ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Εργαστήριο Ηλεκτροτεχνικών Εφαρμογών Ενότητα: Μελέτη Χαρακτηριστικών V-I Συμβατικής Μηχανής Ηλεκτροσυγκόλλησης Γεώργιος Χ. Ιωαννίδης Τμήμα Ηλεκτρολογίας
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
1. Σκοπός... 4 1.2 Σύντομη Θεωρητική Ανάπτυξη... 4 1.2.1 Γενικά... 4 1.2.2 V-I Χαρακτηριστική Συμβατικής Μηχανής Συγκόλλησης... 5 1.2.3 Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα... 6 1.2.3 Πειραματική Διάταξη... 7 1.3 Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης... 10 1.4 Βιβλιογραφία:... 11 3
1. Σκοπός Στην παρούσα εργαστηριακή ενότητα ο σπουδαστής καλείται να παρατηρήσει, να μετρήσει και εν γένη να εξοικειωθεί με συμβατικές μηχανές ηλεκτροσυγκόλλησης. Οι μηχανές αυτές εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται στις ημέρες μας για ερασιτεχνική χρήση κυρίως λόγω του χαμηλού κόστους τους. 1.2 Σύντομη Θεωρητική Ανάπτυξη Οι συμβατικές μηχανές ηλεκτροσυγκόλλησης είναι μηχανές που χρησιμοποιούν ένα μετασχηματιστή για την μετατροπή της ενέργειας του ηλεκτρικού δικτύου σε χρήσιμη ενέργεια συγκόλλησης τόξου (Σχήμα 3-1). 1.2.1 Γενικά Ο μετασχηματιστής συγκόλλησης είναι μετασχηματιστής υποβιβασμού. Η τάση ανοικτού κυκλώματος κυμαίνεται από 48 έως 80 V. Αποτελείται από δύο τυλίγματα: το πρωτεύον και το δευτερεύον. Στο πρωτεύον τύλιγμα, ο αριθμός των σπειρών είναι μεγάλος λόγω της υψηλής τάσης δικτύου. Στο δευτερεύον τύλιγμα ο αριθμός των σπειρών είναι μικρός. Η κυματομορφή των τάσεων και η συχνότητα των ρευμάτων των δύο τυλιγμάτων είναι ίδια. Ο πυρήνας του μετασχηματιστή αποτελείται από λεπτά μονωμένα σιδερένια ελάσματα έτσι ώστε να περιοριστούν οι απώλειες που οφείλονται στα δινορρεύματα που επάγονται. Σημαντικό τμήμα της μηχανής συγκόλλησης με μετασχηματιστή είναι το στοιχείο αντίδρασης (reactor). Στην ουσία πρόκειται για πηνίο μεγάλης αυτεπαγωγής, η οποία βοηθά στην ρύθμιση και σταθεροποίηση του ρεύματος εξόδου του μετασχηματιστή. Το πηνίο συνδέεται σε σειρά με το κύκλωμα εξόδου και τείνει να διατηρήσει το ρεύμα εξόδου σταθερό. Η κατασκευή του ρυθμιστικού αυτού πηνίου είναι όμοια μ' αυτή ενός μετασχηματιστή με την διαφορά της ύπαρξης διάκενου στο μαγνητικό του κύκλωμα. Το διάκενο στο μαγνητικό κύκλωμα επιβάλλεται στην κατασκευή του πηνίου για την αποφυγή του κορεσμού του πυρήνα λόγω των υψηλών τιμών ρεύματος συγκόλλησης. Η έξοδος της συμβατικής μηχανής συγκόλλησης τόξου μπορεί να ρυθμιστεί με διάφορους τρόπους. Μεταβάλλοντας την μαγνητική σύζευξη των τυλιγμάτων του πρωτεύοντος και του δευτερεύοντος μεταβάλλεται το ρεύμα εξόδου της μηχανής. Υπάρχουν διάφοροι μέθοδοι μεταβολής της παραπάνω σύζευξης. Μεταβολή του λόγου του ρεύματος μεταξύ πρωτεύοντος και δευτερεύοντος με τη βοήθεια διακοπτών επιλογής. Μεταβολή των σπειρών της αυτεπαγωγής με τη βοήθεια διακοπτών επιλογής. Μετακινώντας το πηνίο του πρωτεύοντος σε σχέση με το πηνίο του δευτερεύοντος. Μετακινώντας κομμάτι του πυρήνα του πηνίου. 4
Η χρήση διακοπτών επιλογής δεν επιτρέπει την συνεχή αλλαγή από την ελάχιστη στην μέγιστη τιμή του ρεύματος κάτι το οποίο θεωρείται μειονέκτημα. Η ρύθμιση με μετακίνηση πυρήνα επιτρέπει συνεχή μεταβολή της εξόδου όμως, προκαλεί χαλάρωση της κατασκευής και την παραγωγή θορύβου. Παρόλα αυτά αποτελεί έναν ελκυστικό τρόπο κατασκευής συμβατικής μηχανής ηλεκτροσυγκόλλησης για σχετικά χαμηλά και μεσαία ρεύματα εξόδου (100Α-200Α). ΠΡΩΤΕΥΩΝ ΤΥΛΙΓΜΑ ΠΥΡΗΝΑΣ ΛΕΠΤΩΝ ΜΟΝΩΜΕΝΩΝ ΦΥΛΛΩΝ ΔΙΚΤΥΟ Vs ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΡΟΗ Ip Is ΔΕΥΤΕΡΕΥΩΝ ΤΥΛΙΓΜΑ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Vs ΔΙΚΤΥΟ Vs ΠΡΩΤΕΥΩΝ ΔΕΥΤΕΡΕΥΩΝ Ip ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ Is Vs Σχήμα 1-1 Αρχή λειτουργίας μηχανής συγκόλλησης τόξου με μετασχηματιστή 1.2.2 V-I Χαρακτηριστική Συμβατικής Μηχανής Συγκόλλησης Στο Σχήμα 3-2 παρουσιάζονται στατικές (μόνιμης κατάστασης) καμπύλες τάσεωςρεύματος (V-I) πηγών ισχύος συγκολλήσεως τόξων. Παρουσιάζονται καμπύλες εξόδου πραγματικές, σταθερού ρεύματος και σταθερής τάσεως τέτοιων πηγών αλλά και άλλες με μικρότερη ή μεγαλύτερη κλίση. Οι καμπύλες αυτές έχουν παραχθεί από μηχανές συγκόλλησης τόξου με τη βοήθεια βολτομέτρου και αμπερομέτρου αλλά και μεταβλητού ωμικού φορτίου ισχύος. Οι καμπύλες ξεκινούν από τις τάσεις ανοικτού κυκλώματος (χωρίς φορτίο) και τερματίζουν δείχνοντας το ρεύμα βραχυκυκλώσεως (μηδενικό φορτίο). 5
Σχήμα 1-2 Στατικές χαρακτηριστικές καμπύλες V-I πηγών δημιουργίας τόξων συγκόλλησης Οι συμβατικές πηγές ηλεκτροσυγκόλλησης παράγουν V-I χαρακτηριστική σταθερού ρεύματος. 1.2.3 Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα Οι μηχανές συγκόλλησης μετασχηματιστή είναι συνήθως αερόψυκτες. Σε μηχανήματα επίπονης χρήσης γίνεται χρήση ανεμιστήρων ελεγχόμενων από θερμοστάτες. Ψύξη ελαίου χρησιμοποιείται σε σκονισμένους και διαβρωτικούς χώρους. Τα πλεονεκτήματα της μηχανής συγκόλλησης με μετασχηματιστή συνοψίζονται παρακάτω: Μικρό κόστος. Υψηλή απόδοση. Χαμηλά έξοδα συντήρησης. Τα μειονεκτήματα της μηχανής συγκόλλησης με μετασχηματιστή συνοψίζονται παρακάτω: Ανισορροπία στις γραμμές του δικτύου λόγω μονοφασικής τροφοδότησης. 6
Μικρός αριθμός επικαλυμμένων ηλεκτροδίων κατάλληλα για εναλλασσόμενο ρεύμα. Πιθανός κίνδυνος ηλεκτροπληξίας σε περίπτωση χρήσης δύο συσκευών στον ίδιο χώρο. 1.2.3 Πειραματική Διάταξη Παλμογράφο ς Ι in A Βαττόμετρο ` Voltage probe ch1 ch2 Current probe V ac Μ/Τ ρεύματος V in V Συμβατική Μηχανή Ηλεκτρ/σης V o V R Σχήμα 1-3 Πειραματική διάταξη εργαστηριακής ενότητας 3 Στο Σχήμα 3-3 παρουσιάζεται η πειραματική διάταξη που αντιστοιχεί στην συγκεκριμένη εργαστηριακή ενότητα. Το κύκλωμα περιλαμβάνει πηγή εισόδου 230V/50Hz, συμβατική πηγή ηλεκτροσυγκόλλησης, μεταβλητό ωμικό φορτίο (R), μετασχηματιστή ρεύματος, ψηφιακά βολτόμετρα, ψηφιακά αμπερόμετρα και ψηφιακό παλμογράφο δύο καναλιών με τον οποίο χρησιμοποιούνται voltage & current probes. Αρχικώς υλοποιούμε την συνδεσμολογία του σχήματος 3-3. Ρυθμίζουμε την μηχανή ηλεκτροσυγκόλλησης στο ελάχιστο ρεύμα εξόδου (περίπου 50Α) χρησιμοποιώντας τον περιστροφικό ρυθμιστή. Μεταβάλλοντας το ωμικό φορτίο παίρνουμε δέκα (10) διαφορετικές μετρήσεις για τα μεγέθη των στηλών 1, 2, 5, 8 και 9 του πίνακα 3-1. 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. 7
Πίνακας 1-1 Vin Iin* Iin S (VA) Pin* Pin PF Vo Io Po n (%) Output rating=ι min Επαναλάβατε την προηγούμενη διαδικασία ρυθμίζοντας την μηχανή συγκόλλησης για ρεύμα εξόδου Imax/2 (περίπου 75Α) χρησιμοποιώντας τον περιστροφικό ρυθμιστή και συμπληρώστε τον πίνακα 3-2. 8
Πίνακας 3-2 Vin Iin* Iin S (VA) Pin* Pin PF Vo Io Po n (%) Output rating=ιmax/2 Επαναλάβατε την προηγούμενη διαδικασία ρυθμίζοντας την μηχανή συγκόλλησης για μέγιστο ρεύμα εξόδου (περίπου 100Α) χρησιμοποιώντας τον περιστροφικό ρυθμιστή και συμπληρώστε τον πίνακα 3-3. 9
Πίνακας 3-3 Vin Iin* Iin S (VA) Pin* Pin PF Vo Io Po n (%) Output rating=i max 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 τρεις διαφορετικές τιμές ισχύος εξόδου δηλ για Ι min, I max /2 και I max. 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 συμβατικών μηχανών ηλεκτροσυγκόλλησης; Ποια τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των παραπάνω τρόπων; 10
1.4 Βιβλιογραφία: 1. Γ.Χ. Ιωαννίδης, Σημειώσεις Ηλεκτροτεχνικών Εφαρμογών μέρος Β, Αιγάλεω2008. 2. H.B.Cary, Modern Welding Technolog, Prentice Hall, 1998 3. N.Mohan, T.M. Undeland, Power Electronics, Converters, Applications and Design, John Wiley & Sons, 1995. 4. Στέφανος Μανιάς, «Ηλεκτρονικά Ισχύος», Εκδόσεις Συμεών, 2000. 5. Στέφανος Μανιάς, Αθανάσιος Καλετσάνος, «Βιομηχανικά Ηλεκτρονικά», Εκδόσεις Συμεών, 2001. 11