8. ROZDZIAŁ STRAT MOCY I SPRAWNOŚĆ ZGRZEWARKI

Wojciech Oborski Instytut Spawalnictwa 8. ROZDZIAŁ STRAT MOCY I SPRAWNOŚĆ ZGRZEWARKI 8.1. Wprowadzenie Zgrzewarki rezystancyjne, w tym zgrzewarki punktowe, do jakich przeznaczone są opracowane w ramach projektu modele przekształtników, niezależnie od konstrukcji i generacji urządzeń (zgrzewarki AC, zgrzewarki inwertorowe) cechują się stosunkowo niską sprawnością energetyczną. Przyczyną tego są w pierwszym rzędzie specyficzne parametry prądowo napięciowe obwodu obciążenia (bardzo duże wartości prądu i jednocześnie małe wartości napięcia), wynikające z wymagań technologii. Stąd też, wszelkie działania zmierzające do poprawy całkowitej sprawności urządzenia, powinny koncentrować się na tych podzespołach, w których straty mocy są relatywnie największe, Jednocześnie, mając na względzie cel aplikacyjny prowadzonych badań, należy uwzględnić takie czynniki jak dostępność i koszt proponowanych rozwiązań. 8.2. Analiza rozpływu mocy w zgrzewarce Uproszczony schemat ideowy obwodów głównych przekształtnika do zgrzewania rezystancyjnego przedstawiono na Rys. 8.1. Rys. 8.1. Uproszczony schemat głównych obwodów przekształtnika do zgrzewania rezystancyjnego 1

Można wyróżnić w nim kilka zasadniczych bloków toru prądowego, decydujących o rozkładzie strat mocy a w efekcie o sprawności całego urządzenia: trójfazowy prostownik niesterowany z filtrem pojemnościowym (diody D1 D6), tranzystorowy falownik mostkowy (tranzystory T1 T4), transformator podwyższonej częstotliwości, wyjściowy prostownik wysokoprądowy (diody D7 D8), obwód wyjściowy (ramiona zgrzewarki, elektrody). Poza wymienionymi blokami toru prądowego wymienić można szereg podzespołów pomocniczych, których straty mocy traktuje się zwykle jako pomijalne: filtr EMC, dławik sieciowy (o ile występuje), obwody wyzwalania i zabezpieczeń tranzystorów, zasilacze elektroniki, obiektowe, obwodów pomocniczych, rezystory wyrównawcze i rozładowcze, podzespoły układu chłodzenia. Typowo, sumaryczne straty mocy wymienionych podzespołów mieszczą się w granicach 1 2% mocy znamionowej. 8.2.1. Badania symulacyjne Zdecydowano o przyjęciu następującej metodyki badań symulacyjnych przekształtnika energoelektronicznego do zgrzewania rezystancyjnego: badania wstępne przekształtnika, analiza rozdziału głównych strat mocy w przekształtniku, analiza wpływu sposobu sterowania na sprawność przekształtnika. Wstępne badania symulacyjne przeprowadzono z wykorzystaniem kompleksowego modelu przekształtnika w układzie przedstawionym na Rys. 8.2. Modele elementów i ich parametry są identyczne jak te przedstawione w Rozdziale 4. Ze względu na wykorzystanie uproszczonych, statycznych modeli elementów półprzewodnikowych, przyjęto następujące założenia: straty w prostowniku wejściowym (Dp1 Dp6) równe są stratom przewodzenia, straty w falowniku (T1 T4) równe są stratom przewodzenia, powiększonym o współczynnik k P = 1,3 szacunkowo uwzględniający straty przełączania, transformator jest reprezentowany przez parametry R 1, L 1 (uzwojenie pierwotne), R 2, L 2, R 3, L 3 (uzwojenia wtórne) oraz odpowiednie współczynniki sprzężenia: k 12, k 13 i k 23, w analizie pomija się nieliniowość oraz straty mocy w rdzeniu transformatora P Fe, 2

straty w prostowniku wyjściowym (D5 D6) równe są stratom przewodzenia, powiększonym o 10% (szacunkowe uwzględnienie strat przełączania), rezystancja R r i indukcyjność L r reprezentują parametry zastępcze ramion zgrzewarki (łącznie z elektrodami i stykami); rezystancja R 0 reprezentuje zgrzeinę. R4 R5 V1 11 V2 11 V3 11 Rf1 Lf1 5 2 4 4 10m Rf2 Lf2 7 8 6 6 10m Rf3 Lf3 12 12 9 10 12 4 6 12 10m IL1 50u 50u 50u 1 Dp1 Dp4 1 6 Dp2 Dp5 1 1 13 13 21 21 21 21 21 Dp3 12 Dp6 10m 13 Rc 40m 14 16 C1 3.3mF Lc 20n IC1 20m ST1 G1 G2 ST2 X6 21 T1 T2 21 D1 ZT1 D2 ID1 ST2 ST1 ZT2 21 T3 T4 21 D3 D4 ZT1 U1 ZT2 TrG U2 D5 ID5 25 25 23 23 24 28 20 20 D6 23 Lr 0.92u Rr 75u 20 20 Ro 90u Io ID6 UD6 23 Rys. 8.2. Schemat całościowego modelu przekształtnika do symulacji komputerowej Przyjmując powyższe założenia, przeprowadzono symulacje przy zmianie współczynnika wypełnienia, skutkującego zmianą prądu obciążenia oraz przy zmianie parametrów obwodu wejściowego. Uzyskano następujące wyniki: straty w prostowniku wejściowym (Dp1 Dp6) wraz z filtrem pojemnościowym wynoszą 0,8 1,2% (w odniesieniu do mocy wejściowej), zależnie od parametrów obwodu wejściowego i obecności dławika sieciowego, straty w falowniku (T1 T4) wynoszą 1,1 1,4 % (w odniesieniu do mocy wejściowej), zależnie od współczynnika wypełnienia impulsów sterujących, zdecydowana większość strat występuje w obwodzie wyjściowym (transformator, prostownik wyjściowy, ramiona i elektrody zgrzewarki). Biorąc pod uwagę przedstawione wyniki, oraz fakt, że pominięcie prostownika wejściowego z filtrem pojemnościowym pozwala na znaczące skrócenie czasu obliczeń i zmniejszenie ilości mało istotnych danych wyjściowych, analizę rozdziału głównych strat mocy w przekształtniku przeprowadzono z wykorzystaniem modelu przedstawionego na Rys. 8.3. 3

IT1 IT3 Rw 1m 1 1 1 1 1 1 1 T1 D1 ST1 ID1 UT1 T3 ST3 D3 X1 G1 G2 ST1 ST2 E 500 2 IT2 ST2 T2 D2 ZT1 ID2 ZT2 IT4 ST4 T4 D4 G3 G4 ST3 ST4 ZT1 U1 TrG U2 D5 ID5 10 10 6 6 7 8 Lr 0.92u R5 75u Ro 90u ZT2 I1 9 D6 12 12 6 ID6 Io Rys. 8.3. Model symulacyjny do analizy rozdziału głównych strat mocy w przekształtniku Badania symulacyjne przeprowadzono przy zmiennym współczynniku wysterowania tranzystorów (w zakresie od 20 do 100%), dla dwóch, opisanych w Rozdziale 4 strategii sterowania: klasyczny PWM - sterowanie symetryczne (2T), sterowanie niesymetryczne (4T). Na Rys. 8.4 i Rys 8.5. przedstawiono charakterystyki mocy wyjściowej, strat mocy w głównych podzespołach, obliczonych sprawności cząstkowych oraz sprawności całkowitej w funkcji prądu obciążenia oraz w funkcji współczynnika wypełnienia dla sterowania symetrycznego (2T). Rys. 8.4. Charakterystyka mocy wyjściowej i strat mocy w głównych podzespołach w funkcji prądu obciążenia (po lewej) i współczynnika wypełnienia (po prawej) dla sterowania symetrycznego (2T) 4

Rys 8.5. Charakterystyka sprawności transformatora, prostownika i całkowitej w funkcji prądu obciążenia (po lewej) i współczynnika wypełnienia (po prawej) dla sterowania symetrycznego (2T) Rys. 8.6. Charakterystyka mocy wyjściowej i strat mocy w głównych podzespołach w funkcji prądu obciążenia (po lewej) i współczynnika wypełnienia (po prawej) dla sterowania niesymetrycznego (4T) Rys. 8.7. Charakterystyka sprawności transformatora, prostownika i całkowitej w funkcji prądu obciążenia (po lewej) i współczynnika wypełnienia (po prawej) dla sterowania niesymetrycznego (4T) 5

Na Rys. 8.6. i Rys. 8.7. przedstawiono charakterystyki mocy wyjściowej, strat mocy w głównych podzespołach, obliczonych sprawności cząstkowych oraz sprawności całkowitej w funkcji prądu obciążenia oraz w funkcji współczynnika wypełnienia dla sterowania niesymetrycznego (4T). Z przedstawionych charakterystyk widać, że moc strat we wszystkich kluczowych obszarach tj. w transformatorze, prostowniku wyjściowym oraz w doprowadzeniach elektrod (ramionach zgrzewarki) jest porównywalna z mocą wydzielaną w obciążeniu. Te wymienione obszary znacznych strat mocy decydują o niskiej sprawności całkowitej urządzenia. Na Rys. 8.8. przedstawiono porównanie charakterystyk prądu pierwotnego transformatora, prądu obciążenia i sprawności całkowitej w funkcji współczynnika wypełnienia dla sterowania symetrycznego (2T) i niesymetrycznego (4T). W szerokim zakresie zmienności współczynnika wypełnienia sprawność całkowita jest nieznacznie wyższa dla algorytmu sterowania symetrycznego ( klasycznego PWM). Wynika to z faktu, że dla określonej wartości współczynnika wypełnienia, przy sterowaniu niesymetrycznym (4T) uzyskujemy mniejszą wartość średnią prądu obciążenia przy jednocześnie większej wartości skutecznej prądu transformatora. Rys. 8.8. Charakterystyki prądu pierwotnego transformatora, prądu obciążenia i sprawności całkowitej w funkcji współczynnika wypełnienia dla sterowania symetrycznego (2T) i niesymetrycznego (4T) Należy podkreślić, że przedstawione charakterystyki mają charakter poglądowy silnie zależą od przyjętych parametrów obwodu wyjściowego. 8.3. Pomiary sprawności Pomiary sprawności przeprowadzone zostały w Laboratorium Badań Urządzeń Spawalniczych Instytutu Spawalnictwa na obydwu wykonanych egzemplarzach przekształtników ZGI10_01 oraz ZGI10_02. 6

Dla każdego z przekształtników pomiary przeprowadzono w następującym układzie: sterowanie symetryczne (2T), dławik du/dt CHI 821/150, sterowanie symetryczne (2T), dławik du/dt brak, sterowanie niesymetryczne (4T), dławik du/dt brak. Uproszczony schemat blokowy przekształtnika, z zaznaczonymi miejscami pomiaru prądów, napięć i mocy przedstawiono na Rys. 8.9. L1 Filtr EMC Prostownik wejściowy Falownik Tr Prostownik wysokoprądowy I zgrz L2 L3 Przekształtnik (częstotliwości) Transformator Elektrody P WE P 1 P Tr1 P Tr2 P TrPr2 Rys. 8.9. Uproszczony schemat obwodów głównych przekształtnika z zaznaczonymi miejscami pomiaru napięć, prądów i mocy Pomiary przeprowadzono przy wykorzystaniu następującej aparatury: analizator mocy Siemens B1083, wyposażony w 3 niezależne tory pomiaru prądów (boczniki bezindukcyjne 100 A) i napięć, wykorzystany do pomiaru parametrów wejściowych (moc czynna, moc pozorna, współczynnik mocy), na zaciskach zasilania urządzenia P WE, 4-kanałowy oscyloskop MSO4104B, wyposażony w napięciowe sondy różnicowe typu TT-SI 9002 oraz przetworniki prądowe typu LA205S (LEM), wykorzystany do pomiaru parametrów wejściowych w układzie Arona (prądy, napięcia, moc czynna), za filtrem EMC P 1, 4-kanałowy oscyloskop DPO7054, wyposażony w napięciowe sondy różnicowe (P5205 oraz PB59) oraz sondy prądowe (CWT3 oraz CWT150LF), wykorzystany do pomiaru parametrów wyjściowych falownika (parametrów wejściowych transformatora (prąd, napięcie, moc) P Tr1 oraz parametrów wyjściowych zespołu transformator prostownik wyjściowy (prąd, napięcie, moc) P TrPr2, bocznik 3 ka/150 mv, wykorzystany jako stabilne temperaturowo obciążenie. Widok stanowiska do pomiaru sprawności przedstawiono na Fot. 8.1., zaś widok wybranych elementów oprzyrządowania przedstawiono na Fot. 8.2. Na Rys. 8.10. i Rys. 8.11. przedstawiono przykładowe przebiegi prądów i napięć (a także obliczanych mocy chwilowych) w obwodzie wejściowym, na wyjściu falownika (na wejściu transformatora) oraz na wyjściu prostownika. 7

Na podstawie tych sygnałów obliczane były wartości mocy czynnej: dla pomiaru w układzie trójfazowym: dla pomiaru w układzie Arona: p t) u ( t) i ( t) u ( t) i ( t) u ( t) i ( ) (8.1) ( 1 1 2 2 3 3 t p t) u ( t) i ( t) u ( t) i ( ) (8.2) ( 13 1 23 2 t 1 P T gdzie: T 0 p( t) dt i 1 (t),i 2 (t),i 3 (t) prądy fazowe, u 1 (t),u 2 (t),u 3 (t) napięcia fazowe, u 13 (t),u 23 (t) napięcia międzyprzewodowe, p(t), P moc chwilowa, moc czynna, T okres przebiegu, (8.3) Fot. 8.1. Widok stanowiska do pomiaru sprawności przekształtnika 8

Przetworniki prądowe Sonda prądowa Sondy różnicowe Sondy różnicowe Bocznik 3kA/150mV Fot. 8.2. Widok poszczególnych elementów oprzyrządowania do pomiaru sprawności przekształtnika Rys. 8.10. Przebiegi rejestrowanych prądów i napięć oraz obliczanej mocy chwilowej oscyloskop MSO4104B 9

Rys. 8.11. Przebiegi rejestrowanych prądów i napięć oscyloskop DPO7054 Ze względu na bardzo zwartą konstrukcję mechaniczną zespołu transformator prostownik wyjściowy, niemożliwe było wprowadzenie sondy prądowej w obwód pośredni tego zespołu i stąd niemożliwe było bezpośrednie, pomiarowe wyznaczenie parametrów wyjściowych transformatora) P Tr2 na Rys. 8.9. Rozdział strat mocy zespołu transformator prostownik wyjściowy ΔP TrPr na straty mocy w transformatorze ΔP Tr i prostowniku wyjściowym ΔP Pr przeprowadzony został pośrednio, w następujący sposób: - przyjęto, że - następnie obliczono gdzie: ΔP Pr I 0(AV) U F U k (8.4) P Pr I0( AV ) F P P P (8.5) Tr Tr Pr P Pr straty mocy w prostowniku wyjściowym, wartość średnia prądu obciążenia, uśredniony spadek napięcia na diodzie, (na podst. danych katalogowych), k P współczynnik szacunkowo uwzględniający straty przełączania (k P = 1,1), ΔP Tr straty mocy w transformatorze, ΔP TrPr straty mocy w zespole transformator prostownik Na Rys. 8.12. i Rys. 8.13. przedstawiono wyznaczone charakterystyki strat mocy i sprawności dla głównych bloków mocy pierwszego modelu zgrzewarki (ZGI10_01), odpowiednio dla sterowania symetrycznego (2T) i niesymetrycznego (4T). 10

Rys. 8.12. Charakterystyki strat mocy oraz sprawności głównych bloków mocy zgrzewarki ZGI10_01 sterowanie symetryczne (2T) Rys. 8.13. Charakterystyki strat mocy oraz sprawności głównych bloków mocy zgrzewarki ZGI10_01 sterowanie niesymetryczne (4T) Na Rys. 8.14. i Rys. 8.15. przedstawiono wyznaczone charakterystyki strat mocy i sprawności dla głównych bloków mocy drugiego modelu zgrzewarki (ZGI10_02), odpowiednio dla sterowania symetrycznego (2T) i niesymetrycznego (4T). Przedstawione charakterystyki strat mocy i sprawności przekształtnika odnoszą się do zespołu bloków mocy pokazanego na Rys. 8.9. wraz ze wszystkimi obwodami pomocniczymi (Rozdział 8.2). Na rysunkach Rys. 8.12 Rys. 8.15 zamieszczono podwójne charakterystyki strat mocy w prostowniku wyjściowym: linią ciągłą, oznaczone jako straty w prostowniku (lin), przedstawiono straty mocy obliczone z równania (Rys. 8.2), 11

linią przerywaną, oznaczone jako straty w prostowniku (symul), przedstawiono straty mocy uzyskane z symulacji w układzie z Rys. 8.3. Rys. 8.14. Charakterystyki strat mocy oraz sprawności głównych bloków mocy zgrzewarki ZGI10_02 sterowanie symetryczne (2T) Rys. 8.15. Charakterystyki strat mocy oraz sprawności głównych bloków mocy zgrzewarki ZGI10_02 sterowanie niesymetryczne (4T) Na Rys. 8.16. przedstawiono porównanie sprawności przekształtnika, transformatora i prostownika wyjściowego pierwszego modelu zgrzewarki (ZGI10_01) dla algorytmu sterowania symetrycznego (2T) i niesymetrycznego (4T), natomiast na Rys. 8.17. przedstawiono analogiczne porównanie dla drugiego modelu zgrzewarki (ZGI10_02). Obydwa badane modele zgrzewarki różniły się praktycznie (z punktu widzenia analizy strat i sprawności) jedynie szczegółami konstrukcyjnymi samego przekształtnika parametry zespołu transformator prostownik wyjściowy były identyczne. Stąd też przedstawione na Rys. 8.16. i Rys. 8.17. charakterystyki sprawności transformatora i prostownika wyjściowego 12

dla modeli ZGI10_01 i ZGI10_02 są niemal identyczne różnią się w granicach błędu pomiarowego. Sprawność przekształtnika uzyskana w drugim modelu zgrzewarki (ZGI10_02) jest nieznacznie wyższa w stosunku do przekształtnika w modelu ZGI10_01. Rys. 8.16. Porównanie sprawności głównych bloków mocy zgrzewarki ZGI10_01 sterowanie symetryczne (2T) i niesymetryczne (4T) Rys. 8.17. Porównanie sprawności głównych bloków mocy zgrzewarki ZGI10_02 sterowanie symetryczne (2T) i niesymetryczne (4T) 13

W obydwu przypadkach sprawność transformatora, a co za tym idzie sprawność całego zespołu transformator prostownik wyjściowy jest wyższa dla algorytmu sterowania symetrycznego ( klasycznego PWM). Z kolei sprawność samego przekształtnika jest nieznacznie wyższa w przypadku zastosowania algorytmu sterowania niesymetrycznego (4T). 8.4. Podsumowanie Przeprowadzone badania symulacyjne przekształtnika inwertorowego do zgrzewania rezystancyjnego pozwoliły na zobrazowanie rozdziału głównych strat mocy oraz wpływu sprawności poszczególnych podzespołów na całkowitą sprawność urządzenia. Badania symulacyjne prowadzone były na uproszczonych modelach przed wykonaniem fizycznych podzespołów, stąd przyjęte do obliczeń parametry były wynikiem estymacji, nie zaś identyfikacji parametrów rzeczywistych. Dotyczy to w największym stopniu silnie uproszczonego modelu i przyjętych do symulacji parametrów transformatora. Niezależnie od powyższych zastrzeżeń, wyniki zarówno symulacji jak i przeprowadzonych pomiarów potwierdzają przyjętą na wstępie tezę, że zdecydowana większość strat występuje w obwodzie wyjściowym (transformator, prostownik wyjściowy, ramiona i elektrody zgrzewarki). Bardzo zbliżony jest też uzyskany z symulacji i pomiarów wpływ zastosowanego algorytmu sterowania na sprawność urządzenia. Sprawność samego przekształtnika jest wysoka i zależna w niewielkim stopniu od konstrukcji obwodu wejściowego (zastosowania dławika sieciowego) oraz od parametrów wykorzystanych półprzewodników mocy (tranzystorów IGBT). Ze względu na przeznaczenie badawcze opracowanych podzespołów (przekształtnika i transformatora z prostownikiem), ograniczono się do pomiaru strat i wyznaczenia sprawności tych podzespołów. Na uzyskiwaną sprawność całkowitą istotny wpływ mają parametry obwodu wyjściowego (rezystancja ramion zgrzewarki) oraz parametry zgrzewanych blach. 8.5. Literatura [8.1] Zgrzewarki elektryczne punktowe, garbowe, liniowe stacjonarne. Warunki Techniczne WT 2-0-4661-80-0. PAS Aspa S.A., 2004 [8.2] Sprzęt do zgrzewania rezystancyjnego Część 1: Wymagania bezpieczeństwa dotyczące projektowania, wytwarzania i instalowania. PN-EN 62135-1:2015-09 [8.3] Drofenik U., Kolar J.W.: A General Scheme for Calculating Switching- and Conduction-Losses of Power Semiconductors in Numerical Circuit Simulations of Power Electronic Systems. International Power Electronics Conference. Tokyo, 2005 [8.4] Rao N., Chamund D.: Calculating Power Losses in an IGBT Module. Application Note AN6156-1. Dynex Semiconductor Ltd, 2003 [8.5] CM400DY-24A High Power IGBT Modules Data Sheet. Mitsubishi Electric, 2009 [8.6] SKKD 100 Rectifier Diode Module Data Sheet. Semikron, 2009 [8.7] 5SDF 0131Z0401 High Frequency Housingless Welding Diode Data Sheet. ABB, 2013 14