مقايسه عملكرد دستگاه جوش ترانزيستوري
و نمونه لامپي و نكاتي پيرامون بهره‌وري در خط توليد لوله و پروفيل

مقدمه

با پيشرفت تكنولوژي و پيدايش قطعات نيمه هادي (ترانزيستور)شاهد كاربرد روز‌افزون اين قطعات در كليه سيستمهاي الكترونيكي و صنعتي هستيم. اين مقاله با ذكر چند خصوصيت مهم ترانزيستور علل كاربردي آن را در توليد و ساخت دستگاههاي درز جوش القايي بيان نموده و بهره‌وري بدست آمده در اين راستا را با ذكر اندازه گيريهاي انجام شده در نمونه لامپي و ترانزيستوري ارائه مي‌نمايد.
اصول عملكرد دستگاههاي درز جوش القايي فركانس بالا
دستگاههاي جوش به طور خلاصه وسيله‌اي است كه انرژي الكتريكي را از شبكه برق سراسري (سه فاز)مي‌گيرد و سپس آنرا تقويت نموده و در نهايت آن را بر روي لبه‌هاي ورق كه توسط قرقره‌هاي جوش فرم داده شده (لوله درز دار) متمركز مي‌نمايد تا دو لبه را ذوب نموده و بهم متصل بنمايد.
عمل تبديل انرژي بعلت وجود خاصيت القاء مغناطيسي است. براساس اين خاصيت هرگاه از يك سيم، جريان الكتريكي متغير با زمان ايجاد نماييم در اطراف آن سيم ميدان مغناطيسي متناسب با آن جريان ايجاد خواهد شد . وبالعكس هرگاه يك هادي در يك ميدان مغناطيسي متغير با زمان قرار گيرد ، در داخل آن هادي جريان الكتريكي متناسب با ميدان مغناطيسي اعمال شده ، ايجاد خواهد گرديد .كه اين اصل شالوده ساخت ترانسفورمرها راي ولتاژ يا جريان مي‌باشد. با اين توضيح، عمل انجام شده در يك سيستم جوش القايي را مي‌توان براحتي فهميد و آن اينكه در دستگاه جوش القايي يك جريان الكتريكي با فركانس بالا توسط سيستم در داخل سيم پيچ القاگر يا اينداكتور ايجاد مي‌گردد (اوليه) اين جريان بعلت ساختار مارپيچي اينداكتور ، باعث ايجاد ميدان مغناطيسي متناظر در داخل فضاي خالي داخل اينداكتور شده و بعلت حضور لوله درز دار در دال اينداكتور همانطوريكه در باللا ذكر شد، القاء مغناطيسي سبب عبور جريان القائي در لوله شده (ثانويه) و باعث گرم شدن و در نهايت ذوب شدن لبه ‌هاي ورق مي‌گردد.البته ايميدر يا ذغال به عنوان هسته اين ترانسفورمر ، وظيفه انتقال هر چه بهتر ميدان مغناطيسي از اينداكتور به لوله را دارد . بطور خلاصه مي‌توان گفت كه دستگاه جوش مبدلي است كه جريان برق سه فاز فركانس HZ60/50 شبكه برق سراسري را به جريان بالا با فركانس بالا كه مناسب براي جوش لوله است ، تبديل مي‌نمايد.
استفاده از ترانزيستور به جاي لامپ
ترانزيستور كه گاهي اوقات از آن به عنوان SOLID STATEنام برده مي‌شود، در ساختار خود از نيمه هادي استفاده مي‌كند.و به اين علت ابعاد آن در مقايسه با لامپ بسيار كوچك است . اين خاصيت سبب شده است كه در اثر وسايل الكترونيكي مانند كامپيوترها ، شبكه هاي ارتباطي و مخابراتي و حتي وسايل برقي خانگي كاربردهاي وسيعي پيدا نمايد. و ب علت كاربرد فراگير و روز افزون آن داراي قيمت خيلي پايين‌تري نسبت به لامپ مي‌باشند. بعنوان مثال در حال حاضر در راديو و تلوزيون بجاي لامپهاي گرانقيمت از ترانزيستور استفاده شده هم از نظر حجم ، ابعاد آن كاهش يافته و هم قيمت پايين تري دارند.
تقريبا مي‌توان گفت كه در اغلب كاربرهايي كه احتياج به توليد فركانس بالاتر شبكه برق باشد ترانزيستور كاملا جاي لامپ را گرفته است با توجه به فركانس كار مورد نياز دو نوع ترانزيستورمورد استفاده قرار مي‌گيرديكي IGBT كه در فركانسهاي زير KHZ150 استفاده مي‌شود وديگري MOSFET كه در فركانسهاي بالاتراز KHZ150 استفاده مي‌شود.
در حل حضر عموما از IGBT براي كنترل دور موتورهاي AC و همچنين ساخت دستگاههاي عمليات حرارتي قطعات فولادي در فركانسهاي زير KHZ150 استفاده مي‌شودو كاربرد آن در ساخت سيستمهاي جوش القايي بسيار نادر است.
از MOSFET كه بطور وسيعي در ساخت و توليدUPS هاي كامپيوتري استفاده مي‌گردد در حال حاضربعنوان جايگزين مناسبي براي لامپ تريود نام برده مي‌شود و در كليه سيستمهاي القايي بالاتر از KHZ150 كه اغلب در دستگاههاي درز جوش اتفاق مي‌افتد ، از اين عنصر استفاده مي‌شود اصولا بعلت بهبود كيفيت ساخت قطعات نيمه هاي با گذشت زمان و دارابودن ابعادي بسيار كوچكتر ، ساخت دستگاههابا كيفيت بهتر و حجم كمتر و هزينه تعمير و نگهداري كمتر انجام شده و در نتيجه بكارگيري مسفت به جاي لامپ در حال افزايش مي‌باشد.
معرفي كلاس C در جوش لامپي و كلاس D در جوش ترانزيستوري
دستگاه جوش لامپي اصولا در كلاسC عمل مي‌نمايد . در اين نوع كلاس عنصر فعال كه در اينجا لامپ مي‌باشد، در كمتر از 180 درجه از پريود سيگنال ورودي روشن مي‌باشد كه در طي اين مدت در ولتاژ بالاي لامپ ، جريان آند وجود داشته و بدين علت در اين بخش از پريود ،‌لامپ كه داراي تلفات توان مي‌باشد كه اثر آن را مي‌توان بصورت ايجاد گرماو حرارت در آن مشاهده نمود. در اين راستا ملاحظات خاصي جهت خنك نمودن لامپ و عدم امكان قطع شدن آب مقطر خنك كننده در طراحي اين سيستم اجتناب ناپذير است.
در دستگاه جوش ترانزيستوري از ترانزيستور به عنوان سوئيچ ايده آل استفاده شده كه به اين نحوه استفاده از ترانزيستور كلاس Dگفته مي‌شود . همانطوريكه مستحضريد هرگاه از سوئيچ جريان الكتريكي عبور نمايد ،‌ولتاژ دو سر آن برابر صفر است و هرگاه در دو سوئيچ ، ولتاژي قرار گيرد ، جريان عبور كننده صفر خواهد بود . و لذا تلفات سوئيچ در همه حال(چه قطع و چه وصل)صفر است. ولي در عمل بايد در نظر داشت كه توان ناچيزي توسط ترانزيستور تلف مي‌شود كه بسيار كمتر از تلفات نمونه مشابه لامپي است در حالي كه بهترين وضعيت استفاده از لامپ در طراحي سيستم انجام پذيرد راندمان آن بين 55 الي 65% خواهد بود ولي در مورد نمونه ترانزيستوري با رعايت اصول طراحي اين راندمان مي‌تواند تا 90% افزايش يابد مسئله ديگر در مورد نحوه تبديل انرژي الكتريكي برق شبكه سراري به انرژي فركانس بالا مي‌باشد در سيستم لامپي انرژي الكتريكي ابتدا توسط ترانس( هاي ولتتاژ) به ولتاژ بالا تبديل شده و پس از يكسو سازي جهت تغذيه آن لود لامپ مورد استفاده قرار مي‌گيرد.اين ولتاژ بالا به رزناتور سيستم اعمال شده و در ـآنجا توسط مدار خروجي مدار تانك به ولتاژ پايين و جريان بالا تبديل شده كه جهت اعمال به اينداكتور مناسب است.
اين مسئله در دستگاه جوش ترانزيستوري به گونه اي ديگر انجام مي‌گرددبه اين ترتيب كه ولتاژ برق شبكه سراسري ابتدا توسط يكسو ساز به ولتاژDC تبديل شده و سپس يك سلف خيلي بزرگ تبديل به يك جريانDC مي‌گردد.اين جريان ثابت به ترانزيستورهاي قدرت اعمال شده و مجددا يك جريان متناوب با فركانس بالا ايجاد مي‌گردد جريان ايجاد شده وارد مدار تانگ شده و سپس به اينداكتور خروجي منتقل مي‌گردد اصطلاحا گفته مي‌شود كه در دستگاه جوش ترانزيستوري از سوئيچ جريان استفاده شده است.
مقايسه سيستمهاي جوش لامپي و ترانزيستوري از جهات مختلف
با توجه به نكاتي كه در بخش 3 ارائه گرديد ، مي‌توان مقايسه دو سيستم معرفي شده را از نقطه نظرهاي گوناگوت به عمل آورد.
مصرف انرژي:
همانطوريكه در بخش 2 گفته شد دستگاه جوش ترانزيستوري در كلاس Dكار مي‌نمايدو بنابر اين داراي تلفات توان كمتر و در نتيجه راندمان يا بهره‌وري بيشتري نسبت به نمونه مشابه لامپي است لذا هزينه برق مصرفي كمتر است.
خطر وجود هاي-ولتاژ:
به دليل استفاده از سوئيچ جريان اصولا در دستگاه جوش ترانزيستوري هاي-ولتاژ وجود دارد.و لذا هنگام كار يا تعميرات خطر برق گرفته‌گي براي پرسنل كاهش يافته و هنگام طراحي يا مونتاژ تابلو نيز نيازي به رعايت استانداردهاي مخصوص هاي-ولتاژ نيست.
حجم دستگاه:
به دليل استفاده از ترانزيستور حجم دستگاه نسبت به نمونه لامپي كاهش يافته و لذا در شرايط محدوديت فضاي كاري،‌مي‌توان بعنوان گزينه مناسب انتخاب گردد.
كيفيت جوش:
در دستگاه جوش ترانزيستوري ماهيت بار تعيين كننده فركانس كار دستگاه بوده و با تغيرات قطر لوله و ضخامت ورق همواره تطبيق سيستم حفظ شده و اين مسئله هم به افزايش راندمان و هم به كنترل بهتر كيفيت جوش كمك مي‌كند.در حاليكه در دستگاه لامپي فركانس نوسانساز ثابت بوده و اصولا به دليل وجود لامپ و هاي-ولتاژ كنترل توان خروجي مستلزم قرار دادن تجهيزات جانبي مي‌باشد. بت اين ترتيب براي مواردي كه احتياج به وله هاي صنعتي با استاندارد جوش بالا باشد ، استفاده از نوع ترانزيستوري ارجح است.
هزينه تعمير و نگهداري:
كليه قطعاتي كه در دستگاه ج.وش ترانزيستوري مورد استفاده واقع مي‌شود، داراي قيمت پايين بوده و در صورت معيوب شدن با هزينه هاي بسيار پايين تعويض مي‌شود.و در نونه لامپي بهاي لامپ تريود و خازنهاي هاي-ولتاژ رزناتور بسيار بالا است.
استهلاك قطعات مصرفي:
بر اساس آمار موجود و اعلام سازندگان لامپهاي خلاء ، اگر طراحي و استفتده از لامپ تريود با رعايت منحني‌هاي مشخصه لامپ انجم گرفته باشد ،‌در بهترين حالت عمر يك لامپ مي‌تواند بين 20000الي 30000 ساعت متغير باشد . ولي در شرايطي كه نكات فوق رعايت نشود در كمتر از 3000ساعت بايد يك لامپ را تعويض نمود كه با توجه به گراني قيمت آن كاملا غير اقتصادي خواهد بود .در حاليكه براي ترانزيستورها عملا هيچ مدت معيني براي استفاده تعريف نشده است.
آسي پذيري:
بعلت ماهيت سيستم جوش پروفيل و استفاده از مدار رزونانس موازي در آن ، احتمال وقوع ولتاژهاي بالا در آن وجود دارد. چون در تمونه لامپي اصولا از هاي-ولتاژ براي توليد ميدان مغناطيسي مورد نياز استفاده شده ،‌لذا در صورت وقوع هاي-ولتاژ ناخواسته، عمر مفيد لامپ در دراز مدت كاهش مي‌يابد .ولي در سيستمهاي ترانزيستوري وقوع چنين مواردي اگر با سرعت زياد اتفاق بيفتد ،‌مدارهاي حفاظتي قادر به انجام عكس العمل سريع نبوده و امكان آسيب ديدن ترانزيستورها يا ديود‌هاي قدرت وجود دارد. ولي با پيشرفت تكنولوژي و اصلاحات اعمال شده در طراحي سيستمهاي جديد اين موارد تا حدود زيادي مرتفع گرديده است.
نمونه اي از اندازه‌گيريهاي انجام شده
در نمودار زير مقدار برق مصرفي اين دو دستگاه به ازاي سرعتهاي مختلف توليد(شاخه در دقيقه)رسم شده است:


در نمودار فوق محور افقي سرعت توليد پروفيل بر حسب شاخه در دقيقه و محور عمودي ميزان برق مصرفي سه فاز بر حسب آمپر نمايش داده شده است . توضيح اينكه در هر شاخه به طول 6 متر است كه مي‌توان اين سرعت را بر حسب متر بر دقيقه محاسبه نمود.
همانطوريكه ملاحظه مي‌شود ، در ساعتها يپايين اين تفاوت چندان قابل ملاحظه نيست ولي با افزايش سرعت و در توانهاي بالا اين اختلاف به 80 آمپر در هر فاز مي‌رسد.
تاثير پارامترهاي مكانيكي تنظيم خط پروفيل در راندمان توليد
اگر فرايند جوش پروفيل به دقت مورد مطالعه قرار گيرد به راحتي مي‌توان ميزان توليد را با صرف انرژي الكتريكي كمتري بالا برد . در اين بخش به نكاتي چند در اين زمينه اكتفا مي‌گرددزيرا تحقق شرايط ايده آل براي توليد لوله و پروفيل بستگي به ميزان تجارب پرسنل خط توليد داشته و اين مسئله با مراجعه به كارخانجات مختلف به اثبات رسيده است.
بايد توجه داشت كه جوش پروفيل توسط قانون القاء انجام مي‌گيرد و بنابراين هر عاملي كه بتواند امر القاء توان از دستگاه جوش به لوله درزدار را افزايش دهد مي‌تواند به راندمان كاري ما بيفزايد:
فاصله هوايي بين اينداكتور و لوله :
هر چقدر كه لوله فضاي داخل اينداكتور را بيشتر پر نمايد انتقال توان بيشتري حاصل خواهد شد.البته مواردي از قبيل سرجوش و دقت جوشكاري سرورقها يك عامل كنترل كننده اين فاصله هوايي مي‌باشد.
فاصله بين اينداكتور و قرقرهجوش:
اين فاصله نيز داراي اهميت فراواني است و بايد حتي الامكان حداقل فاصله را قرار داد .كه در عمل نبايد از 1 سانتي متر بيشتر باشددر شكل (1) رابطه اين فاصله هوايي و قطر لوله و طول اينداكتور نمايش داده شده است.
قطر قرقره‌هاي جوش:
قرقره‌هاي جوش نيز مي‌توانند تلفات مهمي را در امر انتقال توان ايجاد نمايد . لذا توصيه مي‌شود كه با توجه به ملاحظات مكانيكي حداقل قطر براي قرقره هاي جوش در نظر گرفته شود.
جنس قرقره‌هاي جوش:
اگر بتوان از مواد غير مغناطيسي نظير فسفر برنز يا سراميك در ساخت قرقره‌هاي جوش استفاده نمود راندمان بالاتري به دست خواهد آمد زيرا در صورت استفاده از قرقره‌هاي جوش فولادي ، بخشي از توان در قرقره‌ها يجوش به صورت حرارت از بين خواهد رفت.
ذغال جوش:
مهمترين عاملي كه در انتقال توان از دستگاه جوش به لوله درزدار نقش دارد ، ذغال جوش است .براي استفاده بهينه از اين عامل كه در حقيقت به عنوان هسته ترانسفورمر عمل مي‌نمايد نكات زير قابل توجه است:
جنس ذغال كه از فريت است بايد داراي ضريب نفوذ پذيري نسبي 3000 باشد.
قطر ذغال بايد به گونه‌ها باشد كه حتي الامكان فضاي داخل لوله را پر نمايد . اين مسئله در مورد لوله ‌هاي ريز مستلزم ملاحظات خاصي است.
خنك نمودن ذغال جوش ا زاهميت بسيار بالايي برخوردار است به طوريكه اگر دماي ذغال از مقدار معيني بنام دماي كوري بيشتر گردد ، عملا وجود آن بي فايده بوده و كلا عمل القا بسيار كاهش مي‌يابد . لذا بايد ذغال جوش را در پوششي قرار داد كه هم از نظر استحكام مكانيكي هنگام توليد فرسوده نشود و هم اينكه اين پوشش بايد از جنس مواد غير مغناطيسي باشد . تا موجبات گرم شدن ذغال فراهم نشود . در اين راستا خنك بودن هر چه بيشتر آب عبوري از ذغال بهره‌وري بيشتري ايجاد خواهد نمود.
محل قرار گرفتن ذغال جوش و طول آن در شكل (1) رسم شده است.
شكل (1) تنتظيمات لازم براي خط توليد پروفيل


D= قطرداخلی لوله
L1 = فاصله اینداکتورتا مرکز قرقره جوش
L2 = طول اینداکتور
L1= L2= D
طول ایمپیدر= 5/3 الی 4 برابر L1
همانطوريكه ملاحظه مي‌شود طول اينداكتور و فاصله اينداكتور از مركز قرقره‌هاي جوش و قطر داخلي لوله درزدار در شرايط ايده آل بايد باهم برابر باشند . طول ذغال نيز بايد در حدود 5/3 الي 4 برابر فاصله اينداكتور تا مركز قرقره ‌هاي جوش باشد.



برش ورق و فرم‌دهي به آن:برش ورق بايد با دقت بالا انجام شدهو هيچ گونه تلرانسي برا يعرض ورق در توليد لوله‌هاي با كيفيت ، قابل تصور نيست . لبه‌هابي برش نيز در حالت كلي در شكل (2) نمايش داده شده است.
بر اساس موارد فوق الذكر و تجربياتي كه در طي مدت كاري در كارخانجات مختلف پروفيل سازي بدست آمده ، براي داشتن راندمان و بهره‌وري بيشتر در توليد لوله و پروفيل فولادي ،انتخاب سيستمها يمكانيكي و الكتريكي و جوش در يك كارخانه بايد در ارتباط با يكديگر انجام پذيرد . پس از آن ، پرسنل خط توليد بايد از سطح اطلاعات و آموزش كافي برخوردار باشند . تا از به هدر رفتن انرژي در اثر سهل انگاري تنظيماتپرسنل جلوگيري بعمل آيد. ذكر اين جمله شايد بيشتر مديران توليد كشور عزيزمان را به تامل وادارد كه :" آمار نشان مي‌دهد كه كليه هزينه‌هايي كه صرف خريد دستگاههاي جوش با كيفيت و راندمان بالاتر از طرف مديران شركت مصروف مي‌گردد، مي‌تواند حدود 20% بهره‌وري ايجاد نمايد . در صورتيكه در اثر سهل انگاري در تنظيمات مكانيكي خط توليد پروفيل تا50% از ميزان بهره‌وري كاسته خواهد شد!!"‌

REFRENCE
1.Semiconductor(transistor) 2. Rf Tube Welder 3. Induction 4. Inductor 5. Impeder 6. Insulated Gate Bipolar Transistor 7. Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor 8. Uninterruptabale Power Supply 9.Inverter
10. Matching 11. Oscillator
مراجع
"INDUCTION HEATING HANDBOOK” Johan Davies & Peter Simpson. 1979
TubeNet
USAIran
آفلاین - شرکت کوره شهاب
آفلاین - شرکت کوره شهاب ×

برای خروج اطمینان دارید؟

بله خیر

لطفا صبر کنید...
در اولین فرصت پاسخگوی شما هستیم
در حال حاظر آنلاین نیست پیام خود را بگذارید
این فیلد نمیتواند خالی باشد
این فیلد نمیتواند خالی باشد
این فیلد نمیتواند خالی باشد

Thank you for chatting with us !

گفتگوی دوباره