VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

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

BRNO 2012

Bc. MIROSLAV ZELENÝ

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

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.

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

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

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 4.2.0 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

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 4.2.0 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

8 Obsah

OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ................................................................................................................................10 SEZNAM TABULEK ................................................................................................................................13 SEZNAM SYMBOLŮ................................................................................................................................14 SEZNAM ZKRATEK A AKRONYMŮ...................................................................................................17 1 ÚVOD .......................................................................................................................................................19 2 CÍLE PRÁCE ..........................................................................................................................................20 3 TECHNOLOGIE ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ .............................................................................21 3.1 DRUHY ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ .................................................................................................21 3.2 PRINCIP ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ................................................................................................23 3.3 VYUŽITÍ ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ ...............................................................................................24 4 KONCEPCE A PARAMETRY SVAŘOVACÍCH STROJŮ..............................................................27 4.1 ODPOROVÉ SVÁŘEČKY S NAPĚŤOVÝMI MĚNIČI .............................................................................27 4.2 SVAŘOVACÍ INVERTOR ....................................................................................................................29 4.2.1 PRIMÁRNÍ USMĚRŇOVAČ A NAPĚŤOVÝ MEZIOBVOD ..............................................................30 4.2.2 STŘÍDAČ, TRANSFORMÁTOR A SEKUNDÁRNÍ USMĚRŇOVAČ ..................................................34 5 KVALITA ELEKTRICKÉ ENERGIE V SOUVISLOSTI S ODPOROVÝM SVAŘOVÁNÍM .....36 5.1 KOLÍSÁNÍ NAPĚTÍ .............................................................................................................................37 5.1.1 FLIKR (BLIKÁNÍ SVĚTELNÝCH ZDROJŮ) ..................................................................................38 5.2 VYŠŠÍ HARMONICKÉ SLOŽKY NAPĚTÍ .............................................................................................40 5.2.1 PŘÍČINY VÝSKYTU HARMONICKÝCH ......................................................................................41 5.2.2 ÚČINKY VYŠŠÍCH HARMONICKÝCH ........................................................................................44 5.2.3 LIMITNÍ HODNOTY VYŠŠÍCH HARMONICKÝCH ........................................................................45 5.2.4 OPATŘENÍ PRO SNÍŽENÍ VYŠŠÍCH HARMONICKÝCH ................................................................45 5.3 NESYMETRIE NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ .................................................................................................46 6 SIMULACE PROVOZU VYBRANÝCH TYPŮ ODPOROVÝCH SVÁŘEČEK, ZHODNOCENÍ PODMÍNEK JEJICH PŘIPOJITELNOSTI A NÁVRH PROVOZNÍCH A PŘIPOJOVACÍCH LIMITŮ S OHLEDEM NA RELEVANTNÍ PARAMETRY KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE ..............................................................................................................................................49 6.1 NÁVRH OBVODOVÉHO MODELU PRO SIMULACI .............................................................................49 6.2 ZJIŠTĚNÍ ZKRATOVÉHO VÝKONU ZA TRANSFORMÁTOREM VN/NN ..............................................51 6.2.1 ZJIŠTĚNÍ DVOUFÁZOVÉHO ZKRATOVÉHO VÝKONU ZA TRANSFORMÁTOREM VN/NN .............51 6.2.2 ZJIŠTĚNÍ TŘÍFÁZOVÉHO ZKRATOVÉHO VÝKONU ZA TRANSFORMÁTOREM VN/NN .................52 6.3 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

9 Obsah 6.3.1 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 ......................................................................................................................54

6.3.2 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.........58

6.3.3 SIMULACE PROCESU ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ U SVÁŘEČEK S NAPĚŤOVÝMI USMĚRŇOVAČI S OHLEDEM NA KRÁTKODOBOU MÍRU VJEMU FLIKRU PST V PŘEDÁVACÍM MÍSTĚ A ZHODNOCENÍ PODMÍNEK JEJICH PŘIPOJITELNOSTI Z HLEDISKA TOHOTO PARAMETRU KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE ...........................................................................................................................................58

6.3.4 NÁVRH PROVOZNÍCH A PŘIPOJOVACÍCH LIMITŮ PRO SVÁŘEČKY S NAPĚŤOVÝMI USMĚRŇOVAČI S OHLEDEM NA VÝŠE HODNOCENÉ PARAMETRY KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE V PŘEDÁVACÍM MÍSTĚ .....................................................................................................................65

6.4 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 .......................67

6.4.1 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 ......................................................................................................................69

6.4.2 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.........73

6.4.3 SIMULACE PROCESU ODPOROVÉHO SVAŘOVÁNÍ U SVÁŘEČEK S NAPĚŤOVÝMI MĚNIČI S OHLEDEM NA KRÁTKODOBOU MÍRU VJEMU FLIKRU PST V PŘEDÁVACÍM MÍSTĚ A ZHODNOCENÍ PODMÍNEK JEJICH PŘIPOJITELNOSTI Z HLEDISKA TOHOTO PARAMETRU KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE ...........................................................................................................................................77

6.4.4 NÁVRH PROVOZNÍCH A PŘIPOJOVACÍCH LIMITŮ PRO SVÁŘEČKY S NAPĚŤOVÝMI MĚNIČI S OHLEDEM NA VÝŠE HODNOCENÉ PARAMETRY KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE V PŘEDÁVACÍM MÍSTĚ ...............................................................................................................................................81

7 ZÁVĚR .....................................................................................................................................................83 POUŽITÁ LITERATURA: .......................................................................................................................84

Seznam obrázků

10

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 3.1: Princip bodového odporového svařování [2] ................................................................. 21 Obr. 3.2: Princip švového odporového svařování[2] .................................................................... 22 Obr. 3.3: Princip výstupkového odporového svařování [2] ........................................................... 22 Obr. 3.4: Princip stykového odporového svařování [2] ................................................................ 22 Obr. 3.5: Složky odporu zátěže při bodovém svařování [2] ........................................................... 24 Obr. 3.6: Přípustné směry namáhání svaru [10] ........................................................................... 25 Obr. 3.7: a) ruční odporová svářečka; b) statická odporová svářečka [10] ................................. 25 Obr. 4.1: Schéma zapojení jednofázového napěťového měniče [1] ............................................... 27 Obr. 4.2: Schéma zapojení třífázového napěťového měniče [1] .................................................... 27 Obr. 4.3: Schéma zapojení svářečky s napěťovým měničem [8] .................................................... 28 Obr. 4.4: Průběhy výstupního napětí a proudu napěťového měniče [1]........................................ 28 Obr. 4.5: Principiální blokové schéma svařovacího invertoru [11] .............................................. 29 Obr. 4.6: Obvodové schéma šestipulzního usměrňovače s napěťovým meziobvodem [9] ............. 31 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] ................... 34 Obr. 5.1: Náhradní schéma a fázorový diagram úbytku napětí na kombinaci prvků napájecí cesty ................................................................................................................................................ 37 Obr. 5.2: Možný průběh rychlé časové změny napětí .................................................................... 38 Obr. 5.3: Časové změny světelného toku žárovky způsobené kolísáním napětí [6] ....................... 38 Spotřebiče a provozní stavy v napájecí síti způsobující flikr jsou např.: ....................................... 39 Obr. 5.4: Charakteristika míry vjemu flikru v závislosti na frekvenci napěťových změn .............. 40 (60 W žárovka) [6] ......................................................................................................................... 40 Obr. 5.5: Signál s obsahem základní (první), třetí a páté harmonické rozložený na jednotlivé .... 41 harmonické složky [4] .................................................................................................................... 41 Obr. 5.6: Možné schéma napájecí soustavy s připojeným nelineárním spotřebičem [8] .............. 41 Obr. 5.7: Náhradní schéma nelineární zátěže podle metody proudových zdrojů [4] .................... 42 Obr 5.8: Příklad časového průběhu signálu s obsahem vyšších harmonických násobků základní harmonické signálu [4] .......................................................................................................... 43 Obr. 5.9: Symetrická trojfázová soustava [13] .............................................................................. 46 Obr. 5.10: Nesymetrická trojfázová soustava [13] ........................................................................ 46 10

Seznam obrázků

11

Obr. 5.11: Fázory souměrných soustav [13] ................................................................................. 47 Obr. 5.12: Souměrné složky symetrické (vlevo) a nevyvážené soustavy (vpravo)[13] .................. 48 Obr. 6.1: Schéma elektrického obvodu pro modelování vlivu provozu svářečky s napěťovými usměrňovači na parametry kvality elektrické energie sestavené v programu PSCad ........... 53 Obr. 6.2: Grafický průběh ustálené hodnoty činitele harmonického zkreslení napětí THDU 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 THDU v jedné fázi během svařovacího cyklu při nastaveném odporu zátěže R = 1,2 m a řídicím úhlu tyristorů  = 90° .............................................................. 56 Obr. 6.4: Ukázka grafického výstupu simulace – průběhu činitele celkového harmonického zkreslení THDU v jedné fázi během svařovacího cyklu při nastaveném odporu zátěže R = 1,2 m a řídicím úhlu tyristorů  = 90° – detail svařovacího pulzu .......................................... 57 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 61000-3-3 ed. 2) ..................................................................................................................... 59 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  = 0° ............................................................................................................................................ 62 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...................................................................................................................... 63 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 61000-3-3 ed. 2 ................................................................................................................ 64 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 61000-3-2 ed. 2 ........................................................................................................ 66 Obr. 6.10: Schéma elektrického obvodu pro modelování vlivu provozu svářečky s napěťovým měničem na parametry kvality elektrické energie sestavené v programu PSCad .................. 68 Obr 6.11: Ukázka grafického výstupu simulace – časového průběhu činitele celkového harmonického zkreslení THDU v jedné ze dvou zatížených fází během svařovacího cyklu při nastaveném odporu zátěže R = 0,5 m a řídicím úhlu tyristorů α = 90° .............................. 70 Obr 6.12: Ukázka grafického výstupu simulace – časového průběhu činitele celkového harmonického zkreslení THDU 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 ....................................................................................................................................... 71 Obr 6.13: Grafický průběh ustálené hodnoty činitele harmonického zkreslení napětí THDU v předávacím místě v závislosti na poměru dvoufázového zkratového výkonu a výkonu zátěže ................................................................................................................................................ 72 11

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=0° ................................................................................ 74 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 ..................................... 75 Obr 6.16: Grafický průběh ustálené hodnoty činitele napěťové nesymetrie U v předávacím místě v závislosti na poměru dvoufázového zkratového výkonu a výkonu zátěže ............................ 76 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  = 0° .................................................................................................. 78 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 ...................................................... 79 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 61000-3-3 ed. 2 ................................................................................................................ 80 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 61000-3-2 ed. 2 ........................................................................................................ 82

12

Seznam tabulek

13

SEZNAM TABULEK Tab 3.1: Parametry statické tyristorové svářečky z obr. 3.7b ........................................................ 26 Tab. 5.1: Charakteristiky typických zdrojů harmonických [13] .................................................... 42 Tab. 5.2: Limitní hodnoty jednotlivých harmonických složek napětí dle ČSN 50160 [14] ............ 45 Tab. 6.1: Ustálené hodnoty činitele harmonického zkreslení napětí THDU v předávacím místě odečtené na základě simulací pro jednotlivé poměry třífázového zkratového výkonu a výkonu zátěže ...................................................................................................................................... 55 Tab. 6.2: Parametry uvažovaných svařovacích cyklů .................................................................... 60 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 ..................................................................................................................... 60 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 ......................... 64 Tab. 6.5: Přípustné limity pro provoz svářeček s napěťovými měniči stanovené s ohledem na požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu definované normou ČSN EN 61000-3-2 ed. 2. ............................................................................................................................................. 65 Tab. 6.6: Ustálené hodnoty činitele harmonického zkreslení napětí THDU v předávacím místě odečtené na základě simulací pro jednotlivé poměry dvoufázového zkratového výkonu a výkonu zátěže .......................................................................................................................... 72 Tab. 6.7: Ustálené hodnoty činitele nesymetrie U v předávacím místě odečtené na základě simulací pro jednotlivé poměry dvoufázového zkratového výkonu a výkonu zátěže .............. 76 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 ........................ 80 Tab. 6.9: Přípustné limity pro provoz svářeček s napěťovými měniči stanovené s ohledem na požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu definované normou ČSN EN 61000-3-2 ed. 2. ............................................................................................................................................. 81

13

Seznam symbolů

14

SEZNAM SYMBOLŮ 1 3 komplexní operátor natočení aˆ    j 2 2

aˆ

b

1 3 komplexní operátor natočení aˆ 2    j 2 2 směrnice přímky podle vztahu (6.3) [Kč·km-1·mm-2]

CM

kapacita kondenzátoru ve stejnosměrném meziobvodu podle obr. 4.6 [F]

ek

poměrné napětí transformátoru nakrátko [%]

er

poměrná činná složka napětí transformátoru nakrátko [%]

ex

poměrná rozptylová reaktance transformátoru [%]

d

průměr elektrod v místě jejich galvanického spojení s napájecím obvodem podle obr. 3.5 [m]

dt

diferenciál času [s]

du

diferenciál napětí [V]

f

frekvence [Hz]

fcyklu

frekvence svařovacího cyklu [s-1; min-1]

h

řád harmonické složky obecně neharmonického signálu [-]

I

elektrický proud [A]

i(t)

časový průběh proudu [A]

ID

proud jednoho, resp. dvojce spínacích prvků (diod) podle obr. 4.8 (resp. obr. 4.6) [A]

If

fázový proud [A]

Ih

harmonická složka proudu řádu h [A]

aˆ 2

(3)

fázová efektivní hodnota rázového zkratového proudu při třífázovém zkratu [kA]

(2)

fázová efektivní hodnota rázového zkratového proudu při dvoufázovém zkratu [kA]

Im

imaginární složka komplexního čísla

Imax

maximální výkmit pulzního proudu [A]

Istř

střední hodnota proudu kondenzátorem podle obr. 4.8 (resp. obr. 4.6) [A]

I0

stejnosměrná složka proudu [A]

i0

poměrný magnetizační proud transformátoru [%]

I1

efektivní hodnota první harmonické složky proudu

I1

proud tekoucí stejnosměrným meziobvodem podle obr. 4.8 (resp. obr. 4.6) [A]

iz

proud zátěží [A]

j

imaginární jednotka komplexního čísla

Ik´´ Ik´´

14

Seznam symbolů

k

15

činitel rozložení zatížení na vedení [-]

kik

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 [-]

p0

poměrné ztráty transformátoru naprázdno [%]

Plt

dlouhodobá míra vjemu flikru [-]

Pst

krátkodobá míra vjemu flikru [-]

Q

teplo (tepelná energie) [J]

R

elektrický odpor []

Re

reálná složka komplexního čísla

Rd

odpor jedné svařovací elektrody podle obr. 3.5 []

Rk

odpor přechodu mezi svařovanými díly podle obr. 3.5 []

Roff

odpor ve vypnutém stavu []

Ron

odpor v sepnutém stavu []

Ro

odpor materiálu jednoho svařovaného dílu mezi elektrodami podle obr. 3.5 []

RS

odpor svařovací zátěže podle obr. 4.9 []

S

zdánlivý výkon [MVA]

s

celková tloušťku svařovaných prvků podle obr. 3.5 [m]

Sn

nominální (jmenovitý) zdánlivý [MVA]

(3)

Sk´´

třífázový rázový zkratový výkon při třífázovém zkratu [MVA]

(2)

Sk´´

dvoufázový rázový zkratový výkon při dvoufázovém zkratu [MVA]

Sz

zdánlivý výkon zátěže při svařování [kVA]

t

čas [s]

T

tyristor

T

perioda signálu [s]

t

časový rozdíl mezi dvěma časovými okamžiky [s]

tn

doba nabíjení kondenzátoru ve stejnosměrném meziobvodu podle obr. 4.7 [s]

tv

doba vybíjení kondenzátoru ve stejnosměrném meziobvodu podle obr. 4.7 [s]

Tcyklu

perioda trvání svařovacího cyklu [s] 15

Seznam symbolů

16

Tprodleva doba trvání prodlevy mezi dvěma svařovacími pulzy [s] Tpulz

doba trvání proudového svařovacího pulzu [s]

THD

činitel celkového harmonického zkreslení (total harmonic distortion) [%]

THDI

činitel celkového harmonického zkreslení napětí [%]

THDU

činitel celkového harmonického zkreslení napětí [%]

U

napětí [V]

U

úbytek napětí [V]

U

relativní úbytek napětí [%]

Ua

fázové napětí ve fázi a [V]

Ub

fázové napětí ve fázi b [V]

Uc

fázové napětí ve fázi c [V]

Ud

velikost podélné složky fázoru úbytku napětí podle obr. 5.1 [V]

UD

napětí na výstupu usměrňovače podle obr. 4.8 (resp. obr. 4.6) [V]

Uf,n

nominální (jmenovité) fázové napětí [kV]

Uf

fázový úbytek napětí [kV]

Uh

harmonická složka napětí řádu h [V]

uk

poměrné napětí transformátoru nakrátko [%]

Um

amplituda střídavého napětí [V]

Un

nominální (jmenovité) napětí [V]

Uq

velikost podélné složky fázoru úbytku napětí podle obr. 5.1 [V]

U0

stejnosměrná složka napětí [V]

U1

efektivní hodnota první harmonické složky napětí [V]

uz

napětí na zátěži [V]

VU

napětí ve fázi U podle obr. 5.11 [V]

VV

napětí ve fázi V podle obr. 5.11 [V]

VW

napětí ve fázi W podle obr. 5.11 [V]

VaU

sousledná složka napětí ve fázi U podle obr. 5.11 [V]

VaV

sousledná složka napětí ve fázi V podle obr. 5.11 [V]

VaW

sousledná složka napětí ve fázi W podle obr. 5.11 [V]

VbU

zpětná složka napětí ve fázi U podle obr. 5.11 [V]

VbV

zpětná složka napětí ve fázi V podle obr. 5.11 [V]

VbW

zpětná složka napětí ve fázi W podle obr. 5.11 [V] 16

Seznam zkratek a akronymů

V0

netočivá (nulová) složka napětí podle obr. 5.11 [V]

V0U

netočivá (nulová) složka napětí ve fázi U podle obr. 5.11 [V]

V0V

netočivá (nulová) složka napětí ve fázi V podle obr. 5.11 [V]

V0W

netočivá (nulová) složka napětí ve fázi W podle obr. 5.11 [V]

x

symbol označující operaci násobení

XSN,22kV

17

reaktance síťového napáječe na hladině napětí 22kV []

Z impedance []



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

označení typu elektrovodného lana tvořeného kombinací ocelové duše a hliníkového pláště

CD

kompaktní disk

ČR

Česká Republika

ČSN EN česká technická norma harmonizovaná s evropskými technickými normami DC

střída, akronym z anglického Duty Cycle

ed.

edice (vydání) 17

Seznam zkratek a akronymů

komise,

akronym

18

IEC

mezinárodní elektrotechnická Electrotechnical Commission

z anglického

International

IGBT

akronym anglického výrazu insulated gate bipolar transistor (bipolární tranzistor s izolovaným hradlem)

ind.

Induktivní

IP XX

mezinárodní klasifikace třídy krytí přístrojů (international protection) proti vniknutí cizích částic a proti vniknutí vody

Kč

koruna česká, česká měna

max.

maximálně, maximální

min.

minimálně, minimální

nn

nízké napětí

obr.

obrázek

PCC

předávací místo sítě, z anglického point of common coupling

resp.

respektive

RL

odporově – indukční

ss

stejnosměrný

tab.

tabulka

tzv.

takzvaný, takzvaně

UPS

záložní zdroj, akronym z anglického Uninterruptible Power Supply

USV

záložní zdroj (UPS), akronym z německého Unterbrechungsfreie Stromversorgung

vf

vysokofrekvenční

vn

vysoké napětí

VT

výkonový tranzistor

1f

jednofázový, jednofázově

2f

dvoufázový, dvoufázově

3f

třífázový, třífázově

2p

dvoupulzní

6p

šestipulzní

18

19

Úvod

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

20

Cíle práce

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

21

Technologie odporového svařování

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

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

23


3.2 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: Q  R  I2 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

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: RO 

4   s  d2

[ ]

(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. 3.5. Celkový pracovní odpor bude záviset na tvaru proudové cesty a jeho výsledná hodnota je dána součtem: Celkový odpor svařovacího obvodu: R  2  Rd + RK + 2  RO

(3.3)

kde Rd představuje odpor jedné svařovací elektrody, Rk 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

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

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

400 V

Příkon max.

42 kW

Příkon 50 %

17,5 kW

Svařovací proud max.

16 400 A

Jištění

min. 63 A

Svařovaný materiál

5+5 mm

Délka čelistí ve výbavě

330 mm

Volitelná délka čelistí - lze dokoupit

480 a 680 mm

Přítlak elektrod

220 N

Krytí/Třída izolace

IP 20/H

Rozměry

790x320x1280 mm

Váha

145 kg

26

27

Koncepce a parametry svařovacích strojů

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

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. 4.3. 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


4.2 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·Uef. Toto stejnosměrné napětí je pak pomocí tranzistorového střídače časově 29

29

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.

4.2.1 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

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: CM  i (t ) 

dt t  I stř  U du

(4.1) 31

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 I1 představuje proud v ss meziobvodu před kondenzátorem, ID proud jednoho, resp. dvojce spínacích prvků (diod), UD napětí na výstupu usměrňovače a If 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 ( ) 1  THDI2

[ ]

(4.2)

Zde uvedená problematika je dále rozvedena v kapitole 5.

32

33


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

34


4.2.2 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

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

36

Kvalita elektrické energie v souvislosti s odporovým svařováním

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 50160 – 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 61000 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 THDU a poměrné velikosti jednotlivých harmonických složek napájecího napětí vztažené vůči velikosti základní harmonické složky napětí (první harmonické). 36

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 U1 a napětím v místě odběru U2 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. 5.1.

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% Un je tedy krajní hodnotou změny napětí. V případě, že nastane snížení napětí pod 90% Un, 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

388

Kv Kvalita elektrrické energgie v souvisllosti s odporovým svařřováním

Obr. 5.22: Možný prrůběh rychlé časové zm měny napětíí

5.1.1 F Flikr (blik kání světeelných zdrrojů) P Problematikka flikru (tzzv. jevu blikkání světeln ných zdrojů) úzce souvvisí s probleematikou kolísáníí napětí. Eleektrické svěětelné zdroj e (např. žárrovka), přip pojované doo veřejné disstribuční sítě vyžžadují pro svou správ vnou funkcii konstantn ní velikost napájecího n napětí. Od dběratelé s proměěnlivým výkkonem zátěžží však mohhou způsobo ovat proměnlivé úbytkky napětí v síti s a tím i jev kollísání napěttí, což můžee u světelnýých zdrojů zapříčinit z vzznik vjemu bblikání (flik kru). Ten se projeevuje rušivoou změnou zrakového z vvnímání člo ověka. Zrako ový vjem jee vyvolán časovými změnam mi světelnéhho toku, kterré jsou důslledkem kolíísání napětí,, jak je naznnačeno na obr. 5.3.

Obr. 5.33: Časové změny z světellného toku žžárovky způ ůsobené kolíísáním napěětí [6]

38

39


Spotřebiče a provozní stavy v napájecí síti způsobující flikr jsou např.: -

spínání velkých zátěží rozběh velkých motorů (obzvlášť periodicky opakovaný) proměnlivá zátěž (řízený ohřev s velkým výkonem) elektrické obloukové pece, svářečky

Důsledky flikru na zrakové vnímání je obtížné objektivně zhodnotit. Metoda měření míry vjemu flikru vychází z modelu simulujícího řetězec událostí: „napěťová změna – změna světelného toku zdroje světla – oko – proces vnímání lidského mozku“. Napěťové změny mohou být charakterizovány dvěma ukazateli majícími vliv na rušivý vjem flikru, a to amplitudou a frekvencí změn napětí. Experimentálně bylo zjištěno, že člověk je nejcitlivější na napěťové změny o frekvenci 8,8 Hz. Rušivé působení flikru se určuje pomocí flikrmetru – měřiče blikání [5]. Rušení člověka způsobené flikrem je funkcí intenzity jeho vnímání člověkem a doby jeho působení. K hodnocení míry vjemu flikru se používá následujících bezrozměrných veličin: -

krátkodobá míra vjemu flikru Pst (výpočet na základě měření v 10minutových agregačních intervalech) dlouhodobá míra vjemu flikru Plt (výpočet na základě měření ve 12 10minutových intervalech, tedy na základě 12 hodnot Pst)

Závazné limity jsou normou ČSN EN 50160 stanoveny jen pro dlouhodobou míru flikru, ovšem norma ČSN EN 61000 stanovuje kompatibilní úrovně jak pro dlouhodobou, tak pro krátkodobou míru vjemu flikru. Norma ČSN EN 50160 udává, že za normálních provozních podmínek musí byt po 95% času v libovolném týdenním období dlouhodobá míra vjemu flikru: Plt  1

(5.1)

Dlouhodobá míra flikru je vypočítána z dvanácti hodnot krátkodobé míry flikru, tedy z dvouhodinového intervalu, za použití vztahu:

Plt 

Psti 3  i 1 12 12

3

(5.2)

Norma ČSN EN 61000 pak stanovuje přípustnou kompatibilní úroveň míry vjemu flikru: Pst  1

(5.3)

Obr. 5.4: ukazuje práh vnímání flikru v závislosti na velikosti úbytku napětí a četnosti napěťových změn. Pokud velikost a frekvence změn leží nad křivkou, je pravděpodobné, že dojde k rušení lidského pozorovatele, v opačném případě je pravděpodobné, že k rušení nedojde. 39

400

Kv Kvalita elektrrické energgie v souvisllosti s odporovým svařřováním

Obr. 5.44: Charakteeristika míryy vjemu flikr kru v závislo osti na frekvvenci napěťoových změn (60 W žárrovka) [6]

5.2 Vyyšší harm monickéé složky n napětí V Vyšší harm monické slo ožky, ať užž napětí nebo n proudů ů, jsou sloožky harmo onického průběhuu o frekvennci rovné celistvým c nnásobkům základního z kmitočtu ((první harm monické) síťového napětí, jehož j kmito očet v ČR R činí 50 Hz. H Příklad d časovýchh průběhů základní harmonnické složkyy a vyšších harmonický h ých složek obecného o siignálu složeeného ze tříí lichých harmonnických složžek je zobraazen na obrr. 5.5. Výsledný časov vý průběh ttakového obecného o signálu je pak možžné získat sečtením akttuálních úro ovní všech jeho j harmoonických slo ožek pro jednotlivé časové okamžiky. o

40

41


Obr. 5.5: Signál s obsahem základní (první), třetí a páté harmonické rozložený na jednotlivé harmonické složky [4]

5.2.1 Příčiny výskytu harmonických Přítomnost vyšších harmonických složek v napájecím napětí bývá největší měrou způsobena připojenými nelineárními zátěžemi, které z napájecí sítě odebírají proudy neharmonických průběhů, které lze analyticky rozložit na proudy jednotlivých harmonických složek. Harmonické proudy tekoucí impedancemi sítě způsobují úbytky napětí, které vedou k deformaci sinusového průběhu napětí v této síti. Na obr. 5.6 je pro příklad uvedeno možné schéma obvodu s nelineární zátěží.

Obr. 5.6: Možné schéma napájecí soustavy s připojeným nelineárním spotřebičem [8] Pro popis nelineárního spotřebiče (který odebírá neharmonický proud), je z pohledu napájecí soustavy možné využít metodu náhradních proudových zdrojů. Nelineární spotřebič je nahrazen lineární zátěží a proudovými zdroji jednotlivých harmonických složek, které jsou pro daný spotřebič charakteristické. Princip této metody naznačuje obvodové schéma na obr. 5.7. 41

42


Obr. 5.7: Náhradní schéma nelineární zátěže podle metody proudových zdrojů [4] Jako typické příklady nelineárních zátěží, způsobujících přítomnost vyšších harmonických proudů a tím pak i napětí, mohou být např. svítidla s elektronickým předřadníkem, svítidla řízená stmívačem, spotřebiče s nasytitelným železným jádrem, zařízení informačních technologií, mikrovlnné trouby, odporové svářečky. Obecně se jedná především o zařízení obsahující prvky výkonové elektroniky plnící funkci usměrňovačů, střídačů a napěťových či frekvenčních měničů. Charakteristické průběhy proudů pro nelineární spotřebiče jsou uvedeny v tab. 5.1. Tab. 5.1: Charakteristiky typických zdrojů harmonických [13]

42

43


Neharmonický periodický signál může být popsán Fourierovou řadou, tedy součtem "nekonečného" počtu harmonických členů. Okamžitá hodnota proudového signálu je pak určena vztahem (5.4) a obdobně okamžitá hodnota napěťového signálu vztahem (5.5). h

i (t )  I 0   2  I h  sin( h  t   h ) [ A; ; rad  s 1 ; s; rad ]

(5.4)

1

h

u (t )  U 0   2  U h  sin(h  t   h ) [ A; ; rad  s 1 ; s; rad ]

(5.5)

1

Kde: I0 a U0 jsou stejnosměrné složky signálu, h je řád jednotlivých harmonických složek, Ih a Uh jsou efektivní hodnoty jednotlivých harmonických složek,   2  f [rad  s 1; Hz] je úhlová rychlost, f je frekvence základní harmonické a  h je fázový posun h-té harmonické složky oproti fázi první harmonické složky. Na obr. 5.8 je znázorněn příklad průběhu signálu, jehož časový průběh (černá křivka) je dán součtem tří harmonických složek v podání základní harmonické a jejích lichých násobků.

Obr 5.8: Příklad časového průběhu signálu s obsahem vyšších harmonických násobků základní harmonické signálu [4] Jak již bylo zmíněno na začátku celé kapitoly, míru harmonického zkreslení lze hodnotit na základě poměrných velikostí jednotlivých harmonických složek vztažených k velikosti první harmonické složky. Graficky to lze znázornit amplitudovým spektrem, kde na svislou osu je vynesena poměrná velikost jednotlivých harmonických složek signálu a na vodorovnou osu řád jednotlivých harmonických složek signálu. Fáze harmonických pak mohou být prezentovány spektrem fázovým, kde svislá osa uvádí kladnou či zápornou velikost fázového úhlu dané harmonické složky signálu a vodorovná osa řád dané harmonické složky signálu.

43

44


Další způsob hodnocení úrovně harmonického zkreslení signálu spočívá ve stanovení činitele celkového harmonického zkreslení signálu – THD (Total Harmonic Distortion). Jde o parametr charakterizující poměrnou míru přítomnosti vyšších harmonických složek v daném signálu. Je definován jako poměr geometrického součtu efektivních hodnot vyšších harmonických složek daného signálu vůči geometrickému součtu efektivních hodnot všech jeho harmonických složek, včetně základní (definice THDIEC), nebo též vůči efektivní hodnotě základní harmonické složky signálu (definice THDČSN). Pro hodnocení kvality elektrické energie se běžně uvažují harmonické složky do řádu 50. Rovnice (5.6) a (5.7) uvádějí činitele THD, podle definice ČSN, která bude při počítačových simulacích v kapitole 6 používána pro hodnocení dopadů odporového svařování na kvalitu napájecího napětí. Pro proudy platí: 50

THDI 

(I k 2

k

)2 (5.6)

I1

Pro napětí platí obdobně: 50

THDU 

 U  k 2

2

k

U1

(5.7)

5.2.2 Účinky vyšších harmonických Negativní vlivy vyšších harmonických proudů jsou zmíněny v následujících bodech: -

přetěžování středního vodiče přehřívání transformátorů zvýšené ztráty na vedení přetěžování kondenzátorů rušení měřicích a jisticích zařízení

Deformace napětí, způsobená vyššími harmonickými proudy ovlivňuje ostatní zátěže připojené v daném PCC. Negativní vlivy harmonického zkreslení napětí jsou: -

průtok neharmonického proudu v ostatních (lineárních) zátěžích zvýšené zatížení motorů ovlivnění funkce elektronických zařízení vysokofrekvenční rušení telekomunikačních vedení přetěžování kondenzátorů 44

45


5.2.3 Limitní hodnoty vyšších harmonických Norma ČSN 50160 stanovuje, že za normálních provozních podmínek musí být v libovolném týdenním období 95% středních efektivních hodnot (vypočítávaných pro desetiminutové agregační intervaly na základě měření efektivní hodnoty v desetisekundových intervalech) každé jednotlivé harmonické složky napětí menší nebo rovno hodnotě uvedené v tabulce 5.2. Současně musí platit, že celkový činitel zkreslení napájecího napětí THDU musí být menší nebo roven 8% (zahrnují se harmonické až do řádu 40). Tab. 5.2: Limitní hodnoty jednotlivých harmonických složek napětí dle ČSN 50160 [14] Liché harmonické

Liché harmonické

ne-násobky 3

násobky 3

Řád harmonické

Harmonické napětí [%]

Řád harmonické

Harmonic ké napětí [%]

Sudé harmonické Řád harmonické

Harmonické napětí [%]

5

6

3

5

2

2

7

5

9

1,5

4

1

11

3,5

15

0,5

6 - 24

0,5

13

3

21

0,5

17

2

19

1,5

23

1,5

25

1,5

5.2.4 Opatření pro snížení vyšších harmonických Úroveň harmonických napětí je závislá jak na charakteru spotřeby, tak i na impedanci sítě. Pro omezení harmonických napětí je nutné u zařízení odběratele omezit harmonické proudy dodávané do sítě. Na straně distributora je pak důležitá redukce účinků proudů harmonických nízkou impedancí nadřazené soustavy. Opatření na straně spotřebitele: - využitím zařízení s nižším obsahem harmonických - sací obvody - aktivní kompenzace harmonických Opatření na straně distributora: - zvýšení zkratového výkonu v napájecím místě - posílení vedení, - instalace transformátoru s větším výkonem - zvýšení velikosti napětí 45

46


5.3 Nesymetrie napájecího napětí V případě odporových svářeček zapojovaných nesymetricky vůči napájecí soustavě může při jejich provozu docházet k nesymetrii (nesouměrnosti) napětí v odběrném místě, případně i v celé napájecí síti. Nesymetrie zátěží v třífázové soustavě má obvykle za následek ztrátu symetrie vektorů fázových napětí. Trojfázový systém je symetrický tehdy, pokud fázová napětí a proudy mají stejnou amplitudu a jsou navzájem fázově posunuty o 120°, jak je znázorněno na fázorovém diagramu a časovém průběhu napětí podle obr. 5.9. V případě nesplnění jedné či dokonce obou z uvedených podmínek se systém stává nesymetrickým, viz obr. 5.10.

Obr. 5.9: Symetrická trojfázová soustava [13]

Obr. 5.10: Nesymetrická trojfázová soustava [13] Míra nesymetrie napájecí soustavy napětí je přímo závislá na velikosti jednofázové zátěže, případně typu poruchy a impedanci napájecí sítě. Podstatou určení nesymetrie je transformace nesouměrné trojfázové soustavy do tří souměrných soustav (Fortescue), viz obr. 5.11. Míra nesymetrie napětí, je pak hodnocena tzv. činitelem napěťové nesymetrie u, který je definován poměrem zpětné složky napětí U2 vůči sousledné složce napětí U1 podle vztahu 5.8. Obdobně je definován ještě tzv. činitel nevyváženosti napětí  U , jako poměr netočivé vůči sousledné složce napětí (vztah 5.9). V obou případech se jedná o podíl modulů efektivních hodnot napětí. 46

47


Obr. 5.11: Fázory souměrných soustav [13]

u 

U2 100 U1

(5.8)

u 

U0 100 U1

(5.9)

Složky souměrných soustav U0, U1, a U2, jsou dány vztahem 5.10 resp. 5.11. Fázorové diagramy na obr. 5.12 zobrazují rozložení fázorů symetrických složek pro příklad transformace symetrické a nevyvážené (tedy automaticky současně nesymetrické) soustavy.

Uˆ 0  1 1   1 Uˆ1   1 a  ˆ  3 1 a 2  U 2 

1   Uˆ A    a 2   Uˆ B   a  Uˆ C   

1 Uˆ 0  (Uˆ A  Uˆ B  Uˆ C ) 3 1 ˆ ˆ B  aˆ 2Uˆ C ) Uˆ1  (Uˆ A  aU 3 1 ˆ ˆC ) Uˆ 2  (Uˆ A  aˆ 2Uˆ B  aU 3

(5.10)

(5.11)

1 3 2 1 3 kde fázor aˆ představuje komplexní operátor natočení: aˆ    j ,a , aˆ    j 2 2 2 2 vektory Uˆ ,Uˆ ,Uˆ představují fázory napětí původní (netransformované) napěťové soustavy. a

b

c

47

48


Obr. 5.12: Souměrné složky symetrické (vlevo) a nevyvážené soustavy (vpravo)[13] Norma [14] udává, že za normálních provozních podmínek musí být v libovolném týdenním období 95% desetiminutových střeních efektivních hodnot činitele napěťové nesymetrie  U v rozsahu 0% až 2%. V oblastech, kde jsou odběratelé částečně připojeni jedno či dvoufázově, se vyskytují v odběrných místech nesymetrie až do 3%. Pro zmírnění míry nesymetrie je nejdůležitější dbát na optimální rozložení zátěží, tak aby se systém stal co nejvíce symetrickým, a dosáhnout nízké vnitřní impedance sítě (velké hodnoty zkratového výkonu sítě). Krátkodobý vliv nesymetrie není příliš důležitý. Závažnější je dlouhodobější působení, například z hlediska tepelných účinků na elektrické stroje.

48

Simulace provozu svářeček a zhodnocení podmínek jejich připojitelnosti

49

6 SIMULACE PROVOZU VYBRANÝCH TYPŮ ODPOROVÝCH SVÁŘEČEK, ZHODNOCENÍ PODMÍNEK JEJICH PŘIPOJITELNOSTI A NÁVRH PROVOZNÍCH A PŘIPOJOVACÍCH LIMITŮ S OHLEDEM NA RELEVANTNÍ PARAMETRY KVALITY ELEKTRICKÉ ENERGIE Equation Section 6 6.1 Návrh obvodového modelu pro simulaci Budeme předpokládat průmyslový objekt napájený z rozvodny vn 22 kV. Trojfázový zkratový výkon na přípojnicích vn v rozvodně budeme uvažovat 250 MVA. Budeme-li dále uvažovat pouze imaginární složku náhradní impedance síťového napáječe (reaktanci), bude mít tato velikost:

X SN ,22 kV 

Un2 (22 103 ) 2   1,936  (3) Sk ,22 kV (3) 250 106

(6.1)

Na jednu z vývodových odboček rozvodny bude připojeno vedení 22 kV o délce 10 km, které bude napájet průmyslový objekt. Průmyslový objekt bude sestávat z několika bloků, přičemž každý blok bude napájen vlastním napájecím transformátorem vn/nn. V jednom z bloků bude probíhat odporové svařování. Tento blok bude napájen olejovým transformátorem vn/nn 630 kVA. Vedení nn předpokládejme nekonečně krátké, a proto jeho impedanci zanedbáme. V další části této práce se budeme podrobně zabývat vlivem provozu odporového svařování na kvalitu elektrické energie v předávacím místě příslušném pro blok s odporovým svařováním, tj. na sekundární straně transformátoru vn/nn 630 kVA.

Návrh vedení vn: Jak již bylo uvedeno výše, budeme uvažovat vedení vn 22 kV o délce 10 km. Vedení bude realizováno jako vedení venkovní, s lany AlFe. Pro určení jeho hospodárného průřezu vyjdeme ze vztahu (3.57) v [15]: Sh 

P k    n 105  U  cos  3b  p

[mm 2 ; MW; kV;-;-;   mm 2  km -1 ; Kč  kW -1  rok -1 ; Kč  km -1  mm -2 ;%  rok -1 ] (6.2)

Kde: k činitel rozložení zatížení na vedení 49

50

Návrh obvodového modelu pro simulaci

n měrné náklady na ztráty b směrnice přímky podle vztahu (6.3) p celkové roční procento nákladů

 rezistivita elektrovodné části vedení Rezistivita hliníku Al = 29,41 ·mm2·km-1 Uvažujeme-li vedení s jediným odběrem a to na jeho konci, pak k = 3. Měrné náklady na ztráty n budeme uvažovat ve výši 10 000 Kč·kW-1·rok-1 Uvažujme dále, že závislost měrných investičních nákladů na průřezu vedení vn je dána vztahem (viz př. 3.17 v [15]):

kik  a  b·S  (250  1, 4  S ) 103 [Kč  km 1 ; Kč  km 1 ; Kč  km 1  mm 2 ; mm 2 ]

(6.3)

Celkové roční procento uvažujme p = 10 % ·rok-1. Celkový činný výkon odebíraný průmyslovým objektem uvažujme např. 1,5 MW a účiník standardně 0,95 ind. Potom podle rovnice (6.2):

Sh 

1,5 3  29, 41 10000 105   104 mm 2 3 22  0,95 3 1, 4 10 10

(6.4)

Volíme proto lano nejbližšího vyššího průřezu – AlFe5 průřezu 120 mm2.

Návrh transformátoru vn/nn: Jak bylo uvedeno výše, budeme uvažovat použití olejového transformátoru s výkonem 630 kVA. Pro potřeby simulačního programu PSCad je třeba znát následující parametry transformátoru. Transformátor vn/nn 630 kVA: Poměrné napětí nakrátko: ek = 4 % Poměrná činná složka napětí nakrátko er = 0,952 % Poměrná rozptylová reaktance: ex = 3,885 % Poměrné ztráty naprázdno: p0 = 0,16984 % Poměrný magnetizační proud: i0 = 1 % 50

51


Návrh svařovacího transformátoru: Svařovací transformátor je jednofázový dvouvinuťový stroj. Při simulaci budeme uvažovat následující parametry svařovacího transformátoru: Jmenovitý výkon: Sn = 250 kVA Napěťový převod: p = 400 / 10 Poměrné napětí nakrátko: uk = 1 % Poměrná činná složka napětí nakrátko er = 0,4428 % Poměrná rozptylová reaktance: ex = 0,999 % Poměrné ztráty naprázdno: p0 = 0 % Poměrný magnetizační proud: i0 = 1 %

Návrh modelu zátěže: V případě odporové svářečky je zátěž představována přechody mezi elektrodami a svařovanými předměty (kovovými materiály) a přechody mezi svařovanými předměty navzájem. Tuto zátěž můžeme modelovat jako čistě odporovou zátěž. Velikost odporu zátěže budeme při jednotlivých simulacích parametricky měnit a tím podle potřeby nastavovat svařovací proud a tedy i výkon. Tento postup sice neodpovídá reálné situaci z praxe, ale pro vyjádření vlivu svařování na parametry kvality není podstatná samotná zátěž, ale pouze zkratový výkon v předávacím místě . Pro přiblížení výkon, který odebírá, resp. poměr výkon odebíraný svařovací zátěží uveďme, že nastavované hodnoty odporu zátěže se během simulací budou pohybovat v rozmezí od 0,08 m do 5 m.

6.2 Zjištění zkratového výkonu za transformátorem vn/nn 6.2.1 Zjištění dvoufázového zkratového výkonu za transformátorem vn/nn Při svařování svářečkou s napěťovými měniči, která je zapojena nesymetricky mezi dvě fáze, je určujícím zkratovým poměrem dvoufázový zkratový výkon. Vzhledem k tomu, že jsme pro účely simulace nepoužili jednoduché impedanční modely jednotlivých prvků zkratového obvodu, ale komplexní modely simulačního programu PSCad, které např. u vedení respektují vliv geometrického uspořádání jednotlivých vodičů na kapacity a indukčnosti obvodu, stejně jako vliv frekvenční závislosti prvků a odrazů vln na vedení, je vhodné zjistit zkratové poměry, respektující tyto jevy opět pomocí simulace a nikoliv na základě výpočtů pomocí odlišných modelů obvodových prvků. Na základě simulace zkratu bez vývinu stejnosměrné složky rázového zkratového proudu jsem zjistil následující dvoufázový rázový zkratový proud a výkon: 51

52


I k ´´ 10, 424 kA

(6.5)

Sk ´´ U n  (2) I k ´´ 400 10, 424 103  4,1696 MVA

(6.6)

(2)

(2)

6.2.2 Zjištění třífázového zkratového výkonu za transformátorem vn/nn Při svařování svářečkou s usměrňovači, která je zapojena symetricky ke třem fázím, je určujícím zkratovým poměrem trojfázový zkratový výkon. Podobně jako v předchozí podkapitole, i zde platí, že tento výkon je přesnější určit na základě simulace. Maximální fázový zkratový proud bez vyvinuté stejnosměrné složky měl při vzniku trojfázového zkratu za transformátorem vn/nn podle výsledků simulace velikost: (3)

I k ´´ 13, 006 kA

(6.7)

Trojfázový zkratový výkon je pak roven: (3)

S k ´´ 3  U n  I k ´´ 3  400 13, 006  103  9 MVA

(6.8)

6.3 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 Schéma elektrického obvodu použitého pro simulaci provozu svářečky s napěťovým usměrňovačem, sestavené v programu PSCad, včetně znázornění měřených elektrických veličin a jejich pojmenování, je uvedeno na obr. 6.1.

52

Simulace provozu svářeček s napěťovými usměrňovači

53

Obr. 6.1: Schéma elektrického obvodu pro modelování vlivu provozu svářečky s napěťovými usměrňovači na parametry kvality elektrické energie sestavené v programu PSCad

53


54

V modelu obvodu svářečky s napěťovými usměrňovači podle obr. 6.1 byly použity diody z knihovny součástek PSCadu. Tyto diody mají standardně přednastavené následující vlastnosti: Odpor v sepnutém stavu: Ron  0, 005  Odpor ve vypnutém stavu: Roff  1M Ω Komutační odpor: 5000  Komutační kapacitance: 0,05 F Vzhledem k omezené proudové zatížitelnosti diod a k proudům velikosti jednotek kA na sekundární straně svařovacího transformátoru jsem při simulacích namísto jednoduchého diodového usměrňovacího můstku s jednou diodou v každé větvi (podle obr. 6.1) použil můstek s 54mi diodami paralelně v každé větvi. Pro stejnosměrný meziobvod mezi střídačem a usměrňovačem byl použit kondenzátor o kapacitě 200 mF. Jak je ze schématu na obr. 6.1 dále patrné, bylo pro realizaci spínání v obvodu střídače svářečky použito namísto tranzistorů vypínačů z knihovny PSCadu. Tyto vypínače byly při simulacích spínány frekvencí 1 kHz a jejich vlastnosti jsou: Odpor v sepnutém stavu: Ron  0, 005  Odpor ve vypnutém stavu: Roff  1M Ω

6.3.1 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 Harmonické zkreslení napájecího napětí je určeno jednak činitelem celkového harmonického zkreslení THDU a jednak relativní úrovní napětí jednotlivých harmonických složek obsažených v napájecím napětí. Tyto úrovně jsou vztažené vůči jmenovité efektivní hodnotě základní harmonické složky. Jak pro THDU, tak pro relativní úrovně jednotlivých harmonických složek napětí jsou normou ČSN EN 50160 předepsány limity, které tyto určující veličiny nesmí překročit. V této práci se zaměříme pouze na hodnocení činitele celkového harmonického zkreslení THDU, pro který norma stanovuje přípustnou úroveň: THDU  8%

(6.9)

Pro jednotlivé poměry zkratového výkonu a výkonu zátěže jsem postupně z jednotlivých časových průběhů činitele harmonického zkreslení (THDU) napájecího napětí, odečetl ustálené hodnoty, kterých tento činitel dosáhl během svařovacího impulzu. Ustálené úrovně přitom tento činitel dosahoval před koncem jednotlivých svařovacích impulzů, kde jsem také 54

55


jeho hodnotu odečítal. Typická ukázka grafického výstupu simulace pro nastavený odpor zátěže R = 1,2 m je znázorněna na obr. 6.3 a obr. 6.4. Číselné výstupy všech provedených simulací pro jednotlivé nastavované odpory zátěže jsou pak shrnuty v tabulce 6.1. Tab. 6.1: Ustálené hodnoty činitele harmonického zkreslení napětí THDU v předávacím místě odečtené na základě simulací pro jednotlivé poměry třífázového zkratového výkonu a výkonu zátěže Nastavovaný odpor zátěže R [m] 0,1 (3)

THDU [%]

S k ´´ /S z [-] THD U [%]

0,15

0,2

0,3

0,8

0,9

1

1,2

1,4

1,5

1,8

5

36 40 40,91 46,63 64,75 69,23 73,77 82,57 91,84 96,77 109,76 257,14 8,3 7,801 7,343 6,586 5,055 4,935 4,768 4,433 4,14 3,983 3,619 2,083

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

50

100

150

200

250

300 (3)S /S k z

[-]

Obr. 6.2: Grafický průběh ustálené hodnoty činitele harmonického zkreslení napětí THDU v předávacím místě v závislosti na poměru třífázového zkratového výkonu a výkonu zátěže

55


56

Obr. 6.3: Ukázka grafického výstupu simulace – časového průběhu činitele celkového harmonického zkreslení THDU v jedné fázi během svařovacího cyklu při nastaveném odporu zátěže R = 1,2 m a řídicím úhlu tyristorů  = 90°

56


57

Obr. 6.4: Ukázka grafického výstupu simulace – průběhu činitele celkového harmonického zkreslení THDU v jedné fázi během svařovacího cyklu při nastaveném odporu zátěže R = 1,2 m a řídicím úhlu tyristorů  = 90° – detail svařovacího pulzu 57

58


6.3.2 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 Z principu obvodového zapojení a funkce zařízení plyne symetrický odběr proudu a tím i symetrické napájecí napětí. Proto u tohoto typu svářeček není, s ohledem na dodržení předepsaných limitů pro symetrii, potřeba předepisovat žádá omezující provozní opatření.

6.3.3 Simulace procesu odporového svařování u svářeček s napěťovými usměrňovači s ohledem na krátkodobou míru vjemu flikru Pst v předávacím místě a zhodnocení podmínek jejich připojitelnosti z hlediska tohoto parametru kvality elektrické energie

Pro simulační obvod dle obr. 6.1 jsem provedl časové simulace průběhů napětí na sekundární straně transformátoru vn/nn, který napájí blok se svářečkami během svařovacího cyklu, pro různé velikosti odporové zátěže. Sledoval jsem přitom relativní úbytky U tohoto napájecího napětí:

U 

U f U f ,n

100 [%]

(6.10)

Pro pravoúhlé změny napětí předepisuje norma ČSN EN 61000-3-3 ed. 2 přípustné limity pro relativní hloubku změn fázového napětí U (danou vztahem 6.10) a četnost těchto změn. Tyto limity jsou v zmíněné normě předepsány limitní křivkou grafu. Nepřekročením těchto limitů je pak zajištěno nepřekročení předepsané kompatibilní úrovně pro flikr, která je dána hodnotou krátkodobé míry vjemu flikru Pst = 1. Výše popsaná limitní křivka, která tvoří hranici zaručující dodržení přípustné míry vjemu flikru pro pravoúhlé změny napětí je znázorněna na obr. 6.5.

58

59

Simulace provozu ssvářeček s napěťovými n i usměrňovvači

Obr. 6.5: Limitní křivka ud dávající maxximální přřípustnou úroveň pravvoúhlé amp plitudové modulacce napětí, při p které krá átkodobá m míra vjemu flikru f dosáh hne hodnotyy Pst = 1 (ČSN ( EN 61000-33-3 ed. 2) Proo simulační ověření do održení přeedepsané maximální úrrovně krátkkodobé mírry flikru, Pst = 1, jsem vycházel z předp pokladu, žee poklesy effektivní hod dnoty napěttí, v důsledk ku téměř pravoúhhlých prouddových pulzzů při svařoování, lze s dobrou přesností povaažovat za prravoúhlé vzhledeem k časovéé ose (viz např. n obr. 6..6). Dále jsem uvažovaal, že typickké časové intervaly i mezi jeddnotlivými svařovacím mi impulzy se na ručněě obsluhovaaném svařovvacím stroji mohou pohybovvat od jednéé sekundy do d asi 10 s a typická do oba trvání saamotného svvařovacího pulzu je 200 ms. Dále jsem m předpokláádal, že čassové intervaaly mezi jeednotlivými svařovacím mi pulzy budou konstantní, a proto můžeme m tytto pulzy charakterizovat jejich frekvencí, namísto četnostii. Na základě těchto předpoklaadů jsem sestavil s tab bulku uvažžovaných frekvencí fr opakováání svařovaacích cyklů ů sestávajíccích ze svaařovacího im mpulzu a ppo něm náásledující časové prodlevy před p dalším m svařovaccím pulzem m. K jednottlivým frekkvencím op pakování svařovaacího cykluu jsou pak v tabulce ddopočteny další d param metry, kteréé těmto frek kvencím odpovíddají. Jejich výpočet v je naznačen n dáále. Freekvence svařovacího cy yklu: f cyklu 

1 Tcyklu



Tpulz

1 [ Hz ; s ]  Tprodleva

(6.11)

Stříída svařovacího cyklu (značena ( D C – z anglicckého Duty Cycle): 59

60


DC 

Tpulz Tcyklu

100

(6.12)

Je třeba zde zdůraznit, že jeden pravoúhlý pokles napětí představuje dvě napěťové změny, neboť má náběžnou a sestupnou hranu. Počet napěťových změn v důsledku svařování za určitý čas je tedy dvojnásobkem frekvence svařovacího cyklu. Tab. 6.2: Parametry uvažovaných svařovacích cyklů Tpulz [s] Tprodleva [s] Tcyklu [s] DC [%] fcyklu [s-1] fcyklu [min-1] 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

1,2 2,2 3,2 4,2 5,2 6,2 7,2 8,2 9,2 10,2

16,67 9,09 6,25 4,76 3,85 3,23 2,78 2,44 2,17 1,96

0,83 0,45 0,31 0,24 0,19 0,16 0,14 0,12 0,11 0,10

50,00 27,27 18,75 14,29 11,54 9,68 8,33 7,32 6,52 5,88

Počet změn napětí [min-1] 100,00 54,55 37,50 28,57 23,08 19,35 16,67 14,63 13,04 11,76

Pro příslušné počty změn napětí za minutu během uvažovaných svařovacích cyklů podle tab. 6.2 můžeme z křivky na obrázku 6.5 přibližně odečíst maximální přípustné relativní změny velikosti tohoto napětí. Tyto jsou pro jednotlivé uvažované počty změn napětí za minutu uvedeny v tabulce 6.3 (hodnoty zvýrazněné žlutě). Pro úplnost uvádí tabulka 6.3 přípustné relativní změny napětí i pro další počty napěťových změn. 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 Prodleva mezi svařovacími pulzy (T prodelva ) [s] f cyklu [s -1] -1

1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 119,80 1 199,80 25,00

8,33

0,83 0,45 0,31 0,24 0,19 0,16 0,14 0,12 0,11 0,10 0,00830 0,00083

f cyklu [min ] 1 500,00 500,00 50,00 27,27 18,75 14,29 11,54 9,68 8,33 7,32 6,52 5,88 Odpovídající počet změn 3 000,00 1 000,00 100,00 54,55 37,50 28,57 23,08 19,35 16,67 14,63 13,04 11,76 napětí [min-1] Přípustná relativní změna 1,00 0,28 0,75 0,88 0,93 1,00 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,40 velikosti napětí [%]

0,50

0,05

1,00

0,10

2,80

7,00

60

61


Nyní se zaměřme na vymezení oblasti vlastností, které musí splňovat konfigurace uvažované napájecí cesty průmyslového objektu a uvažovaného svařovacího zařízení včetně způsobu jeho provozování, aby vyhověla normativním požadavkům z hlediska flikru. Vyjdeme tedy z obvodového uspořádání podle obr. 6.1 a vymezíme postupně oblast parametrů, pro které uvažovaný způsob provozu svařovacího zařízení vyhoví. (3)

Sk ´´ , kde (3) S k ´´ představuje Sz trojfázový zkratový výkon ve sledovaném předávacím místě, tj. za transformátorem vn/nn a S z představuje výkon odebíraný zátěží během svařovacího impulzu. Uvažovaným vstupním parametrem bude poměr

Analýzou v programu PSCad jsem pro jednotlivé poměry zkratového výkonu a výkonu zátěže (dosahované na základě změny odpru zátěže) odečetl relativní velikost poklesu fázového napětí během proudovém svařovacího impulzu, jehož velikost byla dána velikostí nastaveného odporu zátěže. Typická ukázka grafického výstupu simulace pro nastavený odpor zátěže R = 1,2 m je znázorněna na obr. 6.6 a obr. 6.7. Číselné výstupy všech provedených simulací pro jednotlivé nastavované odpory zátěže jsou pak shrnuty v tabulce 6.4.

61


62

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  = 0° 62


63

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 63


64

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 Nastavovaný odpor zátěže R [m] (3)

Sk´´/Sz [-]

U [%]

0,1

0,3

0,8

0,9

1

1,2

1,4

1,5

1,8

2,7

5

36 46,63 64,75 69,23 73,77 82,57 91,84 96,77 109,76

150

257,14

3,843 2,617 1,382 1,296 1,169 0,996 0,885 0,845

Poměr (3)Sk´´/Sz vyhoví jako minimální přípustný limit pro fcyklu [min-1] ≤ :

0,05

0,5

5,88

7,32

0,711 0,492

8,33 14,29 18,75 27,27

50

0,273 Vyhoví pro 200 všechny f do 1500

Maximální přípustná frekvence svařovacího cyklu fcyklu [min-1]

1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

50

100

150

200

250

300 (3)S /S k z

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 61000-3-3 ed. 2

64

[-]

Návrh provozních a připojovacích limitů pro svářečky napěťovými usměrňovači

65

6.3.4 Návrh provozních a připojovacích limitů pro svářečky s napěťovými usměrňovači s ohledem na výše hodnocené parametry kvality elektrické energie v předávacím místě Na základě zjištění učiněných v kapitole 6.3.1 a 6.3.3 můžeme pro svářečky s napěťovými usměrňovači stanovit přípustné režimy provozu, pokud jde o maximální frekvenci svařovacího cyklu při daném poměru třífázového zkratového výkonu v předávacím místě a výkonu zátěže. Na základě poměru těchto výkonů je pak v praxi možné určit i přípustný maximální výkon svářečky při svařovacím pulzu. Průnikem fyzikálních a provozních omezení plynoucích z požadavků na dodržení maximální přípustné míry harmonického zkreslení (rovnice 6.9) a krátkodobé míry vjemu flikru (tab. 6.4) dostaneme celkové omezující provozní a fyzikální limity, jejichž implementace do provozních a připojovacích pokynů pro svářečky s napěťovými usměrňovači zaručí, že jejich provoz splní požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu z hlediska těchto tří sledovaných parametrů podle požadavků normy ČSN EN 61000-3-2 ed. 2. Tyto limity, určené na základě průniku podmínek plynoucích z rovnice 6.10 a tabulky 6.4 jsou shrnuty v tab. 6.5. Tab. 6.5: Přípustné limity pro provoz svářeček s napěťovými měniči stanovené s ohledem na požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu definované normou ČSN EN 61000-3-2 ed. 2. (3)

Sk´´/Sz [-] -1

fcyklu [min ] ≤ :

46,63 64,75 69,23 73,77 82,57 91,84 96,77 109,76 0,5 5,88 7,32 8,33 14,29 18,75 27,27 50

150 257,14 200 1500

65

66

Návrh provozních a připojovacích limitů pro svářečky napěťovými usměrňovači 1600 Maximální přípustná frekvence svařovacího cyklu fcyklu [min-1]

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 0

50

100

150

200

250

300 (3)S

k/Sz

[-]

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 61000-3-2 ed. 2

66

67

Simulace provozu svářeček s napěťovými měniči

6.4 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 Schéma elektrického obvodu použitého pro simulaci provozu svářečky s napěťovým měničem, sestavené v programu PSCad, včetně znázornění měřených elektrických veličin a jejich pojmenování, je uvedeno na obr. 6.10. V modelu obvodu svářečky s napěťovými měniči podle obr. 6.10 byly v obvodu usměrňovače na sekundární straně svařovacího transformátoru použity diody z knihovny součástek PSCadu. Tyto diody mají standardně přednastavené následující vlastnosti: Odpor v sepnutém stavu: Ron  0, 005  Odpor ve vypnutém stavu: Roff  1M Ω Komutační odpor: 5000  Komutační kapacitance: 0,05 F Vzhledem k omezené proudové zatížitelnosti diod a k proudům velikosti jednotek kA na sekundární straně svařovacího transformátoru jsem při simulacích namísto jednoduchého diodového usměrňovacího můstku s jednou diodou v každé větvi (podle obr. 6.10) použil můstek s 54mi diodami paralelně v každé větvi. Vlastnosti tyristorů z knihovny PSCadu, použitých pro sestavení napěťového měniče podle obr. 6.10, jsou následující: Odpor v sepnutém stavu: Ron  0, 01 Odpor ve vypnutém stavu: Roff  1M Ω Komutační odpor: 50 000  Komutační kapacitance: 0,05 F

67


68

Obr. 6.10: Schéma elektrického obvodu pro modelování vlivu provozu svářečky s napěťovým měničem na parametry kvality elektrické energie sestavené v programu PSCad

68

69


6.4.1 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 Podobně jako v kapitole 6.3.1 se i zde zaměříme na hodnocení dodržení přípustného limitu činitele celkového harmonického zkreslení (THDU) napájecího napětí v předávacím místě. Při daném svařovacím proudu, resp. při daném poměru zkratového výkonu a výkonu zátěže, lze maximální možné harmonického zkreslení předpokládat při řídicím úhlu tyristorů:

  90

(6.13)

Proto budeme hodnocení úrovně harmonického zkreslení provádět právě pro tento řídicí úhel. Opět budeme odečítat ustálenou hodnotu činitele THDU, které tento činitel dosahuje před skončením proudového svařovacího pulzu (viz např. obr. 6.11 a 6.12). Výsledky jednotlivých simulací pro různé poměry zkratového výkonu a výkonu zátěže, dosažené opět postupným nastavováním různé velikosti odporu zátěže pro jednotlivé simulace, jsou shrnuty v tab. 6.6.

69


70

Obr 6.11: Ukázka grafického výstupu simulace – časového průběhu činitele celkového harmonického zkreslení THDU v jedné ze dvou zatížených fází během svařovacího cyklu při nastaveném odporu zátěže R = 0,5 m a řídicím úhlu tyristorů α = 90° 70


71

Obr 6.12: Ukázka grafického výstupu simulace – časového průběhu činitele celkového harmonického zkreslení THDU 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 71


72

Tab. 6.6: Ustálené hodnoty činitele harmonického zkreslení napětí THDU v předávacím místě odečtené na základě simulací pro jednotlivé poměry dvoufázového zkratového výkonu a výkonu zátěže Nastavovaný odpor zátěže R [m] (2)

Sk´´/Sz [-]

THDU [%]

THDU [%]

0,08

0,1

55,6 56,35

0,2

0,5

0,7

0,9

2

2,2

57,9 75,81 92,66 104,2 189,5 208,5

8,134 7,753 6,144 3,709

2,91 2,377 1,094 0,987

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0

50

100

150

200

250 k/Sz [-]

(2)S

Obr 6.13: Grafický průběh ustálené hodnoty činitele harmonického zkreslení napětí THDU v předávacím místě v závislosti na poměru dvoufázového zkratového výkonu a výkonu zátěže

72


73

6.4.2 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 Jak je patrné z elektrického schématu na obr. 6.10, svářečky s napěťovými měniči jsou napájeny sdruženým napětím a to nesymetricky. Vzhledem k této skutečnosti bude při svařovacích impulzech docházet k nesouměrnému proudovému odběru a tím i ke vzniku nesouměrnosti napájecího napětí. Pro hodnocení míry napěťové nesymetrie se užívá tzv. činitel napěťové nesymetrie U , který je definován jako poměr velikosti zpětné a sousledné složky napětí získaných na základě transformace tohoto napětí do symetrických složkových soustav:

U 

U2 100 [%] U1

(6.14)

Pro nesymetrii napětí je normou ČSN EN 50160 předepsána maximální přípustná úroveň právě na základě činitele nesymetrie o velikosti:

U  2%

(6.15)

Vliv poměru zkratového výkonu a výkonu zátěže na úroveň nesymetrie napájecího napětí v předávacím místě během odporového svařování a splnění podmínek požadovaných normou prověříme opět simulacemi. Maximální úroveň nesymetrie při daném konkrétním poměru zkratového výkonu a výkonu zátěže u svářečky s napěťovými měniči lze předpokládat při řídicím úhlu tyristorů:

  0

(6.16) (2)

Sk ´´ – zátěž zapojená fázově Sz nesymetricky odebírat největší možnou efektivní hodnotu proudu a míra proudové a napěťové (2) Sk ´´ nesymetrie tak pro daný poměr dosáhne maximální možné úrovně. Proto budeme Sz ustálenou hodnotu činitele nesymetrie (odečítanou ke konci svařovacího impulzu) hodnotit právě pro řídicí úhel   0 . Při tomto řídicím úhlu bude – pro daný poměr

Výsledky simulací pro jednotlivé poměry dvoufázového zkratového výkonu a výkonu zátěže (dosahované nastavováním různého odporu zátěže) jsou shrnuty v tab. 6.7.

73


74

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=0° 74


75

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 75


76

Tab. 6.7: Ustálené hodnoty činitele nesymetrie U v předávacím místě odečtené na základě simulací pro jednotlivé poměry dvoufázového zkratového výkonu a výkonu zátěže Nastavovaný odpor zátěže R [m] 0,08 (2)

0,1

0,15

0,2

0,3

0,35

0,4

0,5

1,5

27,8 28,76 32,07 34,75 35,64 35,95 38,25 41,7 80,19

αU [%]

3,719 3,473 2,967 2,613 2,094 1,905 1,746 1,498 0,617

U [%]

Sk´´/Sz [-]

4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

50

100

150

200

250 (2)S

k/Sz

Obr 6.16: Grafický průběh ustálené hodnoty činitele napěťové nesymetrie U v předávacím místě v závislosti na poměru dvoufázového zkratového výkonu a výkonu zátěže

76

[-]

77


6.4.3 Simulace procesu odporového svařování u svářeček s napěťovými měniči s ohledem na krátkodobou míru vjemu flikru Pst v předávacím místě a zhodnocení podmínek jejich připojitelnosti z hlediska tohoto parametru kvality elektrické energie

Největší úbytky napájecího fázového napětí během svařovacího impulzu při určité konkrétní uvažované velikosti zátěže můžeme u svářeček s napěťovými měniči očekávat v případě, kdy budou tyristory po celou dobu svařovacího impulzu plně otevřeny, tj. při řídicím úhlu:

  0

(6.17)

Proto budeme vliv provozu tohoto typu svářečky na krátkodobou míru vjemu flikru v předávacím místě napájecí sítě uvažovat právě pro tento řídicí úhel. Pro hodnocení krátkodobé míry flikru budeme používat stejnou metodiku a vycházet ze stejných předpokladů, jaké byly popsány v kapitole 6.3.1 v souvislosti s provozem svářeček s napěťovými usměrňovači. Analýzou v programu PSCad jsem opět odečetl relativní velikost poklesu fázového napětí zatížených fází během proudového svařovacího pulzu, jehož velikost a tím i výkon jsem parametricky měnil změnou odporu zátěže. Výsledky jsou shrnuty v tab. 6.8.

77


78

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  = 0° 78


79

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

79

80


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 Nastavovaný odpor zátěže R [m] (2)

Sk´´/Sz [-]

0,08

0,15

0,2

0,3

0,4

0,5

0,9

1

1,2

1,4

27,8 29,57 34,75 35,64 38,25 41,7 56,35 59,57 67,25 77,22 1,739 1,36 1,182 0,931 0,768 0,653 0,413 0,372 0,323 0,282

U [%] Poměr (2)Sk´´/Sz vyhoví jako minimální přípustný limit pro fcyklu[min-1] ≤ :

0,5

6,52

8,33 14,29 27,27

50

300

350

400

450

1,5 80,19 0,259 Vyhoví pro všechny f do 1500

Maximální přípustná frekvence svařovacího cyklu fcyklu [min-1]

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 (2)S /S k z

[-]

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 61000-3-3 ed. 2

80

Návrh provozních a připojovacích limitů pro svářečky napěťovými měniči

81

6.4.4 Návrh provozních a připojovacích limitů pro svářečky s napěťovými měniči s ohledem na výše hodnocené parametry kvality elektrické energie v předávacím místě

Na základě zjištění učiněných v kapitole 6.4.1, 6.4.2 a 6.4.3 můžeme pro svářečky s napěťovými měniči stanovit přípustné režimy provozu, pokud jde o maximální frekvenci svařovacího cyklu při daném poměru dvoufázového zkratového výkonu v předávacím místě a výkonu zátěže. Na základě poměru těchto výkonů je pak v praxi možné určit i přípustný maximální výkon svářečky při svařovacím pulzu. Průnikem fyzikálních a provozních omezení plynoucích z požadavků na dodržení maximální přípustné míry harmonického zkreslení (rovnice 6.9), činitele napěťové nesymetrie (rovnice 6.15) a krátkodobé míry vjemu flikru (tab. 6.8) dostaneme celkové omezující provozní a fyzikální limity, jejichž implementace do provozních a připojovacích pokynů pro svářečky s napěťovými usměrňovači zaručí, že jejich provoz splní požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu z hlediska těchto tří sledovaných parametrů podle požadavků normy ČSN EN 61000-3-2 ed. 2. Na Tyto limity, určené na základě průniku podmínek plynoucích z rovnic 6.9, 6.15 a tabulky 6.8 jsou shrnuty v tab. 6.9.

Tab. 6.9: Přípustné limity pro provoz svářeček s napěťovými měniči stanovené s ohledem na požadavky na elektromagnetickou kompatibilitu definované normou ČSN EN 61000-3-2 ed. 2. (2)

Sk´´/Sz [-]

Poměr (2)Sk´´/Sz vyhoví jako minimální přípustný limit pro fcyklu[min-1] ≤ :

56,35 59,57 67,25 77,22 300

350

400

450

80,19 Vyhoví pro všechny f do 1500

81

82

Návrh provozních a připojovacích limitů pro svářečky napěťovými měniči

1600

Maximální přípustná frekvence svařovacího cyklu fcyklu [min‐1]

1400

1200

1000

800

600

400

200

0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 (2)S

k/Sz

[-]

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 61000-3-2 ed. 2

82

Závěr

83

7 ZÁVĚR Tato práce se věnovala problematice odporového svařování z hlediska jeho zpětného vlivu na kvalitu napájecího napětí. V kapitolách 3 a 4 byly popsány základní principy a vlastnosti odporového svařování a byly rozebrány dvě používané obvodové koncepce odporových svářeček. Pátá kapitola potom nastínila základní body z problematiky kvality elektrické energie v souvislosti s odporovým svařováním, včetně parametrů, podle kterých se kvalita elektrické energie posuzuje. Některé z těchto parametrů pak byly použity dále, v šesté kapitole, při hodnocení vlivu provozu obou typů odporových svářeček na kvalitu napájecího napětí v předávacím místě. Šestá kapitola pak byla zaměřena na konkrétní posouzení vlivu provozu svářeček, jak s napěťovými měniči, tak s napěťovými usměrňovači, na kvalitu napájecího napětí na základě simulací provedených v simulačním programu PSCad 4.2.0. Výsledky simulací byly pak konfrontovány s požadavky technických norem na kvalitu elektrické energie a na základě této konfrontace pak byly navrženy konkrétní fyzikální a provozní limity pro připojování a provozování daného typu svářeček. Tyto limity jsou pro svářečky s napěťovými usměrňovači shrnuty v kapitole 6.3.4, pro svářečky s napěťovými měniči pak v kapitole 6.4.4. Elektronické soubory s použitými simulační modely jsou k dispozici na přiloženém CD.

83

84

Použitá literatura

POUŽITÁ LITERATURA: [1]

VRBA, J.: Výkonová elektronika 1, skriptum VUT Brno (elektronický text)

[2]

DRÁPELA, J. BAXANT, P., LAZNÍČKOVÁ, I.: Elektrotepelná technika, skriptum VUT Brno (elektronický text)

[3]

ANDRÁS, D., SANTÁRIUS, P., GAVLAS, J., KUŽELA, M.: Kvalita dodávané elektrické energie v sítích NN (překlad)

[4]

SANTÁRIUS, P., GAVLAS, J., KUŽELA, M.: Harmonické – Příčiny a účinky (překlad)

[5]

SANTÁRIUS, P., GAVLAS, J., KUŽELA, M., Kvalita elektrické energie – Rušení napětí

[6]

SANTÁRIUS P., GAVLAS J., KUŽELA M.: Poruchy napětí – Flikr (překlad)

[7]

SEDLÁČEK, J., VALSA, J.: Elektrotechnika 2, skriptum VUT Brno (elektronický text)

[8]

DELAROSA, F.: Harmonics and Power Systems

[9]

PATOČKA: Vybrané statě z výkonové elektroniky, svazek II (elektronický text)

[10] Webové stránky, HTTP://SVARBAZAR.CZ/PHPRS/VIEW.PHP?CISLOCLANKU=2008033102 , článek bodovky a bodování [cit. 1. 11. 2011] [11] Webové stránky, HTTP://SVARBAZAR.CZ/PHPRS/VIEW.PHP?CISLOCLANKU=2006092101 , Svářecí invertory – pohled pod pokličku I. [cit. 1. 11. 2011] [12] Webové stránky, [cit. 1. 11. 2011]

HTTP://WWW.WELDING.CZ/HISTORIE/SVITIL-H.HTM

, Odporové svařování

[13] VÝVODA, M.: Kompenzace účiníku a posouzení zpětných vlivů indukčního ohřevu. Diplomová práce, Brno: Ústav elektroenergetiky FEKT VUT v Brně, 2011 [14] ČSN EN 50160: Charakteristiky napětí elektrické energie dodávané z veřejných distribučních sítí [15]

CHMELA, M.: Ekonomika řízení, skriptum VUT Brno (elektronický text)

[16]

Plíva, L.: Odporové svařování v praxi, druhé vydání, 1963

[17]

ČSN EN 61000-3-3 ED. 2: Elektromagnetická kompatibilita – Omezování změn napětí, kolísání napětí a flikru v rozvodných sítích nízkého napětí, 2009

[18]

ČSN EN 60909-0 : Zkratové proudy v trojfázových střídavých soustavách, 2002

[18]

CABALA, Ľ. Měření flikru s využitím virtuální instrumentace. Bakalářská práce. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2010

[19]

PLÍVA, L.: Odporové svařování v praxi, třetí vydání, 1975

[20]

ŽIŽKA, P. Trakční měniče velkých výkonů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, 2008

[21]

Pravidla provozování distribučních soustav, příloha 6: Standardy připojení zařízení k distribuční soustavě, listopad 2011

84

Použitá literatura

85

[22]

Katalog svařovacích a středofrekvenčních transformátorů firmy ESAB: Product catalogue,XI, 2002, http://www.zetmaster.ru/Welding/Catalogs/ESAB_PDF/Product_ESAB_Catalog_05_eng. pdf [cit. 1. 4. 2012]

[23]

KŮS, V.: Vliv polovodičových měničů na napájecí soustavu, 2002

[24]

DRECHSLER, R.: Měření, hodnocení a kvalita odběru elektrické energie v provozu tyristorových zařízení, Praha 1982

[25]

WEI LI, FENG, E., CERJANEC, D., GRZADZINSKI, G.: Energy consumption in AC and MFDC resistence spot welding, Sheet Metal Welding Conference XI, V. 2004

[26]

BISSELL, H., BOILARD, R.: Selecting the Correct Size Inverter for DC Welding

[27]

ZHANG, H., SENKARA, J.: Resistance welding, Fundamentals and applications, 2006

85

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Recommend Documents