sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
TRANSCRIPT
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
1/18
Proiect
SURSA DE PUTERE CU INVERTORPENTRU SUDARE CU ARC ELECTRIC
- Electronica de putere in electrotehnologii avansate -
Student: Profesor Coordonator:
Ioan-Marius Florea Conf.dr.ing. Alexandru Hedes
Master An I, EEP
2016
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
2/18
2
Cuprins
I. Tema de proiectare ......................................................................3
II. Introducere...................................................................................3
III.
Modelul de circuit electric ............................................................4
a. Caracteristica statică................................................................4
b.
Caracteristica dinamică............................................................6
IV. Surse de putere pentru sudare cu arc electric...............................7
V. Procedura de dimensionare..........................................................10
VI.
Simulare circuit si rezultate experimentale...................................16
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
3/18
3
I. Tema de proiectare
Tema lucrarii este proiectarea unei surse de putere cu convertor rezonant
pentru sudare cu arc electric
Datele de intrare pentru proiectare sunt:
- Procedeul MMA (electrod fuzibil (invelit));- Curentul de sudare: Is=20..200 [A];- Tensiune de ieșire a sursei în gol: Us0=90[V];- Frecvența de comutație la sacină nominală: f c=80[kHz];-
Tensiunea de alimentare: Ur=230±10%[V];II. Introducere
Aplicatia electrotehnologica tipica a arcului electric de putere medie oconstituie sudarea cu arc electric, care reprezinta o familie de procedee de sudareprin topire in care arcul electric are rol de convertor electrotermic, respectiv de
sursa de caldura de mare intensitate, temperatura coloanei acestuia atingandpeste 5000oC.
Arcul electric de sudare (AES) reprezintă o descărcare electrică autonomăputernică (de mare densitate de curent) stabilită între un electrod și o piesă,aflate sub tensiune electrică de valoare relativ mică, fenomenul producându-se într-o atmosferă constituită din amestec de vapori metalici și gaze.
Problemele de bază asociate arcului electric de sudare sunt amorsarea șistabilitatea arderii.
Factorii determinanți în amorsarea și stabilizarea descărcării sub formă de arc
electric sunt, în esență, cei referitor la:
- mediul în care are loc descărcarea: natura gazului/amestecului de gaze,starea termofizică și electrică a acestuia;
- corpurile între care se stabilește descărcarea: natura (compoziția),forma, dimensiunile și temperatura acestora;
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
4/18
4
- tensiunea de alimentare a descărcării, în corelație cu lungimea distanțeidintre corpurile-electrozi.
Modelul fenomenologic evidentiaza elementele materiale implicate in
proces, respectiv zonele caracteristice ale descarcarii. Acesta este util indescrierea procedeelor de sudare, la evaluarea proceselor termice, respectiv ladescrierea mecanismelor de formare ale baii de sudare si de transfer de metal (lasudarea cu electrod fuzibil).
Fig. 1. Modelul fenomenologic al arcului electric de sudare
III. Modelul de circuit electric
a) Caracteristica statica
Datorită complexității interdependenței dintre fenomenele electrotermice
și electrocinetice din plasma arcului electric, relația dintre tensiunea pe arc (ua) și
curentul prin arc (i) este puternic neliniară, arcul electric fiind asimilat din punct
de vedere al comportamentului de circuit, cu o rezistență neliniară. Modelul de
circuit se exprimă fie analitic, prin ecuația caracteristicii statice Ua= f(Ia)|La=ct.
(unde Ua, Ia, La, reprezintă: tensiunea efectivă pe arc, curentul efectiv prin arc,
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
5/18
5
respectiv lungimea arcului), fie grafic, prin reprezentarea ecuației caracteristicii
statice la diferite lungimi ale arcului.
Astfel, arcul electric ca element neliniar de circuit, este caracterizat de doi
parametri:
- rezistența statică a arcului electric:
= ≥ 0; - rezistența dinamică (diferențială) a arcului electric:
=
= ∗ αa; În relația de mai sus, tgαa, reprezintă tangenta la caracteristică în punctul P,
în care se evaluează rezistența dinamică, iar k-factorul de scară al reprezentării,
Fig. 2.
Caracteristica statică a arcului de sudare poate fi împărțită în trei zone, cu
aluri diferite, funcție de semnul rezistenței dinamice a arcului, Fig. 2:
- zona căzătoare, caracterizată prin Rad < 0; corespunde unei densități decurent prin electrod sub 10 A/mm2;
- zona rigidă, caracterizată prin Rad = 0; corespunde unei densități de curentde 10-50 A/mm2;
- zona urcătoare, caracterizată prin Rad > 0; corespunde unei densități decurent de 50-200 A/mm2
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
6/18
6
Fig. 2. Zonarea caracteristicii statice a arcului electric de sudare
b)
Caracteristica dinamica
În cazul unor variații rapide ale curentului prin arc, respectiv la arcul de
curent alternativ, legătura dintre valorile momentane ua(i), este exprimată prin
caracteristica dinamică a arcului electric, care este de tip buclă de histerezis. Sub
aspect dinamic, arcul electric reprezintă un element neliniar de circuit, de tip
neinerțial, cu caracteristică neunivocă (multiformă) de tip hiserezis. În cazul unui
arc de sudare de curent alternativ sinusoidal tensiunea pe arc este de formă
nesinusoidală.
Cazul ipotetic reprezentat în Fig. 3 corespunde unei arderi fără pauze a
arcului, respective unei nesimetrii prezente în unda curentului, datorată
condițiilor termice diferite de formare și dezvoltare a petei catodice pe durata
unei perioade: odată pe electrod (semialternanța DC-), respectiv odată pe baia
metalică a piesei (semialternanța DC+).
Acest caz de nesimetrie este caracteristic sudării cu electrod nefuzibil (WIG)
în current alternativ, a aluminiului și aliajelor sale. În Fig. 3 s-a considerat o
variație sinusoidală a curentului prin arc, tensiunea pe arc fiind aproximativ
dreptunghiulară, cu vârfuri considerabile la amorsarea arcului (Uap+, Uap-). Se
observă că Uap+ > Uap-, deoarece răcirea băii de metal topit a piesei este mai
intensă atunci când piesa devine catod. Amplitudinea curentului în semiperioada
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
7/18
7
cu electrodul catod este mai mare decât în semiperioada cu electrodul anod.
Pentru curenți sub 100A, raportul între tensiunea de aprindere a arcului și cea de
menținere este Uap/Ua=1,5-2,5, ceea ce denotă o stabilitate mai redusă a arcului
la curenți mici; tensiunea de aprindere scade cu creșterea curentului, deoarece la
curenți mari crește gradul de ionizare termică a mediului descărcării.
IV. Surse de putere pentru sudare cu arc electric
Principalul subansamblu din componența unui echipament de sudare cu arc
electric îl constituie sursa de putere.
Sursa de putere pentru sudare este un echipament pentru sudare cu arc
electric care furnizează și controlează puterea electrică necesară alimentăriiarcului, în condiții de stabilitate statică și dinamică, în scopul realizării exigențelor
tehnologice impuse.
Din punct de vedere al capabilității de utilizare, sursa de putere este
caracterizată în regim staționar de caracteristica externă, care se definește ca
legătura funcțională dintre tensiunea la borne Us și curentul debitat Is (valori
efective) în regim cvasistaționar. Panta caracteristicii externe, evaluată prin
rezistențaluri de principiu:
- căzătoare (coborîtoare), Rsd0.
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
8/18
8
Fig. 3. Tipuri de caracteristici statice externe ale surselor de putere pentru sudare
In tabelul 1 se prezentate sintetic principalele cerințe pentru sursele de
putere în conformitate cu procedeele de sudare cu arc electric. De asemenea sunt
prezentate și ecuațiile caracteristicilor convenționale de lucru, aferente
procedeelor de sudare. Acestea sunt exprimate prin relații liniare între tensiunea
pe arc (Ua, V), și curentul de sudare prin arc (Is, A), stabilite în scopuri de
dimensionare a puterii utile, de încercare și comparație.
Tabel 1. Cerințe esențiale de proces pentru sursele de sudare
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
9/18
9
Sursele de putere cu invertor produse la ora actuala incorporeaza diversetopologii (scheme) de convertoare statice de putere in comutatie la inaltafrecventa, comanda blocului de comutatie (invertorul) realizandu-se prindiverse strategii de modulare in latime de puls (PWM). Invertoarele din
componenta surselor de putere functioneaza cu tensiune dreptunghiulara,comutatia realizandu-se in regim “greu” (hard switching), prin intreruperea
tensiunii/curentului pe/prin tranzistoare.
Această comutație are o serie de caracteristici negative printre care se
numără producerea de armonici sau la interferența electromagnetică. Aceste
efecte pot determina funcționarea inproprie al altor elemente de circuit.
În schimb pentru reducerea efectului acestor influențe negative sunt
necesare filtre diverse care implicit determină un cost, greutate și complexitatemai mare a întregului ansamblu.
O alternativa la convertoarele de tip in comutatie o constituie combinarea
topologiilor de convertoare statice cu a strategiilor de comutatie astfel incât sa
rezulte procese de comutatie la curent zero (ZCS-zero-current switching),
respectiv la tensiune zero (ZVSzero-voltage switching).
Deoarece majoritatea acestor topologii exploatează diverse forme de
rezonanță LC, ele se denumesc convertoare rezonante. Tehnica de conversie
rezonantă a puterii oferă o serie de avantaje față de conversia bazată pe
comutație cu PWM:
- nivele mai reduse ale interferenței electromagnetice, ceea ce faciliteazăfiltrarea;
- pierderi de comutație mai mici;
-
randament mai bun;
- pierderi mai mici în diode la revenire (di/dt este mai mic la blocare);- posibilitatea funcționării la frecvențe mai mari, ceea ce duce la reducerea și
mai substanțială a dimensiunilor de gabarit și a masei nete ale
componentelor magnetice.
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
10/18
10
Convertoarele rezonante care sunt de interes pentru realizarea surselor de
putere pentru sudare cu arc electric sunt cele de tipul cu comutatoare rezonante
(resonant-switch converters), respectiv cele cu sarcină rezoantă (load resonant
converters).
V.
Procedura de dimensionare
= + ∗ = 10 + 0.04 ∗ ; = 10 + 0.04 ∗ ;
= 10 + 0.04 ∗ 20 ⟹ = . ;
= 10 + 0.04 ∗ ;
= 10 + 0.04 ∗ 200 ⟹ = ;
Se trasează domeniul sarcinii, conform valorilor calculate anterior:
Fig. 4. Domeniul sarcinii
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
20 200
U [ V ]
I[A]
Determinarea domeniului de sarcina
Domeniul de valori
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
11/18
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
12/18
12
= ∗ 2
8 ∗0.54 ⟹ = .;
= ∗ 28 ∗0.09 ⟹ = .;
4. Alegerea raportului capacitatilor si a factorului de calitate
= = 0,5 … 2; Alegem = ⟹ Astfel =;
= 1… 5; Alegem = ; 5. Impedanța caracteristică (Zsc) și stabilirea frecvenței de rezonanță serie a
circuitului (în regim de scurtcircuit):
≅ = ∗ ; ≅ 0.9 ∗ ;
≅ = 3 ∗ 0.44 ⟹ ≅ = . ; ≅ 0.9 ∗ ⟹ ≅ 0.9 ∗ 80 ∗ 10 ⟹ ≅ ;
6. Calculul parametrilor circuitului rezonant serie (Ls și Cs)
= ; = 12 ∗ ∗ ∗ ;
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
13/18
13
Din prima ecuație ⟹ = ∗ = 1.32 ∗ ⟹ = 1.74 ∗ ; Introducându-se în a 2-a formulă se determină
:
= 12 ∗ ∗ ∗ ∗ = 12 ∗ ∗ ∗ ; = 12 ∗ ∗ ∗ ;
= 12 ∗ ∗ ∗ = 12 ∗ ∗ 1.32 ∗ 72 ∗ 10 ⟹ = . µ;
= 1.74 ∗ = 1.74 ∗ 1.6 ∗ 10− ⟹ = . µ;
7. Alegere capacitati Cs* și Cp
*
Am ales din catalogul WESTCODE valorile capacitățiilor Cs* și Cp*:
∗ = ∗ = µ codul . ;
8. Recalcularea parametrilor circuitului rezonant (regim de scurtcircuit):
∗ = 1
4 ∗
∗
∗ ∗ ;
∗ = 14 ∗ ∗ 72000 ∗ 2 ∗ 10− ; ∗ = 14 ∗ ∗ 72 ∗ 4 ∗ 10− ;
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
14/18
14
∗ = 104 ∗ ∗ 72 ∗ 4 ⟹ ∗ = . ;
∗ = ∗∗ = 12.222 ∗ 1 0− = 6,11∗10 ⟹ ∗ = , ;
9. Parametrii circuitului rezonant (regim de gol):
= 12 ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ∗∗ + ∗
;
∗
∗ ∗
= 2 ∗ 10−
∗ 2 ∗ 10−
⟹ ∗
∗ ∗
= 4 ∗ 10−
;
∗ + ∗ = 2 ∗ 10− + 2 ∗ 10− ⟹ ∗ ∗ ∗ = 4 ∗ 10− ; = 12 ∗ ∗ 12.22 ∗ 4 ∗ 1 0−4 ∗ 1 0−
= 16.28∗√12.22∗10− = 16.28∗3.49∗10− ;
= 10
6.28∗3.49 ⟹ = . ;
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
15/18
15
= ∗ ∗ ∗ + ∗∗ ∗ ∗ = 12.22∗ 4 ∗ 10−4 ∗ 1 0− = 12.22∗10 ⟹ = . ;
= , unde este rezistența firelor de legătură și este = 10Ω;
= 3495.71 0 ∗ 1 0− ⟹ = ;
10. Factorul de calitate (regim de sarcină):
= + = 3495.71 0 ∗ 1 0− + 2.66 ⟹ = . ;
= +
= 3495.71 0 ∗ 1 0
−
+ 0.44 ⟹ = . ;
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
16/18
16
VI. Simulare circuit si rezultate experimentale
Circuitul de mai jos este simulat in programul LTspice:
Fig. 5. Schema electrică simulată
Fig. 6. Schema de simulare în Ltspice
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
17/18
17
In urma simularii se obtin urmatoarele grafice:
Fig.7 Rezistența de sarcină Rs=10M - Regim de gol
Fig.8 Rezistența de sarcină Rs=1m - Regim de scurt circuit
-
8/15/2019 Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric
18/18
18
Fig.9 Rezistența de sarcină Rs=RT1=2.66
Fig.10 Rezistența de sarcină Rs=RT2=0.44