Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνικών Εφαρμογών

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνικών Εφαρμογών Ενότητα: Μελέτη Χαρακτηριστικών V-I Μηχανής Ηλεκτροσυγκόλλησης Τύπου Αντιστροφέα Γεώργιος Χ. Ιωαννίδης Τμήμα Ηλεκτρολογίας

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 2

3 1. Σκοπός Σύντομη Θεωρητική Ανάπτυξη Γενικά Πειραματική Διάταξη Μηχανής Συγκόλλησης Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης Βιβλιογραφία:

4 1. Σκοπός Ο σκοπός αυτής της ενότητας είναι η εξοικείωση του σπουδαστή με τις μηχανές ηλεκτροσυγκόλλησης που στηρίζονται στην εφαρμογή των αντιστροφέων αλλά και των dc-dc μετατροπέων. Εξετάζεται ο τρόπος λειτουργίας μηχανής αντιστροφέα του εμπορίου και κατασκευάζεται η V-I χαρακτηριστική του. 1.2 Σύντομη Θεωρητική Ανάπτυξη Η μηχανή συγκόλλησης τόξου με αντιστροφέα αποτελεί την τελευταία εξέλιξη στο χώρο των συγκολλήσεων. Η ελαφριά κατασκευή και η άριστη ελεγξιμότητα των συνθηκών συγκόλλησης αποτελούν τα κύρια χαρακτηριστικά τους. Η λειτουργία αυτών των μηχανών στηρίζεται στις αρχές λειτουργίας των αντιστροφέων και των dc-dc μετατροπέων Γενικά Στο Σχήμα 4-1 παρουσιάζεται το απλοποιημένο κυκλωματικό διάγραμμα μηχανής ηλεκτροσυγκόλλησης τύπου αντιστροφέα. DC AC DC ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ ΤΑΣΗ ΑΝΑΤΡΟΦΟΔΟΤΗΣΗ ΡΕΥΜΑ Σχήμα 1-1: Απλοποιημένο κυκλωματικό διάγραμμα μηχανής συγκόλλησης τύπου αντιστροφέα Αρχικά, η εναλλασσόμενη τάση του δικτύου ανορθώνεται με την βοήθεια γέφυρας διόδων και φιλτράρεται μέσω ενός L-C φίλτρου, έτσι ώστε να παραχθεί μια DC τάση για τη τροφοδοσία του αντιστροφέα. Αυτό το πρώτο στάδιο του κυκλώματος μπορεί βέβαια να έχει προκύψει από τριφασική ανόρθωση με ό,τι πλεονέκτημα συνεπάγεται μια τέτοια επιλογή. Στην συνέχεια, η dc τάση που έχει παραχθεί οδηγείται σ ένα κύκλωμα push-pull αντιστροφέα. Οι δύο ημιαγώγιμοι διακόπτες ανοιγοκλείνουν συμπληρωματικά σε υψηλή συχνότητα (50kHz-200kHz). Η μεταβολή της μαγνητικής ροής στο μετασχηματιστή έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη παλμικής εναλλασσόμενης τάσης στο διπλό δευτερεύων τύλιγμα του. Στην συνέχεια, ακολουθεί ανόρθωση της παραγόμενης τάσης έτσι ώστε να μετατραπεί σε dc και να χρησιμοποιηθεί σε dc συγκολλήσεις τόξου. 4

5 Σχήμα 1-2: Σύγκριση μετασχηματιστή συμβατικής πηγής και πηγής με αντιστροφέα Η χρήση της υψηλής διακοπτικής συχνότητας έχει ως αποτέλεσμα την χρήση μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας για την παραγωγή της επιθυμητής ισχύος. Η κατασκευή τέτοιων μετασχηματιστών στηρίζεται σε πυρήνες από φερρίτη ο οποίος είναι κεραμικό υλικό μικρής αγωγιμότητας και συνεπώς μικρών απωλειών λόγω δινορρευμάτων. Η χρήση σιδηρομαγνητικών υλικών απορρίπτεται λόγω των ιδιαιτέρως υψηλών απωλειών που εμφανίζουν ως αποτέλεσμα της υψηλής συχνότητας. Τόσο τα τυλίγματα του πρωτεύοντος όσο και του δευτερεύοντος αποτελούνται από μικρότερο αριθμό σπειρών συγκριτικά με τους συμβατικούς μετασχηματιστές (50Hz) αφού οι αντιδράσεις τους είναι ευθέως ανάλογες της συχνότητας. Άρα, ο μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας είναι ελαφρύτερος, καταλαμβάνει μικρότερο όγκο και κοστίζει λιγότερο συγκρινόμενος με μετασχηματιστή χαμηλής συχνότητας (Σχήμα 4-2). Τέλος, η υψηλή συχνότητα έχει ευεργετική επίδραση στην ταχύτητα απόκρισης των συστημάτων αυτών, αφού μέσα σε μερικούς κύκλους λειτουργίας (20-30 μs) κατορθώνουν να απορρίψουν τυχόν διαταραχές στην τάση ή το ρεύμα εξόδου. Στην περίπτωση των συστημάτων που χρησιμοποιούν την συχνότητα του δικτύου, ο χρόνος απόκρισης είναι της τάξης των 40-60ms όπου, 20ms η περίοδος που αντιστοιχεί σε τάση 50Hz. Τα πλεονεκτήματα της μηχανής συγκόλλησης με αντιστροφέα συνοψίζονται παρακάτω: Μικρό βάρος (25% συμβατικών συστημάτων με ανόρθωση), Μικρός όγκος και Υψηλή ταχύτητα απόκρισης. Ως μειονεκτήματα μπορούν να αναφερθούν τα παρακάτω: Μέτριο κόστος, Πολυπλοκότητα κυκλωμάτων-δύσκολη και δαπανηρή ανάπτυξη (engineering cost) Μειωμένη αξιοπιστία λόγω του αυξημένου αριθμού υλικών. 5

6 1.2.2 Πειραματική Διάταξη Μηχανής Συγκόλλησης Στο Σχήμα 4-6 παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη που αντιστοιχεί στην συγκεκριμένη εργαστηριακή ενότητα. Το κύκλωμα περιλαμβάνει πηγή εισόδου 230V/50Hz, πηγή ηλεκτροσυγκόλλησης τύπου αντιστροφέα, ωμικό φορτίο (R), ψηφιακά βολτόμετρα, ψηφιακά αμπερόμετρα και ψηφιακό παλμογράφο δύο καναλιών με τον οποίο χρησιμοποιούνται voltage & current probes. Παλμογράφο ς Ι in A Βαττόμετρο ` Voltage probe ch1 ch2 Current probe V ac Μ/Τ ρεύματος V in V Μηχανή Ηλεκτρ/σης τύπου Αντιστροφέα R Σχήμα 1-3: Πειραματική διάταξη εργαστηριακής ενότητας 4 Η μηχανή ηλεκτροσυγκόλλησης που θα χρησιμοποιηθεί σε αυτή την εργαστηριακή ενότητα είναι στην ουσία ένας dc to dc μετατροπέας γνωστός ως μετατροπέας forward δύο ημιαγωγικών διακοπτών. Στο σχήμα 4-4 παρουσιάζεται τυπικό κύκλωμα forward μετατροπέα δύο διακοπτών. Τα τρανζίστορ Q1 και Q2 (συνήθως MOSFETs) άγουν ταυτόχρονα για χρονικό διάστημα μικρότερο του ήμισυ της διακοπτικής περιόδου λειτουργίας του κυκλώματος. 6

7 Σχήμα 1-4: Απλοποιημένο κύκλωμα της εργαστηριακής μηχανής συγκόλλησης τύπου αντιστροφέα Στο σχήμα 4-5 παρουσιάζονται τα σήματα ελέγχου των Q1 και Q2 (V GS ). Κατά την διάρκεια της ταυτόχρονης αγωγής των Q1 και Q2 η DC τάση εισόδου Vin εφαρμόζεται στο πρωτεύων τύλιγμα του μετασχηματιστή υψηλής συχνότητας Τ1. Η τάση αυτή μετασχηματίζεται στο δευτερεύων του Τ1 στο επιθυμητό επίπεδο (μπορεί να είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη της Vin) και ανορθώνεται με την βοήθεια των διόδων D1 και D2. Το πηνίο L1 και ο πυκνωτής C2 αποτελούν βαθυπερατό φίλτρο το οποίο σκοπό έχει το φιλτράρισμα της τάσης εξόδου (Vout) του κυκλώματος. Σχήμα 1-5: Κυματομορφές τάσης ελέγχου (V GS ) και τάσεως στα άκρα των MOSFETs (V SD ) για τον forward μετατροπέα δύο διακοπτών. Ο μετ/στής Τ1 (ιδανικά) δεν αποθηκεύει ενέργεια αλλά την διοχετεύει στην έξοδο του κυκλώματος. Στην πράξη όμως, λόγω της ύπαρξης της αυτεπαγωγής σκεδάσεως στον Τ1 αλλά και των παρασιτικών αυτεπαγωγών των αγωγών συνδέσεως, υπάρχει αποθηκευμένη ενέργεια η οποία σε άλλα είδη dc dc μετατροπέων θα οδηγήσει σε υπέρταση στα άκρα των Q1 και Q2 η οποία μπορεί να οδηγήσει σε πρόωρη καταστροφή τους εάν δεν παρθούν κατάλληλα μέτρα. Τα μέτρα αυτά είναι είτε κατανάλωση της αποθηκευμένης ενέργεια σε κάποια αντίσταση είτε άμεσος 7

8 ψαλιδισμός της προκαλούμενης υπέρτασης. Στην περίπτωση του συγκεκριμένου μετατροπέα η αποθηκευμένη ενέργεια οδηγείται στην πηγή εισόδου λόγω ταυτόχρονης αγωγής των διόδων D3 και D4. Η αγωγή των διόδων αυτών ξεκινά με την σβέση των Q1 και Q2 και διαρκεί έως ότου η αποθηκευμένη ενέργεια (και συνεπώς το ρεύμα) μηδενιστεί. R2 MOSFETs 1 3 R1 Z1 5 R3 R4 R5 D4 L10 DC 1 D2 D3 T2 T1 8 D Μ/Τ Ρεύματος R7 MOSFETs 2 2 R6 Z2 4 R8 R9 R10 6 Σχήμα 1-6: Απλοποιημένο κύκλωμα της εργαστηριακής μηχανής συγκόλλησης τύπου αντιστροφέα 1. Τροφοδοσία δίκτυου μετά από ανόρθωση 6. Ρεύμα FET 2. Παλμοί οδήγησης των κάτω MOSFET 1 7. Περιορισμός ρεύματος στο πρωτεύον 3. Παλμοί οδήγησης των πάνω MOSFET2 8. Δευτερεύον μετ/τη 4. Τάση Vgs των MOSFETs 2 9. Περιορισμός ρεύματος στο δευτερεύον 5. Τάση Vgs των MOSFETs Έξοδος Επιστρέφοντας στο πραγματικό κύκλωμα της εργαστηριακής συσκευής όπως αυτό παρουσιάζεται στο σχήμα 4-6 παρατηρούμε τα εξής: Η dc πηγή εισόδου προκύπτει μετά από πλήρη ανόρθωση και εξομάλυνση της ac τάσης του ηλεκτρικού δικτύου (230V/50Hz) Οι ημιαγώγιμοι διακόπτες Q1 και Q2 υλοποιούνται παραλληλίζοντας πολλά MOSFETs έτσι ώστε να αυξηθεί η ικανότητας παροχής ρεύματος εξόδου της συσκευής. Ο πυκνωτής εξόδου που υπάρχει στο κλασικό κύκλωμα του μετατροπέα έχει αφαιρεθεί αφού στην συγκεκριμένη ηλεκτροσυγκόλληση δεν επιθυμούμε χαρακτηριστική σταθερής τάσης αλλά σταθερού ρεύματος. Το τελευταίο επιτυγχάνεται με την βοήθεια του πηνίου εξόδου του οποίου η αυτεπαγωγή είναι 8

9 πολύ μικρότερη συγκριτικά με τις συμβατικές μηχανές λόγω της υψηλής διακοπτικής συχνότητας που χρησιμοποιείται. Τέλος, με σκοπό το έλεγχο της μέγιστης τιμής του ρεύματος εξόδου έχει προστεθεί κατάλληλος μετασχηματιστής ρεύματος (Τ2) έτσι ώστε το ρεύμα των MOSFETs να μετράται και έτσι εμμέσως να ελέγχεται (περιορίζεται) το ρεύμα εξόδου. Αρχικώς υλοποιούμε την συνδεσμολογία του σχήματος 4-3. Ρυθμίζουμε την μηχανή ηλεκτροσυγκόλλησης στο ελάχιστο ρεύμα εξόδου (περίπου 50Α) χρησιμοποιώντας το ποντεσιόμετρο ρύθμισης ρεύματος. Μεταβάλλοντας το ωμικό φορτίο παίρνουμε δέκα (10) διαφορετικές μετρήσεις για τα μεγέθη των στηλών 1, 2, 5, 8, 9 και 10 του πίνακα 4-1. Οι υπόλοιπες στήλες συμπληρώνονται υπολογιστικά. Οι στήλες με * αφορούν στις μετρήσεις των ηλεκτρικών μεγεθών με την χρήση του Μ/Τ ρεύματος ενώ οι αντίστοιχες στήλες χωρίς το * συμπληρώνονται με υπολογισμός αφού λάβουμε υπόψη τον Μ/Τ ρεύματος αλλά και την κλίμακα των οργάνων. Πίνακας 1-1 Vin (V) Iin* Iin S (VA) Pin* Pin PF Vo (V) Io Po n (%) Output rating=ιmin Επαναλάβατε την προηγούμενη διαδικασία ρυθμίζοντας την μηχανή συγκόλλησης σε μέγιστο ρεύμα εξόδου (περίπου 150Α) χρησιμοποιώντας το ποντεσιόμετρο ρύθμισης και συμπληρώστε τον πίνακα

10 Πίνακας 1-2 Vin (V) Iin* Iin S (VA) Pin* Pin PF Vo (V) Io Po n (%) Output rating=ιmax Σχεδιάστε τις γραφικές παραστάσεις της τάσης εξόδου V o, του ρεύματος εισόδου I in, της φαινόμενης ισχύος εισόδου S, της πραγματικής ισχύος εισόδου P in, του συντελεστή ισχύος PF και της ισχύος εξόδου P o συναρτήσει του ρεύματος εξόδου I o. Σε κάθε γραφική παράσταση θα υπάρχει το ίδιο μέγεθος που θα αντιστοιχεί στις δύο διαφορετικές τιμές ισχύος εξόδου δηλ για Ι min και I max. 10

11 1.3 Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης 1. Σχολιάστε τα αποτελέσματα των μετρήσεων. Τι συμπεράσματα προκύπτουν από την μελέτη των γραφημάτων που καλείστε να σχεδιάσετε; 2. Πώς επιτυγχάνεται η σταθεροποίηση και ρύθμιση του ρεύματος εξόδου των μηχανών ηλεκτροσυγκόλλησης τύπου αντιστροφέα; Ποια τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των παραπάνω τρόπων; 1.4 Βιβλιογραφία: 1. Γ.Χ. Ιωαννίδης, Σημειώσεις Ηλεκτροτεχνικών Εφαρμογών μέρος Β, Αιγάλεω H.B.Cary, Modern Welding Technolog, Prentice Hall, N.Mohan, T.M. Undeland, Power Electronics, Converters, Applications and Design, John Wiley & Sons, Στέφανος Μανιάς, «Ηλεκτρονικά Ισχύος», Εκδόσεις Συμεών, Στέφανος Μανιάς, Αθανάσιος Καλετσάνος, «Βιομηχανικά Ηλεκτρονικά», Εκδόσεις Συμεών,