La fuente de energía para soldadura por arco inversor, también conocida como inversor para soldadura por arco, es un nuevo tipo de fuente de energía para soldadura. Este tipo de fuente de alimentación generalmente toma tensión de red CA de frecuencia de red trifásica (50 Hz), la rectifica y filtra a través de un rectificador de entrada, convirtiéndola a CC.
Luego utiliza componentes electrónicos de conmutación de alta potencia (como tiristores SCR, transistores GTO, MOSFET o IGBT) para cambiar el estado del interruptor invirtiéndolo a un voltaje de CA de frecuencia media que oscila entre varios kHz y decenas de kHz, que luego se reduce. mediante un transformador a una tensión adecuada para soldar.
Después de rectificar y filtrar a través de una inductancia, produce una corriente de soldadura CC estable.
1. Fuente de alimentación para soldadura por arco inversor y inversor.
Un dispositivo que convierte CC en CA se llama inversor.
La secuencia de conversión se puede representar simplemente como: Frecuencia de red CA (después de rectificación y filtrado) → CC (después de inversión) → CA de media frecuencia (después de reducción de voltaje, rectificación y filtrado) → CC. Si se expresa en símbolos, es:
CA → CC → CA → CC
Este sistema se usa generalmente porque si la corriente CA invertida y reducida se usa directamente para soldar, la alta frecuencia dará como resultado una gran potencia reactiva en el circuito de soldadura, lo que reducirá en gran medida la potencia activa. Por tanto, la rectificación es nuevamente necesaria.
2. Características de la fuente de alimentación del inversor.
La característica básica de la soldadura por arco inversor es que opera a alta frecuencia, lo que aporta muchas ventajas.
Esto se debe a que el potencial E del transformador, ya sea del devanado primario o secundario, tiene la siguiente relación con la frecuencia f de la corriente, la densidad de flujo magnético B, el área de la sección del núcleo de hierro S y el número de vueltas W del devanado:
E = 4,44fBSW
Y el voltaje terminal del devanado U es aproximadamente igual a E, es decir:
tu ≈ mi = 4,44fBSW
Cuando se determinan U y B, si se aumenta la frecuencia f, S disminuirá y W disminuirá. Por tanto, el peso y el volumen del transformador se pueden reducir considerablemente. Esto hace que el peso y el volumen de toda la máquina sean significativamente menores.
Además, debido al aumento de la frecuencia y otros factores, aporta muchas ventajas en comparación con las fuentes de energía de soldadura por arco tradicionales. Las características principales son las siguientes:
(1) Tamaño pequeño, peso ligero, ahorro de material y fácil transporte y movimiento.
(2) Alta eficiencia y ahorro de energía, con una eficiencia de hasta el 80% al 90%, ahorrando más de un tercio de electricidad en comparación con las máquinas de soldar tradicionales.
(3) Buenas características dinámicas, fácil arranque del arco, arco estable, hermosa formación de soldadura y menos salpicaduras.
(4) Adecuado para combinación con robots para formar un sistema automático de producción de soldadura.
(5) Puede utilizarse para diversos fines, completando diversos procesos de soldadura y corte.
Debido a la serie de ventajas de las fuentes de energía inversoras mencionadas anteriormente, se ha desarrollado rápidamente desde su aparición a fines de la década de 1970. En países industrializados como Estados Unidos y Japón, su ámbito de aplicación es bastante extenso.
Los elementos de conmutación utilizados en las fuentes de alimentación de los inversores ahora incluyen SCR (tiristor), GTR (transistor), MOSFET (transistor de efecto de campo) e IGBT (un tipo de elemento electrónico que combina las ventajas de GTR y MOSFET).
IGBT tiene el potencial de reemplazar otros elementos de conmutación. La máquina de soldadura inversora IGBT es un progreso significativo en la tecnología de soldadura y una nueva tendencia de desarrollo.
El cabezal de la máquina de soldar convierte la potencia de salida de la fuente de energía de soldadura en calor de soldadura y lo alimenta continuamente al material de soldadura mientras el cabezal de la máquina avanza para realizar la soldadura.
Las pinzas de soldadura eléctricas utilizadas en la soldadura por arco manual deben empujarse manualmente hacia abajo y moverse hacia adelante para formar un cordón de soldadura a medida que la varilla de soldadura se derrite. Las máquinas de soldar automáticas tienen mecanismos automáticos de alimentación de alambre y mecanismos de movimiento del cabezal de la máquina para mover el cabezal de la máquina hacia adelante.
Hay dos tipos comúnmente utilizados: tipos de transporte y de suspensión.
Los cabezales de soldadura para soldadura por puntos y soldadura por proyección son electrodos y sus mecanismos de presión, que se utilizan para aplicar presión y electricidad a la pieza de trabajo.
Para la soldadura por costura, existe un mecanismo de transmisión para mover la pieza de trabajo. Para la soldadura a tope, se requieren dispositivos estáticos y dinámicos y mecanismos de sujeción de dispositivos, así como dispositivos móviles y mecanismos de perturbación.
3. Dirección de desarrollo de las fuentes de energía del inversor.
La tendencia general de desarrollo de las fuentes de energía de inversores es la gran capacidad, el peso ligero, la alta eficiencia, la modularización y la inteligencia, con la mejora de la confiabilidad, el rendimiento y la expansión de las aplicaciones como su núcleo. Se utiliza cada vez más en diversos métodos de soldadura por arco, soldadura por resistencia, procesos de corte, etc.
La eficiencia y la alta densidad de potencia (miniaturización) son los principales objetivos que persiguen los inversores para soldadura por arco a nivel internacional. La alta frecuencia y el consumo reducido de energía de los componentes clave son los principales enfoques técnicos para lograr este objetivo.
En la actualidad, en países como Japón, Europa y otras regiones, la tecnología de soldadura por arco inversor de alrededor de 20 kHz ha madurado, la calidad de los productos es alta y los productos se han serializado.
Análisis de la supresión de armónicos en la fuente de alimentación de la máquina de soldar con inversor.
1. Análisis armónico de la fuente de alimentación del inversor de soldadura por arco.
1.1 Razones para la generación de armónicos
Desde la primera fuente de alimentación del inversor de soldadura por arco con tiristores de 300 A, la fuente de alimentación del inversor de soldadura por arco ha experimentado un desarrollo significativo, experimentando inversión de tiristores, inversión de transistores de alta potencia, inversión de efecto de campo e inversión de IGBT. Su capacidad y rendimiento se han mejorado enormemente.
En la actualidad, la fuente de alimentación del inversor para soldadura por arco se ha convertido en el principal producto de los equipos de soldadura en los países industrializados.
Como dispositivo electrónico de potencia típico, aunque la fuente de alimentación del inversor para soldadura por arco tiene las ventajas de un tamaño pequeño, peso liviano y buen rendimiento de control, su circuito contiene enlaces de rectificación e inversión, que causan distorsión de la forma de onda de la corriente y generan una gran cantidad de voltaje alto. armónicos de orden.
Existe un importante cambio de fase entre la tensión de alto orden y los armónicos de corriente, lo que da como resultado un factor de potencia muy bajo del soldador. Las principales razones para la generación de armónicos son las siguientes:
(1) Fuentes de interferencia internas de la fuente de alimentación del inversor.
La fuente de alimentación del inversor es un sistema que combina corrientes fuertes y débiles. Durante el proceso de soldadura, la corriente de soldadura puede alcanzar varios cientos o incluso miles de amperios. Debido a que la corriente genera un gran campo electromagnético, especialmente en sistemas de suministro de energía de soldadura con alta frecuencia de inversión, los tubos rectificadores, los transformadores de alta frecuencia, las oscilaciones del sistema de control, el encendido de arco de alta frecuencia y los interruptores de los tubos de potencia producirán fuertes interferencias armónicas.
Además, cuando la máquina de soldadura por arco de argón y tungsteno utiliza encendido por arco de alta frecuencia, utiliza una frecuencia de hasta varios cientos de miles de hercios y un alto voltaje de varios kilovoltios para romper el espacio de aire y formar un arco, por lo que el arco de alta frecuencia La ignición también es una fuerte fuente de interferencia armónica.
Para las fuentes de alimentación de inversor de soldadura por arco inteligente controladas por computadora, a medida que aumenta la velocidad de operación del sistema de control por computadora utilizado, el tablero de control en sí se ha convertido en una fuente de interferencia armónica y se han impuesto mayores requisitos al cableado del tablero de control.
(2) Fuentes de interferencia externas de la fuente de alimentación del inversor.
La contaminación en la red eléctrica supone una grave interferencia para el sistema de suministro de energía porque las cargas aplicadas a la red eléctrica varían constantemente provocando interferencias más o menos armónicas en la red eléctrica.
Los equipos de gran potencia pueden causar distorsión de la forma de onda del voltaje de la red, los factores accidentales pueden causar cortes de energía momentáneos y los equipos de alta frecuencia pueden generar pulsos de alta frecuencia y componentes de pulso máximo en la forma de onda del voltaje de la red eléctrica.
Además, en el taller de soldadura, debido a la posibilidad de interconexión entre cables de tierra de diferentes fuentes de energía de soldadura durante el uso, si no se toman las medidas correspondientes, las señales armónicas con componentes de alta frecuencia pueden ingresar fácilmente al sistema de control, causando que el suministro de energía funcionar mal o incluso dañarlo.
1.2 Características y riesgos de los armónicos
La fuente de alimentación del inversor para soldadura por arco es conocida por su conversión de energía de alta eficiencia. Con el desarrollo de dispositivos de control de potencia en direcciones prácticas y de gran capacidad, las fuentes de alimentación inversoras para soldadura por arco también entrarán en una era de alta frecuencia y gran capacidad.
Para la red eléctrica, la fuente de alimentación del inversor de soldadura por arco es esencialmente una fuente de alimentación de rectificador grande. Debido al fuerte aumento y caída de los pulsos generados por los componentes electrónicos de potencia durante la conmutación, se producen graves interferencias armónicas.
La corriente de entrada de la fuente de alimentación del inversor es un tipo de forma de onda máxima que contiene una gran cantidad de armónicos de alto orden en la red eléctrica.
Existe un importante cambio de fase entre la tensión de alto orden y los armónicos de corriente, lo que da como resultado un factor de potencia muy bajo del soldador. La distorsión de baja frecuencia es actualmente un problema común en los equipos electrónicos de potencia y atrae una gran atención en las industrias de comunicaciones y electrodomésticos.
Además, en la actualidad, los soldadores inversores utilizan principalmente métodos de conmutación rígidos, lo que inevitablemente provoca interferencias armónicas en el espacio durante el proceso de conmutación de los componentes de potencia.
Estas interferencias forman interferencias conducidas a través del acoplamiento de campo cercano y campo lejano, contaminando gravemente el entorno electromagnético circundante y el entorno de suministro de energía, no solo reduciendo la confiabilidad del circuito inversor en sí, sino también afectando seriamente la calidad operativa de la red eléctrica y sus alrededores. equipo. .
2. Medidas de supresión de armónicos comúnmente utilizadas en fuentes de alimentación de inversor de soldadura por arco.
2.1 Filtros Pasivos (PF)
El método tradicional para la supresión de armónicos y la compensación de potencia reactiva es la tecnología de filtrado pasivo eléctrico, también conocida como método de filtrado indirecto. Este método implica el uso de condensadores eléctricos u otros dispositivos pasivos para construir un filtro pasivo con cargas no lineales que requieren compensación conectadas en paralelo, proporcionando una ruta de baja impedancia para los armónicos y al mismo tiempo proporciona la potencia reactiva que necesita la carga.
Específicamente, la onda sinusoidal distorsionada de 50 Hz se descompone en la onda fundamental y varios componentes armónicos principales relacionados, y luego, utilizando el principio de resonancia en serie, cada rama de filtrado que consta de L, C (o R) se sintoniza (o sintonización polarizada) para varios armónicos principales. frecuencias para formar un camino de baja impedancia y filtrarlas (2-3). Defiende pasivamente y reduce el daño armónico a los equipos eléctricos que ya se han generado.
Los esquemas de filtrado pasivo son tecnologías maduras y de bajo costo, pero también tienen las siguientes desventajas:
(1) el efecto de filtrado se ve afectado por la impedancia del sistema;
(2) debido a la frecuencia de resonancia fija, tiene baja efectividad en casos de desviación de frecuencia;
(3) puede causar sobrecarga debido a resonancia en serie o paralelo con la impedancia del sistema. En situaciones de pequeña y media potencia, los filtros pasivos están siendo sustituidos paulatinamente por filtros activos.
2.2 Filtros Activos (AF)
Ya a principios de la década de 1970, los estudiosos propusieron el principio básico de los filtros de potencia activos. Sin embargo, debido a la falta de dispositivos de conmutación de alta potencia y las tecnologías de control correspondientes en ese momento, solo se podían usar corrientes de compensación generadas por amplificadores lineales y otros métodos, que tenían debilidades fatales en cuanto a baja eficiencia, alto costo y dificultad a gran escala. . capacidad.
Con la mejora del rendimiento del dispositivo de conmutación de semiconductores de potencia y el desarrollo de la correspondiente tecnología PWM, se ha hecho posible desarrollar un generador de corriente armónica de baja pérdida y gran capacidad, haciendo práctica la tecnología de filtrado activo.
Cuando aparece una fuente armónica en el sistema, algún método genera una corriente de compensación igual en magnitud y opuesta en fase a la corriente armónica y se conecta en paralelo con el circuito convirtiéndose en la fuente armónica para cancelar el componente armónico de la fuente armónica. permitiendo que la corriente del lado CC contenga sólo la componente fundamental, sin componentes armónicos.
Cuando la corriente armónica generada por la fuente de armónicos no puede predecir cuál es la corriente armónica de orden superior o cambia en cualquier momento, la señal de corriente armónica ih se detecta a partir de la corriente de carga il y luego el modulador la modula y la convierte en una corriente de control de conmutación de modo. de acuerdo con un método específico para operar el inversor de corriente para generar corriente de compensación ifm e inyectarla en el circuito para cancelar la corriente armónica ih.
El circuito principal del inversor generalmente utiliza un circuito inversor de puente completo CC/CA, donde los dispositivos de conmutación pueden ser GTO, GTR, SIT o IGBT y otros dispositivos semiconductores de potencia controlables de alta potencia para controlar la forma de onda de la corriente de salida del inversor. por el dispositivo de conmutación en estado apagado, generando la corriente de compensación requerida.
Los filtros eléctricos activos son los dispositivos de energía más prometedores para suprimir los armónicos de la red y compensar la potencia reactiva, mejorando la calidad del suministro de energía.
En comparación con los filtros pasivos eléctricos, tienen las siguientes ventajas:
(1) se logra una compensación dinámica y se pueden compensar los cambios en la frecuencia y magnitud de la potencia armónica y reactiva, con una respuesta muy rápida a los cambios en el objeto de compensación;
(2) es posible la compensación simultánea de armónicos y potencia reactiva, siendo el tamaño de la potencia reactiva compensada ajustable continuamente;
(3) no se necesita ningún dispositivo de almacenamiento de energía cuando se compensa potencia reactiva, y la capacidad requerida del dispositivo de almacenamiento de energía cuando se compensan armónicos no es grande;
(4) incluso si la corriente compensada es muy grande, el filtro eléctrico activo no se sobrecargará y puede funcionar normalmente para compensación;
(5) no se ve fácilmente afectado por la impedancia de la red y no resuena fácilmente con la impedancia de la red;
(6) puede rastrear los cambios en la frecuencia de la red eléctrica y el rendimiento de la compensación no se ve afectado por los cambios en la frecuencia;
(7) puede compensar un solo armónico y la potencia reactiva o centrarse en compensar múltiples armónicos y la potencia reactiva.
3. Tecnología de conmutación suave
A medida que la tecnología de la electrónica de potencia se desarrolla hacia alta frecuencia y alta densidad de potencia, las pérdidas de conmutación y la interferencia armónica de la conmutación física se vuelven cada vez más prominentes.
La tecnología de conmutación suave es beneficiosa para cualquier convertidor de potencia de conmutación en términos de mejorar la eficiencia de conversión, la utilización del dispositivo, la compatibilidad electromagnética y la confiabilidad del dispositivo.
Es particularmente necesario en algunos casos especiales (como requisitos de densidad de potencia o condiciones limitadas de disipación de calor). Entre los dos tipos de tecnología de conmutación suave, la conmutación suave pasiva sin dispositivos de conmutación adicionales, métodos de detección y estrategias de control tiene muchas ventajas, como bajo costo adicional, alta confiabilidad, alta eficiencia de conversión y alta relación rendimiento-precio.
En el campo de la fabricación de convertidores de un solo extremo, básicamente ha establecido una posición dominante.
En cuanto a la topología, el método de inductancia en serie y capacitancia en paralelo es el único medio de conmutación suave pasiva, y la llamada tecnología de conmutación suave pasiva derivada de él es en realidad una tecnología de absorción sin pérdidas.
En cuanto a los circuitos inversores en puente, desde el tipo de absorción de potencia inicial hasta el tipo de avance parcial propuesto posteriormente y las soluciones sin pérdidas, todos tienen problemas como una fuerte dependencia de la carga, un rango de frecuencia de trabajo estrecho, una tensión adicional elevada, una red excesivamente compleja, etc., lo que hace que su la practicidad es relativamente pobre.
Al mismo tiempo, bajo la tendencia de modularización de los dispositivos de potencia conmutados, el espacio disponible para colocar elementos absorbentes es cada vez más pequeño, y la tecnología de absorción sin pérdidas adecuada para módulos inversores rara vez se ve en la literatura.
En general, la tecnología de absorción pasiva adecuada para aplicaciones de módulos inversores aún está siendo objeto de más investigación y desarrollo debido a su estructura y dificultad especiales.
4. Conclusión
Las fuentes de alimentación inverter para soldadura por arco generan una gran cantidad de armónicos, que pueden causar daños graves.
Para suprimir armónicos y mejorar el factor de potencia, se deben tomar las medidas de supresión correspondientes. El método de filtro pasivo tradicional tiene limitaciones obvias, lo que restringe su aplicación, mientras que el método de filtro activo puede compensar las deficiencias de los filtros pasivos, suprimiendo eficazmente los armónicos en las fuentes de alimentación del inversor de soldadura por arco y ha sido ampliamente utilizado. La tecnología de conmutación suave también puede lograr buenos efectos de filtrado hasta cierto punto.
