razvoj agregata za elektrolucno zavarivanje

SCIENCE*RESEARCH*DEVELOPMENT

R. Jevremovic, M. stosic

RAZVOJ I MODERNIZACIJA AGREGATA ZA ELEKTROLUCNO ZAVARIVANJE

DEVELOPMENT AND MODERNIZATION OF ARC WELDING PROCESS EQUIPMENT

Pregledni rad / ReviewUDK/UDC: 621.791.75.03

Rad primljen / Paper received: 04.09.2001.

Adresa autora / Author's addres:dr Haoisa Jevremovi6, Milan St0516Fakultet tehnickih naukaTrg D. Obradovi6a 6, 21000 Novi Sad

Kljucne reel:izvori struje za zavarivanje, zavarlvackl transformatori,potuprovodnlckl uredaji, prikljucni uredaji, tiristori

Keywords:Welding power sources, Welding transformers, semiconductordevices, switching devices, thyristors

Izvod

V radu je prikazan razvoj agregata (izvora) za rucnoetektrotucno zavarivanje. Dati su primeri dossdesnjinrealizacija, kao i njihov princip rada. Posebno jeprikazana konstrukcija jednog savremenog aparata zarucno etektrotucno zavarivanje. V zak/jueku je datastrategija trendova u svetu, koji se odnose namodernizaciju opreme za rucno elektrotucnozavarivanje.

Abstract

Thepaper gives an overview of the development of arcwelding power sources, as well as the examples ofprevious realizations together with the principles of theirwork. Construction ofa contemporary power source formanual metal arc welding is presented. In conclusion, ittreats the strategic trends in the world relate tomodernization ofarc welding process equipment.

Slika 1. Staticka karakteristika luka i spoljna karakteristika izvorastruje: 1, 2, 3 - spoljne karakteristike izvora struje; 4 - staticka

karakteristiku luka. Krive 1, 2, i 3 su spoljne karakteristikerazlicitih izvora struje. Za rucno zavarivanje oblozenomelektrodom iskljucivo se koriste izvori sa strmo padajucornspoljnom karakteristikom, sto na slici 1 odgovara krivoj 1.

Kod automatskog zavarivanja topivom elektrodom koriste seuredaji sa horizontalnom iii blago rastucorn karakteristikom(krive 2 i 3).

Da bi se pri elektrolucnorn zavarivanju ostvarilo lako paljenje iodrzavan]e luka, napon praznog hoda izvora struje (Vo) trebada iznosi 70 +100 V. Pri radu napon gorenja luka je oko 25 V.lbog toga ove krive pocinju od napona praznog hoda Uo.koji je visi od radnog napona, a zatim naglo padaju na svojeradne vrednosti. Da bi se stabilno odrzavao luk, radne tackssistema moraju da se nalaze u presecima karakteristika luka iizvora struje. U presecima krivih, u tacki A na slici 1, zbognedovoljno velikih struja zavarivanja, onernoquceno jestabilno gorenje luka. Zato se zavarivanje praktlcno realizujeu radnoj tacki D, gde je ornoquceno stabilno gorenje luka.

I [AjILD

KARAKTERISTIKA LUKA I SPOLJNA KARAKTERISTIKAIZVORA STRUJE

Da bi se dobio kvalitetan zavareni spoj neophodno je da, prizadatoj struji zavarivanja i naponu luka, zavarivacki lukstabilno gori. Na stabilnost gorenja luka utlcu: rezimzavarivanja, vrsta struje, karakter prenosa metala saelektrode na osnovni materijal, sastav i svojstva atmosfereluka, spoljna karakteristika izvora struje i konstantnostparametara luka.

Struja i napon luka se nalaze u medusobnoj zavisnosti. Naslici 1 kriva 4 prikazuje zavisnost napona luka od struje uluku, pri konstantnoj duzini luka I, odnosno staticku

UVOD

Elektrolucno zavarivanje pripada postupcima zavarivanjatopljenjem, koji u praksi imaju veliku primenu. Postupcielektrolucnoq zavarivanja se mogu podeliti na:

• zavarivanje oblozenorn elektrodom;• zavarivanje u zastitnorn gasu;• zavarivanje pod praskorn;• zavarivanje polozenorn elektrodom;• gravitaciono zavarivanje;• zavarivanje netopivom elektrodom.

Druga rnoquca podela je po nacinu vodenja elektrode: rucnoi automatsko. Struja zavarivanja moze biti naizrnenicna (AC)i jednosmerna (DC). Primena naizmenicne struje stvaraodredene poteskoce, jer po svojoj prirodi to nije konstantnastruja, vee se svakog trenutka menja od nulte do maksimalnevrednosti. Ova promena utice na kvalitet elektricnoq luka, atime i na kvalitet zavarenog spoja. Zato, u pogledu kvaliteta,prednost ima jednosmerna struja. Zajednicko za sve vrsteelektrolucnoq zavarivanja, bez obzira na nacin zavarivanja ivrstu elektricne struje, je da se zahtevaju izvori struje(agregati) sa specificnorn spo!jnom karakteristikom.

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (4/2001), str, 155-162 155


• skupo odrzavanje, jer traze redovnu kontrolu, pre svegazbog generatora;vrlo mali stepen korisnosti, jer su u setu dye rotacionernasine:

• investiciona cena visoka, zbog slozenosti izrade iupotrebljenog materijala za izradu.

Naelektrodu

AC

Priqusnica

Transformator

Slika 3. Transformator sa dodatnom priqusnicorn

Priqusnica prikljucivana na sekundar imala je zadatak dapoveca reaktansu rasipanja, da bi u rezimu kratkog spoja (upocetku zavarivanja) struja bila oqranlcene vrednosti.Sastojala se od feromagnetskog jezgra, sa namotajem odbakarne zlce. Na ovakvim agregatima struja zavarivanja sepcdesava pove6anjem iii smanjenjem broja navojaka naprimaru, iii pomeranjem magnetnog senta na magnetnomkolu.

Slika 2. Sistem motor-generator

Ovi agregati se uspesno zamenjuju transformatorima zazavarivanje sa tiristorskom regulacijom.

Transformatori sa dodatnom prlqusnlcom

Transformatori sa dodatnom priqusnicorn su jedno odnajjednostavnijih i najstarijih izvedbi agregata za zavarivanje.Osnovni element sistema je transformator koji, zbogspecificne konstrukcije, ima veliku rasipnu reaktansu, a osimtoga, u sekundarnom kolu na red je dodata prlqusnica.Ovakav transformator obezbeduje veliki napon praznoghoda, a tokom zavarivanja, zbog struje, usled velikograsipnog fluksa i redno vezane priqusnice, napon znacajnopada na vrednost koja odgovara naponu luka.

Veliki nedostatak ovog tipa agregata je sto varijacije naponarnreze direktno uticu na [acinu struje zavarivanja, a time i nakvalitet sava. Nedostatak je naizrnenicna struja zavarivanja.Prednost je jednostavnost izrade i minimalni zahteviodrzavanja u eksploataciji, te je zbog cene vrlo popularan.

Ovakvi transformatori su velikih dimenzija i zauzimali sunajveci dec samog aparata. Gabarit uredaja se nije mogaosmanjiti, jer je poprecni presek jezgra transformatora moraeda bude dovoljno veliki, da pri rnreznorn naponu i relativnoniskoj frekvenciji od 50 Hz, transformatorski limovi ne odu uzasicenje.

RANIJE IZVEDBE AGREGATA ZA ELEKTROLUCNOZAVARIVANJE

Razmatranja dosadasnjih izvora su za sledece konfiguracije:

generatori jednosmerne struje pogonjeni asinhronimmotorom;transformatori sa dodatnom priqusnicorn:transformatori (monofazni i trofazni) sa diodnimispravljacem i dodatnom priqusnicom:transformatori (monofazni i trofazni) sa tiristorskimispravljacern i dodatnom priqusnicorn.

Generatori jednosmerne struje sa asinhronim motorom

Ovi uredaji cine savim posebnu grupu. Do pronalaskasilicijumskih dioda, bili su jedini agregati za elektrolucnozavarivanje jednosmernom strujom.

Grupa se sastoji od trofaznog kaveznog asinhronog motora igeneratora jednosmerne struje specificne konstrukcije("generator za zavarivanje"), kao na slici 2. Radikompaktnosti i smanjenja gabarita, rotori asinhronog motorai generatora su na istom vratilu, a statori su u istom kucistu,produzene konstrukcije. Ova vrsta agregata i danas se mozenaci u primeni. Jedina dobra osobina im je sto varijacijernreznoq napona prakticno ne uticu na napon i strujuzavarivanja. Ova prednost proizilazi iz osobine asinhronogmotora da varijacija napona +10 % -15 % Un ne utice bitnona brzinu obrtanja rotora. Zato je pogodan za prikljucen]e naslabu elektricnu rnrezu, sto je skoro redovna pojava naqradltistu.

Imaju znatan broj nedostataka, kao sto su:

karakteristika luka: A, B, C, 0 - radne tacke: VLO - napon luka u tacki0; fLO - struja luka u tacki 0; Va - napon praznog hoda izvora

Pri rucnorn elektrolucnorn zavarivanju, zbog pokretanjaelektrode rukom, veoma je tesko odrzavati konstantnuduzinu luka. U tom slucaju kriva 1 se translira vertikalnonavise, kada se luk izduzu]e, i vertikalno nanize, kada se lukskra6uje. Moquce je zakljuciti zasto su potrebni uredaji sa stostrmijom karakteristikom: sa relativno velikom promenomnapona, jacina struje se vrlo malo menja.

Upotreba naizrnenicne struje utice na elektricne i toplotneprocese u luku, kao i na njegovu stabilnost. Uslednaizmenicne struje dolazi do perlodicne promene polarnostielektrode i osnovnog materijala. Pri svakom prolasku strujekroz nulu i promeni polarnosti, luk se gasi. Ova pojavauzrokuje pad temperature gasa u stubu luka i njegovudejonizaciju. Takode, dolazi i do pada temperature anodne ikatodne mrlje. Da bi se posle svakog prolaska struje kroznulu luk mogao ponovo da uspostavi, na krivoj napona lukamoraju postojati pikovi napona. To znaci da naizmenlcnastruja daje manje stabilan zavarivacki luk nego jednosmernastruja. Ipak, dosadasnia upotreba naizrnenicne struje imala jeprednosti: jednostavnost uredaja za zavarivanje i prakticnoodsustvo uticaja magnetskog polja i feromagnetskih masa naskretanje luka.

Iz do sada recenoq proizilazi potreba za usavrsavanjernuredaja za rucno elektrotucno zavarivanje, sa ciljemolaksavan]a samog postupka zavarivanja i dobijanjakvalitetnog sava, U najveco] meri poboljsania treba da seodnose na regulaciju izlazne karakteristike aparata zazavarivanje.

156 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (4/2001), str. 155·162


Transformator Died.lspravljacPriguSnica

Slika 5. Transformator sa tiristorskim ispravljacem

Regulacija struje se bazira na merenju stvarne vrednosti, iporedenjem sa zadatom, podesava se ugao ukljucen]atiristora. Sa pove6anjem ugla ukljucenja smanjuje se [aetnastruje zavarivanja, a smanjenjem ugla ukfjucenja tiristorastruja se povecava. Ugao ukljuCivanja tiristora kontroliseupravljacka elektronika, integrisana u posebnu celinu.

NOVA GENERACIJA UREf>AJA

Nacin smanjenja mase transformatora bio je poznat prepojave odqovarajucih snaZnih potuprovodnicklh komponenti.Naime, masa celog transformatora je u obrnutoj srazmeri sapovecanjern frekvencije ulaznog napona. To znaci da seizradom transformatora za radnu frekvenciju reda nekolikokHz. za struje do 100 A, dobija uredaj ukupne mase manjeod 5 kg. Ova varijanta, iz tehnoloskih razloga, do pre 10-akgodina nije bila ostvariva.

Pojavom kvalitetnih, snaZnih poluprovodnickih komponenti,moquce je veliko povecan]e frekvencije napona za napajanjetranstorrnatora, Oblik napona je impulsnog karaktera.Regulacijom sirine lmpulsa, tzv. faktora ispune, mozernodobiti zeljenu [acinu struje. Izlazni oblik struje se podesavazavisno od potrebe za naizmenicnom iii jednosmernomstrujom. Kola se neznatno razlikuju u izlaznom stepenu,

Usavrsavanjem prekidackih komponenti, karakteristikeaparata su se progresivno poboljsale. Radna frekvencijavremenom se povecavala (sl. 6), a podnosivi napon i strujazavise od tipa i konstrukcije komponenti (tab. 1).

Upotrebom razlicitih komponenti ostvaruje se drugacijaregulacija. Same komponente su bitne za ekonornicnostcelokupnog uredaja. Nacin upravljanja i disipacija snagesvake komponente, u celini menja upravljacko elektronskokolo. Zastltna kola moraju biti prilagodena podnosivimstrujama i naponima, a temperatura kontrolisana posebnimsenzorima. Za kola sa upravljackorn elektronikom

Izlazna struja nije jednosmerna, vee je valovita. To znact da,osim pozeljne jednosmerne komponente, sadrzi i viseharmonike (naizrnenicne komponente), koje doprinosepove6anju valovitosti. Zato je i dalje obavezna primenadodatne prlqusnice, prvenstveno za "peglanje" struje.

Izvedbe sa trofaznim transformatorom daju vece opsegestruja, ali i zahtevaju trofazni tiristorski ispravljac.

Ova vrsta agregata je veliki pomak u tehnici zavarivanja, jerpostoji moqucnost kvalitetne strujne regulacije. Ipak,problemi veliCine i mobilnosti uredaja, jos uvek nisu resent.

Neke zajednicke karakteristike agregata

Opsti zakljucak je da sve navedene izvedbe agregata imajuznacajne nedostatke i njihova tehnicka resenja ne moguzadovoljiti sve potrebe kvalitetnih agregata.

Svi opisani agregati nisu dovoljno mobilni, zbog velike tezinetransformatora iii zbog upotrebljene dye rotacione rnaslne.Zbog toga se koriste duqacki vodovi (cesto i do 20 m) odagrgata do mesta zavarivanja. Vodovi su preseka 50 mm2 iveci. Zbog savitiljivosti, moraju biti od finolisnatog("Iicnastog") bakra, sa izolacijom od neoprenske gume. Ovivodovi su skupi, a pri proticanju struje javlja se pad napona igubici, koji se ne mogu zanemariti. Stepen korisnostiagregata, i sa promenjenim vodovima, je los. Velika kolicinamaterijala za izradu agregata, znatno utice na njegovu cenu.Promena rezirna rada (ako nije daljinsko upravljanje), zbogudaljenosti agregata, zahteva zastoj u radu.

Smanjenje mase i gabarita uredaja znatno pobolisava usloveuporebe, sto do pre desetak godina nije bilo ostvarivo.

PriguSnicaTransformator Tir. A

,...----,ispra\iltfle---,

Transformatori sa diodnim ispravljacem i dodatnomprigusnlcom

Ova konfiguracija se bazira na prethodnoj varijanti. Pojavomsilicijumskih dioda, 60-ih godina pros log veka, bilo jemoquce da se jednostavno, pouzdano i vrlo jettino, napraviispravljac za dovoljno velike struje i napone (sl. 4). Primenomdiodnog ispravliaca dobija se jednosmerna strujazavarivanja, te se prosiru]e upotreba agregata za zavarivanjespojeva gde je neophodna jednosmerna struja. Dodatnapriqusnica, pozicionirana iza ispravliaca, smanjuje valovitoststruje. Podesavanie struje je na isti nacin kao kodtranstorrnatora bez dloda, a i dalje postoji nedostatak, zboguticaja varijacije napona rnreze na struju zavarivanja. Tako sui ovde zadrzane sve ostale mane i prednosti prethodnekonfiguracije, ali je dobijen pogodniji oblik struje luka.

Slika 4. Transformator sa diodnim ispravliacem

Upotrebom trofaznog transformatora dobija se povecan]esnage celog uredaja. Obezbeduje se veca struja zavarivanja(nekoliko stotina ampera), pa je mogu6e koristiti debljeelektrode i zavarivati deblje limove. Na sekundaru se tadaprikliucuie trofazni diodni ispravljac.

I pored svih navedenih nedostataka, ovakvi uredaji su josuvek u masovnoj upotrebi, zbog jednostavnosti konstrukcije ivelike robusnosti, niske cene i jednostavnog odrzavania.

Transformatori sa tiristorskim ispravljacem i dodatnomprlqusnlcorn

Sa pojavom prvih upravljivih i poluupravljivih komponentienergetske elektronike, umesto diodnog lspravl[aca koristese tiristori, i to najcesce u kombinaciji poluupravljivogispravliaca, U okviru agregata je sklop upravljackeelektronike, kojim se kvalitetnije regulise struja zavarivanja.Transformatori sa tiristorskom regulacijom ispravljanja idodatnom priqusnicorn su najjednostavniji tip takvih uredaja(sl. 5). Po svojim karakteristikama u potpunosti zamenjujurotacione agregate, a znato su pouzdaniji u radu i jettiniji.

lAVARIVANJE I lAVARENE KONSTRUKCIJE (4/2001), str. 155-162 157

SCIENCE*RESEARCH*DEVELOPMENT NAUKA*ISTRAZIVANJE*RAZVOJ

Radna ucestanost f(kHz)

Tabela 1. Poredenje postignutih vrednosti savremenih komponenti

~t. Magnetsk SnazniFrekv. looiacivac

Tiristor tranzst.

100 Hz -Reg.

fo-Reg.

faznog faznogugla ugla

~ Coper

~1 kHz invert. Ireg.

reg.

10 kHzlnvertreg.

100 kHz

U poslednje vreme pojavljuju se nove komponente koje,zbog svojih osobina, tek treba da nadu masovnu primenu.Na osnovu karakteristika (sl. 6) rnoquce je uporediti opsegeprimene komponenti energetske elektronike.

Kao sto je pomenuto, postoji direktna veza izmedupoboljsanja karakteristika i kvaliteta izrade snaznihprekidackih komponeti, sa povecanjem kvaliteta ikarakteristika novih uredaja za zavarivanje. Na slici 7prikazana je rnoqucnost primene odredenog sredstvaregulacije frekvencije, sa odredenim komponetama u opsegufrekvencija. Vee sada se uocava velika razlika izmedu izvorasa standardnim transformatorima i sa invertorskotranzistorskom VF regulacijom.

10510410'

MOSFET

GTO: Tiristor Iskljuciv preko geJlaMCT Tiristor sa MOS gejlomSI Tir: Tiristor na bazi statisticke indukcijeBPT Snazni bipolarni tranzislorIGBT Bipolarni tranzislor sa izolovanim gejlom

10'

IGBT

Tiristor

MCT SI TiL

. . '~""

.............BP.J ~ ..

10" l.--__.--__.-'-__.,....-__~--...,----.

10"

10'

10'

~~ 10'rnOlrn5i~ 10'.~:;Ola>n: 10'

TIRIS. BPT MOSFET IGBTURRM V 6000 1200 500 1200IA V A 350 800 50 600Aktiv. strujno strujno naponski naponskif kHz < 0.4 < 10 < 100 < 20

UF V < 1.9 1.9 prosek 3.2 3.2

dv/dtlimitirano

limitiranoV/~s

30 5 Milerovimgubitcima

efektom

di/dt200 100 vrlo visoko vrlo visoko

N~s

karakteristicno je postojanje povratnih sprega, za regulacijuizlazne struje i napona.

Slika 6. Uporedne karakteristike komponenti energetske elektronike

Najcesce koriscene komponente su: tiristor, BPT (bipolarnitranzistor u Darlington spoju), MOSFET i IGBT.

Bipo/arni tranzistor (BPT) je veoma rasprostranjenakomponenta sa sirokirn opsegom primene. Najvecinedostatak BPT je sto je to strujno upravljana komponenta.To u samom startu uslovljava oqranicenu frekvenciju rada iveci utrosak energije, nego kod drugih sistema.

Za razliku od BPT, MOSFET je naponom kontrolisanakomponenta. Zbog takvog upravljanja, MOSFET, i na veomavisokim frekvencijama, za inace trome snazne komponente,ima mali utrosak energije. Najveci nedostatak MOSFET jemala izdrzljivost vecih struja, zbog relativno velike otpornostiu stanju vodenja, kao i njena zavisnost od temperature.Zbog toga nije pogodan za vece snage.

Bipolarni tranzistor sa izolovanim gejtom (IGBT) predstavljakombinaciju BPT-a i MOSFET-a. Ova hibridna, naponskikontrolisana komponenta, zbog visokih moqucnosti,najcesce je izbor konstruktora.

GTO tiristor ima osnovnu strukturu kao i obican tiristor.Ukljucuje se malim pozitivnim, a iskliucuje velikim negativnim(25+30 % nominalne struje) strujnim impulsom na gejtu. Imasve dobre osobine tiristora, a u odnosu na tranzistor imapoboljsane prekostrujne rnoqucnosti, znacajno veci naponblokiranja, vecu gustinu struje vodenja i manje gustine uprovodnom stanju. Kod lskljucivanja postoji problemnaponskog udara (veliko au/dti, zbog ceqa obavezno ide saRCD kolom za zastitu. Osim toga GTO-tiristor ima oqranicenuradnu frekvenciju.

Slika 7. Frekvencije izvora za zavarivanje i sredstva regulacije

U slucaju kada se primenjuje tiristorska regulacija, prvo seulazni (rnrezni) napon stepenicasto transforrnise na manjevrednosti. Nakon toga, na us/ove zavarivanja, izlaz sepodesava faznom regulacijom. Sve se to postize primenomtiristora sinhronizovanog na rnreznu frekvenciju.

Na slici S prikazana je principijalna blok-serna uredaja zazavarivanje sa invertorskom regulacijom. Veoma je lakouociti funkcionalne blokove, cijim se malim modifikacijamadobijaju razne varijante aparata. Svaka varijanta imaprednosti i mane.

Prva od prikazanih blok-serna (sl. Sa) prikazuje uredaj sainvertorskom regulacijom za dobijanje naizrnenicne iiijednosmerne struje, zavisno od potreba. Uredaj se prikljucuiena izvor standardnog napona i frekvencije. Na samom ulazunalazi se filter, prikljucen direktno na rnrezni napon. Njegovauloga je da spreci prolazak harmonika koji prljaju rnrezu.Harmonici nastaju pri radu energetske elektronike, kojanapaja primarnu stranu transformatora, i pobudnog kola,koje diktira rad poluprovodnickih komponenti. Filterski sklopse sastoji od priqusnica i kondenzatora.

Nakon filtera dolaze sklop ispravliaca i manji transformator,kojim se rnrezni napon prilagodava na napon potreban zanapajanje pobudnog kola. U lspravljackorn bloku, saprimarne strane transformatora, naizrnenicni napon seispravlja obicno jednostavnim GREC kolom. Ispravljacobezbeduje napajanje invertorskog sklopa.

U najvecern broju slucajeva primenjuju se naponski invertori.Ispravljen, ali veoma valovit napon, nije pogodan za

158 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (4/2001), str, 155-162

napajanje elektronike impulsnog visokofrekventnogtransformatora. U sledecern bloku, kondenzator dodatnopegla dobijeni signal. Sada dosta ravniji signal napajainvertorsko kolo. Regulacijom takta tranzistora, u invertoru sepovecava frekvencija na nekoliko desetina kHz. Povecanjernfrekvencije obezbeduju se uslovi za ugradnju znatno manjegtransformatora, nego u ranijim izvedbama. U sistemima gdeje prikljucenje uredaja na trofaznu mrezu, koriste se tropulsniiii sestopulsni neupravljivi ispravliaci. Slozeni]e konfiguracijeposkupljuju manje uredaje, pa se zato izbegavaju. Na izlazutransformatora nalazi se sekundarni ispravljac i priqusnica. Izvise razloga, bitna je sto Cistija komponenta jednosmernestruje. Ako je, zbog dobijanja pravilnijeg i sireg zavara,predviden uredaj jednosmerne (sl. 8b) struje, onda jeneophodna sto cistija jednosmerna komponenta. Kada sezavaruje naizrnenicnorn strujom na ulazu invertora pozeljanje sto ravniji signal, koji dolazi posle priqusnice za peglanjestruje. Da bi se dobio sto bolji oblik sava, potrebna je veomaprecizna regulacija struje zavarivanja. Upravo zbog toga, uodnosu na pocetnu konfiguraciju izvrsena je jos jednamodifikacija: paralelno sa prekidackorn komponentomdodat je otpornik (sl. 8c). U odredenom momentu, prekododatnog otpora, prespaja se invertorski blok i dobija sejednosmerna struja zavarivanja.


PRIMER APARATA ZA STRUJE DO 100 A

Za smanjenje gabarita aparata, jedno od moqucih resenjase zasniva na principu povecanja radne frekvencije. Kaoizvrsni organ energetske elektronike primenjuje seFORWARD konfiguracija. Blok-serna uredaja je data na slici8a, a detaljna elektronska serna na slikama 9.1 , 9.2, 9.3 i 9.4.

Na ulazu u uredaj nalazi se filterski sklop koji ne dozvoljavaprolaz visih harmonika u rnrezu. Ulazni stepen uredaja (sl.9.1) ima vise funkcionalnih celina. Prvu od njih cini relej zaukljucenje kola za napajanje diodnog GREC spoja (CR13) . Uuklopljenom stanju relej zatavara kolo za napajanje GREC ikolo za napajanje transformatora T3, koji napaja sklopupravljacke elektronike za regulaciju faktora ispune MOSFET(M). U ulaznom stepenu nalaze se otpornici sa negativnimterrnickim koeficijentom NTC (RT1 , RT2) , kojima se postizeoptimalna brzina uspostavljanja napona na primarutransformatora T3.

U pocetku, da bi se izbegli pikovi napona, napon se sporijepovecava. Kasnije, kako se greju NTC, napon se brzeuspostavlja. Zbog toga, proces dostizanja dovoljno visokognapona za pobudu elektronike traje znatno krace,

Ispravliac saprimarnestrane Kondenz.

Invertorsaprimarnestrane Transform.

Ispravljacsasekundarnestrane

Prig. saFe jezgrom

Invertorsaprimarnestrane

Mrezninapon

.r-«. DC-v-r (YYY)

Slika 8a Izvor naizrnenicne struje sa invertors<om regulacijom

lzlaz

Mrezninapon

AC

lspravljac saprimarnestrane Konden~

Invertorsaprimarnestrane Transform.

AC

Ispravljacsasekundarne Prig. sastrane Fe jezgrom

DC

Izlaz

Slika 8b Izvorjednosmerne struje sa invertaskom regulacijom

Ispravljacsaprimarnestrane Kondenz.

Invertorsaprimamestrane Transform.

Ispravljacsasekunda me Prig. sastrane Fe jezgrom

Invertor saprimarnestrane

Mrezninapon

-{)I- DC .L DC

T

lzlaz

AClDe

Paralelni otpornik

Slika 8e. Izvor struje sa invertorskom regulacijom i kratkim spojem

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (4/2001), str. 155·162 159


Slika 9.3 Izlazni stepen sa sekundarne strane transformatora

Sika 9.2 Pretvaracko kolo sa tronamotajnim transformatorom

Kondenzatori C1 i C2 smanjuju pikove napona na GREC, kojise javljaju usled uspostavljanja struje na primaru T3. T3 imadva namotaja kojima snizava napon za potrebe elektronskogkola. Potenciometrom Rp se podesava struja zavarivanja. Leddioda L0 1 signalizira da je uredaj u radnom stanju.

GREC (CR13) kolo ima ulogu ispravliaca sa primarne straneglavnog transformatora. Ispravljeni signal sa ulaza ima velikuvalovitost. Kondenzatori C3 i C4 imaju ulogu filtra primarnognapona transformatora T1 (sl. 9.2). Karakterise ih velikikapacitet (470 IlF) i tromost. Neste su vecih dimenzija, jer senalaze na visokonaponskoj strani. Paralelno sa njima sevezuje kondenzator C6 , dosta manjeg kapaciteta. Kao brzi odC3 i C4 , kupi manje pikove napona i dodatno "pegla" primarninapon .

U glavnom pretvarackorn kolu nalazi se tronamotajnivisokofrekventni transformator T1 (sl. 9.2). T1 snizava ulazninapon, na vrednost dovoljnu za sigurno paljenje luka. Postoje radna frekvencija veoma visoka, za ovu vrstu uredajakonkretno 30 kHz, transformatorsko jezgro se ne pravi odlimova, vee je sinterovano. Na ovaj nacin drasticno sesmanjuju gubici u jezgru. Samo jezgro je obavijenoterrnoskupljajucom trakom. Radi povecan]a povrsinehladenja i smanjenja parazitnih kapacitivnosti, namotajitransformatora su izvedeni bakarnom trakom. Na isti nacin jenamotana i izlazna priqusnica L2 . Za obaranja histerezisnepetlje, priqusnice, koje mogu da odu u zasicen]e, morajuimati feromagnetni dec i vazdusni zazor.

Snazni MOSFET (M) je vezan za T1 drejnom. Zbog regulacijefaktora ispune napona na primarnoj strani transformatora,uvek radi u prekidackorn rezirnu. Upravljacki signal naponana gejtu MOSFETA kontrolise PWM (Pulse Width Modulation)generator, inace srnesten u pobudnom, regulacionom kolu.Primarni napon transformatora T1 je naizrnenicnoq karaktera,pavougaonog oblika, amplitude oko 280 V. Za razliku odnjega, napon drejn-sors je jednosmeran, amplitude do 580 V.To je veoma visok napon koji se rnoze javiti na jednojkomponenti. Oa nema zastitnih kola, ovaj napon bi bio sadaleko vise izrazenim pikovima. Zastita je realizovanaelementima: c, C7, L1, R7, O2, 03 , CRa i CR10. U ovakvojsprezi uocava se konfiguracija tzv. "snaber" kola zaoqranicavan]e brzine porasta struje (di/dt; i napona (du/d~.

Visoka frekvencija i energija, nakupljena u namotajimatransformatora, ne dozvoljavaju spore promene. Zato jeneophodna adekvatna zastita u vidu ovakvih kola. Takode, utrenucima komutacije, uloga snabera je uoblicavan]ekarakteristika napona i struje na MOSFET, da bi se na njemusmanjila disdipacija. Ako nastane pregrevanje kompnente,terrnicki senzor daje signal upravliacko] elektronici, kojasmanjuje struju iii iskljucuje uredaj.

U radu celokupnog kola veliku ulogu igra tercijer glavnogtransformatora. Ova] namotaj se naziva "reset namotaj". Odtrenutka iskliucenja prekidaca (MOSFET), reset namotajmagnetnom spregom usmerava energiju nagomilanu unamotajima transformatora. Ako ispravljac dozvoljava, strujase vraca u izvor. Ovde to nije sluca] (diodni ispravliac), pa seenergija koristi za dopunjavanje kondenzatora C3 i C4.

Karakteristike napona primara i tercijara u praznom hoduaparata (gr. 10.1 i gr. 10.3) pokazuju da su u opoziciji, sto sepostize kontra smerovima motanja ova dva namotaja. Radiobjasnjenja rada elektronskog dela kola tercijara (Ca, Cg, Rg,

+

oco·0ro"500>ClJ 0.... ~

Tj - transformatoriM - MOSFETF - osiguraPT - potenciometar

•C8

PT

17. stepen

CR1Q

Slika 9.1 Ulazni stepen uredaja

SEK.PRo

mernonaponsko Ido

Slika 9.4 Merni stepen sa sekundarne strane transformatora

Oznake na slikama 9:

T2 0

L, ~R7 C7

~~D2 E~

CRa T, •T'-H

CRg• SEK.

c, 0 3 PR. T,_G

Ci - kapacitivnostiRi, RT;- otpornostiLi - induktivnostiDj - diodeCRj - snazne diode

160 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIjE (4/2001), str. 155·162


5

-5

10

napon

4030

struja

2010

100

o

-100

-200

-300o 50 60

Vreme [115]

Graf 10.4 Kratak spoj; napon primara [V], struja primara [x2 A]

o

300

200

2*R 10, 0 4 , CRg), na grafovima 10.1,10.2 i 10.3 prikazana je iprimarna struja. Kad MOSFET prekine vodenje, napon drejnsors pocinje naglo da raste. U istom trenutku napon primarapocne da opada. To je trenutak kad je dostignut pik primarnestruje. Na strani tercijera napon raste. Struja lagano opada,sve dok ne dostigne maksimalnu vrednost. Sinhrono saovom etapom, u elektronskom kolu tercijera dopunjavaju sekondenzatori Ca i Cg. U trenutku kad napon na njimadostigne odredenu vrednost provedu diode 0 4 i CRg.Tercijerni napon je u maksimumu, a struja naglo opada nanulu. Napon primara dostize najnegativniju vrednost, aMOSFET ceka da se ukljuci. Energija je prebacena ukondenzatore C3 i C4.

Postizanje zadate radne struje u kratkom spoju ostvaruje semenjanjem faktora ispune upravliackoq signala MOSFET. Oabi se ostvarila kvalitetna regulacija struje, koristi se povratnasprega po primarnoj struji. Informacija 0 [acini struje sedobija na sekundarnoj strani transformatora T3. Na njegovojprimarnoj strani, kroz samo jedan navojak protice primarnastuja glavnog transformatora. Oslabljeni signal se prosledujemernom modulu regulacionog kola.

200

o

400

-200

-10o 20 40 60 80 100

Vreme [115]

Graf 10.5 Kratak spoj: brum izlazne struje [A]

U stanju praznog hoda izlazni napon aparata ima vrednostoko 90 V. Ovako visok napon je bitan zbog sigurnog paljenjaluka. Da bi se u praznom hodu ova vrednost stalnoodrzavala, postoji povratna sprega po naponu (sl. 9.3). Naosnovu informacije 0 izlaznom naponu qenerise se faktorispune.

Graf 10.4 prikazuje promenu primarne struje i napona primaksimalnoj zadatoj struji. Moze se uociti maksimalni faktorispune (0.3).

Maksimalana primarna struja se kre6e do 30 A. Krive naponai struje nisu sinhrono snimljene, te se korespodencija signalane moze uociti, U realnoj situaciji, trenutak porasta primarnognapona odgovora pocetku uspostavljanja struje. Pocetakopadanja struje odgovara momentu qasenja MOSFET.

Na grafu 10.5 prikazana je oscilatorna komponenta izlaznestruje. Uzlazni dec karakteristike "ripla" (valovitosti) javlja se utrenutku ukliucenla MOSFET, sinhrono sa porastom primarnestruje. Tada se na sekundarnoj strani transformatora otvaraintegrisana dioda CR14 (sl. 9.3). Struja zatvara kolo prekoizlazne priqusnice, radnog predmeta, sekundara i CR14.Silazni dec karakteristike ripla javlja se u momentuiskljucenja MOSFET. Tada provedu diode CR15 i CR16, aCR14 se zakoci. Energija sadrzana u priqusnici se prazni.Vreme praznjenja je dosta duze od vremena kada se strujavodi direktno sa sekundara. Zato se koristi duplirani sklopintegrisanih dioda (duplo manja disipacija).

50 60Vreme [115]

40

40

30

30

napon

20

20

struja

10

10

o

200

600

400

-200o

-400o 50 60

Vreme [Ils]

Graf 10.1 Prazan hod; primarni napon [V], primarna strauja [x2 A]

400

struja

napon

ostruja

napon

Graf 10.2 Prazan hod: napon drejn-sors [V], struja primara [x20 A]

TRENDOVI USAVRSAVANJA APARATA

U narednom periodu kod agregata ove vrste novi VFtransformator ima6e sve ve6u primenu. U vezi kvaliteta luka,sadasn]a regulacija se bazira na podesavanju elektricnestruje, sto nije zadovoljavaju6e.

Primenom preciznijih i efikasnijih komponenti integrisanihkola i upotrebom mikroprocesora, postupak zavarivanja bice

40302010 50 60Vreme [115]

Graf 10.3 Prazan hod: napon tercujara [V],struja primara [x20 A]

-200

-400o

ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (4/2001), str. 155-162 161


kvalitetnije regulisan. Umesto analognih regulatora prirnenicese digitalno upravljanje, pre svega zbog mikroprocesora ivece radne brzine. Posebno je interesantna koncepcija"fuzzy" automatskog upravljanja izlaznog napona. Zasniva sena ideji veoma preciznog pracen]a pojava u samom luku, uzupotrebu vrhunskih senzora. Povratna sprega, u viduinformacija 0 luku, ornoqucava veoma kvalitetnu regulaciju i

odlicno zavarivanje, jer roboti za zavarivanje uzimajuupravliacke signale iz signala lucnih senzora.

ZAKLJUCAK

Dosadasnji razvoj izvora za zavarivanje donee je napredakna vise nacina. Razvojem tehnologije i teorije invertorskeregulacije veoma su poboljsane osobine izvora zazavarivanje:

• uredaji su kompaktniji;• smanjena je tezina:• lakse je rukovanje;• koriste se kraci kablovi;• postoji rncqucnost fine regulacije;• smanjeni su gubici, bolji je stepen korisnosti;• povoljniji je talasni oblik struje i napon na izlazu.

Uz sve navedene prednosti ima i nedostataka. Servis usadasniirn uslovima gotovo da nije obezbeden. U odnosu nastandardne izvedbe, cena ovakvih uredaja je nerealnovisoka. Razlog velike cene nije u utrosku materijala za izradu,nego u postojanju monopola proizvcdaca. U skorije vrememoze se ocekivti pad cena, kada se osposobi veci brojproizvodaca. Sama tehnologija jos uvek nije masovno

poznata. Sigurno se rnoze ocekivati sve veca primenanajnovijeg tipa agregata sa pobolisanim varijantama.

Medutim, jos nije sve receno. Nakon projektovanja izvora kojimogu da obezbede kvalitetan rad u razlicitirn rezirnirna i prirazltcitirn uslovima, danas se pojavljuju aparati saregulatorima talasnog oblika, za neposrednu regulacijupojava tokom samog procesa zavarivanja. U tu svrhupotrebni su brzi regulatori, a karakterisu ih razni tipovialgoritama za regulaciju. Ovakvi zahtevi su jedan od razlogaza ugradnju mikroprocesorske tehnologije.

Sigurno je da ce u buducnosti imati sve vecu primenu izvoriza elektrolucno zavarivanje sa VF transformatorom, ipotiskivace iz upotrebe postojece agregate sa tiristorskomregulacijom.

Bolje shvatajuCi pojave pri zavarivanju, dobre rezultate rnozedoneti nova regulacija talasnog oblika struje, upravljanaracunarorn. Da bi se ti rezultati i analizirali, treba razvijati bazepodataka i vestacku inteligenciju postupaka pri zavarivanju.

L1TERATURA:

[I] V. Palie: Zavarivanie, Fakultet tehnickih nauka, Novi Sad, 1987.

[2] V. Katie: Energetska elektronika, Univerzitet u Novom Sadu, NoviSad, 1998.

[3] B. Mitrakovic: Transtormatori, lOP Naucna knjiga, Beograd, 1991.

[4] G. Brechmann, W. Dzieia, E. Hornemann, H. Hubscher, D. Jagla, 1.Klaue: Westermanov elektrotehnicki prirucnik, Tehnicka knjiga,Zagreb. 1991.

[5] f-1. Yamamoto. Y. Nishida, S. Ueguri: Razvoi i problemi struinih izvoraza elektrolucno zavarivanje u Japanu, llW Doc XI!-960-86, 1986.

[6] Katalog firme ESAB iz 1999.

DATUM I MESTO

KALENDAR SKUPOVA ZA 2002.

NAZIV KONTAKT ADRESA

19-22. Februar 2002.Munchen, Deutschland

4-6. Mart 2002.Essen, Germany

24-27. April 2002.Tokyo,Japan

17-21. juni 2002.Barcelona, Spanija

23-28. June 2002.Copenhagen, Denmark

10-14. September 2002.Odessa, Ukraine

3-4. October 2002.Brussels, Belgium

22-25. oktobar 2002.Moskva, Rusija

Schweissen im Anlagen - und Behalterbau

ITSC 2002 - International Thermal Spray Conference

Japan International Welding Show 2002

Evropska konferencija kontrole NDT

The 55th Annual Assembly of the Internacional Institute ofWelding

Protection of Environment, Health and Safety in WeldingInternational Scientific - Practical Conference

Supermartensitic Stainless Steels 2002

Medunarodna konferencija - Zavarivanje - Kvalitet Kompetentnost

Razvoj zavarivanja u svetu 2002.

Schweisstechnische Lehr - und Verchsanstalt SLV Munchen Niederlassung der GSI mbH z.H. Frau Delfs

Schachenmeierstrasse 37, D-80636 Munchen

DVS, B. Brommer/S. MahlstedtAachener Str. 172, D-40223 Dusseldorf, Germany

Tel.: +49(0)211-1591-303 or -302, fax: +49(0)211-1591-300E-mail: [email protected] Web: www.dvs-ev.de

Sanpo Publication, Inc, Sanpo Sakuma Bldg.1-11, Kanda Sakuma-cho. Chiyoda-ku, Tokyo 110-0025, Japan

Phone: +81 332586411, Fax: +81 332586430E-mail: [email protected]

HTTP://www.sanpo-pub.co.jp

AEND C / Bocangel 28-20 izda, 28028 Madrid, Spain, tel: + 34913 612 585; fax: +34 913 614 761; e-mail:

[email protected]; website: www.aend.org

FORCE Institute Park Aile 345; DK-2605 BroendbyTel: +4543267000; Fax: +4543267011:

e-mail: [email protected]

E-mail: [email protected]

Belgian Welding Institutee-mail: [email protected]

RNTSO: Volgogradsky Prospekt 41, 109316 Moscow, RusiaTel: + 7095 173-9821; fax: +7095 173-0787

162 ZAVARIVANJE I ZAVARENE KONSTRUKCIJE (4/2001), str. 155·162

razvoj agregata za elektrolucno zavarivanje

Documents