Martin Petrun EKSPERIMENTALNA DOLOČITEV IZGUB TRANSFORMATORJEV ZA TOČKASTO VARJENJE Diplomsko delo Hudi Kot, september 21
I Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa EKSPERIMENTALNA DOLOČITEV IZGUB TRANSFORMATORJEV ZA TOČKASTO VARJENJE Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Somentor: Lektorica: Martin Petrun UN ŠP Elektrotehnika Močnostna elektrotehnika dr. Drago Dolinar, redni profesor dr. Boštjan Polajţer, izredni profesor Erna Petrun Hudi Kot, september 21
III
V ZAHVALA Diplomsko delo posvečam staršema. Hvala za vso ljubezen, trud, ţrtve, vzgled in navdih v mojem ţivljenju. Za potrpeţljivost in pomoč pri opravljanju diplomskega se zahvaljujem mentorju red. prof. dr. Dragu Dolinarju, somentorju izred. prof. dr. Boštjanu Polajţerju, Zlatku Strelcu, Jeleni Popović, dr. Benu Klopčiču ter Vojku Podlogarju.
VII EKSPERIMENTALNA DOLOČITEV IZGUB TRANSFORMATORJEV ZA TOČKASTO VARJENJE Ključne besede: določitev izgub, eksperimentalna ločitev izgub, eksperimentalni sistem, električne naprave, uporovno točkasto varjenje, varilni transformator UDK: 621.314.2(43.2) Povzetek V diplomskem delu so obravnavani transformatorji za točkasto varjenje z enosmernim tokom. Predstavljena sta zgradba in delovanje varilnih transformatorjev za točkasto varjenje ter laboratorijski sistem za preizkušanje le-teh transformatorjev. Opisano je delovanje sistema, kjer so predstavljene težave in rešitve pri obratovanju laboratorijskega sistema. Namen tega diplomskega dela je določitev izgub varilnih transformatorjev z enosmernim tokom. Pri določitvi izgub v železnem jedru transformatorjev je predlagan nov način eksperimentalne ločitve izgub na histerezne in vrtinčne izgube. Prav tako je predstavljen način eksperimentalne ločitve izgub v kratkem stiku.
IX EXPERIMENTAL DETERMINATION OF LOSSES FOR SPOT WELDING TRANSFORMERS Key words: determination of losses, experimental separation of losses, experimental system, electrical devices, resistance spot welding, welding transformer UDK: 621.314.2(43.2) Abstract The diploma thesis describes resistance spot welding transformers, which perform the process of welding with DC current. This work presents a structure and working process of the resistance spot welding transformers, as well as the experimental setup for the practical tests. Difficulties that may occur during the working procedure of the laboratory experimental system and solutions to these problems are also one of the major topics described in the diploma. The purpose of the diploma thesis is determination of losses for resistance spot welding transformers, which perform the process of welding with DC current. The losses are determined from results, obtained with measurements. Measurements are carried out with open circuit tests and short circuit tests. The step forward is taken and the new method of how to divide the core losses into hysteresis and eddy current losses is developed. Separation of copper losses during a short circuit test is described as well.
XI VSEBINA 1 UVOD... 1 1.1 SPLOŠNO O TOČKASTEM VARJENJU... 1 1.2 ZGODOVINSKI RAZVOJ IN UPORABA... 4 1.3 NAČINI TOČKASTEGA VARJENJA... 4 1.4 SISTEM ZA TOČKASTO VARJENJE Z ENOSMERNIM VARILNIM TOKOM... 6 1.5 RAZISKOVALNI CILJI IN MOTIVACIJA... 8 2 VARILNI TRANSFORMATOR... 9 2.1 OPIS TRANSFORMATORJA... 9 2.2 JEDRO TRANSFORMATORJA... 1 2.3 E-OVOJA SEKUNDARNEGA NAVITJA... 11 2.4 SAMONOSILNE TULJAVE PRIMARNEGA NAVITJA... 13 2.5 DIODE... 13 2.6 ZGRADBA VARILNEGA TRANSFORMATORJA... 14 2.7 TIPI TRANSFORMATORJEV... 15 3 EKSPERIMENTALNI SISTEM... 17 3.1 ZAHTEVE ZA VZPOSTAVITEV IN NAMEN EKSPERIMENTALNEGA SISTEMA... 17 3.2 OPIS EKSPERIMENTALNEGA SISTEMA... 18 3.3 REGULACIJSKI AVTOTRANSFORMATOR... 2 3.4 PRETVORNIK... 2 3.5 DIFERENČNE SONDE ZA MERITEV NAPETOSTI... 22 3.6 MERILNIKI TOKA... 22 3.7 MERILNIK TOKA S TULJAVO ROGOWSKEGA... 24 3.8 KRMILNI SISTEM DSPACE DS113PPC... 27 3.9 HLADILNI SISTEM IN PEČ... 28 3.1 BREME... 28 4 DELOVANJE SISTEMA... 29 4.1 RAZSMERNIK... 29 4.2 PULZNO ŠIRINSKA MODULACIJA... 3
XII 4.3 VODENJE EKSPERIMENTALNEGA SISTEMA... 33 4.3.1 Podsistem za začetek, trajanje in periodično ponavljanje proženja... 35 4.3.2 Podsistem za zajemanje merjenih veličin... 36 4.3.3 Podsistem zaščita in logika... 36 4.3.4 Podsistem za generiranje pulzov PŠM... 37 4.3.5 Uporabniški vmesnik ControlDesk... 39 4.4 DELOVANJE PRETVORNIKA V POSAMEZNIH ČASOVNIH INTERVALIH... 4 4.5 DELOVANJE MERILNIH VERIG... 43 5 NAČRTOVANJE IN POTEK MERITEV... 45 5.1 IZGUBE V ŢELEZU... 45 5.1.1 Histerezne izgube... 46 5.1.2 Izgube zaradi vrtinčnih tokov... 46 5.1.3 Dodatne vrtinčne izgube... 47 5.2 EKSPERIMENTALNA LOČITEV IZGUB V ŢELEZU... 47 5.3 PREIZKUSI VARILNIH TRANSFORMATORJEV V PROSTEM TEKU... 49 5.4 REZULTATI MERITEV V PROSTEM TEKU... 54 5.5 IZGUBE PRI OBREMENITVI... 6 5.5.1 Izgube v bakru... 61 5.5.2 Izgube na usmerniških diodah... 61 5.6 EKSPERIMENTALNA LOČITEV IZGUB PRI PREIZKUSU KRATKEGA STIKA... 62 5.7 PREIZKUSI VARILNIH TRANSFORMATORJEV V KRATKEM STIKU... 65 5.8 REZULTATI MERITEV V KRATKEM STIKU... 65 6 SKLEP... 69 7 VIRI, LITERATURA... 71 8 PRILOGE... A 8.1 A TABELE MERILNIH TOČK ZA PREIZKUSE V PT... A 8.2 B PROGRAMSKA KODA ZA IZRAČUN IZGUB V PT... G 8.3 C PROGRAMSKA KODA ZA LOČITEV IZGUB... I 8.4 D PROGRAMSKA KODA ZA IZRAČUN IZGUB V KS... K 8.5 NASLOV ŠTUDENTA IN KRATEK ŢIVLJENJEPIS... M
XIII SLIKE Slika 1.1: Osnovni princip točkastega varjenja... 2 Slika 1.2: Robotska roka za uporovno točkasto varjenje... 7 Slika 2.1: Transformator za točkasto varjenje s polnovalnim usmernikom na izhodu... 9 Slika 2.2: C-jedro transformatorja... 1 Slika 2.3: Prerezano C-jedro transformatorja... 11 Slika 2.4: Konstrukcija sekundarnega navitja z dvema E-ovojema... 11 Slika 2.5: Prerezani E-ovoj s hladilnimi kanali in pritrdilnimi navoji... 12 Slika 2.6: Zgradba varilnega transformatorja... 13 Slika 2.7: Usmerniška dioda... 14 Slika 2.8: Zgradba varilnega transformatorja... 14 Slika 2.9: Zgradba transformatorja PSG 616... 15 Slika 2.1: Zgradba transformatorja PSG 375... 16 Slika 3.1: Shematski prikaz industrijskega sistema za točkasto varjenje... 18 Slika 3.2: Shematski prikaz eksperimentalnega sistema... 19 Slika 3.3: Shema uporabljenega pretvornika... 21 Slika 3.4: Tipično vhodno vezje ter shematski princip diferenčne sonde... 22 Slika 3.5: Shema tokovnega merilnika LEM... 23 Slika 3.6: Ponazoritev tuljave Rogowskega... 24 Slika 3.7: Vezje analognega integratorja... 26 Slika 3.8: Breme... 28 Slika 4.1: Shema razsmernika... 29 Slika 4.2: Princip PŠM na osnovi ţage... 3 Slika 4.3: Nesimetrična vzbujalna napetost... 32 Slika 4.4: Princip nesimetrične PŠM... 32 Slika 4.5: Blokovna shema vodenja in zajemanja podatkov realizirana v Simulinku... 34 Slika 4.6: Podsistem za začetek, trajanje in periodično ponavljanje proţenja... 35 Slika 4.7: Podsistem za zajemanje merjenih veličin... 36
XIV Slika 4.8: Podsistem zaščita in logika... 36 Slika 4.9: Podsistem za generiranje pulzov PŠM... 37 Slika 4.1: Eksperiment v programu ControlDesk... 39 Slika 4.11: Modulacijska napetost u m ter izmerjene izhodne napetosti u 1 pretvornika pri različnih bremenih... 41 Slika 4.12: Delovanje H-mosta v 1. in 2. časovnem intervalu napajanja... 42 Slika 4.13: Delovanje H-mosta v 3. in 4. časovnem intervalu napajanja... 43 Slika 5.1: Izmerjena oblika pritisnjene napetosti in potek magnetne gostote B v jedru. 48 Slika 5.2: Princip eksperimentalne ločitve izgub... 49 Slika 5.3: Merilna shema preizkusov v PT... 49 Slika 5.4: Poteki izmerjenih spremenljivk med preizkusom PT... 52 Slika 5.5: Izmerjena primarna napetost in tok ter izračunana trenutna moč v PT... 53 Slika 5.6: Izgube obeh jeder v prostem teku... 55 Slika 5.7: Primerjava izgub... 56 Slika 5.8: Vpliv temperature na izgube P Fe, jedro b=,3 mm... 57 Slika 5.9: Izgube v jedru transformatorja, b=,1 mm... 57 Slika 5.1: Ločitev izgub na histerezne in vrtinčne... 58 Slika 5.11: Ločitev izgub na histerezne in vrtinčne... 59 Slika 5.12: Prikaz skupnih, histereznih in vrtinčnih izgub v jedru, b=,1 mm... 59 Slika 5.13: Primerjava rezultatov nove metode eksperimentalne ločitve izgub s klasično metodo ločitve izgub v PT... 6 Slika 5.14: Izhodna napetost, tok in moč varilnega transformatorja v KS... 62 Slika 5.15: Princip eksperimentalne ločitve izgub v KS... 63 Slika 5.16: Izračunana napetost u i, izmerjen tok i b ter izračunana izhodno moč p izh1... 64 Slika 5.17: Merilna shema preizkusov v KS... 65 Slika 5.18: Primerjava izgub transformatorjev v KS za tri različne preseke ţice primarnega navitja... 66 Slika 5.19: Primerjava izmerjenih izgub P Cu z analitičnim izračunom in izračunom MKE ter prikaz izračunani izgub na diodah... 67
XV TABELE Tabela 5.1: Merilne točke za potrebe eksperimentalne ločitve izgub... 54 Tabela 8.1: Merilne točke preizkusa transformatorja PSG 616 v PT (B m =,4 T)... a Tabela 8.2: Merilne točke preizkusa transformatorja PSG 616 v PT (B m =,6 T)... b Tabela 8.3: Merilne točke preizkusa transformatorja PSG 616 v PT (B m =,8 T)... c Tabela 8.4: Merilne točke preizkusa transformatorja PSG 375 v PT (B m =,4 T)... d Tabela 8.5: Merilne točke preizkusa transformatorja PSG 375 v PT (B m =,6 T)... e Tabela 8.6: Merilne točke preizkusa transformatorja PSG 375 v PT (B m =,8 T)... f
XVI UPORABLJENI SIMBOLI a, c višina, širina jedra transformatorja [mm] A, B, C priključki sekundarnega navitja transformatorja Am amplituda trikotne napetosti [V] b debelina pločevine (lamele) jedra transformatorja [mm] B gostota magnetnega pretoka [T] B m B r c 1, c 2 C 1, C 2, C 12 C I amplituda gostote magnetnega pretoka v jedru transformatorja [T] remanentna gostota magnetne poljske jakosti [T] konstanti, predstavljata deleţa posameznih izgub kondenzatorji v pretvorniku kapacitivnost analognega integratorja [F] C vh1, C vh2, C vh3 vhodne kapacitivnosti diferenčne sonde [F] d velikost zračne reţe C-jedra transformatorja [mm] D 1, D 2 usmerniški diodi polnovalnega usmernika transformatorja D H1, D H4 diode v H-mostu razsmernika dr prevajalno razmerje dr D prevajalno razmerje tranzistorjev S 2 in S 3 dr L prevajalno razmerje tranzistorjev S 1 in S 4 e, g višina, širina transformatorskega okna [mm] f frekvenca [Hz] h srednja višina toroida tuljave Rogowskega [mm] H magnetna poljska jakost [A/m] i i 1 i 1tr i b i c i p i s k k de k pol k e električni tok [A] tok skozi primarno navitje transformatorja [A] tok na izhodu pretvornika obremenjenega s transformatorjem [A] bremenski (varilni) tok [ka] kompenzacijski tok tokovnega merilnika [A] tok, ki ga merimo z tokovnim merilnikom [A] tok sekundarnega navitja tokovnega merilnika [A] faktor razmerja med napajalno napetostjo in frekvenco [Vs] koeficient dodatnih vrtinčnih izgub polnilni faktor jedra transformatorja koeficient vrtinčnih izgub
XVII k h K 1, K 2 l sr L b L σ1 M n N 1 N 2, N 3 N L N R p vh p izh P Cu P de P D P e P Fe P h P izg P izh P v P vh r r n r z R 1, R 2, R 11 R b R I R m R vh S 1, S 2, S 3, S 4 koeficient histereznih izgub kontaktorja za vklop pretvornika srednja dolţina jedra transformatorja [mm] induktivnost bremena [H] stresana induktivnost primarnega navitja [H] medsebojna induktivnost med tuljavico Rogowskega in vodnikom [H] celo število (n=1,2,3 ) število ovojev primarnega navitja transformatorja število ovojev sekundarnih navitij transformatorja število lamel v jedru transformatorja število ovojev navitja tuljave Rogowskega trenutna moč na primarju transformatorja [W] trenutna moč na izhodnih sponkah transformatorja [W] izgube v navitjih transformatorja [W] dodatne vrtinčne izgube v jedru transformatorja [W] izgube na usmerniških diodah [W] vrtinčne izgube v jedru transformatorja [W] izgube v ţeleznem jedru transformatorja [W] histerezne izgube v jedru transformatorja [W] izgube varilnega transformatorja [W] moč na izhodnih sponkah transformatorja [W] skupne vrtinčne izgube [W] moč na primarju transformatorja [W] upornost v točki zvara [Ω] notranji polmer tuljave Rogowskega [mm] zunanje polmer tuljave Rogowskega [mm] upori v pretvorniku ohmska upornost bremena [Ω] upornost analognega integratorja [Ω] merilni upor tokovnega merilnika vhodna upornost diferenčne sonde [Ω] tranzistorji v H-mostu razsmernika S Fe efektivni presek ţeleznega jedra transformatorja [mm 2 ] T temperatura [ C]
XVIII T 1, T 2 razsmerniška modula v pretvorniku T k T ON T ONL T ONS T p T PŠM u u 1 u 2 u 1 u 1bb u 1R u 1tr u b U DC u dif U H u izh u m UM 1, UM 4 u o u ref U ref u rog u t u u, u v, u w x s w w U Φ dolţina meritve [s] čas prevajanja tranzistorjev [s] čas prevajanja tranzistorjev za lihe polperiode [s] čas prevajanja tranzistorjev za sode polperiode [s] dolţina periode napajalne napetosti razsmernika [s] dolţina periode pulzno širinske modulacije [s] napetost [V] primarna napetost transformatorja [V] sekundarna napetost transformatorja [V] primarna napetost v prostem teku transformatorja [V] napetost na izhodu neobremenjenega pretvornika [V] napetost na izhodu pretvornika obremenjenega z ohmskim uporom [V] napetost na izhodu pretvornika obremenjenega s transformatorjem [V] napetost na bremenu [V] napetost enosmernega vodila pretvornika [V] diferenčna napetost na vhodu diferenčne sonde [V] napetost Hallovega elementa v tokovnem merilniku [V] napetost na izhodu diferenčne sonde [V] modulacijska napetost [V] usmerniški mostiči v pretvorniku izhodna napetost tokovnega merilnika [V] referenčna vrednost napetost pri nesimetrični PŠM [V] referenčna vrednost napetost pri pulzno širinski modulaciji [V] inducirana napetost tuljave Rogowskega [V] trikotna napetost pulzno širinskega modulatorja [V] fazne napetosti omreţja [V] Steinmetzov koeficient energija [J] magnetna histerezna energija [J] razlika referenčne napetosti PŠM [V] magnetni pretok v jedru transformatorja [Wb=Vs] µ induktivnost praznega prostora [H] σ specifična prevodnost [S/m]
XIX UPORABLJENE KRATICE AG DRAM IGBT KS MFDC PŠM PT RTI SRAM TR Aktiengesellschaft dynamic random access memory insulated-gate bipolar transistor kratki stik middle frequency direct current pulzno širinska modulacija prosti tek real time interface static random access memory transformator
Uvod Stran 1 1 UVOD Delo obravnava vzpostavitev ter uporabo eksperimentalnega merilnega sistema za uporovno točkasto varjenje z enosmernim tokom in analizo dobljenih rezultatov. Predstavljena je analiza izgub varilnih transformatorjev, kjer je predlagan nov način eksperimentalne ločitve izgub v jedru transformatorja na histerezne in vrtinčne izgube. Rezultati eksperimentalnega dela so uporabljeni v namen razvoja varilnih transformatorjev za točkasto varjenje z enosmernim tokom. 1.1 Splošno o točkastem varjenju Uporovno točkasto varjenje deluje na principu, kjer skozi dve ali več plasti pločevine v določeni točki teče električni tok. Ker je dotikalna upornost na stiku pločevin največja, se na točki oziroma površini stika pločevin sprosti največ toplote. Ob ustrezni količini sproščene toplote se pločevini obeh plasti raztalita in tako nastanejo ustrezni pogoji za nastanek zvara oziroma tako imenovane zvarne leče. Po končanem varjenju se raztaljena pločevina v točki zvara strdi in nastane prekrivni zvarni spoj. Postopek varjenja ni enostaven in je odvisen od veliko parametrov. Najpomembnejši parametri procesa varjenja so: mehanska sila stiskanja, čas stiskanja, vrednost varilnega toka, čas varjenja in čas drţanja. Ti parametri pa so odvisni tudi od vrste in geometrije pločevine (materiala), ki jo varimo, in od oblike varilnih klešč. Nekateri parametri se spreminjajo med samim postopkom varjenja, kot na primer sila stiskanja. Za doseganje kvalitetnih zvarov je tako potrebno učinkovito vodenje. Osnovni princip delovanja uporovnega točkastega varjenja je prikazan na sliki 1.1.
Stran 2 Uvod mehanska sila stiskanja dovod hladilne tekočine električni tok varjenja odvod hladilne tekočine električni tok varjenja vodno hlajena elektroda pločevina stična površina zvarna leča električni tok varjenja električni tok varjenja mehanska sila stiskanja Slika 1.1: Osnovni princip točkastega varjenja V splošnem lahko poteka točkasto varjenje z izmeničnim ali enosmernim tokom. Razlike med obema načinoma varjenja so kratko pojasnjene v naslednjem poglavju. V tem diplomskem delu je obravnavano varjenje z enosmernim tokom. Proces varjenja poteka tako, da posebej oblikovane robotske klešče v eni točki stisnejo dve plasti pločevine. Med tem ko so klešče stisnjene skozi njih in točko varjenja steče električni tok, ki zagotovi potrebno sproščanje toplote v točki zvara. Klešče so pritrjene na varilni transformator, ki je nameščen na robotsko roko. Le-ta se nato premika od točke do točke in točkasto zvari pločevini. Elektrodi varilnih klešč sta iz bakra in morata zagotavljati ustrezno silo stiskanja, hkrati pa morata biti dovolj električno prevodni in hlajeni, da se med varjenjem ne začneta taliti. Zaradi sproščanja toplote se stalita pločevini in sicer na stičnih mestih elektrod in obeh pločevin. Ko nastanejo ustrezni pogoji za zvar, je potrebno električni tok prekiniti in prične se rekristalizacija materiala. Raztaljen material
Uvod Stran 3 se oblikuje v zvar v obliki leče. Varilne klešče med tem z ustrezno silo drţijo plasti pločevine skupaj tako dolgo, da se kristalna mreţa pločevin v zvaru ponovno vzpostavi. Ko se material v leči strdi, se klešče umaknejo in ponovijo postopek na drugi točki, ki je predvidena za zvar. Pomemben dejavnik pri varjenju je količina dovedene energije v točki zvara med pločevinama, saj le-ta vpliva na varilnim proces in določa kvaliteto zvara. Količina dovedene oziroma sproščene energije v točki zvara je podana z (1.1). t w( t) u( ) i( )d (1.1) V (1.1) lahko napetost u nadomestimo z zmnoţkom toka i skozi točko zvara in upornosti r te točke in dobimo (1.2). t 2 ( ) ( ) ( )d w t r i (1.2) Iz (1.2) je razvidno, da je količina energije, ki se ob varjenju sprošča v obliki toplote, odvisna tako od upornosti varilne točke kot tudi od toka skozi varilno točko. Varilni tok i je še toliko bolj pomemben, saj je sproščena energija odvisna od kvadrata varilnega toka. Upornost zvara se med varjenjem spreminja, pojav je podrobneje opisan v [1]. Zaradi velikega vpliva varilnega toka na sproščeno energijo, je zelo pomembno imeti dober in dobro voden izvor toka. Varilni tok mora imeti naslednje lastnosti: hitro doseganje ţelene vrednosti, potek brez prenihajev in valovitosti, potek brez prekinitev. Zagotavljanje teh lastnosti je ključnega pomena saj imajo neposreden vpliv na varilni proces. Z njimi zagotovimo hitro in kvalitetno točkasto varjenje, kar pa je najbolj odvisno prav od količine sproščene toplote. Če je le-te premalo, se material ne stali dovolj, če je toplote preveč pa lahko pride do brizganja taline. V obeh primerih je zvar neustrezen ali slabe kvalitete.
Stran 4 Uvod 1.2 Zgodovinski razvoj in uporaba Uporovno varjenje je proti koncu devetnajstega stoletja odkril in patentiral Elihu Tompson v ZDA. Odkril je, da lahko spoji dva kosa kovine tako, da skozi speta kosa kovine steče električni tok dovolj velike vrednosti, ki na spoju kovin povzroči taljenje. V začetku dvajsetega stoletja so tak proces varjenja uporabljali le v proizvodnji kuhinjske posode in drugih gospodinjskih aparatov. Po letu 1933 se uporovno varjenje ţe široko uporablja v industriji. Uporovno točkasto varjenje je proces spajanja brez dodajanja materiala, varjencu doda relativno malo toplote in tako ne vpliva na lastnosti kovine. V primerjavi z drugimi načini varjenja, kot je na primer obločno varjenje, je uporovno točkasto varjenje hitro, proces je lahko avtomatizirati in ga je enostavno vzdrţevati. Je cenovno zelo ugodno spajanje, zato se uporablja za spajanje izdelkov iz pločevine z velikim številom točkastih zvarov. Prav zaradi naštetih prednosti je točkasto varjenje idealno za uporabo pri velikih serijskih proizvodnjah, kot na primer v avtomobilski industriji. Varjenje karoserij tako lahko poteka hitro, popolnoma avtomatizirano, poceni ter zelo kvalitetno. Proces je tudi zelo prilagodljiv za različne tipe karoserij, pločevin, ipd. Ena avtomobilska karoserija ima okoli 5 tisoč točkastih zvarov, ki jih zagotovijo z različnimi varilnimi sistemi vzdolţ proizvodne linije. Moč posameznih varilnih sistemov in oblika klešč je prilagojena delu karoserije, ki ga robot vari. 1.3 Načini točkastega varjenja Potrebno toploto za točkasto varjenje lahko pridobimo z enosmernim ali izmeničnim varilnim tokom. Glede na to ali je varilni tok enosmeren ali izmeničen, se spremeni tudi varilni proces, kar je podrobneje opisano v [2], [3]. Razlike so tako v konstrukciji varilnega transformatorja, kot tudi v obliki in velikosti samega zvara. Razlika v velikosti zvara pri varilnem procesu z enosmernim ali izmeničnim tokom se pojavi zaradi različnega dovajanja energije v točko zvara. Pri enosmernem varilnem toku je dovajanje energije skoraj enakomerno, pri izmeničnem pa pulzirajoče. Prav zaradi izmeničnega napajanja (pri nizkih frekvencah) pa pride tudi do neenakomernega stiskanja varilnih klešč na kovino, saj izmenični tok povzroči pulzirajočo elektromagnetno silo. Zaradi tega je kontaktna upornost
Uvod Stran 5 dosti manjša kot pri varjenju z enosmernim tokom, kjer je kontaktna upornost zelo velika. Posledica je manj dovedene energije pri napajanju z izmeničnim tokom v istem času. Druga teţava udarjanja klešč ob pločevino je mehanska obraba varilnih klešč, ki je pri izmeničnem varilnem toku veliko večja. Je pa sam transformator za točkasto varjenje z izmeničnim tokom konstrukcijsko manj zahteven in cenejši. Na sekundarju namreč nima dragih usmerniških diod, ki so potrebne pri izvedbi sistema za varjenje z enosmernim tokom [4]. Prav tako se pri varjenju z izmeničnim tokom izognemo Peltier-jevemu pojavu. To je pojav, pri katerem se lahko spoj dveh različnih kovin, skozi katerega teče enosmerni tok ali greje ali hladi, odvisno od smeri toka. Gretje ali hlajenje je sorazmerno vrednosti toka, ki teče skozi spoj. V splošnem bi lahko rekli, da ima varjenje z enosmernim varilnim tokom več prednosti, vendar je varjenje z izmeničnim varilnim tokom trenutno še cenejše. Prednosti varjenja z enosmernim varilnim tokom: za enak zvar zadošča manjša efektivna vrednost toka (ali krajši čas iste vrednosti), ima širše tolerance pogojev varjenja, kar pomeni širše področje vrednosti varilnega toka in časa varjenja (weld lobe), varilne elektrode se manj obrabljajo, varilni tok je laţje voditi, cel sistem ima v splošnem večji izkoristek Seveda pa sistema za varjenje ne sestavljata samo varilni transformator in klešče. Potreben je tudi ustrezen pretvornik. Regulacija varilnega toka ter sile stiskanja se seveda zaradi prej naštetih razlik pri varjenju z enosmernim in izmeničnim tokom razlikujeta. Skupno obema sistemoma je izvedba in vodenje robotske roke, na kateri se nahajata varilni transformator in varilne klešče. V tehniki varjenja z enosmernim varilnim tokom so se v zadnjem obdobju uveljavili tako imenovani srednjefrekvenčni sistemi s transformatorjem in usmernikom za uporovno varjenje z enosmernim tokom; v tuji literaturi se uporablja izraz middle frequency direct current (MFDC) sistemi. Tovrsten sistem je sestavljen iz vhodnega usmernika, srednjefrekvenčnega razsmernika, transformatorja s polnovalnim usmernikom na izhodu in naprave za vodenje. Vhodni usmernik usmerja in gladi 3-fazno omreţno napetost. Razsmernik navadno na principu pulzno širinske modulacije generira izmenično napetost
Stran 6 Uvod pravokotne oblike frekvence od 4 Hz do 2 Hz. S to napetostjo je vzbujen varilni transformator, ki ima na izhodu prigrajen polnovalni usmernik. Prednosti srednjefrekvenčnih sistemov s transformatorjem za uporovno varjenje z enosmernim tokom pred sistemi za varjenje z izmeničnim tokom omrežne frekvence so: bolj enakomerna obremenitev 3-faznega omreţja, transformator, ki deluje na višji frekvenci, je manjši od tistega, ki deluje na niţji, delovna frekvenca srednjefrekvenčnega sistema omogoča boljše vodenje varilnega toka, varilni tok je omejen le z ohmskimi upornostmi sekundarja transformatorja in varilnih klešč, induktivnost le-teh vpliva le na čas vzpona in upadanja varilnega toka. Slabosti teh sistemov pa so: visoka cena diod v izhodnem usmerniku, velike toplotne izgube na izhodnem usmerniku, donedavno relativno nizka zanesljivost delovanja. Kljub naštetim prednostim varjenja z enosmernim tokom pa na primer avtomobilska industrija še vedno v večji meri uporablja sisteme za varjenje z izmeničnim tokom omreţne frekvence. Po nekaterih podatkih je teh do 8% in le do 2% je srednjefrekvenčnih sistemov s transformatorjem za uporovno varjenje z enosmernim tokom. Vzrok za to je draga oprema za uporovno varjenje z enosmernim varilnim tokom in relativna nezanesljivost delovanja. Zaradi razvoja tehnike cena opreme za uporovno varjenje z enosmernim tokom upada in hkrati narašča njena zanesljivost. Tako bo v prihodnosti zaradi prihranka pri energiji in zaradi manjše velikosti in manjše mase transformatorja z usmernikom na izhodu verjetno deleţ le-teh naraščal. 1.4 Sistem za točkasto varjenje z enosmernim varilnim tokom V tem diplomskem delu je obravnavan sistem za točkasto varjenje z enosmernim tokom. Sistem za uporovno točkasto varjenje je sestavljen iz enofaznega transformatorja ter
Uvod Stran 7 polnovalnega usmernika in pretvornika, ki napaja transformator. Na sekundarju transformatorja so varilne klešče z elektrodami. Transformator in usmernik sta zdruţena in sta nameščena na robotski roki, pretvornik pa je nameščen posebej. Slika 1.2 prikazuje robotsko roko z varilnim transformatorjem in kleščami. varilni transformator varilne klešče napajalni pretvornik Slika 1.2: Robotska roka za uporovno točkasto varjenje Transformator z usmernikom je namenjen za montaţno na robotsko roko na proizvodnih linijah avtomobilske industrije, zato sta zelo pomembni njegova velikost in teţa, ki morata biti čim manjši. Ob tem pa je zelo pomembno to, da sistem omogoči optimalne pogoje za točkasto varjenje z robotsko roko. Varilni transformator je napajan enofazno s pravokotnimi pulzi, ki jih zagotovimo s pretvornikom. Načini vodenja so podrobneje opisani v [5]. Na sekundarju se s pomočjo polnovalnega usmernika zagotovi enosmerni varilni tok. Velika moč ob majhni teţi sistema pomeni krajši čas trajanja enega zvara, kar je velik interes avtomobilske industrije. Čas varjenja posameznega zvara je do 6 ms, vsaka avtomobilska karoserija ima okoli 5 točkastih zvarov, zato je vsako skrajšanje časa posameznega zvara, ob zagotovitvi enake kvalitete zvara seveda, dobrodošlo. V času varjenja moramo s sistemom za točkasto varjenje zagotoviti moč 12 kw pri toku do 2 ka, teţa pa je omejena na 15 kilogramov [4]. Sistem mora biti zaradi velikega segrevanja seveda tudi učinkovito hlajen. Zato je transformator z usmernikom vodno hlajen, prav tako sta vodno hlajena tudi pretvornik in varilne klešče z elektrodami. Kot vidimo, potrebujemo izredno učinkovit sistem za točkasto varjenje.
Stran 8 Uvod 1.5 Raziskovalni cilji in motivacija Podjetje Indramat Elektromotorji d.o.o. izdeluje varilne transformatorje za točkasto varjenje z enosmernim tokom za podjetje Bosch Rexroth AG po licenci nemškega podjetja Nimak. Trenutno izdelujejo varilne transformatorje, ki delujejo v srednjefrekvenčnih sistemih za točkasto varjenje frekvence 1kHz. Razvoj v avtomobilski industriji pa narekuje hitrejše, bolj okretne sisteme za točkasto varjenje ob isti kvaliteti varjenja. Obenem se z uvajanjem aluminija in drugih zlitin za izdelavo karoserij v avtomobilski industriji pojavlja potreba po še večji moči sistema za točkasto varjenje, pri enakih dimenzijah in teţi transformatorja z usmernikom, saj je sistem montiran na robotski roki. Naslednji problem predstavljajo tokovne konice v primarnem toku transformatorja, ki lahko pripeljejo do izklopa zaščite in izpada proizvodnje za določen čas, kar povzroči skrajno nezaţelene zakasnitve. Tokovne konice predstavljajo tudi določen šok za sestavne dele sistema za točkasto varjenje, kot so diode za usmerjanje sekundarnega toka in izolacija v transformatorju. S svojim pojavom krajšajo ţivljenjsko dobo celotnega sistema. Vse te zahteve in problemi narekujejo razvoj transformatorja k čim boljšim, zanesljivim in cenovno ugodnim rešitvam. Tako kaţe smer razvoja k višjim frekvencam napajanja, kar zmanjša mere in teţo transformatorja pri isti napajalni napetosti. Robotske roke z manjšo teţo so laţje vodljive in hitrejše. Bolj izkoriščen material lahko pri enaki moči zagotovi manjšo teţo. Z analizo izgub se lahko določi primernejša konstrukcija, kar povzroči manjše segrevanje. Razvoj pa je odvisen predvsem od dobrega sistema za preizkušanje prototipov. S temi preizkusi se lahko izboljša konstrukcija in delovanje sistema za točkasto varjenje, prav tako pa se odpravijo porodne teţave, najdejo boljše tehnične rešitve ter spoznajo novi pojavi sistema, ki deluje na višjih frekvencah.
Varilni transformator Stran 9 2 VARILNI TRANSFORMATOR 2.1 Opis transformatorja Transformator sistema za točkasto varjenje z enosmernim tokom je shematsko prikazan na sliki 2.1. A u 1 N 1 TR N 2 N 3 B C D 1 D 2 u b Slika 2.1: Transformator za točkasto varjenje s polnovalnim usmernikom na izhodu Transformator (TR) je enofazni transformator z ţeleznim C jedrom. Na primarno stran transformatorja je priključena pulzno širinsko modulirana napetost u 1, sponki + in pa predstavljata mesto izhodne napetosti u 2 oziroma mesto, kamor priključimo breme (varjenec). Primarno število ovojev je N 1 =55, na sekundarju pa sta dva E-ovoja (N 2 =N 3 =1). Za potrebe točkastega varjenja je transformatorju na sekundarju prigrajen polnovalni usmernik (v točkah A, B in C). Ta zagotovi enosmerni varilni tok na sekundarju, ki znaša 1 do 18 ka. Zaradi relativno velikih induktivnosti bremena nad 1µH tega toka na drug način ne bi mogli doseči. Polnovalno usmerjanje na sekundarju doseţemo z dvema diodama D 1 in D 2 ter dvema ločenima ovojema na sekundarju (slika 2.1). Tak način usmerjanja ima dve veliki prednosti pred načinom z enim sekundarnim ovojem ter štirimi diodami vezanimi v mostič. Diode so namreč zelo drage (ena stane 13 ) in na njih je med procesom varjenja veliko izgub (preko 1kW). Tako prihranimo na stroških izdelave ter izgubah med obratovanjem, ki bi zahtevale dodatno energijo ter hlajenje. Transformator je zaradi velikih izgub hlajen s hladilno tekočino, ki kroţi po hladilnih kanalih transformatorja z usmernikom. Ti kanali tvorijo hladilni sistem. Hladilne površine so večje v tistih delih transformatorja z usmernikom, kjer so izgube največje, in to je v okolici diod v izhodnem usmerniku.
Stran 1 Varilni transformator 2.2 Jedro transformatorja Jedro varilnega transformatorja je prerezano tračno jedro, imenovano tudi C jedro, ki ga prikazuje slika 2.2. Jedro je izdelano iz lamelirane pločevine TRAFOPERM N2 [6]. Tračno jedro se izdela tako, da se pločevina ustreznih dimenzij navije na trn v velikosti transformatorskega okna, nato pa se jedro preţaga. Tako lahko enostavno vstavimo navitja. Med navijanjem se kristalna struktura materiala poslabša, zato se jedra po mehanski obdelavi ţarijo, da dobimo prvotne lastnosti materiala. Posebno pozornost je potrebno posvetiti mestu, kjer je jedro preţagano, saj lahko ob neustrezni obdelavi na tem mestu nastopijo velike izgube. Zračna reţa mora biti dovolj majhna in na robih prereza ne sme biti nikakršnih igel, ki bi povzročile stike med posameznimi ovoji C-jedra. S Fe d e a b g c Slika 2.2: C-jedro transformatorja Na sliki 2.2 je a višina jedra, b debelina pločevine (lamele), c širina jedra, d velikost zračne reţe, e in g višina in širina transformatorskega okna ter S Fe efektivni presek ţeleznega jedra (brez izolacijskega laka). Med posameznimi plastmi pločevine je izolacijski lak, zato velja (2.1) in (2.2). c Nb k L (2.1) pol S Fe abn (2.2) L N L predstavlja število lamel v jedru, k pol pa polnilni faktor jedra.
Varilni transformator Stran 11 Slika 2.3 prikazuje prerezano C-jedro transformatorja. Slika 2.3: Prerezano C-jedro transformatorja 2.3 E-ovoja sekundarnega navitja Sekundarno navitje transformatorja je izvedeno s pomočjo dveh E-ovojev. Ovoj nosi ime E-ovoj zaradi svoje oblike podobne črki E. S svojo konstrukcijo omogoča enostavno izdelavo dobro hlajenih navitij transformatorjev z zelo nizko impedanco. Slika 2.4 prikazuje 2 E-ovoja okoli C-jedra transformatorja. 1 E-ovoja 2 C-jedro C B A Slika 2.4: Konstrukcija sekundarnega navitja z dvema E-ovojema
Stran 12 Varilni transformator E-ovoj transformatorja s C jedrom (slika 2.4) kljub temu, da navidezno dvakrat ovije jedro transformatorja, tvori samo en ovoj transformatorja. E-ovoj uporabimo v primeru, ko potrebujemo na primarni ali sekundarni strani transformatorja zelo velik tok in nizko napetost. V našem primeru sekundar transformatorja sestavljata navitji s številom ovojev N 2 =N 3 =1 (slika 2.1). Vsako navitje je izvedeno s kombinacijo obeh E-ovojev. Ovoja sta vezana zaporedno in imata srednji odcep A. Izhodni napetosti na priključkih B in C sta glede na skupni priključek A fazno premaknjeni za 18, kar potrebujemo za polnovalno usmerjanje po principu, ki je prikazan na sliki 2.1. Pomembna naloga E-ovojev je tudi hlajenje. Skozi E-ovoj je izvrtan kanal, skozi katerega med obratovanjem teče hladilna tekočina. Slika 2.5 prikazuje konstrukcijo E-ovoja. Hladilni kanal Pritrdilni navoj Slika 2.5: Prerezani E-ovoj s hladilnimi kanali in pritrdilnimi navoji Z ustreznim pretokom hladilne tekočine lahko zagotovimo hlajenje transformatorja in s tem povečamo učinkovitost celotnega sistema. Z neustreznim hlajenjem bi temperatura zaradi velikih izgub hitro narasla, kar bi povzročilo zvišanje upornosti. Posledica zvišanja upornosti bi bilo upadanje največjega varilnega toka sistema za točkasto varjenje ter povečanje izgub v navitjih. To pa bi povzročilo spet dodatno segrevanje. Z ugodno konstrukcijo transformatorja pa lahko doseţemo, da se preko hlajenih E-ovojev hladijo tudi drugi deli transformatorja. Na ta način se hladijo tudi tuljave primarnega navitja, kar ugodno vpliva na obratovalne lastnosti in ţivljenjsko dobo transformatorja. Prednost uporabe E-ovojev pa je tudi ta, da lahko zaradi njihovih masivnih oblik uporabimo vijačenje pri sestavljanju, kar bistveno poenostavi in pohitri proces sestavljanja transformatorja.
Varilni transformator Stran 13 2.4 Samonosilne tuljave primarnega navitja Med E-ovojema, ki tvorita sekundarni navitji, je vgrajeno primarno navitje. Navitje s številom ovojev N 1 je sestavljeno iz posameznih samonosilnih tuljav iz pravokotne ţice. Tuljave primarnega navitja so vstavljene med E-ovoja kot je prikazano na sliki 2.6. Posamezne tuljave primarnega navitja se dobro prilegajo k E-ovojema transformatorja in se na ta način tudi dobro hladijo. Presek ţic je izbran tako, da je impedanca primarnega navitja na srednjih frekvencah nizka, ter da so izgube v navitjih čim manjše. 1 sekundarna E-ovoja 3 tuljave primarnega navitja 2 C-jedro transformatorja 4 priključki na sekundarju transformatorja Slika 2.6: Zgradba varilnega transformatorja Na sliki 2.6 sta s številko 1 označena E-ovoja transformatorja, 2 je C-jedro transformatorja, 3 so primarne tuljava med E-ovoji transformatorja. 2.5 Diode Na sekundar transformatorja je prigrajen polnovalni usmernik z dvema diodama, kot je prikazano na sliki 2.1. Diodi imata dve pomanjkljivosti: sta namreč zelo dragi in povzročata večino izgub v varilnem transformatorju. Zaradi velike količine toplote, ki se
Stran 14 Varilni transformator sprosti na diodah, morata biti le-ti ustrezno hlajeni, kar je izvedeno z ustreznimi kanali po ohišju transformatorja, kjer sta diodi vpeti. Slika 2.7 prikazuje diodo za usmerjanje toka na sekundarju varilnega transformatorja. Slika 2.7: Usmerniška dioda 2.6 Zgradba varilnega transformatorja Zgradba celotnega varilnega transformatorja z usmernikom na izhodu je prikazana na sliki 2.8. 12 4 5 6 3 12 6 5 4 1 11 2 3 9 1 7 8 Slika 2.8: Zgradba varilnega transformatorja Na sliki 2.8 je z 1 označen transformator (prikazan na sliki 2.6) zalit v izolacijski material ter oblečen z aluminijem. Št. 2 predstavlja usmerniški del transformatorja, 3 priključke za hladilni sistem, 4 tuljavo Rogowskega za merjenje varilnega toka, 5 pozitivni izhodni priključek, 6 negativni izhodni priključek, 7 usmerniško diodo, 8 posebno vpetje usmerniške diode, 9 močnostni priključek na primarju transformatorja, 1 priključek za tuljavo Rogowskega, 11 priključek za temperaturno stikalo in 12 napisno ploščico s podatki transformatorja.
Varilni transformator Stran 15 2.7 Tipi transformatorjev Preizkušali smo dva različna tipa varilnih transformatorjev. Ta dva tipa se razlikujeta v konstrukcijskih rešitvah jedra transformatorja in primarnega navitja, princip delovanja pa je pri obeh enak. Prvi tip varilnega transformatorja je transformator PSG 616 in je prikazan na sliki 2.9. Ta transformator ima eno C-jedro. Slika 2.9: Zgradba transformatorja PSG 616 Varilni transformator PSG 616 ima primarno navitje sestavljeno iz dveh vzporedno povezanih vej s 55 ovoji. višina jedra: a=65,5 mm srednja dolţina jedra: l sr =313 mm debelina pločevine jedra: b=,1 mm dolţina zračne reţe: d=1-2 mm efektivni presek jedra: S Fe =1376 mm 2 polnilni faktor: k pol =.95 primarna ţica: 8 mm x1,18 mm št. lamel: N L =21 prestavno razmerje: 55:1
Stran 16 Varilni transformator Drugi tip transformatorja je transformator PSG 375, ki ima dve C-jedri. Ta transformator prikazuje slika 2.1. Slika 2.1: Zgradba transformatorja PSG 375 višina jedra: a=55 mm srednja dolţina jedra: l sr =23 mm debelina pločevine jedra: b=,3 mm dolţina zračne reţe: d=1-2 mm efektivni presek jedra: S Fe =198 mm 2 polnilni faktor: k pol =.95 primarna ţica 6 mm x1,6 mm št. lamel: N L =12 (trije prototipi): 3 mm x1,6 mm prestavno razmerje: 55:1 2 mm x1,6 mm
Eksperimentalni sistem Stran 17 3 EKSPERIMENTALNI SISTEM 3.1 Zahteve za vzpostavitev in namen eksperimentalnega sistema Za uspešno in kvalitetno laboratorijsko delo je potreben premišljeno zasnovan, zanesljiv in dober eksperimentalen sistem. Eksperimentalen sistem mora zagotoviti vse pogoje obratovanja, v katerih obratuje varilni sistem v industrijskem obratu, hkrati pa mora biti dovolj prilagodljiv, da lahko opravimo preizkuse tudi v posebnih obratovalnih stanjih z ozirom na razvoj varilnih transformatorjev. Eksperimentalni sistem mora zagotoviti naslednje pogoje: prilagodljivo pulzno širinsko modulirano napajanje transformatorja (širina in oblika pulzov, način in dolţina proţenja, frekvenca), dovolj veliko priključno moč za obratovanje med obremenitvijo, prilagodljive termične pogoje transformatorja (segrevanje, hlajenje transformatorja na določeno temperaturo), zanesljive in natančne merilne verige za merjenje potrebnih primarnih in sekundarnih napetosti in tokov, ustrezno varnost za strojno opremo in uporabnike. Eksperimentalni sistem mora biti zasnovan tako, da bo mogoče opraviti tudi meritve novih generacij transformatorjev pri višjih frekvencah. Namen eksperimentalnega sistema je opravljanje meritev na obstoječih sistemih in razvoj novih varilnih transformatorjev, raziskovanje in odpravljanje obratovalnih teţav ter iskanja novih inovativnih rešitev.
Stran 18 Eksperimentalni sistem 3.2 Opis eksperimentalnega sistema Eksperimentalni sistem je zgrajen na osnovi industrijskega sistema za točkasto varjenje z enosmernim tokom. Shematsko je prikazan na sliki 3.1. vodenje sistema izvor u u u v u w vhodni pretvornik u1 enofazni transformator z usmernikom na izhodu i b breme R b L b Slika 3.1: Shematski prikaz industrijskega sistema za točkasto varjenje Sistem je sestavljen iz vhodnega usmernika in razsmernika, varilnega transformatorja z usmernikom na sekundarju ter bremena. Vir energije je trifazni omreţni priključek. Vhodni usmernik usmeri in gladi trifazno omreţno napetost. Na izhodu usmernika je napetost enosmernega vodila U DC, ki znaša okrog 56 V. Vhodni usmernik enakomerno obremeni vse tri faze, kar je velika prednost pred enofaznimi izmeničnimi varilnimi sistemi za točkasto varjenje. Razsmernik je sestavljen iz tranzistorskega H-mostu, ki zagotavlja ustrezno pulzno širinsko modulacijo (PŠM) napajalne napetosti enofaznega transformatorja. Razsmernik za potrebe industrije napaja prej opisane varilne transformatorje s trinivojskimi pravokotnimi pulzi frekvence 1 khz. Usmernik na sekundarju varilnega transformatorja poskrbi za enosmerni varilni tok, ki se ga da voditi s spreminjanjem širine napajalnih pulzov transformatorja. Breme, ki ga pri varjenju predstavlja varjenec (pločevina), pa ima ohmsko-induktivni značaj. V eksperimentalnem sistemu ga nadomestimo z vodno hlajenim uporom z določeno induktivnostjo. K sistemu spada še vodenje in regulacija razsmernika. Seveda je za dober eksperimentalen sistem potrebno imeti prilagodljivo vodenje sistema. V nasprotju z industrijskim sistemom lahko eksperimentalni sistem obratuje pri različnih frekvencah in oblikah PŠM. Potrebni pa so tudi merilniki primarnih in sekundarnih tokov ter napetosti in zmoţnost ustreznega zajemanja podatkov. Del eksperimentalnega sistema sta še hladilni sistem ter peč, ki lahko zagotovita preizkuse pri različnih temperaturah. V grobem rečeno je eksperimentalni sistem nadgradnja industrijskega sistema za točkasto varjenje, ki sicer obratuje samo pod določenimi pogoji z enim transformatorjem. Na sliki 3.2 je shematski prikaz eksperimentalnega sistema.
Eksperimentalni sistem Stran 19 izvor - omreţje avtotransformator pretvornik hladilni sistem, peč transformator breme R b L b V V A TR tokovne klešče V A tuljava Rogowskega diferenčne sonde optična povezava računalnik s krmilnim sistemom dspace DS113PPC Eksperimentalni sistem sestavljajo: Slika 3.2: Shematski prikaz eksperimentalnega sistema avtotransformator za prilagajanje vhodne napetosti, tranzistorski H-most s prigrajenim usmernikom vhodne napetosti, diferenčne merilne sonde za meritev primarne ter sekundarne napetosti transformatorja ter napetosti enosmernega vodila U DC, tokovne klešče za merjenje primarnega toka transformatorja, tuljava Rogowskega s prigrajenim analognim integratorjem za merjenje sekundarnega (varilnega) toka, digitalni sistem dspace za vodenje razsmernika in zajemanje podatkov, računalnik s programskim paketom Matlab/Simulink za izvedbo vodenja in obdelavo izmerjenih podatkov, osciloskop LeCroy, hladilni sistem za pretvornik, varilni transformator in breme, peč za gretje transformatorja, breme. V nadaljevanju je podan kratek opis posameznih elementov.
Stran 2 Eksperimentalni sistem 3.3 Regulacijski avtotransformator Za spreminjanje amplitude sinusne napetosti, s katero posredno spreminjamo napetost enosmernega vodila U DC, je uporabljen avtotransformator Iskra, tip IRN 14, št. 52/63, nazivne napetosti 4V in frekvence 5Hz. Avtotransformator se uporablja pri preizkusih prostega teka varilnega transformatorja. 3.4 Pretvornik Pretvornik sluţi za napajanje primarne strani varilnih transformatorjev za točkasto varjenje. Sestavljen je iz usmernika in razsmernika, krmiljen pa je s pomočjo krmilnega sistema dspace. Slika 3.3 prikazuje shemo pretvornika uporabljenega za eksperimentalni sistem za točkasto varjenje. Usmerniški del pretvornika predstavlja zgornji del slike 3.3. Usmernik pretvori 3-fazno omreţno napetost v enosmerno napetost U DC. Sestavljen je iz dela za mehki vklop, ter dela za močnostni vklop. Vklop pretvornika se začne s tako imenovanim mehkim vklopom, kjer kontaktor K 2 preko Gretzovega usmernika UM 4 in uporov R 3 in R 4 napolni enosmerno vodilo do določene stopnje. Upora R 3 in R 4 omejujeta vklopni tok med mehkim vklopom. Brez tega procesa bi ob vklopu usmernika prišlo do kratkega stika na izhodni stani usmerniških Gretz mostičev UM 1, UM 2 ter UM 3 zaradi zelo majhne impedance kondenzatorjev in uporov enosmernega vodila. Posledično bi lahko prišlo do uničenja pretvornika. Po napolnitvi kondenzatorjev do določene stopnje se izvrši še vklop močnostnega kontaktorja K 1. Preko tega se dokončno napolnijo kondenzatorji C 1 do C 8 enosmernega vodila. Upori R 1, R 2, R 5 in R 6 skrbijo za praznjenje kondenzatorjev enosmernega vodila ob prenehanju napajanja pretvornika iz omreţja. Razsmerniški del pretvornika je sestavljen iz dveh modulov Semikron SKiiP 642GB-12-2WD. Vsak modul sestavljata po dva tranzistorska IGBT H-mosta, ki sta vezana vzporedno. Vzporedna vezava več tranzistorjev razbremeni posamezen IGBT tranzistor, saj se bremenski tok razdeli med posamezne tranzistorje. Modula imata izvedene lastne gonilnike, ki vsebujejo tudi pretokovno zaščito ter galvansko ločitev. Kondenzatorji C 9 do C 12 sluţijo za glajenje vhodne napetosti v razsmernik, upori R 7 do R 11 pa kot prenapetostna zaščita pretvornika. Modula proţimo s pomočjo krmilnega sistema dspace s PŠM.
Eksperimentalni sistem Stran 21 u u u v u w močnostni kontaktor K 1 A11-3 krmiljenje vklopa kontaktor za mehki vklop K 2 B6-3-1 prenapetostna zaščita pretvornika R 9 R 1 R 11 usmerniški mostič UM 4 SKD31/12 usmerniški mostič UM 1 SKD162/16 usmerniški mostič UM 2 SKD162/16 usmerniški mostič UM 3 SKD162/16 upora za omejevanje vklopnega toka R 3 R 4 enosmerno vodilo pretvornika +U DC C 1 R 1 C 2 C 3 R 2 C 4 C 5 R 5 C 6 C 7 R 6 C 8 -U DC C 9 R 7 C 1 generator pulzov PŠM C 11 R 8 C 12 dspace DS113PPC razsmerniški modul T 1 Semikron SkiiP 642GB-12-2WD razsmerniški modul T 2 Semikron SkiiP 642GB-12-2WD u 1 Slika 3.3: Shema uporabljenega pretvornika Pretvornik ima prigrajeno še temperaturno zaščito H-mostov, merilnik toka za merjenje s tuljavo Rogowskega ter mikroprocesor za nadzor razsmernika. Slednjega pri meritvah nismo uporabljali, saj smo izvedli vodenje razsmernika s krmilnim sistemom dspace. Povezava s krmilnim sistemom dspace je izvedena z optičnim prenosom signala za proţenje pretvornika. S tem je izničen vpliv motenj na proţenje pretvornika in povišana zanesljivost delovanja sistema, saj so v okolici pretvornika med obratovanjem varilnega transformatorja prisotna velika elektromagnetna polja.
Stran 22 Eksperimentalni sistem 3.5 Diferenčne sonde za meritev napetosti Diferenčne sonde pretvarjajo visoko napetost, ki jo merimo na vhodu, v nizko napetost na izhodu z referenco proti masi in ob tem zagotavljajo kvazi galvansko ločitev. Uporabne so za meritve vseh vrst plavajočih potencialov, ki bi jih bilo neposredno teţko in nevarno meriti. Z njimi lahko merimo tako enosmerne kot izmenične napetosti visokih frekvenc (<1 khz) in amplitud (<1 kv). Odlikuje jih visoka točnost. Slika 3.4 prikazuje tipično vhodno vezje ter shematski princip diferenčne sonde. + vhod C vh1 R vh ozemljitveni vhod C vh2 C vh3 R vh u dif u izh - vhod Slika 3.4: Tipično vhodno vezje ter shematski princip diferenčne sonde Zavedati pa se moramo, da s priključitvijo sonde na merjenec vnesemo dodatno upornost, kapacitivnost in induktivnost v vezje merjenca. Vsak vhod sonde ima sicer veliko vhodno impedanco proti masi (zemlji). Pri merjencih z majhno impedanco pri nizkih frekvencah zaradi velikih vhodnih upornosti ne vplivamo na merjenec in meritev. Če pa merimo merjenec z večjo impedanco in (ali) pri visokih frekvencah, lahko z vezjem diferenčne sonde na vhodu (slika 3.4) vplivamo na meritev in moramo vpliv vhodnega vezja diferenčne sonde upoštevati. Za meritve napetosti smo uporabili dve diferenčni sondi DP-25 proizvajalca Chauvin Arnoux, ki sta sluţili za merjenje primarne napetosti varilnega transformatorja u 1 ter napetosti enosmernega vodila U DC. Za meritev sekundarne napetosti varilnega transformatorja u b smo uporabili diferenčno sondo TEKTRONIX P52. 3.6 Merilniki toka Merilniki toka delujejo na principu Hall-ovega generatorja. Omogočajo merjenje enosmernih, izmeničnih in pulzirajočih tokov do zelo visokih frekvenc v zelo širokem področju amplitud. Omogočajo enostavno brezkontaktno merjenje tokov, saj merilnik
i p Eksperimentalni sistem Stran 23 preprosto namestimo okoli vodnika. Velika prednost takšnega merjenja je tudi galvanska ločitev merilnega sistema. Osnovno shemo merilnika toka prikazuje slika 3.5. i s H s i c +15 V UH Hallov element H p R m -15 V u o Slika 3.5: Shema tokovnega merilnika LEM Merilniki toka delujejo tako, da magnetno polje, ki ga povzroča merjeni tok i p v feritnem obroču merilnika, kompenziramo s poljem kompenzacijskega (sekundarnega) navitja. Povezavo med merjenim tokom i p in kompenzacijskim tokom i s predstavlja (3.1). N i p p N i (3.1) s s Enačba (3.1) predstavlja ravnoteţje amper-ovojev primarnega navitja s številom ovojev N p in sekundarnega navitja merilnika s številom ovojev N s. Število ovojev N p je odvisno od uporabnika, oziroma velikosti toka, ki ga merimo, število ovojev N s pa je določeno s konstrukcijo merilnika (na primer N s =1). Pri meritvi majhnih tokov lahko uporabimo več ovojev N p, pri meritvi večjih tokov pa je potrebno paziti, da z vrednostjo primarnih amper-ovojev Ni p p ne prekoračimo vrednosti sekundarnih amper-ovojev Ni s s. Ti so namreč omejeni s številom ovojev kompenzacijskega navitja (na primer N s =1) ter z največjim tokom i s, ki ga še lahko zagotavlja izvor ±15 V. S prekoračitvijo največjega moţnega produkta Ni s s izmerjeni rezultati niso pravilni. Kompenzacijsko navitje zagotovi enakost polj H p in H s s pomočjo Hallovega elementa. Hallov element s pomočjo vezja (slika 3.5) in izvora zagotovi potreben tok i s v kompenzacijskem navitju, tako da je zadoščeno (3.1). Po (3.1) je tok i s sorazmeren merjenemu toku i p. Vrednost toka i s zajamemo kot padec napetosti u o na merilnem uporu R m, ter ga pomnoţimo z ustreznim razmerjem primarnih in sekundarnih ovojev po (3.1) da dobimo tok i p. Amplituda toka, ki ga lahko merimo je odvisna od moţnosti napajanja kompenzacijskega navitja ter točke zasičenja feritnega jedra merilnika.
Stran 24 Eksperimentalni sistem Izhodni signali merilnikov (±4V pri toku ±1A) so ojačeni z operacijskimi ojačevalniki, saj je omejitveno območje krmilnega sistema dspace 1V. Z ojačenjem signala tako bolje izkoristimo razpoloţljivo območje analogno-digitalnih pretvornikov. To je pomembno, kadar merimo majhne toke v velikosti nekaj deset ma, kjer bi v primeru neojačenega signala lahko prišlo do opaznih kvantizacijskih pogreškov. Kot vsa analogna vezja imajo tudi merilniki toka svojo preostalo napetost, ki se kaţe kot prisotnost enosmerne komponente napetosti takrat, ko ne teče skozi merilnik noben tok. Prisotnosti takšne enosmerne komponente imenujemo napetostni off-set, kompenziramo pa ga lahko na več načinov. Off-set merilnikov toka lahko na primer kompenziramo z nastavitvijo nasprotnega off-seta prigrajenih operacijskih ojačevalnikov. Off-set je temperaturno odvisen, zato smo kompenzacijo upoštevali in avtomatizirali na nivoju programske opreme. Za meritve v prostem teku smo za merjenje primarnega toka i 1 uporabili tokovne klešče HAMEG HZ56, za meritve v kratkem stiku transformatorja pa smo za merjenje primarnega toka i 1 uporabili merilnik toka LEM LT 5-S. Razlog za uporabo različnih merilnikov je veliko večji tok i 1 pri preizkusih kratkega stika transformatorja. 3.7 Merilnik toka s tuljavo Rogowskega Tuljava Rogowskega je prikazana na sliki 3.6. N R i i Slika 3.6: Ponazoritev tuljave Rogowskega
Eksperimentalni sistem Stran 25 Tuljava Rogowskega prav tako omogoča brezkontaktno merjenje izmeničnih in pulzirajočih tokov visokih amplitud. Zgrajena je iz nemagnetnega jedra okoli katerega je navitje navito na takšen način, da je inducirana napetost u rog tega navitja čim manj občutljiva na zunanja magnetna polja. Prednost tuljave Rogowskega je, da zaradi nemagnetnega jedra le-to ne more priti v nasičenje, slabost pa da ne moremo meriti enosmernih tokov. V okolici električnega vodnika, v katerem teče tok i, se ustvari magnetno polje, ki v tuljavi Rogowskega induciran napetost u rog. Inducirano napetost u rog lahko zapišemo s (3.2). u rog di M (3.2) dt Napetost u rog je sorazmerna konstanti M in časovni spremembi toka i. Konstanta M je medsebojna induktivnost med merilno tuljavo in vodnikom. Ta medsebojna induktivnost je odvisna od geometrije tuljave, ki je v našem primeru v obliki toroida (slika 3.6). Medsebojna induktivnost vodnika in toroida s slike 3.6 je podana v (3.3). M Nh R rz ln (3.3) 2 r n V zapisu (3.3) je N R število ovojev tuljave Rogowskega, je magnetna permeabilnost praznega prostora, h je srednja višina toroida, r n in r z pa sta notranji in zunanji polmer toroida. Da je meritev s tuljavico Rogowskega čim bolj točna, od tuljavice Rogowskega zahtevamo enakomerno navitje in konstantno površino prereza toroida hr r z. Tuljava Rogowskega ima zelo dobre lastnosti kot merilni odjemnik in se zaradi tega veliko uporablja v močnostni elektroniki, vendar pa glede na (3.2) ni najbolj primeren za merjenje enosmernih tokov. Merjeni tok mora biti vsaj pulzirajoč enosmeren tok, kot je na primer varilni tok pri uporovnem točkastem varjenju. Osnovne značilnosti tega merilnega odjemnika so: n ima širok frekvenčni pas delovanja, merimo lahko zelo velike vrednosti električnega toka, tuljavica nima feromagnetnega jedra in zato ne zaide v nasičenje, omogoča galvansko ločitev med merjenim tokom in merilnikom,
Stran 26 Eksperimentalni sistem merilni odjemnik praktično ne obremeni merjenca in linearen odziv. Iz (3.2) je razvidno, da je inducirana napetost tuljave u rog proporcionalna odvodu toka i, ki ga merimo. Če ţelimo dobiti dejansko vrednost toka, ki ga merimo s tuljavo Rogowskega, moramo napetost u rog integrirati. To lahko storimo na več načinov, eden izmed načinov, ki smo ga uporabili tudi v našem merilnem sistemu, je integracija z analognim integratorjem. Slika 3.7 prikazuje vezje analognega integratorja, uporabljenega za integriranje napetosti u rog za potrebe določanja sekundarnega toka v merilnem sistemu. proţenje s krmilnim sistemom dspace DS113PPC SW C I u rog R I u o Slika 3.7: Vezje analognega integratorja Vezje na sliki 3.7 predstavlja analogni integrator. Na izhodu dobimo napetost, ki je proporcionalna toku, ki teče skozi tuljavo Rogowskega. Stikalo SW sluţi resetiranju integratorja (postavi začetno vrednost na ), kar moramo storiti pred vsakim merjenjem, da začnemo integrirat z vrednosti. Stikalo je proţeno s pomočjo računalnika in je razklenjeno samo med meritvijo, torej je vrednosti integratorja ob začetku meritve vedno. Slabost integriranja z analognim integratorjem pa je, da lahko izhodna napetost zaradi preostalega toka in napetosti realnega operacijskega ojačevalnika, ki je uporabljen v analognem integratorju, s časom leze, oziroma se ji povečuje enosmerna komponenta. To lahko delno rešimo z uporabo zelo kvalitetnih operacijskih ojačevalnikov ali pa z uporabo naprednega integratorja [5]. Pri izdelavi analognega integratorja moramo paziti na: razpored elementov na vezju, uporabiti čim manjše število električnih spojev, uporabiti primerne materiale Za meritve varilnega toka i b smo uporabili tuljavo Rogowskega KEMPF 4-3-855-3
Eksperimentalni sistem Stran 27 3.8 Krmilni sistem dspace DS113PPC Krmilni sistem dspace DS113PPC s pripadajočim uporabniškim vmesnikom je sestavljen iz strojne in programske opreme. Strojni del opreme krmilnega sistema dspace predstavlja procesorska kartica DS113, ki je preko 16-bitnega ISA vodila priključena na osebni računalnik. Na procesorski kartici se nahajajo: glavni procesor IBM Power PC64e s frekvenco 4 MHz, 2Mb lokalnega SRAM, 32Mb globalnega DRAM pomnilnika, sistem prekinitvenih rutin (ISR), 2 analogno-digitalnih in 8 digitalno-analognih pretvornikov, sedem vhodov za inkrementalni dajalnik poloţaja, 8-bitna štirikanalna digitalna vhodnoizhodna enota in serijski RS232, RS422 ter CAN vmesniki. Na kartici je tudi podrejen signalni procesor Texsas Instruments TMS32F24 s frekvenco 2MHz z vgrajeno podporo za simetrično, asimetrično in vektorsko pulzno širinsko modulacijo (PŠM). Vgrajen ima en trifazni in štiri enofazne PŠM izhode, dva analogno-digitalna pretvornika ter 18-bitno programljivo digitalno vhodno-izhodno enoto. Pod strojno opremo spada še razširitveni modul, kjer so priključki za komuniciranje dspace-a z ostalimi deli eksperimentalnega sistema (pretvornikom, merilnimi členi, ipd.). Programski del opreme predstavlja programski paket Matlab/Simulink s knjiţnico Real Time Interface (RTI) in prevajalnikom Microtec C Compiler. V programu Matlab/Simulink s pomočjo knjiţnice RTI izvedemo logiko izvajanja določenega procesa, nato pa prevajalnik Microtec C Compiler prevede program na signalni procesor, ki je na kartici dspace-a. Program se nato izvaja v signalnem procesorju v realnem času, računalnik sluţi samo še za komunikacijo s krmilnim sistemom. Za komunikacijo uporabljamo grafični vmesnik programa ControlDesk. ControlDesk je interaktivni grafični vmesnik med krmilnim sistemom in uporabnikom. Omogoča nam zajemanje, spreminjanje in shranjevanje podatkov v realnem času. Za poljuben eksperiment si lahko naredimo svoj grafični vmesnik, ki nam omogoča hitro in pregledno delo, tudi v kompleksnih procesih. Za potrebe eksperimentalnega sistema za točkasto varjenje sluţi krmilni sistem dspace za vodenje pretvornika ter zajemanja podatkov. Sistem dspace lahko zagotovi frekvence PŠM do 1 MHz, ter najmanjši čas vzorčenja 1-5 s. Za potrebe meritev transformatorjev za točkasto varjenje je problematičen prav čas vzorčenja, saj pri preizkusih na višjih frekvencah (>5 khz) ne dobimo zadostnega števila odtipkov na periodo za kvalitetno obdelavo izmerjenih podatkov. Zato smo za zajemanje podatkov nad 5 khz uporabili osciloskop LeCroy Waverunner LT26-4M.
Stran 28 Eksperimentalni sistem 3.9 Hladilni sistem in peč Eksperimentalni sistem za točkasto varjenje mora imeti zaradi velikih izgub med preizkušanjem tudi ustrezni hladilni sistem. Hladilni sistem je sestavljen iz dveh delov, hladilni sistem za pretvornik ter hladilni sistem za varilni transformator in breme. Vsak del hladilnega sistema lahko posebej krmilimo. Hladilni sistem je izveden s pomočjo ustreznih hladilnih kanalov skozi pretvornik (hlajenje H-mostov), transformator ter breme, ki so povezani prek cevi z izvorom hladilne tekočine. Hladilna tekočina je v našem primeru voda. Peč sluţi za izvajanje preizkusov pri različnih temperaturah ţeleznega jedra transformatorja. Tako lahko preučimo temperaturni vpliv na izgube in delovanje transformatorja. 3.1 Breme Breme sluţi za preizkuse obremenitve varilnega transformatorja. Breme ima ohmsko induktivni značaj z R b =8 µω in L b =1 µh. Breme ima prav tako hladilni kanal za hlajenje. Slika 3.8 prikazuje breme. Guma za zaščito vodnika Vodni priključek za hladilni sistem Električni priključek Slika 3.8: Breme
Delovanje sistema Stran 29 4 DELOVANJE SISTEMA 4.1 Razsmernik Primarna stran enofaznega transformatorja je napajana z izmenično napetostjo u 1. To napetost dobimo iz razsmernika, ki je prikazan na sliki 4.1. Na izhodu razsmernika se v odvisnosti od stanj tranzistorjev S lahko pojavijo le tri različne napetosti: U DC, V in U DC. Ko sta vključena tranzistorja S 1 in S 4, je na bremenu napetost U DC, ko sta vključena tranzistorja S 2 in S 3 je na izhodu napetost U DC, ko pa so izključeni vsi štirje tranzistorji, pa je napetost V. S takšnim načinom vodenja razsmernika lahko doseţemo trinivojsko napajanje varilnega transformatorja. Trajanje posameznih napetosti pa je odvisno od trajanja prevajanja posameznih parov tranzistorjev. Hkraten vklop tranzistorjev S 1 in S 2 ali S 3 in S 4 pa je prepovedan, saj bi tranzistorska para na ta način uničili. Preko diod D H* v razsmerniku se v času, ko so vsi tranzistorji izključeni in je v magnetnem polju jedra transformatorja nakopičena energija, zaključi električni tok in se del te energije vrne nazaj v kondenzator na enosmernem vodilu. S 1 S 3 D H1 D H2 U DC u 1 S 2 S 4 TR D H3 D H4 Slika 4.1: Shema razsmernika
Stran 3 Delovanje sistema 4.2 Pulzno širinska modulacija Pretvornik generira vzbujalno napetost transformatorja u 1 na principu pulzno širinske modulacije (PŠM). Princip PŠM je v nadaljevanju zaradi laţjega razumevanja razloţen na principu ţage (slika 4.2), čeprav generiranje PŠM v eksperimentalnem sistemu deluje na osnovi digitalno programljivih števcev. a) u t [V] Am Am 2 U ref T p 4 T p 2 3 T p 4 T p t [s] b) u m [V] 15 V S 1,S 4 S 2,S 3 T ON T ON t [s] c) u 1 [V] +U DC T ON T p 4 T p 2 3 T p 4 T p t [s] -U DC T ON Slika 4.2: Princip PŠM na osnovi ţage Slika 4.2 prikazuje princip generiranja pulzov PŠM na osnovi ţage. Pulzno širinski modulator generira proţilno modulacijsko napetost u m za proţenje tranzistorjev v pretvorniku s primerjavo trikotne napetosti u t in referenčne napetosti U ref (slika 4.2 a)). Trikotna napetost u t ima amplitudo Am / 2 ter enosmerno komponento Am / 2. Ko je napetost u t večja od referenčne U ref napetosti, modulator generira napetost u m =15 V, ko pa je napetost u t manjša od referenčne napetosti U ref pa je napetost na izhodu modulatorja u m = V. Napetost na izhodu modulatorja u m je prikazana na sliki 4.2 b). Ta napetost je uporabljena
Delovanje sistema Stran 31 za proţenje tranzistorjev razsmernika. Če ţelimo zagotoviti trinivojsko napajanje transformatorja z izhodno napetostjo u 1, mora proţenje tranzistorjev razsmernika potekati tako, da ob lihih polperiodah pretvornik vklaplja tranzistorja S 1 in S 4, ob sodih polperiodah pa vklaplja tranzistorja S 2 in S 3, kot je prikazano na sliki 4.2 b). Tako dobimo trinivojsko izhodno u 1 napetost iz pretvornika, kot jo kaţe slika 4.2 c). Na sliki 4.2 je s Tp označen čas trajanja ene periode vzbujalne napetosti. Tp je hkrati interval na katerem opazujemo efektivno vrednost napetosti s katero napajamo breme. S trajanjem časovnega intervala T ON se spreminja efektivna vrednost vzbujalne napetosti, srednja vrednost vzbujalne napetosti pa je vedno enaka V. V skladu s spreminjanjem efektivne vrednosti vzbujalne napetosti se spreminja tudi varilni tok i b. Enačba (4.1) predstavlja prevajalno razmerje tranzistorjev dr. 2T ON dr (4.1) T p Prevajalno razmerje dr (duty ratio) predstavlja relativni deleţ časa v periodi, kjer prevajata tranzistorska para in dobimo na izhodu pretvornika napetost U DC ali U DC. Iz (4.1) je razvidno, da pri konstantnem Tp z večjim prevajalnim razmerjem dr doseţemo daljši čas T ON. Kot ţe omenjeno z večanjem časa T ON večamo efektivno napetost na izhodu iz pretvornika, torej lahko efektivno vrednost napetosti u 1 in posledično tok i b spreminjamo s prevajalnim razmerjem dr. Časovni interval T ON in s tem prevajalno razmerje dr spreminjamo z vrednostjo referenčne napetosti U ref. Večja kot je napetost U ref, daljši je čas T ON in obratno. Ne glede na vrednost U ref se časovni interval T ON širi od sredin polperiod navzven, to je od časov ( Tp / 4 +ntp) in ( 3Tp / 4 +ntp) (n=1,2,3 ), zato se ta tip modulacije imenuje sredinsko umeščen tip pulzno širinske modulacije. S takšnim načinom proţenja lahko zagotovimo vse od dvonivojskega napajanja transformatorja (T ON =T p /2), pa do čisto kratkih pulzov trinivojskega napajanja. Frekvenco napajanja določimo s parametrom T p. Nadgradnja takšnega načina generiranja PŠM je nesimetrična, sredinsko umeščena pulzno širinska modulacija. Razvita je posebej za zmanjševanja vplivov nesimetrij pri naprednem vodenju varilnih transformatorjev [5]. S takšnim načinov vodenja zagotovimo večjo izkoriščenost materiala ter večjo zanesljivost delovanja celotnega sistema za točkasto varjenje. Pri nesimetrični sredinsko umeščeni pulzno širinski modulaciji čas trajanja pozitivnih pulzov napajalne napetosti ni enak času trajanja negativnih pulzov napajalne
Stran 32 Delovanje sistema napetosti: kolikor so eni časovno daljši, so drugi krajši (slika 4.3). Za enak varilni tok i b je v primeru nesimetrične vzbujalne napetosti potrebna enaka efektivna vrednost vzbujalne napetosti kot pri simetrični vzbujalni napetosti. u 1 [V] +U DC T ONL T p 4 T p 2 3 T p 4 T p t [s] -U DC T ONS Slika 4.3: Nesimetrična vzbujalna napetost Princip PŠM, ki generira nesimetrične sredinsko umeščene pulze napetosti, je prikazan na sliki 4.4 in je zelo podoben, kot prej opisani princip PŠM (slika 4.2). Razlika je v referenčni vrednosti napetosti in sicer: u ref U U ref ref U U za lihe polperiode za sode polperiode (4.2) u t [V] Am u ref U ref U U u m [V] 15 V T p 4 T p 2 3 T p 4 T p t [s] S 1,S 4 S 2,S 3 T ONL T ONS t [s] Slika 4.4: Princip nesimetrične PŠM
Delovanje sistema Stran 33 V lihih polperiodah povečamo referenčno vrednost napetosti, v sodih polperiodah pa jo za isto vrednost zmanjšamo, kar povzroči generiranje krajšega in daljšega pulza, za katera velja: T T 2T (4.3) ONL ONS ON S tem se ustrezno spremenita tudi prevajalni razmerji za oba para tranzistorjev. Prevajalno razmerje za prvi par opisuje (4.4), za drugi par pa (4.5). dr dr L D 2T ONL (4.4) T p 2T ONS (4.5) T p Kljub temu pa se skupno prevajalno razmerje vseh 4 tranzistorjev ne spremeni, kar je razvidno iz (4.3). 4.3 Vodenje eksperimentalnega sistema Generator PŠM eksperimentalnega sistema je izveden na osnovi digitalno programljivih števcev. Pulze proţenja tranzistorjev generiramo digitalno s pomočjo števcev, kjer je potrebno čas T ON kvantizirati. Vrednost časa T ON se nato zapiše v števce in nato se sproţi začetek štetja. Med posameznimi pulzi moramo imeti mrtvi čas nekaj mikrosekund, da en par tranzistorjev dejansko neha prevajati in da lahko s prevajanjem začne drug par. S tem se izognemo kratkemu stiku tranzistorjev in uničenju pretvornika. Generiranje pulzov PŠM in zajemanje podatkov je izvedeno s pomočjo krmilnega sistema dspace in programskega paketa Matlab/Simulink. Proces vodenja, realiziran v Simulinku, je prikazan na sliki 4.5. Nadzora in dostopa do aplikacije na signalnih procesorjih sistema dspace ni mogoče realizirati direktno iz Simulinka, temveč je potrebno uporabiti poseben uporabniški vmesnik ControlDesk.
Trigger() Stran 34 Delovanje sistema RTI Data reset integratorja za IL Convert 1/1 1 DAC DS113DAC_C1 makepuls C Data Store Write2 zacetek in trajanje prozenja U_DC U_DC UDC>> I>> u y I filter_1r1 napaka A I_p zajemanje merjenih velicin reset reset PWM_enable zascita in logika Data Store Write B Data Store Write1 DS113 Board Timer B interrupt Timer Interrupt generiranj pulzov Interrupt-Driven Subsystem A Data Store Memory B Data Store Memory1 C Data Store Memory2 Slika 4.5: Blokovna shema vodenja in zajemanja podatkov realizirana v Simulinku Na sliki 4.5 vidimo, da je programski sistem vodenja in zajemanja podatkov za potrebe preizkušanja varilnih transformatorjev razdeljen v 5 delov in sicer: 1. začetek proţenja, trajanje proţenja in periodično ponavljanje proţenja eksperimentalnega sistema, 2. zajemanje merjenih veličin, 3. zaščita in logika, 4. generiranje ţelenih pulzov PŠM ter pošiljanje vseh proţilnih signalov na pretvornik (Interrupt-driven subsystem) in 5. proţenje merilnih členov (reset integratorja za tuljavico Rogowskega). Na shemi 4.5 so prisotni še trije pomnilni členi (Data store memory A, B in C), ki prenašajo signale iz ostalih delov v podsistem za generiranje PŠM (Interrupt-driven subsystem), ki se izvaja na podrejenem signalnem procesorju za PŠM. Pri meritvi primarnega toka za potrebe zaščite in logike je uporabljen še filter, ki izloča motnje, ki nastanejo v merilni verigi primarnega toka. S tem preprečimo izklope celotnega sistema, ki
Delovanje sistema Stran 35 bi se pojavili zaradi motenj. S pomočjo programa ControlDesk lahko med izvajanjem programa, ki je prikazan na sliki 4.5, nastavljamo parameter reset. 4.3.1 Podsistem za začetek, trajanje in periodično ponavljanje proženja Na sliki 4.6 je prikazan podsistem, ki zagotovi začetek, trajanje in periodično ponavljanje generiranja pulzov PŠM. nastavljanje vhodne vrednosti integratorja go 1 trajanje Divide 1 s Integrator Convert <= 1 AND 1 makepuls make-puls < 1 logično vezje za generiranje signala make-puls ( ali 1) ročno stikalo: gor enkratno proţenje dol periodično ponavljanje proţenja >= (4-TS) >=.99 AND logično vezje za resetiranje integratorja vsako 4. periodo RESET-integ Slika 4.6: Podsistem za začetek, trajanje in periodično ponavljanje proţenja S tem podsistemom določimo del pogojev za generiranje pulzov PŠM. Podsistem na sliki 4.6 je sestavljen iz integratorja in logičnega vezja. Z uporabniškim vmesnikom ControlDesk v realnem času dostopamo do parametrov go in trajanje. S parametrom go sproţimo proces generiranja pulzov in proţenja pretvornika s PŠM, s parametrom trajanje pa določimo dolţino trajanja signala make-puls, ki določa generiranje pulzov PŠM (trajanje - 1 s). Ko spremenimo vrednost go na 1, dobimo konstantno vrednost na vhodu integratorja. S parametrom trajanje določimo konstantno vrednost na vhodu integratorja in s tem čas naraščanja izhoda do vrednosti 1. Večja kot je vhodna vrednost v integrator, hitreje naraste izhod na vrednost 1 in s tem je krajši čas generiranja pulzov PŠM. Za integratorjem je logično vezje, ki ob prekoračitvi vrednosti 1 izhoda iz integratorja postavi parameter make-puls na in s tem ustavi generiranje proţenja s PŠM. Tako sta določena začetek in trajanje generiranja pulzov PŠM, ki proţijo pretvornik. Če ţelimo periodično ponavljanje proţenja pretvornika, preključimo stikalo na spodnji del logičnega vezja, ki poskrbi za resetiranje integratorja vsako četrto periodo. Na takšen način dobimo proţenje pretvornika vsako četrto periodo, s trajanjem periode, ki jo nastavimo s parametrom trajanje. Vrednost make-puls se shrani v pomnilnem elementu C in se prenese v podsistem za generiranje PŠM, kjer določa začetek in trajanje generiranja PŠM.
Stran 36 Delovanje sistema 4.3.2 Podsistem za zajemanje merjenih veličin Na sliki 4.7 je predstavljen podsistem za zajemanje merjenih veličin ADC DS113ADC_C17 1*2 UDC 1 U_DC MUX ADC DS113MUX_ADC_CON4 1*5 Us MUX ADC DS113MUX_ADC_CON1 MUX ADC DS113MUX_ADC_CON2 MUX ADC DS113MUX_ADC_CON3 1*5/68 Ip -K- ILOAD 1*2 Up 2 I_p Slika 4.7: Podsistem za zajemanje merjenih veličin Podsistem sestavljajo vhodni bloki za branje podatkov DS113ADC ter ojačenja za posamezne merilnike, ki jih uporabljamo pri določenih meritvah. Ojačenja posameznih merilnikov so odvisna od merilnega območja na katerem le-ti delujejo in drugih parametrov merilnikov. S pomočjo teh blokov preberemo signal z merilnikov ter ga ustrezno ojačimo, da dobimo realne vrednosti merjenih veličin. Izmerjene časovne poteke signalov Up, Ip, Us, ILOAD in UDC lahko s pomočjo programa ControlDesk shranimo in kasneje obdelamo v Matlabu. Izmerjeni veličini UDC in Ip uporabimo tudi za potrebe programske zaščite eksperimentalnega sistema v podsistemu zaščita in logika. 4.3.3 Podsistem zaščita in logika Slika 4.8 prikazuje podsistem za programsko zaščito eksperimentalnega sistema. 3 U_DC 1 u Abs1 > 77 reset S R Q!Q 1 UDC>> S-R Flip-Flop 2 I u Abs > 4 S R Q!Q 2 I>> S-R Flip-Flop2 OR Logical Operator S R Q!Q S-R Flip-Flop4 3 napaka 4 PWM_enable Slika 4.8: Podsistem zaščita in logika
Delovanje sistema Stran 37 Programska zaščita je sestavljena s pomočjo flip-flopov. Zagotovljena je prenapetostna zaščita enosmernega vodila U DC in pretokovna zaščita primarnega toka i 1. Ob prekoračitvi nastavljene mejne vrednosti ene izmed merjenih veličin se izhodi flip-flopov Q postavijo na 1. Signal napaka sluţi za zaustavitev generiranja PŠM, signala UDC>> in I>> pa sluţijo za indikacijo napake, ki je povzročila delovanje zaščite. Ob delovanju zaščite izhodne vrednosti flip-flopov preprečujejo nadaljnjo generiranje PŠM dokler jih ne ponastavimo na vrednost s parametrom reset. Signala PWM_enable in napaka sta negirana eden glede na drugega in sta potrebna za izvajanje oziroma ne izvajanje generiranja PŠM. Shranita se v pomnilnih elementih A in B ter se preneseta v podsistem za generiranje PŠM. Mejna vrednost napetosti enosmernega vodila je U DC =77 V, mejna vrednost primarnega toka je i 1 =4 A. 4.3.4 Podsistem za generiranje pulzov PŠM Podsistem za generiranje pulzov PŠM je predstavljen na sliki 4.9. f() Trigger a PWM Channel 1 PWM Channel 2 da PWM Channel 3 Sum stevec 2 c2 rem rem Convert. PWM Channel 4 DS113SL_DSP_PWM Converdct2 1 1 NOT Convert pwm_stop 1 z Unit Delay.5 krajsanje_pulza Switch dct1 b OR 1 Data Store Read1 A db.. duti_ratio. duti_ratio_delta C Convert B Data Store Read2 Convert NOT BIT #8 Data Store Read BIT # BIT #9 BIT #1 BIT #1 BIT #2 BIT #11 BIT #3 NOT BIT #12 AND BIT #4 BIT #13 enable_h_bridge lo1 BIT #5 BIT #14 BIT #6 BIT #15 BIT #7 DS113BIT_OUT_G1 DS113BIT_OUT_G Slika 4.9: Podsistem za generiranje pulzov PŠM
Stran 38 Delovanje sistema Podsistem za generiranje je realiziran s pomočjo bloka Interrupt-driven subsystem, ki ga proţimo z blokom DS113 Timer B interrupt. Ta blok poskrbi za proţenje celotnega podsistema z dolţino periode T PŠM. S tem parametrom je določena frekvenca PŠM, s katero proţimo pretvornik. Povezavo med T PŠM in T p izhodne napetosti predstavlja (4.6). T p 2T (4.6) PŠM Izhodna napetost pretvornika ima torej 2 krat manjšo frekvenco kot je frekvenca PŠM. Razlog je v izvedbi proţenja, saj en par tranzistorjev proţimo samo v lihih periodah T PŠM, drugega pa v sodih. Generiranje PŠM, ki je opisana v poglavju 4.2 torej ne poteka na principu ţage, temveč digitalno s pomočjo števcev. Proces generiranja PŠM se izvaja na podrejenem signalnem procesorju Texsas Instruments TMS32F24, medtem ko se ostali del programa izvaja na glavnem procesorju sistema dspace. Zato moramo uporabiti pomnilne elemente A, B in C, da lahko uporabimo signale make-puls, napaka ter PWM_enable. Ti signali nam določajo začetek in trajanje generiranja PŠM v tem podsistemu. V podsistemu za generiranje pulzov PŠM lahko z uporabniškim vmesnikom ControlDesk določamo parametre duti_ratio, duti_ratio_delta, krajsanje_pulza, pwm_stop ter enable_h_bridge. Parameter duti_ratio določa ţeleno prevajalno razmerje PŠM, duti_ratio_delta pa spremeni prevajalno razmerje obema paroma tranzistorjev, tako da le ti delujejo v skladu s (4.3), (4.4) in (4.5). Na sliki 4.9 vidimo, da prištejemo prevajalnemu razmerju za prvi par enako vrednost kot odštejemo prevajalnemu razmerju za drugi par tranzistorjev ali obratno. S tem zagotovimo ustrezno širjenje ali oţenje zgornjega in oţenje ali širjenje spodnjega pulza PŠM. Ob začetku napajanja transformatorja se lahko pojavijo nezaţelene tokovne konice, ki povzročijo delovanje zaščite in izklop pretvornika. Ta pojav lahko omilimo s krajšanjem prvega napajalnega pulza. Krajšanje prvega pulza doseţemo s parametrom krajsanje_pulza. Pri preizkušanju varilnih transformatorjev se je za najbolj učinkovito krajšanje prvega napajalnega pulza obnesla vrednost med,5 in,6. Ustrezni omejevalniki signala v vezju poskrbijo za to, da vrednost prevajalnega razmerja ostane med vrednostjo in 1. Vrednost prevajalnega razmerja v praksi namreč ne more bit več kot ena. Bloka stevec in rem poskrbita za izmenično generiranje pulzov ustreznih parov tranzistorjev v lihih in sodih periodah. Izhod iz bloka rem je lahko samo 1 ali
Delovanje sistema Stran 39 (blok rem vrne ostanek pri deljenju števca z 2). Tako tranzistorja 1 in 4 vedno prevajata v lihih periodah PŠM, tranzistorja 2 in 3 pa v sodih periodah PŠM. Celoten signal za prevajalno razmerje je pomnoţen še s signalom make-puls, ki zagotovi prej opisan začetek in trajanje generiranja pulzov PŠM. V bloku DS113SL_DSP_PWM se nato iz signala prevajalnega razmerja generirajo ustrezni pulzi PŠM, ki so poslani na izhod krmilnega sistema dspace in proţijo pretvornik za napajanje transformatorja. Krmilni sistem dspace in pretvornik sta povezana z optično povezavo. Ob vrednosti parametra pwm_stop=1 ali napaki iz bloka zascita in logika, se generiranje PŠM v bloku DS113SL_DSP_PWM ne izvrši. Na pretvornik za napajanje varilnega transformatorja sta prav tako poslana signala make-puls in enable_h_bridge. Ob ustreznih vrednostih opisanih signalov pretvornik začne z napajanjem varilnega transformatorja. 4.3.5 Uporabniški vmesnik ControlDesk Program ControlDesk omogoča nadzor procesa, ki se izvaja v procesorju krmilnega sistema dspace. S spreminjanjem izbranih parametrov programa lahko nadzorujemo proces vodenja pretvornika preko krmilnega sistema dspace, hkrati pa enostavno zajemamo izmerjene veličine med samim procesom. Na sliki 4.1 je prikazan eksperiment za vodenje sistema za točkasto varjenje, sestavljen v programu ControlDesk. Slika 4.1: Eksperiment v programu ControlDesk