A fonte de energia de soldagem a arco inversora, também conhecida como inversor de soldagem a arco, é um novo tipo de fonte de energia de soldagem. Este tipo de fonte de alimentação geralmente pega a tensão da rede CA de frequência da rede trifásica (50 Hz), retifica-a e filtra-a através de um retificador de entrada, convertendo-a em CC.
Em seguida, ele usa componentes eletrônicos de comutação de alta potência (como tiristores SCR, transistores GTO, MOSFETs ou IGBTs) para alternar o estado da chave, invertendo-o em tensão CA de média frequência variando de vários kHz a dezenas de kHz, que é então reduzida por um transformador a uma tensão adequada para soldagem.
Após retificação e filtragem através de uma indutância, ele produz uma corrente de soldagem CC estável.
1. Fonte de alimentação de soldagem por arco inversor e inversor
Um dispositivo que converte CC em CA é chamado de inversor.
A sequência de conversão pode ser simplesmente representada como: frequência da rede CA (após retificação e filtragem) → CC (após inversão) → CA de média frequência (após redução de tensão, retificação e filtragem) → CC. Se expresso em símbolos, é:
CA → CC → CA → CC
Este sistema é geralmente utilizado porque se a corrente CA invertida e reduzida for utilizada diretamente para soldagem, a alta frequência resultará em uma grande potência reativa no circuito de soldagem, o que reduzirá bastante a potência ativa. Portanto, a retificação é necessária novamente.
2. Características da fonte de alimentação do inversor
A característica básica da soldagem a arco inversor é que ela opera em alta frequência, o que traz muitas vantagens.
Isso ocorre porque o potencial E do transformador, seja ele o enrolamento primário ou secundário, tem a seguinte relação com a frequência f da corrente, densidade de fluxo magnético B, área da seção do núcleo de ferro S e número de voltas W do enrolamento :
E = 4,44fBSW
E a tensão terminal do enrolamento U é aproximadamente igual a E, ou seja:
você ≈ E = 4,44fBSW
Quando U e B são determinados, se a frequência f for aumentada, S diminuirá e W diminuirá. Portanto, o peso e o volume do transformador podem ser bastante reduzidos. Isto torna o peso e o volume de toda a máquina significativamente menores.
Além disso, devido ao aumento da frequência e outros fatores, traz muitas vantagens em comparação com as fontes de energia tradicionais de soldagem a arco. As principais características são as seguintes:
(1) Tamanho pequeno, peso leve, economia de material e fácil transporte e movimento.
(2) Alta eficiência e economia de energia, com eficiência de até 80% a 90%, economizando mais de um terço da eletricidade em comparação com máquinas de solda tradicionais.
(3) Boas características dinâmicas, fácil início do arco, arco estável, bela formação de solda e menos respingos.
(4) Adequado para combinação com robôs para formar um sistema automático de produção de soldagem.
(5) Pode ser usado para diversos fins, completando vários processos de soldagem e corte.
Devido à série de vantagens das fontes de energia inversoras mencionadas acima, ela se desenvolveu rapidamente desde seu surgimento no final da década de 1970. Em países industrializados como os Estados Unidos e o Japão, o seu âmbito de aplicação é bastante extenso.
Os elementos de comutação usados em fontes de energia inversoras agora incluem SCR (tiristor), GTR (transistor), MOSFET (transistor de efeito de campo) e IGBT (um tipo de elemento eletrônico que combina as vantagens do GTR e do MOSFET).
O IGBT tem potencial para substituir outros elementos de comutação. A máquina de solda com inversor IGBT é um progresso significativo na tecnologia de soldagem e uma nova tendência de desenvolvimento.
O cabeçote da máquina de soldagem converte a saída de energia da fonte de energia de soldagem em calor de soldagem e a alimenta continuamente no material de soldagem enquanto o cabeçote da máquina se move para frente para realizar a soldagem.
As pinças de soldagem elétrica usadas na soldagem a arco manual precisam ser empurradas manualmente para baixo e movidas para frente para formar um cordão de solda à medida que a haste de soldagem derrete. As máquinas de soldagem automática possuem mecanismos automáticos de alimentação de arame e mecanismos de movimentação do cabeçote da máquina para mover o cabeçote da máquina para frente.
Existem dois tipos comumente usados: tipos de transporte e suspensão.
As cabeças de soldagem para soldagem a ponto e soldagem por projeção são eletrodos e seus mecanismos de pressão, que são usados para aplicar pressão e eletricidade à peça de trabalho.
Para soldagem por costura, existe um mecanismo de transmissão para movimentar a peça de trabalho. Para soldagem de topo, são necessários acessórios estáticos e dinâmicos e mecanismos de fixação de acessórios, bem como acessórios móveis e mecanismos de perturbação.
3. Direção de desenvolvimento de fontes de energia inversoras
A tendência geral de desenvolvimento de fontes de energia inversoras é de grande capacidade, leveza, alta eficiência, modularização e inteligência, com melhoria na confiabilidade, desempenho e expansão de aplicações como seu núcleo. É cada vez mais utilizado em vários métodos de soldagem a arco, soldagem por resistência, processos de corte, etc.
Eficiência e alta densidade de potência (miniaturização) são os principais objetivos perseguidos pelos inversores internacionais de soldagem a arco. A alta frequência e a redução do consumo de energia dos componentes principais são as principais abordagens técnicas para atingir este objetivo.
Atualmente, em países como Japão, Europa e outras regiões, a tecnologia de inversor de soldagem a arco em torno de 20kHz amadureceu, a qualidade dos produtos é alta e os produtos foram serializados.
Analisando a supressão harmônica da fonte de alimentação da máquina de solda inversora
1. Análise harmônica da fonte de alimentação do inversor de soldagem a arco
1.1 Razões para Geração Harmônica
Desde a primeira fonte de alimentação do inversor de soldagem a arco com tiristor 300A, a fonte de alimentação do inversor de soldagem a arco passou por um desenvolvimento significativo, experimentando inversão de tiristor, inversão de transistor de alta potência, inversão de efeito de campo e inversão IGBT. Sua capacidade e desempenho foram bastante melhorados.
Atualmente, a fonte de alimentação do inversor de soldagem a arco tornou-se o produto principal dos equipamentos de soldagem nos países industrializados.
Como um dispositivo eletrônico de potência típico, embora a fonte de alimentação do inversor de soldagem a arco tenha as vantagens de tamanho pequeno, peso leve e bom desempenho de controle, seu circuito contém links de retificação e inversão, que causam distorção da forma de onda da corrente e geram um grande número de alta ordem harmônicos.
Há uma séria mudança de fase entre os harmônicos de tensão e corrente de alta ordem, o que resulta em um fator de potência muito baixo do soldador. As principais razões para a geração de harmônicos são as seguintes:
(1) Fontes de interferência interna da fonte de alimentação do inversor
A fonte de alimentação do inversor é um sistema que combina correntes fortes e fracas. Durante o processo de soldagem, a corrente de soldagem pode atingir várias centenas ou até milhares de amperes. Como a corrente gera um grande campo eletromagnético, especialmente em sistemas de fonte de alimentação de soldagem com alta frequência de inversão, tubos retificadores, transformadores de alta frequência, oscilações do sistema de controle, ignição de arco de alta frequência e interruptores de tubo de potência produzirão forte interferência harmônica.
Além disso, quando a máquina de solda a arco de tungstênio e argônio usa ignição por arco de alta frequência, ela utiliza uma frequência de até várias centenas de milhares de Hertz e uma alta tensão de vários quilovolts para romper o entreferro e formar um arco, de modo que o arco de alta frequência a ignição também é uma forte fonte de interferência harmônica.
Para fontes de alimentação de inversores de soldagem a arco inteligentes controladas por computadores, à medida que a velocidade de operação do sistema de controle de computador usado aumenta, a própria placa de controle se tornou uma fonte de interferência harmônica e requisitos mais elevados foram colocados na fiação da placa de controle.
(2) Fontes de interferência externa da fonte de alimentação do inversor
A poluição na rede elétrica é uma interferência severa para o sistema de fornecimento de energia porque as cargas aplicadas à rede elétrica variam constantemente, causando mais ou menos interferência harmônica à rede elétrica.
Equipamentos de grande potência podem causar distorção da forma de onda da tensão da rede elétrica, fatores acidentais podem causar interrupções momentâneas de energia e equipamentos de alta frequência podem gerar pulsos de alta frequência e componentes de pulso de pico na forma de onda da tensão da rede elétrica.
Além disso, na oficina de soldagem, devido à possibilidade de interligação entre fios de aterramento de diferentes fontes de alimentação de soldagem durante o uso, se as medidas correspondentes não forem tomadas, sinais harmônicos com componentes de alta frequência podem entrar facilmente no sistema de controle, fazendo com que a fonte de alimentação mau funcionamento ou até mesmo danificá-lo.
1.2 Características e Riscos dos Harmônicos
A fonte de alimentação do inversor de soldagem a arco é conhecida por sua conversão de energia de alta eficiência. Com o desenvolvimento de dispositivos de controle de potência em direções práticas e de grande capacidade, as fontes de alimentação de inversores de soldagem a arco também entrarão em uma era de alta frequência e grande capacidade.
Para a rede elétrica, a fonte de alimentação do inversor de soldagem a arco é essencialmente uma grande fonte de alimentação retificadora. Devido ao aumento e queda acentuados dos pulsos gerados pelos componentes eletrônicos de potência durante a comutação, são causadas sérias interferências harmônicas.
A corrente de entrada da fonte de alimentação do inversor é um tipo de forma de onda de pico, que contém um grande número de harmônicos de alta ordem na rede elétrica.
Há uma séria mudança de fase entre os harmônicos de tensão e corrente de alta ordem, resultando em um fator de potência muito baixo do soldador. A distorção de baixa frequência é atualmente um problema comum em equipamentos eletrônicos de potência, atraindo atenção significativa nas indústrias de comunicações e de eletrodomésticos.
Além disso, atualmente, os soldadores inversores usam principalmente métodos de comutação rígidos, causando inevitavelmente interferência harmônica no espaço durante o processo de comutação do componente de potência.
Essas interferências formam interferência conduzida através do acoplamento de campo próximo e campo distante, poluindo seriamente o ambiente eletromagnético circundante e o ambiente de fornecimento de energia, não apenas reduzindo a confiabilidade do próprio circuito inversor, mas também afetando gravemente a qualidade operacional da rede elétrica e equipamentos adjacentes. .
2. Medidas de supressão harmônica comumente usadas em fontes de alimentação de inversores de soldagem a arco
2.1 Filtros Passivos (PF)
O método tradicional para supressão de harmônicos e compensação de potência reativa é a tecnologia de filtro passivo elétrico, também conhecida como método de filtragem indireta. Este método envolve o uso de capacitores elétricos ou outros dispositivos passivos para construir um filtro passivo com cargas não lineares que necessitam de compensação conectada em paralelo, fornecendo um caminho de baixa impedância para harmônicos enquanto fornece a potência reativa necessária para a carga.
Especificamente, a onda senoidal distorcida de 50 Hz é decomposta na onda fundamental e em vários componentes harmônicos principais relacionados e, em seguida, usando o princípio ressonante em série, cada ramo de filtragem composto por L, C (ou R) é sintonizado (ou sintonização tendenciosa) para vários harmônicos principais. frequências para formar um caminho de baixa impedância e filtrá-las (2-3). Ele defende passivamente e reduz os danos causados por harmônicos aos equipamentos elétricos que já foram gerados.
Os esquemas de filtragem passiva são tecnologias maduras e de baixo custo, mas também apresentam as seguintes desvantagens:
(1) o efeito de filtragem é afetado pela impedância do sistema;
(2) devido à frequência ressonante fixa, apresenta baixa eficácia para casos de desvio de frequência;
(3) pode causar sobrecarga devido à ressonância em série ou paralelo com a impedância do sistema. Em situações de pequena e média potência, os filtros passivos estão sendo gradativamente substituídos por filtros ativos.
2.2 Filtros Ativos (AF)
Já no início da década de 1970, os estudiosos propuseram o princípio básico dos filtros ativos de potência. No entanto, devido à falta de dispositivos de comutação de alta potência e tecnologias de controle correspondentes naquela época, apenas correntes de compensação geradas por amplificadores lineares e outros métodos poderiam ser usadas, que apresentavam fraquezas fatais em baixa eficiência, alto custo e dificuldade em grande escala. capacidade.
Com a melhoria do desempenho do dispositivo de comutação de semicondutores de potência e o desenvolvimento da tecnologia PWM correspondente, tornou-se possível desenvolver um gerador de corrente harmônica de grande capacidade e baixa perda, tornando prática a tecnologia de filtragem ativa.
Quando uma fonte harmônica aparece no sistema, uma corrente de compensação igual em magnitude e oposta em fase à corrente harmônica é gerada por algum método e conectada em paralelo com o circuito tornando-se a fonte harmônica para cancelar o componente harmônico da fonte harmônica , permitindo que a corrente do lado CC contenha apenas a componente fundamental, sem componentes harmônicas.
Quando a corrente harmônica gerada pela fonte harmônica não pode prever qual é a corrente harmônica de ordem superior ou muda a qualquer momento, o sinal de corrente harmônica ih é detectado a partir da corrente de carga il e então modulado pelo modulador e convertido em um modo de comutação controlar a corrente de acordo com um método especificado para operar o inversor de corrente para gerar corrente de compensação ifm e injetá-la no circuito para cancelar a corrente harmônica ih.
O circuito principal do inversor geralmente usa um circuito inversor de ponte completa DC/AC, onde os dispositivos de comutação podem ser GTO, GTR, SIT ou IGBT e outros dispositivos semicondutores de potência controláveis de alta potência para controlar a forma de onda da corrente de saída pelo dispositivo de comutação ligado estado desligado, gerando a corrente de compensação necessária.
Os filtros elétricos ativos são os dispositivos de potência mais promissores para suprimir harmônicos da rede elétrica e compensar a potência reativa, melhorando a qualidade do fornecimento de energia.
Comparados aos filtros passivos elétricos, eles apresentam as seguintes vantagens:
(1) a compensação dinâmica é alcançada, e as mudanças na frequência e magnitude da potência harmônica e reativa podem ser compensadas, com uma resposta muito rápida às mudanças no objeto de compensação;
(2) é possível a compensação simultânea de harmônicos e de potência reativa, com o tamanho da potência reativa compensada continuamente ajustável;
(3) nenhum dispositivo de armazenamento de energia é necessário ao compensar a potência reativa, e a capacidade necessária do dispositivo de armazenamento de energia ao compensar harmônicos não é grande;
(4) mesmo que a corrente compensada seja muito grande, o filtro elétrico ativo não sobrecarregará e poderá funcionar normalmente para compensação;
(5) não é facilmente afetado pela impedância da rede elétrica e não ressoa facilmente com a impedância da rede elétrica;
(6) pode rastrear mudanças na frequência da rede elétrica e o desempenho da compensação não é afetado por mudanças na frequência;
(7) pode compensar um único harmônico e potência reativa ou concentrar-se na compensação de múltiplos harmônicos e potência reativa.
3. Tecnologia de comutação suave
À medida que a tecnologia de eletrônica de potência se desenvolve em direção a alta frequência e alta densidade de potência, a perda de comutação e a interferência harmônica da comutação física tornam-se cada vez mais proeminentes.
A tecnologia de comutação suave é benéfica para qualquer conversor de energia de comutação em termos de melhoria da eficiência de conversão, utilização do dispositivo, aprimoramento da compatibilidade eletromagnética e confiabilidade do dispositivo.
É particularmente necessário em alguns casos especiais (como requisitos de densidade de potência ou condições limitadas de dissipação de calor). Entre os dois tipos de tecnologia de comutação suave, a comutação suave passiva sem dispositivos de comutação adicionais, métodos de detecção e estratégias de controle tem muitas vantagens, como baixo custo adicional, alta confiabilidade, alta eficiência de conversão e alta relação desempenho-preço.
No campo da fabricação de conversores de extremidade única, basicamente estabeleceu uma posição dominante.
Quanto à topologia, o método de indutância em série e capacitância paralela é o único meio de comutação suave passiva, e a chamada tecnologia de comutação suave passiva derivada dele é, na verdade, uma tecnologia de absorção sem perdas.
Em relação aos circuitos inversores de ponte, desde o tipo inicial de absorção de energia até o tipo feedforward parcial proposto posteriormente e soluções sem perdas, todos eles têm problemas como forte dependência de carga, faixa estreita de frequência de trabalho, alto estresse adicional, rede excessivamente complexa, etc., tornando sua praticidade é relativamente pobre.
Ao mesmo tempo, sob a tendência de modularização dos dispositivos de potência chaveada, o espaço disponível para a colocação de elementos absorventes está cada vez menor, e a tecnologia de absorção sem perdas adequada para módulos inversores raramente é vista na literatura.
No geral, a tecnologia de absorção passiva adequada para aplicações de módulos inversores ainda está passando por mais pesquisas e desenvolvimento devido à sua estrutura e dificuldade especiais.
4. Conclusão
As fontes de alimentação do inversor de soldagem a arco geram uma grande quantidade de harmônicos, que podem causar sérios danos.
Para suprimir harmônicos e melhorar o fator de potência, devem ser tomadas medidas de supressão correspondentes. O método tradicional de filtro passivo tem limitações óbvias, o que restringe sua aplicação, enquanto o método de filtro ativo pode compensar as deficiências dos filtros passivos, suprimindo efetivamente harmônicos em fontes de alimentação de inversores de soldagem a arco e tem sido amplamente utilizado. A tecnologia de comutação suave também pode alcançar bons efeitos de filtragem até certo ponto.
