ZASTOSOWANIE UKŁADÓW REZONANSOWYCH W URZĄDZENIU SPAWALNICZYM

Transkrypt

1 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 2/24 (2) 43 Wiesław Sopczyk, Zdzisław Nawrocki Poliechnika Wrocławska, Wrocław ZASTOSOWANIE UKŁADÓW REZONANSOWYCH W URZĄDZENIU SPAWALNICZYM APPLICATION OF RESONANT CIRCUITS IN WELDING MACHINE Sreszczenie: Rosnące koszy energii oraz problemy związane z obciążalnością źródeł energii i ochroną środowiska są powodami, dla kórych saje się celowe poszukiwanie nowych rozwiązań układowych urządzeń spawalniczych. Ze względu na sosunkowo duże moce znamionowe urządzeń spawalniczych, nawe niewielkie zwiększenie sprawności ych urządzeń może przynieść znaczące korzyści. Jednym ze sposobów pozwalających zwiększyć sprawność urządzeń spawalniczych są echniki rezonansowe konwersji energii. Zaleą ych układów jes eliminacja sra przełączania i wyższa częsoliwość pracy w porównaniu z układami klasycznymi. Ponado składowe pasożynicze, kóre powodują problemy w opologiach alernaywnych, w przypadku echnik rezonansowych sają się zaleą. W arykule przedsawiono wymagania sawiane urządzeniom spawającym meodą GMAW (gas meal arc welding). Jes o podsawowa meoda spawania sosowana w przemyśle. Rozparzono zasosowanie szeregowego układu rezonansowego LLC w urządzeniu spawalniczym spawającym meodą GMAW. Przeanalizowano nasępujące meody regulacji mocy wyjściowej urządzenia spawalniczego: modulacji gęsości impulsów, modulacji szerokości impulsów (PWM), serowania fazowego. Opracowano konsrukcję i przebadano urządzenie spawalnicze, w kórym zasosowano regulację mocy wyjściowej urządzenia meodą gęsości impulsów. Absrac: Rising energy coss and problems associaed wih load capaciy of energy sources and environmenal proecion are he reasons for which i becomes expedien o search for new soluions of circuis welding equipmen. Due o he relaively high power raings of welding equipmen, even a small increase in he efficiency of hese devices can bring significan benefis. One way o increase he efficiency of welding machines are resonan power conversion echniques. The advanage of hese circuis is o eliminae swiching losses and higher operaing frequency compared o convenional circuis. In addiion, he parasiic componens which cause problems in he alernaive opologies in he case of resonance echniques become advanage. The aricle presens he requiremens for welding devices using GMAW (Gas Meal Arc Welding). This is he basic welding mehod used in indusry. We examined GMAW welding device wih LLC serial resonan circui. We analyzed he following mehods of regulaing he oupu power of he welding machine: pulse densiy modulaion, pulse widh modulaion (PWM), phase conrol. We developed and esed welding machine, which uses he oupu power conrol devices using pulse densiy mehod. Słowa kluczowe: GMAW, układ rezonansowy LLC, modulacja gęsości impulsów Keywords: GMAW, LLC resonan circui, pulse densiy modulaion. Wsęp W arykule rozparzono zasosowanie układów rezonansowych w urządzeniach spawalniczych spawających meodą GMAW (ang. Gas Meal Arc Welding). Jes o podsawowa meoda spawania sosowana w przemyśle, w zauomayzowanych procesach, a akże przy wszelkich pracach naprawczych. Zaleą ej meody jes wysoka jakość i powarzalność wykonywanych spawów, a akże wysoka wydajność i niski kosz połączeń spawanych. Zasosowanie układów rezonansowych pozwala na zwiększenie sprawności urządzeń spawalniczych i ograniczenie emisji zakłóceń elekromagneycznych. 2. Wymagania sawiane urządzeniom spawalniczym Rys.. Meoda spawania GMAW [3]

2 44 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 2/24 (2) Zadaniem urządzenia spawalniczego jes przemiana energii elekrycznej o paramerach sieci zasilającej na energię elekryczną o paramerach niezbędnych do długorwałego i sabilnego procesu spawania, czyli do podrzymania palenia się łuku elekrycznego. Napięcie wyjściowe urządzenia powinno zawierać się w przedziale 2 4 V, a prąd w przedziale 3 A. U małe gęsości prądu J2 średnie gęsości prądu źródło J duże gęsości prądu 3 łuk 2 I2>I Rys. 2. Wpływ kszału charakerysyki zewnęrznej urządzenia spawalniczego GMAW na czułość samoregulacji;, 2 charakerysyki zewnęrzne urządzenia spawalniczego; 3, 4 charakerysyki sayczne łuku przy różnych jego długościach [2] Układ elekryczny urządzenia spawalniczego spawającego meodą GMAW powinien zapewnić akie nachylenie charakerysyki wyjściowej U = f(j), przy kórej urządzenie będzie miało najlepsze własności spawalnicze. Będzie o miało miejsce, gdy jego charakerysyka zewnęrzna dla średnich gęsości prądu będzie opisana krzywą 2 (rys. 2). Dla krzywej 2 zmiana warości prądu przy wydłużeniu łuku jes większa niż dla krzywej. W przypadku krzywej opisanej cyfrą 2, wydłużenie łuku spowoduje znaczne zmniejszenie płynącego prądu. To spowoduje spowolnienie sapiania się druu elekrodowego i w konsekwencji skrócenie długości łuku. Realizowana w en sposób samoregulacja długości łuku zapewni poprawny przebieg procesu spawania. 3. Zasosowanie rezonansowego układu LLC w urządzeniu spawalniczym Zasosowanie układów rezonansowych pozwala na zwiększenie sprawności urządzeń spawalniczych poprzez eliminację sra przełączania elemenów elekronicznych służących do kszałowania charakerysyki wyjściowej urządzenia spawalniczego. 4 J I Ud S S2 D Lr D2 S3 Cr S4 S S2 S3 S4 Układ serowania Rys. 3. Uproszczony schema ideowy urządzenia spawalniczego z rezonansowym układem LLC W celu eliminacji sra przełączania sosowanych jes wiele echnik kszałowania sygnału, akich jak przełączanie w zerowym prądzie, w zerowym napięciu czy quasi-rezonans. Do implemenacji opologii rezonansowych w układach zasilających częso wykorzysuje się konwerery LLC (Inducor-Inducor-Capacior), kóre zapewniają dobrą sabilizację, regulację częsoliwości i wysoką sprawność. 3x 4V 5 Hz Gae Driver Cr L r PWM Oupu D3 D4 CMP Comparaor Processor PID Conrol PID Conrol Digial Signal Conroller MC56F837 Rys. 4. Schema blokowy urządzenia spawalniczego z rezonansowym układem LLC Topologia LLC charakeryzuje się zmniejszoną indukcyjnością srony pierwonej ransformaora oraz dobrą sabilizacją napięć i obciążeń. W przewornicach rezonansowych przełączanie nasępuje ylko w momencie przechodzenia przez zero napięcia dren-źródło (lub prądu drenu), co skukuje zmniejszeniem sra przełączania. Technika a jes nazywana przełączaniem ZVS (Zero Volage Swiching). W przewornicach ych głównym źródłem sra jes rezysancja przewodzenia elemenów półprzewodnikowych. Częsoliwość rezonansowa w przewornicy rezonansowej LLC jes określona przez rozproszoną indukcyjność ransformaora i pojemność. Ponieważ w przypadku urządzeń spawalniczych wymagania doyczące układów zasilania są bardziej specyficzne wymagają wprowadzenia zmian do opologii C Ro V IWELD.REG. UWELD.REG.

3 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 2/24 (2) 45 LLC, celem zwiększenia sprawności, poprawy sabilności łuku spawalniczego, a ym samym poprawy własności spawalniczych spawarki. 4. Podsawowe meody regulacji mocy wyjściowej urządzenia spawalniczego z rezonansowym układem LLC 4.2. Serowanie fazowe W rezonansowych układach zasilających sosowane są nasępujące podsawowe meody regulacji mocy wyjściowej: modulacja szerokości impulsów (PWM), serowanie fazowe, modulacja gęsości impulsów. D-D4 D3-D2 D-D4 D3-D2 D-D4 przewodzące elemeny pełna moc zmniejszona moc Ud S S2 D D2 C C2 S3 L C Ro Rys. 5. Moskowy falownik z rezonansowym układem LLC 4.. Modulacja szerokości impulsów (PWM) pełna moc S-D3 D-S3 S2-D4 S4 D2-S4 zmniejszona moc S-D3 D3 D4 D-S3 C3 C4 przewodzące elemeny Rys. 6. Przebiegi napięcia i prądu obwodu rezonansowego serowanego meodą modulacji szerokości impulsów (PWM) Powyższa meoda regulacji mocy wyjściowej urządzenia spawalniczego charakeryzuje się wzrosem sra łączeniowych oraz wzrosem zakłóceń elekromagneycznych, ponieważ nie jes możliwe, aby ranzysory były przełączane przy zerowym prądzie. Częsoliwość przełączania jes równa częsoliwości rezonansowej obwodu. Rys. 7. Przebiegi napięcia i prądu obwodu rezonansowego dla serowania fazowego Powyższa meoda regulacji mocy wyjściowej urządzenia spawalniczego podobnie jak w przypadku serowania meodą modulacji szerokości impulsów charakeryzuje się wzrosem sra łączeniowych oraz wzrosem zakłóceń elekromagneycznych, ponieważ nie jes możliwe, aby ranzysory były przełączane przy zerowym prądzie. Częsoliwość przełączania jes większa od częsoliwości rezonansowej obwodu Modulacja gęsości impulsów W ej meodzie regulacji ranzysory są przełączane przy zerowym prądzie nie wysępują sray łączeniowe. Częsoliwość przełączania jes równa częsoliwości rezonansowej obwodu. Serując układem rezonansowym meodą modulacji gęsości impulsów uzyskujemy najwyższą sprawność urządzenia spawalniczego. pełna moc S2-S4 zmniejszona moc S2-S4 przewodzące elemeny Rys. 8. Przebiegi napięcia i prądu obwodu rezonansowego serowanego meodą modulacji gęsości impulsów

4 46 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 2/24 (2) /6 ampliuda prądu rezonansowego jes proporcjonalna do gęsości impulsów[]. 2/6 3/6 lim P= P τ max T T 2 gęsość impulsów 4/6 5/6 6/6 7/6 8/6 9/6 /6,,9,8,7,6,5,4,3,2, P/Pmax /6 2/6 4/6 6/6 8/6 /6 2/6 4/6 6/6 gęsość impulsów 2/6 3/6 Rys.. Zależność mocy wyjściowej urządzenia spawalniczego od gęsości impulsów [] 4/6 5/6 5. Symulacja urządzenia spawalniczego z układem rezonansowym LLC 6/ liczba okresów Rys. 9. Zasady regulacji mocy wyjściowej urządzenia spawalniczego meodą regulacji gęsości impulsów [] S2-S4 /fo T T Rys.. Przebieg napięcia zasilającego obwód rezonansowy [] Przebieg czasowy prądu rezonansowego: dio 4U d L + iod+ Roio = ω d C π sin Częsoliwość rezonansowa układu: f = 2π Sała czasowa układu: 2L τ = R o LC Dla okresu modulacji gęsości impulsów napięcia T, znacznie mniejszego od sałej czasowej τ, T2 Rys. 2. Moskowy falownik z rezonansowym układem LLC symulacja układu

5 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 2/24 (2) 47 Za pomocą programu LT spice IV symulowano pracę układu urządzenia spawalniczego z szeregowym układem rezonansowym LLC. Symulacja była przeprowadzona dla regulacji mocy wyjściowej urządzenia spawalniczego meodą modulacji gęsości impulsów. Rys. 6. Przebiegi napięcia i prądu wyjściowego urządzenia spawalniczego oraz przebiegi napięcia i prądu obwodu rezonansowego Rys. 3. Przebiegi napięć bramkowych ranzysorów falownika Rys. 4. Przebiegi napięcia i prądu obwodu rezonansowego 6. Badanie urządzenia spawalniczego z układem rezonansowym LLC Tabela. Pomiar paramerów zewnęrznych urządzenia spawalniczego dla różnej rezysancji obciążenia lp Robc bc bc Ω A V,5 567,8 28,4 2,7 439,9 3,8 3, 329, 33, 4,5 23,7 34,7 5,3 23, 36,9 6,5 77, 37,8 7,7 55, 38,4 8, 38,6 38,6 Rys. 5. Przebiegi napięcia i prądu obwodu rezonansowego, gdy częsoliwość przełączania ranzysorów jes mniejsza od częsoliwości rezonansowej obwodu rezonansowego Gdy z jakiegoś powodu częsoliwość przełączania ranzysorów zaczyna się różnić od częsoliwości rezonansowej obwodu rezonansowego (rys.5), wedy pojawiają się sray łączeniowe i zmniejsza się sprawność układu. Rys. 7. Charakerysyka zewnęrzna badanego urządzenia spawalniczego

6 48 Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne Nr 2/24 (2) 4 Uwyj [V] d) 2 2 Iwyj [A] [ms] [ms] Rys. 8. Przebiegi napięcia i prądu wyjściowego urządzenia spawalniczego podczas spawania Przy wysokiej częsoliwości pracy badanego falownika (4kHz) okresy bezprądowe układu, dla regulacji meodą gęsości impulsów, nie miały większego wpływu na własności spawalnicze urządzenia. a) b) c) Rys. 9. Kolejne eapy procesu spawania, a), b) zajarzanie, c) spawanie, d) zgaszenie łuku 7. Podsumowanie Zasosowanie w urządzeniu spawalniczym rezonansowego układu LLC serowanego meodą gęsości impulsów pozwala na wyeliminowanie sra łączeniowych i ym samym na zwiększenie sprawności urządzenia. Sosując regulację mocy wyjściowej meodą gęsości impulsów, orzymujemy poprawne własności spawalnicze urządzenia. 8. Lieraura []. Ciko T.: Układy rezonansowe w energoelekronice. Wydawnicwa Poliechniki Białosockiej, 2, s [2]. Dobaj E.: Maszyny i urządzenia spawalnicze. Wydawnicwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 25, s [3]. Kaalog produków, Lincoln Elecric Beser S.A., s. 22. [4]. Kazimierczuk M.: Resonan power converers John Wiley & Sons; cop. 2. IEEE, s [5]. Pawlaczyk L.: Inverer welder wih compensaion of surge acive power consumpion, Inernaional scienific conference, Proceedings, Warszawa, Drukarnia Wojciech Lewicki, 2. Auorzy Poliechnika Wrocławska, Insyu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elekrycznych Wybrzeże Wyspiańskiego 27, Wrocław wiesław.sopczyk@pwr.wroc.pl zdzisław.nawrocki@pwr.wroc.pl