Imagine convertir máquinas de soldar pesadas y voluminosas en centrales eléctricas ligeras y portátiles. Este artículo se sumerge en la mecánica de las fuentes de potencia de soldadura por arco con inversor, mostrando su transformación de CA a CC para una soldadura eficiente. Descubra cómo estos innovadores dispositivos ahorran energía, ofrecen arcos estables y se integran perfectamente en los sistemas automatizados. Descubra las principales ventajas y avances tecnológicos que hacen que los soldadores inverter sean esenciales en las aplicaciones de soldadura modernas. Al final, entenderá por qué estas máquinas están revolucionando la industria de la soldadura.
El generador de soldadura por arco inverter, también conocido como inversor de soldadura por arco, es un nuevo tipo de generador de soldadura. Este tipo de fuente de potencia suele tomar la tensión trifásica de red de frecuencia de red (50 Hz) de CA, rectificarla y filtrarla a través de un rectificador de entrada, convirtiéndola en CC.
A continuación, utiliza componentes electrónicos de conmutación de alta potencia (como tiristores SCR, transistores GTO, MOSFET o IGBT) para alternar el estado de conmutación, invirtiéndolo en una tensión alterna de frecuencia media que oscila entre varios kHz y decenas de kHz, que luego un transformador reduce a una tensión adecuada para la soldadura.
Tras la rectificación y el filtrado a través de una inductancia, emite una corriente continua de soldadura estable.
Un inversor es un sofisticado dispositivo electrónico que convierte la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA). En el contexto de las fuentes de potencia de soldadura por arco, la tecnología de inversores ha revolucionado el sector al ofrecer equipos de soldadura más eficientes, compactos y versátiles.
La secuencia de conversión en una fuente de potencia de soldadura por arco con inversor puede representarse del siguiente modo:
Simbólicamente, este proceso puede expresarse como:
AC → DC → AC → DC
Este sistema de conversión multietapa se emplea por varias razones fundamentales:
La salida final de CC es crucial para las aplicaciones de soldadura por arco. Aunque en teoría es posible soldar con CA de alta frecuencia, utilizar CC ofrece varias ventajas:
Las fuentes de potencia de soldadura inverter modernas suelen incorporar control por microprocesador y electrónica de potencia avanzada, lo que permite funciones como salida pulsada, control sinérgico y capacidades multiproceso, mejorando aún más su versatilidad y rendimiento en diversas aplicaciones de soldadura.
Características básicas del inversor soldadura por arco es que funciona a alta frecuencia, lo que aporta muchas ventajas.
Esto se debe a que el potencial E del transformador, ya sea el devanado primario o secundario, tiene la siguiente relación con la frecuencia f de la corriente, la densidad de flujo magnético B, el área de sección del núcleo de hierro S y el número de espiras W del devanado:
E = 4,44fBSW
Y la tensión en bornes del devanado U es aproximadamente igual a E, es decir:
U ≈ E = 4,44fBSW
Cuando se determinan U y B, si se aumenta la frecuencia f, S disminuirá y W disminuirá. Por lo tanto, el peso y el volumen del transformador pueden reducirse considerablemente. De este modo, el peso y el volumen de toda la máquina se reducen considerablemente.
Además, debido al aumento de la frecuencia y a otros factores, aporta muchas ventajas en comparación con el arco tradicional potencia de soldadura fuentes. Las principales características son las siguientes:
(1) Tamaño pequeño, peso ligero, ahorro de material y fácil transporte y desplazamiento.
(2) Alta eficiencia y ahorro de energía, con una eficiencia de hasta 80% a 90%, ahorrando más de un tercio de electricidad en comparación con las máquinas de soldadura tradicionales.
(3) Buenas características dinámicas, fácil arranque del arco, arco estable, bonita formación de la soldadura y menos salpicaduras.
(4) Adecuado para la combinación con robots para formar un sistema automático de producción de soldadura.
(5) Puede utilizarse para múltiples propósitos, completando diversos procesos de soldadura y corte.
Debido a la serie de ventajas de las fuentes de alimentación con inversor mencionadas anteriormente, se ha desarrollado rápidamente desde su aparición a finales de los años setenta. En países industrializados como Estados Unidos y Japón, su ámbito de aplicación es bastante amplio.
Los elementos de conmutación utilizados actualmente en las fuentes de alimentación de los inversores incluyen el SCR (tiristor), el GTR (transistor), el MOSFET (transistor de efecto de campo) y el IGBT (un tipo de elemento electrónico que combina las ventajas del GTR y el MOSFET).
El IGBT tiene potencial para sustituir a otros elementos de conmutación. La máquina de soldadura con inversor IGBT supone un avance significativo en tecnología de soldadura y una nueva tendencia de desarrollo.
El cabezal de la máquina de soldar convierte la energía de salida de la fuente de potencia de soldadura en calor de soldadura y lo alimenta continuamente en el material de soldadura mientras el cabezal de la máquina avanza para realizar la soldadura.
Las pinzas de soldadura eléctrica utilizadas en la soldadura por arco manual deben empujarse manualmente hacia abajo y moverse hacia delante para formar un cordón de soldadura a medida que el varilla para soldar se funde. Las soldadoras automáticas disponen de mecanismos automáticos de alimentación de hilo y mecanismos de desplazamiento del cabezal de la máquina para hacer avanzar el cabezal.
Existen dos tipos comúnmente utilizados: los de carro y los de suspensión.
Los cabezales de soldadura por puntos y soldadura por proyección son los electrodos y sus mecanismos de prensado, que se utilizan para aplicar presión y electricidad a la pieza.
Para soldadura de juntasPara que la pieza se mueva, existe un mecanismo de transmisión. Para soldadura a topeSe necesitan dispositivos de fijación estáticos y dinámicos y mecanismos de sujeción de dispositivos, así como dispositivos de fijación móviles y mecanismos de recalcado.
La evolución de las fuentes de potencia con inversor en la tecnología de soldadura se caracteriza por un enfoque polifacético, centrado en el aumento de la capacidad, la reducción del peso, la mejora de la eficiencia, la modularización y los sistemas de control inteligentes. Estos avances tienen como objetivo mejorar la fiabilidad, el rendimiento y ampliar las aplicaciones en diversos procesos de soldadura, como la soldadura por arco, la soldadura por resistencia y las operaciones de corte.
La optimización de la eficiencia y la alta densidad de potencia (miniaturización) siguen siendo los principales objetivos de los fabricantes internacionales de inversores de soldadura por arco. Para lograr estos objetivos, se emplean dos estrategias técnicas clave:
La maduración de la tecnología de inversores de soldadura por arco que funcionan a frecuencias en torno a los 20 kHz ha sido especialmente evidente en regiones como Japón y Europa. Esto ha dado lugar a líneas de productos en serie de alta calidad con las siguientes características:
A medida que la tecnología avanza, surgen nuevas tendencias:
1.1 Razones de la generación de armónicos
Desde el primer arco tiristorizado de 300 A inversor de soldadura la fuente de alimentación del inversor de soldadura por arco ha experimentado un desarrollo significativo, experimentando la inversión del tiristor, la inversión del transistor de alta potencia, la inversión del efecto de campo y la inversión del IGBT. Su capacidad y rendimiento se han mejorado en gran medida.
En la actualidad, la fuente de alimentación del inversor de soldadura por arco se ha convertido en el producto principal de los equipos de soldadura en los países industrializados.
Como dispositivo electrónico de potencia típico, aunque la fuente de alimentación del inversor de soldadura por arco tiene las ventajas de su pequeño tamaño, peso ligero 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 un gran número de armónicos de alto orden.
Se produce un grave desfase entre los armónicos de tensión y corriente de alto orden, lo que se traduce en un factor de potencia muy bajo de la soldadora. Las principales razones de 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 la proceso de soldaduraLa corriente de soldadura puede alcanzar varios cientos o incluso miles de amperios. Dado que la corriente genera un gran campo electromagnético, especialmente en los sistemas de alimentación de soldadura con alta frecuencia de inversión, los tubos rectificadores, los transformadores de alta frecuencia, las oscilaciones del sistema de control, el encendido del arco de alta frecuencia y los interruptores de los tubos de potencia producirán fuertes interferencias armónicas.
Además, cuando el tungsteno máquina de soldadura por arco de argón utiliza una frecuencia de hasta varios cientos de miles de hercios y una alta tensión de varios kilovoltios para atravesar el entrehierro y formar un arco, por lo que la ignición por arco de alta frecuencia es también una fuente importante de interferencias armónicas.
En el caso de las fuentes de alimentación inversoras de soldadura por arco inteligente controladas por ordenador, al aumentar la velocidad de funcionamiento del sistema de control informático utilizado, el propio cuadro de control se ha convertido en una fuente de interferencias armónicas, por lo que se han impuesto requisitos más estrictos al cableado del cuadro de control.
(2) Fuentes de interferencia externas de la fuente de alimentación del inversor
La contaminación de la red eléctrica es una grave interferencia para el sistema de suministro eléctrico porque las cargas aplicadas a la red eléctrica varían constantemente, causando más o menos interferencias armónicas en la red eléctrica.
Los equipos de gran potencia pueden provocar distorsiones en la forma de onda de la tensión de la red eléctrica, los factores accidentales pueden causar cortes momentáneos de suministro eléctrico y los equipos de alta frecuencia pueden generar pulsos de alta frecuencia y componentes de pulsos de pico en la forma de onda de la tensión de la red eléctrica.
Además, en el taller de soldadura, debido a la posibilidad de interconexión entre los cables de tierra de diferentes fuentes de alimentación de soldadura durante su uso, si no se toman las medidas correspondientes, las señales armónicas con componentes de alta frecuencia pueden entrar fácilmente en el sistema de control, provocando el mal funcionamiento de la fuente de alimentación o incluso dañándola.
1.2 Características y peligros de los armónicos
La fuente de alimentación del inversor de soldadura por arco es conocida por su conversión de energía de alta eficiencia. Con el desarrollo de los dispositivos de control de potencia hacia direcciones prácticas y de gran capacidad, las fuentes de alimentación con inversor 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 gran fuente de alimentación rectificadora. Debido a la brusca subida y bajada de los impulsos 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 de pico, que contiene un gran número de armónicos de alto orden en la red eléctrica.
Se produce un grave desfase entre los armónicos de tensión y corriente de alto orden, lo que da lugar a un factor de potencia muy bajo del soldador. La distorsión de baja frecuencia es actualmente un problema común en los equipos electrónicos de potencia, que llama mucho la atención en las industrias de la comunicación y los electrodomésticos.
Además, en la actualidad, los soldadores inverter utilizan principalmente métodos de conmutación dura, lo que inevitablemente provoca interferencias armónicas en el espacio durante el proceso de conmutación del componente 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 alimentación eléctrica, no sólo reduciendo la fiabilidad del propio circuito del inversor, sino también afectando gravemente a la calidad de funcionamiento de la red eléctrica y de los equipos adyacentes.
2.1 Filtros pasivos (FP)
El método tradicional de supresión de armónicos y compensación de potencia reactiva es la tecnología de filtros eléctricos pasivos, 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 necesitan compensación conectadas en paralelo, lo que proporciona una vía de baja impedancia para los armónicos a la vez que suministra la potencia reactiva necesaria para la carga.
En concreto, la onda sinusoidal distorsionada de 50 Hz se descompone en la onda fundamental y varios componentes armónicos principales relacionados y, a continuación, utilizando el principio de resonancia en serie, cada rama de filtrado compuesta por L, C (o R) se sintoniza (o sintoniza en polarización) con varias frecuencias armónicas principales para formar una trayectoria de baja impedancia y filtrarlas [2-3]. De este modo, se defiende y reduce pasivamente el daño de los armónicos a los equipos eléctricos ya generados.
Los sistemas de filtrado pasivo son tecnologías maduras y de bajo coste, pero también presentan los siguientes inconvenientes:
(1) el efecto de filtrado se ve afectado por la impedancia del sistema;
(2) debido a la frecuencia de resonancia fija, tiene poca eficacia para los casos de desviación de frecuencia;
(3) puede provocar sobrecargas debido a la resonancia en serie o en paralelo con la impedancia del sistema. En situaciones de pequeña y mediana potencia, los filtros pasivos se están sustituyendo gradualmente 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 activos de potencia. Sin embargo, debido a la falta de dispositivos de conmutación de alta potencia y de las correspondientes tecnologías de control en aquella época, sólo se podían utilizar corrientes de compensación generadas por amplificadores lineales y otros métodos, que tenían debilidades fatales por su baja eficiencia, alto coste y dificultad para la gran capacidad.
Con la mejora del rendimiento de los dispositivos de conmutación de semiconductores de potencia y el desarrollo de la tecnología PWM correspondiente, ha sido posible desarrollar un generador de corriente armónica de gran capacidad y bajas pérdidas, haciendo práctica la tecnología de filtrado activo.
Cuando aparece una fuente armónica en el sistema, se genera por algún método una corriente de compensación igual en magnitud y opuesta en fase a la corriente armónica, y se conecta en paralelo con el circuito que se convierte en la fuente armónica para anular el componente armónico de la fuente armónica, permitiendo que la corriente del lado CC contenga sólo el componente fundamental, sin componentes armónicos.
Cuando la corriente armónica generada por la fuente de armónicos no puede predecir qué corriente armónica de orden superior es o cambia en cualquier momento, la señal de corriente armónica ih se detecta a partir de la corriente de carga il y, a continuación, es modulada por el modulador y convertida en una corriente de control de modo de conmutación de acuerdo con un método especificado para operar el inversor de corriente para generar corriente de compensación ifm e inyectarla en el circuito para anular la corriente armónica ih.
El circuito principal del inversor utiliza generalmente un circuito inversor de puente completo CC/CA, en el que 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 mediante el estado de encendido-apagado del dispositivo de conmutación, generando la corriente de compensación necesaria.
Los filtros activos eléctricos son los dispositivos de potencia más prometedores para suprimir los armónicos de la red eléctrica y compensar la potencia reactiva, mejorando la calidad del suministro eléctrico.
En comparación con los filtros pasivos eléctricos, presentan las siguientes ventajas:
(1) se consigue una compensación dinámica, y se pueden compensar los cambios de 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 compensar simultáneamente los armónicos y la potencia reactiva, y el tamaño de la potencia reactiva compensada se puede ajustar de forma continua;
(3) no se requiere ningún dispositivo de almacenamiento de energía cuando se compensa la potencia reactiva, y la capacidad del dispositivo de almacenamiento de energía necesaria cuando se compensan los armónicos no es grande;
(4) aunque la corriente compensada sea demasiado grande, el filtro activo eléctrico no se sobrecargará y podrá funcionar normalmente para la compensación;
(5) no se ve afectado fácilmente por la impedancia de la red eléctrica y no resuena fácilmente con la impedancia de la red eléctrica;
(6) puede seguir los cambios de frecuencia de la red eléctrica, y el rendimiento de la compensación no se ve afectado por los cambios de frecuencia;
(7) puede compensar un único armónico y potencia reactiva o concentrarse en compensar múltiples armónicos y potencia reactiva.
A medida que la tecnología de electrónica de potencia evoluciona hacia la alta frecuencia y la alta densidad de potencia, las pérdidas de conmutación y las interferencias armónicas de la conmutación dura adquieren cada vez más importancia.
La tecnología de conmutación suave es beneficiosa para cualquier convertidor de potencia de conmutación en términos de mejora de la eficiencia de conversión, utilización del dispositivo, mejora de la compatibilidad electromagnética y fiabilidad del dispositivo.
Es particularmente necesaria en algunos casos especiales (como los requisitos de densidad de potencia o las condiciones limitadas de disipación de calor). Entre los dos tipos de tecnología de conmutación suave, la conmutación suave pasiva sin dispositivos de conmutación, métodos de detección ni estrategias de control adicionales tiene muchas ventajas, como un bajo coste adicional, alta fiabilidad, 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 denominada tecnología de conmutación suave pasiva derivada de ella es en realidad una tecnología de absorción sin pérdidas.
En cuanto a los circuitos de puente inversor, desde el primer tipo de absorción de energía hasta el tipo de alimentación parcial propuesto posteriormente, pasando por las soluciones sin pérdidas, todos ellos presentan problemas como una fuerte dependencia de la carga, un estrecho rango de frecuencias de trabajo, una elevada tensión adicional, una red demasiado compleja, etc., lo que hace que su viabilidad sea relativamente escasa.
Al mismo tiempo, con la tendencia a la modularización de los dispositivos de conmutación de potencia, el espacio disponible para colocar los elementos de absorción es cada vez menor, y la tecnología de absorción sin pérdidas adecuada para los módulos de inversor rara vez aparece en la bibliografía.
En general, la tecnología de absorción pasiva adecuada para aplicaciones de módulos inversores sigue siendo objeto de investigación y desarrollo debido a su especial estructura y dificultad.
Las fuentes de alimentación de los inversores de soldadura por arco generan una gran cantidad de armónicos, que pueden causar daños graves.
Para suprimir los armónicos y mejorar el factor de potencia, deben tomarse las medidas de supresión correspondientes. El método tradicional de filtro pasivo 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 de los inversores de soldadura por arco y ha sido ampliamente utilizado. La tecnología de conmutación suave también puede lograr buenos efectos de filtrado hasta cierto punto.
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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