Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric

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


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


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;


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,


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


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


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.


8/18

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


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.


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


11/18


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 ∗ ∗ ∗ ;


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− ;


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 ⟹ = . ;


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 ⟹ = . ;


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


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


18/18

18

Fig.9 Rezistența de sarcină Rs=RT1=2.66

Fig.10 Rezistența de sarcină Rs=RT2=0.44

Documents

Sursa de putere cu invertor pentru sudare cu arc elctric