Розробка наукових і технологічних основ створення енергоефективних зварювальних джерел живлення з інтегрованими функціями активної фільтрації вищих гармонік

ДВНЗ "ПДТУ" > Інновації > Результати держбюджетних НДР > Розробка наукових і технологічних основ створення енергоефективних зварювальних джерел живлення з інтегрованими функціями активної фільтрації вищих гармонік
 Переклади:
  • Українська
30

(науковий керівник – Гулаков С.В., д-р техн. наук, проф.)

Предмет дослідження – негативний вплив інверторних зварювальних джерел на мережу живлення та пошук шляхів його зменшення, що пов’язане із:

  • використанням у випрямлювачах джерел живлення тиристорів, що спотворюють форму кривої вхідного струму. Це призводить до підвищення втрат електроенергії, порушенню режимів роботи інших споживачів енергії, підключених до цієї мережі (електродвигуни, трансформатори та ін.);
  • великим споживанням реактивної потужності, зумовленим особливостями конструкції сучасних джерел живлення (зварювальні трансформатори з підвищеним розсіюванням, наявністю магнітних шунтів, дроселів насичення та ін.), що використовуються у промисловості.

Мета НДР – створення принципово нових концепцій і методів підвищення енергетичної ефективності електричних джерел живлення, зниження втрат електроенергії за рахунок значного зменшення або уникнення спотворень форми кривої струму, що споживається; зниження масогабаритних параметрів джерел живлення; суттєва економія електротехнічних матеріалів. При виконанні НДР здійснено дослідження впливу зварювальних інверторів на мережу живлення і формування рекомендацій та методик його зменшення; створено математичні моделі взаємодії інверторних джерел та мережі живлення. При дослідженнях використані методи теорії сигналів, методи спектрального аналізу дискретних сигналів (швидке перетворення Фур’є, рекурсивне дискретне перетворення Фур’є), методи теорії автоматичного регулювання для аналізу та синтезу аналогових та імпульсних систем автоматичного керування. При створенні експериментальних зразків джерел живлення застосовані сучасні засоби силової електроніки (швидкісні силові транзистори та діоди, засоби цифрової обробки сигналів), спеціальні схеми побудови імпульсних перетворювачів, в основу яких покладено світові розробки. Розроблений аналізатор електроенергії дозволяє вимірювати наступні параметри і показники: середньоквадратичний струм і напругу, частоту, активну, реактивну та повну потужність, коефіцієнт потужності, cos φ на основній частоті, середньоквадратичний струм і напругу основної гармоніки, коефіцієнт амплітуди напруги і струму, коефіцієнт гармонік напруги і струму. Розроблено підхід до підвищення ефективності паралельного активного фільтру у складі електротехнічного комплексу, що полягає в розподілі задач між основним інвертором та додатково введеною до складу активного фільтру коригувальною ланкою, яка підключена до інтерфейсного фільтру. Розроблена система управління додатковою коригувальною ланкою з негативним зворотнім зв’язком по вихідному струму фільтру та низькою чутливістю до зміни параметрів інтерфейсного фільтру, досліджена її стійкість. Ефективність роботи запропонованих алгоритмів перевірено і доведено за допомогою математичного моделювання та на експериментальному зразку. Запропоновано схемне рішення пристрою компенсації реактивної потужності на основі батарей конденсаторів зі ступеневим перемиканням, яка підключена до мережі через послідовний активний фільтр. Це дає можливість “ізолювати” батарею конденсаторів від вищих гармонік напруги мережі та забезпечити плавне регулювання реактивної потужності. Отримані вирази для вибору оптимального співвідношення ємностей ступенів батареї конденсаторів. Розроблено концепцію побудови зварювальних джерел живлення для TIG зварювання з використанням послідовних активних фільтрів низької напруги. Це дає можливість стабілізувати режим горіння зварювальної дуги і використовувати для TIG зварювання низькочастотні трансформатори з жорсткою зовнішньою характеристикою. Наукова новизна проекту полягає в розробці нових підходів до створення енергоефективних інверторних зварювальних джерел живлення, в яких використовується пряме перетворення електричної енергії на високій частоті і які мають активну корекцію коефіцієнта потужності. Новим з наукової точки зору є концепція інтеграції функцій паралельного активного фільтру в джерело живлення. Це стало можливим завдяки розробці алгоритму керування високочастотним силовим перетворювачем таким чином, що, окрім формування заданої вихідної ВАХ, він на підставі аналізу форми кривої напруги мережі в реальному часі формує вхідні струми таким чином, щоб знизити спотворення форми кривої напруги цієї мережі. Розроблено методи керування перетворювачем, які дозволяють коректно виконувати функцію активної фільтрації за умов неповної інформації про нелінійні навантаження в мережі. Новизна технічних рішень і методів управління, які були розроблені під час виконання проекту, підтверджена більше ніж двадцятьма патентами України на винаходи. Розробки авторів відповідають світовому рівню, технічні рішення, запропоновані авторами, дозволяють створити джерела живлення з безпосереднім перетворенням, що мають оптимізовану топологію перетворювача зі зменшеною кількістю силових компонентів та спрощеним внаслідок цього алгоритмом керування. Це дозволяє зменшити собівартість джерела та дозволить створювати джерела живлення, що відповідають європейським нормам якості електроенергії IEC 61000 та нормам електромагнітної сумісності EN 55015. Крім того, завдяки інтеграції у джерела живлення функцій активної фільтрації вищих гармонік стає можливою часткова компенсація негативного впливу нелінійних навантажень на якість напруги мережі живлення. Практична цінність результатів НДР – за рахунок використання перетворення енергії на високій частоті на 20 – 30 % покращуються масогабаритні параметри джерел живлення, майже вдвічі скорочуються втрати енергії в перетворювачі та досягається суттєва економія електротехнічних матеріалів. При зварюванні запропоновані джерела живлення дозволяють застосовувати технології контрольованого переносу електродного металу, що дозволить підвищити якість MIG/MAG зварних з’єднань; використання спеціальної форми вихідного (зварювального) струму дозволить підвищити стійкість електрода та дасть можливість керування параметрами зварного шва під час TIG зварювання. Проект спрямований на енергозбереження і імпортозаміщення наукоємних технологій. Економічний ефект зумовлено зниженням втрат електродного металу при MIG/MAG зварюванні і зменшенням обсягу механічної обробки шва після зварювання за рахунок застосування технології контрольованого переносу електродного металу. Економічний ефект, пов’язаний з нормалізацією показників якості електроенергії (ЯЕ) відповідно до стандартів IEC 61000-3-2, ГОСТ Р 51317-2006, може досягати значних рівнів за рахунок виключення штрафних санкцій за зниження ЯЕ. Для України обчислити економічну ефективність за цим параметром неможливо за відсутності штрафних санкцій за знижену ЯЕ, оскільки в Україні діє застарілий стандарт ЯЕ – ГОСТ 13109-97, в якому не нормується спектральний склад струму навантажень. Потенційними замовниками результатів НДР і розробленої техніки є підприємства машинобудування, суднобудування, авіаційної і космічної техніки, у т.ч. підприємства, що займаються створенням, виробництвом і модернізацією військової техніки.

Якщо ви знайшли помилку, будь ласка, виділіть фрагмент тексту та натисніть Ctrl+Enter або це повідомлення.

Залиште коментар

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься.

Цей сайт використовує Akismet для зменшення спаму. Дізнайтеся, як обробляються ваші дані коментарів.


Коментарі:
всього 0

Науково-дослідний інститут Прикладних інформаційних технологій Нова пошта Маріупольська міська рада Міністерство освіти і науки України ERASMUS+

Повідомити про помилку