ES2206058B2 - Sistema electronico de potencia con control digital reconfigurable para maquinas de electroerosion. - Google Patents
Sistema electronico de potencia con control digital reconfigurable para maquinas de electroerosion.Info
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Abstract
Sistema electrónico de potencia con control digital reconfigurable para máquinas de electroerosión, constituido por convertidores de potencia resonantes actuando como fuente de corriente y controlando la calidad de cada impulso. Cuenta con los siguientes elementos: una Red de alimentación, un convertidor electrónico ca/cc, un convertidor electrónico cc/ca de alta frecuencia, un transformador, un rectificador ca/cc de alta velocidad, un sensor y adaptador de señal entre electrodo y pieza, un circuito de control de la fuente de impulsos y del servomecanismo que sitúa el electrodo sobre la pieza. El sistema genera la tensión de ruptura del dieléctrico, el control de la descarga y la protección en cortocircuito. Reconoce formas de onda y se autoajusta para conseguir las máximas descargas efectivas. Tiene como parámetros de control de cada impulso: la distancia entre electrodo y pieza, la frecuencia y el ancho de impulso de mecanizado, y la señal de protección.
Description
Sistema electrónico de potencia con control
digital reconfigurable para máquinas de electroerosión.
La presente invención es una aportación a la
técnica industrial de electroerosión, que es un proceso
electrotérmico de mecanizado de piezas metálicas que utiliza un
electrodo situado a una pequeña distancia sobre la pieza a
mecanizar, ambos sumergidos en un fluido dieléctrico. Una fuente
de alimentación de corriente continua produce pulsos de tensión
entre el electrodo y la pieza, generando descargas eléctricas, es
decir, conducción de corriente en el espacio entre electrodo y
pieza (gap). Cada descarga consigue el suficiente calentamiento
local para fundir una pequeña porción superficial de la pieza.
(Fig. 1).
En concreto, la invención es una innovación sobre
las fuentes de alimentación para sistemas de electroerosión. Esta
invención utiliza técnicas de convertidores electrónicos
resonantes e incluye un sistema digital de control que permite
evaluar la calidad de cada descarga eléctrica; discriminando si es
efectiva para el mecanizado, o si se ha generado una situación
que se corrige en cada impulso.
El mecanizado por descarga eléctrica,
electroerosión, es conocido en inglés como ``Electrical Discharge
Machining (EDM)'' es un proceso electrotérmico que utiliza un
electrodo situado a una pequeña distancia fija sobre una pieza
metálica a mecanizar ambos sumergidos en un fluido dieléctrico.
Una fuente de alimentación eléctrica de corriente continua
produce pulsos de tensión entre el electrodo y la pieza generando
descargas eléctricas, es decir, conducción de corriente en el
espacio entre electrodo y pieza (gap). Cada descarga consigue el
suficiente calentamiento local como para fundir una pequeña
porción superficial de la pieza. (Fig. 1).
En esencia, un sistema EDM está formado por los
siguientes elementos [8],[9]:
- -
- Pieza a mecanizar
- -
- Electrodo
- -
- Fluido dieléctrico.
- -
- Fuente de alimentación eléctrica de corriente continua.
- -
- Servomecanismos para mantener la distancia de gap constante.
En España no se encuentran patentes registradas
con referencia la fuente de alimentación para sistemas de
electroerosión, sí por el contrario, sobre procedimientos o
mejoras del proceso ``aguas a fuera'' de la etapa de potencia.
Las patentes extranjeras, más significativas, que
aportan soluciones sobre el mismo ámbito de actuación que la
presente invención son las referencias [1-6].
Se refieren a diferentes diseños de la fuente de
alimentación y a la actuación frente a arcos eléctricos y
situaciones de sobretensión.
Los fundamentos teóricos de esa invención están,
en parte, basados en las referencias [7-11] que
aportan definiciones y normas sobre la electroerosión y
fundamentos sobre el diseño de convertidores resonantes.
La referencia [12] aporta datos sobre el material
que se utiliza para la construcción de los electrodos.
[1] EP 1116541 Power Supply for
Electrodischarge Machining and Method of Electrodischarge
Machining. Jul. 2001.
[2] US4634827 Electrical discharge machining
apparatus including gap condition detection circuitry. Ene
1987.
[3] US4719327 Electrical discharge machining
power supply. Ene. 1988.
[4] GB1432045 Pulse Generating Circuit for
Machining by Intermitent Electrical Discharges. Abr.
1976.
[5] US5336864 Pulses generator for
electrodischarge machining. Agos. 1994.
[6] US4713516 Pulse generator for spark
erosive metal working. Dic. 1987.
[7] SN 237 550/1 Swiss Norm. Electrical
Discharge Machining. Part 1 Definitions and terminology.
1980.
[8] G. Boothroyd, W. A. Knight,
Fundamentals of Machining and Machine Tools. 2^{nd}
Edition. New York: Marcel Dekker, 1989.
[9] E. Bud Guitrau, The EDM
Handbook. Hanser Gardner Publications, 1997.
[10]R. L. Steigerwald. ``A Comparison
of Half-Bridge Resonant Converter
Topologies'', IEEE Transactions on Power Electronics,
Vol. 3, No. 2, April 1988, pp. 174-182.
[11] Marian K. Kazimierzuk, Dariusz
Czarkowski, Resonant Power Converters. New York:
Wiley Interscience Publication, 1995.
[12] POCO's EDM Technical Manual. Poco Graphite,
Inc.
Según la figura 3 el sistema que configura la
invención se divide en ocho bloques, siendo su objetivo obtener
descargas óptimas (ver figura 2) entre un electrodo y una pieza
dispuestas según se indica en la figura 1.
A continuación se describen los 8 bloques o
elementos que contiene la invención:
- 1)
- Red de alimentación
- 2)
- Convertidor electrónico ca/cc
- 3)
- Convertidor electrónico cc/ca de alta frecuencia
- 4)
- Transformador
- 5)
- Rectificador ca/cc de alta velocidad
- 6)
- Sensor y adaptador de señal entre electrodo y pieza
- 7)
- Circuito de control de la fuente de impulsos y del servomecanismo que sitúa el electrodo sobre la pieza
- 8)
- Servomecanismo.
1) Red de alimentación: red de
alimentación universal.
2) Convertidor electrónico ca/cc corrector
de factor de potencia, que tiene como misión obtener una tensión
de salida constante y regulada para que sea estable al valor
deseado. Este convertidor debe conseguir cumplir con la normativa
de contenidos de armónicos en la red IEC 1000 3-2
que se aplique para los equipos de electroerosión. Con esta
solución la invención permite cumplir con la norma IEC 1000
3-2 pese a ser un equipo que demanda intensidad
pulsante.
3) Convertidor electrónico cc/ca de alta
frecuencia denominado Inversor Resonante LCC que conmuta a la
frecuencia f_{0}, muy superior a la frecuencia de mecanizado,
donde su comportamiento es de fuente de corriente. Es decir, la
invención ofrece como solución para generar la descarga, la
acumulación de energía en una red resonante donde, a determinada
frecuencia f_{0}, la ganancia en tensión es idealmente infinita,
consiguiendo el control de corriente tras la descarga por el
comportamiento inherente del circuito, a la frecuencia f_{0},
como fuente de corriente alterna constante, proporcional a la
tensión de alimentación.
4) Transformador que obtiene el valor de
intensidad en el secundario especificado para la carga. El
transformador es un elemento esencial en la invención puesto que
permite que el nivel de intensidad en el bloque 3 sea
razonablemente pequeño, proporciona aislamiento galvánico, y por
tanto permite elegir la polaridad entre electrodo y pieza así como
la conexión de diversas fuentes para aumentar la potencia. El
transformador está diseñado para que se le aplique corriente
alterna a la frecuencia f_{0} y para soportar la sobretensión
de inicio de la descarga.
5) Convertidor ca/cc que rectifica la
intensidad del secundario del transformador, obteniendo la
tensión e intensidad final aplicada a la carga, continua con un
rizado de frecuencia 2f_{0}. Para esta aplicación se adopta la
configuración bifásica de media onda con diodos o transistores de
baja resistencia en conducción, alta velocidad de conmutación y
capacidad de soportar la sobretensión de ruptura del
dieléctrico.
6) Sensor adaptador que toma muestras de
la forma de onda de tensión entre el electrodo y la pieza, las
filtra para eliminar la componente de frecuencia 2f_{0} y las
confiere el nivel adecuado para compararse con las tensiones de
referencia que identificarán las situaciones descritas en la
figura 2: a) circuito abierto, b) descarga óptima, c) arco y d)
cortocircuito. La invención ofrece, por tanto, como solución para
la identificación de las situaciones generadas entre electrodo y
pieza, tomar la muestra de la tensión de cada impulso filtrando
la componente 2f_{0} y la comparación simultánea con las
referencias que identifican las cuatro situaciones posibles cuya
detección se realiza dentro del propio impulso.
7) Circuito de control digital que recibe
la información sobre el impulso de mecanizado y genera la
actuación correspondiente. Véase el sistema de decisión en la
figura 4 que se resume en: Actuación ante el reconocimiento de
diferentes situaciones: Sobre la fuente de potencia, la actuación
se produce en cada impulso de mecanizado: a) Descarga deseada
\Rightarrow el sistema mantiene su situación o bien aumenta el
ancho de pulso de la descarga para acelerar el mecanizado o
corte, b) Circuito abierto \Rightarrow se interrumpe el intento
de descarga, c) Cortocircuito \Rightarrow se interrumpe el
intento de descarga, d) Arco eléctrico \Rightarrow se reduce el
ancho de pulso de la descarga para aumentar el tiempo efectivo de
limpieza entre electrodo y pieza.
Sobre el motor paso a paso la actuación se
produce a la frecuencia de los pulsos que generan el cambio de
paso: a) Descarga deseada \Rightarrow el electrodo mantiene su
situación, b) Circuito abierto \Rightarrow se produce la
indicación de acercamiento del electrodo a la pieza, c)
Cortocircuito \Rightarrow se produce la indicación de alejamiento
del electrodo a la pieza, d) Arco eléctrico \Rightarrow el
electrodo mantiene su situación.
El circuito de control permite que el sistema de
actuación sobre el motor pueda pasar de modo automático a manual
(teleoperado) para resolver por decisión del operario cualquier
situación.
Véase el esquema de implementación de los bloques
6 y 7 en la figura 5.
La invención aporta la solución de un control
digital reconfigurable para adaptar los parámetros de cada
operación. El sistema de control es genérico y útil para diversas
situaciones: diferentes metales, electrodos etc., pero al mismo
tiempo admite modificaciones para adaptarse a cambios no
contemplados inicialmente consecuencia de cualquier peculiaridad
de la operación. Se ofrece como solución para optimizar el
rendimiento de la operación, que el circuito valore en tiempo real,
cada impulso de mecanizado, pudiéndose readaptar los parámetros en
el propio impulso para utilizarse en el siguiente.
8) Servomecanismo. Recibe los comandos del
circuito digital y es el sistema que dirige al motor y el propio
motor que sitúa el electrodo a la distancia adecuada de la pieza.
La invención utiliza un motor paso a paso por su mejor adaptación a
un control digital y el control preciso del incremento de
posición.
- a)
- Tamaño y peso reducidos de la etapa de potencia de los componentes reactivos (inductancia, condensadores y transformador) ya que se trata de un convertidor de alta frecuencia.
- b)
- Tamaño y peso reducidos, ya que al utilizar convertidor de alto rendimiento y monitorizar la efectividad de cada impulso el tamaño de los disipadores de calor es pequeño.
- c)
- Elevado rendimiento, eficiencia de conversión de la energía eléctrica en el convertidor de potencia y en la transformación en calor para la operación de electroerosión sobre la pieza. Necesidad de menor potencia eléctrica.
- d)
- Diseños de bajo coste ya que la necesidad de menor potencia para la operación permite utilizar dispositivos de conmutación de bajas prestaciones. e) Determina la calidad de cada impulso de mecanizado que se produce a decenas de kHz.
- f)
- Sistema de potencia mínima escalable: El comportamiento inherente del convertidor de potencia como fuente de corriente con aislamiento galvánico permite conectar en paralelo las etapas de potencia que requiera la operación.
- g)
- Eliminación de filtros de potencia que incide en la reducción de tamaño, peso y coste. La etapa de potencia no requiere filtros de salida ya que el rizado es de alta frecuencia (doble de la frecuencia de conmutación), el cable de conexión entre la salida de al etapa de potencia y el electrodo actúa de inductancia que reduce el rizado de la intensidad de salida. En caso de requerirse mayores prestaciones de reducción de rizado y mayor potencia, la solución es la mera conexión en paralelo de varias etapas desfasando el control un ángulo \Pi/n radianes siendo n el número de etapas de potencia en paralelo. La reducción del rizado puede tener interés para obtener mejoras en el acabado de la pieza.
- h)
- La operación de electroerosión se realiza de forma automática ya que el propio sistema decide la posición más óptima entre electrodo y pieza, así la intervención de operarios es mínima una vez se inicia la operación.
- i)
- El sistema permite realizar la operación de electroerosión bajo el agua sin características especiales (agua del grifo, agua desionizada, etc..). El agua del grifo actuando como dieléctrico es un elemento, en principio, inadecuado para este tipo de operaciones ya que es polar y disuelve iones con facilidad. El agua del grifo, por tanto, aumenta la posibilidad de generación de arcos eléctricos no deseados. La detección y corrección en tiempo real de las situaciones no deseadas entre electrodo y pieza permite corregir las malas propiedades del agua como dieléctrico.
- j)
- La reducción de tamaño y peso hace que el sistema sea transportable y muy adecuado para operaciones in situ.
- k)
- El bajo coste de la solución, su fácil transporte y su capacidad de operar bajo agua lo hacen muy apropiado para desarrollar trabajos de corte de piezas metálicas en el interior de vasijas de centrales nucleares donde quizás el sistema deba ser desechado tras la operación por quedar contaminado.
- l)
- La utilización de este sistema en mecanizados permite sustituir aceites de refrigeración por agua convencional. La utilización del sistema para tareas de corte o eliminación de piezas permite obtener mejoras sustanciales del acabado de la operación y mejores rendimientos energéticos.
Figura 1: Elementos fundamentales en un proceso
de electroerosión
Figura 2: Formas de onda teóricas de tensión e
intensidad entre el electrodo y la pieza a mecanizar indicándose
las cuatro situaciones contempladas en la operación: 1) circuito
abierto que corresponde a una distancia excesiva entre electrodo y
pieza, 2) descarga normal que es el objetivo deseado, 3) arco
eléctrico que indica que no se produce un campo eléctrico
uniforme entre electrodo y pieza, usualmente por falta de limpieza
adecuada y 4) cortocircuito que indica contacto entre electrodo y
pieza.
Figura 3: Diagrama de bloques del circuito
electrónico de potencia que constituye la fuente de impulsos en
el que aparecen los siguientes elementos: 1) Fuente de
alimentación de red, 2) Convertidor electrónico ca/cc de baja
frecuencia 3) convertidor electrónico cc/ca de alta frecuencia 4)
transformador de alta frecuencia 5) rectificador ca/cc de alta
velocidad 6) sensor y adaptador de señal entre electrodo y pieza,
7) circuito de control de la fuente de impulsos y del
servomecanismo que sitúa el electrodo sobre la pieza, 8)
Servomecanismo que sitúa el electrodo frente a la pieza
Figura 4: Diagrama de flujo del circuito de
control
Figura 5: Ejemplo de implementación del circuito
de control mediante un circuito digital, aprovechando la
concurrencia de acciones de control sobre la fuente y el
servomecanismo.
Figura 6: Ejemplo de especificaciones teóricas de
las formas de onda de tensión en intensidad entre electrodo y
pieza en una descarga.
Figura 7: (a) Esquema eléctrico del convertidor
cc/ca inversor resonante LCC (b) circuito de aproximación
fundamental utilizado para el análisis del inversor resonante.
Figura 8: Intensidad normalizada a través de la
resistencia equivalente R_{i} en función de la frecuencia de
conmutación y diferentes factores de calidad Q_{p}. Se aprecia
el comportamiento como fuente de corriente a la frecuencia
\omega_{o}.
Figura 9: Intensidad de salida en situación de
cortocircuito.
Figura 10: Situación de circuito abierto:
sobretensión y actuación de la protección dentro del ciclo de
impulso.
Figura 11: Tensión e intensidad entre electrodo y
pieza en una situación de descarga efectiva.
Especificaciones técnicas a resolver.
En la tabla I se presentan las condiciones de
mecanizado.
| Condiciones de mecanizado | |
| Electrodo | 0.8 mm \varnothing Grafito |
| Pieza | Acero al Carbono |
| Operación | Desbaste |
| Fluido dieléctrico | Agua |
| Tipo de inyección | Presión externa |
| Condiciones del Generador | |
| Polaridad del electrodo | Negativa |
| Ancho del impulso | 50 \mus |
| Ciclo de trabajo | 50% |
Especificaciones eléctricas a generar por el
sistema según figura 6
La solución propuesta siguiendo el esquema de la
figura 3 se conecta a la red de alimentación bloque 1, en este
caso 220V, 50Hz el bloque 2 es un rectificador o con una etapa
correctora de factor de potencia adecuada para cumplir la normativa
IEC 1000-3-2 sobre armónicos en la
red el bloque 3 es un convertidor resonante LCC puente completo
conmutado a 200 kHz utilizado como fuente de corriente. La
secuencia de diseño del convertidor LCC está orientada a conseguir
la ruptura del dieléctrico y la estabilización de la corriente
consiguiendo que las máximas solicitaciones a que estén sometidos
los componentes y dispositivos del sistema estén limitados por
diseño, obteniendo así máxima robustez.
La figura 7 (a) muestra el esquema del inversor
resonante puente completo (bloque 3). La conmutación de los
cuatro transistores en puente consigue aplicar una tensión
cuadrada, v_{AB}, a la red LCC resonante.
Las formas de onda en el circuito resonante son
prácticamente senoidales por lo que se aplicará la aproximación
fundamental para el análisis del diseño véase la figura
7(b).
| N | \(\hat{V}_{Ri}\) (V) | R \(_{i}(\Omega\) ) | R \(_{0}(\Omega)\) | \(\hat{I}_{Ri}\) (A) | C \(_{p}\) (nF) | f(kHz) | A | C \(_{S}\) (nF) | L( \(\mu\) H) |
| 7 | 300 | 150 | 3,3 | 2 | 4,7 | 205 | 0,25 | 20 | 157 |
La figura 9 muestra la corriente de salida bajo
condiciones de cortocircuito, verificándose la protección
inherente del circuito en el caso de contacto entre electrodo y
pieza.
La condición de circuito abierto se muestra en la
figura 10 verificándose que la actuación inmediata de la
protección aborta el periodo de impulso, evitándose por un lado
una situación de exceso de tensión y por otro lado se mantiene la
funcionalidad ya que existirá un nuevo intento de generar la
descarga en el siguiente periodo de impulso.
La figura 11 muestra las formas de onda de
tensión e intensidad en una descarga real entre electrodo y
pieza.
Claims (10)
1. Sistema electrónico de potencia con control
electrónico digital reconfigurable para máquinas de
electroerosión compuesto por una red de alimentación, un
convertidor electrónico ca/cc, un convertidor electrónico cc/ca de
alta frecuencia, un transformador, un rectificador ca/cc de alta
velocidad, un sensor y adaptador de señal entre electrodo y pieza,
un circuito de control de la fuente de impulsos y un
servomecanismo que sitúa el electrodo sobre la pieza.
2. Sistema electrónico de potencia con control
electrónico digital reconfigurable para máquinas de
electroerosión, según la reivindicación anterior,
caracterizado por utilizar un convertidor electrónico
cc/ca de alta frecuencia denominado Inversor Resonante LCC,
generando la descarga mediante la acumulación de energía en una red
resonante donde, a determinada frecuencia f_{0}, la ganancia en
tensión es idealmente infinita, consiguiendo el control de
corriente tras la descarga por comportamiento inherente del
circuito, a la frecuencia f_{0}, como fuente de corriente
alterna constante proporcional a la tensión de alimentación.
3. Sistema electrónico de potencia con control
electrónico digital reconfigurable para máquinas de
electroerosión, según las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por utilizar un transformador de corriente de
alta frecuencia para dotar al sistema de aislamiento galvánico,
permitiendo elegir la polaridad entre electrodo y pieza y la
conexión de varias fuentes para aumentar la potencia del
sistema.
4. Sistema electrónico de potencia con control
electrónico digital reconfigurable para máquinas de
electroerosión, según las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por utilizar un sensor adaptador para tomar
muestras de la forma de onda de tensión entre el electrodo y la
pieza identificando las situaciones: circuito abierto, descarga
óptima, arco y cortocircuito, dentro del propio impulso.
5.- Sistema electrónico de potencia con control
electrónico digital reconfigurable para máquinas de
electroerosión, según las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por utilizar un circuito de control digital
que genera una actuación concreta en cada impulso ante al
detección de diferentes situaciones: Descarga deseada, el sistema
mantiene su situación o bien aumenta el ancho de pulso de la
descarga para acelerar el mecanizado o corte; Circuito abierto,
se interrumpe el intento de descarga y se produce la indicación de
acercamiento del electrodo a la pieza; Cortocircuito, se
interrumpe el intento de descarga y se produce la indicación de
alejamiento del electrodo a la pieza; Arco eléctrico, se reduce el
ancho de pulso de la descarga para aumentar el tiempo efectivo de
limpieza entre electrodo y pieza.
6. Sistema electrónico de potencia con control
electrónico digital reconfigurable para máquinas de
electroerosión, según las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por utilizar un circuito de control digital
que es reconfigurable según las especificaciones de cada
operación y el número de fuentes conectadas en paralelo.
7. Sistema electrónico de potencia con control
electrónico digital reconfigurable para máquinas de
electroerosión, según las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por mecanizar sumergido en agua o fuera del
agua, utilizando agua convencional o bien agua desionizada como
dieléctrico debido a que permite readaptar las condiciones de la
descarga en cada impulso.
8. Sistema electrónico de potencia con control
electrónico digital reconfigurable para máquinas de
electroerosión, según las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por no utilizar filtro en la salida de
corriente continua conectada entre electrodo y pieza, utilizando
el cable de conexión entre la fuente de impulsos y la carga como
filtro.
9. Sistema electrónico de potencia con control
electrónico digital reconfigurable para máquinas de
electroerosión, según las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por escalar la potencia máxima disponible
conectando en paralelo tantas fuentes como sean necesarias, ya
que su comportamiento es de fuente de corriente con aislamiento
galvánico. El desfase del control de las fuentes conectadas en
paralelo es un ángulo \Pi/n radianes, siendo n la suma de todas
las etapas de potencia de la fuente de impulsos.
10. Sistema electrónico de potencia con control
electrónico digital reconfigurable para máquinas de
electroerosión, según las reivindicaciones anteriores,
caracterizado por utilizar una etapa de potencia que se
conecta a un corrector de factor de potencia y este a la red de
alimentación cumpliendo las normas aplicables sobre contenidos de
armónicos en la red eléctricas pese a que el sistema genera
corriente pulsante.
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| ES200202481A ES2206058B2 (es) | 2002-10-28 | 2002-10-28 | Sistema electronico de potencia con control digital reconfigurable para maquinas de electroerosion. |
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| ES200202481A ES2206058B2 (es) | 2002-10-28 | 2002-10-28 | Sistema electronico de potencia con control digital reconfigurable para maquinas de electroerosion. |
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