Исследование и разработка регулируемых источников тока с улучшенными массогабаритными и энергетическими показателями

Источники тока (ИТ) являются важной частью источников вторичного электропитания. Они используются в сварочной технике, устройствах заряда аккумуляторных батарей, системах питания лазеров, в установках нанесения гальванопокрытий, электродуговых печах, системах электролиза цветных металлов, системах электропривода, установках проверки автоматических выключателей транспорта и т. д.

Среди перечисленных ИТ важное место занимают источники тока мощностью до 4кВт. Источники тока данной группы, к которым относятся сварочные аппараты (СА), а также установки проверки и контроля исправности автоматических тепловых выключателей и токовых реле метрополитена, играют важную роль в современной технике.

Особенностью таких источников являются значительные выходные токи (десятки и сотни ампер) при сравнительно небольших выходных напряжениях (2−25В).

Рассмотрим современное состояние в области разработки и производства таких источников.

Все выпускающиеся в настоящее время ИТ можно разделить на две основные группы в зависимости от частоты работы силового трансформатора. Это ИТ, использующие промышленное значение частоты преобразования силового трансформатора и ИТ с силовым трансформатором, работающим на повышенных значениях частоты преобразования.

В большинстве использующихся в настоящее время сварочных аппаратов и устройствах проверки силовой трансформатор работает на промышленной частоте. Проведенный анализ технических характеристик таких ИТ показал, что их массогабаритные и энергетические показатели во многом не удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям.

Одной из основных идей, связанных с разработкой рассматриваемых устройств, является идея их максимального приближения к объекту работы, т. е. создание переносных ИТ.

В процессе эксплуатации сварочной техники часто возникает необходимость проведения работ в труднодоступных местахсварщику необходима возможность оперативного и удобного перемещения СА по рабочей площадке.

Оперативная проверка автоматических выключателей и реле подвижного состава метрополитена также требует переносного ИТ.

Другим важным требованием, предъявляемым к рассматриваемым устройствам, является необходимость обеспечения глубокого регулирования выходного тока.

В СА необходимость глубокого регулирования выходного тока возникает например при сварке тонколистовой стали, где необходимо обеспечить регулирование тока от нулевых значений до максимального.

В устройствах проверки необходимость глубокого регулирования выходного тока вызвана большой номенклатурой установленных на вагонах метро тепловых выключателей и токовых реле.

В диодных лазерах величина выходного тока определяет энергию лазерного луча и должна регулироваться в широких пределах.

Следующим требованием к рассматриваемым ИТ является требование обеспечения высокого КПД.

Увеличение КПД ИТ позволяет улучшить тепловой режим работы устройства, а значит повысить его надежность и срок службыуменьшить размеры устройств охлаждения или отказаться от их примененияувеличить время непрерывной работы в системах с автономным питаниемпозволяет снизить потребляемый от сети ток.

Таким образом, возникает задача создания переносного ИТ с глубоким регулированием выходного тока и высоким КПД.

Показатели ИТ с силовым трансформатором промышленной частоты не удовлетворяют данным требованиям.

Так, выпускаемые в настоящее время сварочные трансформаторы ТДМ-168 имеют массу 50 кг и габариты 410*365*455 мм при номинальном токе 160Асварочные выпрямители ВД-180/130 имеют массу 55 кг и габариты 350*300*750 мм при токе 180А. Еще большую массу и габариты имеют сварочные преобразователи и генераторы: масса сварочного генератора ГД-2001 составляет 140 кг, а его габариты 640*440*680 мм при номинальном сварочном токе 200А.

КПД таких СА лежит в диапазоне 70−80%.

Существенно повысить массогабаритные и энергетические показатели ИТ и выполнить их переносными, можно путем использования схемы построения ИТ на основе высокочастотного преобразователя.

Например, масса С, А с выходным током 180А, построенного по высокочастотной схеме, составляет порядка 9 кг, его КПД равняется 89%.

Рассмотрим основные вопросы, возникающие при разработке ИТ по высокочастотной схеме.

Основным этапом при построении ИТ по схеме с высокочастотным преобразователем является выбор схемы преобразователя.

Для этого необходимо произвести анализ схем, позволяющих получить крутопадающую внешнюю характеристику, и выбрать наиболее целесообразную для решения поставленной задачи схему.

Следующим этапом является построение схем управления ключевыми элементами преобразователя.

Особое внимание необходимо уделить вопросам разработки силового трансформатора. Дело в том, что масса, габариты и мощность потерь трансформатора существенно влияют на технические показатели всего устройства в целом.

Возникает задача проектирования трансформатора ИТ на максимальный КПД. Увеличение КПД трансформатора позволяет увеличить срок службы, повысить надежность, снизить массу и габариты устройства в целом.

Важным этапом разработки ИТ является выбор элементной базы. Необходимо провести анализ характеристик современных полупроводниковых элементов и выбрать наиболее целесообразный для решения поставленной задачи тип полупроводникового ключа. Необходимо также проанализировать технические характеристики современных магнитных материалов магнитопровода трансформатора и дросселя ИТ. Кроме того, в рамках выбранной схемы, особенностей расчета силового трансформатора, а также на основании технических характеристик ключевых элементов и магнитных материалов необходимо определить рациональное значение частоты работы ИТ.

Исследованию и разработке высокочастотных преобразователей уделено большое внимание в технической литературе. В данной области необходимо отметить труды Глебова Б. А., Лаптева H.H., Моина B.C., Поликарпова А. Г., Ромаша Э. М., Сергиенко Е. Ф. Однако вопросы разработки регулируемых переносных ИТ с высокими массогабаритными и энергетическими показателями в технической литературе освящены недостаточно.

Отсутствует анализ схем построения ИТ с высокочастотным преобразователем, методик их расчета и проектирования. Не освещены вопросы расчета трансформатора рассматриваемых ИТ на максимальный КПД, вопросы выбора элементной базы и частоты преобразования.

Для проверки исправности автоматических тепловых выключателей и токовых реле, установленных на подвижном составе метрополитена, в настоящее время используются имеющие значительные массу и габариты ИТ, работающие на промышленной частоте. Работа по созданию малогабаритного устройства проверки на основе высокочастотного преобразователя проводилась впервые.

Возникает задача исследования и разработки регулируемых ИТ мощностью до 4кВт с улучшенными массогабаритными и энергетическими показателями, построенного по схеме с высокочастотным преобразователем, что и является целью настоящей диссертационной работы.

Научная новизна представленной диссертационной работы заключается в следующем:

На основе проведенного анализа современного состояния в области разработки и применения ИТ обоснована целесообразность построения переносных ИТ с использованием высокочастотного преобразователя.

Проведен анализ схем ИТ, проанализирована современная элементная база, на основании чего предложены рациональные схемы построения ИТ, а также рациональные схемы управления силовыми транзисторами ИТ.

Разработаны оригинальные схемы ИТ.

Разработана методика расчета высокочастотных трансформаторов ИТ с минимальными потерями, позволяющая проектировать трансформаторы с высокими энергетическими показателями.

Разработана математическая модель ИТ с применением пакета Рврюе, позволяющая сократить затраты и время разработки ИТ.

Практическая ценность работы состоит в том, что результаты работы позволяют:

— Проектировать регулируемые ИТ, построенные на основании высокочастотного преобразователя с высокими массогабаритными и энергетическими показателями на основании предложенных рациональных схем построения инвертора, схем управления и элементной базы, а также методик расчета силового трансформатора.

— Разрабатывать высокочастотные трансформаторы ИТ с высокими энергетическими показателями при различных требованиях технического задания.

Реализация работы. На основании диссертационной работы были разработаны и исследованы:

Высокочастотный переносной СА. Аппарат обладает высокими техническими показателями и прошел успешные испытания на кафедре Технологии металлов Московского энергетического института. На Климов-ском штамповочном заводе изготовлена малая серия разработанных СА и в настоящее время идет подготовка к его серийному выпуску.

Переносное устройство проверки и контроля автоматических тепловых выключателей и токовых реле. Устройство проверки обладает высокими техническими показателями и прошло успешные испытания в Московском городском метрополитене. Была разработана партия устройств в количестве пяти штук, которые в настоящее время эксплуатируются в ряде Московских метродепо.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на восьми научно-технических конференциях, по теме диссертационной работы поданы две заявки на изобретения, которые признаны изобретениями.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав и заключения, содержит 143 страницы машинописного текста, включая 67 рисунков, 14 таблиц, список литературы из 62 наименований и трех приложений.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ современного состояния в области производства и применения регулируемых источников тока мощностью до 4кВт с высокими массогабаритными и энергетическими показателями и глубоким регулированием выходного тока. Обоснована целесообразность применения для данных устройств функциональной схемы на основе высокочастотного преобразователя.

2. Проведен анализ схем ИТ. Выбраны рациональные схемы построения ИТ.

3. Рассмотрены вопросы построения схем управления ключевыми элементами ИТ. Предложены и разработаны схемы управления.

4. Разработаны электрические схемы ИТ с высокими массогабаритными и энергетическими показателями и глубоким регулированием выходного тока: разработаны схемы высокочастотных СА и схема устройства проверки автоматических тепловых выключателей и токовых реле, установленных на подвижном составе метрополитена.

5. Разработана методика расчета трансформаторов высокочастотных ИТ с минимальными потерями мощности. Получены формулы, позволяющие определять электромагнитные параметры трансформатора при различных вариантах задания входных величин.

6. Проанализирована современная полупроводниковая элементная база и магнитные материалы. Выбраны типы ключевых элементов высокочастотных ИТ и магнитные материалы трансформатора. Выбрано рациональное значение частоты преобразования ИТ.

7. С применением программы схемотехнического моделирования электронных схем Рэрюе была разработана модель ИТ. Проведены исследования полученной модели, сняты осциллограммы напряжений и токов. Моделирование подтвердило теоретические положения, полученные в работе. На основании проведенных исследований, выбора схем, элементной базы, расчета силового трансформатора, математического моделирования был разработан ряд макетных образцов ИТ. Разработанные ИТ имеют высокие массогабаритные и энергетические характеристики, глубокое регулирование выходного тока.

8. Проведенные экспериментальные исследования разработанных ИТ полностью подтвердили правильность теоретических положений и выводов настоящей диссертационной работы.

9. На основании результатов исследований настоящей диссертационной работы была разработан комплект технической документации на высокочастотный СА. На Климовском штамповочном заводе выпущена опытная партия таких аппаратов. Проведенные на кафедре Технологии металлов Московского энергетического института исследования подтвердили высокие технические показатели аппарата, о чем имеется соответствующее заключение. На основании результатов работы была выпущена опытная партия устройств проверки автоматических тепловых выключателей и токовых реле подвижного состава метрополитена, которые в настоящее время успешно эксплуатируются в пяти московских метродепо.

10. В процессе работы предложены оригинальные схемы ИТ, по двум из которых поданы заявки на изобретение и получены положительные решения (по одной из схем уже получено свидетельство РФ на полезную модель).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненные исследования позволили сформулировать, обосновать и решить актуальную научную задачу разработки высокочастотных ИТ с улучшенными массогабаритными и энергетическими показателями. Результаты испытаний и моделирования разработанных макетных образцов ИТ подтвердили правильность теоретических положений и выводов настоящей диссертационной работы.