IT201600101620A1

IT201600101620A1 - Apparecchiatura per la saldatura mediante elettrofusione di giunti in materiale termoplastico.

Info

Publication number: IT201600101620A1
Application number: IT102016000101620A
Authority: IT
Inventors: Renzo Bortoli
Original assignee: Ritmo Spa
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2018-04-11

Description

APPARECCHIATURA PER LA SALDATURA MEDIANTE ELETTROFUSIONE DI GIUNTI IN MATERIALE TERMOPLASTICO

DESCRIZIONE

Il presente trovato si riferisce ad un'apparecchiatura per la saldatura mediante elettrofusione di giunti in materiale termoplastico.

Come noto, per la realizzazione degli impianti di convogliamento di fluidi, quali acqua, gas o simili, è abbastanza consueto l'utilizzo di tubi in materiale termoplastico, quali ad esempio i tubi in polietilene.

Uno dei metodi impiegati per saldare fra loro i suindicati tubi è quello della saldatura per elettrofusione, che si effettua unendo due pezzi di tubo da saldare, all'interno di un giunto elettrosaldabile .

Più in dettaglio, applicando con un'opportuna macchina saldatrice una tensione costante ai morsetti del giunto, la resistenza in esso contenuta viene riscaldata dall'energia circolante, realizzando così la fusione e la saldatura delle due porzioni di tubo sovrapposte.

Si rende dunque necessario convertire la tensione sorgente disponibile, che generalmente consiste nella tensione di rete, nella tensione richiesta dal giunto elettrosaldabile.

Tipicamente, si richiede alla saldatrice di fornire una tensione costante regolabile tra 8 e 48V con una corrente massima di 100A.

In genere, questa conversione viene realizzata con la tecnica del taglio di fase al primario di un trasformatore.

Questa tecnologia nota presenta però alcuni inconvenienti che sono principalmente legati alle caratteristiche del trasformatore utilizzato per la conversione.

Il primo limite è sicuramente dettato dal peso e dall'ingombro; si consideri, ad esempio, che un trasformatore da 3kW arriva a pesare mediamente 15kg, e a ciò si aggiunge ovviamente la necessità di realizzare un contenitore idoneo.

Altro aspetto critico riguarda il fatto che il trasformatore è fortemente soggetto a surriscaldamento, e un trasformatore surriscaldato è fonte di fermi macchina improvvisi ed indesiderati, che possono protrarsi anche per alcune ore.

Va anche precisato che essendo un carico fortemente induttivo, il trasformatore disturba la sorgente ad esso collegato; ciò rende difficile il suo utilizzo quando l'alimentazione proviene ad esempio da un gruppo elettrogeno.

Non da ultimo, va rilevato che i parametri caratteristici del trasformatore vincolano fortemente le prestazioni finali della saldatrice .

Il compito che si propone il trovato è quello di realizzare un'apparecchiatura per la saldatura mediante elettrofusione di giunti in materiale termoplastico capace di ovviare agli inconvenienti delle macchine saldatrici di tipo noto.

Nell'ambito del compito sopra esposto, uno scopo particolare del trovato è quello di realizzare un'apparecchiatura che sia leggera, poco ingombrante e maneggevole.

Un altro scopo del trovato è quello di realizzare un'apparecchiatura in grado di ridurre i fermi macchina non programmati, dovuti in via principale al surriscaldamento.

Altro scopo ancora del trovato è quello di realizzare un'apparecchiatura che, da un punto di vista elettromagnetico, risulti compatìbile con la sorgente.

Ulteriore scopo del trovato è quello di realizzare un'apparecchiatura che, sotto il profilo progettuale, risulti facilmente modificabile.

Non ultimo scopo del trovato è quello di realizzare un'apparecchiatura che risulti più economica da realizzare rispetto alle saldatrici note, pur mantenendo inalterate le caratteristiche di robustezza, sicurezza e affidabilità.

Il compito sopra esposto, nonché gli scopi accennati ed altri che meglio appariranno in seguito, vengono raggiunti da un'apparecchiatura per la saldatura mediante elettrofusione di giunti in materiale termoplastico, comprendente almeno una sorgente di energia elettrica atta ad erogare una potenza tale da provocare la fusione di un raccordo elettrosaldabile su un tubo in materiale termoplastico, e mezzi di regolazione e controllo di detta sorgente di energia elettrica; detta apparecchiatura è caratterizzata dal fatto che detta sorgente di energia elettrica comprende un dispositivo convertitore DC/DC switching di tipo step-down.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente dalla descrizione di forme di esecuzione preferite, ma non esclusive, di un'apparecchiatura per la saldatura mediante elettrofusione di giunti in materiale termoplastico, secondo il trovato, illustrate a titolo indicativo e non limitativo negli uniti disegni in cui:

la figura 1 rappresenta uno schema a blocchi semplificato di un'apparecchiatura secondo il trovato;

la figura 2 rappresenta lo schema di principio dell'apparecchiatura secondo il trovato;

la figura 3 rappresenta lo schema di principio di una variante realizzativa dell'apparecchiatura secondo il trovato.

Con riferimento alle citate figure, un'apparecchiatura per la saldatura mediante elettrofusione di giunti in materiale termoplastico è indicata nel suo complesso con il numero di riferimento 1.

L'apparecchiatura 1 prevede la presenza di una sorgente di energia elettrica 2, alimentata dalla rete o da opportuni accumulatori, la quale è in grado di erogare una potenza tale da provocare la fusione di un raccordo elettrosaldabile su un tubo di materiale termoplastico.

Nell'apparecchiatura 1 sono inoltre presenti mezzi di regolazione e controllo 3 che consentono di regolare la potenza emessa dalla sorgente di energia elettrica 2 tra un valore minimo ed un valore massimo stabiliti in fase costruttiva.

Vantaggiosamente, il raccordo elettrosaldabile è provvisto di spinotti che ne consentono la connessione alla sorgente di energia elettrica 2 tramite opportuni connettori 4.

Secondo la presente invenzione, la sorgente di energia elettrica 2 comprende un dispositivo convertitore 10 DC/DC switching di tipo step-down, ovvero un dispositivo in grado di convertire una tensione continua d'ingresso in una tensione continua d'uscita di valore più basso.

Un aspetto importante dell'invenzione riguarda il fatto che nel dispositivo convertitore 10 il carico 11, sostanzialmente costituito dall'anzidetto raccordo elettrosaldabile, è connesso in modo flottante, ovvero nessuno dei due terminali del carico 11 coincide con la massa.

Nella fattispecie, il riferimento di tensione del carico 11 corrisponde sostanzialmente alla tensione Vs in ingresso al dispositivo convertitore 10.

Entrando maggiormente nel dettaglio, in una ipotetica configurazione minima, il dispositivo convertitore 10 comprende un blocco circuitale 12 essenzialmente composto da un primo circuito reattivo di immagazzinamento dell'energia, realizzato tramite almeno un induttore 13, connesso in serie fra il carico 11 ed un nodo 14 a cui afferiscono altri due rami circuitali

Nella fattispecie, al nodo 14 afferiscono un primo ramo circuitale che comprende un primo interruttore elettronico, il quale consente di connettere selettivamente il nodo 14 al riferimento di tensione del carico 11, ovvero alla tensione Vs in ingresso al dispositivo convertitore 10, ed un secondo ramo circuitale che comprende un secondo interruttore elettronico, il quale ha invece il compito di connettere selettivamente il nodo 14 a massa.

Dal punto di vista costruttivo, il primo interruttore elettronico può essere realizzato tramite almeno un diodo 15, mentre il secondo interruttore elettronico può essere realizzato tramite almeno un transistor bipolare a gate isolato 16, altrimenti noto come IGBT.

Tuttavia, è del tutto evidente al tecnico del settore che, in una diversa forma realizzativa dell'invenzione, tali interruttori elettronici potrebbero essere realizzati tramite altri dispositivi sostanzialmente equivalenti, senza per questo uscire dall'ambito del trovato.

Per quanto riguarda in particolare gli IGBT 16, va evidenziato che per evitare inopportuni surriscaldamenti essi sono associati ad un dissipatore termico, eventualmente coadiuvato da un sistema di ventilazione forzata, che essendo di per sé noto non è rappresentato nelle figure.

Vantaggiosamente, il dispositivo convertitore 10 comprende anche un secondo circuito reattivo di immagazzinamento dell'energia, che può essere realizzato tramite almeno un condensatore 17 connesso in parallelo al carico 11.

Pur essendo la configurazione minima sopra descritta già di per sé funzionante, prove sperimentali ed un'attenta analisi dei risultati hanno permesso di preferire per il dispositivo convertitore 10 una configurazione cosiddetta "multifase".

In pratica, nella configurazione multifase, il dispositivo convertitore 10 presenta un numero pari ad N di blocchi circuitali 12 sostanzialmente uguali tra loro.

A titolo esemplificativo, nella figura 3 è illustrato un dispositivo convertitore 10 in cui sono presenti due blocchi circuitali 12.

Per la variante realizzativa illustrata nella figura 3, gli elementi che corrispondono agli elementi già descritti in riferimento alla forma di esecuzione illustrata nella figura 2 sono stati contrassegnati con gli stessi numeri di riferimento, aggiungendo un apice ordinale.

Come si evince dalla figura 3, in un dispositivo convertitore 10 multifase, i vari blocchi circuitali 12 sono connessi in modo tale che i rispettivi induttori 13 risultino collegati in serie al carico 11.

Opportunamente, in una siffatta configurazione multifase, i mezzi di regolazione e controllo 3 pilotano gli IGBT 16 dei vari blocchi circuitali 12 con un ritardo di fase pari a 2n/N, dove N è 11 numero di tali blocchi.

Il principio di funzionamento del dispositivo convertitore 10, indifferentemente dal fatto che esso sia realizzato in configurazione minima o multifase, ricalca sostanzialmente quello di un convertitore Buck.

Tuttavia, la scelta di connettere il carico 11 in modo flottante, e di predisporre di conseguenza ciascun blocco circuitale 12 come sopra descritto, porta alcuni vantaggi fondamentali .

In primo luogo, essendo gli emettitori degli IGBT 16 connessi a massa, per garantire la chiusura dei secondi interruttori elettronici è sufficiente portare i gate degli IGBT 16 semplicemente ad una tensione che superi la tensione di soglia dei dispositivi .

Ciò semplifica notevolmente la circuiteria dei mezzi di regolazione e controllo 3 e permette una flessibilità non possibile con un convertitore che presenti una classica configurazione buck.

Infatti, in quest'ultimo caso, per garantire la chiusura dei secondi interruttori elettronici sarebbe necessario portare i gate degli IGBT ad una tensione sostanzialmente corrispondente alla somma della tensione di soglia dei dispositivi e della tensione Vs in ingresso al convertitore.

Si consideri però che la tensione Vs in ingresso al convertitore non è necessariamente nota a priori, e questo influisce evidentemente sulla complessità della circuiteria dei mezzi di regolazione e controllo 3.

Inoltre, nel caso del dispositivo convertitore 10 multifase, i vari canali di pilotaggio dei mezzi di regolazione e controllo 3 condividono lo stesso riferimento, ovvero gli emettitori degli IGBT 16 e questo semplifica ulteriormente la circuiteria dei mezzi di regolazione e controllo 3.

Diversamente, in un classico convertitore buck i canali di pilotaggio degli IGBT devono essere completamente isolati e indipendenti .

Un altro importante vantaggio del dispositivo convertitore 10 multifase sta nel fatto che la moltiplicazione dei componenti gravati dal maggiore stress termico ed elettrico, nella fattispecie gli IGBT 16 e gli induttori 13, permette un rendimento generale più elevato.

Vengono infatti ridotte le perdite di commutazione grazie alla possibilità di impiegare componenti di minore capacità e l'energia totale viene ad essere ripartita nei vari gruppi di componenti di potenza.

Un altro importante vantaggio dell'apparecchiatura secondo l'invenzione riguardano la drastica riduzione del peso, che in questo caso è determinato in via principale dagli induttori e dal dissipatore, i quali possono arrivare a pesare fino ad un terzo degli alimentatori a trasformatore impiegati nelle apparecchiature di tipo noto.

Ulteriore vantaggio consiste nel fatto che grazie alla presenza del dissipatore e del sistema di ventilazione forzata, il tempo di attesa in caso di surriscaldamento viene ridotto a pochi minuti,

Altro aspetto vantaggioso riguarda il fatto che lavorando l'apparecchiatura secondo l'invenzione a 20kHz, le armoniche prodotte sono più facilmente filtrabili, e, di conseguenza, viene eliminato il problema del funzionamento con motogeneratori .

Non da ultimo va segnalato che il dispositivo convertitore secondo l'invenzione può lavorare virtualmente fino alla tensione sorgente: questo estende di molto i limiti progettuali e permette, con poche modifiche, di adattare tale dispositivo convertitore a nuove necessità.

Si è in pratica constatato come l'apparecchiatura per la saldatura mediante elettrofusione di giunti in materiale termoplastico, secondo l'invenzione, assolva pienamente il compito e gli scopi prefissati.

L'apparecchiatura per la saldatura mediante elettrofusione di giunti in materiale termoplastico così concepita è suscettibile di numerose modifiche e varianti tutte rientranti nell'ambito del concetto inventivo; inoltre, tutti i dettagli potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti .

In pratica, i materiali impiegati, purché compatibili con l'uso specifico, nonché le dimensioni e le forme contingenti potranno variare a seconda delle esigenze e dello stato della tecnica.

Claims

RIVENDICAZIONI 1 . Apparecchiatura per la saldatura mediante elettrofusione di giunti in materiale termoplastico, comprendente almeno una sorgente di energia elettrica atta ad erogare una potenza tale da provocare la fusione di un raccordo elettrosaldabile su un tubo in materiale termoplastico, e mezzi di regolazione e controllo di detta sorgente di energia elettrica; detta apparecchiatura è caratterizzata dal fatto che detta sorgente di energia elettrica comprende un dispositivo convertitore DC/DC switching di tipo step-down.
2. Apparecchiatura, secondo la rivendicazione precedente, caratterizzata dal fatto che detto raccordo elettrosaldabile, che costituisce sostanzialmente il carico di detta sorgente di energia elettrica, è connesso elettricamente a detto dispositivo convertitore in modo flottante; il riferimento di tensione di detto carico corrisponde sostanzialmente alla tensione in ingresso a detto dispositivo convertitore.
3. Apparecchiatura, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto dispositivo convertitore comprende almeno un blocco circuitale essenzialmente costituito da un primo circuito reattivo di immagazzinamento dell'energia connesso in serie fra detto carico e un nodo a cui sono rispettivamente connessi almeno un primo ramo circuitale ed almeno un secondo ramo circuitale; detto primo ramo circuitale comprende almeno un primo interruttore elettronico atto a connettere selettivamente detto nodo a detto riferimento di tensione di detto carico; detto secondo ramo circuitale comprende almeno un secondo interruttore elettronico atto a connettere selettivamente detto nodo a massa.
4. Apparecchiatura, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto primo circuito reattivo di immagazzinamento dell'energia comprende almeno un induttore .
5. Apparecchiatura, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto primo interruttore elettronico comprende almeno un diodo.
6. Apparecchiatura, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto secondo interruttore elettronico comprende almeno un transistor bipolare a gate isolato (IGBT) .
7. Apparecchiatura, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto di comprendere un secondo circuito reattivo di immagazzinamento dell'energia connesso in parallelo a detto carico.
8. Apparecchiatura, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto secondo circuito reattivo di immagazzinamento dell'energia comprende almeno un condensatore .
9. Apparecchiatura, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti , caratterizzata dal fatto che detto dispositivo convertitore è di tipo multifase e comprende un numero N di detti blocchi circuitali connessi a detto carico,- il detto primo circuito reattivo di immagazzinamento dell'energia di ciascun blocco circuitale è connesso in serie a detto carico.
10. Apparecchiatura, secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che il detto secondo interruttore elettronico di un n-esimo blocco circuitale è pilotato con un ritardo di fase di 2n/N rispetto al detto secondo interruttore elettronico di un (n-1)-esimo blocco circuitale e con un anticipo di fase di 2n/N rispetto al detto secondo interruttore elettronico di un (n+1)-esimo blocco circuitale.