Laboratorium zaawansowanej elektroniki i automatyki 1
Najważniejszymi metalami przemysłowymi jest stal, aluminium, magnez i miedź oraz ich stopy.
Spawanie jest najczęściej stosowaną przemysłową metoda łączenia metali ale też plastików. Automatyzacja i półautomatyzacja procesu spawania ma duże znaczenie gospodarcze. Widziana na wyrobach jakość spawów jest od doskonałej do skandalicznie złej.
Nadwozie samochodu osobowego ma najmniej 3 tysiące zgrzein. Zgrzewanie jest stosowane w masowej produkcji pralek, lodówek i innego sprzętu AGD.
Spawa się korpusy wszelkich maszyn a w tym maszyn produkcyjnych ale też ramy ciężarówek, wagonów kolejowych, lokomotyw i statków.
Wysokiej jakości spawy są bardzo ważne dla okrętu podwodnego zbudowanego z wytrzymałych stopów. Bardzo wytrzymałe maszyny i narzędzia oraz broń wykonuje się ze stopów tytanu używanych także na poszycia wyrafinowanych samolotów wojskowych.
W produkcji mało i średnioseryjnej elementy do zespawania wkłada się do szablonu ( może być duży) i ewentualnie mocuje zaciskami po czym pracownik wykonuje punktowe spawy ustalające - łączące elementy a następnie robot spawa po całej długości miejsca stykania się łączonych w całość detali.
Wyróżnia się spawanie łukowe, oporowe czyli zgrzewanie punktowe lub szwem, ultradźwiękowe, laserowe, wiązką elektronów i plazmą.
Największa powierzchniowa gęstość mocy jest kolejno w promieniu lasera, promieniu elektronów, plazmie i łuku elektrycznym. Gęstość mocy przy spawaniu gazowym jest mniejsza niż przy łuku elektrycznym.
Łuk
Łuk spawalniczy to niestabilne wyładowanie elektryczne zachodzące w zjonizowanym gazie ( z parami i kropelkami metalu ) podawanym do „palnika” ( angielskie słowo Torch znaczy palnik ) z butli w metodach MIG, MAG lub TIG lub pochodzącym z termicznego rozkładu materiału otuliny elektrody przy spawaniu ręcznym MMA.
Do obserwacji łuku spawalniczego potrzebne są szybkostrzelne kamery o czasie skanowania obrazu rzędu 1 ms.
Charakterystyka łuku zależy od metalu elektrod, rodzaju i ciśnienia gazu, natężenia prądu oraz układu geometrycznego elektrod. Łuk odchylany jest też siłą elektrodynamiczną proporcjonalną do natężenia płynącego przezeń prądu.
Łuk spawalniczy może się palić między:
-topioną elektrodą i topionym materiałem przedmiotu: MMA, MIG, MAG
-wolframową ( z dodatkiem tlenek toru ThO2, tlenek cyrkonu ZrO2, tlenek lantanu La2O3 i innymi ) nietopioną elektrodą i topionym materiałem przedmiotu i topionym drutem na spaw: TIG
-wolframową nietopioną elektrodą i jej obudową w palniku plazmowym.
Natężenie pola elektrycznego na anodzie i katodzie ( natężenia mocno się różnią w poszczególnych wypadkach ) jest dużo większe niż w słupku łuku czyli części centralnej. Spadek napięcie na anodzie i katodzie jest normalnie większy niż w słupku.
Zależnie od atmosfery większy spadek czyli wydzielana moc może być na anodzie lub katodzie.
Temperaturę katody obniża intensywne wrzenie i parowanie. Temperaturę anody obniża emisja elektronów. Najwyższa temperatura jest w słupku łuku składającym się z gazów i produktów ich dysocjacji oraz par metali.
Przy małej gęstości prądu łuk ma ujemną oporność dynamiczną a przy dużej zerowa lub dodatnią oporność dynamiczną.
Przy podawaniu topionego drutu ze stałą prędkością w metodzie MIG - MAG łuk wykazuje lepszą samoregulacje zasilany ze źródła o małej oporności.
Biegunowość elektrody lub konieczność użycia prądu zmiennego dla spawania aluminium wynika z konkretnego procesu spawania i musi być przestrzegana
Zachowanie łuku modeluje się komputerowo między innymi w celu sprawdzenia zachowania całego systemu spawającego.
W pracach projektowych nie jarzy się łuku ale stosuje się symulatory łuku a test na żywym łuku prowadzi dopiero w zaawansowanej fazie projektu.
Zasilacze
Zasilaczami czyli źródłami prądu do spawania łukowego były regulowane transformatory sieciowe o dużym rozproszeniu, agregaty składające się z silnika asynchronicznego i prądnicy prądu stałego o regulowanej charakterystyce wyjściowej, regulowane prostowniki ze wzmacniaczami magnetycznymi i tyrystorami i wreszcie inwertery.
Inwertery budowano na tyrystorach, tranzystorach bipolarnych, tranzystorach Mosfet i w końcu tranzystorach IGBT.
Silnym technologicznie pionierem w dziedzinie spawania jest szwedzki ESAB założony w 1904 roku: Elektriska Svetsnings Aktiebolaget czyli Electric Welding Limited Company.
Nie powinno dziwić że pierwszego przemysłowego robota elektrycznego wyprodukowała również szwedzka ASEA.
ESAB pierwszą spawarkę inwerterową sprzedawał już w 1977 roku !
Dygresja. Wysokonapięciowe ( oczywiście bipolarne ) tranzystory mocy do zasilaczy impulsowych i układów odchylania poziomego odbiorników TVC pojawiły się na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych. Szybko znalazły zastosowanie ale przeszkodą w szybkiej popularyzacji była ich wysoka cena. Technologie szybko opanowano ale producenci ( w zmowie ?) stosowali bardzo wysokie marże.
Tyrystory do regulacji fazowej ( czyli wolne ) dość szybko miały duże prądy i napięcia. One były wołem roboczym ówczesnej energoelektroniki. Mniejsze parametry miały drogie tyrystory szybkie do inverterów. Chimeryczne tyrystorowe inwertery zawsze miały złą opinie i nigdy nie zyskały dużej popularności.
Ponieważ moc invertera zasilacza spawarki jest znaczna najlepsza jest symetryczna mostkowa konfiguracja Forward. Kondensator w szereg z uzwojeniem pierwotnym transformatora może kompensować indukcyjność rozproszenia transformatora i przez klucze invertera nie przepływa moc bierna i może być on trochę niżej zwymiarowany. Z kluczami większej mocy wystarczy zastosowanie półmostka.
Mankamentem tego rozwiązania jest zbyt małe napięcie jałowe. Dlatego popularność zyskała asymetryczna dwutranzytorowa konfiguracja Forward z dwukrotnie większym napięciem jałowym. Z uwagi na znaczne rozproszenie transformatora mocy najlepsza jest konfiguracja z dwoma jednocześnie załączanymi i wyłączanymi tranzystorami gdzie energia z indukcyjności rozproszenia wraca po wyłączeniu tranzystorów do źródła zasilania. Rozwiązanie to wymaga większego transformatora i diod prostownika wyjściowego na większe napięcie. Z powodu zjawiska przeciągania prądu wynikającego z fizyki działania tranzystorów IGBT właściwą rola snubbera RCD dla nowoczesnych tranzystorów IGBT w tym inverterze nie jest zmniejszenie strat wyłączania w tranzystorach IGBT ( choć zmniejszenie ma również miejsce ) ale przemagnesowanie rdzenia w drugą stronę w układzie rezonansowym indukcyjności głównej i kondensatora C aby dobrze wykorzystać rdzeń transformatora to znaczy całą pętlę przemagnesowania ferrytu a nie tylko małą pętle cząstkową przy prądzie jednego znaku. Snubber RCD zmniejsza też odrobinę przepięcia wynikające z niepożądanych indukcyjności ścieżek płyty drukowanej PCB.
Przy małych prądach zainicjowany łuk ma ujemną oporność dynamiczną i łatwo gaśnie co wynika z początkowo niskich temperatur przy katodzie, anodzie i w słupku łuku.
Dla potrzymania łuku korzystne jest w tej fazie jak największe napięcie z zasilacza.
Na rysunku pokazano transformator wyjściowy i prostownik asymetrycznego, dwutranzytorowego invertera Forward z dodatkowym obwodem rezonansowym L1+C3/C4 redukującym szanse zgaśnięcia łuku przy małym prądzie w zasilaczu TIG.
Przy załączeniu tranzystorów przewodzi pierwsza dioda prostownika 15D1 i rezonansowo ładuje się kondensator poprzez L1. Dioda D1 zapobiega zmianie znaku napięcia na kondensatorze. Następnie kondensator rozładowuje się przez indukcyjność L1, dławik wygładzający i finalnie łuk.
W zasilaczach do automatycznego spawania TIG stosowano kiedyś równoległy zasilacz na niewielki prąd ( do 5A ) dający znaczne napięcie do podtrzymania łuku – nawet 500 V co stwarzało poważne zagrożenie i wymagało skutecznych środków ochrony. Jak widać prosty i tani obwód LCD z inverterem jest rozwiązaniem znakomitym.
Temat inverterów jest bardzo szeroko omawiany w literaturze i zbędne jest powtarzanie ogólnie dostępnych informacji. Lepiej jest uwagą skierować na aspekty praktycznie nieznane a mające duże znaczenie.
W każdym procesie spawania łukowego do rozwiązania są dwa problemy:
-zapalenie łuku
-stabilizacja łuku.
Zapalenie łuku:
Przy spawaniu ręcznym spawacz pociera elektrodą o przedmiot aby uszkodzić izolującą warstwę tlenków. Im wyższe jest jałowe napięcie zasilacza tym statystycznie zapalenie łuku wymaga użycia mniejszej siły na elektrodę przez spawacza. Czas reakcji mózgu i mięśni spawacza oddalającego elektrodę po zapłonie jest tym większy im większa jest siła docisku elektrody. Prąd zwarcia prostego zasilacza jest większy od prądu spawania i przy mocnym docisku elektrody dochodzi do jej momentalnego kłopotliwego zgrzania z przedmiotem wymagającego jej oderwania. Przyklejenie elektrody zdarza się nawet doświadczonemu spawaczowi a co dopiero początkującemu.
Napięcie jałowe transformatorów spawalniczych wynosi do 85Vac dwukrotnie przekraczając bezpieczne dla człowieka napięcie i jest niewiele mniejsze od domowego napięcia sieciowego w USA wynoszącego początkowo 110Vac. Napięcie szczytowe w tym wypadku wynosi aż 85 x 1.41.. czyli blisko 120 V !
Im wyższe jest napięcie jałowe spawarki transformatorowej czyli rozproszenie transformatora tym mniejszy jest współczynnik cos phi pobieranej z sieci mocy. Spawarki transformatorowe są bardzo uciążliwym dla sieci odbiornikiem.
Napięcie jałowe agregatów spawalniczych wynosi do 80Vdc. Agregaty mogą mieć wygodną regulacje charakterystyki wyjściowej.
Minimalne napięcie jałowe wszelkich prostowników i inwerterów z reguły nie może być mniejsze od 55-60 Vdc i jest określone obowiązującymi w danym państwie Normami czyli prawem państwowym.
W prostownikach sterowanych ze wzmacniaczami magnetycznymi i tyrystorami a potem w inwerterach szybko zastosowano funkcjonalności do ułatwienia w zapalaniu łuku.
Początkowo zwarty zasilacz dostarcza względnie małego prądu i nigdy nie dochodzi do przyklejenia elektrody do przedmiotu. Po zdetekowaniu odsunięcia elektrody i zapłonu łuku prąd podnosi się stopniowo do ustawionej wartości nominalnej a nawet przez chwile forsuje !
W prostownikach tyrystorowych wyjściowy dławik wygładzający na czas zwiększaniu prądu wyjściowego automatycznie bocznikowano dodatkowym tyrystorem.
Przy spawaniu zrobotyzowanym MIG – MAG trzeba dotknąć elektrodą – drutem przedmiotu i odsunąć co jest trudne.
Wolframowa ( z dodatkami ) nietopliwa elektroda w procesie TIG jest bardzo gorąca i potarcie nią przedmiotu do zapalenia łuku mocno skraca jej żywotność. Można chwilę zaczekać na ostygnięcie elektrody i jej uszkodzenie przy potarciu jest mniejsze ale dłuższy jest czas stabilizacji łuku. Konieczność wymiany elektrody jest szczególnie kosztowna przy automatyzacji linii produkcyjnej. Toteż szybko zastosowano tak zwany jonizator pozwalający zapalić łuk bez dotknięcia elektrodą wolframową przedmiotu. Kondensator 1-3 nF na napięcie 5-10 kV jest z pół okresem sieciowym rezonansowo ładowany przez transformator 50/60 Hz podobny jak transformator zasilający neonowe reklamy o dużym rozproszeniu a naładowany kondensator przebijany iskrownik dołącza 100/120 razy na sekundę do wyjścia zasilacza spawarki. Mankamentem tego rozwiązania są potworne zakłócenia radiowe w zakresie od fal długich aż do krótszych fal krótkich. Iskrownik mimo użycia wolframu na elektrody się zużywa i wymaga regulacji przerwy śrubką i w końcu zużyty jest wymieniany.
O wiele lepszym rozwiązaniem jest jonizator z tyrystorem rozładowującym przez jeden zwój uzwojenia pierwotnego transformatora ferrytowego mającego 10-26 zwoi uzwojenia wtórnego, impulsowy kondensator polipropylenowy 100-220 nF naładowany do napięcia 600-1200 V. Odpowiedni tyrystor musi tolerować bardzo szybko narastający prąd anodowy di/dt. Może być połączonych kilka tyrystorków równolegle dla zwiększenia wynikowego krytycznego parametru di/dt . Impuls bramkowy tyrystora musi być silny i szybko narastający. Marną alternatywą do tyrystora jest obudowany hermetyczny ceramiczny iskrownik o znacznej trwałości.
Ponieważ zużycie elektrod iskrownika jest proporcjonalne do rozładowanego ładunku są też stosowane hermetyczne iskrowniki na napięcie circa 4 KV. Kondensator pojemności rzędu 3-5 nF jest ładowany z diodowego powielacza napięcia zasilanego pomocniczym podwyższającym transformatorkiem który jest zasilany z głównego transformatora invertera.
Przez uzwojenie wtórne transformatora HV jonizatora płynie prąd spawania i jest ono wykonane folią lub płaskownikiem. Stad cena tego transformatora HV nie jest niska. Impuls jest filtrowany dolnoprzpustowo indukcyjnością rozproszenia transformatora i pojemnością po stronie wyjściowej i stąd istotne zawężenie jego pasma Zakłócenia są tylko istotne na falach długich i średnich od których się przecież odchodzi. Krótkie impulsy HV są całkowicie bezpieczne dla człowieka, czuć tylko nieprzyjemne szczypanie.
W nietypowych rozwiązaniach ZSRR jako bardzo szybki klucz dużego prądu w „oscilatorze” stosowany jest nasycany rdzeń ferrytowy.
Maksymalny czas załączenia jonizatora wynosi około 0.5 sekundy co także limituje energię emitowanych zakłóceń radiowych. Załącza go spawacz przyciskiem na palniku lub poprzez interfejs ( CAN lub RS485 ) komputer robota gdy sądzi że elektroda jest w pobliżu spawanego przedmiotu. W drugą stronę zasilacz melduje o zapaleniu łuku i jego parametrach oraz jego nieintencjonalnym zgaśnięciu.
W pierwszym rozwiązaniu powielone prostownikiem napięcie sieciowe ładuje kondensator 100nF-1500 V KP rozładowany nowoczesną ceramiczną EPCOS Spark Gap FS1X-1G na nominalne napięcie 1000V przez jeden zwój transformatora HV.
W drugim rozwiązaniu zastosowano hermetyczną Spark Gap na napięcie 3 kV. Transformatorek zasila też pomocniczy prostownik podwyższający napięcie na wyjściu zasilacza ponieważ zastosowano inwerter w układzie mostkowym o małym napięciu jałowym. Pokazany styk przekaźnika załącza transformatorek na maksymalnie pół sekundy
W kolejnym układzie kondensatory 3 x 47 nF / 1000 V są ładowane źródłem prądowym na tranzystorze IGBT BUP213 zasilanym napięciem z powielacza napięcia. Tyrystor z diodami antyrównoległymi rozładowuje kondensator przez jeden zwój uzwojenia pierwotnego transformatora HV.
W kolejnym układzie tyrystor rozładowuje przez zwój pierwotny transformatora kondensator 100nF / 1500V MKP a w celu ograniczenia mocy strat w opornikach ładujących kondensator napięciem powielacza w momencie załączenia tyrystora i ułatwienie jego wyłączenia zastosowano w szereg z rezystorami dodatkowy dławik.
Temat wytwarzania, krótkich jonizujących impulsów wysokiego napięcia wart jest uwagi jako że występuje także w innych dziedzinach.
Napięcie impulsów HV w najnowszych urządzeniach jest programowalne aby zapłon nastąpił w pożądanym miejscu – nie za blisko ze względu na możliwość uszkodzenia palnika przez robota ale też nie za daleko gdy łuk będzie niestabilny i może zgasnąć.
Stabilizacja łuku
W europejskich urządzeniach MIG – MAG prędkość podawania drutu jest stała a w fazie po-zapłonowej napięcie łuku jest sztywno regulowane. Wykorzystywana jest tylko samoregulacja długości łuku. Gdy długość łuku maleje, maleje ( czy też raczej chce zmaleć z uwagi na sztywne zasilanie ) na nim napięcie , głównie w słupku i rośnie prąd czyli rośnie doprowadzana do łuku moc prądu. Skutkiem tego drut topi się szybciej i ustala się punkt pracy. Gdy długość łuku rośnie spada pobierany prąd i znów ustala się długość łuku. Stałe czasowe procesów są niewielkie i autoregulacja jest sprawna.
W urządzeniach amerykańskich zasilacz ma określoną oporność i dodatkowo regulowana jest szybkość silnika napędu podawania drutu.
Każdy z producentów broni swojego rozwiązania twierdząc że jest najlepsze i co rzekomo nawet potwierdzają badania i symulacje.
O co chodzi ?
Już w drugiej połowie lat pięćdziesiątych potężne koncerny Westinghouse i General Electric zapoczątkowały na kupionych lampowych komputerach IBM serii 70X pionierskie prace nad optymalizacją transformatorów i silników. Już na początku lat sześćdziesiątych wiadomo było że optymalizacja to bardzo trudna sprawa. Później zastosowano też metodę elementów skończonych FEM. Znacznie później optymalizacja zawitała do Europy Zachodniej. Mimo optymalizacji elektryczne silniki europejskie są dłuższe i mają mniejszą średnicę niż amerykańskie czyli mają inne proporcje wymiarów !
Jeden z europejskich koncernów podaje dla spawania MIG zwykłej stali drutem litym o średnicy 0.8 mm następujące dane do ustawienia - zaprogramowania. Osłona Gazowa Ar:CO2 80:20%
|
Grubość
materiału
mm
|
Prędkość
m/min
|
Napięcie
V
|
Prąd*
A
|
|
0.8
|
3
|
16,8
|
50
|
|
1
|
4
|
18
|
70
|
|
2
|
7
|
18,8
|
110
|
|
3
|
8
|
20
|
130
|
|
4
|
9
|
20,7
|
140
|
„Prąd*” oznacza że taka jest spodziewana, poprawna wartość prądu bowiem prąd nie jest programowany.
Idea tej regulacji jest następująca:
-The arc length depends on the voltage
-Current depends on the wire feed speed.
Konfrontując podaną idee z danymi z tabeli widać że im większa jest grubość materiału przedmiotu czyli wymagana ilość ciepła do wydzielenia w nim tym większe jest zadane napięcie ( i ustali się prąd ) i szybkość podawania drutu. Przy rosnącej mocy łuku drut musi być szybciej podawany aby nie uległ kompletnemu odparowaniu i rozpryśnięciu.
W urządzeniu europejskim są tylko nastawy ( jest stałe dodane napięcie) V-prędkości podania drutu oraz Voltage Correction będąca monotoniczną ( ale nie liniową ) funkcją grubości spawanego przedmiotu.
Stabilizowane napięcie składa się z wartości stałej do której w proporcji dodano V i Voltage Correction. Jeśli prąd w czasie spawania jest taki jak podano w tabelach to znaczy że wszystko jest w porządku.
W urządzeniu amerykańskim prąd jest dodatkowo programowany to znaczy podany jest oczekiwany punkt pracy U-I ale w rzeczywistości punkt pracy może być trochę różny co poskutkuje zmianą prędkości podawania drutu.
Typowo silnik DC napędu podawania drutu jest zasilany z półmostka PWM i kręci się (napędza i hamuje) tylko w jedną stronę. Ale w najlepszych urządzeniach silnik sterowany jest z pełnego mostka H i drut można cofnąć co przecież ułatwia zainicjowanie łuku. Odpowiedni musi być też mechanizm podajnika.
Moduły spawarki - zasilacza często komunikują się wewnętrznie interfejsem CAN.
Zasilacz ma też interface do komputera robota.
Sekwencja
Od lat najtańsza i najprostsza jest realizacja funkcji logicznych mikrokontrolerami Ale jest przykre „ale” związane z bezpieczeństwem i to mimo stosowania Watchdoga pilnującego sytuacji utraty ścieżki logicznej przez program. W urządzeniach z mikrokontrolerami normą jest jednak hardwarowe zapewnienie elementarnego bezpieczeństwa sprzętem - hardwarem. W pralce z pięknym wyświetlaczem pożarowi od grzałki zapobiega odłączający ją hydrostat a zalaniu mieszkania zapobiega się odłączając zasilanie zaworów wody.
Na rysunku pokazano uproszczoną sekwencje pracy urządzenia MIG. Po naciśnięciu* przycisku palnika natychmiast podane jest pełne napięcie do zaworu gazu osłonowego aby się otworzył. Po 0.2 s redukowane jest podane do zaworu napięcie aby się nie przegrzał i jednocześnie uruchamiany jest silnik napędu drutu i aktywowany jest zasilacz. Po puszczeniu przycisku od razu hamowany jest silnik a po 0.3 sekundy zasilacz poda pełen prąd aby zużyć wysunięty drut co ułatwi zapłon w kolejnej sekwencji. Na koniec zamykany jest zawór gazu osłonowego.
Schemat układu sterującego ( pokazano fragment, urządzenie ma mikrokontroler ! ) jest prosty.
Po podaniu sygnału 24V Enable ładowany jest rezystorem R200 przez diodę D335 kondensator C342 pod warunkiem ze nie za wysoka jest temperatura po stronie pierwotnej i wtórnej zasilacza. Ale gdy naciśnięty jest po włączeniu zasilacza Torch w przerzutniku RS na podwójnym tranzystorze Q22 załączony zostanie prawy tranzystor którego kolektor trwale zablokuje linie Enable – na schemacie od kropki brakuje 1 cm połączenia. Zatem gdy uszkodzony jest Torch urządzenie w ogóle nie podejmie pracy i trzeba je wyłączyć i conajmniej wymienić Torch.
Na kolejnym schemacie pokazano jądro systemu regulacji. Na wzmacniaczu operacyjnym IC6 (12,13,14) wykonano regulator PI (plus dodatkowy biegun filtracji zakłóceń C305) napięcia zasilacza dający sygnał zadany zasilaczowi PWM po fazie wstępnej. Podane wcześniej napięcia składające się na napięcie zadane są zsumowane rezystorami w „summing point” i podane do regulatora kluczem CMOS IC7 (3,4,5) ale tylko w fazie spawania.
Poza tą fazą regulator jest zresetowany kluczem IC7 (1,2,13) i kluczem IC7 (10,11,12)
Aby bardzo pewnie i szybko wykryć komparatorem IC8 (10,11,13) że elektroda jest zwarta do przedmiotu od sygnału prądu „current reference” odjęty jest rezystorami we właściwej skali ( odpowiednik rezystancja przewodów i rezystancja możliwej zgrzeiny ) odfiltrowany filtrem RC sygnał napięcia Uarc. Dla pewności działania komparator musi mieć histerezę i jego stan początkowy jest ustawiany przełącznikiem IC7 (10,11,12). Po wykryciu rozwarcia komparator aktywuje narastanie prądu zasilacza sygnałem „to ramp generator”.
Komparator IC8 (2,4,5) służy do zdetekowania trywialnej sytuacji „open circuit” czyli wysokiego napięcia Uarc.
Sam zasilacz mocy ma układ Power Factor Correction i pobiera z sieci prąd bliski sinusoidalnemu. Odciąża to sieć zasilającą a czasem w ogóle pozwala na bezpieczną pracę bez przeciążania i dewastowania sieci zasilającej. Zastosowano kontroler Unitrode UC2854 pracujący z ciągłym prądem dławika czyli w modzie CCM. Mod ten chętnie stosowany jest w urządzeniach dużej mocy.
Inverter niezależnie od napięcia sieciowego jest zasilany napięciem regulowanym 390-400 Vdc. Z tego powodu klucze i transformator invertera mogą być znacznie oszczędniej zwymiarowane.
Ale koszt układu PFC jest niebagatelny. Zajmuje on też miejsce w obudowie urządzenia co zmusza do racjonalizacji projektu
Schemat części mocy jest samo-objaśniający i nie wymaga komentarza.
Z uwagi na wysokie napięcia i duże prądy Pokazu i szerokiego objaśnienia wszystkich oscylogramów dokonuje prowadzący używając symulatora łuku. Symulator podaną mu energie napięcia 17-30Vdc i prądu do 250A ( wypełnienie 10% ) oddaje z powrotem do sieci energetycznej – są to zmodyfikowane invertery stosowane do paneli fotowoltaicznych o regulowanej charakterystyce. Żarówka tylko symbolicznie pokazuje łuk. Symulacje wykonuje mikrokontroler. Inverter symulatora jest zasilany przez szeregowy tyrystor mocy wysokiego napięcia co pozwala symulować spawanie ręczne z potarciem i automatyczne z potarciem i z zapłonem HV.
Pytania kontrolne:
-Na schemacie zasilacza komputera PC pokaż elementy wzmacniacza magnetycznego Rameya
Co decyduje o wzmocnieniu mocy wzmacniacza magnetycznego Rameya ?
Co decyduje o paśmie przepustowym wzmacniacza magnetycznego Rameya ?
-Wymień w filtrze sieciowym elementy filtru zakłóceń symetrycznych X i filtru zakłóceń asymetrycznych Y.
-Czy stosowanie układu precharge jest konieczne ? Jaka jest sekwencja zdarzeń w systemie ?
-Dlaczego w inwerterach zasilaczy spawarek ( ale nie tylko ) nie jest możliwe zastosowanie do ograniczenia prądu ładowania kondensatorów prostownika sieciowego tylko zwykle stosowanego termistora mocy NTC czyli rozwiązania prostego i taniego mimo iż NTC mocy są dostępne ? Wymień w jakich urządzeniach nie można zastosować tylko NTC do ograniczenia prądu rozruchu?
-Jaki jest cel stosowania układu „Overvoltage protection” w systemie PFC ?
-Wskaż na elementy filtru RC zapobiegające powstawaniu drgań subharmonicznych w pętli regulacji wartości chwilowej prądu w PFC. Jaka jest jego optymalna stała czasowa w stosunku do częstotliwości modulacji PWM ?
-Od jakiego poziomu mocy celowe jest użycie dwóch tranzystorów, dławików, diod ( i odpowiedniego kontrolera) PFC pracujących z przesunięciem fazy PWM zamiast jednego ?
-Jaka jest funkcja rezystancji termistora NTC od temperatury ?
-Opisz fizykę procesu wyłączania tranzystorów IGBT z podkreśleniem zjawiska przeciągania prądu przy wyłączeniu
-Jaki jest fizyczny powód tego że tranzystor IGBT toleruje przepięcie o dużo mniejszej energii niż tranzystor Mosfet o takiej samej powierzchni.
-Ultra szybkie diody są dotowane złotem i platyną. Przy użyciu zasilacza i mierniczka DVM rozpoznaj która dioda ( oznaczenia są starte ) jest dotowana złotem a która nie jest ?
-Przy użyciu generatora sygnału prostokątnego i oscyloskopu pokaż jak zmierzyć czas odzyskiwania zdolności zaworowych diody trr oczywiście przy mało adekwatnym prądzie dawanym przez generator.
-Przebiegi załączanego tyrystorem prądu różnią się niewiele przy bramkowym wyzwoleniu małym i dużym prądem. Dlaczego zatem przy wyzwoleniu bramki małym prądem i dużej szybkości narastania prądu głównego tyrystory się uszkadzają ?
-W jakich urządzeniach stosowane są generatory krótkich impulsów o wysokim napięciu ?
-Dlaczego tandetny miernik DVM „wariuje” przy aktywnym generatorze HV -TIG a inny działa zupełnie normalnie ? Czy mikrokontroler testowego radioodbiornika ma Watchdoga ?
-Narysuj wykres koncentracji mocy cieplnej w funkcji powierzchni dla promienia lasera, promienia elektronów, plazmy i łuku elektrycznego.
-Dlaczego na toroidalnym rdzeniu z żelaza proszkowego można uzwojenie dławika mocy średniej częstotliwości wykonać drutem podczas gdy na rdzeniach ferrytowych ze szczeliną trzeba użyć Litzy lub folii ?
-Dlaczego uzwojona kolumna rdzenia dławika energetycznego 100 MW ma wiele małych szczelin co jest kłopotliwe a nie jedną dużą łatwą konstrukcyjnie szczelinę ?
-Jaka jest orientacyjna częstotliwość rezonansowa foliowego kondensatora 100nF/50V o rastrze 5 mm ? Zademonstrują ją szybko generatorem i oscyloskopem.
-Kondensator 100nF/1000V KP na podwójne wyprowadzenia bowiem toleruje duże impulsy prądu. Jaka jest wartość szczytowa prądu po zwarciu tego kondensatora naładowanego do napięcia 1000V indukcyjnością 1 uH ?
-Czy do połączenia komputera robota z zasilaczem spawarki lepszy jest interface CAN czy RS485. Dlaczego ? Wymień powody.
