¿Se ha preguntado alguna vez cómo consigue la soldadura moderna tanta precisión y eficacia? Los inversores de soldadura por arco podrían tener la clave. Estos dispositivos transforman la energía eléctrica para crear potentes arcos de soldadura, adaptándose dinámicamente a las complejas condiciones de soldadura. En este artículo, descubrirá cómo funcionan estos inversores, sus principales componentes y los principios en los que se basa su funcionamiento. Al final, comprenderá cómo los inversores de arco mejoran el rendimiento de la soldadura, haciéndolos indispensables en diversas aplicaciones industriales. Sumérjase para explorar las maravillas tecnológicas que hacen posible la soldadura de precisión.
Definición de un inversor de soldadura por arco:
La transformación entre corriente continua (CC) y corriente alterna (CA) se denomina inversión. El dispositivo que realiza esta transformación se denomina inversor. Un inversor que suministra energía eléctrica para los arcos de soldadura y tiene el rendimiento eléctrico necesario para los procesos de soldadura por arco se denomina inversor de soldadura por arco.
La naturaleza especial del inversor de soldadura por arco:
El objeto de alimentación para la soldadura es una carga de arco especial, especialmente para la soldadura por arco con transición de cortocircuito, que requiere que el inversor soporte la intensa carga dinámica que cambia constantemente. Las condiciones de trabajo son muy complejas.
Los principales componentes son el sistema de alimentación, el sistema electrónico de potencia, el sistema electrónico de control, el circuito de realimentación, el circuito dado y el arco de soldadura.
Del diagrama se desprende que los principales componentes y sus funciones del inversor de soldadura por arco son los siguientes:
Circuito principal del inversor: Compuesto por el sistema de alimentación eléctrica, el sistema de alimentación electrónica y el arco de soldadura, es responsable de la transmisión y conversión de la energía eléctrica.
Sistema de control electrónico: Proporciona suficientes señales de impulsos 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 dado: 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 bucle cerrado del inversor de soldadura por arco, y le permite obtener las características externas y dinámicas requeridas.
El principio básico de los inversores de soldadura por arco puede resumirse en el diagrama de bloques de la Figura 1.
En el sistema de alimentación, la tensión de red alterna monofásica (o trifásica) de 50 Hz o 60 Hz de 220 V (o trifásica de 380 V) es rectificada y filtrada por el rectificador de entrada (UR1) y el filtro (LC1), obteniéndose una tensión continua suave de unos 310 V (o unos 520 V para la rectificación trifásica), que es la requerida por el circuito principal del inversor.
A continuación, la tensión continua se convierte en tensión alterna de alta frecuencia que oscila entre varios kilohercios y doscientos kilohercios mediante la acción de conmutación alterna de los dispositivos electrónicos de conmutación de alta potencia (como tiristores, transistores, transistores de efecto de campo o IGBT) del circuito principal inversor Q del sistema electrónico de potencia.
Después, la tensión se reduce a decenas de voltios adecuados para la soldadura a través del transformador de alta (media) frecuencia (T), y a continuación las características externas y dinámicas requeridas por el arco proceso de soldadura se obtienen a través del circuito de conducción de control y el circuito de realimentación y dado (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 la inductancia L2 y el condensador C2.
El proceso de rectificación de los inversores de soldadura por arco puede describirse sencillamente como sigue: Entrada de CA → rectificación a CC → conversión de CA de alta/media frecuencia → reducción de tensión → salida de CA → rectificación a CC de nuevo.
Existen tres tipos de estructuras de inversor que pueden utilizarse en los inversores de soldadura por arco:
Para cumplir los requisitos del arco proceso de soldaduraPor lo tanto, las características eléctricas de salida (rendimiento) de los inversores de soldadura por arco deben tener la adaptabilidad correspondiente. Las características eléctricas de salida incluyen principalmente características externas, rendimiento de regulación y características dinámicas.
Los inversores de soldadura por arco utilizan sistemas de control electrónico y retroalimentación de corriente-tensión para realizar un control en bucle cerrado del sistema electrónico de potencia (inversor), con el fin de obtener diferentes formas de curvas características externas.
Basándose en el diagrama de bloques del principio básico del inversor de soldadura por arco (Figura 1), el sistema de control de bucle cerrado del inversor de soldadura por arco puede describirse mediante diagramas de bloques y ecuaciones, como se muestra en la Figura 2.
La relación de equilibrio del sistema de control en bucle cerrado se establece del siguiente modo: La tensión del arco (Uf) se realimenta negativamente en el diagrama, y la tensión de salida se muestrea (normalmente mediante un divisor de tensión) para obtener una cantidad de realimentación (mUf) proporcional a ella. La corriente de arco (If) también se realimenta negativamente, y la corriente de salida se muestrea (normalmente mediante un elemento en derivación o Hall) para obtener una cantidad de realimentación (nIf) proporcional a ella. Las magnitudes de realimentación mUf y nIf se comparan y amplifican con el valor de consigna de la tensión del arco (Ugu) y el valor de ajuste de la corriente de arco (Ugi) respectivamente, dando como resultado K1(Ugu-mUf) y K2(Ugi-n). Por último, la tensión de control (Uk) se obtiene mediante síntesis y amplificación y, a continuación, se introduce en el circuito de accionamiento de control para accionar el funcionamiento del sistema electrónico de potencia (inversor).
Obtención de las características de tensión constante, corriente constante y caída suave:
1 - Característica de tensión constante
2 - Característica de corriente constante
3 - Característica de caída suave
4 - Corriente constante con característica de arrastre externo
Del principio de la curva característica externa del inversor de soldadura por arco se deduce que, para un valor de tensión dado de la característica de tensión constante, se determina el tamaño de la tensión del arco de salida. En otras palabras, si la tensión dada es alta, la tensión del arco también es alta, y viceversa. Por ejemplo, si Ugu1 < Ugu2, la curva característica externa se desplaza de la curva 1 a la curva 2, como se muestra en la figura 4a, y el punto de funcionamiento estable se desplaza de A1 a A2.
Para la característica de corriente constante, el tamaño del valor de tensión para una corriente dada determina el tamaño de la corriente de soldadura de salida. En otras palabras, si Ugi es grande, la corriente de soldadura de salida también es grande, y viceversa. Por ejemplo, si Ugi1 < Ugi2, la curva característica externa se desplaza de la curva 1 a la curva 2, como se muestra en la Figura 6-4b, y el punto de funcionamiento estable se desplaza de AI a A2.
En general, los distintos 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 satisfacer los diferentes requisitos del proceso de soldadura. Presentaremos uno a uno los principios de funcionamiento de los distintos tipos de inversores de soldadura por arco.
Cuando los inversores de soldadura por arco se utilizan para procesos de soldadura por arco con transiciones de cortocircuito en las que intervienen gotas fundidas, deben establecerse requisitos estrictos sobre sus características dinámicas. El principal parámetro que afecta a la transición de cortocircuito de la soldadura MAG/CO2 es la velocidad de aumento de la corriente de cortocircuito (disd/dt), que está directamente relacionada con la constante de tiempo T (T=L'/Rfdonde L' es la inductancia equivalente del circuito de soldadura y Rf es la resistencia del arco). Rf varía con la corriente de soldadura y no puede modificarse arbitrariamente, mientras que L' puede modificarse añadiendo inductores al circuito de soldadura. Además, el disd/dt puede modificarse ajustando la constante de tiempo del sistema de bucle cerrado.
En general, existen dos formas de mejorar y controlar las características dinámicas de los inversores de soldadura por arco:
Normalmente, los inversores de soldadura por arco utilizan tres modos de control de ajuste para controlar las características externas, las características de ajuste (ajuste de los parámetros del proceso) y las formas de onda de los impulsos de salida:
En la figura 6 se muestran varias formas básicas de circuitos principales de inversor utilizadas habitualmente.
a) Tipo de avance simple
b) Tipo medio puente
c) Tipo puente completo
d) Tipo paralelo.
Circuito principal del inversor forward 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 la frecuencia intermedia, invirtiendo así la tensión continua de entrada en tensión intermitente de frecuencia intermedia. A continuación, el transformador de frecuencia intermedia T reduce la tensión, el diodo rápido VD1 la rectifica, el inductor la filtra y el arco la emite como tensión continua. Los dos transistores de conmutación soportan simultáneamente la tensión de entrada, requiriendo una resistencia de tensión relativamente baja, lo que lo hace adecuado para inversores de potencia medianos y pequeños.
Circuito principal del inversor de medio puente:
Como se muestra en la Figura 6b, la tensión continua de entrada se divide a partes iguales por dos conjuntos de condensadores electrolíticos. Los dos transistores de conmutación de potencia V1 y V2 se conectan y desconectan alternativamente para formar una tensión alterna 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 de tensión de salida. V1 y V2 sólo soportan 1Ud/2, y tienen unos requisitos de resistencia a la tensión 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 conectan y desconectan periódicamente a frecuencia intermedia. El resto del funcionamiento es el mismo que en el medio puente. Además, los transistores de conmutación de potencia sólo soportan una tensión determinada, por lo que es adecuado 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 inversor push-pull. Los transistores de conmutación de potencia V1 y V2 se conectan y desconectan periódicamente a una frecuencia intermedia.
Después de ser reducidos por T, VD1 y VD2 realizan una rectificación de onda completa para dar salida a la tensión continua. Los transistores de conmutación soportan más del doble de tensión, por lo que requieren una alta resistencia a la tensión. Generalmente, sólo se utiliza en inversores de tipo tiristor.
En realidad, el sistema de control electrónico de un inversor de soldadura por arco incluye tanto circuitos de control electrónico como circuitos de accionamiento. Son otro componente importante para lograr el rendimiento eléctrico del inversor de soldadura por arco. Por lo tanto, es necesario conocer en profundidad los requisitos funcionales de estos circuitos y cómo cumplirlos mejor.
La función de los circuitos electrónicos de control es proporcionar un par de trenes de impulsos rectangulares (excluidos los inversores de tiristores) con bordes inicial y final pronunciados, una diferencia de fase de 180°, simetría y anchura variable o desplazamiento de fase al circuito de accionamiento del inversor de soldadura por arco.
En algunos inversores, como los de medio puente y puente completo, los trenes de impulsos deben estar aislados entre sí. Para un inversor de un solo extremo, solo se necesita un conjunto de pulsos.
El objetivo de diseño se consigue mediante la relación entre la presencia o ausencia de tensiones de impulso emparejadas, impulsos estrechos y anchos, la cantidad de cambio en la anchura de impulso, o el cambio de frecuencia o fase de impulso, así como la relación entre la anchura de impulso básica, la anchura de impulso mínima y la velocidad a la que aumenta la anchura de impulso desde la anchura mínima hasta la nominal, y la relación entre la frecuencia de impulso mínima y la nominal.
Más concretamente, el circuito de control debe tener las siguientes funciones básicas:
Otras funciones:
Las señales de control de impulsos proporcionadas 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 control de impulsos también difieren.
Los distintos tipos de circuitos principales de variadores también tienen diferentes requisitos de aislamiento para las señales de impulsos de accionamiento.
Por ejemplo, en los circuitos principales de los inversores de puente completo y de medio puente, los tubos de conmutación situados en potenciales altos y bajos requieren un aislamiento fiable de las señales de impulsos de accionamiento.
Los circuitos de accionamiento de los inversores basados en tiristores y transistores tienen características y requisitos diferentes.
Requisitos del circuito de accionamiento de los inversores basados en tiristores:
Requisitos del circuito de accionamiento de los inversores basados en transistores:
La función del circuito de accionamiento de los inversores basados en transistores es amplificar la salida de impulsos del circuito de control hasta un nivel suficiente para excitar los tubos de conmutación de alta tensión. La amplitud y la forma de onda del impulso de accionamiento suministrado están relacionadas con las características de funcionamiento del transistor, como la caída de tensión de saturación, el tiempo de almacenamiento, la tensión y la velocidad de subida y bajada de corriente del colector o emisor en el momento de apertura y cierre, que afectan directamente a su pérdida y generación de calor.
El circuito de accionamiento es uno de los principales factores que determinan el rendimiento de los inversores PWM.
En comparación con el arco tradicional potencia de soldadura que utilizan una frecuencia de 50 Hz o 60 Hz para transmitir energía y modificar los parámetros eléctricos, los inversores de soldadura por arco aumentan la frecuencia hasta varios miles o doscientos mil Hz para la transmisión y conversión de energía.
Este aumento de la frecuencia proporciona a los inversores de soldadura por arco unas características excepcionales en cuanto a estructura y rendimiento, entre las que se incluyen un alto rendimiento y ahorro de energía, un diseño ligero y que ahorra material, una respuesta dinámica rápida y un excelente rendimiento eléctrico y del proceso de soldadura.
En concreto, en comparación con las fuentes de potencia 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 presentan las siguientes características y ventajas significativas:
Los inversores de soldadura por arco pueden clasificarse de diferentes maneras:
Lectura relacionada: Tipos de inversores de soldadura por arco
Debido a su excelente rendimiento eléctrico, buen rendimiento de control, capacidad para obtener varias formas de características de salida, diferentes tipos de voltaje de arco y formas de onda de corriente (CC, pulso, CA de onda rectangular), y excelentes características dinámicas, los inversores de soldadura por arco pueden emitir corrientes de soldadura de hasta 1000A o más.
Por lo tanto, puede sustituir prácticamente a todas las fuentes de potencia de soldadura por arco existentes y utilizarse para diversos métodos de soldadura por arco, como la soldadura manual por arco metálico, la soldadura TIG, la soldadura MAG/C02/MIG/con hilo tubular, arco de plasma soldadura y corte, soldadura automática por arco sumergido, soldadura robotizada, etc.
Puede soldar diversos materiales metálicos y aleaciones, especialmente en aplicaciones con espacio de trabajo limitado, operaciones a gran altitud o cuando hay escasez de suministro eléctrico y se necesitan máquinas de soldar móviles.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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