Projekti / Programi
Razvoj novega 5kHz varilnega transformatorja
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.12.00 |
Tehnika |
Električne naprave |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T190 |
Tehnološke vede |
Elektriško inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
sistem za uporovno točkasto varjenje, 5 kHz izvedba, optimizacija, varilni transformator, železno jedro, navitja, sistem za monitorng, silicj karbidni vhodni pretvornik
Raziskovalci (22)
Organizacije (2)
Povzetek
Sistemi za uporovno točkasto varjenje se v področju srednjih frekvenc uporabljajo v avtomobilski industriji za varjenje karoserij predvsem tam, kjer je zahtevana visoka kakovost zvarov in visoka zanesljivost delovanja. Sestavljeni so iz polprevodniškega vhodnega pretvornika, enofaznega varilnega transformatorja z enim primarnim in dvema sekundarnima navitjema in polprevodniškega usmernika, ki je priključen na sekundarni navitji. Varilni transformator je običajno pritrjen na gibajočo se robotsko roko. Zmanjšanje mase transformatorja po eni strani zmanjša celotno gibajočo maso robota, s čimer se zmanjša tudi energija in čas potreben za premik varilnega transformatorja do varilne točke, po drugi strani pa se s tem zmanjša tudi količina materiala, ki je potreben za izdelavo transformatorja. Rezultat je zmanjšanje porabljene energije in povečana produktivnost v avtomobilski industriji ob hkratnem zmanjšanju potrebne količine materiala in stroškov za izdelavo transformatorja. Oboje je v skladu s strategijami EU po povečanju učinkovitosti rabe energije in izkoriščanja naravnih virov.
Zahteve avtomobilske industrije in konkurentov na trg silijo proizvajalce varilnih sistemov k zmanjševanju mase varilnih transformatorjev. Slednje je mogoče doseči s povečanjem obratovalne frekvence varilnih transformatorjev. Obstoječi vodno hlajeni sistemi za uporovno točkasto varjenje pogosto obratujejo pri frekvenci 1 kHz, za kar so optimirani tudi vhodni pretvorniki in varilni transformatorji. Omenjenih izvedb ni mogoče uporabljati pri obratovalni frekvenci 5 kHz predvsem zaradi bistvenega povečanja izgub v železnem jedru in navitjih transformatorja ter stikalnih izgub vhodnega pretvornika.
Projekt ima tri glavne cilje:
1. Prvi in najvažnejši cilj je razvoj novega 5 kHz varilnega transformatorja, ki bo primeren za uporabo v sistemih za srednje frekvenčno uporovno točkasto varjenje. Projekt se bo osredotočil predvsem na načrtovanje železnega jedra in navitij transformatorja, s ciljem doseganja čim manjših izgub. Posebna pozornost bo namenjena modeliranju železnega jedra in navitij, ki bo uporabljeno pri določitvi ustreznih električnih in magnetnih lastnosti materiala ter ustrezne laminacije in geometrije. Za računsko določene optimalne konstrukcije transformatorja bodo izdelani prototipi. Slednji bodo podvrženi obsežnemu testiranju in meritvam.
2. Drugi cilj je razvoj novega sistema za monitoring varilnega transformatorja. Sistem za monitoring bo uporabljen za spremljanje stanja varilnega transformatorja med njegovo življenjsko dobo, sprememb obratovalnih parametrov ter napovedovanje okvar in načrtovanje vzdrževanja, vse s ciljem povečanja zanesljivosti delovanja varilnega sistema. Sistem za monitoring bo sestavljen iz sistema za zajemanje in obdelavo podatkov, merilnih verig, enote za napovedovanje okvar in potrebnega vzdrževanja, sistema za shranjevanje podatkov in enote za komunikacijo. Načrtovanje, izdelava prototipa in testiranje strojev in programske opreme, kakor tudi celotnega sistema za monitoring, bo izvedena v sklopu projekta. Sistem za monitoring bi naj bil na voljo kot samostojna enota za nadgradnjo obstoječih varilnih transformatorjev ali kot del standardne opreme novih varilnih transformatorjev.
3. Tretji cilj projekta je razvoj novega polprevodniškega vhodnega pretvornika, ki temelji na silicij karbidnih stikalnih elementih. Ker je cena slednjih v danem trenutku še izjemno visoka, bo v okviru projekta razvit vhodni pretvornik manjše moči, ki bo primeren za testiranje neobremenjenih varilnih transformatorjev. Z razvitim silicij karbidnim vhodnim usmernikom bo izvedeno ovrednotenje le-teh za uporabo v 5 kHz sistemih za uporovno točkasto varjenje. Pri tem bo posebna pozornost namenjena možnosti uporabe silicij karbidnih stikalnih elementov za zmanjševanje preklopnih izgub.
Pomen za razvoj znanosti
Velika večina naprav in električnih stroje večino časa obratuje v kavzi-stacionarnih obratovalnih stanjih pri napajanju z napetostmi sinusne oblike. Temu so prilagojena tudi orodja in metode, ki jih uporabljamo za načrtovanje, analizo in vodenje omenjenih naprav. Med ta orodja in metode prav gotovo sodijo: metoda končnih elementov, postopki temelječi na ekvivalentnih in reluktančnih vezjih, kot tudi pristopi temelječi na uporabi kompleksnih kazalcev, nadometnih vezij in impedanc. Seveda pa obstajajo tudi druge naprav in sistemi, kot so na primer sistemi za uporovno točkovno varjenje, ki praktično ves čas obratujejo v prehodnih stanjih. Za optimizacijo posameznih elementov in obratovanja takšnih sistemov pa je potreben pristop, ki upošteva stalno obratovanje v prehodnih stanjih. Da bi lahko razvili nov 5 kHz varilni transformator, so člani projektne skupine morali najprej razviti metode in orodja, primerne za modeliranje, načrtovanje, analizo in snovanje vodenja varilnega transformatorja in sistema za uporovno točkovno varjenje nasploh. Med najbolj pomembne dosežke članov projektne skupine, ki jih lahko opišemo tudi kot prispevek članov projektne skupine k razvoju znanosti, prav gotovo sodijo: • Na novo razvita analitična metoda izračuna izgub v navitjih varilnega transformatorja, v kateri so zajeti vplivi kožnega in bližinskega pojava, polega tega pa je primerna za uporabo v navitjih z različnim prerezom vodnikov in pri različnih valovnih oblikah toka. • Nova analitična metoda za izračun izgub v lameliranem železnem jedru transformatorja, ki upošteva vpliv vrtinčnih tokov in histereze, železno jedro pa je predstavljeno kot množica dolgih tankih trakov lamelirane transformatorske pločevine. • Nov parametrični dinamični model varilnega transformatorja, ki ga sestavljata magnetno nelinearni reluktančni model železnega jedra transformatorja in modeli navitij navitih okrog železnega jedra. Pri tem je posebna pozornost namenjena upoštevanju prostorsko in časovno spremenljivemu opisu gostote magnetnega pretoka v železnem jedru ter časovno in prostorsko odvisni porazdelitvi magnetnega vzbujanja v navitjih, ki so prostorsko porazdeljena okrog železnega jedra. Uporaba omenjenega parametričnega modela in optimizacijskega postopka omogočata določitev optimalne geometrije jedra ter optimalne geometrije in namestitve navitij varilnega transformatorja. • Izboljšave naprednega histereznega vodenja sistema za uporovno točkovno varjenje, kjer se izboljšave nanašajo na algoritem za preprečevanje kratkih pulzov napajalnega toka in na detekcijo stopnje nasičenja železnega jedra varilnega transformatorja. Pri tem je treba izpostaviti, da je bilo za večino omenjenih izvirnih rešitev poskrbljeno za varstvo nastale intelektualne lastnine v obliki mednarodnih patentnih prijav, ki so bile vložene pred objavo v znanstvenih revijah. Člani projektne skupine brez dvoma tvorijo eno od v svetu vodilnih raziskovalnih skupin na področju sistemov za uporovno točkovno varjenje.
Pomen za razvoj Slovenije
Pomen rezultatov raziskovalnega projekta za razvoj Slovenije je mogoče ovrednotiti preko: • vplivov novo razvitega znanja, • vplivov na študijske programe, • vplivov na povečano stopnjo tehnološkega razvoja in • novih in zboljšanih izdelkov ter izboljšanje konkurenčne sposobnosti industrije. Vplivi novo razvitega znanja: V okviru raziskovalnega projekta je prišlo do ustvarjanja novih znanj, ki so vodila do novih spoznaj, kar skupaj predstavlja odlično promocijo Slovenije v mednarodnem raziskovanem prostoru. Ustvarjeno znanje je že bilo preneseno v proizvodni proces in v izdelke sofinancerja projekta. Kljub temu, da so nove rešitve in nova spoznanja nastala na področju sistemov za uporovno točkovno varjenje, pa je razvite rešitve in spoznanja relativno enostavno mogoče uporabiti tudi na drugih področjih industrije, kjer imamo opravka s transformatorji, ki večino časa obratujejo med prehodnimi pojavi. Mednje prav gotovo sodi večina DC/DC pretvornikov s transformatorji. Vpliv na študijske programe: Znanje in spoznanja pridobljena v okviru raziskovalnega projekta bodo vključeni v študijske programe dodiplomskega in podiplomskega študija elektrotehnike. Na tak način bo prišlo do širjenja novega znanja med študenti, ki ga bodo s seboj prenesli tudi v industrijo. Vpliv na povečano stopnjo tehnološkega razvoja: Rešitve razvite v okviru raziskovalnega projekta sodijo med najbolj napredne rešitve na področju sistemov za uporovno točkovno varjenje. Omogočajo zmanjšanje količine materiala in energije za vsak izdelan tehnološko napredni varilni transformator. Ker se omenjeni varilni transformatorji proizvajajo v Slovenijo, se rezultati projekta kažejo tudi v manjši porabi energije in materiala na enoto proizvoda, kar povečuje energetsko učinkovitost proizvodnje. Optimalna konstrukcija transformatorja in izboljšave v sistemu vodenja sistema za uporovno točkovno varjenje pa vodijo tudi k zmanjšanju porabe energije pri obratovanju varilnega transformatorja, kar prispeva k povečanju energetske učinkovitosti na globalni ravni. Novi in zboljšani izdelki ter izboljšana konkurenčna sposobnost industrije: Rezultati raziskovalnega projekta so že bili vključeni v izdelke sofinancerja projekta. Na ta način so bili zmanjšani stroški proizvodnje in obratovanja sistemov za uporovno točkovno varjenje, kar jih skupaj z izboljšanim sistemom vodenja in z novim sistemom za monitoring uvršča med najbolj napredne in energetsko učinkovite sisteme za uporovno točkovno varjenje. Povečana konkurenčnost bi morala voditi tudi do povečanega tržnega deleža na svetovnem trgu in posredno tudi do večjih davčnih prilivov v nacionalni proračun. Rešitve, ki so bile razvite za sisteme za uporovno točkovno varjenje je mogoče uporabiti za izboljšanje izdelkov in povečanje konkurenčne sposobnosti tudi na drugih področjih industrije, kot sta na primer proizvodnja posebnih transformatorjev in DC/DC pretvornikov. To bi lahko privedlo do multiplikativni učinkov, novih delovnih mest in povečanih davčnih prilivov
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
