VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING PROVOZ DISTRIBUČNÍCH SÍTÍ S ODPOROVÝMI SVÁŘEČKAMI DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR Bc. MIROSLAV ZELENÝ BRNO 2012

2

3 Bibliografická citace práce: ZELENÝ M, Provoz distribučních sítí s odporovými svářečkami. Diplomová práce. Brno: Ústav elektroenergetiky FEKT VUT v Brně, 2012, 85 stran.

4 PROHLÁŠENÍ Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. Díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb. V Brně dne Podpis autora PODĚKOVÁNÍ Děkuji vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Jiřímu Drápelovi, PhD. za účinnou metodickou a pedagogickou pomoc a za cenné rady při zpracování mé diplomové práce.

5 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav elektroenergetiky Diplomová práce Provoz distribučních sítí s odporovými svářečkami Bc. Miroslav Zelený vedoucí: doc. Ing. Jiří Drápela, Ph.D. Ústav elektroenergetiky, FEKT VUT v Brně, 2012 Brno

6 BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Faculty of Electrical Engineering and Communication Department of Electrical Power Engineering Master s Thesis Operation of a distribution system with resistance welders by Bc. Miroslav Zelený Supervisor: doc. Ing. Jiří Drápela, Ph.D. Brno University of Technology, 2012 Brno

7 Abstrakt ABSTRAKT Tato diplomová práce se zabývá hodnocením vlivu provozu dvou základních typů odporových svářeček na vybrané parametry kvality elektrické energie v předávacím místě elektrické sítě. Hodnocenými parametry kvality jsou celkové harmonické zkreslení napájecího napětí, nesymetrie napájecího napětí a úroveň krátkodobé míry vjemu blikání (flikru) v předávacím místě. Hodnocení je provedeno na základě porovnání výsledků počítačových simulací provedených v programu PSCad s požadavky technických norem. Výsledkem práce jsou stanovené přípustné limity fyzikálních a provozních parametrů obecného uspořádání distribuční sítě a odporové svářečky, při jejichž dodržení nedojde v předávacím místě, v souladu s požadavky technických norem, k nepřípustnému snížení kvality elektrické energie. KLÍČOVÁ SLOVA: Odporová svářečka; odporové svařování; odporová svářečka s napěťovým měničem; odporová svářečka s usměrňovačem; usměrňovač; střídač; harmonické zkreslení; THD; činitel harmonického zkreslení; nesymetrie napětí; činitel nesymetrie napětí; flikr; krátkodobá míra vjemu flikru

8 Abstract ABSTRACT This Diploma thesis deals with assessment of the influence of two fundamental types of resistance welders operation on chosen power quality parameters at the point of common coupling (PCC) of the power network. The assessed parameters of power quality are the total harmonic distortion of the supply voltage, asymmetry of the supply voltage and the level of short term flicker at the point of common coupling. The assessment is based on the comparison of the results of computer simulations done in PSCad with the requirements of technical standards. The outcome of this thesis is the determination of allowable limits for physical and operation parameters for the general arrangement of a power distribution network and a resistance welder that should guarantee the power quality compliance. KEY WORDS: Resistance welder; resistance welding; thyristor controlled resistance welder; single phase resistance welder; inverter resistance welder; median frequency DC welder; MFDC welder; rectifier; inverter; harmonic distortion; harmonic distortion factor; THD; voltage asymmetry; voltage asymmetry factor; flicker; short term flicker

9 8 Obsah OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK SEZNAM SYMBOLŮ SEZNAM ZKRATEK A AKRONYMŮ ÚVOD CÍLE PRÁCE TECHNOLOGIE ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ DRUHY ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ PRINCIP ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ VYUŽITÍ ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ KONCEPCE A PARAMETRY SVAŘOVACÍCH STROJŮ ODPOROVÉ SVÁŘEČKY S NAPĚŤOVÝMI MĚNIČI SVAŘOVACÍ INVERTOR PRIMÁRNÍ USMĚRŇOVAČ A NAPĚŤOVÝ MEZIOBVOD STŘÍDAČ, TRANSFORMÁTOR A SEKUNDÁRNÍ USMĚRŇOVAČ KVALITA ELEKTRICKÉ ENERGIE V SOUVISLOSTI S ODPOROVÝM SVAŘOVÁNÍM KOLÍSÁNÍ NAPĚTÍ FLIKR (BLIKÁNÍ SVĚTELNÝCH ZDROJŮ) VYŠŠÍ HARMONICKÉ SLOŽKY NAPĚTÍ PŘÍČINY VÝSKYTU HARMONICKÝCH ÚČINKY VYŠŠÍCH HARMONICKÝCH LIMITNÍ HODNOTY VYŠŠÍCH HARMONICKÝCH OPATŘENÍ PRO SNÍŽENÍ VYŠŠÍCH HARMONICKÝCH NESYMETRIE NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ SIMULACE PROVOZU VYBRANÝCH TYPŮ ODPOROVÝCH SVÁŘEČEK, ZHODNOCENÍ PODMÍNEK JEJICH PŘIPOJITELNOSTI A NÁVRH PROVOZNÍCH A PŘIPOJOVACÍCH LIMITŮ S OHLEDEM NA RELEVANTNÍ PARAMETRY KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE NÁVRH OBVODOVÉHO MODELU PRO SIMULACI ZJIŠTĚNÍ ZKRATOVÉHO VÝKONU ZA TRANSFORMÁTOREM VN/NN ZJIŠTĚNÍ DVOUFÁZOVÉHO ZKRATOVÉHO VÝKONU ZA TRANSFORMÁTOREM VN/NN ZJIŠTĚNÍ TŘÍFÁZOVÉHO ZKRATOVÉHO VÝKONU ZA TRANSFORMÁTOREM VN/NN SIMULACE PROCESU ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ U SVÁŘEČEK S NAPĚŤOVÝMI USMĚRŇOVAČI, ZHODNOCENÍ PODMÍNEK JEJICH PŘIPOJITELNOSTI A NÁVRH PROVOZNÍCH A PŘIPOJOVACÍCH LIMITŮ S OHLEDEM NA RELEVANTNÍ PARAMETRY KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE... 52

10 9 Obsah SIMULACE PROCESU ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ U SVÁŘEČEK S NAPĚŤOVÝMI USMĚRŇOVAČI S OHLEDEM NA HARMONICKÉ ZKRESLENÍ NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ V PŘEDÁVACÍM MÍSTĚ A ZHODNOCENÍ PODMÍNEK JEJICH PŘIPOJITELNOSTI Z HLEDISKA TOHOTO PARAMETRU KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE SIMULACE PROCESU ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ U SVÁŘEČEK S NAPĚŤOVÝMI USMĚRŇOVAČI S OHLEDEM NA SYMETRII NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ V PŘEDÁVACÍM MÍSTĚ A ZHODNOCENÍ PODMÍNEK JEJICH PŘIPOJITELNOSTI Z HLEDISKA TOHOTO PARAMETRU KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE SIMULACE PROCESU ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ U SVÁŘEČEK S NAPĚŤOVÝMI USMĚRŇOVAČI S OHLEDEM NA KRÁTKODOBOU MÍRU VJEMU FLIKRU P ST V PŘEDÁVACÍM MÍSTĚ A ZHODNOCENÍ PODMÍNEK JEJICH PŘIPOJITELNOSTI Z HLEDISKA TOHOTO PARAMETRU KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE NÁVRH PROVOZNÍCH A PŘIPOJOVACÍCH LIMITŮ PRO SVÁŘEČKY S NAPĚŤOVÝMI USMĚRŇOVAČI S OHLEDEM NA VÝŠE HODNOCENÉ PARAMETRY KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE V PŘEDÁVACÍM MÍSTĚ SIMULACE PROCESU ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ U SVÁŘEČEK S NAPĚŤOVÝMI MĚNIČI, ZHODNOCENÍ PODMÍNEK JEJICH PŘIPOJITELNOSTI A NÁVRH PROVOZNÍCH A PŘIPOJOVACÍCH LIMITŮ S OHLEDEM NA RELEVANTNÍ PARAMETRY KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE SIMULACE PROCESU ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ U SVÁŘEČEK S NAPĚŤOVÝMI MĚNIČI S OHLEDEM NA HARMONICKÉ ZKRESLENÍ NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ V PŘEDÁVACÍM MÍSTĚ A ZHODNOCENÍ PODMÍNEK JEJICH PŘIPOJITELNOSTI Z HLEDISKA TOHOTO PARAMETRU KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE SIMULACE PROCESU ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ U SVÁŘEČEK S NAPĚŤOVÝMI MĚNIČI S OHLEDEM NA SYMETRII NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ V PŘEDÁVACÍM MÍSTĚ A ZHODNOCENÍ PODMÍNEK JEJICH PŘIPOJITELNOSTI Z HLEDISKA TOHOTO PARAMETRU KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE SIMULACE PROCESU ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ U SVÁŘEČEK S NAPĚŤOVÝMI MĚNIČI S OHLEDEM NA KRÁTKODOBOU MÍRU VJEMU FLIKRU P ST V PŘEDÁVACÍM MÍSTĚ A ZHODNOCENÍ PODMÍNEK JEJICH PŘIPOJITELNOSTI Z HLEDISKA TOHOTO PARAMETRU KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE NÁVRH PROVOZNÍCH A PŘIPOJOVACÍCH LIMITŮ PRO SVÁŘEČKY S NAPĚŤOVÝMI MĚNIČI S OHLEDEM NA VÝŠE HODNOCENÉ PARAMETRY KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE V PŘEDÁVACÍM MÍSTĚ ZÁVĚR POUŽITÁ LITERATURA:... 84

11 Seznam obrázků 10 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 3.1: Princip bodového odporového svařování [2] Obr. 3.2: Princip švového odporového svařování[2] Obr. 3.3: Princip výstupkového odporového svařování [2] Obr. 3.4: Princip stykového odporového svařování [2] Obr. 3.5: Složky odporu zátěže při bodovém svařování [2] Obr. 3.6: Přípustné směry namáhání svaru [10] Obr. 3.7: a) ruční odporová svářečka; b) statická odporová svářečka [10] Obr. 4.1: Schéma zapojení jednofázového napěťového měniče [1] Obr. 4.2: Schéma zapojení třífázového napěťového měniče [1] Obr. 4.3: Schéma zapojení svářečky s napěťovým měničem [8] Obr. 4.4: Průběhy výstupního napětí a proudu napěťového měniče [1] Obr. 4.5: Principiální blokové schéma svařovacího invertoru [11] Obr. 4.6: Obvodové schéma šestipulzního usměrňovače s napěťovým meziobvodem [9] Obr. 4.7: Průběh výstupního napětí dvoupulzního usměrňovače po zařazení kondenzátoru [9].. 31 Obr. 4.8: Časové průběhy proudů a napětí 6p usměrňovače s kondenzátorem v meziobvodu [9] 33 Obr. 4.9: Principiální obvodové schéma střídačové části svařovacího invertoru [9] Obr. 5.1: Náhradní schéma a fázorový diagram úbytku napětí na kombinaci prvků napájecí cesty Obr. 5.2: Možný průběh rychlé časové změny napětí Obr. 5.3: Časové změny světelného toku žárovky způsobené kolísáním napětí [6] Spotřebiče a provozní stavy v napájecí síti způsobující flikr jsou např.: Obr. 5.4: Charakteristika míry vjemu flikru v závislosti na frekvenci napěťových změn (60 W žárovka) [6] Obr. 5.5: Signál s obsahem základní (první), třetí a páté harmonické rozložený na jednotlivé harmonické složky [4] Obr. 5.6: Možné schéma napájecí soustavy s připojeným nelineárním spotřebičem [8] Obr. 5.7: Náhradní schéma nelineární zátěže podle metody proudových zdrojů [4] Obr 5.8: Příklad časového průběhu signálu s obsahem vyšších harmonických násobků základní harmonické signálu [4] Obr. 5.9: Symetrická trojfázová soustava [13] Obr. 5.10: Nesymetrická trojfázová soustava [13]

12 Seznam obrázků 11 Obr. 5.11: Fázory souměrných soustav [13] Obr. 5.12: Souměrné složky symetrické (vlevo) a nevyvážené soustavy (vpravo)[13] Obr. 6.1: Schéma elektrického obvodu pro modelování vlivu provozu svářečky s napěťovými usměrňovači na parametry kvality elektrické energie sestavené v programu PSCad Obr. 6.2: Grafický průběh ustálené hodnoty činitele harmonického zkreslení napětí THD U v předávacím místě v závislosti na poměru třífázového zkratového výkonu a výkonu zátěže 55 Obr. 6.3: Ukázka grafického výstupu simulace časového průběhu činitele celkového harmonického zkreslení THD U v jedné fázi během svařovacího cyklu při nastaveném odporu zátěže R = 1,2 m a řídicím úhlu tyristorů = Obr. 6.4: Ukázka grafického výstupu simulace průběhu činitele celkového harmonického zkreslení THD U v jedné fázi během svařovacího cyklu při nastaveném odporu zátěže R = 1,2 m a řídicím úhlu tyristorů = 90 detail svařovacího pulzu Obr. 6.5: Limitní křivka udávající maximální přípustnou úroveň pravoúhlé amplitudové modulace napětí, při které krátkodobá míra vjemu flikru dosáhne hodnoty Pst = 1 (ČSN EN ed. 2) Obr. 6.6: Ukázka grafického výstupu simulace poklesu fázového napětí jedné fáze během svařovacího pulzu při nastaveném odporu zátěže R = 1,2 m a řídicím úhlu tyristorů = Obr. 6.7: Ukázka grafického výstupu simulace poklesu fázového napětí jedné fáze během svařovacího pulzu při nastaveném odporu zátěže R = 1,2 m a řídicím úhlu tyristorů = 0 detail pulzu Obr. 6.8: Přípustné maximální frekvence svařovacího cyklu pro jednotlivé poměry zkratového výkonu a výkonu zátěže stanovené na základě výsledků simulací v souladu s normou ČSN EN ed Obr. 6.9: Vymezení přípustné pracovní oblasti pro provoz svářeček s napěťovými usměrňovači stanovené s ohledem na požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu definované normou ČSN EN ed Obr. 6.10: Schéma elektrického obvodu pro modelování vlivu provozu svářečky s napěťovým měničem na parametry kvality elektrické energie sestavené v programu PSCad Obr 6.11: Ukázka grafického výstupu simulace časového průběhu činitele celkového harmonického zkreslení THD U v jedné ze dvou zatížených fází během svařovacího cyklu při nastaveném odporu zátěže R = 0,5 m a řídicím úhlu tyristorů α = Obr 6.12: Ukázka grafického výstupu simulace časového průběhu činitele celkového harmonického zkreslení THD U v jedné ze dvou zatížených fází během svařovacího cyklu při nastaveném odporu zátěže R = 0,5 m a řídicím úhlu tyristorů α=90 detail svařovacího pulzu Obr 6.13: Grafický průběh ustálené hodnoty činitele harmonického zkreslení napětí THD U v předávacím místě v závislosti na poměru dvoufázového zkratového výkonu a výkonu zátěže

13 Seznam obrázků 12 Obr 6.14: Ukázka grafického výstupu simulace časového průběhu činitele napěťové nesymetrie U v jedné ze dvou zatížených fází během svařovacího cyklu při nastaveném odporu zátěže R = 0,5 m a řídicím úhlu tyristorů α= Obr 6.15: Ukázka grafického výstupu simulace časového průběhu činitele napěťové nesymetrie U v jedné ze dvou zatížených fází během svařovacího cyklu při nastaveném odporu zátěže R = 0,5 m a řídicím úhlu tyristorů α=0 detail svařovacího pulzu Obr 6.16: Grafický průběh ustálené hodnoty činitele napěťové nesymetrie U v předávacím místě v závislosti na poměru dvoufázového zkratového výkonu a výkonu zátěže Obr 6.17: Ukázka grafického výstupu simulace poklesu fázového napětí v jedné ze dvou zatížených fází během svařovacího pulzu při nastaveném odporu zátěže R = 0,5 m a řídicím úhlu tyristorů = Obr 6.18: Ukázka grafického výstupu simulace poklesu fázového napětí v jedné ze dvou zatížených fází během svařovacího pulzu při nastaveném odporu zátěže R = 0,5 m a řídicím úhlu tyristorů = 0 detail svařovacího pulzu Obr. 6.19: Přípustné maximální frekvence svařovacího cyklu pro jednotlivé poměry zkratového výkonu a výkonu zátěže stanovené na základě výsledků simulací v souladu s normou ČSN EN ed Obr. 6.20: Vymezení přípustné pracovní oblasti pro provoz svářeček s napěťovými měniči stanovené s ohledem na požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu definované normou ČSN EN ed

14 Seznam tabulek 13 SEZNAM TABULEK Tab 3.1: Parametry statické tyristorové svářečky z obr. 3.7b Tab. 5.1: Charakteristiky typických zdrojů harmonických [13] Tab. 5.2: Limitní hodnoty jednotlivých harmonických složek napětí dle ČSN [14] Tab. 6.1: Ustálené hodnoty činitele harmonického zkreslení napětí THD U v předávacím místě odečtené na základě simulací pro jednotlivé poměry třífázového zkratového výkonu a výkonu zátěže Tab. 6.2: Parametry uvažovaných svařovacích cyklů Tab. 6.3: Hodnoty přípustných relativních změn velikosti napětí přibližně odečtené z křivky na obr. 6.5 pro uvažované prodlevy mezi svařovacími pulzy a jim odpovídající počty změn napětí za minutu Tab. 6.4: Poměrné velikosti poklesů fázového napájecího napětí v předávacím místě během svařovacích pulzů pro jednotlivé poměry třífázového zkratového výkonu a výkonu zátěže a stanovení limitů těchto poměrů pro jednotlivé frekvence svařovacího cyklu Tab. 6.5: Přípustné limity pro provoz svářeček s napěťovými měniči stanovené s ohledem na požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu definované normou ČSN EN ed Tab. 6.6: Ustálené hodnoty činitele harmonického zkreslení napětí THD U v předávacím místě odečtené na základě simulací pro jednotlivé poměry dvoufázového zkratového výkonu a výkonu zátěže Tab. 6.7: Ustálené hodnoty činitele nesymetrie U v předávacím místě odečtené na základě simulací pro jednotlivé poměry dvoufázového zkratového výkonu a výkonu zátěže Tab. 6.8: Poměrné velikosti poklesů fázového napájecího napětí v předávacím místě během svařovacích pulzů pro jednotlivé poměry dvoufázového zkratového výkonu a výkonu zátěže a stanovaní limitů těchto poměrů pro jednotlivé frekvence svařovacího cyklu Tab. 6.9: Přípustné limity pro provoz svářeček s napěťovými měniči stanovené s ohledem na požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu definované normou ČSN EN ed

15 Seznam symbolů 14 SEZNAM SYMBOLŮ â komplexní operátor natočení 1 3 aˆ j â komplexní operátor natočení aˆ j 2 2 b směrnice přímky podle vztahu (6.3) [Kč km -1 mm -2 ] C M kapacita kondenzátoru ve stejnosměrném meziobvodu podle obr. 4.6 [F] e k poměrné napětí transformátoru nakrátko [%] e r poměrná činná složka napětí transformátoru nakrátko [%] e x poměrná rozptylová reaktance transformátoru [%] d průměr elektrod v místě jejich galvanického spojení s napájecím obvodem podle obr. 3.5 [m] dt du f diferenciál času [s] diferenciál napětí [V] frekvence [Hz] f cyklu frekvence svařovacího cyklu [s -1 ; min -1 ] h řád harmonické složky obecně neharmonického signálu [-] I i(t) I D I f I h elektrický proud [A] časový průběh proudu [A] proud jednoho, resp. dvojce spínacích prvků (diod) podle obr. 4.8 (resp. obr. 4.6) [A] fázový proud [A] harmonická složka proudu řádu h [A] (3) I k fázová efektivní hodnota rázového zkratového proudu při třífázovém zkratu [ka] (2) I k fázová efektivní hodnota rázového zkratového proudu při dvoufázovém zkratu [ka] Im I max I stř I 0 imaginární složka komplexního čísla maximální výkmit pulzního proudu [A] střední hodnota proudu kondenzátorem podle obr. 4.8 (resp. obr. 4.6) [A] stejnosměrná složka proudu [A] i 0 poměrný magnetizační proud transformátoru [%] I 1 I 1 i z j efektivní hodnota první harmonické složky proudu proud tekoucí stejnosměrným meziobvodem podle obr. 4.8 (resp. obr. 4.6) [A] proud zátěží [A] imaginární jednotka komplexního čísla 14

16 Seznam symbolů 15 k činitel rozložení zatížení na vedení [-] k ik měrné investiční náklady výstavby vedení [Kč km -1 ] L indukčnost [H] n měrné náklady na ztráty [Kč KW -1 rok -1 ] p celkové roční procento nákladů [% rok -1 ] p napěťový převod transformátoru [-] p 0 poměrné ztráty transformátoru naprázdno [%] P lt dlouhodobá míra vjemu flikru [-] P st krátkodobá míra vjemu flikru [-] Q teplo (tepelná energie) [J] R elektrický odpor [ ] R e R d R k R off R on R o R S S s S n reálná složka komplexního čísla odpor jedné svařovací elektrody podle obr. 3.5 [ ] odpor přechodu mezi svařovanými díly podle obr. 3.5 [ ] odpor ve vypnutém stavu [ ] odpor v sepnutém stavu [ ] odpor materiálu jednoho svařovaného dílu mezi elektrodami podle obr. 3.5 [ ] odpor svařovací zátěže podle obr. 4.9 [ ] zdánlivý výkon [MVA] celková tloušťku svařovaných prvků podle obr. 3.5 [m] nominální (jmenovitý) zdánlivý [MVA] (3) S k třífázový rázový zkratový výkon při třífázovém zkratu [MVA] (2) S k dvoufázový rázový zkratový výkon při dvoufázovém zkratu [MVA] S z t T T t t n t v zdánlivý výkon zátěže při svařování [kva] čas [s] tyristor perioda signálu [s] časový rozdíl mezi dvěma časovými okamžiky [s] doba nabíjení kondenzátoru ve stejnosměrném meziobvodu podle obr. 4.7 [s] doba vybíjení kondenzátoru ve stejnosměrném meziobvodu podle obr. 4.7 [s] T cyklu perioda trvání svařovacího cyklu [s] 15

17 Seznam symbolů 16 T prodleva doba trvání prodlevy mezi dvěma svařovacími pulzy [s] T pulz doba trvání proudového svařovacího pulzu [s] THD činitel celkového harmonického zkreslení (total harmonic distortion) [%] THD I činitel celkového harmonického zkreslení napětí [%] THD U činitel celkového harmonického zkreslení napětí [%] U napětí [V] U úbytek napětí [V] U relativní úbytek napětí [%] U a U b U c U d U D U f,n U f U h fázové napětí ve fázi a [V] fázové napětí ve fázi b [V] fázové napětí ve fázi c [V] velikost podélné složky fázoru úbytku napětí podle obr. 5.1 [V] napětí na výstupu usměrňovače podle obr. 4.8 (resp. obr. 4.6) [V] nominální (jmenovité) fázové napětí [kv] fázový úbytek napětí [kv] harmonická složka napětí řádu h [V] u k poměrné napětí transformátoru nakrátko [%] U m U n U q U 0 U 1 u z V U V V V W V au V av V aw V bu V bv V bw amplituda střídavého napětí [V] nominální (jmenovité) napětí [V] velikost podélné složky fázoru úbytku napětí podle obr. 5.1 [V] stejnosměrná složka napětí [V] efektivní hodnota první harmonické složky napětí [V] napětí na zátěži [V] napětí ve fázi U podle obr [V] napětí ve fázi V podle obr [V] napětí ve fázi W podle obr [V] sousledná složka napětí ve fázi U podle obr [V] sousledná složka napětí ve fázi V podle obr [V] sousledná složka napětí ve fázi W podle obr [V] zpětná složka napětí ve fázi U podle obr [V] zpětná složka napětí ve fázi V podle obr [V] zpětná složka napětí ve fázi W podle obr [V] 16

18 Seznam zkratek a akronymů 17 V 0 V 0U V 0V V 0W x X SN, 22kV Z impedance [ ] netočivá (nulová) složka napětí podle obr [V] netočivá (nulová) složka napětí ve fázi U podle obr [V] netočivá (nulová) složka napětí ve fázi V podle obr [V] netočivá (nulová) složka napětí ve fázi W podle obr [V] symbol označující operaci násobení reaktance síťového napáječe na hladině napětí 22kV [ ] řídicí úhel tyristoru [ ] u činitel fázové nesouměrnosti (nesymetrie) napětí [%] rozdíl velikosti celkového úbytku napětí oproti podélné složce fázoru úbytku napětí způsobený vzájemným natočením fázorů vstupního a výstupního napětí podle obr. 5.1 [V] u činitel nevyváženosti) napětí [%] úhlový posun mezi fázorem napětí a proudu [rad; ] fáze nebo fázový posun [rad; ] součinitel zmenšení odporu proti odporu válce [-] pravý (skutečný) účiník odběru výkonu [-] rezistivita [ m] úhlová frekvence [rad s -1 ] h fázový posun h-té harmonické složky signálu oproti fázi jeho první harmonické složky [rad; ] ~ střídavý signál SEZNAM ZKRATEK A AKRONYMŮ AlFe CD ČR označení typu elektrovodného lana tvořeného kombinací ocelové duše a hliníkového pláště kompaktní disk Česká Republika ČSN EN česká technická norma harmonizovaná s evropskými technickými normami DC ed. střída, akronym z anglického Duty Cycle edice (vydání) 17

19 Seznam zkratek a akronymů 18 IEC mezinárodní elektrotechnická komise, akronym z anglického International Electrotechnical Commission IGBT ind. IP XX Kč max. min. nn obr. PCC resp. RL ss tab. tzv. UPS USV vf vn VT 1f 2f 3f 2p 6p akronym anglického výrazu insulated gate bipolar transistor (bipolární tranzistor s izolovaným hradlem) Induktivní mezinárodní klasifikace třídy krytí přístrojů (international protection) proti vniknutí cizích částic a proti vniknutí vody koruna česká, česká měna maximálně, maximální minimálně, minimální nízké napětí obrázek předávací místo sítě, z anglického point of common coupling respektive odporově indukční stejnosměrný tabulka takzvaný, takzvaně záložní zdroj, akronym z anglického Uninterruptible Power Supply záložní zdroj (UPS), akronym z německého Unterbrechungsfreie Stromversorgung vysokofrekvenční vysoké napětí výkonový tranzistor jednofázový, jednofázově dvoufázový, dvoufázově třífázový, třífázově dvoupulzní šestipulzní 18

20 Úvod 19 1 ÚVOD Odporové svařování je efektivní svařovací technologií, která je v dnešní době hojně využívána ve strojním průmyslu, zejména pak v průmyslu automobilovém. Odporové svářečky využívají elektrickou energii a jejich příkony se pohybují v řádu až stovek kw. Odběr takovýchto nezanedbatelných výkonů, navíc pulzním způsobem, je pochopitelně spojen s dopady na kvalitu elektrické v místě jejich připojení. To vede k nutnosti zabývat se konkrétními dopady provozu jednotlivých typů odporových svářeček na kvalitu elektrické energie a identifikovat konkrétní parametry této kvality, které jsou provozem konkrétních typů odporových svářeček ovlivňovány, stejně jako identifikovat přesné původce tohoto ovlivňování. Znalost náhradních obvodových schémat odporových svářeček umožňuje charakterizovat velikost a tvar proudu odebíraného těmito zařízeními. Toho lze dále využít při posuzování vlivu daného spotřebiče na jeho nadřazenou napájecí soustavu, resp. dané předávací místo (PCC). Odporové svářečky používané v současném průmyslu jsou zařízení tvořená kombinací polovodičových prvků výkonové elektroniky a snižujících svařovacích transformátorů, přičemž samotný proces svařování je prováděn elektrickým proudem procházejícím přes svařovaný spoj. Odporovou svářečku tak lze chápat jako nelineární spotřebič elektrické energie o určitých specifických vlastnostech odběru. Negativním důsledkem provozu odporových svářeček je především kolísání velikosti napětí v napájecí síti, jeho deformace a případně také, v závislosti na způsobu zapojování daného typu svářečky, nesymetrie napájecího napětí. Pro zmírňování těchto negativních důsledků a udržování jejich míry v přípustných mezích je třeba, na základě zhodnocení vlivů provozu jednotlivých typů svářeček na kvalitu elektrické energie, vytvořit obecná pravidla pro jejich připojování a provoz a tato pravidla následně dodržovat. V této práci budou popsány základní dva běžně používané typy odporových svářeček, a to svářečky s napěťovými usměrňovači a napěťovými měniči a běžný způsob jejich provozu. Následně bude nastíněna problematika kvality elektrické energie a analyzován vliv provozu zmíněných typů odporových svářeček právě na tuto na kvalitu. Dále budou identifikovány rozhodující parametry této kvality pro posuzování negativních vlivů odporového svařování na napájecí síť. Poté budou provedeny počítačové simulace procesů odporového svařování u obou sledovaných typů svářeček při různých způsobech provozu a na jejich základě budou vyhodnoceny stanovené relevantní parametry kvality elektrické energie. Na základě výsledků simulací pak budou zhodnoceny podmínky připojitelnosti odporových svářeček a stanoveny limity pro jejich připojování a provoz s ohledem na požadovanou kvalitu elektrické energie v předávacím místě. 19

21 Cíle práce 20 2 CÍLE PRÁCE Cílem této práce je na základě sestavených počítačových modelů elektrických obvodů vybraných typů odporových svářeček a provedených počítačových simulací vypracovat metodiku pro posuzování a hodnocení možností připojování a způsobu provozu těchto vybraných typů odporových svářeček ve veřejné napájecí síti a následně, na základě aplikace této metodiky, navrhnout obecné limity jejich připojitelnosti, a to s ohledem na normativní požadavky na relevantní ukazatele kvality elektrické energie v místě připojení (v předávacím místě). 20

22 Technologie odporového svařování 21 3 TECHNOLOGIE ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ Equation Chapter (Next) Section 3 Svařovaní obecně, z hlediska strojírenské technologie, je spojováním kovových materiálů stejného nebo podobného složení v nedělitelný celek. Podle principu vzniku tepla lze svařování dělit na: - svařování kyslíko-acetylenovým plamenem - svařování elektrickým obloukem - svařování elektrickým odporem V této práci se dále zaměříme na svařování elektrickým odporem. Elektrickým odporovým teplem je možno svařovat kovy, které při ohřevu procházejí, třeba jen v malém teplotním rozsahu, plastickým, tvárným stavem. To znamená, že situací vhodných k využití odporového svařování je v porovnání např. s obloukovým svařováním méně. Naopak ale lze některými způsoby odporového svařování spojovat kovy, které tavným způsobem nelze vůbec svařovat. Vlastní proces svařování probíhá tak, že se spojované kovy ohřejí do plastického stavu a svaří, nebo se součásti v místě styku ohřejí až do roztavení a roztavený kov buď při stlačení ze spoje vystříkne, jako je tomu třeba u svařování natupo odtavovacím způsobem, nebo zůstane ve svaru, jako např. při bodovém svařování. Ve všech případech však svařovací operace končí stisknutím svařovaných součástí tlakem. 3.1 Druhy odporového svařování Odporové svařování lze rozdělit na čtyři základní druhy, a to: - bodové, při kterém se spoje vytvářejí v podobě svarových čoček mezi přeplátovanými dílci (Obr. 3.1), Obr. 3.1: Princip bodového odporového svařování [2] 21

23 Technologie odporového svařování 22 - švové, při kterém je spoj vytvořen za pomocí kotoučových elektrod ve tvaru souvislého svaru mezi přeplátovanými dílci (Obr. 3.2) Obr. 3.2: Princip švového odporového svařování[2] - výstupkové, při kterém se spoje vytvářejí na místech styku přirozených nebo záměrně vytvořených výstupků (Obr. 3.3), Obr. 3.3: Princip výstupkového odporového svařování [2] - stykové, při kterém jsou svařované dílce přitlačovány ve styčných plochách a svařují se po celé styčné ploše (Obr. 3.4). Obr. 3.4: Princip stykového odporového svařování [2] 22

24 Technologie odporového svařování Princip odporového svařování Při svařování elektrickým odporem není zdrojem tepla např. elektrický oblouk, ale elektrický odpor vzniklý v místě styku dvou svařovaných materiálů. Průchodem proudu značné velikosti tímto odporem, resp. svařovaným místem, dojde k místnímu ohřevu materiálů. Materiály se teplem nataví a po silném stlačení v místě svaru dojde k jejich svaření. Množství tepla, které vzniká na přechodovém odporu v místě styku dvou materiálů lze vyjádřit Jouleovým vztahem: 2 Q R I t J A s [ ; ; ; ] (3.1) kde značí: Q množství tepla, R přechodový odpor, I procházející proud, t čas průchodu proudu odporem. Z uvedeného vztahu vyplývá, že stejné množství tepla může být při svařování vyvinuto dvěma způsoby. Buď průtokem velkého proudu po krátký čas, nebo průtokem menšího proudu po delší čas. První způsob se v praxi odporového svařování označuje jako tvrdý režim, druhý způsob pak jako režim měkký. Výhody a negativa obou variant jsou shrnuty v následujících bodech: Výhody tvrdého režimu: - vyžaduje jen krátké strojní časy - krátkodobé působení svařovací teploty vede k jemnozrnné struktuře svarového kovu - vznikají minimální napětí a deformace - snižuje se opotřebení elektrod a spotřeba elektrické energie Nevýhody tvrdého režimu: - vyžaduje stroje velkých příkonu a silnějších konstrukcí - je náročnější na dodržení předepsaných kvalitativních i kvantitativních parametrů elektrické energie v přípojném místě vzhledem k významným nárazovým a krátkodobým odběrům elektrické energie Výhody měkkého režimu: - nevyžaduje stroje velkého příkonu - umožňuje používat menší průřezy elektrických vodičů - je méně citlivý na odchylky odporové svařitelnosti svařovaných materiálů Nevýhody měkkého režimu: - vyžaduje delší strojové časy (nižší produktivita) - vznikají větší mechanické deformace a mechanická napětí ve svarových spojích - je doprovázen hrubozrnnou strukturou svaru (v důsledku menší pevnost spoje) - vyžaduje častější úpravu svařovacích elektrod Volba režimu svařování závisí především na technologických požadavcích na svary, četnosti svařování a energetické bilanci podniku. 23

25 Technologie odporového svařování 24 Odpor materiálu mezi kruhovými elektrodami je závislý na rozměrech vodiče, směru průchodu proudu a rezistivitě materiálu, která je teplotně závislá. Na Obr. 3.5 je znázorněno schéma bodového svaru. Obr. 3.5: Složky odporu zátěže při bodovém svařování [2] Odpor materiálu jednoho svařovaného dílu mezi elektrodami lze vyjádřit vztahem: R O 4 s 2 d [ ] (3.2) Kde χ je součinitel zmenšení odporu proti odporu válce, ρ je rezistivita materiálu, s představuje celkovou tloušťku svařovaných prvků a d průměr elektrod v místě jejich galvanického spojení s napájecím obvodem podle obr Celkový pracovní odpor bude záviset na tvaru proudové cesty a jeho výsledná hodnota je dána součtem: Celkový odpor svařovacího obvodu: R 2 R + R + 2 R (3.3) d K O kde R d představuje odpor jedné svařovací elektrody, R k odpor přechodu mezi svařovanými díly. 3.3 Využití odporového svařování Odporové svařování je technologií, která nachází uplatnění především v sériové a hromadné výrobě. Je proto přirozené, že bývá nasazováno především při výrobě vozidel, zejména automobilů a motocyklů, leteckém průmyslu, výrobě nástrojů (spojení nástrojové oceli řezné části s konstrukční ocelí stopky nástroje), ve stavebnictví pro výrobu výztuží do betonu, výrobu řetězů, v elektrotechnické výrobě i v jiných oborech. Z hlediska materiálů se nejčastěji bodují konstrukční oceli, ale lze bodovat i korozivzdorné oceli, hliník a další materiály. Problémem je spojování pozinkovaných plechů. Při rozhodování o využití bodového svařování na tvorbu svaru v konkrétním případě je důležité posoudit reálnou schopnost dodržení limitů povoleného namáhání bodových svarů 24

26 Technologie odporového svařování 25 během doby jejich života v konkrétní aplikaci. Bodové svary totiž nelze namáhat krutem! V krutu je pevnost bodových svarů minimální. Naopak v tahu je jejich pevnost úctyhodná. Na to je třeba pamatovat při návrhu konstrukce, ve které hodláme bodové svary používat. Správné a špatné způsoby namáhání jsou znázorněny na následujícím obrázku: Obr. 3.6: Přípustné směry namáhání svaru [10] Pro realizaci odporového svařování je nezbytné použití vhodného zařízení, kterým je odporová svářečka. Pro různé metody odporového svařování se vyrábějí různé typy odporových svářeček, jak v ručním provedení (Obr. 3.7 a), tak v provedení statickém (Obr. 3.7 b) či v provedení plně automatizovaných robotických ramen. Obr. 3.7: a) ruční odporová svářečka; b) statická odporová svářečka [10] 25

27 Technologie odporového svařování 26 Pro doplnění jsou uvedeny parametry statické tyristorové bodové svářečky z Obr. 3.7 b: Pro bodování plechů max. 5+5 mm Nožní pneumatické ovládání Min. tlak ovládacího vzduchu 600 bar Tyristorové řízení Elektronický časovač Dodávaná délka ramen 330 mm Volitelná délka ramen 480 a 680 mm Napojení na vodní okruh s vodou max. 30 C Tab 3.1: Parametry statické tyristorové svářečky z obr. 3.7b Technické parametry Napětí Příkon max. Příkon 50 % Svařovací proud max. Jištění Svařovaný materiál Délka čelistí ve výbavě Volitelná délka čelistí - lze dokoupit Přítlak elektrod 400 V 42 kw 17,5 kw A min. 63 A 5+5 mm 330 mm 480 a 680 mm 220 N Krytí/Třída izolace IP 20/H Rozměry Váha 790x320x1280 mm 145 kg 26

28 Koncepce a parametry svařovacích strojů 27 4 KONCEPCE A PARAMETRY SVAŘOVACÍCH STROJŮ Equation Chapter (Next) Section 4 V následujících podkapitolách jsou popsány základní principy obvodů, využívaných pro odporové svařování. Zejména starší, avšak stále hojně se vyskytující způsob svařování využívající napěťové měniče a svářečky s tranzistorovými střídači (svařovací invertory) vycházející z obdobného principu, jaký je využíván při obloukovém svařování, ovšem bez indukčnosti za sekundárním usměrňovačem, která slouží ke stabilizaci oblouku. 4.1 Odporové svářečky s napěťovými měniči Měnič střídavého napětí dovede plynule měnit efektivní hodnoty střídavého napětí při zachování hodnoty kmitočtu napájecího střídavého napětí. Může být v jedno či třífázovém provedení. Tento typ měniče je tvořen antiparalelním zapojením dvou tyristorů, při kterém jeden propouští kladnou a druhý zápornou půlvlnu napětí. Vzhledem k využívání jak 1f tak 3f spotřebičů, jsou v těchto provedeních i napěťové měniče, což znázorňují obvodová zapojení na obr. 4.1 a obr 4.2. Pokud by byl v 3f provedení spojen uzel zdroje a uzel zátěže, poměry v jednotlivých fázích by odpovídaly situaci tří jednopulzních střídavých měničů napětí s odpovídajícím fázovým posuvem. Uzly se v praxi nespojují, neboť okamžité fázové proudy nejsou harmonické a jejich součet proto není nulový a nulovým vodičem by tekl proud nezanedbatelné velikosti. Obr. 4.1: Schéma zapojení jednofázového napěťového měniče [1] Obr. 4.2: Schéma zapojení třífázového napěťového měniče [1] 27

29 Koncepce a parametry svařovacích strojů 28 Okamžik sepnutí tyristoru od průchodu napětí nulou se reguluje řídícím úhlem, čímž je pak v případě použití svářečky s takovýmto invertorem ovlivněn i proud transformátoru a její celkový výkon. Blokové schéma jednofázového měniče s transformátorem a sekundárním usměrňovačem je znázorněno na obr Sekundární usměrňovač je v tom to případě tvořen dvojicí diod pro usměrnění obou půlvln napětí vzhledem k vyvedené nule transformátoru. Obr. 4.3: Schéma zapojení svářečky s napěťovým měničem [8] Na Obr. 4.4 jsou znázorněny průběhy výstupního napětí a proudu napěťového měniče pracujícího do RL zátěže. Indukčnost transformátoru způsobuje fázový posun proudu odebíraného z měniče, který tak na svém vyžaduje jalovou složku příkonu na svém vstupu (napětí a proud nejsou ve fázi). Obr. 4.4: Průběhy výstupního napětí a proudu napěťového měniče [1] Výhodou odporových svářeček pracujících na principu napěťových měničů je jejich jednoduchost a menší harmonické zkreslení odebíraného proudu. Nevýhoda spočívá především v zachování síťového kmitočtu, což se nepříznivě odráží na velikosti a ceně transformátoru. 28

30 Koncepce a parametry svařovacích strojů Svařovací invertor Odporové svářečky se připojují výhradně na síť nn. Svářečky malých výkonů je možné připojit na společné přípojnice dané výrobny, u větších výkonů je již, s ohledem na možné významnější úrovně poklesu napětí v místě připojení svářeček a s ohledem na významnější rušení napájecí sítě při jejich provozu, potřeba svářečky připojovat samostatně přes vlastní transformátory. Samostatně pracující svářečky je možné připojovat mezi dvě fáze na sdružené napětí soustavy nn, při větším počtu svářeček ve výrobě je snahou zapojovat svářečky mezi fáze napájecí soustavy pokud možno tak, aby bylo dosaženo co možná největší symetrie zatěžování této soustavy. Pokrok výkonové elektroniky našel své uplatnění i v oblasti odporového svařování, ve kterém se dnes využívá tzv. svařovacích invertorů. Svařovací invertor je zdroj svařovacího proudu, který využívá změny (zvýšení) frekvence vstupního síťového napětí z důvodu možnosti zmenšení rozměrů převodního transformátoru a zvýšení jeho účinnosti. Obecně lze svářecí invertor zařadit do kategorie tzv. spínaných zdrojů. Název invertor pochází z anglického inverter měnič, střídač. Obecně se jedná o zdroj stejnosměrného svařovacího proudu pracujícího na bázi spínaného zdroje měniče. Použití spínaného zdroje jako zdroje svařovacího proudu je motivováno skutečností, že se stoupající přenášenou frekvencí klesá hmotnost (i tím i velikost) jádra napájecího transformátoru. Obr. 4.5: Principiální blokové schéma svařovacího invertoru [11] Vstupní střídavé síťové napětí o frekvenci 50 Hz se nejprve usměrní primárním usměrňovačem a vyhladí filtračními kondenzátory. Získáme tak stejnosměrné napětí o velikosti 1,42 U ef. Toto stejnosměrné napětí je pak pomocí tranzistorového střídače časově 29

31 Koncepce a parametry svařovacích strojů 30 "rozsekáno" na obdélníkové impulsy. Impulsy mohou být střídavé nebo jednosměrné podle provedení střídače. Opakovací frekvence impulsů je již podstatně vyšší a v praxi bývá z okolo 1 khz. Získané napětí je zavedeno do primárního vinutí převodního transformátoru. Jelikož je přenášená frekvence cca 20x vyšší než původní síťová 50 Hz, mohou být rozměry a hmotnost transformátoru velice malé. Převodní transformátor zajistí, stejně jako v klasických transformátorových svářečkách, jednak galvanické oddělení svářecího napětí od napětí sítě a jednak snížení výstupního svařovacího napětí na bezpečnou hodnotu. Na výstupním (sekundárním) vinutí převodního transformátoru získáme opět střídavé napětí, které je nutné usměrnit sekundárním usměrňovačem. Výhody, které svařovací invertory díky své koncepci spínaných zdrojů nabízejí: Malé rozměry a hmotnost Vysoká účinnost (80% 90%) a s tím související úspornost při provozu Rychlá odezva řízení umožňující komfortní svařování Snadná změna charakteristiky zdroje a tím možné jednoduché přizpůsobení různým metodám svařování S možností změny charakteristiky také souvisí možnost konstrukce víceúčelových svářeček. S nastupující digitalizací je možné zapojování svářeček do sítí a jejich komunikace s počítači (nastavování a protokolování svařovacích parametrů), s roboty i mezi sebou navzájem Primární usměrňovač a napěťový meziobvod Základní princip usměrňovačů spočívá v postupném připínání částí střídavého napětí tak, aby výstupní napětí obsahovalo stejnosměrnou složku. Výstupní napětí usměrňovače je tak tvořeno střídavou a stejnosměrnou složkou. Střídavá složka je ovlivnitelná typem usměrňovače. Platí, že čím vícepulzní usměrňovač je, tím menší je střídavá složka napětí, a tím i proudu, na jeho výstupu. Střídavou složku proudu lze dále ovlivnit velikostí indukčnosti, resp. setrvačností zátěže, do které usměrňovač pracuje. Na Obr. 4.6 je znázorněno principiální obvodové schéma šestipulzního usměrňovače, který je ve výkonové elektronice často používaný. Je tvořen anodovou a katodovou skupinou diod, napájených transformátorem. Tento typ usměrňovače přeměňuje trojfázové střídavé napájecí napětí na stejnosměrné. Nutnost nasazení usměrňovačů v odporových svářečkách vychází z koncepce využití vf střídače a pulzních transformátorů, které snižují rozměry, hmotnost a cenu celého zařízení. 30

32 Koncepce a parametry svařovacích strojů 31 Obr. 4.6: Obvodové schéma šestipulzního usměrňovače s napěťovým meziobvodem [9] Výstupní stejnosměrné napětí je zvlněné, přičemž zvlnění kopíruje okamžitý průběh střídavého napájecího napětí, což pro pulsní spínání tranzistorů není příliš vhodné. Vyhlazení takto získaného průběhu napětí je možno učinit vřazením kondenzátoru do stejnosměrného meziobvodu. Průběh výstupního napětí po zařazení kondenzátoru s 2p usměrňovačem je znázorněn na Obr. 4.7, kde silná křivka kopíruje napájecí napětí střídače. Obr. 4.7: Průběh výstupního napětí dvoupulzního usměrňovače po zařazení kondenzátoru [9] Takto zapojený kondenzátor tvoří vlastně zátěž, do které usměrňovač pracuje, a pro tranzistorový střídač je naopak zdrojem. Nevýhoda napěťových meziobvodů spočívá v odebíraném pulzním proudu usměrňovače, který vzniká při nabíjení kondenzátoru a jehož časový průběh má tvar jehlových impulzů. Kapacitu kondenzátoru můžeme určit na základě dovolené časové změny napětí na výstupu usměrňovače a velikosti střední hodnoty proudu kondenzátorem: dt t CM i() t Istř (4.1) du U 31

33 Koncepce a parametry svařovacích strojů 32 V případě, že budeme uvažovat nulový řídicí úhel tyristoru, resp. použijeme diody v 6p zapojení, dochází k přirozené komutaci. Časové průběhy proudů a napětí takto pracujícího usměrňovače s kondenzátorem v meziobvodu jsou znázorněny na obrázku 4.8. Na nich I 1 představuje proud v ss meziobvodu před kondenzátorem, I D proud jednoho, resp. dvojce spínacích prvků (diod), U D napětí na výstupu usměrňovače a I f proud odebíraný v jedné fázi. Obdélníkové průběhy proudu můžeme v našem případě ignorovat, jelikož při použití tlumivek by bylo nutné doplnit tranzistory střídače antiparalelně připojenými diodami, aby vlivem indukčnosti nedocházelo k jejich prohoření. Navíc tlumivka zmenšuje časové změny proudu, nikoliv napětí, což pro tranzistory není výhodné. Z časových průběhů je patrné, že odebíraný proud je periodický, ale ne harmonický a má poměrně vysokou hodnotou THD. Tedy i v případě neřízeného usměrňovacího můstku, kdy první harmonická odebíraného proudu je ve fázi s napětím, klesá pravý účiník odběru se zvyšujícím se celkovým harmonickým zkreslením v důsledku nárůstu deformačního výkonu. Při uvažovaní tvrdé sítě o vysokém zkratovém výkonu, kdy nepředpokládáme deformaci napětí v PCC, můžeme skutečný účiník určit dle vztahu: cos ( ) 2 1 THDI [ ] (4.2) Zde uvedená problematika je dále rozvedena v kapitole 5. 32

34 Koncepce a parametry svařovacích strojů 33 Obr. 4.8: Časové průběhy proudů a napětí 6p usměrňovače s kondenzátorem v meziobvodu [9] 33

35 Koncepce a parametry svařovacích strojů Střídač, transformátor a sekundární usměrňovač Střídač slouží k převedení stejnosměrného napětí na střídavé nebo pulzní pomocí řízených polovodičových prvků. Takto získané napětí, resp. proud se poté může transformovat na požadovanou výstupní hodnotu pomocí transformátorů. U odporových svářeček je nutné využití střídačů tranzistorových, které jsou plně řiditelné spínacími impulzy. Tyristory zde není možné použít, jelikož vypínají při průchodu proudu nulou, ke kterému může docházet při rezonanci se zátěží, do které střídač pracuje. Tranzistor má nízké ztráty ve dvou provozních stavech. Když je plně vypnutý, nebo když je plně sepnutý. Když je plně vypnutý, objeví se na jeho svorkách napětí, ale neteče jím proud, takže jsou v tomto stavu jeho ztráty nulové. Když je plně sepnutý, může přes něj téct proud, ale na jeho svorkách se objeví pouze saturační napětí, které je poměrně nízké, takže jeho ztrátový výkon je v tomto stavu rovněž nízký. Protože při každém zapnutí nebo vypnutí přechází tranzistor přes oblast vysokých ztrát, rostou společně se zvyšující se frekvencí spínání i ztráty. Díky možnosti přenést dvouhodnotově modulovaný signál při dané spínací frekvenci dnes patří pulsně šířková modulace k základním technikám, na kterých stojí současná výkonová elektronika. V náhradním schématu střídačové části svařovacího invertoru podle Obr. 4.9 je střídač tvořen výkonovými tranzistory VT1 VT4, které jsou spínány s určitou frekvencí tak, aby byl transformátor napájen obdélníkovými pulzy ve dvou směrech. Toho je docíleno spínáním tranzistorových dvojic Q1, Q4 a Q2, Q3. Obr. 4.9: Principiální obvodové schéma střídačové části svařovacího invertoru [9] 34

36 Koncepce a parametry svařovacích strojů 35 Využití střídače umožňuje použití menšího a levnějšího transformátoru, jehož převod je nutný pro docílení vysokých svařovacích proudů. Běžné transformátory pracující s napájecím napětím o frekvenci 50 Hz bývají velmi rozměrné a těžké. To je dáno tím, že pro nízké frekvence se železná jádra vedoucí magnetický tok rychle sytí, takže musí mít pro přenesení daného výkonu poměrně velké rozměry, což se promítne do celkových rozměrů transformátorů. Sekundární usměrňovač dále přeměňuje sekundární vf proud transformátoru na proud stejnosměrný. 35

37 Kvalita elektrické energie v souvislosti s odporovým svařováním 36 5 KVALITA ELEKTRICKÉ ENERGIE V SOUVISLOSTI S ODPOROVÝM SVAŘOVÁNÍM Equation Section 5 Výchozí fyzikální veličinou pro hodnocení kvality elektrické energie v daném místě je napětí v tomto místě. Kvalita napětí je posuzována na základě několika jeho základních parametrů, jakými jsou např. frekvence, amplituda, míra deformace harmonického průběhu, míra fázové symetrie, kolísání a tzv. napěťové události (pokles, zvýšení, přerušení). Pro distribuci elektřiny jsou požadované parametry napětí a jejich meze či směrné hodnoty, uvedeny v ČSN EN Charakteristiky napětí elektrické energie dodávané z veřejných distribučních sítí [14]. Následující podkapitoly popisují kvalitativní parametry v souladu s [14]. Nutno zmínit, že [14] není normou definující kompatibilní úrovně, a neřeší tedy vliv samotného užití elektrické energie na její kvalitu, na rozdíl od standardu IEC o elektromagnetické kompatibilitě. Dodavatelsko-odběratelské vztahy bývají proto doplněny limitními hodnotami ukazatelů příspěvku odběratele ke zhoršování kvality elektrické energie v daném PCC. Při zkoumání vlivu odporového svařování na kvalitu napětí má smysl uvažovat jen ty jeho parametry, u kterých je možné předpokládat, že mohou být provozem svařovacího zařízení ovlivněny. Např. nelze předpokládat vliv lokálního provozu odporových svářeček na frekvenci napětí, jakožto systémového parametr elektrizační soustavy jako celku. Principy odporového svařování a jeho technologie byly zmíněny v předešlých kapitolách. Dodejme zde ještě, že typickým režimem provozu odporových svářeček je cyklické pulzní spínání velkých svařovacích proudů velikosti řádově až desítek ka, přičemž délka trvání proudového svařovacího pulzu bývá typicky 200 ms a četnost spínání řádově jednotky sepnutí za minutu až např. 60 min -1 [16]. Na základě znalosti běžných parametrů provozu odporových svářeček je tedy možné identifikovat určující parametry kvality napětí v předávacím místě, které budou provozem odporového svařování ovlivněny, a které je tedy třeba sledovat a hodnotit. Prvním sledovaným parametrem kvality napájecího napětí v předávacím místě během odporového svařování je kolísání napětí v předávacím místě, které je důsledkem velkého nárazového proudového odběru rychle se cyklicky opakujícího, v jehož důsledku vznikají v sítí nárazové úbytky napětí. Kolísání napětí spadá do problematiky tzv. rychlých změn napětí. Druhým sledovaným parametrem je míra deformace napětí v předávacím místě, která je důsledkem nelinearity zátěže jakožto celku, tj. nejen svařovaného materiálu, ale i prvků výkonové elektroniky a svařovacího transformátoru. Tato nelineární zátěž se chová jako zdroj proudů vyšších harmonických, které přes impedanční vazbu napájecí cesty způsobují přítomnost vyšších harmonických napětí v napájecím napětí v předávacím místě. Míru deformace napětí v důsledku přítomnosti vyšších harmonických napětí můžeme hodnotit na základě činitele celkového harmonického zkreslení napětí THD U a poměrné velikosti jednotlivých harmonických složek napájecího napětí vztažené vůči velikosti základní harmonické složky napětí (první harmonické). 36

38 Kvalita elektrické energie v souvislosti s odporovým svařováním 37 Třetím sledovaným parametrem z hlediska posuzování vlivu provozu odporových svářeček s napěťovými měniči, které se zapojují nesymetricky, na kvalitu napájecího napětí je míra fázové symetrie napájecího napětí v předávacím místě, kterou můžeme popsat, na základě teorie symetrických složkových soustav, činitelem nesymetrie napětí, jakožto poměrem velikosti zpětné složky vůči sousledné složce napětí. Výše zmíněné parametry napětí, které je třeba při odporovém svařování sledovat a hodnotit, stejně jako jevy s nimi související, budou blíže rozvedeny v následujících podkapitolách. 5.1 Kolísání napětí Zátěžný proud tekoucí přívodním vedením ke spotřebiteli do předávacího místa vyvolá úbytky napětí závisející na elektrické vzdálenosti předávacího místa spotřebitele, resp. impedanci mezi předávacím místem a síťovým napáječem (přípojnice rozvodny). Úbytek napětí na impedanci napájecí cesty ΔU (viz Obr. 5.1) je rozdílem mezi napětím napáječe U 1 a napětím v místě odběru U 2 vyvolaný zátěžným proudem I. Při určování úbytku napětí na vedení nn a vn lze zanedbat příčné admitance a velikost napětí v předávacím místě (PCC) lze určit z náhradního schématu a fázorového diagramu pro odporově-indukční charakter zatížení, které jsou znázorněny na Obr Obr. 5.1: Náhradní schéma a fázorový diagram úbytku napětí na kombinaci prvků napájecí cesty Kolísání napětí je jevem spadajícím do širší problematiky rychlých změn napětí a rozumí se jím opakující se změny efektivní hodnoty napětí mezi dvěma ustálenými, po sobě následujícími stavy, přičemž velikosti těchto změn nepřesahují limity stanovené pro pokles či zvýšení napětí. Jev kolísání napětí bývá způsoben změnami zatížení nebo spínáním v síti. Za normálních provozních podmínek tyto změny napětí nepřesahují v sítích nn 5% jmenovité hodnoty napětí. Vyšší změny mohou nastat například na koncích dlouhých vedení, kde se mohou vyskytnout úbytky až 10% jmenovité hodnoty napětí. Změna napětí o 10% U n je tedy krajní hodnotou změny napětí. V případě, že nastane snížení napětí pod 90% U n, jedná se o pokles napětí, v případě že napětí stoupne nad 110%, hovoříme o zvýšení napětí. U sítí vn je předepsaný rozsah užší (4% 6%) z důvodů přísnějších omezení pro připojení zátěží, než u sítí nízkého napětí [14]. Na obr. 5.2 je znázorněn průběh rychlé změny efektivní hodnoty napětí. Jak je z obrázku vidět, čelo průběhu změny napětí může být krátké ve srovnání s ustálenou částí této změny a jejím týlem, které mohou trvat např. několik period základní frekvence napájecího napětí. Doba trvání napěťové změny Δt, závisí na parametrech charakterizujících zátěž a její provoz, odběrné místo a napájecí síť, jako jsou např. impedance napájecí sítě či velikost zatěžovacího proudu a jeho časový průběh. 37