La guía definitiva para inversores de soldadura por arco

Descripción general del inversor de soldadura por arco

La definición de un inversor de soldadura por arco :

La transformación entre corriente continua (DC) y corriente alterna (AC) se llama inversión. El dispositivo que realiza esta transformación se llama inversor. Un inversor que suministra energía eléctrica a los arcos de soldadura y tiene el rendimiento eléctrico requerido para los procesos de soldadura por arco se denomina inversor de soldadura por arco.

La naturaleza especial del inversor de soldadura por arco:

El objetivo de la fuente de alimentación de soldadura es una carga de arco especial, especialmente para la soldadura por arco de transición de cortocircuito, que requiere que el inversor soporte la intensa carga dinámica que cambia constantemente. Las condiciones de trabajo son muy complejas.

Componentes principales y sus funciones de los inversores de soldadura por arco.

Los componentes principales incluyen el sistema de suministro de energía, el sistema electrónico de potencia, el sistema de control electrónico, el circuito de retroalimentación, ciertos circuitos y el arco de soldadura.

En el diagrama se puede ver que los componentes principales y sus funciones del inversor de soldadura por arco son los siguientes:

Circuito inversor principal: Compuesto por el sistema de alimentación, sistema electrónico de potencia y arco de soldadura, es responsable de la transmisión y conversión de la energía eléctrica.

Sistema de control electrónico: Proporciona suficientes señales de pulso de conmutación al sistema electrónico de potencia (circuito principal del inversor) de acuerdo con la ley de variación requerida por el arco, impulsando el funcionamiento del circuito principal del inversor.

Retroalimentación y sistema proporcionado: Consta de circuito de detección (M), circuito dado (G), circuito de comparación y amplificación (N), etc. Junto con el sistema de control electrónico, realiza el control de circuito cerrado del inversor de soldadura por arco y permite obtener las características externas y dinámicas requeridas.

Conceptos básicos del inversor de soldadura por arco

El principio básico de los inversores de soldadura por arco se puede resumir en el diagrama de bloques que se muestra en la Figura 1.

En el sistema de potencia, la tensión de red CA monofásica (o trifásica) de 50Hz o 60Hz de 220V (o trifásica 380V) es rectificada y filtrada por el rectificador de entrada (UR1) y filtro (LC1), obteniendo una Tensión CC suave de aproximadamente 310 V (o aproximadamente 520 V para rectificación trifásica), requerida por el circuito principal del inversor.

Luego, el voltaje de CC se convierte en voltaje de CA de alta frecuencia que oscila entre varios kilohercios y doscientos kilohercios mediante la acción de conmutación alterna de dispositivos de conmutación electrónicos de alta potencia (como tiristores, transistores, transistores de efecto de campo o IGBT) en el circuito inversor principal. . Q del sistema electrónico de potencia.

Después de eso, el voltaje se reduce a decenas de voltios adecuados para soldar a través del transformador de alta (media) frecuencia (T), y luego las características externas y dinámicas requeridas por el proceso de soldadura por arco se obtienen a través del circuito de control y la retroalimentación y determinado circuito (M, G, N, etc.) del sistema de control electrónico, así como la impedancia del circuito de soldadura.

Si se requiere corriente continua para soldar, la CA de alta (media) frecuencia se convierte en salida de CC mediante el rectificador de salida U y el filtro de inductancia L2 y el condensador C2.

El proceso de rectificación de los inversores de soldadura por arco se puede describir simplemente de la siguiente manera: entrada de CA → rectificación a CC → conversión de CA de alta/media frecuencia → reducción de voltaje → salida de CA → rectificación a CC nuevamente.

Hay tres tipos de estructuras de inversores que se pueden utilizar en inversores de soldadura por arco:

• CA-CC-CA
• CA-CC-CA-CC
• AC-DC-AC-DC-AC (CA de onda cuadrada).

Características de salida eléctrica de los inversores de soldadura por arco.

Para cumplir con los requisitos del proceso de soldadura por arco, las características de salida eléctrica (rendimiento) de los inversores de soldadura por arco deben tener la adaptabilidad correspondiente. Las características de salida eléctrica incluyen principalmente características externas, rendimiento de regulación y características dinámicas.

1. Características externas de los inversores de soldadura por arco.

Los inversores de soldadura por arco utilizan sistemas de control electrónico y retroalimentación de voltaje-corriente para realizar un control de circuito cerrado del sistema electrónico de potencia (inversor), con el fin de obtener diferentes formas de curvas características externas.

Basado en el principio básico del diagrama de bloques del inversor de soldadura por arco (Figura 1), el sistema de control de circuito cerrado del inversor de soldadura por arco se puede describir utilizando diagramas de bloques y ecuaciones como se muestra en la Figura 2.

La relación de equilibrio del sistema de control de circuito cerrado se establece de la siguiente manera: el voltaje del arco ( _Uf ) se retroalimenta negativamente al diagrama y el voltaje de salida se muestrea (generalmente mediante un divisor de voltaje) para obtener una cantidad de retroalimentación ( mU _f ) proporcional a él. La corriente del arco (I _f ) también se retroalimenta negativamente y la corriente de salida se muestrea (generalmente mediante una derivación o un elemento Hall) para obtener una cantidad de retroalimentación (nI _f ) proporcional a ella. Las cantidades de retroalimentación mU _f e _If se comparan y amplifican con el valor establecido de la tensión del arco (U _cara ) y el valor establecido de la corriente del arco (U _soldado ) respectivamente, lo que da como resultado K1(U _cara -mU _f ) y Salidas K2(U _soldadas -n). Finalmente, el voltaje de control ( _Uk ) se obtiene mediante síntesis y amplificación y luego se inserta en el circuito de control para activar el funcionamiento del sistema electrónico de potencia (inversor).

Obtención de las características de voltaje constante, corriente constante y caída suave:

1 – Característica de voltaje constante
2 – Característica de corriente constante
3 – Característica de caída suave
4 – Corriente constante con característica de arrastre externo.

2. Desempeño regulatorio del inversor de soldadura por arco.

Del principio de la curva característica externa del inversor de soldadura por arco, se puede inferir que para un cierto valor de voltaje de la característica de voltaje constante, se determina el tamaño del voltaje del arco de salida. En otras palabras, si el voltaje dado es alto, el voltaje del arco también será alto y viceversa. Por ejemplo, si Ugu1 < Ugu2, la curva característica externa se mueve de la curva 1 a la curva 2, como se muestra en la Figura 4a, y el punto de funcionamiento estable se mueve de A1 a A2.

Para la característica de corriente constante, el tamaño del valor de voltaje para una corriente dada determina el tamaño de la corriente de soldadura de salida. En otras palabras, si el Ugi es grande, la corriente de soldadura de salida también será grande y viceversa. Por ejemplo, si Ugi1 < Ugi2, la curva característica exterior se mueve de la curva 1 a la curva 2, como se muestra en la Figura 6-4b, y el punto de operación estable se mueve de AI a A2.

Generalmente, los diferentes tipos de inversores de soldadura por arco adoptan diferentes sistemas de regulación para lograr el control de las características externas y el ajuste de los parámetros del proceso para cumplir con los diferentes requisitos del proceso de soldadura. Presentaremos los principios de funcionamiento de los diferentes tipos de inversores de soldadura por arco uno por uno.

3. Características dinámicas de los inversores de soldadura por arco.

Cuando se utilizan inversores para soldadura por arco en procesos de soldadura por arco con transiciones de cortocircuito que involucran gotas fundidas, se deben imponer requisitos estrictos a sus características dinámicas. El principal parámetro que afecta la transición de cortocircuito de la soldadura MAG/CO2 es la tasa de aumento de la corriente de cortocircuito (di _SD /dt), que está directamente relacionada con la constante de tiempo T (T=L'/R _f , donde L' es la inductancia equivalente del circuito de soldadura y Rf es la resistencia del arco). R _f varía con la corriente de soldadura y no se puede cambiar arbitrariamente, mientras que L' se puede cambiar agregando inductores al circuito de soldadura. Además, el di _SD /dt se puede cambiar ajustando la constante de tiempo del sistema de circuito cerrado.

Generalmente existen dos formas de mejorar y controlar las características dinámicas de los inversores de soldadura por arco:

• Agregar inductores al circuito de soldadura. Por lo general, los inductores se agregan no solo para mejorar las características dinámicas sino también con fines de filtrado.
• Diseñe inversores electrónicos de soldadura por arco inductor, que utilizan circuitos electrónicos en lugar de inductores de núcleo de hierro para controlar el di _SD /dt, demostrando así su rendimiento de control superior.

4. Características externas, características de ajuste y modo de control de los pulsos de salida.

Normalmente, los inversores de soldadura por arco utilizan tres modos de control de sintonización para controlar las características externas, las características de sintonización (sintonización de parámetros de proceso) y formar formas de onda de pulso de salida:

• Modulación de frecuencia de ancho de pulso fijo: el ancho de voltaje del pulso permanece sin cambios, y la forma de la curva característica externa, las características de sintonización (ajuste de los parámetros del proceso) y la forma de onda del pulso de salida se forman cambiando la frecuencia de conmutación del inversor.
• Modulación de ancho de pulso de frecuencia fija: la frecuencia del voltaje del pulso permanece sin cambios, y la forma de la curva característica externa, las características de sintonización (ajuste de parámetros del proceso) y la forma de onda del pulso de salida se forman cambiando el ciclo de trabajo (relación de ancho de pulso) del inversor. pulso de conmutación.
• Sintonización híbrida: para la sintonización se utiliza una combinación de modulación de frecuencia de ancho de pulso fijo y modulación de ancho de pulso de frecuencia fija.

Forma básica del circuito principal de un inversor de soldadura por arco.

En la Figura 6 se muestran varias formas básicas comúnmente utilizadas de circuitos principales de inversores.

a) Tipo directo de un solo extremo
b) Tipo medio puente
c) Tipo de puente completo
d) Tipo paralelo.

Circuito principal inversor directo de un solo extremo:

Como se muestra en la Figura 6a, los transistores de conmutación de potencia (representados por símbolos de interruptor electrónico) V1 y V2 se encienden y apagan periódicamente a una frecuencia intermedia, invirtiendo así el voltaje de CC de entrada en un voltaje de frecuencia intermedia intermitente. Luego, el transformador de frecuencia intermedia T reduce el voltaje, lo rectifica mediante el diodo rápido VD1, lo filtra el inductor y lo envía como voltaje de CC al arco. Los dos transistores de conmutación soportan simultáneamente el voltaje de entrada, lo que requiere una resistencia de voltaje relativamente baja, lo que los hace adecuados para inversores de potencia medianos y pequeños.

Circuito principal del inversor de medio puente:

Como se muestra en la Figura 6b, el voltaje de CC de entrada se divide en partes iguales entre dos conjuntos de condensadores electrolíticos. Los dos transistores de conmutación de potencia V1 y V2 se encienden y apagan alternativamente para formar una tensión CA de forma de onda rectangular.

Después de ser reducida por T, la rectificación de onda completa por VD1 y VD2 produce una salida de CC. VD1 y VD2 deben ser diodos rápidos capaces de soportar el doble de la amplitud del voltaje de salida. V1 y V2 solo admiten 1Ud/2 y tienen requisitos de resistencia de voltaje relativamente bajos.

Circuito principal del inversor de puente completo:

Como se muestra en la Figura 6c, dos pares de transistores de conmutación de potencia V1, V4 y V2, V3 en brazos de puente opuestos se encienden y apagan periódicamente a una frecuencia intermedia. El resto de la operación es igual que el medio puente. Los transistores de conmutación de potencia también solo admiten un voltaje determinado, lo que los hace adecuados para requisitos de soldadura de potencia media a alta.

Circuito principal del inversor en paralelo:

Como se muestra en la Figura 6d, este tipo de circuito principal también se conoce como circuito principal del inversor push-pull. Los transistores de conmutación de potencia V1 y V2 se encienden y apagan periódicamente a una frecuencia intermedia.

Después de ser reducidos por T, VD1 y VD2 realizan una rectificación de onda completa para generar voltaje de CC. Los transistores de conmutación soportan más del doble de voltaje, lo que requiere una resistencia de alto voltaje. Generalmente, sólo se utiliza en inversores de tipo tiristor.

Circuito de control y accionamiento del inversor de soldadura por arco

El sistema de control electrónico de un inversor de soldadura por arco en realidad incluye circuitos de control electrónicos y circuitos de accionamiento. Son otro componente importante para lograr el rendimiento eléctrico del inversor de soldadura por arco. Por tanto, es necesario tener un conocimiento profundo de los requisitos funcionales de estos circuitos y cómo satisfacerlos mejor.

1. Requisitos funcionales básicos para circuitos de control electrónico.

La función de los circuitos de control electrónico es proporcionar un par de trenes de pulsos rectangulares (excluidos los inversores de tiristores) con bordes de entrada y salida pronunciados, una diferencia de fase de 180°, simetría y ancho variable o cambio de fase al circuito de soldadura por arco. inversor.

Para algunos inversores, como los de medio puente y de puente completo, los trenes de impulsos deben estar aislados entre sí. Para un inversor de un solo extremo, sólo se requiere un conjunto de pulsos.

El objetivo de diseño se logra a través de la relación entre la presencia o ausencia de voltajes de pulso emparejados, pulsos estrechos y anchos, la cantidad de cambio en el ancho del pulso o cambio en la frecuencia o fase del pulso, así como la relación entre el ancho básico del pulso. , el ancho de pulso mínimo y la velocidad a la que el ancho de pulso aumenta desde el ancho mínimo al ancho nominal, y la relación entre la frecuencia de pulso mínima y nominal.

Más concretamente, el circuito de control debe tener las siguientes funciones básicas:

• El circuito de accionamiento proporciona un tren de impulsos con bordes de ataque y salida pronunciados, una diferencia de fase de 180° y simetría. Dependiendo del tipo de inversor y del sistema de sintonización, el ancho del pulso puede ser variable o la frecuencia puede ser ajustable.
• El circuito debe tener ganancia suficiente para permitir que el voltaje y la corriente de salida del inversor de soldadura por arco alcancen la precisión especificada dentro del rango permitido de cambios en el voltaje de la red de entrada y la corriente de carga.
• Obtenga el voltaje de salida especificado y el rango de regulación de corriente.
• Implementar arranque suave para voltaje de entrada y salida.
• Debe ser capaz de generar el rendimiento eléctrico (características externas, características de sintonización, características dinámicas y forma de onda) requerido por el proceso de soldadura por arco.
• Cuando la potencia de carga (incluido el voltaje y la corriente del arco) excede el valor nominal, la potencia de salida debe limitarse automáticamente o se debe cortar la fuente de alimentación del circuito principal.
• El circuito de control debe poder lograr aislamiento eléctrico y aislamiento entre la salida y la entrada de retroalimentación en casos generales.
• Encienda y apague la fuente de alimentación del circuito principal y la fuente de alimentación del circuito de control en la secuencia diseñada.
• En soldadura robotizada, semiautomática y automática, el operador debe operar el inversor a través de una caja de control remoto, manteniendo una distancia segura del inversor de soldadura por arco.
• Debe haber interfaces eléctricas fuertes y débiles conectadas a dispositivos periféricos.

Otras funciones:

• Para circuitos principales de inversores puente o push-pull, el circuito de control debe tener la capacidad de equilibrarse automáticamente cuando existe asimetría en dos medios ciclos.
• Monitoreo de temperatura (monitoreo de temperatura de componentes clave como tubos de conmutación de alta potencia y transformadores de alta frecuencia).
• Cuando sea necesario, también se deben considerar advertencias e indicaciones de estados de limitación de corriente, sobrecarga y pérdida de fase.

2. Requisitos funcionales básicos para circuitos de accionamiento.

Las señales de control de impulsos suministradas por el circuito de control deben tener suficiente potencia. Sin embargo, debido a los diferentes tipos, modelos y capacidades de los tubos de conmutación, los requisitos de potencia para las señales de impulsos del inversor también difieren.

Los diferentes tipos de circuitos principales del inversor también tienen diferentes requisitos de aislamiento para las señales de impulsos del inversor.

Por ejemplo, en los circuitos principales de inversores de puente completo y medio puente, los tubos de conmutación ubicados en potenciales altos y bajos requieren un aislamiento confiable de las señales de pulso del inversor.

Los circuitos de accionamiento para inversores basados ​​en tiristores y transistores tienen diferentes características y requisitos.

Requisitos para el circuito de accionamiento de inversores basados ​​en tiristores:

• La señal del pulso de disparo debe tener suficiente potencia (voltaje y corriente).
• La señal del impulso de disparo debe ser lo suficientemente amplia para garantizar una conducción fiable del tiristor.
• La forma de onda del pulso de disparo debería facilitar la conducción del tiristor. En un circuito paralelo de tiristores de alta corriente, los componentes paralelos deben conducir simultáneamente, permitiendo que el tubo de conmutación funcione dentro del rango permitido.
• Se debe garantizar que el tiristor pueda desconectarse de forma fiable en caso necesario.

Requisitos para el circuito de accionamiento de inversores basados ​​en transistores:

La función del circuito excitador para inversores basados ​​en transistores es amplificar la salida de pulsos del circuito de control a un nivel suficiente para excitar los tubos de conmutación de alto voltaje. La amplitud y la forma de onda del pulso de disparo suministrado están relacionadas con las características operativas del transistor, como la caída de voltaje de saturación, el tiempo de almacenamiento, la tasa de aumento y caída del voltaje y la corriente del colector o emisor en el momento de la apertura y el cierre, que directamente afectan su pérdida y generación de calor.

El circuito de accionamiento es uno de los principales factores que determinan el rendimiento de los inversores PWM.

Características, clasificación y aplicaciones de los inversores de soldadura por arco.

Características de los inversores de soldadura por arco:

Em comparação com as fontes de energia de soldagem a arco tradicionais que usam uma frequência de 50 Hz ou 60 Hz para transmitir energia e alterar parâmetros elétricos, os inversores de soldagem a arco aumentam a frequência para vários milhares a duzentos mil Hz para transmissão e conversão de energía.

Este aumento en la frecuencia proporciona a los inversores de soldadura por arco características excepcionales en términos de estructura y rendimiento, que incluyen alta eficiencia y ahorro de energía, diseño liviano y que ahorra material, respuesta dinámica rápida y excelente rendimiento del proceso eléctrico y de soldadura.

Específicamente, en comparación con las fuentes de energía de soldadura por arco tradicionales, como los transformadores de soldadura por arco, los generadores de soldadura por arco de CC, los rectificadores de soldadura por arco de silicio y los rectificadores de soldadura por arco de tiristores, los inversores de soldadura por arco tienen las siguientes características y ventajas importantes:

• Alta eficiencia y ahorro de energía: con una tasa de eficiencia del 80% al 92%, los inversores de soldadura por arco pueden ahorrar entre un 20% y un 35% de energía (varía según el tamaño de la carga) y, por lo general, tienen un consumo mínimo de energía sin carga. sólo unas pocas decenas a unos cientos de vatios, lo que representa sólo una pequeña fracción de las fuentes de energía tradicionales para la soldadura por arco.
• Diseño liviano y compacto: el peso del transformador de media frecuencia es solo una pequeña fracción del de la fuente de energía de soldadura por arco tradicional, generalmente de 1/10 a 1/3, y su volumen es de solo 1/5 a 1/3, lo que hace Es muy conveniente moverse.
• Excelente rendimiento eléctrico.
• Excelente rendimiento del proceso de soldadura.

Clasificación de inversores de soldadura por arco:

Los inversores para soldadura por arco se pueden clasificar de diferentes formas:

1. Según los diferentes dispositivos de conmutación de alta potencia utilizados, los tipos comunes incluyen:

• Inversores de soldadura por arco con tiristores (SCR)
• Inversores de soldadura por arco transistorizado (GTR)
• Inversores de soldadura por arco con transistores de efecto de campo (MOSFET)
• Inversores de soldadura por arco con transistor bipolar de puerta aislada (IGBT)
• Otros tipos, como los inversores de soldadura por arco IGH, GTO, SITH, MCT y MGT, han surgido con la llegada de nuevos dispositivos de conmutación de potencia.

2. Según los diferentes tipos de corriente de salida, se pueden clasificar en:

• Inversores de soldadura por arco CC
• Inversores de soldadura por arco pulsado
  • Inversores de soldadura por arco pulsado de baja frecuencia
  • Inversores de soldadura por arco pulsado de media frecuencia
  • Inversores de soldadura por arco pulsado de alta frecuencia
• Inversores de soldadura por arco de CA de onda rectangular

3. Según los diferentes formatos de características de salida, se pueden clasificar en:

• Inversores de soldadura por arco de corriente constante
• Inversores de soldadura por arco de voltaje constante
• Inversores de soldadura por arco con característica de descenso lento (incluida corriente constante más resistencia externa)
• Inversores de soldadura por arco multifunción.

Aplicaciones del inversor de soldadura por arco:

Debido a su excelente rendimiento eléctrico, buen rendimiento de control, capacidad de obtener diversas formas características de salida, diferentes tipos de voltaje de arco y formas de onda de corriente (CC, pulso, onda rectangular de CA) y excelentes características dinámicas, las máquinas de soldadura por arco con inversor pueden producir corrientes de soldadura de hasta 1000A o más.

Por lo tanto, casi puede reemplazar todas las fuentes de energía de soldadura por arco existentes y usarse para diversos métodos de soldadura por arco, como soldadura por arco metálico manual, soldadura TIG, soldadura con alambre con núcleo fundente/MAG/C02/MIG, soldadura y corte por arco de plasma, arco sumergido automático. soldadura, soldadura robotizada y otros.

Puede soldar diversos materiales metálicos y aleaciones, especialmente en aplicaciones con espacio de trabajo limitado, operaciones a gran altitud o donde hay falta de suministro eléctrico y se necesitan máquinas de soldadura móviles.