Перетворювачі електроенергії з модульною структурою та зниженим рівнем пульсацій для контактного зварювання

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorБондаренко, Олександр Федорович
dc.contributor.authorКарбівська, Тетяна Олексіївна
dc.date.accessioned2021-12-13T14:22:29Z
dc.date.available2021-12-13T14:22:29Z
dc.date.issued2021
dc.description.abstractukДисертація присвячена дослідженню перетворювачів електроенергії з модульною структурою та зниженим рівнем пульсацій для контактного зварювання. Контактне зварювання широко застосовується для з’єднання металевих деталей в електронній промисловості, приладобудуванні, машинобудуванні, автомобіле- та літакобудуванні, космічній техніці, медицині та інших галузях. Контактне зварювання здійснюється шляхом затискання двох металевих деталей між двома електродами з необхідною силою стиснення та пропускання крізь них імпульсу електричного струму необхідної форми, амплітуди та тривалості. У місці проходження струму деталі нагріваються до рівня температури плавлення та з’єднуються між собою. Такий процес зварювання є досить складним, оскільки електричний опір зони зварювання має складний, нелінійний характер та залежить від матеріалу, товщини і шорсткості поверхні деталей та електродів. Такі властивості контактного зварювання ускладнюють процес проектування джерел живлення для його реалізації. В більшості випадків основною і єдиною вимогою, що виставляється до зварних з’єднань – їх міцність. Однак є галузі промисловості, де з’єднуються деталі відповідального призначення і відсутність виплесків часточок розплавленого металу, а також висока повторюваність відтворення параметрів зварних точок має критично важливе значення. Вимога до відсутності виплесків при зварюванні мініатюрних деталей, або деталей компонентів відповідального призначення пов’язана з тим, що часточки металу, які застигли після процесу зварювання, можуть викликати короткі замикання в функціональних елементах електронних приладів, спотворення сигналів, шуми і т.п. Висока повторюваність з’єднань необхідна під час виготовлення складних виробів, за наявності великої кількості зварних точок, від якості кожної з яких значною мірою залежить якість готового виробу. Основне завдання формування необхідних для зварювання параметрів покладається на джерело живлення (також відоме як формувач імпульсів струму), яке забезпечує необхідну форму, амплітуду та тривалість імпульсу зварного струму. На практиці використовують різні форми імпульсів зварного струму, наприклад імпульси постійного чи змінного струму, імпульси пульсуючого струму, або ж комбінації вищезгаданих форм імпульсів струму. Використання імпульсів постійного струму дозволяє покращити якість отриманих з’єднань, особливо у випадках зварювання мініатюрних деталей. Ряд досліджень показує, що при зварюванні деталей товщиною до 0,5 мм, важливу роль відіграє рівень пульсацій зварного струму. Малий розмах пульсацій дозволяє отримати зварні з’єднання високої міцності без виплесків металу. Також додаткові елементи фільтрів для зниження пульсацій струму вносять значну інерційність в контур зворотного зв’язку, що може погіршити якість роботи системи керування та відобразитися на точності відтворення струму. На сьогоднішній день відома велика кількість способів побудови джерел живлення для контактного зварювання. Найбільш перспективним вбачається побудова джерела живлення на базі транзисторного перетворювача, який здатний забезпечити високу точність формування струму в навантаженні, а також вищий рівень енергоефективності порівняно з іншими видами джерел живлення. Відомо, що транзисторні перетворювачі з безперервним керуванням дозволяють отримати високу точність відтворення кривої зварювального струму, однак забезпечують досить низьку енергоефективність. Транзисторні перетворювачі з імпульсним керуванням забезпечують більш високий коефіцієнт корисної дії, однак точність формування струму на виході знижується. Дещо знизити потужність втрат одночасно зі збереженням високої точності формування струму дозволяє використання перетворювачів зі спільним використанням безперервного та імпульсного режимів керування транзисторами. Однак для подібних рішень питання поліпшення показників енергоефективності все ще залишається актуальним. Використання понижуючого перетворювача зі зниженим рівнем пульсацій, що працює в імпульсному режимі, дозволить забезпечити високу точність формування зварювального струму одночасно з низькою потужністю втрат, властивою транзисторним перетворювачам з імпульсним керуванням. Використання модульного способу побудови джерела живлення з n уніфікованими модулями перетворювачів, що підключені паралельно та працюють на спільне навантаження, дозволить покращити точність формування струму, підвищити рівень потужності в навантаженні без використання громіздких компонентів, а також технологічність, гнучкість перебудови та рівень уніфікації перетворювача. У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми дослідження, сформульовано мету та задачі наукових досліджень, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, викладено наукову новизну, практичне значення та наведено дані про апробацію результатів дисертації та публікацій. У першому розділі розкрито особливості перебігу процесу контактного зварювання, проведено аналітичний огляд наукових публікацій з метою дослідження існуючих технічних рішень та принципів побудови джерел живлення для контактного зварювання, обґрунтовано вибір транзисторного перетворювача з використанням імпульсного способу керування транзисторами. Також розкрито особливості побудови перетворювачів з модульною структурою, які дозволяють виконати побудову більш енергоефективних та надійних джерел живлення для контактного зварювання, обґрунтовано вибір модульної топології перетворювача. У другому розділі розглянуто топології транзисторних перетворювачів, які можуть бути використані як базовий модуль джерела живлення з модульною структурою для контактного зварювання. Проведено оцінку енергоефективності транзисторних перетворювачів під час роботи на імпульсне навантаження з високою амплітудою струму, характерною для контактного зварювання. У розділі наведено формули, які описують процеси у транзисторних перетворювачах, а також проілюстровано діаграми їх роботи. Обґрунтовано вибір перетворювача зі зниженим рівнем пульсацій як базового модуля джерела живлення для контактного зварювання, в якому використання додаткового конденсатора дозволяє знизити рівень пульсацій струму навантаження. У третьому розділі побудовано математичні моделі базового модуля перетворювача зі зниженим рівнем пульсацій та перетворювача, що складається з n уніфікованих модулів перетворювачів зі зниженим рівнем пульсацій. Показано, що модель перетворювача з модульною структурою для контактного зварювання та зниженим рівнем пульсацій є універсальною та може бути використана для n-ї кількості базових модулів, що працюють на спільне навантаження. Крім того, наведено логарифмічні амплітудно-фазові частотні характеристики перетворювачів, що демонструють їх роботу та запаси стійкості. У четвертому розділі наведено імітаційну модель базового модуля перетворювача зі зниженим рівнем пульсацій та діаграми його роботи. Також наведено схему електричну принципову та фізичну модель базового модуля перетворювача зі зниженим рівнем пульсацій. Імітаційне моделювання та результати практичних досліджень підтверджують висунуті припущення про значне зниження рівня пульсацій струму на виході перетворювача. Також у розділі наведено рекомендації з вибору конденсатора вторинної гілки перетворювача, параметри якого впливають на рівень пульсацій струму навантаження. У загальних висновках автором представлені наукові та практичні результати дисертаційного дослідження та рекомендації щодо їх використання. Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: 1. Вперше показано, що використання топології перетворювача для контактного зварювання в якому за рахунок додавання ланки компенсації пульсацій струму навантаження та використання модульної структури забезпечується отримання високих показників енергоефективності та точності формування імпульсів струму. 2. Вперше побудовано математичну модель одного модулю перетворювача з модульною структурою та зниженим рівнем пульсацій, яка враховує паразитні опори елементів схеми, дозволяє виконувати аналіз динамічних характеристик та визначення прийнятних з практичної точки зору параметрів налаштувань регулятора. 3. Вперше побудовано математичну модель перетворювача для довільної кількості модулів, яка дозволяє виконувати аналіз її динамічних характеристик та визначення прийнятних з практичної точки зору параметрів налаштувань регулятора. 4. Вдосконалено методику синтезу регулятора, яка базується на запропонованій моделі одного модуля перетворювача та дозволяє отримати опорні налаштування регулятора і шляхом поступового наближення забезпечити його прийнятні з практичної точки зору параметри. Практичне значення отриманих результатів дисертації: 1. Розроблена схема електрична принципова одного модуля на основі запропонованої топології перетворювача з додатковою ланкою компенсації пульсацій струму навантаження, а також експериментальний зразок перетворювача зі зниженим рівнем пульсацій для контактного зварювання, які можуть бути використані при побудові джерел живлення для контактного зварювання, а також інших застосувань, коли важливе значення має точність вихідного струму за умови мінімізації потужності втрат. Відхилення сформованого струму навантаження від заданого не перевищило 3%. 2. Розроблена імітаційна модель одного модуля перетворювача зі зниженим рівнем пульсацій для контактного зварювання, яка може бути використана розробниками при проектуванні джерел живлення для контактного зварювання з n-модулями, коли важливе значення має точність вихідного струму за умови мінімізації потужності втрат, а також гнучкість при зміні конфігурації джерела живлення. 3. Вдосконалено методику розрахунку втрат в імпульсному понижуючому перетворювачі для контактного зварювання з врахуванням втрат на індуктивних елементах схеми, яка може бути використана під час проектування.uk
dc.format.page179 с.uk
dc.identifier.citationКарбівська, Т. О. Перетворювачі електроенергії з модульною структурою та зниженим рівнем пульсацій для контактного зварювання : дис. … д-ра філософії : 171 – електроніка / Карбівська Тетяна Олексіївна. – Київ, 2021. – 179 с.uk
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/45501
dc.language.isoukuk
dc.publisher.placeКиївuk
dc.subjectперетворювач електроенергіїuk
dc.subjectмодульна структураuk
dc.subjectпульсації струмуuk
dc.subjectконтактне зварюванняuk
dc.subjectформувач імпульсів струмуuk
dc.subjectматематична модельuk
dc.subjectelectric power converteruk
dc.subjectmodular structureuk
dc.subjectcurrent rippleuk
dc.subjectresistance weldinguk
dc.subjectcurrent pulse shaperuk
dc.subjectmathematical modeluk
dc.subject.udc621.314:621.311.6uk
dc.titleПеретворювачі електроенергії з модульною структурою та зниженим рівнем пульсацій для контактного зварюванняuk
dc.typeThesis Doctoraluk

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Karbivska_dys.pdf
Розмір:
7.53 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Опис:
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
9.01 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (ЕПС)
Дисертації (вільний доступ)