O guia definitivo para inversores de soldagem a arco

Visão geral do inversor de soldagem a arco

A definição de um inversor de soldagem a arco:

A transformação entre corrente contínua (CC) e corrente alternada (CA) é chamada de inversão. O dispositivo que realiza essa transformação é denominado inversor. Um inversor que fornece energia elétrica para arcos de soldagem e possui o desempenho elétrico necessário para processos de soldagem a arco é chamado de inversor de soldagem a arco.

A natureza especial do inversor de soldagem a arco:

O objeto da fonte de alimentação para soldagem é uma carga de arco especial, especialmente para soldagem a arco com transição de curto-circuito, que exige que o inversor suporte a intensa carga dinâmica que está em constante mudança. As condições de trabalho são muito complexas.

Principais componentes e suas funções dos inversores de soldagem a arco

Os principais componentes incluem o sistema de fonte de alimentação, sistema eletrônico de energia, sistema de controle eletrônico, circuito de feedback, determinado circuito e arco de soldagem.

A partir do diagrama, pode-se observar que os principais componentes e suas funções do inversor de soldagem a arco são os seguintes:

Circuito principal do inversor: Composto pelo sistema de alimentação, sistema eletrônico de potência e arco de soldagem, é responsável pela transmissão e conversão de energia elétrica.

Sistema de controle eletrônico: Fornece sinais de pulso de chaveamento suficientes para o sistema eletrônico de potência (circuito principal do inversor) de acordo com a lei de variação exigida pelo arco, acionando a operação do circuito principal do inversor.

Feedback e sistema fornecido: Consiste em circuito de detecção (M), circuito dado (G), circuito de comparação e amplificação (N), etc. Juntamente com o sistema de controle eletrônico, realiza o controle de malha fechada do inversor de soldagem a arco e permite obter as características externas e dinâmicas exigidas.

Princípios Básicos de Inversores de Soldagem a Arco

O princípio básico dos inversores de soldagem a arco pode ser resumido no diagrama de blocos mostrado na Figura 1.

No sistema de alimentação, a tensão de rede CA monofásica (ou trifásica) de 50Hz ou 60Hz de 220V (ou trifásica 380V) é retificada e filtrada pelo retificador de entrada (UR1) e filtro (LC1), obtendo-se uma suave Tensão CC de cerca de 310 V (ou cerca de 520 V para retificação trifásica), exigida pelo circuito principal do inversor.

A tensão CC é então convertida em tensão CA de alta frequência variando de vários quilohertz a duzentos quilohertz pela ação de comutação alternada dos dispositivos eletrônicos de comutação de alta potência (como tiristores, transistores, transistores de efeito de campo ou IGBT) no inversor principal circuito Q do sistema eletrônico de potência.

Depois disso, a tensão é reduzida para dezenas de volts adequados para soldagem através do transformador de alta (média) frequência (T), e então as características externas e dinâmicas exigidas pelo processo de soldagem a arco são obtidas através do circuito de acionamento de controle e do feedback e determinado circuito (M, G, N, etc.) do sistema de controle eletrônico, bem como a impedância do circuito de soldagem.

Se for necessária corrente contínua para soldagem, a CA de alta (média) frequência é convertida em saída CC pelo retificador de saída U e pelo filtro da indutância L2 e do capacitor C2.

O processo de retificação de inversores de soldagem a arco pode ser descrito simplesmente da seguinte forma: Entrada CA → retificação para CC → conversão CA de alta/média frequência → redução de tensão → saída CA → retificação para CC novamente.

Existem três tipos de estruturas de inversor que podem ser usadas em inversores de soldagem a arco:

• CA-CC-CA
• CA-CC-CA-CC
• AC-DC-AC-DC-AC (onda quadrada AC).

Características de saída elétrica de inversores de soldagem a arco

Para atender aos requisitos do processo de soldagem a arco, as características de saída elétrica (desempenho) dos inversores de soldagem a arco devem ter adaptabilidade correspondente. As características de saída elétrica incluem principalmente características externas, desempenho de regulação e características dinâmicas.

1. Características externas dos inversores de soldagem a arco

Os inversores de soldagem a arco utilizam sistemas de controle eletrônico e realimentação de tensão-corrente para realizar o controle em malha fechada do sistema eletrônico de potência (inversor), a fim de obter diferentes formatos de curvas características externas.

Com base no princípio básico do diagrama de blocos do inversor de soldagem a arco (Figura 1), o sistema de controle de malha fechada do inversor de soldagem a arco pode ser descrito usando diagramas de blocos e equações, conforme mostrado na Figura 2.

A relação de equilíbrio do sistema de controle de malha fechada é estabelecida da seguinte forma: A tensão do arco (U_f) é realimentado negativamente no diagrama, e a tensão de saída é amostrada (geralmente por um divisor de tensão) para obter uma quantidade de feedback (mU_f) proporcional a ele. A corrente do arco (I_f) também é realimentado negativamente, e a corrente de saída é amostrada (geralmente por um shunt ou elemento Hall) para obter uma quantidade de feedback (nI_f) proporcional a ele. As quantidades de feedback mU_f e eu_f são então comparados e amplificados com o valor definido da tensão do arco (U_cara) e o valor definido da corrente do arco (U_soldado) respectivamente, resultando em K1(U_cara-mU_f) e K2(U_soldado-n) saídas. Finalmente, a tensão de controle (U_k) é obtido por meio de síntese e amplificação e, em seguida, inserido no circuito de acionamento de controle para acionar a operação do sistema eletrônico de potência (inversor).

Obtenção das características de tensão constante, corrente constante e queda suave:

1 – Característica de tensão constante
2 – Característica de corrente constante
3 – Característica de queda suave
4 – Corrente constante com característica de arrasto externo

2. Desempenho regulatório do inversor de soldagem a arco

A partir do princípio da curva característica externa do inversor de soldagem a arco, pode-se inferir que para um determinado valor de tensão da característica de tensão constante, o tamanho da tensão do arco de saída é determinado. Em outras palavras, se a tensão dada for alta, a tensão do arco também será alta e vice-versa. Por exemplo, se Ugu1 < Ugu2, a curva característica externa se move da curva 1 para a curva 2, conforme mostrado na Figura 4a, e o ponto operacional estável se move de A1 para A2.

Para a característica de corrente constante, o tamanho do valor da tensão para uma determinada corrente determina o tamanho da corrente de soldagem de saída. Em outras palavras, se o Ugi for grande, a corrente de soldagem de saída também será grande e vice-versa. Por exemplo, se Ugi1 < Ugi2, a curva característica externa se move da curva 1 para a curva 2, conforme mostrado na Figura 6-4b, e o ponto operacional estável se move de AI para A2.

Geralmente, diferentes tipos de inversores de soldagem a arco adotam diferentes sistemas de regulação para obter controle das características externas e ajuste dos parâmetros do processo para atender aos diferentes requisitos do processo de soldagem. Apresentaremos os princípios de funcionamento de diferentes tipos de inversores de soldagem a arco, um por um.

3. Características dinâmicas de inversores de soldagem a arco

Quando inversores de soldagem a arco são usados ​​para processos de soldagem a arco com transições de curto-circuito envolvendo gotículas fundidas, requisitos rigorosos devem ser impostos às suas características dinâmicas. O principal parâmetro que afeta a transição de curto-circuito da soldagem MAG/CO2 é a taxa de aumento da corrente de curto-circuito (di_SD/dt), que está diretamente relacionada à constante de tempo T (T=L'/R_f, onde L' é a indutância equivalente do circuito de soldagem e Rf é a resistência do arco). R_f varia com a corrente de soldagem e não pode ser alterado arbitrariamente, enquanto L' pode ser alterado adicionando indutores ao circuito de soldagem. Além disso, o di_SD/dt pode ser alterado ajustando a constante de tempo do sistema de malha fechada.

Geralmente existem duas maneiras de melhorar e controlar as características dinâmicas dos inversores de soldagem a arco:

• Adicionando indutores ao circuito de soldagem. Os indutores são normalmente adicionados não apenas para melhorar as características dinâmicas, mas também para fins de filtragem.
• Projetar inversores de soldagem a arco com indutores eletrônicos, que usam circuitos eletrônicos em vez de indutores com núcleo de ferro para controlar o di_SD/dt, demonstrando assim seu desempenho de controle superior.

4. Características externas, características de ajuste e modo de controle dos pulsos de saída

Normalmente, os inversores de soldagem a arco usam três modos de controle de ajuste para controlar características externas, características de ajuste (ajuste de parâmetros de processo) e formar formas de onda de pulso de saída:

• Modulação de frequência de largura de pulso fixa: a largura da tensão de pulso permanece inalterada e a forma da curva característica externa, as características de ajuste (ajuste dos parâmetros do processo) e a forma de onda do pulso de saída são formadas pela alteração da frequência de comutação do inversor.
• Modulação por largura de pulso de frequência fixa: a frequência da tensão de pulso permanece inalterada, e a forma da curva característica externa, as características de ajuste (ajuste dos parâmetros do processo) e a forma de onda do pulso de saída são formadas alterando o ciclo de trabalho (relação de largura de pulso) do pulso de comutação do inversor.
• Ajuste híbrido: uma combinação de modulação de frequência de largura de pulso fixa e modulação de largura de pulso de frequência fixa é usada para ajuste.

Forma básica do circuito principal de um inversor de soldagem a arco

Várias formas básicas comumente usadas de circuitos principais do inversor são mostradas na Figura 6.

a) Tipo direto de extremidade única
b) Tipo meia ponte
c) Tipo ponte completa
d) Tipo paralelo.

Circuito principal do inversor direto de extremidade única:

Conforme mostrado na Figura 6a, os transistores de comutação de potência (representados pelos símbolos de chave eletrônica) V1 e V2 são periodicamente ligados e desligados na frequência intermediária, invertendo assim a tensão DC de entrada em tensão de frequência intermediária intermitente. A tensão é então reduzida pelo transformador de frequência intermediária T, retificada pelo diodo rápido VD1, filtrada pelo indutor e emitida como tensão CC para o arco. Os dois transistores chaveadores suportam simultaneamente a tensão de entrada, exigindo uma resistência de tensão relativamente baixa, tornando-os adequados para inversores de média e pequena potência.

Circuito principal do inversor meia ponte:

Conforme mostrado na Figura 6b, a tensão CC de entrada é dividida igualmente por dois conjuntos de capacitores eletrolíticos. Os dois transistores de comutação de potência V1 e V2 são ligados e desligados alternadamente para formar uma tensão CA de forma de onda retangular.

Depois de ser reduzida por T, a retificação de onda completa por VD1 e VD2 produz saída DC. VD1 e VD2 devem ser diodos rápidos capazes de suportar o dobro da amplitude da tensão de saída. V1 e V2 suportam apenas 1Ud/2 e têm requisitos de resistência de tensão relativamente baixos.

Circuito principal do inversor de ponte completa:

Conforme mostrado na Figura 6c, dois pares de transistores de comutação de potência V1, V4 e V2, V3 em braços de ponte opostos são periodicamente ligados e desligados em frequência intermediária. O resto da operação é igual à meia ponte. Os transistores de comutação de potência também suportam apenas uma certa tensão, tornando-os adequados para requisitos de soldagem de média a alta potência.

Circuito principal do inversor paralelo:

Conforme mostrado na Figura 6d, este tipo de circuito principal também é conhecido como circuito principal do inversor push-pull. Os transistores de comutação de potência V1 e V2 são ligados e desligados periodicamente em frequência intermediária.

Depois de serem reduzidos por T, VD1 e VD2 realizam retificação de onda completa para saída de tensão CC. Os transistores chaveadores suportam mais que o dobro da tensão, exigindo resistência de alta tensão. Geralmente, é usado apenas em inversores do tipo tiristor.

Circuito de controle e acionamento do inversor de soldagem a arco

O sistema de controle eletrônico de um inversor de soldagem a arco inclui, na verdade, circuitos de controle eletrônico e circuitos de acionamento. Eles são outro componente importante para alcançar o desempenho elétrico do inversor de soldagem a arco. Portanto, é necessário ter um conhecimento profundo dos requisitos funcionais desses circuitos e de como melhor atendê-los.

1. Requisitos funcionais básicos para circuitos de controle eletrônico

A função dos circuitos de controle eletrônico é fornecer um par de trens de pulso retangulares (excluindo inversores tiristores) com bordas dianteiras e traseiras íngremes, uma diferença de fase de 180°, simetria e largura variável ou mudança de fase para o circuito de acionamento da soldagem a arco. inversor.

Para alguns inversores, como inversores de meia ponte e ponte completa, os trens de pulso devem ser isolados uns dos outros. Para um inversor de terminação única, apenas um conjunto de pulsos é necessário.

O objetivo do projeto é alcançado através da relação entre a presença ou ausência de tensões de pulso emparelhadas, pulsos estreitos e largos, a quantidade de mudança na largura do pulso ou mudança na frequência ou fase do pulso, bem como a relação entre a largura básica do pulso, o largura mínima de pulso e a velocidade na qual a largura de pulso aumenta do mínimo para a largura nominal e a relação entre a frequência de pulso mínima e nominal.

Mais especificamente, o circuito de controle deve ter as seguintes funções básicas:

• O circuito de acionamento fornece um trem de pulso com bordas de ataque e de fuga íngremes, uma diferença de fase de 180° e simetria. Dependendo do tipo de inversor e do sistema de ajuste, a largura do pulso pode ser variável ou a frequência pode ser ajustável.
• O circuito deve ter ganho suficiente para permitir que a tensão e a corrente de saída do inversor de soldagem a arco atinjam a precisão especificada dentro da faixa permitida de alterações na tensão da rede de entrada e na corrente de carga.
• Obtenha a tensão de saída especificada e a faixa de regulação de corrente.
• Implemente partida suave para tensão de entrada e saída.
• Deve ser capaz de gerar o desempenho elétrico (características externas, características de ajuste, características dinâmicas e forma de onda) exigido pelo processo de soldagem a arco.
• Quando a potência da carga (incluindo tensão e corrente do arco) excede o valor nominal, a potência de saída deve ser automaticamente limitada ou a fonte de alimentação do circuito principal deve ser cortada.
• O circuito de controle deve ser capaz de obter isolamento elétrico e isolamento entre a saída e a entrada de feedback em casos gerais.
• Ligue e desligue a fonte de alimentação do circuito principal e a fonte de alimentação do circuito de controle na sequência projetada.
• Na soldagem robótica, soldagem semiautomática e automática, o operador deve operar o inversor através de uma caixa de controle remoto, mantendo uma distância segura do inversor de soldagem a arco.
• Deve haver interfaces elétricas fortes e fracas conectadas a dispositivos periféricos.

Outras funções:

• Para circuitos principais do inversor ponte ou push-pull, o circuito de controle deve ter a capacidade de se equilibrar automaticamente quando houver assimetria em dois meios ciclos.
• Monitoramento de temperatura (monitoramento de temperatura de componentes-chave, como tubos de comutação de alta potência e transformadores de alta frequência).
• Avisos e indicações de estados de limitação de corrente, sobrecarga e perda de fase também devem ser considerados quando necessário.

2. Requisitos funcionais básicos para circuitos de acionamento

Os sinais de controle de pulso fornecidos pelo circuito de controle devem ter potência suficiente. No entanto, devido aos diferentes tipos, modelos e capacidades dos tubos de comutação, os requisitos de potência para os sinais de pulso do inversor também diferem.

Diferentes tipos de circuitos principais do inversor também possuem diferentes requisitos de isolamento para os sinais de pulso do inversor.

Por exemplo, em circuitos principais de inversores de ponte completa e meia ponte, os tubos de comutação localizados em potenciais altos e baixos requerem isolamento confiável dos sinais de pulso do inversor.

Os circuitos de acionamento para inversores baseados em tiristores e transistores possuem características e requisitos diferentes.

Requisitos para o circuito de acionamento de inversores baseados em tiristores:

• O sinal de pulso de disparo deve ter potência suficiente (tensão e corrente).
• O sinal de pulso de disparo deve ter largura suficiente para garantir a condução confiável do tiristor.
• A forma de onda do pulso de disparo deve facilitar a condução do tiristor. Em um circuito paralelo de tiristores de alta corrente, os componentes paralelos devem conduzir simultaneamente, permitindo que o tubo de comutação opere dentro da faixa permitida.
• Deve-se garantir que o tiristor possa ser desligado de forma confiável quando necessário.

Requisitos para o circuito de acionamento de inversores baseados em transistor:

A função do circuito de acionamento para inversores baseados em transistor é amplificar a saída de pulso do circuito de controle a um nível suficiente para excitar tubos de comutação de alta tensão. A amplitude e a forma de onda do pulso de acionamento fornecido estão relacionadas às características de operação do transistor, como queda de tensão de saturação, tempo de armazenamento, taxa de aumento e queda de tensão e corrente do coletor ou emissor no momento de abertura e fechamento, que diretamente afetar sua perda e geração de calor.

O circuito de acionamento é um dos principais fatores que determinam o desempenho dos inversores PWM.

Características, classificação e aplicações de inversores de soldagem a arco

Características dos inversores de soldagem a 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 energia.

Este aumento na frequência fornece aos inversores de soldagem a arco características excepcionais em termos de estrutura e desempenho, incluindo alta eficiência e economia de energia, design leve e com economia de material, resposta dinâmica rápida e excelente desempenho de processos elétricos e de soldagem.

Especificamente, quando comparados com fontes de energia de soldagem a arco tradicionais, como transformadores de soldagem a arco, geradores de soldagem a arco CC, retificadores de soldagem a arco de silício e retificadores de soldagem a arco de tiristor, os inversores de soldagem a arco têm as seguintes características e vantagens significativas:

• Alta eficiência e economia de energia: com uma taxa de eficiência de 80% a 92%, os inversores de soldagem a arco podem economizar até 20% a 35% de energia (varia de acordo com o tamanho da carga) e têm consumo mínimo de energia sem carga, normalmente apenas um algumas dezenas a algumas centenas de watts, o que representa apenas uma pequena fração das fontes de energia tradicionais para soldagem a arco.
• Design leve e compacto: o peso do transformador de média frequência é apenas uma pequena fração daquele da fonte de energia de soldagem a arco tradicional, normalmente 1/10 a 1/3, e seu volume é de apenas 1/5 a 1/3, tornando-o muito conveniente para se mover.
• Excelente desempenho elétrico.
• Excelente desempenho do processo de soldagem.

Classificação de inversores de soldagem a arco:

Os inversores de soldagem a arco podem ser classificados de diferentes maneiras:

1. Com base nos diferentes dispositivos de comutação de alta potência usados, os tipos comuns incluem:

• Inversores de soldagem a arco tiristor (SCR)
• Inversores de soldagem a arco transistorizado (GTR)
• Inversores de soldagem a arco com transistor de efeito de campo (MOSFET)
• Inversores de soldagem a arco com transistor bipolar de porta isolada (IGBT)
• Outros tipos, como inversores de soldagem a arco IGH, GTO, SITH, MCT e MGT, que surgiram com o advento de novos dispositivos de comutação de energia.

2. Com base nos diferentes tipos de corrente de saída, elas podem ser classificadas como:

• Inversores de soldagem a arco CC
• Inversores de soldagem a arco pulsado
  • Inversores de soldagem por arco pulsado de baixa frequência
  • Inversores de soldagem por arco pulsado de média frequência
  • Inversores de soldagem por arco pulsado de alta frequência
• Inversores de soldagem a arco CA de onda retangular

3. Com base em diferentes formatos de características de saída, elas podem ser classificadas como:

• Inversores de soldagem a arco de corrente constante
• Inversores de soldagem a arco de tensão constante
• Característica de descida lenta (incluindo corrente constante mais arrasto externo) inversores de soldagem a arco
• Inversores de soldagem a arco multicaracterísticos.

Aplicações de inversores de soldagem a arco:

Devido ao seu excelente desempenho elétrico, bom desempenho de controle, capacidade de obter vários formatos de características de saída, diferentes tipos de tensão de arco e formas de onda de corrente (CC, pulso, onda retangular CA) e excelentes características dinâmicas, os inversores de soldagem a arco podem produzir correntes de soldagem de até 1000A ou mais.

Portanto, ele pode quase substituir todas as fontes de energia de soldagem a arco existentes e ser usado para vários métodos de soldagem a arco, como soldagem manual a arco de metal, soldagem TIG, soldagem MAG / C02 / MIG / fio fluxado, soldagem e corte a arco de plasma, arco submerso soldagem automática, soldagem robótica e outros.

Ele pode soldar vários materiais metálicos e ligas, especialmente em aplicações com espaço de trabalho limitado, operações em grandes altitudes ou onde há falta de fornecimento elétrico e necessidade de máquinas de soldagem móveis.