İNDÜKSİYONLA KAYNAK: GÜÇ SİSTEMLERİ VE KULLANILAN YARI İLETKEN ANAHTAR ELEMANLARINI)AKİ GELİŞMELER

Transkript

1 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 157 İNDÜKSİYONLA KAYNAK: GÜÇ SİSTEMLERİ VE KULLANILAN YARI İLETKEN ANAHTAR ELEMANLARINI)AKİ GELİŞMELER Yrd.Doç.Dr.Bekir Sami SAZAK ÖZET İndüksiyonla kaynak güç sistemleri ve kullanılan anahtar elemanları yarıiletken teknolojisindeki gelişmelere bağlı olarak hızla değişmektedir. Yarıiletken anahtarların çalışma frekansları ve kontrol ettikleri güç her geçen gün artmaktadır. Yüksek verimli ve elektromanyetik olarak uygun güç kaynağı yapımı günümüzde büyük önem kazanmaktadır. Düşük sistem verimi işletme maliyetini arttırmakta bu da diğer metotlara göre pekçok avantajı olan bu sistemin kullanım alanlarını kısıtlamaktadır. Bu çalışmada 1970 yıllardan itibaren büyük gelişim gösteren yarıiletken anahtarlar ve kontrol tekniklerinin bugün geldikleri nokta araştırılmış ve bu gelişmenin indüksiyonla ısıtma sistemlerine olan olumlu katkıları vurgulanmıştır. Bu sistemler sayesinde anahtar kayıpları en az düzeye indirilerek sistem verimi yükseltilmekte ve sistemin ortama yaydığı parazitler önemli ölçülerde azaltılabilmektedir. Anahtar Kelimeler: İndüksiyonla kaynak, inverter, konvertör. 1. GİRİŞ Günümüzde indüksiyon ısıtma sistemlerinin temeli sayılan elektromanyetik indüksiyon 1831 yılında Michael Faraday tarafından bulunmuştur. İlk indüksiyon ısıtma sistemi 1927 yılında İngiltere'de kurulmuş olmasına rağmen 2. Dünya Savaşı boyunca bu alanda büyük gelişmeler yaşanmıştır. Harici bir ısı kaynağına ihtiyaç duyulmadığından ısı kaybı azalmakta, daha temiz çalışma ortamı sağlamakta, sıcaklık derecesi ve ısıtılacak yüzey kolaylıkla kontrol edilebilmektedir. Bu nedenle günümüzde endüstrinin çeşitli alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu alanlar arasında metallerin eritilmesi, şekil verilmesi, yüzey sertleştirmesi ye indüksiyonla kaynak sayılabilir. «Metallerin kaynak edilmesi yüksek ve tam olarak kontrol edilebilen ısı kaynağına ihtiyaç gösterir. İndüksiyon yolu ile yüksek ısı istenilen yerde ve sürede oluşturularak metalde diğer kaynak yöntemlerinde ortaya çıkan oksitlenme ve deformasyon en az düzeye indirilir. Kullanılan indüksiyonla kaynak sistemlerindeki düşük güç katsayısı ve yüksek harmonik bozulma önemli problemlerden bazılarıdır[l]. İndüksiyonla kaynak sistemlerinin düşük güç katsayısında çalıştırılması güç hatlarında ilave gerilim düşümlerine, bu da sistemin daha düşük gerilimlerde çalıştırılmasına neden olur. Buna bağlı olarak kaynak yapılması için geçen süre dolayısıyla da işletmenin çalışma masrafları artar[2]. Aynı zamanda işletme düşük güç katsayısı nedeniyle ceza ödemek zorunda kalır. Öte yandan bu sistemlerde kullanılan elemanlar yan iletken teknolojisindeki gelişmelere bağlı olarak hızla değişmektedir. Yarı iletken anahtarların çalışma frekansları ve kontrol ettikleri güç her geçen * Pamukkale Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektrik Eğitimi Bölümü, DENİZLİ

2 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 158 gün artmaktadır. Yüksek verimli ve elektromanyetik olarak uygun güç kaynağı yapımı günümüzde büyük önem kazanmaktadır. Düşük sistem verimi işletme maliyetini arttırmakta bu da diğer metotlara göre pekçok avantajı olan bu sistemin kullanım alanlarını kısıtlamaktadır. Elektromanyetik olarak uygunluk ise daha yeni bir konudur ve cihazın çevrede bulunan diğer cihazların çalışmasını etkileyecek oranda manyetik parazit yaymamasıdır. Bu çalışmada sunulan güç dönüşüm sistemleri anahtarların sıfır akım(saa) veya sıfır gerilimde(sga) açılıp kapanması prensibine dayanmaktadır. Anahtarların açılma ve kapanma anlarında akım ve gerilimden birinin sıfır yapılması anahtar kayıplarını ve sistemin ortama yaydığı elektromanyetik parazitleri oldukça azaltmaktadır. 2. İNDÜKSİYONLA KAYNAK TEMEL PRENSİPLERİ Temel olarak bir indüksiyonla kaynak sistemi Şekil 1' de görüldüğü gibi metalin indüksiyon bobini içerisinden geçirilmesi prensibine dayanır. Bobin içerisinden metal geçirilirken indüksiyon yoluyla üzerinde gerilim indüklenir. İndüklenen bu gerilimin oluşturduğu akım silindir şeklindeki parçanın birleştirilecek uçlarında yüksek ısının oluşmasına sebep olur. Yüksek ısı ve basınç bu noktaların kaynak edilmesini sağlar. Kaynak sonrası soğutulan metal istenilen uzunluklarda kesilerek işlem tamamlanır. İndüksiyonla kaynakta, metalde yüksek ısının oluşması indüksiyon bobininden metale manyetik yolla güç aktarılmasıyla sağlanmaktadır. Bu nedenle indüksiyon bobini sistemde önemli bir görev yapmaktadır. Şekil 1. Silindirik bir parçanın indüksiyonla kaynak edilmesi. Günümüzde toplam sistem verimini önemli ölçüde etkileyen indüksiyon bobininden geçen akım ve frekansın kontrol edildiği güç devresi üzerinde çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Basit olarak bir indüksiyonla kaynak sisteminde indüksiyon bobini devresi iki aşamalı güç dönüşümü içermektedir. Şekil 2'de indüksiyonla kaynak blok diyagramından da görüldüğü gibi birinci aşama AC kaynak akımını DC'ye çevirir, ikinci aşama ise bu DC akımı istenilen değer ve frekansta AC'ye çevirir.

3 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 159 Yüksek frekans (50kHz-10MHz) indüksiyon ısıtıcı sistemlerinin amacı metalin dış yüzeyinin (0,1-1) mm kısa sürede ısıtıl maşıdır. Bu işlem yüzey sertleştirmede, eritmede ve belirli bir noktanın kaynak yapılmasında kullanılır. İndüksiyonla kaynakta kullanılan güç sistemi şu şartlan yerine getirmelidir: Sistem her tür yük durumunda(sıcak, soğuk, yarı yük, tam yük) çalıştırılabilmelidir. Şekil 2. İndüksiyonla kaynak blok diyagramı. Giriş akımının harmonik bileşenleri düşük olmalıdır. Giriş gerilimindeki dalgalanmaları sistem tolère edebilmelidir. Ani çalıştırma ve durdurma yapılabilmelidir. Bobin içerisine malzemenin sokulup çıkarılması sonucu bobin empedansındaki değişim tolère edilebilmelidir. 3. İNDÜKSİYONLA KAYNAKTA KULLANILAN YARI İLETKEN ANAHTARLAR VE GÜÇ SİSTEMLERİ 50 yılı aşkın bir süre basınç tüpleri yüksek frekans sağlayan güç sistemlerinde tek seçenek olarak kullanılmıştır. Bunlar kısa ömürlü, düzenli aralıklarda yenilenmesi gereken düşük verimli (yaklaşık %50-60) elemanlardır. Bu sebeple basic tüplerinin yüksek hızlı yarıiletken anahtarlarla değiştirilmesi için pekçok çalışma yapılmıştır. Özellikle 1970 yıllardan sonra yarıiletken anahtar teknolojisinde görülen hızlı ilerleme pekçok alternatif anahtarlama elemanı ortaya çıkarmıştır. Bunlardan MOSFET'ler yüksek frekansta yüksek verimle çalışan anahtarlama elemanlarıdır fakat kontrol «edebilecekleri güç miktarı smırlıdır[3]. Literatürde MOSFET kullanılarak gerçekleştirilmiş, indüksiyon bobinini besleyen 4 kw, 450kHz. lik bir DC/AC inverter bildirilmiştir[4]. Bununla birlikte Statik indüksiyon transistörler(sit) MOSFET'lere göre çok daha yüksek güçlü devrelerde kullanılabilmektedir[5]. Bipolar Mode Statik İndüksiyon Transistörler(B-SIT) 20kHz- 2MHz. Anahtarla frekanslarında rahatlıkla kullanılabilmektedir[6]. Yarıiletken anahtarların kullanım alanlarının artmasına paralel olarak artan düşük güç katsayısı ve yüksek harmonik parazit problemlerinin üstesinden gelmek amacıyla literatürde çeşitli araştırmalar yapılmıştır. Aktif güç katsayısı kontrol metodu pekçok alternatif içerir. Anahtarların sabit frekansta çalıştırılarak tepe akımlarının kontrolu[7] ve kıstırılmış akım kontrolu[8] bunlardan bazılarıdır. Güç kaynaklarının yüksek verimli ve küçük boyutlarda olması da istenilen bir durumdur. Bu amaçla enerjinin rezonans devresi yardımıyla aktarılması üzerine çalışmalar yapılmış ve oldukça başarılı sonuçlar alınmıştır[9]. Bu güç kaynaklarında yarıiletken anahtarlar sıfır akım yada sıfır gerilimde[10] açma kapama yaparak kayıpları önemli ölçüde azaltırfll].

4 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ ÖNERİLEN İNDÜKSİYONLA KAYNAK GÜÇ SİSTEMİ AC'nin istenilen değerde DC'ye dönüştürüldüğü ilk iki bölümde yapılacak iyileştirmeler sistemin güç katsayısını yükseltecek ve harmonik parazitleri azaltacaktır. Ayrıca güç kaynağının genel boyutlarını da oldukça küçültecektir. Bu bölümde yaygın olarak kullanılan diyot ve tristörlü doğrultmaçlar 120 lik iletim açılan sebebiyle düşük güç katsayısına ve yüksek harmonik parazitlere sebep olmaktadır [12]. Bu sakıncaların giderilmesi için pek çok araştırma yapılmıştır[13]. Standart üç fazlı doğrultmaç sistemine yarı-resonans konvertör sisteminin eklenmesi pekçok sakıncayı ortadan kaldırabilir. Düşürücü tip bir konvertörde anahtar etrafında bir bobin ve kondansatörün uygun teknikle yerleştirilmesi bir rezonans devresinin oluşmasını sağlar. Sıfır akım anahtarlamanın gerçekleştirildiği bu rezonans devresi anahtarların kayıpsız olarak açma kapama yapmasını, güç katsayısının yükselmesini ve harmonik parazitlerin düşmesini sağlar[14]. İndüksiyon bobinini besleyen inverter devresinde ise rezonans inverter sistemi yüksek verim, düşük elektromanyetik parazitler gibi avantajlara sahiptir. Bu sistemde indüksiyon bobini rezonans indüktörü olarak görev yapar ve kondansatöre seri veya paralel bağlanır[15]. Rezonans devrelerinde kullanılabilecek çeşitli kondansatörler vardır. Bunlardan polypropylene kondansatörler yüksek gerilime dayanıklı, düşük kayıplı olmaları sebebiyle tercih edilebilir. Sunulan tekniklerin uygulandığı bir indüksiyonla ısıtma sisteminde oldukça yüksek giriş güç katsayısı(pf>0.98) elde edilmiştir[16j. 5. SONUÇ Bu çalışmada indüksiyonla kaynak sistemleri açısından yarıiletken anahtarlarda ve güç kaynaklarındaki gelişmeler incelenmiştir. Bu gelişmelerin ışığı altında indüksiyonla kaynak sistemlerinde görülen düşük güç katsayısı, yüksek harmonik parazitler gibi sorunların üstesinden gelinebilmektedir. Bu çalışmadan yararlanılarak mevcut indüksiyon kaynağı güç sistemlerinin yeni gelişmelerin ışığı altında gözden geçirilmesi ve gerekiyorsa yenilenmesi işletmeye büyük kazanç sağlayabilir. Yüksek verimli, daha kaliteli ve hızlı kaynak yapan, çevreye verdiği parazit miktarı az güç sistemleri indüksiyonla kaynak tekniğinin daha da yaygınlaşmasını sağlayacaktır.

5 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ 161 REFERANSLAR 1. Nuns J. Foch H., Metz M., Yang X., "Radiated and Conducted Interferences in Induction Heating Equipment: Characteristics and Remedies" The European Power Electronics Association 1993, pp Andrews D. Bishop M., Witte J., "Harmonic Measurements, Analysis, and Power Factor Correction in a Modern Steel Manufacturing Facility", IEE Tr. on Industry Appl. Vol.32, 1996, No.3, pp Zhang J.F. Pu O., Zhang D.H., "Single Phase Series Resonant Converter with High Power Factor Input For High Frequency Induction Heating"IPEMC94, Beijing, Vol.June, Part.27, pp Fujita H. Akagi H., "Pulse-Density-Modulated Power Control of a 4 kw, 450kHz Voltage-Source inverter for Induction Melting Applications", IEEE Tr on Industrial Applications, Vol.32, No.2, March/April 1996, pp Ogiwara H. Nakaoka M., "Induction Heating High Frequency Inverters Using Static Induction Transistor", Int. J. Electronics, 1990, Vol.68, No.4, pp Ogiwara H., Michihira M., Nakaoka M., "Zero-Current Soft-Switched High-Frequency Inverter for Induction Heating Using Bipolar-Mode Normally- Off SITs", UPEC 1993, pp Nalbant M.K. Klein J., "Design of a 1 KW Power Factor Correction Circuit", Proc. Power Con version, Oct 1989, pp Maximovic D. "Design of the Clamped-Current High-Power-Factor Boost Rectifier", IEEE Tr. on Industrial Applications, Vol.31, No.5, Sept/Oct 1995, pp Witulski A.F. Small Signal Equivalent Circuit Modeling of Resonant Converters", IEEETr. on Power Electronics, Vol.6, No.l, Jan 1991, pp Hsieh G.C. Lai M.F., "Realization Study of Isolated Half-Bridge Zero-Voltage-Switched Con verter", Twentieth Int. Conf. On Industrial Electronics and Control and Instrumentation, 1994, pp Hua G F.C. Lee, "Soft-Switching PWM Techniques and Their Applications", EPE Frenze, 1993, pp Cavallini A. Loggini M., Montanari G.C., "Comparison of Approximate Methods for Estimate Harmonic Currents Injected by AC/DC Converters", IEEE Tran. On Industrial Electronics, Vol.41, No.2, April 1994, pp.256, Kim S. Enjeti P., Rendusara D., "A New Method to Improve THD And Reduce Harmonics Generated By A Three-Phase Diode Rectifier Type Utility Interface", Conf.Record of Industrial Appl. Conf. 29. Annual Meeting, Denver, USA, 1994, Vol.2, pp

6 KAYNAK TEKNOLOJİSİ II. ULUSAL KONGRESİ Sazak B.S., 1999, "Elektronik Konvertörlerde Anahtar Kayıplarının Azaltılması" 2. Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu,Marmara Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, 8-10 Mart, İstanbul. 15. Kazimierczuk M.K., Abdulkarim A., "Current-Source Parallel Resonant DC/DC Converter", IE EETr. on Industrial Electronics, Vol.42, No.2, Apr 1995, pp Sazak B.S., "A New Unity Power Factor Quasi-Resonant Induction Heater", Doktora Tezi, 1997, University of Glamorgan, U.K.