Джерело живлення машини контактного зварювання

Реферат: Винахід належить до контактного зварювання та може бути використаний для покращення техніко-економічних показників джерел живлення та забезпечення електромагнітної сумісності джерел живлення з електричною мережею. Джерело живлення машини контактного зварювання складається зі зварювального трансформатора, перетворювача, який встановлюється в первинне коло трансформатора, та являє собою напівпровідникові комутатори, та вхідного фільтра, який встановлюється між перетворювачем та мережею. Один з комутаторів складається з трьох двонаправлених ключів, перші виводи яких підключені до трьох виводів трифазного фільтра, а другі - з'єднані між собою та підключені до першого виводу первинної обмотки трансформатора, а другий комутатор складається з двох двонаправлених ключів, перші виводи яких підключені до двох будь-яких виводів трифазного фільтра, а другі виводи з'єднані між собою та підключені до другого виводу первинної обмотки трансформатора. Перетворювач формує вихідну напругу прямокутної форми з частотою 50 Гц. Це дозволяє забезпечити мінімум втрат потужності мережі через те, що перетворювач імітує симетричне активне навантаження. Зміна полярності дає можливість запобігти насиченню UA 114689 C2 (12) UA 114689 C2 трансформатора, а вибір вихідної частоти такою, що дорівнює частоті мережі, дозволяє уникнути використання низькочастотного трансформатора, що покращує масогабаритні показники джерела живлення. Зменшення кількості двонаправлених ключів дає можливість також покращити техніко-економічні показники запропонованого джерела живлення за рахунок зменшення його собівартості, зменшення втрат перемикання та втрат провідності перетворювача. UA 114689 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до контактного зварювання та може бути використаний для покращення техніко-економічних показників джерел живлення та забезпечення електромагнітної сумісності джерел живлення з електричною мережею. Використання тиристорних джерел живлення для машин контактного зварювання (МКЗ) змінним/випрямленим струмом, які на сьогоднішній день є досить розповсюдженими, призводить до неможливості забезпечення електромагнітної сумісності такого джерела з електричною мережею. Низька якість електроенергії в точці приєднання МКЗ до електричної мережі призводить до погіршення якості зварних з'єднань. МКЗ з однією парою електродів є однофазним споживачем електроенергії, і, при включенні кількох таких машин до трифазної електричної мережі, зазвичай виникає несиметрія напруг, що є однією з причин виникнення браку при контактному зварюванні. Джерело живлення МКЗ складається зі зварювального трансформатора, перетворювача, який встановлюється в первинне коло трансформатора, та являє собою напівпровідникові комутатори, та вхідного фільтра, який встановлюється між перетворювачем та мережею. При зварюванні змінним струмом, зазвичай, частоту трансформатора намагаються зробити низькою, щоб уникнути значного впливу індуктивності зварювального кола. При цьому для такого джерела живлення потрібний низькочастотний трансформатор, який є дуже громіздким та важким, використання якого значно погіршує масогабаритні показники джерела живлення. Відоме джерело живлення МКЗ [Лебедев В.К. Системы питания для машин контактной сварки / В.К. Лебедев, А.А. Письменный // Автоматическая сварка. - К.: ИЕС им. Е.О. Патона, 2001. - № 11. - С. 32-36], яке являє собою тиристорний трифазний двонапівперіодний випрямляч, виводи якого підключені до первинної обмотки однофазного трансформатора через перемикач полярності струму, утворений чотирма тиристорами. Управління таким джерелом включає формування симетричної системи струмів, що споживаються від мережі, шляхом безпосереднього перетворення трифазної системи напруг в однофазну. При поданні керуючих впливів на тиристори випрямляча перетворювача забезпечують задану амплітуду зварювального струму. При поданні керуючих впливів на тиристори перемикача полярності перетворювача забезпечують задану частоту зварювального струму (30 Гц). Перевагою такого джерела живлення є те, що є можливість використання звичайних трансформаторів промислової частоти, адже в діапазоні частот від 50 до 30 Гц опір короткого замикання машини зменшується пропорційно до частоти та зменшується необхідна для зварювання напруга. До недоліків належить високий коефіцієнт несинусоїдальності споживаного струму, можливість симетричного споживання струму такої машини по фазах тільки у квазисиметричному режимі при частоті зварювального струму 30 Гц. Як джерело живлення МКЗ може бути використаний матричний перетворювач трифазної напруги в однофазну [Rodriguez J. А Review of Control and Modulation Methods for Matrix Converters / J. Rodriguez, M. Rivera, J. W. Kolar, P. W. Wheeler // IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 59, NO. 1, JANUARY 2012], який складається з послідовно з'єднаних трифазного фільтра, перетворювача, що містить два комутатори, та трансформатора, а також блока управління, що підключений до комутаторів перетворювача, причому виводи трансформатора підключені через трифазний фільтр до трифазної мережі через два комутатори, кожен з яких складається з трьох двонаправлених ключів, перші виводи яких підключені до трьох виводів трифазного фільтра, а другі - з'єднані між собою та підключені до відповідного виводу первинної обмотки трансформатора. До переваг такого перетворювача належить можливість регулювати вихідний струм відповідних амплітуди і частоти, як того вимагає технологічний процес зварювання та можливість формування симетричної системи вхідних струмів. До недоліків належить велика кількість силових транзисторів (дванадцять) та, відповідно, великі втрати потужності в перетворювачі. Крім того, при формуванні вихідного струму низької частоти (5, 10, 25 Гц), потрібно також використовувати низькочастотний трансформатор, що погіршує масогабаритні показники джерела живлення. Пристрій прийнято за прототип. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення джерела живлення МКЗ, що дозволить зменшити втрати потужності в ньому та покращити його техніко-економічні показники при збереженні високої якості зварювальних з'єднань та електромагнітної сумісності джерела живлення з електричною мережею. Для вирішення поставленої задачі в джерелі живлення машини контактного зварювання, яке складається з послідовно з'єднаних трифазного фільтра, перетворювача, що містить два комутатори, та трансформатора, а також блока управління, що підключений до комутаторів перетворювача, причому виводи трансформатора підключені через трифазний фільтр до 1 UA 114689 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 трифазної мережі двома комутаторами перетворювача, один з яких складається з трьох двонаправлених ключів, перші виводи яких підключені до трьох виводів трифазного фільтра, а другі - з'єднані між собою та підключені до першого виводу первинної обмотки трансформатора, відповідно до винаходу, другий комутатор складається з двох двонаправлених ключів, перші виводи яких підключені до двох будь-яких виводів трифазного фільтра, а другі виводи з'єднані між собою та підключені до другого виводу первинної обмотки трансформатора. Суть винаходу пояснюється кресленнями, де на фіг. 1 показана структурна схема джерела живлення МКЗ, на фіг. 2 показана спрощена електрична схема запропонованого перетворювача для трансформатора МКЗ, на фіг. 3 наведені діаграми вихідних струмів і напруг джерела живлення, на фіг. 4 наведені діаграми вхідних струмів джерела живлення МКЗ. Трифазне джерело живлення однофазної МКЗ являє собою послідовно з'єднані трифазний фільтр (1, фіг. 1), перетворювач, який утворений комутаторами (2, фіг. 1), зварювальний трансформатор (3, фіг. 1), підключений до перетворювача блок управління (4, фіг. 1), до виходу зварювального трансформатора підключене зварювальне коло з навантаженням Z (5, фіг. 1). На фіг. 2 наведена запропонована схема перетворювача трифазного джерела живлення однофазної МКЗ. Через трифазний фільтр 1 та перетворювач 2 до мережі підключений зварювальний трансформатор 3. Перетворювач 2 складається з двох комутаторів, один з яких утворений двома двонаправленими ключами Q1 та Q2, які підключаються до фаз В та С, тому синхронізація вихідної напруги перетворювача відбувається з напругою фази А. Кожен з двонаправлених ключів (Q1-Q5, фіг. 2) виконаний у вигляді двох зустрічно-послідовно з'єднаних транзисторів зі зворотними діодами, керуючі електроди транзисторів підключені до блока управління 4. Пристрій працює в такий спосіб. Як двонаправлені ключі для комутаторів можуть бути використані ключі SKM200GM12T4. Модуль SKM200GM12T4 розрахований на напругу до 1200 В та струм до 200 А. Схема керування ключами виконана із застосуванням спеціалізованих драйверів SKHI 10/12 R та мікроконтролера STM32F100C6T6B. У наведеному прикладі застосування перетворювача формує вихідну напругу прямокутної форми з частотою 50 Гц. Це дозволяє забезпечити мінімум втрат потужності мережі через те, що перетворювач імітує симетричне активне навантаження. Зміна полярності дає можливість запобігти насиченню трансформатора, а вибір вихідної частоти такою, що дорівнює частоті мережі, дозволяє уникнути використання низькочастотного трансформатора, що покращує масогабаритні показники джерела живлення. Зменшення кількості двонаправлених ключів дає можливість також покращити техніко-економічні показники запропонованого джерела живлення за рахунок зменшення його собівартості, зменшення втрат перемикання та втрат провідності перетворювача. Формування вихідної напруги здійснюється блоком управління 4 (фіг. 1), в якому відбувається вибір пари ключів, які мають перемикатися впродовж періоду ШІМ, та розрахунок шпаруватостей цих ключів, які потрапляють на ШІМ-генератор, а з нього - на керуючі електроди транзисторів. Вхідними для блока управління сигналами є вхідні напруги uA t  , uB t  , uC t  , задана вихідна напруга Uв их та модулюючий сигнал несучої частоти ШІМ ucar t  . У блоці управління відбувається вибір потрібної пари ключів згідно із табл. 1. Період мережі умовно поділяють на шість секторів, першому та четвертому сектору відповідає найбільше абсолютне значення миттєвої напруги фази В (перший - при негативній напрузі фази В, четвертий - при позитивній), другому та п'ятому - фази А (другий - при позитивній напрузі фази А, п'ятий - при негативній), третьому та шостому - фази С (третій - при негативній напрузі фази С, шостий - при позитивній). Початковий фазовий зсув напруги фази А прийнятий рівним нулю. Тоді при симетричних напругах мережі першому сектору відповідає діапазон 0…60 ел. градусів, другому - 60…120, і т.д. (див. табл. 1). Наведені у таблиці 1 шпаруватості керуючих імпульсів ключів Q1-Q5 розраховуються у блоці управління за наступними виразами:  u C t   Uв их  u B t   Uв их D1  ; D2  ; 2 2 1,5Um 1,5Um (1) u A t   Uв их D3  ; D 4  D1; D 5  D 2 , 2 1,5Um 2 UA 114689 C2 де u A t  , uB t  , uC t  - миттєві фазні напруги мережі, В; Uв их - вихідна напруга перетворювача, В; Um - амплітуда фазної напруги мережі, В. Одинична шпаруватість в таблиці означає, що впродовж сектора даний ключ ввімкнений постійно. 5 Таблиця 1 Сектор ел.град. Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 10 15 20 25 30 1 0…60 1 0 D3 D4 D5 2 60…120 D1 D2 1 0 0 3 120…180 0 1 D3 D4 D5 4 180…240 1 0 D3 D4 D5 5 240…300 D1 D2 1 0 0 6 300…360 0 1 D3 D4 D5 Параметри перетворювача наступні: частота перемикання 6,4 кГц, задана вихідна напруга прямокутна, частотою 50 Гц та амплітудним значенням 300 В (фіг. 3), приведені до первинної обмотки індуктивність розсіювання дорівнює 0,6 мГн, активний опір дорівнює 2,5 Ом; індуктивність вхідного фільтра 0,1 мГн, ємність вхідного фільтра 24 мкФ. Коефіцієнт несинусоїдальності вхідного струму фази, синхронізованої з вихідною напругою перетворювача після фільтрації складових на частоті перемикання становить близько 6 % (фіг. 4), коефіцієнт потужності становить 95,6 %, коефіцієнт несиметрії вхідних струмів по зворотній послідовності становить близько 4 %. Застосування запропонованого джерела живлення машини контактного зварювання дозволяє зменшити втрати потужності в ньому та покращити його техніко-економічні показники при збереженні високої якості зварних з'єднань та електромагнітної сумісності МКЗ з електричною мережею. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Джерело живлення машини контактного зварювання, яке складається з послідовно з'єднаних трифазного фільтра, перетворювача, що містить два комутатори, та трансформатора, а також блока управління, що підключений до комутаторів перетворювача, причому виводи трансформатора підключені через трифазний фільтр до трифазної мережі двома комутаторами перетворювача, один з яких складається з трьох двонаправлених ключів, перші виводи яких підключені до трьох виводів фільтра, а другі - з'єднані між собою та підключені до першого виводу первинної обмотки трансформатора, яке відрізняється тим, що другий комутатор складається з двох двонаправлених ключів, перші виводи яких підключені до двох будь-яких виводів фільтра, а другі виводи з'єднані між собою та підключені до другого виводу первинної обмотки трансформатора. 3 UA 114689 C2 4 UA 114689 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5