Ηλεκτροτεχνικές...

Ηλεκτροτεχνικές Εφαρμογές Ενότητα 7: Συγκόλληση Τόξου Μετάλλων

Γεώργιος Χ. Ιωαννίδης

Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών ΤΕ

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα

Άδειες Χρήσης

• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons.

• Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

2

Χρηματοδότηση • Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια

του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.

• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού.

• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

3

Σκοποί Ενότητας

Ο στόχος της 7ης Ενότητας είναι η εξοικείωση του φοιτητή με την εφαρμογή των συγκολλήσεων τόξου μετάλλων. Πιο

συγκεκριμένα, γνωρίζει τις κατηγορίες τόξων συγκόλλησης, τις πηγές ισχύος που χρησιμοποιούνται και μαθαίνει να επιλέγει ή

να προδιαγράφει μηχανές συγκόλλησης ανάλογα με το είδος της εφαρμογής.

4

Περιεχόμενα Ενότητας

• Συγκόλληση Τόξου Μετάλλων • Μηχανές «Διπλού Ελέγχου» • Συστήματα Σταθερής Τάσης (CV) • Τύποι Μηχανών Συγκόλλησης • Περιστροφικές Μηχανές Συγκόλλησης • Δίοδος Πυριτίου • Λειτουργία Τυπικού SCR • Αντιστροφείς (Inverters)

5

Συγκόλληση Τόξου Μετάλλων

• Ο μόνος τρόπος συνένωσης δύο ή περισσότερων κομματιών μετάλλου έτσι ώστε να συμπεριφέρονται ως ένα.

• Ηλεκτρικό Τόξο: Παραμένουσα φωτεινή ηλεκτρική εκφόρτιση κατά μήκος ενός διάκενου λόγω πυρακτώσεως των αγώγιμων ατμών του διάκενου.

6

Μέθοδοι Εφαρμογής

• Χειροκίνητη Συγκόλληση.

• Ημιαυτόματη Συγκόλληση.

• Μηχανοποιημένη Συγκόλληση.

• Αυτόματη Συγκόλληση.

• Συγκόλληση με Robot.

• Συγκόλληση Προσαρμοσμένου Ελέγχου.

7

Το Κύκλωμα Ηλεκτροσυγκόλλησης Αποτελείται

• Την Πηγή Ισχύος • Το Ηλεκτρικό Τόξο Συγκόλλησης • Το Ηλεκτρόδιο Συγκόλλησης • Αναλώσιμο ή • Μη Αναλώσιμο • και του Αντικειμένου Εργασίας

8

ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΟΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗΣ

ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟΕΡΓΑΣΙΑΣ

ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΤΟΞΟΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗΣ

ΠΗΓΗ ΙΣΧΥΟΣ

Ε

- +

+

-

Κατηγορίες Τόξων Συγκόλλησης

• Τόξα Μη Αναλώσιμου Ηλεκτροδίου

• Τόξα Αναλώσιμου Ηλεκτροδίου

9

Τόξα Συγκολλήσεως μη Αναλώσιμου Ηλεκτροδίου.

Κατά την Λειτουργία Παράγεται: • Θερμότητα • Έντονο λαμπρό φως • Θόρυβος • Ιόντα

10

Χαρακτηριστικές Καμπύλες V-I Τόξων Παρουσία Αργού και Ηλίου

11 Χαρακτηριστικές Καμπύλες V-I Τόξων Παρουσία Αργού και Ηλίου

Πολικότητα και Θερμότητα σε Τόξο μη Αναλώσιμου Ηλεκτροδίου

12 Πολικότητα και Θερμότητα σε Τόξο μη Αναλώσιμου Ηλεκτροδίου

Περιοχές Ηλεκτρικού Τόξου (1)

13

Περιοχές Ηλεκτρικού Τόξου: • Κεντρική Περιοχή • Περιοχή Πτώσης Ανόδου • Περιοχή Πτώσης Καθόδου


14

Κεντρική Περιοχή: • Κυκλικό μαγνητικό πεδίο περιβάλλει το τόξο. • Περιορισμός πλάσματος (Magnetic Pinch Effect) με αποτέλεσμα: • υψηλές πιέσεις στο πλάσμα και ιδιαίτερα υψηλές ταχύτητες

(κοντά στην ταχύτητα ήχου). Περιοχή Πτώσης Καθόδου: • Ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ στήλης του πλάσματος και καθόδου. • Ύπαρξη σημαντικής θερμοκρασίας και πτώση τάσης. • Εκπομπή ηλεκτρονίων από την κάθοδο προς την στήλη του τόξου.


15

Περιοχή Πτώσης Ανόδου: • Ηλεκτρική σύνδεση μεταξύ στήλης πλάσματος και ανόδου. • Μικρότερη θερμοκρασία συγκριτικά με την θερμοκρασία στήλης

του τόξου.

Θερμοκρασία Τόξου 100 Α σε Περιβάλλον Αερίου Αργού

Μήκος Τόξου για Ήλιο και Αργό

16 Μήκος Τόξου για Ήλιο και Αργό

Τόξα Συγκόλλησης με μη Αναλώσιμα Τόξα

17

Τα τόξα συγκόλλησης με μη αναλώσιμα τόξα διακρίνονται σε: • Βολφραμίου-αερίου (Gas Tungsten Arc Weld) • Πλάσματος (Plasma Arc Weld) • Άνθρακα (Carbon Arc Weld)

Συγκόλληση Τόξου με Ηλεκτρόδιο W (Gas Tungsten Arc Welding) (1)

18

Χρήση αέριου προστασίας για: • Απομάκρυνση του αέρα και • Αποφυγή επαφής οξυγόνου και αζώτου με τηγμένο μέταλλο και

ηλεκτρόδιο.

Διάγραμμα Διαδικασίας Συγκόλλησης με Ηλεκτρόδιο Βολφραμίου (GTAW)

Συγκόλληση Τόξου με Ηλεκτρόδιο W (Gas Tungsten Arc Welding) (2)

19

Χρήση μετάλλου συγκόλλησης για παχιά μέταλλα. Εφαρμόζεται: • Χειροκίνητη διαδικασία (συνήθως) • Αυτόματες και μηχανοποιημένες (ολοένα και περισσότερο) Χρήση πηγής σταθερού ρεύματος (Constant Current) DC ή AC με υπέρθεση υψηλής συχνότητας.

Συγκόλληση Τόξου Πλάσματος (Plasma Arc Welding) – (1)

20

Δημιουργία Τόξου Μεταξύ Ηλεκτροδίου W και: • Μετάλλου Βάσης (Τόξο Μεταφοράς) ή • Στομίου Περιορισμού Τόξου (Τόξο μη Μεταφοράς).

Διάγραμμα Διαδικασίας Συγκόλλησης με Τόξο Πλάσματος (PAW)

Συγκόλληση Τόξου Πλάσματος (Plasma Arc Welding) – (2)

21

Χρήση αδρανών αερίων για: • Δημιουργία προστατευτικής ατμόσφαιρας και • Συντήρηση του πλάσματος. Χρήση μετάλλου συγκόλλησης για παχιά μέταλλα. Μείωση Διατομής Τόξου ⇒ Αύξηση της Θερμοκρασίας του. Εφαρμόζεται: • Χειροκίνητη διαδικασία (συνήθως) • Αυτόματες και μηχανοποιημένες (ολοένα και περισσότερο) Χρήση πηγής σταθερού ρεύματος (Constant Current) DC ή σε λίγες περιπτώσεις AC.

Συγκόλληση Τόξου Άνθρακα (Carbon Arc Welding) – (1)

• Δημιουργία τόξου μεταξύ ηλεκτροδίου άνθρακα και μετάλλου βάσης.

• Συνδυασμός ή όχι με χρήση αερίου προστασίας.

22 Διάγραμμα Διαδικασίας Συγκόλλησης με Τόξο Άνθρακα (CAW)

Συγκόλληση Τόξου Άνθρακα (Carbon Arc Welding) – (2)

• Παράγωγα αέρια όπως το CO και το CO2 λειτουργούν ως αέρια προστασίας.

• Μέταλλο συγκόλλησης χρησιμοποιείται σε παχιά μέταλλα.

• Χειροκίνητη χρήση και χρησιμοποιείται πηγή DC σταθερού ρεύματος (Constant Current).

23

Τόξα Συγκολλήσεως Αναλώσιμου Ηλεκτροδίου (Μεταλλικά Τόξα) – (1)

Παραμένουσα ηλεκτρική εκφόρτιση υψηλού ρεύματος χαμηλής τάσης οδηγεί • Στην δημιουργία πλάσματος υψηλής αγωγιμότητας και • Στην παραγωγή θερμότητας για επίτευξη συγκόλλησης λόγω

τήξης.

24 Περιοχές Τόξου Αναλώσιμου Ηλεκτροδίου


25

Στο μεταλλικό τόξο το πλάσμα προκαλεί την διάσπαση των ατόμων του αερίου σε θετικά ιόντα και σε ηλεκτρόνια.

Το πλάσμα χωρίζεται σε τρεις περιοχές: • Περιοχή Πτώσης Ανόδου • Περιοχή Πτώσης Καθόδου

• Περιοχή Πτώσης Πλάσματος • Περιοχή Αντίστασης Ηλεκτροδίου

Μικρές σε Μήκος Εμφανίζουν όμως Μεγάλες

Διαφορές Δυναμικού.


26

Τάση Τόξου Συναρτήσει Ρεύματος Συγκόλλησης σε Ατμόσφαιρα Αργού


27 Τάση Τόξου Συναρτήσει του Μήκος Τόξου σε Διαφορετικές Ατμόσφαιρες


28

Η υψηλή ποιότητα συγκόλλησης και παραγωγικότητας εξαρτάται από: • Το Βάθος Διείσδυσης • Το Ρυθμό Τήξης Ηλεκτροδίου Η πολικότητα μέγιστης θέρμανσης εξαρτάται από την σύσταση των αερίων στην ατμόσφαιρα του τόξου.


29 Κατανομή Θερμότητας σε μη Επικαλυμμένα Ηλεκτρόδια


30 Κατανομή Θερμότητας σε Επικαλυμμένα Ηλεκτρόδια

Τα τόξα Συγκόλλησης με Αναλώσιμα Ηλεκτρόδια Διακρίνονται σε:

31

• Επικαλυμμένου Ηλεκτροδίου - (Shielded Metal Arc Weld)

• Μετάλλου-Αερίου - (Gas Metal Arc Weld)

• Ρευστού Πυρήνα - (Flux-cored Arc Weld)

• Εμβαπτιζόμενου Τόξου - (Submerged Arc Weld)

Συγκόλληση Τόξου Επικαλυμμένου Ηλεκτροδίου (Shielded Metal Arc Welding) – (1)

32

Δημιουργία τόξου μεταξύ επικαλυμμένου ηλεκτροδίου και μετάλλου βάσης.

Διάγραμμα Διαδικασίας Συγκόλλησης Τόξου Επικαλυμμένου Ηλεκτροδίου (SMAW)


33

Η Επικάλυψη Ηλεκτροδίων Παρέχει:

• Αέριο για την προστασία του τόξου από τα αέρια της ατμόσφαιρας.

• Υλικά απομάκρυνσης της οξείδωσης για το καθάρισμα του μετάλλου συγκόλλησης από ξένες ουσίας.

• Σκωριοειδής λάβα για τη προστασία του κατατιθέμενου μετάλλου συγκόλλησης από σκωριοειδή λάβα προερχόμενη από ατμοσφαιρική οξείδωση.

• Στοιχεία ιονισμού για την σταθερότητα του τόξου και την λειτουργία με AC ρεύμα.


34

Η Επικάλυψη Ηλεκτροδίων Παρέχει:

• Στοιχεία νόθευσης για την επίδοση ιδιαίτερων χαρακτηριστικών στο κατατιθέμενο μέταλλο συγκόλλησης.

• Σκόνη σιδήρου για την αύξηση της παραγωγικότητας του ηλεκτροδίου.

Η συγκόλληση είναι δυνατή:

• Σε όλες τις κατευθύνσεις και

• Από πολύ μικρό έως μεγάλο πάχος μετάλλων.

Χρήση σταθερού ρεύματος (AC ή DC).

Συγκόλληση Τόξου Μετάλλου-Αερίου (Gas Metal Arc Welding) – (1)

35

• Δημιουργία τόξου μεταξύ ενός διαρκώς τροφοδοτούμενου αναλώσιμου ηλεκτροδίου και του μετάλλου βάσης.

• Παροχή προστατευτικού αερίου. • Δεν ασκείται μηχανική πίεση στα υπό συγκόλληση μέταλλα.

Διάγραμμα Διαδικασίας Συγκόλλησης με Τόξο Μετάλλου-Αερίου (GMAW)

Συγκόλληση Τόξου Μετάλλου-Αερίου (Gas Metal Arc Welding) – (2)

36

• Προστασία τόξου από παροχή κατάλληλου αερίου (αδρανές ή όχι ή μίγμα αυτών).

• Δημοφιλέστερες χρήσεις:

• Ημιαυτόματη διαδικασία (ο χρήστης κατευθύνει το «Πιστόλι Συγκόλλησης").

• Αυτοματοποιημένη χρήση.

• Χειροκίνητη χρήση δεν μπορεί να εφαρμοστεί.

• Η διαδικασία εφαρμόζεται σε όλες τις κατευθύνσεις.

• Τροφοδοτικό τύπου DC σταθερή τάσης, ανάστροφης πολικότητας.

Συγκόλληση Τόξου Ρευστού Πυρήνα (Flux-Cored Arc Welding) – (1)

37

Αποτελεί εξέλιξη της SMAW. Παρέχει:

• Υψηλής ποιότητας συγκολλήσεις. • Χαμηλότερο κόστος. • Λιγότερη προσπάθεια.

Διάγραμμα Διαδικασίας Συγκόλλησης με Τόξο Ρευστού Πυρήνα (FCAW).

Συγκόλληση Τόξου Ρευστού Πυρήνα (Flux-Cored Arc Welding) – (2)

38

• Δημοφιλέστερες χρήσεις: • Ημιαυτόματη διαδικασία (ο χρήστης κατευθύνει το

«Πιστόλι Συγκόλλησης"). • Αυτοματοποιημένη χρήση (από μηχανοποιημένες

μεθόδους). • Χειροκίνητη χρήση δεν μπορεί να εφαρμοστεί.

• Η διαδικασία εφαρμόζεται σε όλες τις κατευθύνσεις.

• Τροφοδοτικό τύπου DC σταθερή τάσης, ανάστροφης

πολικότητας.

Συγκόλληση με Εμβαπτιζόμενο Τόξο (Submarged Arc Welding)

39

Δημοφιλέστερες χρήσεις: • Μηχανοποιημένη μέθοδος. • Αυτοματοποιημένη χρήση.

Τροφοδοτικό τύπου DC ή AC σταθερού ρεύματος, ορθής ή ανάστροφης πολικότητας.

Διάγραμμα Διαδικασίας Συγκόλλησης με Εμβαπτιζόμενο Τόξο (SAW)

Πηγές Ισχύος για Συγκόλληση Τόξου (1)

40

Πηγές ισχύος για συγκόλληση τόξου. • Σταθερό τόξο και διατήρηση ελεγχόμενης «Λίμνης" τηγμένου

μετάλλου. • Προσαρμογή χαρακτηριστικών εξόδου της πηγής με την διαδικασία

συγκόλλησης.

Στατικές Χαρακτηριστικές Καμπύλες V-I Πηγών Δημιουργίας Τόξων Συγκόλλησης

Πηγές Ισχύος για Συγκόλληση Τόξου (2)

41

• Η πρώτη πηγή ισχύος αποτελείται από: • Μπαταρία (90V). • Αντίσταση σε σειρά με το τόξο.

• Ιδιαίτερα μεγάλες απώλειες στην αντίσταση. Οι πρώτες μηχανές συγκόλλησης χρησιμοποιήθηκαν:

• Για χειροκίνητη διαδικασία με "γυμνό" ή ελαφρώς επικαλυμμένο ηλεκτρόδιο.

• Χωρίς χρήση αερίου προστασίας. • Απαραίτητη ύπαρξη πολύ σταθερής πηγής.

• Οι πρώτες πηγές ισχύος (συμβατικές πηγές) σχεδιάστηκαν για

γυμνά ηλεκτρόδια και χαρακτηριστικές με κλίση προς τα κάτω.

42

• Σχεδιάστηκαν με σκοπό τη μέγιστη ευελιξία στο συγκολλητή (χειροκίνητη διαδικασία).

• Καμπύλες τόξων συγκόλλησης: • Άνω Καμπύλη Μεγάλου Μήκους Τόξο. • Μεσαία Καμπύλη Σύνηθες Μήκους Τόξο. • Κάτω Καμπύλη Μικρού Μήκους Τόξο.

Συστήματα Σταθερού Ρεύματος (CC) – (1)

V-I Στατική Χαρακτηριστική Πηγής Συγκόλλησης Τόξου «Μονού Ελέγχου»

43

• Σημείο λειτουργίας: • Τομή καμπύλης τόξου με χαρακτηριστική καμπύλη μηχανής

συγκόλλησης. • Μεταβάλλεται συνεχώς κατά την συγκόλληση.

• Μεταβολή Μήκους Τόξου ⇒ Μεταβολή Τάσης Τόξου (25V-35V):

• Μικρό Μήκους Τόξο ⇒ Μεγάλο Ρεύμα ⇒ Μεγάλο Βάθος Διείσδυσης.

• Μεγάλου Μήκους Τόξο ⇒ Μικρό Ρεύμα ⇒ Μικρό Βάθος Διείσδυσης.


44

• Η κλίση της V-I καμπύλης της πηγής ορίζει το ΔI της συγκόλλησης για δεδομένο Δl του τόξου (Μηχανές «Διπλού Ελέγχου»).

• Μηχανές «Μονού Ελέγχου»: • Συμβατικές μηχανές. • Έλεγχος μέγιστης τιμής ρεύματος με διακόπτη ή άλλα

βύσματα εξόδου.


45

Μηχανές «Διπλού Ελέγχου» (1)

Μηχανές «Διπλού Ελέγχου»:

• Περισσότερη ευελιξία.

• Έλεγχος ρεύματος και τάσης που προσφέρουν δύο επίπεδα προσαρμογής:

V-I Στατική Χαρακτηριστική Πηγής Συγκόλλησης Τόξου «Διπλού Ελέγχου»

46

Μηχανές «Διπλού Ελέγχου» (2)

• Χονδρικό Έλεγχο Ρεύματος: • Τάση ανοικτού κυκλώματος 60V. • Λιγότερο απότομη κλίση της V-I

καμπύλης (σχεδόν επίπεδη). • Μικρομετρικό Έλεγχο Τάσης:

• Τάση ανοικτού κυκλώματος 80V. • Απότομη κλίση της V-I καμπύλη.

V-I Στατική Χαρακτηριστική Πηγής Συγκόλλησης Τόξου «Διπλού Ελέγχου»

47

• Τάση και ρεύμα μηδενίζονται βάση της συχνότητας λειτουργίας (Σβέση Τόξου).

• Επανεγκατάσταση και σταθεροποίηση τόξου με την βοήθεια της τάσης.

• Ύπαρξη επαγωγικής αντίδρασης.

• Χρήση ηλεκτροδίων με επικάλυψη που περιέχει ιονιστές (Δημιουργία Σταθερού Τόξου).

Συγκόλληση Εναλλασσόμενου Ρεύματος

48

• Βάση του εμπορικού συστήματος διανομής τάσης.

Συστήματα Σταθερής Τάσης (CV) - (1)

Εμπορικό Σύστημα Διανομής Ηλεκτρικής Ισχύος Σταθερής Τάσης

49

• Διατήρηση του μήκους τόξου με: • Τροφοδότηση του ηλεκτροδίου με σταθερή ταχύτητα. • Ροή κατάλληλου ρεύματος για τήξη ηλεκτροδίου μέσω

κατάλληλης πηγής ισχύος.

• Οι μηχανές CV δεν παράγουν πραγματική επίπεδη καμπύλη.

• Μεταβολή του Φορτίου ⇒ Μεταβολή του Ρεύματος της Πηγής Ισχύος ⇒ Διατήρηση της Τάσης στους Ακροδέκτες Εξόδου.


50


Στατική V-I Χαρακτηριστική Καμπύλη Μηχανής Σταθερής Τάσης (CV)

Στατική V-I Καμπύλη και Διακύμανση Τόξου

51

• Καθορισμός χαρακτηριστικών πηγής έτσι ώστε να παρέχει σταθερό τόξο με μέταλλα:

• Διαφορετικού Μεγέθους, • Διαφορετικής Σύστασης και • Διαφορετικών Συνθηκών Ατμόσφαιρας.

• Ο έλεγχος κλίσης της V-I καμπύλης της πηγής παρέχει έλεγχο στο πλάτος του ρεύματος βραχυκυκλώσεως.


Δυναμικά Χαρακτηριστικά Συναρτήσει Χρόνου Απόκρισης

52

• Απότομη μεταβολή τάσης μετά από βραχυκύκλωμα ⇒ γρήγορη αύξηση ρεύματος με αποτέλεσμα: • Την επιτυχή εκκίνηση του τόξου (πλεονέκτημα) και • Την δημιουργία σταγόνων μετάλλου γύρω από την λίμνη

τήξεως (μειονέκτημα).

• Η προηγούμενη κατάσταση ελέγχεται με την προσθήκη κατάλληλης αντίδρασης η οποία: • Ελέγχει την απόκριση χρόνου και • Παρέχει σταθερό τόξο.


53

Η σταθερότητα του τόξου εξαρτάται από δύο παράγοντες: • Την V-Ι στατική καμπύλη. • Τα δυναμικά χαρακτηριστικά της μηχανής. που είναι

συνδεδεμένα: • Με τη συνθήκη βραχυκυκλώματος και • Με την συνθήκη ανοικτού κυκλώματος.

• Στο βραχυκύκλωμα έχουμε:

• Μηδενισμό της τάσης. • Η αφαίρεση του οδηγεί στην αύξηση και την

σταθεροποίηση της τάσης σε τιμή κάτω της τάσης ανοικτού κυκλώματος (τάσης ανάκτησης).


54

Επίσης, στο βραχυκύκλωμα: • Το ρεύμα αυξάνει απότομα.

• Όταν αφαιρείται, το ρεύμα σταθεροποιείται γρήγορα στην

φυσιολογική τιμή του.

• Η σταθερότητα του τόξου εξαρτάται από την ικανότητα της πηγής να επαναδιεγείρει ομαλά το τόξο.

• Η ανύψωση της τάσης πρέπει να υπερβεί την τάση τόξου εάν απαιτείται επαναδιέγερση του.


55

• Υπερβολική υπερύψωση (Overshoot) του ρεύματος δεν είναι αποδεκτή.

• Υπερβολικά γρήγορη μείωση του ρεύματος οδηγεί σε αστάθεια και πιθανά πρόωρη σβέση του τόξου .

• Ο χρόνος απόκρισης πρέπει να είναι εντός ενός ή δύο ηλεκτρικών κύκλων.


56

Τύποι Μηχανών Συγκόλλησης ΠΗΓΕΣ ΓΙΑ

ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ ΤΟΞΟΥ

ΠΗΓΕΣ ΠΕΡΙΣΤΡΕΦΟΜΕΝΩΝ

ΜΗΧΑΝΩΝ

ΠΗΓΕΣ ΣΤΑΤΙΚΩΝ

ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΩΝ

ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣ ΟΔΗΓΟΥΜΕΝΕΣ ΑΠΟ

ΜΗΧΑΝΗ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ

ΠΗΓΕΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗ

ΠΗΓΕΣ ΑΝΟΡΘΩΤΗ

ΠΗΓΕΣ ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΑ

AC ACDC DC DCAC/DC AC or VP PULSING

CC CC CV CC CC CC CV CC/CVCC/CVCC/CV

3ό

2ό

1ό

Ταξινόμηση Μηχανών Συγκόλλησης Τόξου

57

• Περιστρεφόμενη Μηχανή. • Παραγωγή ισχύος στο σημείο χρήσης. • Χρήση μηχανής εσωτερικής καύσης για την λειτουργία

τους.

• Στατική Μηχανή. • Δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη. • Μετατροπή παρεχόμενης ισχύος από το ηλεκτρικό δίκτυο. • Τρεις βασικοί τύποι:

• Με Μετασχηματιστή, • Με Ανορθωτή και • Με Αντιστροφέα.

1ος Τρόπος Ταξινόμησης

58

• Η μορφή του ρεύματος μπορεί να είναι: • Εναλλασσόμενη (εναλλασσόμενο ρεύμα, AC), • Συνεχής (Συνεχές Ρεύμα, DC), • Παλμική (Παλμικό Ρεύμα, Pulsing) και • Συνδυασμένη.

• Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι V-I χαρακτηριστικών καμπυλών:

• Χαρακτηριστική σταθερής τάσης (CV) και • Χαρακτηριστική σταθερού ρεύματος (CC).

2ος Τρόπος Ταξινόμησης (Βάση Μορφής Ι και V-I Καμπύλης)

59

• Ισχύς Εξόδου: • Imax εξόδου με Δθ ≤ θmax.

• Βαθμός Χρήσης (%):

• Μέγιστος χρόνος λειτουργίας @ Imax . • Ορίζεται ως:

• Η συσκευή λειτουργεί χωρίς υπερθέρμανση κατά την

διάρκεια της παραπάνω περιόδου.

3ος Τρόπος Ταξινόμησης (Βάση Ικανότητας Εξόδου-Output Rating)

(min)100(%)

10minόtτ ξου ⋅

60

Κλίση (Slope): • Ορίζεται ως η μεταβολή της τάσης εξόδου προς την μεταβολή

του ρεύματος εξόδου (Volts/Amps). • Συνδέεται με την σταθερότητα του τόξου.

Συντελεστής Ισχύος (Power Factor): • Ορίζεται ως ο λόγος της πραγματικής ισχύος (KW) που

απορροφά η συσκευή προς την φαινόμενη ισχύ (KVA) που προσφέρει το δίκτυο στην μηχανή.

Χαρακτηριστικά Μεγέθη Πηγών Ισχύος Μηχανών Συγκόλλησης Τόξου

61

Περιστροφικές Μηχανές Συγκόλλησης (1)

DC Γεννήτρια: Η πρώτη Πηγή Ισχύος για Συγκόλληση Τόξου

62


• Η γεννήτρια είναι ακόμα δημοφιλής ως φορητή πηγή ισχύος περιστρεφόμενη από μηχανή εσωτερικής καύσεως.

• Μπορεί να τροφοδοτηθεί από: • Βενζίνη, • Πετρέλαιο Diesel ή • Φυσικό αέριο.

• Ψύχεται με: • Αέρα ή • Νερό.

• Δημοφιλέστερη μηχανή είναι η αερόψυκτη βενζινοκίνητη λόγω μικρού βάρους.

• Για υψηλό βαθμό χρήσης χρησιμοποιούνται υδρόψυκτες πετρελαιοκίνητες μηχανές.

63


• Η αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται στο ότι όταν ένας αγωγός κινείται εντός μαγνητικού πεδίου και κόβει μαγνητικές γραμμές τότε παράγει τάση στα άκρα του.

• Οι πρώτες γεννήτριες χρησιμοποιούσαν: • Τον στάτη για δημιουργία μαγνητικού πεδίου. • Το ρότορα για τοποθέτηση τυλιγμάτων, όπου στα άκρα

τους παράγεται τάση. • Τα τυλίγματα του ρότορα συνδέονται σε κατάλληλο

συλλέκτη για την ανόρθωση του ρεύματος. • Η ισχύς μεταφέρεται στην έξοδο με χρήση ψηκτρών.

64

Γεννήτρια Συγκόλλησης Περιστρεφόμενου Πεδίου (1)

• Αποτέλεσαν την εξέλιξη των πρώτων γεννητριών που χρησιμοποιήθηκαν στις συγκολλήσεις.

• Η ισχύς συγκόλλησης παράγεται στον στάτη. ΠΕΡΙΣΤΡΕΦΟΜΕΝΟ

ΤΜΗΜΑ

ΜΗΧΑΝΗΕΣ.ΚΑΥΣΗΣ

ΠΗΝΙΑΣΤΡΕΦΟΜΕΝΟΥ

ΠΕΔΙΟΥ

ΣΥΣΤΗΜΑΨΥΚΤΡΩΝ -

ΔΑΚΤΥΛΙΔΙΩΝ

RPM

ΠΗΝΙΑΣΤΑΤΗ

ΑΝΟΡΘΩΤΗΣΔΙΕΓΕΡΤΡΙΑΣ

AC

ΣΤΑΘΕΡΟΤΜΗΜΑ

DC ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ

ΑC ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΗ

ΒΟΗΘΗΤΙΚΗ ΙΣΧΥΣ

Χονδρικό Διάγραμμα Γεννήτριας Συγκόλλησης Περιστρεφόμενου Πεδίου

65


• Μικρό τμήμα της ισχύος του στάτη: • Ανορθώνεται με την βοήθεια γέφυρας διόδων και • Τροφοδοτείται στο ρότορα για την δημιουργία του μαγνητικού πεδίου

διέγερσης. • Μικρό Ρεύμα Διέγερσης ⇒ Μικρό Ι οδηγείται μέσω ψηκτρών στο

ρότορα. • Αύξηση αξιοπιστία λόγω λιγότερης συντήρησης.

ΠΕΡΙΣΤΡΕΦΟΜΕΝΟΤΜΗΜΑ



ΠΕΔΙΟΥ



RPM



AC






66


• Η εναλλασσόμενη (AC) τάση εξόδου μπορεί να: • Χρησιμοποιηθεί απ' ευθείας για συγκόλληση τόξου ή • Ανορθωθεί από διόδους και να χρησιμοποιηθεί για συνεχούς

ρεύματος (DC) συγκόλληση τόξου. ΠΕΡΙΣΤΡΕΦΟΜΕΝΟ

ΤΜΗΜΑ



ΠΕΔΙΟΥ



RPM



AC






67

Γεννήτρια Συγκόλλησης Χωρίς Ψύκτρες (1)

• Απουσία ροής ρεύματος από τον ρότορα προς τον στάτη.

ΣΤΑΘΕΡΟ ΤΜΗΜΑ

ΠΕΡΙΣΤΡΕΦΟΜΕΝΟ ΤΜΗΜΑ

ΜΗΧΑΝΗ ΕΣ.ΚΑΥΣΗΣ

RPM ΠΗΝΙΑ ΣΤΡΕΦΟΜΕΝΟΥ

ΠΕΔΙΟΥ

ΣΤΡΕΦΟΜΕΝΟΣΑΝΟΡΘΩΤΗΣ

ΤΥΜΠΑΝΟΣΤΡΕΦΟΜΕΝΗΣ

ΔΙΕΓΕΡΤΡΙΑΣ

ΠΗΝΙΑ ΣΤΑΤΗ

ΑΝΟΡΘΩΤΗΣ ΔΙΕΓΕΡΤΡΙΑΣ

AC




ΠΕΔΙΟΔΙΕΓΕΡΣΕΩΣ

ΣΤΑΤΗ

Χονδρικό Διάγραμμα Γεννήτριας Συγκόλλησης χωρίς Ψήκτρες

68

Γεννήτρια Συγκόλλησης Χωρίς Ψύκτρες (2) • Χρήση δεύτερης γεννήτριας ως διεγέρτρια.

• Μη περιστρεφόμενο πεδίο παράγει AC τάση στο περιστρεφόμενο τύμπανο.

• Η AC τάση ανορθώνεται από διόδους πάνω στο περιστρεφόμενο άξονα και έτσι τροφοδοτούνται τα περιστρεφόμενα πεδία της κύριας γεννήτριας.





RPM ΠΗΝΙΑΣΤΡΕΦΟΜΕΝΟΥ

ΠΕΔΙΟΥ






AC





ΣΤΑΤΗ

69

Γεννήτρια Συγκόλλησης Χωρίς Ψύκτρες (3) • Η κύρια γεννήτρια παράγει AC τάση στο στάτη.

• Τμήμα της AC τάσης ανορθώνεται και τροφοδοτεί τα σταθερά πεδία της διεγέρτριας.

• Η ταχύτητα περιστροφής για 4-πολική γεννήτρια ισούται με 1500στρ/λεπτό για 50 Hz ενώ για 2-πολική είναι 3000 στρ/λεπτό.





RPM ΠΗΝΙΑΣΤΡΕΦΟΜΕΝΟΥ

ΠΕΔΙΟΥ






AC





ΣΤΑΤΗ

70

Μηχανές Συγκόλλησης με Μετ/στη (1) • Χρήση μετ/στή για μετατροπή ενέργειας του ηλεκτρικού δικτύου σε

χρήσιμη ενέργεια συγκόλλησης τόξου.

• Ο μετασχηματιστής συγκόλλησης είναι μετασχηματιστής υποβιβασμού.

IsVs

Ip

Vs

ΠΡΩΤΕΥΩΝ ΤΥΛΙΓΜΑ

ΠΥΡΗΝΑΣ ΛΕΠΤΩΝ ΜΟΝΩΜΕΝΩΝ ΦΥΛΛΩΝ

ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ

ΔΕΥΤΕΡΕΥΩΝ ΤΥΛΙΓΜΑ

ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΡΟΗ

ΔΙΚΤΥΟ

IsVs

Ip

VsΔΙΚΤΥΟ ΠΡΩΤΕΥΩΝ ΔΕΥΤΕΡΕΥΩΝ


Αρχή Λειτουργίας Μηχανής Συγκόλλησης Τόξου με Μετασχηματιστή

71

Μηχανές Συγκόλλησης με Μετ/στη (2) • Η τάση ανοικτού κυκλώματος 60 ÷ 80 V. • Αποτελείται από δύο τυλίγματα:

• Πρωτεύον • Αριθμός σπειρών μεγάλος λόγω υψηλής τάσης δικτύου.

• Δευτερεύον • Αριθμός σπειρών μικρός.

IsVs

Ip

Vs






ΔΙΚΤΥΟ

IsVs

Ip

VsΔΙΚΤΥΟ ΠΡΩΤΕΥΩΝ ΔΕΥΤΕΡΕΥΩΝ



72

Μηχανές Συγκόλλησης με Μετ/στη (3) • Ο πυρήνας αποτελείται από λεπτά μονωμένα σιδερένια ελάσματα, για

περιορισμό των απωλειών. • Σημαντικό τμήμα της πηγής είναι το στοιχείο αντίδρασης (reactor): πηνίο

μεγάλης αυτεπαγωγής. • Σύνδεση σε σειρά με κύκλωμα εξόδου. • Διατήρηση του ρεύματος εξόδου σταθερό. • Κατασκευή όμοια μ' αυτή ενός μετ/στή με διαφορά την ύπαρξη

διάκενου στο μαγνητικό κύκλωμα.


IsVs

Ip

Vs






ΔΙΚΤΥΟ

73

Μηχανές Συγκόλλησης με Μετ/στη (4)

• Μεταβολή μαγνητικής σύζευξης πρωτεύοντος και δευτερεύοντος ⇒ μεταβολή ρεύματος εξόδου μηχανής.

• Μέθοδοι μεταβολής μαγνητικής σύζευξης:

• Μεταβολή αντίστασης δευτερεύοντος με διακόπτες επιλογής. • Μεταβολή λόγου σπειρών (άρα και ρεύματος) πρωτεύοντος

και δευτερεύοντος με διακόπτες επιλογής. • Μεταβολή σπειρών αυτεπαγωγής εξόδου με διακόπτες

επιλογής. • Μετακίνηση πηνίου πρωτεύοντος σε σχέση με πηνίο

δευτερεύοντος. • Μετακίνηση τμήματος πυρήνα του μετ/στή ή του πηνίου.

74


Μειονεκτήματα

• Η χρήση διακοπτών επιλογής δεν επιτρέπει την συνεχή αλλαγή από την ελάχιστη στην μέγιστη τιμή του ρεύματος.

• Ενώ η ρύθμιση με μετακίνηση πυρήνα προκαλεί χαλάρωση της κατασκευής και την παραγωγή θορύβου.

75

Μηχανές Συγκόλλησης με Μετ/στη (6) • Χρήση ηλεκτρονικών ισχύος οδηγεί στην αποφυγή κινούμενων

τμημάτων για τον έλεγχο της εξόδου του μετασχηματιστή. ΑΝΟΡΘΩΤΗΣ

ΕΛΕΓΧΟΥ ΡΟΟΣΤΑΤΗΣΕΛΕΓΧΟΥ

ΑΥΤΕΠΑΓΩΓΗ ΜΕ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ

ΚΟΡΕΣΜΟΥ

AC ΔΙΚΤΥΟ

ΠΡΩΤΕΥΩΝ

ΔΕΥΤΕΡΕΥΩΝ

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ

Έλεγχος Ρεύματος Εξόδου με Χρήση Αυτεπαγωγής με Δυνατότητα Κορεσμού

76

Μηχανές Συγκόλλησης με Μετ/στη (7) Λειτουργία Κυκλώματος: • Ροή DC ρεύματος στο κλάδο αυτεπαγωγής με χρήση ανορθωτή και

ρεοστάτη. • Αύξηση ρεύματος εξόδου συσκευής λόγω μείωσης της αντίδρασης της

αυτεπαγωγής.

ΑΝΟΡΘΩΤΗΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΡΟΟΣΤΑΤΗΣ

ΕΛΕΓΧΟΥ

ΑΥΤΕΠΑΓΩΓΗ ΜΕ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΑ

ΚΟΡΕΣΜΟΥ

AC ΔΙΚΤΥΟ

ΠΡΩΤΕΥΩΝ

ΔΕΥΤΕΡΕΥΩΝ

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΤΗΣ

Έλεγχος Ρεύματος Εξόδου με Χρήση Αυτεπαγωγής με Δυνατότητα Κορεσμού

77

Μηχανές Συγκόλλησης με Μετ/στη (8) Βασικό Μειονέκτημα Μεθόδου: • Παραμόρφωση της κυματομορφής του ρεύματος εξόδου. • Αποτέλεσμα: δύσκολη η επανεκκίνηση του ηλεκτρικού τόξου.

Παραμόρφωση Ημιτονικού Ρεύματος της Αυτεπαγωγής με Δυνατότητα Κορεσμού

78


• Οι μηχανές συγκόλλησης μετασχηματιστή είναι συνήθως αερόψυκτες.

• Χρήση ανεμιστήρων ελεγχόμενων από θερμοστάτες σε μηχανήματα υψηλού βαθμού χρήσης.

• Χρήση ψύξης ελαίου σε σκονισμένους και διαβρωτικούς χώρους.

• Γενικά παρουσιάζουν: • Ιδιαίτερα υψηλή απόδοση

• Μικρότερες απώλειες χωρίς φορτίο

• Ικανοποιητικό συντελεστή ισχύος.

79

Μηχανές Συγκόλλησης με Μετ/στη (10) Πλεονεκτήματα:

• Μικρό Κόστος. • Υψηλή Απόδοση. • Χαμηλά Έξοδα Συντήρησης.

Καμπύλες Απόδοσης μιας Τυπικής Μηχανής Συγκόλλησης Μετασχηματιστή 500Α

80


Μειονεκτήματα:

• Ανισορροπία στις γραμμές του δικτύου λόγω μονοφασικής τροφοδότησης.

• Μικρός αριθμός επικαλυμμένων ηλεκτροδίων κατάλληλα για εναλλασσόμενο ρεύμα.

• Πιθανό κίνδυνο ηλεκτροπληξίας σε περίπτωση χρήσης δύο συσκευών στον ίδιο χώρο.

81

Μηχανές Συγκόλλησης με Ανόρθωση

• Χρήση ανορθωτών για μετατροπή εναλλασσόμενου ρεύματος (AC) σε συνεχές ρεύμα (DC).

• Ξηροί ανορθωτές:

• Μη ελεγχόμενοι

• Ελεγχόμενοι (Θυρίστορς, SCR).

82

Πηγή Ισχύος Συγκόλλησης Τόξου με μη Ελεγχόμενους Ανορθωτές

• Οι μη ελεγχόμενοι ανορθωτές αποτελούνται από:

• Ένα στρώμα ημιαγωγού (οξείδιο του χαλκού ή σελήνιο) μεταξύ συνεχόμενων δίσκων.

• Αργότερα αναπτύχθηκαν και χρησιμοποιήθηκαν ανορθωτές πυριτίου μεγάλης ισχύος.

83

Δίοδος Πυριτίου

• Αποτελείται από λεπτά στρώματα πυριτίου με προσθήκη προσμίξεων για την μετατροπή τους σε ημιαγωγούς.

• Τοποθέτηση των στρώματων πυριτίου υπό πίεση σε κάψα πορσελάνης.

84

Βασικά Κυκλώματα Ανόρθωσης α)

β)

γ)

δ)

α) Μονοφασική Ημιανόρθωση β) Μονοφασική Πλήρης Ανόρθωση γ) Τριφασική Ανόρθωση Κοινού Σημείου δ) Τριφασική Ανόρθωση

+

_

+

__+

+

_

+

_

85

Πηγή Ισχύος Συγκόλλησης Τόξου με Ελεγχόμενους Ανορθωτές

• Χρήση SCR (Silicon Controlled Rectifier) ο οποίος αναπτύχθηκε και βρήκε εφαρμογή σε κυκλώματα πηγών ισχύος μηχανών συγκόλλησης τόξου.

• Το SCR εκτός των ακροδεκτών της ανόδου και της καθόδου, έχει και ένα τρίτο ακροδέκτη γνωστό ως πύλη (gate).

86

Εσωτερική Δομή Ελεγχόμενου Ανορθωτή Πυριτίου Ισχύος (SCR)

87

Χαρακτηριστική Καμπύλης Τάσης - Ρεύματος Τυπικού Θυρίστορ

Καμπύληδιέλευσης

Ρεύμασυγκράτησης

(IH)

Κρίσιμη τάσηαρνητικήςαποκοπής

Καμπύλη αρνητικήςαποκοπής

Καμπύλη θετικής

αποκοπήςΚρίσιμη τάση αποκοπής

IG1IG2IG3 IG = 0

IG = ρεύμα πύλης

IG3 > IG2 > IG1

+VA-VA

+IA

-IA

88

Τάσεις και Ρεύματα Πύλης που Χρειάζονται για την Ένταση ενός Τυπικού Θυρίστορ

0 25 50 75 100 125VDC MAX

125oC

25oC

-65oC

1

2

3Τά

ση π

ύλης

(V

olts

)

Ρεύμα πύλης (mA)

89

Λειτουργία Τυπικού SCR

RL

Rg

+VB-

Κύκλωμα ισχύος με SCR

P1

N1

P2

N2

J1

J2

J3

A

G

K

Δομή του SCR Το θυρίστορ είναι ένας μονόδρομος ελεγχόμενος διακόπτης οδηγείται σε: • Αγωγή (Switch On) με την εφαρμογή παλμού ρεύματος κατάλληλου

πλάτους και εύρους στον ακροδέκτη της πύλης του. • Σβέση (Natural Commutation) με τον μηδενισμό του ρεύματος που

το διαρρέει ή με την εφαρμογή ανάστροφης τάσης μεταξύ ανόδου και καθόδου.

90

Ισοδύναμο Κύκλωμα Λειτουργίας SCR

RL

Rg

+VB-G

Παλμόςέναυσης

IG

K

ISCR

PNP

NPN

Q1

Q2

IB1= IC2IC1= IB2

91

Μονοφασική Ελεγχόμενη Ανόρθωση Γέφυρας

Varc

iVi

Q1 Q2

Q3 Q4

i1 i2

i3 i4

i0

R

L V0

Μονοφασική Ελεγχόμενη Ανόρθωση Γέφυρας

Varc

i0

R

LV0

Q1

Q4

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

α

α

α

π

π

π

α+π

α+π

2π

iG1,G4

iG2,G3

V0

i0

ii

Ισοδύναμο Κύκλωμα Ελεγχόμενης Ανόρθωσης Γέφυρας Κυματομορφές Μονοφασικής

Ελεγχόμενης Ανόρθωσης Γέφυρας για Ωμικό Φορτίο

92

Κυματομορφές για Συνεχές Ρεύμα Εξόδου

ωt

ωt

ωt

ωt

αα

π

π 2π

ig1,g4

ig2,g3

V0

i0

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ViVC

i0

i1,i4

i2,i3

ii

VAK

mV2

Q1,Q4 Q2,Q3

93

Λειτουργικό Διάγραμμα Ελεγχόμενης Ανόρθωσης Γέφυρας (1)

94


• Το σημείο λειτουργίας καθορίζεται από τις τιμές των μεγεθών m και α.

1tan LRωφ − = 2

arc

m

VmV

=

• Αν το ρεύμα εξόδου είναι συνεχές, η ανάλυση Fourier της τάσης εξόδου έχει ως εξής:

( ) ( )

aVtdtVV

ό

tnbtnaVv

ma

amo

nn

nnoo

cos22)()sin(21

cossin11

πωω

π

που

ωω

π

==

++=

∫

∑∑

+

∞

=

∞

=

95


( ) ( )

( ) ( )

2

0

0 0

1 1sin( ) ( ) sin( ) ( )

2 2sin( ) ( ) sin( ) ( ) ....

sin 1 sin 12 21 1

cos 1 cos 12 21 1

2,4,6.....

n

m

mn

a V t d t V t d t

V t d t V t d t

n a n aVn n

n a n aVbn n

ό

π π

ο οπ

π π

ο ο

ω ω ω ωπ π

ω ω ω ωπ π

π

π

πουν

−

= = =

= = = =

+ −= − + −

+ −= − + −

=

∫ ∫

∫ ∫

96


( )

( )

( )

^

,2,4,6..

^2 2

,

1

^ ^,

2,4,6..

^^

,,

22

cos

tan

cos

o o no nn

o n n n

nn

n

o no n nn

o arc

o no n

v V V n t

ό

V a b

ab

ό

I I n t

ό

V V έ ή ύ όR

VI ά n ή ή

R n L

ώ ύ

ο

ω θ

που

θ

ακ µα

ι ω θ φ

που

µ ση τιµ ρε µατος εξ δου

πλ τος οστ ς αρµονικ ςω

συνιστ σας ρε µατ

∞

=

−

∞

=

= + −

= +

=

= + − −

−Ι = =

= = −+

∑

∑

1tann

όn L ά ά ύ n ή

Rή ώ ύ ό

ά ό

ος εξ δουωφ διαφορ φ σης µεταξ οστ ς

αρµονικ ς συνιστ σας ρε µατος εξ δου και

της τ σης εισ δου

− = = −

Καμπύλες Απόδοσης μιας Τυπικής Μηχανής Συγκόλλησης με Ανόρθωση

97

00 50 100 150 200 250 300 350 400

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

%ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ

ΙΣΧΥΟΣ

ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΗΤΑ

ΡΕΥΜΑ ΕΞΟΔΟΥ (Α)

• Κύρια χαρακτηριστικά:

• Ελαφριά κατασκευή και

• Άριστη ελεγξιμότητα των συνθηκών συγκόλλησης.

• Η λειτουργία τους στηρίζεται στις αρχές λειτουργίας των αντιστροφέων.

98

Μηχανές Συγκόλλησης με Αντιστροφέα

Αντιστροφείς (Inverters) – (1)

• Κυκλώματα μετατροπής συνεχούς ρεύμα-τος σε εναλλασσόμενο μεταβλητής συχνότητας και πλάτους.

• Κυριότερες εφαρμογές αντιστροφέων:

• Συστήματα ελέγχου ταχύτητας ac ηλεκτρικών μηχανών.

• Συστήματα μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας.

• Συστήματα ελέγχου τάσης εξόδου αιολικών συστημάτων μετατροπής ενέργειας.

99


• Συστήματα ελέγχου θερμοκρασίας με επαγωγή.

• Συστήματα ήπιων μορφών ενέργειας.

• Συστήματα αδιάκοπης παροχής ισχύος (UPS).

• Συστήματα ηλεκτροσυγκόλλησης.

100


• Οι αντιστροφείς ταξινομούνται σε δύο κύριες κατηγορίες:

• Αντιστροφέας με τροφοδότηση από πηγή τάσης.

• Αντιστροφέας με τροφοδότηση από πηγή ρεύματος.

• Οι παραπάνω κατηγορίες διαιρούνται σε επιμέρους υποκατηγορίες:

• Μονοφασικούς σε συνδεσμολογία ημιγέφυρας.

• Μονοφασικούς σε συνδεσμολογία γέφυρας.

• Τριφασικούς σε συνδεσμολογία ημιγέφυρας.

• Τριφασικούς σε συνδεσμολογία γέφυρας. 101

Διάφοροι Τύποι Μετατροπέων (1)

102

V

L1

L0

C1

C1

C0

V0

S1

S2

ΦΟΡΤΙΟ

Μονοφασικός Αντιστροφέας Ημιγέφυρας

V

L1

C1

S1

S2

S4

S3

L0

C0

ΦΟΡΤΙΟ

V0

Μονοφασικός Αντιστροφέας Γέφυρας


103

V

L1

C1

S1

S4

S3

S6

L0

C0ΦΟΡΤΙΟ

V01

V02

V03

S5

S2

3-Φ Αντιστροφέας Ημιγέφυρας


104

S5

L0

C0

ΦΟΡΤΙΟ

S2

S3

S6

S1

S4

3-Φ Αντιστροφέας με Τροφοδοσία Συνεχούς Ρεύματος

Μονοφασικός Αντιστροφέας Γέφυρας με MOSFET (1)

105

V

V/2

V/2C1

C2

Q1

Q2

D1

D20

V0

Q3

Q4

D3

D4ΦΟΡΤΙΟ

+_

+

+

Κύκλωμα Ισχύος Μονοφασικού Αντιστροφέα


106

Q1,Q3

Q2,Q4

0V0

V

0-V

Q1 Q3

Q2 Q4

ωt

ωt

ωt

Βασική αρμονική της π

4VV0 =

π 2π

Κυματομορφές Αντιστροφέα όταν τα MOSFET Άγουν για 180ο


107

Q1,Q3

Q2,Q4

0V0 V

0

-V

ωt

ωt

ωt

Βασική αρμονική

π 2π

2ππ

0

δ

Κυματομορφές Αντιστροφέα όταν τα MOSFET Άγουν για δ0 (Ωμικό Φορτίο)

Κυματομορφές Αντιστροφέα Γέφυρας

108

Q1

Q2

0

i0

0

ωt

ωt

ωt

π 2π

2ππ

0

0 ωt

0 ωt

0 ωt

π 2π

π 2π

π 2π

π 2π

Q3

Q4

V0

VQ2Q3

Q1Q4

Q1Q4

Q2Q3

Q2 Q4

Q1 Q3

32π

V

i0

0 ωt2ππ

0 ωt2ππ

Q3D2

Q1Q3 Q1

D4

Q4D1

Q2D3

Q2Q4

i0

Q2D3

D1D3

π/3Q1Q3

Q1D4

D2D4

π+π/3

Q2Q4

Q2D3

Q3D2

D2D4

Q2Q4

Q4D1

D1D3

Q1Q3

Q3D23

π−

α)

β)

γ)

δ)

ε)

α) Τάση Εξόδου. β) Παλμοί Έναυσης Mosfet γ) Ρεύμα Εξόδου για Ωμικό Φορτίο. δ) Ρεύμα Εξόδου για Επαγωγικό Φορτίο. ε) Ρεύμα Εξόδου για Χωρητικό Φορτίο.

Κυματομορφές Τεχνικής PWM

109

α) Κυματομορφές της Αναφοράς και του Φορέα.

β) Κυματομορφή Τάσης Εξόδου Συγκριτή. γ,δ,ε,ζ) Παλμοί Έναυσης των Διακοπτών

Q3, Q4, Q1 και Q1. η) Τάση Εξόδου του Αντιστροφέα.

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

ωt

2π

2π

2π

2π

2π

2π

π

π

π

π

π

π

Αr

Αc

Tr

Tc

φορέας

Κυματομορφή αναφοράς

S1

Q3

Q4

Q1

Q22π

ωt

π

Q3,Q1

Q2,Q4

Q1,Q4 Q3,Q2

V0

V V

-Vδ

Tc =Περίοδος φορέαTr =Περίοδος αναφοράς

ςδιαμόρφωση ςΣυντελεστήAA

Mc

rf ==

α)

β)

γ)

δ)

ε)

ζ)

η)

Τάση Εξόδου Αντιστροφέα (1)

110

Η κυματομορφή τάση εξόδου αντιστροφέα αναλύεται σε σειρά Fourier ως εξής:

( ) ( )

∫

∫

∑∑

=

=

+=∞

=

∞

=

π

π

ωωπ

ωωπ

που

ωω

0

0

3,2,13,2,1

)()cos(2

)()sin(2

cossin

tdtVb

tdtVa

ό

tnbtnav

n

n

nn

nno

V0

V

0

δ

π 2π2

δ-π

2δπ +

Τάση Εξόδου Αντιστροφέα


111

( )

( )[ ]

( )

=

Τ

=

Ε

=

=−==

=

∑

∫

∑

∞

=

+−

+

−

∞

=

2sin4

sin2

sin4,2

sin4

cos2)()sin(2

sin

1,

^

5,3,1

2/)(2/)(

2/)(

2/)(

5,3,1

δπ

ναιεδουεξσηςττης

ςαρµονικςβασικτηςτοςπλο

ωδπ

νωςποµ

δπ

ωπ

ωωπ

που

ω

δπδπ

δπ

δπ

nVV

ίόάήήά

tnnnVv

έ

nnV

tnnVtdtVa

ό

tnav

o

no

n

nno

Η τάση Vo είναι περιττή συνάρτηση ενός τετάρτου κύματος (f(t)=-f(t+T/2)), επομένως bn=0:


112

• Ύπαρξη ανώτερων αρμονικών συνιστωσών στην τάση εξόδου. • Εξασθένιση ανώτερων αρμονικών συνιστωσών έτσι ώστε ο

Συντελεστή Ολικής Αρμονικής Παραμόρφωσης (Total Harmonic Distortion, THD)<5%.

• Το THD ορίζεται από την παρακάτω σχέση:

2^

,^3,5..

,1

1% 100o nn

o

THD VV

∞

=

= ⋅

∑


113

Πλάτος Αρμονικών Τάσης Εξόδου Συναρτήσει του Εύρους δ

70

60

50

40

30

20

10

60 80 100 120 140 160 δο

THD%

Συντελεστή Αρμονικής Παραμόρφωσης Συναρτήσει της Γωνίας Αγωγής δ0

Αντιστροφέας Γέφυρας με Έλεγχο PWM

114

V

L1

C1

S1

S2

Lo

Co

ΦΟΡΤΙΟ

Vo

S4

S3

D1 D4

D2 D3

ΑΝΟΡΘΩΣΗΕΝΙΣΧΥΤΗΣ ΣΦΑΛΜΑΤΟΣ

ΤΑΣΗ ΑΝΑΦΟΡΑΣ-12V +12V

ΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΗΣ

ΣΥΓΚΡΙΤΗΣ

ΛΟΓΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ

ΕΝΙΣΧΥΤΕΣ ΠΑΛΜΩΝ ΕΝ.

ΓΕΝΝΗΤΡΙΕΣΚΥΚΛΩΜΑ ΕΛΕΓΧΟΥ

DC

DC

+-

+-

A

A

32

4

1

0

123

4

0

0

Πηγές Ισχύος Συγκόλλησης Τόξου με Αντιστροφέα (1)

115

ACDC

DC


ΤΑΣΗΑΝΑΤΡΟΦΟΔΟΤΗΣΗ

ΡΕΥΜΑ

Απλοποιημένο Κυκλωματικό Διάγραμμα Πηγής Ισχύος με Αντιστροφέα


116

Σύγκριση Μετασχηματιστή Συμβατικής Πηγής και Πηγής με Αντιστροφέα

Απόδοση Πηγής Ισχύος με Αντιστροφέα


117

Πλεονεκτήματα της Μηχανής Συγκόλλησης με Αντιστροφέα:

• Μικρό Βάρος (25% Συμβατικών Συστημάτων με Ανόρθωση)

• Μέτριο Κόστος

• Μικρός Όγκος

• Υψηλή Ταχύτητα Απόκρισης

Επιλογή – Προδιαγραφές Μηχανών Συγκόλλησης (1)

118

Επιλογή Διαδικασίας:

Με βάση του είδους της συγκόλλησης

Ρεύμα Συγκόλλησης:

DC, AC, σταθερό ή παλμικό

Δυναμικότητα της Μηχανής:

Μέγεθος της πηγής ισχύος.

Τύπος Διαθέσιμης Ισχύος:

• Μη διαθέσιμο δίκτυο: Απαιτείται ηλεκτροπαραγωγό ζεύγος

• Διαθέσιμο δίκτυο: Καθορίζεται ο αριθμός φάσεων και η τάση που θα χρησιμοποιηθούν

Επιλογή – Προδιαγραφές Μηχανών Συγκόλλησης (2)

119

Βοηθητικές Συσκευές:

Περιλαμβάνεται νερό, αέριο προστασίας, συστήματα ελέγχου ρεύματος κ.α.

Βαθμός Χρήσης:

Καθορισμός ποσότητας εργασίας στην οποία η πηγή ισχύος πρέπει να επιτελέσει.

120

Βιβλιογραφία (1)

1. N.Mohan, T.M. Undeland, “Power Electronics, Converters, Applications and Design”, John Wiley & Sons, 1995.

2. Στέφανος Μανιάς, «Ηλεκτρονικά Ισχύος», Εκδόσεις Συμεών, 2000. 3. Στέφανος Μανιάς, Αθανάσιος Καλετσάνος, «Βιομηχανικά Ηλεκτρονικά»,

Εκδόσεις Συμεών, 2001. 4. A.C. Metaxas, “Foundations of Electroheat, A Unified Approach”, John

Wiley & Sons, 1996. 5. E. J. Davies, Induction Heating Handbook, Mcgraw-Hill Book Company

Ltd, London, 1979. 6. H.B.Cary, “Modern Welding Technology, Prentice Hall, 1998. 7. A.T.Johns, J.R.Platts, G.Ratcliffe, "Conduction and Induction Heating",

Peter Peregrinus Ltd, 1990.

121


8. Siemens and John Wiley & Sons, “Electrical Engineering Handbook”, John Wiley & Sons, New York, 1985.

9. Φ.Ζ. Νομπέλη, «Χημεία για τεχνολόγους», Μακεδονικές Εκδόσεις. 10. F.A. Lowencheim "Modern Electroplating", Electrochemical Society, 1974 11. M. Schlesinger, M. Paunovic, "Modern Electroplating”, John Wiley &

Sons, 2000. 12. I. Khan, J. Tapson, I. de Vriew, “Frequency control of a current-fed

inverter for induction heating”, IEEE Proceedings on Industrial Electronics, Vol. 1, No.1, 2000, pp.343-346.

13. N. S. Bayindir, O. Kukrer, M. Yakup, “ DSP- based PLL-controlled 50- 100kHz 20kW high-frequency induction heating system for surface hardening and welding applications”, IEE Proceedings on Electric Power Applications, Vol. 150, No. 3, 2003, pp.365-371.

122


14. S. Moisseev, H. Muraoka, M.Nakamura, A. Okumo, E. Hiraki, M. Nakaoka, “Zero voltage switching PWM high-frequency inverter using IGBTs for induction heated fixing roller”, IEE Proccedings on Electric Power Applications, Vol.150, No. 2, 2003, pp. 237-244.

15. H. Ogiwara, M. Nakaoka, “ZCS high frequency inverter using SIT for induction heating applications”, IEE Proceedings on Electric Power Applications, Vol.150, No.2, pp.185-192.

16. A. Schonknecht, R.W.A.A. De Doncker, “Novel Topology for parallel connection of soft-switching high-power high-frequency inverters”, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.39, No.2, 2003, pp.550-555.

17. A. Schonknecht, R.W.A.A. De Doncker, “Novel Topology for parallel connection of soft-switching high-power high-frequency inverters”, IEEE Conference on Power Electronics and Drive Systems, Vol.2, No.2, 1999, pp.659-662.

123


18. S. Dieckerhoff, M.J. Ruan, R.W. De Doncker, “Design of an IGBT-based LCL-resonant inverter for high frequency induction heating”, IEEE Conference on Power Electronics and Drive Systems, Vol.3, No.3, 1999, pp. 2039-2045.

19. D. Yoshida, Y. Hatanaka, “ZCS high frequency inverter for induction heating with quasi-constant frequency power control”, IEEE Conference on Power Electronics and Drive Systems, Vol.2, No.22-25, 1999, pp. 755-759.

20. A. Schonknecht, R.W. De Doncker, “Novel topology for parallel connection of soft switching, high power, high frequency inverters”, IEEE Conference on Industry Applications, Vol.3, No.30, 2001, pp. 1477-1482.

21. E.J. Dede, J. Jordan, V. Esteve, J.M. Epsi, S. Casan, “Series and parallel 22. E.J. Dede, J. Jordan, V. Esteve, J.M. Epsi, S. Casan, “Behaviour of series and

parallel resonant inverters for induction heating in short-circuit conditions”, IEEE Conference on Power Electronics and Drive Systems, Vol.2, No.2, 2000, pp.645-649.

124


23. I. Khan, J. Tapson, I. de Vries, “Frequency control of a current-fed inverter for induction heating”, IEEE Proceedings on Industrial Electronics International Symposium, Vol. 1, No. 1, 2000, pp. 343-346. 24. I. Khan, J. Tapson, I. de Vries, “Frequency control of a current-fed inverter for induction heating”, IEEE Proceeding on Industrial Electronics, Vol. 1, No. 1, 2000, pp. 343-346.

24. I. Khan, J. Tapson, I. de Vries, “Frequency control of a current-fed inverter for induction heating”, IEEE Proceeding on Industrial Electronics, Vol. 1, No. 1, 2000, pp. 343-346.

25. 25. A.Weber, E.Carroll, M.Frecker, “IGCTs for Induction Heating”, PCIM, 2002.

26. 26. S. Bernet, M.Loscher, P.Steimer, “IGCTs in Soft-Switching Power Converters”, EPE, Lausanne, 1999.

27. 27. A.Weber, T.Talibor, P.Kern, B.Oedegard, “Reverse Blocking IGCTs for current Source Inverters”, PCIM Norberg, June 2002.

125


28. A.Zied, H.Mutschler, P.Bachmann,. “A Modular IGBT Converter System for High Frequency Induction Heating Applications”, PCIM 2002, Nürnberg.

29. Fairchild semiconductors, “Induction Heating System Topology Review”, Applications notes, July 2000.

Τέλος Ενότητας

Ηλεκτροτεχνικές...

Documents

Transcript of Ηλεκτροτεχνικές...