WPŁYW ELEMENTÓW OBWODU ELEKTRYCZNEGO NA SPRAWNOŚĆ URZĄDZENIA SPAWALNICZEGO

Transkrypt

1 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/15 (106) 21 Wiesław Stopczyk, Zdzisław Nawrocki Politechnika Wrocławska, Wrocław WPŁYW ELEMENTÓW OBWODU ELEKTRYCZNEGO NA SPRAWNOŚĆ URZĄDZENIA SPAWALNICZEGO THE INFLUENCE OF ELECTRICAL CIRCUIT ELEMENTS ON THE EFFICIENCY OF WELDING MACHINE Streszczenie: Rosnące koszty energii oraz problemy związane z obciążalnością źródeł energii i ochroną środowiska są powodami, dla których staje się celowe poszukiwanie nowych rozwiązań układowych urządzeń spawalniczych. Ze względu na stosunkowo duże moce znamionowe urządzeń spawalniczych, nawet niewielkie zwiększenie sprawności tych urządzeń może przynieść znaczące korzyści. Jednym ze sposobów pozwalających zwiększyć sprawność urządzeń spawalniczych są techniki rezonansowe konwersji energii. Zaletą tych układów jest eliminacja strat przełączania i wyższa częstotliwość pracy w porównaniu z układami klasycznymi. Aby dostatecznie wykorzystać zalety techniki rezonansowej i zmaksymalizować sprawność urządzenia spawalniczego należy właściwie dobrać elementy do budowy obwodu elektrycznego spawarki. W artykule zostały przedstawione wyniki badań oraz omówiony został wpływ elementów przełączających na poprawę sprawności urządzeń spawalniczych. Abstract: Rising energy costs and problems associated with load capacity of energy sources and environmental protection are the reasons for which it becomes expedient to search for new solutions of circuits welding equipment. Due to the relatively high power ratings of welding equipment, even a small increase in the efficiency of these devices can bring significant benefits. One way to increase the efficiency of welding machines are resonant power conversion techniques. The advantage of these circuits is elimination of switching losses and higher operating frequency compared to conventional circuits. In order to adequately take advantage of the resonance techniques to maximize efficiency of welding equipment, items to build a circuit welder should be selected. The article presents the results of research and discusses the influence of switching elements to improve the efficiency of welding equipment. Słowa kluczowe: sprawność energetyczna, spawarka inwertorowa, IGBT Keywords: energy efficiency, inverter welder, IGBT 1. Wstęp Spawanie jest jedną z podstawowych technik stosowaną w produkcji konstrukcji metalowych, znajdujących zastosowanie we wszystkich działach gospodarki. Rozwój między innymi budownictwa, przemysłu stoczniowego, motoryzacyjnego oraz energetyki stał się możliwy dzięki zastosowaniu nowych technologii spawania [2]. Powszechne stosowanie technologii spawalniczych jest uzależnione od produkcji nowoczesnych urządzeń służących do spawania. Stosowanie obecnych rozwiązań konstrukcyjnych urządzeń spawalniczych jest wymuszone potrzebami rynku, względami ekonomicznymi oraz potrzebami dostosowania do coraz większych wymagań dotyczących jakości połączeń spawanych. W artykule położono główny nacisk na względy ekonomiczne. 2. Sprawność energetyczna urządzeń elektrycznych Rosnące koszty energii oraz popularyzacja działań na rzecz ochrony środowiska naturalnego wymuszają wprowadzenie uregulowań prawnych w Unii Europejskiej mających na celu zwiększenie sprawności energetycznej urządzeń elektrycznych. Za marnotrawstwo energii odpowiadają układy zasilania urządzeń, zarówno pracujące pod pełnym obciążeniem, jak i pozostające w stanie gotowości. Stosunkowo duże moce znamionowe urządzeń spawalniczych sprawiają, że nawet niewielkie zwiększenie sprawności tych urządzeń globalnie przyniesie znaczące korzyści. Nowe inicjatywy legislacyjne Unii Europejskiej mają zwiększyć ich sprawność. W maju 14 roku na forum Europejskiego Stowarzyszenia Spawalnictwa EWA (European Welding Association) zaproponowano dopuszczalne wartości sprawności energetycznej i maksymalnej mocy w sta-

2 22 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/15 (106) nie czuwania dla urządzeń spawalniczych. Wartości te określono dla trzech poziomów osiąganych w poszczególnych latach (tabela 1). Tabela 1. Dopuszczalne wartości sprawności energetycznej i maksymalnej mocy w stanie czuwania dla urządzeń spawalniczych Minimalna sprawność urządzenia trójfazowego Minimalna sprawność urządzenia jednofazowego Maksymalny pobór mocy urządzenia w stanie czuwania Poziom 1 (do roku 17) Poziom 2 (do roku 19) Poziom 3 (do roku 21) 75% 80% 85% 70% 75% 80% 150W 70W 50W Znaczna liczba urządzeń spawalniczych obecnie produkowanych nie spełnia tych wymagań. Spełnienie ich wymaga od producentów przekonstruowania urządzeń. Urządzenia spawalnicze diodowe i tyrystorowe znikną z rynku urządzeń spawalniczych. Osiągnięcie wymaganych sprawności jest możliwe przez urządzenia spawalnicze z wewnętrzną przemianą częstotliwości (inwertorowe). 3. Inwertorowe urządzenie spawalnicze Zadaniem urządzenia spawalniczego jest przemiana energii elektrycznej o parametrach sieci zasilającej na energię elektryczną o parametrach niezbędnych do stabilnego procesu spawania, czyli do podtrzymania palenia się łuku elektrycznego. Napięcie wyjściowe urządzenia powinno zawierać się w przedziale 40 V, a prąd w przedziale 1000 A. Spawarki inwertorowe obecnie wypierają z rynku spawarki starszych typów. Mają one wiele niewątpliwych zalet. Inwertorowe urządzenia spawalnicze są to jedne z najbardziej zaawansowanych technicznie układów zasilania łuku spawalniczego, pojawiły się stosunkowo niedawno. Ich powstanie stało się możliwe, gdy pojawiły się tranzystory zdolne do przenoszenia dużych mocy przy stosunkowo wysokim napięciu. 3x 400V 50 Hz Gate Driver Cr L r PWM Output CMP Comparator Processor PID Control PID Control Digital Signal Controller MC56F8037 Rys. 1. Schemat blokowy inwertorowego urządzenia spawalniczego z rezonansowym układem LLC Efektem zastosowania przemiany częstotliwości w spawarkach do spawania łukowego jest znaczne zmniejszenie masy tych urządzeń, poprawę sprawności i zmniejszenie emisji zakłóceń elektromagnetycznych. Urządzenie spawalnicze z wewnętrzną przemianą częstotliwości (rys. 1) składa się z: - prostownika sieci zasilającej, - filtra pojemnościowego napięcia wyprostowanego, - falownika tranzystorowego, - transformatora głównego, - prostownika wtórnego, - dławika filtrującego, - układu sterowania, regulacji i zabezpieczeń. 4. Wpływ elementów przełączających na sprawność urządzenia spawalniczego Jednymi z ważniejszych elementów obwodu spawarki inwertorowej są elektroniczne elementy przełączające służące do kształtowania charakterystyki wyjściowej urządzenia spawalniczego. Są nimi najczęściej, z uwagi na najniższe straty energii, tranzystory IGBT [3]. Poniżej zestawiono wyniki badań tranzystorów pracujących w układzie pełnego mostka (rys. 2). Pomiary wykonano oscyloskopem Tektronix DPO 4032 oraz rejestratorem temperatury Windaq DI-1000-TC z termoparami typu K (NiCr- NiAl). Pomiary wykonano dla prądu obciążenia spawarki I obc =50A i napięcia U obc =16,5V. Mierzono moce tracone na tranzystorach podczas wyłączania P off dla częstotliwości przełączania f=38khz (przedstawione na części b oscylogramów). Przy pomiarze temperatury za kryterium przyjęto czas, po jakim nastąpi przyrost temperatury tranzystorów od C do C. V IWELD.REG. UWELD.REG.

3 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/15 (106) 23 S1 D1 S3 D3 D5 L Iobc 4.2. Tranzystor IGBT FGH75T65UPD (Fairchild Semiconductor) Ud D6 Robc Uobc S2 Uce D2 S4 D4 Ie S1 S2 S3 S4 Układ sterowania Rys. 2. Uproszczony schemat ideowy inwertorowego urządzenia spawalniczego 4.1. Tranzystor IGBT IKW40NH3 (Infineon) Rys. 3. Oscylogramy, Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t), Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t) (wyłączanie tranzystora- P off =7,5W), Temperatura tranzystora (temperaturę od C do C osiąga w czasie 1272s) Rys. 4. Oscylogramy, Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t), Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t) (wyłączanie tranzystora- P off =12,6W), Temperatura tranzystora (temperaturę od C do C osiąga w czasie 648s) 4.3. Tranzystor IGBT IKW40N65F5 (Infineon)

4 24 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/15 (106) Rys. 6. Oscylogramy, Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t), Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t) (wyłączanie tranzystora- P off =9,6W), Temperatura tranzystora (temperaturę od C do C osiąga w czasie 1374s) 4.5. Tranzystor IGBT STGWH65DFB (STMicroelectronics) Rys. 5. Oscylogramy, Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t), Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t) (wyłączanie tranzystora- P off =7,2W), Temperatura tranzystora (temperaturę od C do C osiąga w czasie 2589s) 4.4. Tranzystor IGBT FGH40NSMD (Fairchild Semiconductor) Rys. 7. Oscylogramy, Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t), Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t) (wyłączanie tranzystora- P off =6,4W), Temperatura tranzystora (temperaturę od C do C osiąga w czasie 1647s)

5 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/15 (106) Tranzystor IGBT RJHM6 (Renesas) Rys. 8. Oscylogramy, Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t), Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t) (wyłączanie tranzystora- P off =10,1W), Temperatura tranzystora (temperaturę od C do C osiąga w czasie 885s) 4.7. Tranzystor IGBT IKW40N65H5 (Infineon) Rys. 9. Oscylogramy, Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t), Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t) (wyłączanie tranzystora- P off =11,3W), Temperatura tranzystora (temperaturę od C do C osiąga w czasie 1965s) 4.8. Tranzystor IGBT STGWVDF (ST- Microelectronics)

6 26 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/15 (106) Rys. 10. Oscylogramy, Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t), Uce(t), Ie(t), Uce(t) Ie(t) (wyłączanie tranzystora- P off =6,4W), Temperatura tranzystora (temperaturę od C do C osiąga w czasie 1746s) Na oscylogramach zawartych w części a rysunków 3 10 widzimy, że na całkowitą moc strat tranzystorów mają znaczny wpływ straty powstające podczas ich wyłączania. Moc strat tranzystorów osiąga wtedy największą wartość. W badanym inwertorze najmniejszą mocą strat wyłączania charakteryzowały się tranzystory, których oscylogramy przedstawiono na rysunku 7b i 10b. Zaś największą mocą strat charakteryzują się tranzystory, których oscylogram przedstawiono na rysunku 4b. Charakterystyki nagrzewania zawarte w części c rysunków 3 10 uwzględniają całkowitą moc strat na tranzystorach tzn. straty załączania, przewodzenia i wyłączania tranzystorów. Zgodnie z częścią c rysunków 3 10 najdłuższym czasem nagrzewania od C do C wyróżnił się tranzystor, którego charakterystykę nagrzewania przedstawiono na rysunku 5c. Zaś najkrótszym czasem nagrzewania tzn. największą mocą strat wyróżnił się tranzystor, którego charakterystykę nagrzewania przedstawiono na rysunku 4c Zestawienie wyników pomiarów wybranych tranzystorów Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarów wybranych tranzystorów L.p. Typ tranzystora Czas nagrzewania się tranzystora od ºC do ºC Moc strat wyłączania tranzystora dla f=38khz Poff [W] 1 IKW40NH ,5 2 FGH75T65UPD ,6 3 IKW40N65F ,2 4 FGH40NSMD ,6 5 STGWH65DFB ,4 6 RJHM ,1 7 IKW40N65H ,3 8 STGWVDF ,4 5. Wpływ diod wyjściowych na sprawność urządzenia spawalniczego Tabela 3. Zestawienie wyników pomiarów wybranych diod wyjściowych L.p. Typ diody Czas nagrzewania się diody od ºC do 70ºC Moc rozpraszana diody dla pracy 50% P [W] 1 FEPDP 786 3,4 2 RURGC 810 2,8 3 RURG80 9 4,1 4 FFH75HS 558 4,5 W analogiczny sposób wykonano pomiary diod wyjściowych urządzenia spawalniczego (rys. 2 - D5, D6). Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli 3. Wykonane pomiary diod metodą oscyloskopową i za pomocą pomiaru temperatury jednoznacznie pokazują, że w rozpatrywanym zastosowaniu najniższą mocą strat charakteryzuje się dioda z pozycji 2 tabeli Podsumowanie Dobór elementów elektronicznych ma istotny wpływ na sprawność urządzenia spawalniczego. Wykonane pomiary pozwalają na dobór do rozpatrywanego zastosowania elementów elektronicznych o najniższych stratach. W inwertorowych urządzeniach spawalniczych, zbudowanych w oparciu o układy rezonansowe (rys.1), zastosowanie przełączania przy zerowym napięciu (ZVS) lub zerowym prądzie (ZCS) pozwala na dodatkowe zwiększenie sprawności mostka tranzystorowego. Jest to możliwe dzięki redukcji strat przełączania. Zasadniczy wpływ na straty energii mają wtedy straty powstające podczas przewodzenia tranzystorów. 7. Literatura [1]. Citko T.: Układy rezonansowe w energoelektronice. Wydawnictwa Politechniki Białostockiej, 01, s

7 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe Nr 2/15 (106) 27 [2]. Dobaj E.: Maszyny i urządzenia spawalnicze. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 05, s [3]. Pawlaczyk L.: Inverter welder with compensation of surge active power consumption, International scientific conference, Proceedings, Warszawa, Drukarnia Wojciech Lewicki, 01. Autorzy Politechnika Wrocławska, Katedra Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Wybrzeże Wyspiańskiego 27, Wrocław wiesław.stopczyk@pwr.edu.pl zdzisław.nawrocki@pwr.edu.pl