВ

КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

В МЕДИЦИНСКОМ ОБОРУДОВАНИИ

Одной из приоритетных задач электротехники в настоящее время

является повышение эффективности использования электрической энер-

гии. Основными направлениями в этом являются снижение энергопо-

требления, повышение коэффициента полезного действия (КПД) элект-

роустановок и источников вторичного электропитания, а также повыше-

ние коэффициента мощности электроустановок и связанное с этим сни-

жение потерь мощности в линиях электропередач.

В современной медицине широко используется самая разнообразная

электронная техника, в том числе, потребляющая значительную мощ-

ность из сети электроснабжения. В большинстве современных приборов

применяются импульсные источники питания (ИИП), обеспечивающие

лучшие массогабаритные показатели и эффективность. На входе они

имеют выпрямитель сетевого напряжения с емкостным фильтром. Ос-

новной проблемой этого решения является то, что ток потребления из се-

ти имеет форму коротких пиков значительной амплитуды (см. рис.). При

значительной мощности ИИП уровень гармонических составляющих то-

ка потребления может стать неприемлемо высоким, что приведет к несо-

ответствию стандартам на электромагнитную совместимость [3]. К меди-

цинскому оборудованию предъявляются повышенные требования по без-

опасности [1] и надежности, снижение нагрузки на питающие сети также

влияет на безопасность медицинского учреждения в целом [4]. Именно

поэтому применение технологий повышения коэффициента мощности

является актуальным в сфере медицинских приложений.

Секция 13. Электротехника и электротехнологии

139

Рис. 1. Ток потребления ИИП

Коррекцию коэффициента мощности можно осуществлять различ-

ными способами. Наиболее очевидным и простым, с точки зрения схемо-

техники, является использование дросселя достаточно большой индук-

тивности, включенного последовательно во входную цепь ИИП. Однако,

в виду низкой частоты питающего напряжения (50/60 Гц), этот дроссель

потребует применения сердечника из электротехнической стали и значи-

тельного расхода меди для обмотки, а массогабаритные показатели его

будут расти практически пропорционально квадрату тока потребле-

ния [4]. Практический предел мощности ИИП, когда применение пассив-

ной коррекции коэффициента мощности является целесообразным, нахо-

дится на уровне 300...400 Вт, размеры и вес дросселя при этом уже достаточ-

но велики, чтобы сделать его неприемлемым для портативных приборов.

В настоящее время большое распространение получили активные

корректоры коэффициента мощности (ККМ), представляющие собой по-

вышающие импульсные стабилизаторы напряжения со специальной схе-

мой управления, формирующей синусоидальную форму тока потребле-

ния из сети с одновременной стабилизацией выходного напряжения [4].

Такие схемы не обеспечивают гальванической развязки от сети и необхо-

димые выходные напряжения затем получаются с помощью традицион-

ных импульсных преобразователей с трансформаторами. Схемы ККМ на

серийно выпускаемых элементах позволяют достигать коэффициента

мощность до 0,95...0,99, достижим коэффициент гармоник не более 1 %.

Активный ККМ в силу принципа построения также обеспечивает широ-

кий диапазон рабочих входных напряжений ИИП, что позволяет отка-

заться от переключения диапазонов входного напряжения для оборудо-

вания, поставляемого в разные регионы мира.

Однако, наряду с очевидными преимуществами данная технология

имеет и некоторые особенности, которые важно учитывать при проекти-

ровании. Основной является повышенный уровень высокочастотных

ЭНЕРГИЯ-2010

140

кондуктивных помех и помех в эфир, поскольку ККМ представляет со-

бой импульсный преобразователь, непосредственно связанный с сетью

электропитания и работающий на высокой частоте (20...100 кГц). В виду

отсутствия на входе емкостного фильтра (он переносится на выход пре-

образователя), уровень кондуктивных помех в большинстве случаев бу-

дет выше, чем у стандартного ИИП той же мощности, что во многих слу-

чаях приведет к несоответствию стандарту на электромагнитную совме-

стимость [2]. Учитывая то, что требования к медицинскому оборудова-

нию предъявляются более жесткие [1], потребуется применение более

сложных сетевых помехоподавляющих LC-фильтров и более тщательная

проработка конструкции прибора, что, в конечном счете, приводит к удо-

рожанию прибора. При этом, эффективность сетевого фильтра необхо-

димо повышать с помощью увеличения индуктивности катушек, а не ем-

кости конденсаторов, поскольку последнее приведет к увеличению тока

утечки на заземляющий провод выше допустимого стандартом на меди-

цинское оборудование [1].

Также применение ККМ приводит к некоторому снижению надеж-

ности прибора (в силу увеличения числа элементов) и снижению КПД

(по причине двойного преобразования напряжения) [4]. Частично эти

проблемы можно обойти, используя схемы на основе стандартных им-

пульсных преобразователей, управляемых контроллерами ККМ [4].

Таким образом, применение активных корректоров коэффициента

мощности предоставляет возможность более полно и эффективно ис-

пользовать сети электроснабжения, повысить безопасность и эффектив-

ность приборов, улучшить их показатели электромагнитной совместимо-

сти. Однако, эта технология ставит перед разработчиками новые сложные

задачи, решение которых необходимо для обеспечения соответствия обо-

рудования стандартам.

Библиографический список

1. ГОСТ Р 50267.0.2-2005 (МЭК 60601-1-2:2001) Изделия медицинские электриче-

ские. Часть 1 − 2. Общие требования безопасности. Электромагнитная совместимость. Тре-

бования и методы испытаний.

2. ГОСТ Р 51318.22-99 (СИСПР 22-97). Совместимость технических средств элек-

тромагнитная. Радиопомехи индустриальные от оборудования информационных техноло-

гий. Нормы и методы испытаний.

3. ГОСТ Р 51317.3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95). Совместимость технических средств

электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с

потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний.

4. Danis Carter. Power-factor correction: Rx for medical power supplies. − EDN Journal,

1998 (http://www.edn.com/archives/1998/050798/10df_03.pdf).