ANALYSIS OF THE ENERGY EFFICIENCY OF THE RESISTANCE WELDING MACHINE POWER SYSTEMS

Full text

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ, МЕТОДИ ОПТИМІЗАЦІЇ ТА МОДЕЛЮВАННЯ
Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Випуск 4/2019 (48)
27
УДК 621.316.727 DOI: 10.30929/2072-2052.2019.4.48.27-34
АНАЛІЗ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ СИСТЕМ ЖИВЛЕННЯ МАШИН КОНТАКТНОГО
ЗВАРЮВАННЯ
С. К. Поднебенна, В. В. Бурлака, С. В. Гулаков
ДВНЗ «Приазовський державний технічний університет»
вул. Університетська, 7, м. Маріуполь, 87555, Україна. Е-mail: podsvet@gmail.com
У роботі розглянуті результати аналізу енергоефективності різних систем живлення машин контактного
зварювання: звичайного тиристорного джерела живлення; джерела живлення на базі високочастотного
транзисторного переривника (AC/AC chopper); тиристорного джерела живлення, у яке додатково введений
пристрій компенсації реактивної потужності на базі динамічного конденсатора; трифазного джерела живлення
на базі перетворювача з ланкою постійного струму; трифазного джерела живлення на базі безпосереднього
матричного перетворювача. Визначено основні показники енергоефективності та цільові функції для
визначення оптимальних схемотехнічних рішень й способів управління системами живлення машин
контактного зварювання: при роботі в однофазній мережі живлення або в трифазній, для забезпечення
компенсації реактивної потужності та/або вищих гармонік струму, необхідності симетрування навантаження.
В результаті аналізу встановлено, що за технічними показниками найкращий результат мають матричні
перетворювачі, оскільки вони забезпечують високий коефіцієнт потужності, мають відповідність стандартам з
електромагнітної сумісності, зокрема, на емісію струмів вищих гармонік, та забезпечують симетричне
споживання струмів від мережі живлення. Проте висока вартість стримує їх широке впровадження. Визначено
також додаткові показники ефективності, що дозволяють оцінити можливість роботи систем живлення машин
контактного зварювання за наявності зовнішніх збурень з боку мережі живлення. Зокрема, визначені граничні
межі роботи машин контактного зварювання з різними системами живлення при заданій якості технологічного
процесу за наявності відхилень або несинусоїдності напруги. Так, для стандартного тиристорного джерела
живлення наявність до 5 % гармонік напруги є допустимим, а коливання напруги, що перевищують 5 %
призведуть до зниження якості зварних з’єднань. Для трифазного джерела на базі матричного перетворювача
коливання напруги мережі до 10 % не вплинуть на якість технологічного процесу, а нечуттєвість до гармонік
напруги пояснюється можливістю живлення джерела прямокутною напругою.
Ключові слова: система живлення, машина контактного зварювання, коефіцієнт потужності, коефіцієнт
несинусоїдності, коефіцієнт несиметрії.
АНАЛИЗ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ПИТАНИЯ МАШИН КОНТАКТНОЙ СВАРКИ
С. К. Поднебенная, В. В. Бурлака, С. В. Гулаков
ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет»
ул. Університетская, 7, г. Мариуполь, 87555, Украина. Е-mail: podsvet@gmail.com
В работе рассмотрены результаты анализа энергоэффективности различных систем питания машин
контактной сварки: обычного тиристорного источника питания; источника питания на базе высокочастотного
транзисторного прерывателя (AC/AC chopper); тиристорного источника питания, в который дополнительно
введено устройство компенсации реактивной мощности на базе динамического конденсатора; трехфазного
источника питания на базе преобразователя со звеном постоянного тока; трехфазного источника питания на
базе непосредственного матричного преобразователя. Определены основные показатели
энергоэффективности,а также целевые функции для определения оптимальных схемотехнических решений и
способов управления системами питания машин контактной сварки: при работе в однофазной сети питания
или в трехфазной; для обеспечения компенсации реактивной мощности и/или высших гармоник тока;
необходимости симметрирования нагрузки. В результате анализа установлено, что по техническим
показателям лучший результат имеют матричные преобразователи, поскольку они обеспечивают высокий
коэффициент мощности, имеют соответствие стандартам по электромагнитной совместимости, в частности, на
эмиссию токов высших гармоник, и обеспечивают симметричное потребления токов от сети. Однако высокая
стоимость сдерживает их широкое внедрение. Определены также дополнительные показатели эффективности,
позволяющие оценить возможность работы систем питания машин контактной сварки при наличии внешних
возмущений со стороны сети. В частности, определены предельные границы работы машин контактной сварки
с различными системами питания с заданным качеством технологического процесса при наличии колебаний
или несинусоидальности напряжения. Так, для стандартного тиристорного источника питания наличие до 5 %
гармоник напряжения является допустимым, а колебания напряжения, превышающие 5 % приведут к
снижению качества сварных соединений. Для трехфазного источника на базе матричного преобразователя
колебания напряжения до 10 % не повлияют на качество технологического процесса сварки, а
нечувствительность к гармоникам напряжения объясняется возможностью питания источника прямоугольной
напряжением.
Ключевые слова: система питания, машина контактной сварки, коэффициент мощности, коэффициент
несинусоидальности, коэффициент несимметрии.

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ, МЕТОДИ ОПТИМІЗАЦІЇ ТА МОДЕЛЮВАННЯ
Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Випуск 4/2019 (48)
28
АКТУАЛЬНІСТЬ РОБОТИ. Контактне точкове
зварювання є широко розповсюдженою
технологією на промислових підприємствах. Серед
машин контактного зварювання (МКЗ) є велика
кількість таких, що отримують живлення від
однофазних джерел змінного струму, які
включаються на лінійну напругу. Джерела
живлення (ДЖ) МКЗ є потужними нелінійними
споживачами електричної енергії, які завдають
негативного впливу на електричну мережу. В свою
чергу, низька якість електроенергії мережі, яка
живить ці джерела, негативно впливає на якість
зварних з’єднань. При цьому основними
факторами, що впливають на останню, є коливання
та відхилення напруги мережі.
Існуючі МКЗ мають низький коефіцієнт
потужності (на рівні 0,4–0,6) [1–5]. Це обумовлене
активно-індуктивним характером навантаження
(зварювальний трансформатор і зварювальне коло)
та принципом керування роботи таких машин. На
рис. 1,а) наведена спрощена схема ДЖ МКЗ з
тиристорним переривником. Керування
споживаним струмом ДЖ відбувається зміною
коефіцієнту трансформації зварювального
трансформатору, та/або зміною куту відкриття
тиристорів, причому закриття тиристорів
відбувається природнім шляхом. Від вибору
відводу трансформатора також залежать і його
параметри (кількість витків первинної обмотки,
опори тощо).
Струм, що споживається від мережі цим ДЖ, є
несинусоїдним, а високе споживання реактивної
потужності призводить до зниження
енергоефективності таких джерел.
Спектральний склад споживаного струму та
рівень споживання реактивної потужності
змінюються в залежності від кута відкриття
тиристорів. Несинусоїдні та несиметричні вхідні
струми таких ДЖ, випадковий характер включення
великої кількості потужних ДЖ МКЗ та різна
тривалість зварювальних циклів ведуть до появи
коливань напруги [1].
То ж проблема розробки енергоефективних ДЖ
машин контактного зварювання, зокрема
компенсація реактивної потужності, споживаної
ними, є актуальною та важливою. При цьому
основні напрямки, в яких ведуться розробки ДЖ
МКЗ з підвищеною ефективністю полягають у
наступному:
 для однофазних мереж – ДЖ з тиристорним
переривником, де кути керування тиристорами
встановлюють таким чином, щоб забезпечити
зменшення впливу зовнішніх збурень на
технологічний процес зварювання. При
цьому керування споживаною реактивною
потужністю та спектральним складом струму
не відбувається [4, 5];
 для однофазних мереж – ДЖ на повністю
керованих перетворювачах [5–10]. Можливі
різноманітні варіанти, що дозволяють забезпечити
як якість технологічного процесу зварювання, так і
компенсацію реактивної потужності, форму
споживаного струму, близьку до синусоїдної. Для
забезпечення симетричного споживання струмів
такими ДЖ доводиться використовувати додаткові
симетрувальні пристрої [6, 7, 10];
 для трифазних мереж – використовують
трифазно-однофазні безпосередні перетворювачі,
перетворювачі з проміжною ланкою постійного
струму [11–17]. Такі перетворювачі дають
можливість сформувати симетричні споживані від
мережі струмі.
Розглянувши описані варіанти систем живлення
МКЗ, стає питання визначення критеріїв
енергоефективності, для чого треба забезпечити
якісне порівняння та розробити методику
підтримки прийняття рішення щодо вибору
оптимального варіанту ДЖ МКЗ, що і визначає
мету роботи.
МАТЕРІАЛ І РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕНЬ.
В якості основних показників енерго-
ефективності систем живлення машин контактного
зварювання використані:
 коефіцієнт потужності (PF), розрахований до
50-ї гармоніки;
 коефіцієнт несинусоїдності вхідного струму
(THDI);
 коефіцієнт несиметрії по зворотній
послідовності вхідних струмів (k2І).
Розрахунок показників проведений за
визначеннями стандартів IEEE 1459-2010 [17] та
ГОСТ 13109-97 [18]. Для розрахунку використані
розроблені моделі джерел живлення МКЗ, а також
пристроїв підвищення ефективності, описані в
[5, 8, 13–15].
За базові показники взяті показники
тиристорного джерела живлення (МТ-2202), оцінка
яких виконана в лабораторних умовах з
використанням аналізатора якості електроенергії
Metrel MI2885EU Master-Q4.
Дослідження проводилися при зварюванні
деталей товщиною 1,5+1,5 мм, матеріал – Ст3.
Параметри режиму зварювання – струм 5 кА,
тривалість 0,75 с. Отримані дані наведені в табл. 1.
Таблиця 1 – Результати дослідження показників
ефективності машини МТ2202
Повна потужність під час
зварювання, кВА
32,4
Активна потужність, кВт
19,2
Коефіцієнт потужності PF
0,59
1
cos
0,59
Коефіцієнт
несинусоїдності вхідного
струму (THDI), %
Фаза
А
Фаза
В
Фаза
С
21,8
21,8
0
Коефіцієнт несиметрії по
зворотній послідовності
вхідних струмів (k2І), %
100

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ, МЕТОДИ ОПТИМІЗАЦІЇ ТА МОДЕЛЮВАННЯ
Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Випуск 4/2019 (48)
29
~ um(t)
Тиристорний
переривник
Зварювальний
трансформатор
Зварювальне
коло
а)
Зварювальний
трансформатор
VT4
VT3
C1D3
D4
~ uм(t) VT1 VT2
D1 D2
S1
S2
Зварювальне
коло
б)
C
S1 S2
S3
S4
Вхідний фільтр
Вихідний фільтр
~ um(t)
Тиристорний
переривник
Зварювальний
трансформатор
Зварювальне
коло
в)
~3
Zзв
Np
Ns
VT1
VT2
CDC
Iзв
Np
Зварювальне
коло
г)
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
S10
S11
S12
~ 3
~ Uвих(t)
Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6
PN
Вхідний
фільтр
L
S
R
S
iout(t)
Зварювальний трансформатор
(первинна обмотка)
д)
Рисунок 1 – Схеми різних систем живлення МКЗ:
а) спрощена схема ДЖ МКЗ з тиристорним
переривником; б) високочастотне транзисторне ДЖ;
в) спільне використання тиристорного ДЖ та
пристрою компенсації реактивної потужності на базі
динамічного конденсатора; г) трифазне джерело з
проміжною ланкою постійного струму;
д) трифазно-однофазне джерело на базі матричного
перетворювача
Для порівняння рівня ефективності розглянуті
наступні технічні рішення (рис. 1), діаграми вхідних
струмів та фазної напруги яких наведені на рис. 2:
− тиристорне ДЖ [5], рис. 1,а, рис. 2,а;
− високочастотне транзисторне ДЖ
(AC/AC chopper) [8], рис. 1,б, рис. 2,б;
− спільне використання тиристорного ДЖ та
пристрою компенсації реактивної потужності на базі
динамічного конденсатора [14], рис. 1,в, рис. 2,в;
− трифазне джерело з проміжною ланкою
постійного струму [11] рис. 1,г, рис. 2,г;
− трифазно-однофазне джерело на базі
матричного перетворювача [15, 16] рис. 1,д, рис. 2,д.
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
-400
-200
0
200
400 THDI = 63.2 %
PF=0.59
t, c
U, V
I, A UA
IA
а)
0.04 0.045 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08
-400
-200
0
200
400 U,V
I, A
t,c
THDI=7.2%
PF=0.88
UA IA
б)
в)
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
-400
-200
0
200
400
t, c
THDI=30 %
PF=0.91
U, V
I, A
UA
IA
г)
0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0.055 0.06
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
UA
IA
Iout
U, V
I, A
t,c
PF=0.995
THDI=9.61
д)
Рисунок 2 – Діаграми вхідних струмів різних систем
живлення машин контактного зварювання

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ, МЕТОДИ ОПТИМІЗАЦІЇ ТА МОДЕЛЮВАННЯ
Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Випуск 4/2019 (48)
30
Отримані показники енергоефективності
представлені у вигляді гістограм на рис. 3, 4.
При цьому симетричне споживання струмів
можливе тільки в останніх двох варіантах (г, д).
На рис. 3 наведені коефіцієнти потужності PF
для різних систем живлення у відносних одиницях.
Рисунок 3 – Збільшення коефіцієнтів потужності
джерел відносно базового (тиристорного) джерела
За базовий коефіцієнт потужності взятий той,
що відповідає тиристорному ДЖ. Найменші
показники відповідають тиристорному джерелу,
найвищі – системі живлення на базі трифазно-
однофазного матричного перетворювача.
Таким чином, якщо в якості цільової функції
розглядати досягнення максимального коефіцієнта
потужності, то це можливо:
 для однофазних систем – реалізацією
системи живлення на базі високочастотного
транзисторного ДЖ з компенсацією реактивної
потужності;
 для трифазних систем – реалізувавши
трифазно-однофазне джерело на базі матричного
перетворювача.
Для оцінки впливу систем живлення МКЗ на
електричну мережу на рис. 4 наведені коефіцієнти
несинусоїдності струмів.
Рисунок 4 – Порівняння коефіцієнтів
несинусоїдності струмів різних систем
живлення МКЗ
Тиристорна система живлення є джерелом
вищих гармонік струму в залежності від куту
керування тиристорів, на діаграмі наведений
усереднений результат. Згідно зі стандартом
EN 61000:3-12:2014 [19], допустимий коефіцієнт
несинусоїдності струмів дорівнює 23 %. В якості
цільової функції розглянута відповідність
стандарту коефіцієнта несинусоїдності.
Видно, що ДЖ з проміжною ланкою постійного
струму не відповідає умові означеної цільової
функції. Якщо в якості цільової функції розглядати
мінімізацію коефіцієнта несинусоїдності, то:
 для однофазних систем доцільно
використовувати транзисторні високочастотні
перетворювачі у складі систем живлення;
 для трифазних систем – матричні
перетворювачі.
Наступний показник енергоефективності –
коефіцієнт несиметрії струмів по зворотній
послідовності. Забезпечення симетричного
споживання струмів у трифазній мережі (цільова
функція) можливе за умови:
 використання симетрувальних пристроїв
спільно з однофазними джерелами живлення
(наприклад, на базі динамічних конденсаторів);
 побудови системи живлення на базі
безпосереднього трифазно-однофазного
матричного перетворювача.
Якщо в якості цільової функції представити
багатокритеріальну модель, вона полягатиме у
наступному:
 забезпечити максимальний (близький до
одиничного) коефіцієнт потужності PF;
 забезпечити відповідність стандарту
EN 61000:3-12:2014 [19, 20] з рівня коефіцієнтів
несинусоїдності струмів по фазам/мінімальний
коефіцієнт несинусоїдності споживаних струмів;
 забезпечити симетричне споживання струмів
по фазах, мінімізувавши коефіцієнт несиметрії по
зворотній послідовності.
Найбільш привабливими, з точки зору
забезпечення означених технічних показників, є
трифазно-однофазні матричні перетворювачі, які
забезпечують симетричне споживання струмів,
компенсацію реактивної потужності, обмежено –
фільтрацію вищих гармонік, і мають високий
коефіцієнт потужності.
Головним недоліком перетворювачів, у яких
використовуються потужні силові транзистори, є
підвищена вартість у порівнянні з тиристорними
джерелами живлення МКЗ. Матричні
перетворювачі відрізняються найвищим числом
силових компонентів серед всіх схемних рішень,
представлених у роботі, що обумовлює їх найвищу
вартість. Якісна оцінка вартості розглянутих
систем, яка базується на оцінці вартості та
кількості силових ключів наведена в табл. 2.

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ, МЕТОДИ ОПТИМІЗАЦІЇ ТА МОДЕЛЮВАННЯ
Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Випуск 4/2019 (48)
31
Таблиця 2 – Якісна оцінка вартості
Система живлення
Рівень
вартості
Тиристорне ДЖ (а)
Низька
Високочастотне
транзисторне ДЖ (б)
Середня
Тиристорне ДЖ з
динамічним конденсатором
(в)
Середня
Трифазне джерело з
проміжною ланкою
постійного струму (г)
Висока
Трифазно-однофазне
джерело на базі матричного
перетворювача (д)
Висока
Через необхідність роботи машин контактного
зварювання у електричних мережах з
несинусоїдною напругою, та/або з наявними
відхиленнями, коливаннями напруги, визначимо
ще додаткові показники ефективності:
 коефіцієнт допустимого відхилення напруги
Uдоп
k
, в.о.;
 коефіцієнт допустимої несинусоїдності
напруги
THDUдоп
k
, в.о.
Під коефіцієнтом допустимого відхилення
напруги будемо розуміти максимальну допустиму
величину відхилень/коливань напруги, при яких
система живлення буде здатна забезпечити якісне
зварне з’єднання. Встановлюється відносно
номінальної напруги.
Аналогічно, під коефіцієнтом допустимої
несинусоїдності напруги будемо розуміти
максимальну допустиму величину спотворень
напруги мережі, при яких система живлення буде
здатна забезпечити якісне зварне з’єднання.
THDUдоп
k
встановлюється у відносних одиницях від
середньоквадратичної напруги першої гармоніки.
Для тиристорного джерела живлення в якості
вхідних даних використані літературні дані, згідно
з якими обмежена можливість використання таких
джерел у мережах з відхиленнями напруги, та
несинусоїдністю [1].
Однофазне транзисторне джерело живлення
представляє собою безпосередній перетворювач
змінного струму. Максимальна напруга, яку можна
отримати з такого джерела, становить
3ф
U
. При
зварюванні на максимальних режимах джерела,
відхилення зварювального струму можливі до 5 %
від номінального [1].
Регулюванням тривалості зварювання можна
забезпечити прийнятну якість зварного з’єднання.
А через те, що у діапазоні ±15 % залежності
струму і напруги практично співпадають, можна
казати про те, що коефіцієнт допустимого
відхилення напруги для транзисторного джерела
становитиме 0,05.
Для трифазного матричного перетворювача при
формуванні прямокутної вихідної напруги МП з
максимальною амплітудою
1,5 ф
U
діюче значення
першої гармоніки напруги складе:
66
1,1
3
ф л л
U U U

.
Крім того, перенесення активної потужності в
матричному перетворювачі можливе і на вищих
гармоніках, тому величина допустимого
відхилення напруги може бути ще більшою.
Для визначення коефіцієнту допустимої
несинусоїдності напруги тиристорного джерела,
використані дані, наведені в [1]. Згідно з ними, при
підключенні до головної понижувальної підстанції
зварювального навантаження у обсязі до 20 %,
воно буде працювати з викривленнями напруги
джерела до 5 %. Перевищення цього значення
призведе до помилок при відкритті/закритті
тиристорів через неповну керованість
перетворювача.
Для транзисторного ДЖ та ДЖ на базі
матричного перетворювача величина
THDUдоп
k
може сягати 30 %, що відповідає живленню таких
перетворювачів прямокутною напругою. Це
пов’язане з нечутливістю систем керування цими
ДЖ до форми вхідної напруги за рахунок їх повної
керованості та того, що в основі методів керування
ними лежить принцип формування вхідних
струмів, що по формі співпадають з напругою.
Визначення запропонованих коефіцієнтів,
отримані в результаті аналітичного дослідження та
моделювання, наведені в табл. 3.
Таблиця 3 – Результати визначення допустимих
відхилень
Коефіцієнт
допустимого
відхилення
напруги
Uдоп
k
, в.о
Коефіцієнт
допустимої
несинусоїдності
напруги
THDUдоп
k
, в.о.
Тиристорне
ДЖ
0,05
0,05
Транзисторне
ДЖ (AC/AC
chopper)
0,05
0,30
Трифазно-
однофазний
матричний
перетворювач
0,1
0,30
З аналізу табл. 3 виходить, що трифазно-
однофазний матричний перетворювач у складі
системи живлення електротехнічного комплексу

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ, МЕТОДИ ОПТИМІЗАЦІЇ ТА МОДЕЛЮВАННЯ
Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Випуск 4/2019 (48)
32
МКЗ може забезпечити високу якість зварних
з’єднань при роботі у мережах з несинусоїдністю
та відхиленнями напруги, що найчастіше
зустрічається в реальних промислових мережах.
Проте у кожному конкретному випадку вибору
системи живлення МКЗ треба оцінювати
співвідношення вартості і функціональності.
ВИСНОВКИ. В роботі проведений аналіз
енергоефективності різних систем живлення
машин контактного зварювання. Запропоновано в
якості критеріїв енергоефективності використати
коефіцієнт потужності (окремо
1
cos
та PF),
коефіцієнт несинусоїдності вхідного струму (THDI)
та коефіцієнт несиметрії по зворотній
послідовності вхідних струмів. В залежності від
цільової функції можно на етапі проектування
визначити оптимальні схемотехнічні рішення та
способи управління системами живлення машин
контактного зварювання. Розглянута можливість
забезпечення якісних технологічних характеристик
запропонованих систем живлення за наявності
зовнішніх збурень, визначені допустимі
відхилення, при яких обрані системи живлення
зберігатимуть працездатність.
ЛІТЕРАТУРА
1. Вагин Г. Я. Режимы электросварочных
машин. Москва : Энергоатомиздат, 1985. 192 с.
2. Kimchi M. et. al. Resistance Spot Welding:
Fundamentals and Applications for the Automotive
Industry. Synthesis Lectures on Mechanical
Engineering. 2017. Vol. 1, № 2. 115 p.
DOI: 10.2200/S00792ED1V01Y201707MEC005.
3. Messler Jr. R.W., Jou M. Review of control
systems for resistance spot welding: past and current
practices and emerging trends. Science and
Technology of Welding and Joining. 1996. Vol. 1.
№ 1. P. 1–9. DOI: 10.1179/stw.1996.1.1.1
4. Климов А. С. Контактная сварка. Вопросы
управления и повышения стабильности качества.
Москва : ФИЗМАТЛИТ, 2011. 216 с.
5. Поднебенная С. К., Бурлака В. В.,
Гулаков С. В. К вопросу повышения коэффициента
мощности однофазных источников питания машин
контактной сварки. Праці Інституту
електродинаміки Національної академії наук
України. 2017. Вип. 46. С. 126–133.
6. Письменный А. А. Повышение энерго-
эффективности машин для контактной точечной
сварки за счет продольной компенсации
реактивной мощности. Автоматическая сварка.
2014. № 1. С. 29–33.
7. Dixon J. W., Moran L., Rodríguez J., Domke R.
Reactive Power Compensation Technologies, State-of-
the-Art Review. Proceedings of the IEEE. 2005.
Vol. 93. № 12. Р. 2144–2164.
8. Поднебенна С. К., Бурлака В. В.,
Гулаков С. В. Компенсація реактивної потужності
джерела живлення однофазної машини
контактного зварювання. Проблеми
енергоресурсозбереження в електротехнічних
системах. Наука, освіта і практика:
XVІ Міжнародна науково-технічна конференція,
15–17 травня 2018 р., Кременчук. 2018. С. 39–41.
9. Рымар С. В., Жерносеков А. М.,
Сидорец В. Н. Влияние однофазных источников
питания сварочной дуги на электрическую сеть.
Автоматическая сварка. 2011. № 12. С. 9–15.
10. Сафронов П. С., Бондаренко Ю. В.,
Бондаренко О. Ф., Сидорець В. М., Кучеренко Д. В.
Поліпшення електромагнітної сумісності джерел
живлення для систем контактного зварювання.
Технічна електродинаміка. 2014. № 5. С. 89–91.
11. Salem M. Control and Power Supply for
Resistance Spot Welding (RSW): Thesis for the degree
of Doctor of Philosophy. Canada, 2011. 138 p.
12. Saleem J. Power Electronics for Resistance
Spot Welding Equipment. Mid Sweden University
Licentiate Thesis. Sundsvall. 2012. 42 p.
13. Podnebennaya S. K. et. al. Development of
Power Supply for Resistance Welding Machine 2019
IEEE International Conference on Modern Electrical
and Energy Systems (MEES), September, 2019.
DOI: 10.1109/MEES.2019.8896608
14. Поднебенная С. К., Бурлака В. В.,
Гулаков С. В. Применение «динамических
конденсаторов» для компенсации несимметрии в
электрических сетях. Електромеханічні і енерго-
зберігаючі системи. 2015. № 2 (30). С. 147–153.
15. Поднебенная С. К., Бурлака В. В.,
Гулаков С. В. Three-Phase Power Supply for
Resistance Welding Machine with Corrected Power
Factor. Науковий вісник НГУ. 2017. № 4. С. 67–72.
16. Podnebennaya S., Burlaka V., Gulakov S.
Three-to-one phase converter's control method for
power factor corrected power supply of resistance
welding machine. Науковий вісник НГУ. 2018. № 4.
С. 106–114.
17. IEEE Std. 1459-2010. IEEE Standard
Definitions for the Measurement of Electric Power
Quantities Under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced,
or Unbalanced Conditions. Approv. Feb. 2010. 44 p.
18. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия.
Совместимость технических средств. Нормы
качества электрической энергии в системах
электроснабжения общего назначения. К. :
Госстандарт Украины, 1999. 32 с.
19. ДСТУ EN 61000:3-12:2014. Електромагнітна
сумісність. Частина 3-12. Норми. Норми на силу
струму гармонік, створені обладнанням із
номінальним вхідним струмом силою понад 16 А
та до 75 А включно на фазу, підключеним до
низьковольтних електропостачальних систем

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ, МЕТОДИ ОПТИМІЗАЦІЇ ТА МОДЕЛЮВАННЯ
Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Випуск 4/2019 (48)
33
загальної призначеності (EN 61000-3-12:2011, ІDT).
Вид. офіц. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2018.
20. ДСТУ EN 62135-2:2017 Обладнання для
контактного зварювання. Частина 2. Вимоги до
електромагнітної сумісності (ЕМС) (EN 62135-
2:2015, IDT; IEC 62135-2:2015, IDT) Вид. офіц.
Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2017.
ANALYSIS OF THE ENERGY EFFICIENCY OF THE RESISTANCE WELDING
MACHINE POWER SYSTEMS
S. Podnebenna, V. Burlaka, S. Gulakov
State Institution of Higher Education
Pryazovskyi State Technical University
vul. Universytets’ka, 7, Mariupol, 87500, Ukraine. E-mail: podsvet@gmail.com
Purpose. Resistance welding machines, as well as other electrical equipment, must comply with the standards
of electromagnetic compatibility with the mains. The development of power sources that can ensure a high -quality
technological process and at the same time not have a negative impact on the electric network is relevant. For
single-phase and three-phase networks, there are several circuit solutions for such sources. The purpose of this
article is to analyze their energy efficiency and ability to work in networks with low power quality. Methodology.
To achieve this goal, five power supplies of resistance welding machines were simulated: a conventional thyristor
power supply; power supply based on a high-frequency transistor chopper (AC/AC chopper); a thyristor power
supply, with a reactive power compensator based on a dynamic capacitor; a three-phase power supply based on a
converter with a DC link; three-phase power supply based on a direct matrix converter. The main performance
indicators were calculated: power factor, input current’s THD and asymmetry coefficient. Results. As a result of
the analysis, it was found that, according to technical indicators, power supply, based on direct matrix converter has
the best result, since it provides a high power factor, comply with the standards for electromagnetic compatibility,
in particular, for the emission of current’s harmonics, and provide symmetrical current consumption from the
network. However, the high cost hinders their widespread adoption. Additional performance indicators have also
been identified to assess the feasibility of the power systems of resistance welding machines in the presence of
external disturbances from the network. Originality. As a result of the study, the limits on the operation of
resistance welding machines with various power supplies in the presence of voltage fluctuations or non-
sinusoidality are determined. For a three-phase source based on a matrix converter, voltage fluctuations up to 10 %
will not affect the quality of the welding process, and insensitivity to voltage harmonics is explained by the
possibility of supplying the source with a rectangular voltage. Practical value. Practical recommendations on
choosing a power supply for a resistance welding machine, depending on the quality of the electric power in the
supply network are given. References 20, tables 2, figures 5.
Кey words: power system, resistance welding machine, power factor, THD, asymmetry coefficient.
REFERENCES
1. Vagin, G. Y. (1985). Rezhimy elektro-
svarochnykh mashin [Modes of electric welding
machines]. Mоscow: Energoatomizdat. [in Russian]
2. Kimchi, M. (2017). Resistance Spot
Welding: Fundamentals and Applications for
the Automotive Industry. Synthesis Lectures
on Mechanical Engineering, Vol. 1, № 2.
DOI: 10.2200/S00792ED1V01Y201707MEC005.
3. Messlerб Jr. R.W., & Jou, M. (1996). Review of
control systems for resistance spot welding: past and
current practices and emerging trends. Science and
Technology of Welding and Joining, 1, 1, 1–9.
DOI: 10.1179/stw.1996.1.1.1
4. Klimov, A. S. (2011). Kontaktnaya svarka.
Voprosy upravleniya i povysheniya stabil'nosti
kachestva [Resistance welding. Management Issues
and Improving Quality Stability]. Mоscow:
FIZMATLIT. [in Russian]
5. Podnebennaya, S., Burlaka, V., & Gulakov, S.
(2017). K voprosu povysheniya koeffitsiyenta
moshchnosti odnofaznykh istochnikov pitaniya mashin
kontaktnoy svarki. Works of the Institute of
Electrodynamics of the National Academy of Sciences
of Ukraine – Pratsi Instytutu elektrodynamiky
Natsionalʹnoyi akademiyi nauk Ukrayiny, 46, 126–133.
[in Russian]
6. Pismenny, A. A. (2014). Povyshenie energo-
effektivnosti mashin dlya kontaktnoy tochechnoy
svarki za schet prodol'noy kompensatsii reaktivnoy
moshchnosti. Avtomaticheskaya svarka, 1, 25–29.
DOI 10.15407/tpwj2014.01.04.
7. Dixon, J. W., Moran, L., Rodríguez, J., &
Domke, R. (2005). Reactive Power Compensation
Technologies. State-of-the-Art Review. Proceedings of
the IEEE, 93, 12, 2144–2164.
8. Podnebenna, S. Burlaka, V., & Gulakov, S.
(2018). Kompensatsiya reaktyvnoyi potuzhnosti
dzherela zhyvlennya odnofaznoyi mashyny
kontaktnoho zvaryuvannya. Proceedings from the XVІ
International Scientific and Practical Conference:
Problemy enerhoresurso-zberezhennya v
elektrotekhnichnykh systemakh. Nauka, osvita i

ЕЛЕКТРОМЕХАНІЧНІ СИСТЕМИ, МЕТОДИ ОПТИМІЗАЦІЇ ТА МОДЕЛЮВАННЯ
Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Випуск 4/2019 (48)
34
praktyka – Problems of energy saving in electrical
systems. Science, education and practice, 39–41.
[in Ukrainian]
9. Rymar, S. V., Zhernosekov, A. M., &
Sidorets, V. N. (2011). Vliyaniye odnofaznykh
istochnikov pitaniya svarochnoy dugi na
elektricheskuyu set'. Avtomaticheskaya svarka, 12,
9–15. [in Russian]
10. Safronov, P. S., Bondarenko, Yu. V.,
Bondarenko, O. F., Sidorets, V. N., &
Kucherenko, D. V. (2014). Polipshennya
elektromahnitnoyi sumisnosti dzherel zhyvlennya dlya
system kontaktnoho zvaryuvannya. Tekhnichna
Elektrodynamika, 5, 89–91. [in Ukrainian]
11. Salem, M. (2011). Control and Power Supply
for Resistance Spot Welding (RSW): Thesis for the
degree of Doctor of Philosophy. Canada.
12. Saleem, J. (2012). Power Electronics for
Resistance Spot Welding Equipment. Mid Sweden
University Licentiate Thesis. Sundsvall.
13. Podnebennaya, S. K., Burlaka, V. V.,
& Gulakov, S. V. (2019). Development of
Power Supply for Resistance Welding Machine,
2019 IEEE International Conference on Modern
Electrical and Energy Systems (MEES).
DOI: 10.1109/MEES.2019.8896608.
14. Podnebennaya, S. Burlaka, V., & Gulakov, S.
(2015). Primeneniye «dinamicheskikh kondensatorov»
dlya kompensatsii nesimmetrii v elektricheskikh
setyakh. Elektromekhanіchnі і energozberіgayuchі
sistemi, 2 (30), 147–153. [in Russian]
15. Podnebennaya, S. K., Burlaka, V. V., &
Gulakov, S. V. (2017). Three-Phase Power Supply for
Resistance Welding Machine with Corrected Power
Factor. Naukovyy visnyk NHU, 4, 67–72.
16. Podnebennaya, S. K., Burlaka, V. V., &
Gulakov, S. V. (2018). Three-to-one phase converter's
control method for power factor corrected power
supply of resistance welding machine. Naukovyy
visnyk NHU. 4, 106–114.
17. IEEE Std. 1459-2010 (2010). IEEE Standard
Definitions for the Measurement of Electric Power
Quantities Under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced,
or Unbalanced Conditions. Approv. Feb.
18. Electric Energy. Hardware Compatibility.
Quality standards for electric energy in general power
supply systems (1999). GOST 13109-97. [in Russian]
19. Electromagnetic compatibility. Part 3-12.
Norms. Harmonic current standards established by
equipment with a rated input current exceeding 16 A
and up to 75 A, inclusive of a phase connected to low-
voltage general-purpose power systems (2014). DSTU
EN 61000:3-12:2014. Kyiv: DP «UkrNDNTs».
[in Ukrainian]
20. Equipment for contact welding. Part 2.
Requirements for electromagnetic compatibility
(2017). DSTU EN 62135-2:2017. Kyiv: DP
«UkrNDNTs». [in Ukrainian]
Стаття надійшла 08.11.2019.