Sinhroni usmernik za velike tokove v sistemih za uporovno točkovno varjenje

Naslov aplikativnega projekta L2-7556
Sinhroni usmernik za velike tokove v sistemih za uporovno točkovno varjenje

Vsebina projekta in raziskovalni cilji

Evropska direktiva o energetski učinkovitosti predvideva dvajset odstotno (20 %) zmanjšanje porabljene energije do leta 2020. Za Slovenijo predstavlja sprejem omenjene direktive obvezo, ki poleg energetske sanacije zgradb in energetske infrastrukture obsega razvoj in načrtovanju novih energetsko učinkovitih proizvodov na področju električnih naprav. Uporovno točkovno varjenje (UTV) predstavlja proces spajanja dveh ali več plasti pločevin brez dodajanja materiala. Veliko se uporablja v avtomobilski industriji za avtomatizirano varjenje karoserij, je pa zaradi cenenosti, visoke kvalitete in možnosti avtomatizacije njegova uporaba zelo razširjena tudi v drugih vejah industrije. UTV je zaradi razširjenosti uporabe velik porabnik električne energije, zato predstavlja izboljšanje izkoristka procesa UTV velik potencial za dogovorjeno obvezujoče zmanjšanje porabe električne energije. V dosedanjih raziskavah je bilo ugotovljeno, da je mogoče v sistemu za UTV izkoristek izboljšati na različne načine, največ pa je mogoče pridobiti z izboljšavo izkoristkov dveh podsistemov, kjer so izgube največje. Prvi podsistem predstavlja transformator za UTV, drugega pa izhodni usmernik, ki je v obstoječih izvedbah diodni.

Sistem za UTV je kompleksna naprava, sestavljena iz večjega števila sestavnih elementov. Zaradi uporabljenih materialov, uporabljenih principov elektromagnetnih in električnih pretvorb ter časovne odvisnosti s sistemskega vidika predstavlja nelinearen, časovno odvisen sistem, ki je za analitično modeliranje in računanje brez poenostavitev in omejitev neobvladljiv. Načrtovanje izboljšav je smiselno opraviti s kombinacijo analitičnega računanja na posameznih podsistemih, numeričnega računanja s pomočjo ustreznih modelov, ki jih bo treba še izpopolniti in dopolniti z novimi, in s sprotnim potrjevanjem obeh vrst izračunov z laboratorijskimi meritvami, ki morajo pred končnim načrtovanjem prototipa novega sistema za UTV potrditi učinkovitost in smiselnost predlaganih rešitev. Vsako poskušanje zmanjšanja izgub v sistemu za UTV s pomočjo parcialnih izboljša v posameznih podsistemih, kot je zgolj zamenjava klasičnega diodnega usmernika s sinhronim, lahko vodi le v lokalne optimume, ki bodo morda daleč vstran od globalnega.

Projekt sofinancirata:

Screen-Shot-2016-11-27-at-17.37.06.png#a

Predstavitev problema

V obstoječih sistemih za UTV sta pri nominalni vrednosti varilnega toka absolutni vrednosti izgub v transformatorju (TR) in izhodnem usmerniku približno enaki in jih je z optimalnim načrtovanjem TR za UTV in drugačno izbiro izhodnega usmernika mogoče znatno zmanjšati. V optimističnem primeru je mogoče izgube v TR zmanjšati še za 25%, medtem ko je mogoče izgube v izhodnem usmerniku z uporabo SU zmanjšati celo za 75%, kar lahko v skupnem pomeni 50 % zmanjšanja izgub, to pa lahko, zaradi izredno velikih moči sistemov za UTV in kontinuiranega režima uporabe, povzroči enormne prihranke energije. Načrtovane rešitve, ki bodo predmet načrtovanega raziskovalnega projekta, bistveno vplivajo na gostoto moči, zanesljivost delovanja in izkoristek celotnega sistema za UTV. Če upoštevamo dejstvo, da se samo v avtomobilski industriji trenutno letno proizvede več kot 60 milijonov osebnih avtomobilov in povprečna avtomobilska karoserija vsebuje okoli 6000 zvarov, vidimo, da je že za varjenje avtomobilskih karoserij potrebne ogromno energije (tako za varjenje, avtomatizirano premikanje robotskih rok in ne nazadnje hlajenje varilnih sistemov).

Z zvišanjem izkoristkov varilnih sistemov za 10-20 % bi se posledično prihranilo ogromno energije, kar predstavlja pomemben ekološki motiv. Dodatno bi z večjo izkoriščenostjo uporabljenih materialov v močnostnih DC-DC pretvornikih prihranili pri materialu in posledično tudi na energiji, ki je potrebna za pridobivanje surovin in obdelovanje materialov ter proizvodnjo komponent naprav. Opisana problematika pa ni omejena samo na varjenje v avtomobilski in drugih industrijah.

Ideja zamenjave diodnega izhodnega usmernika s sinhronim pri sistemih manjših moči sicer ni povsem originalna ali nova, vendar je bila do sedaj preizkušena v čisto drugačnih okoliščinah v desetkrat manjšem obsegu moči kot ga zahteva načrtovani sistem za UTV, predvsem pa pri neprimerno nižjih tokih, ki v sistemih za UTV dosegajo tudi 25 kA. Kot očitno se je izkazalo dejstvo, da zahtevnost reševanja problema zmanjševanja izgub terja uporabo znanstvenega pristopa, ki do sedaj, po razpoložljivih podatkih, ni bil uporabljen. Po pregledu literature je jasno, da je za izvedbo SU, ki je primeren za tako velike varilne toke, treba uporabiti vzporedno vezavo vsaj 50 do 100 MOSFET tranzistorjev, kar predstavlja novost z velikim potencialom na znanstvenem in tehnološkem področju. V nadaljevanju bodo predstavljeni različni poskusi mnogih avtorjev, ki so skušali zmanjšati izgube na sistemih za UTV ali širše na DC-DC pretvornikih s posameznimi parcialnimi ukrepi brez upoštevanja vseh elementov sistema, zato so se posamezne rešitve kasneje tudi izkazale kot neoptimalne in hkrati preveč omejujoče za prenos v industrijsko okolje.

Cilji raziskave

Prvi cilj predstavlja zmanjšanje izgub izhodnega usmernika sistema za UTV, kar nameravamo doseči z razvojem izhodnega SU. V primeru uporabe izhodnega SU vlogo usmerniških diod prevzamejo ustrezni MOSFET tranzistorji, ki imajo zelo nizko prevajalno upornost, zato lahko z njihovo uporabo izredno zmanjšamo usmerniške izgube v primerjavi z uporabo klasičnih diod. Zelo redki evidentirani hitri poskusi zamenjave klasičnega diodnega izhodnega usmernika s SU so podrobneje predstavljeni v pregledu dosedanjih raziskav in relevantne literature, po vrsti pa so se končali pri vprašanju tehnične realizacije predlaganih izvedb. Predlagatelji projekta smo prepričani, da pri dosedanjih raziskavah niso bile izkoriščene vse raziskovalne možnosti, ki jih omogoča uporaba znanstvenega pristopa reševanja tehnično in tehnološko zelo zahtevnega problema predvidenega zmanjšanja izgub v sistemih za UTV.

Drugi cilj predstavlja integracijo modula izhodnega SU v obstoječe sisteme za UTV, kar bo omogočilo znatno izboljšanje izkoristka celotnega sistema za UTV in hkrati zmanjšalo potrebno količino tekočega medija, ki se uporablja za hlajenje sistema. Ob tem pa se bo zmanjšala tudi količina energije, ki je potrebna za hlajenje hladilnega medija. Do sedaj znane rešitve na osnovi znanih podatkov iz literature, ki so bile vsaj laboratorijsko potrjene, so bile rezultat parcialnih posegov na določenem segmentu izhodnega usmernika, ali pa so bile predlagane rešitve zaradi malih moči povsem izven zahtevanih okvirov. Pri načrtovanju SU je treba uporabiti celovit pristop z upoštevanjem lastnosti celotnega sistema za UTV, uporabiti je treba ustrezne znanstvene metode in pridobljena tehnološka znanja sodelujočih prijaviteljev projekta.

Tretji cilj predstavlja izbiro ustrezne zgradbe izhodnega SU, ki bo zagotovila potrebno fizično in elektromagnetno združljivost razvitega izhodnega SU s transformatorjem, ki bo v spremenjeni obliki ostal sestavni del sistema za UTV. Pomemben cilj projekta bo vsekakor preizkus tehnološke izvedljivosti predlagane rešitve izhodnega SU in možnost bolj kompaktne izvedbe integriranega modula transformatorja za UTV z izhodnim SU. Predlagatelji projekta imamo na področju konstrukcije tehnično zahtevnih naprav dosti inovativnih rešitev, ki so že bile zaščitene s patenti po vsem svetu.

Četrti cilj predstavlja izbor takšne zgradbe izhodnega SU, ki bo z izboljšano simetrijo v električnem podsistemu poskrbel tudi za izboljšano simetrijo v magnetnem podsistemu, kar se bo odražalo v izboljšanemu vodenju sistema.

Sofinancerji projekta