Immaginate di trasformare saldatrici pesanti e ingombranti in centrali elettriche leggere e portatili. Questo articolo approfondisce la meccanica delle sorgenti di alimentazione per la saldatura ad arco con inverter, mostrando la loro trasformazione da corrente alternata a corrente continua per una saldatura efficiente. Scoprite come questi dispositivi innovativi consentono di risparmiare energia, offrono archi stabili e si integrano perfettamente con i sistemi automatizzati. Scoprite i principali vantaggi e i progressi tecnologici che rendono i saldatori a inverter essenziali nelle moderne applicazioni di saldatura. Alla fine capirete perché queste macchine stanno rivoluzionando il settore della saldatura.
Il generatore di corrente per saldatura ad arco con inverter, noto anche come inverter per saldatura ad arco, è un nuovo tipo di generatore di corrente per saldatura. Questo tipo di sorgente di corrente prende generalmente la tensione di rete trifase a frequenza alternata (50 Hz), la raddrizza e la filtra attraverso un raddrizzatore di ingresso, convertendola in corrente continua.
Utilizza quindi componenti elettronici di commutazione ad alta potenza (come tiristori SCR, transistor GTO, MOSFET o IGBT) per alternare lo stato dell'interruttore, invertendolo in una tensione alternata a media frequenza che varia da alcuni kHz a decine di kHz, che viene poi ridotta da un trasformatore a una tensione adatta alla saldatura.
Dopo la raddrizzatura e il filtraggio attraverso un'induttanza, fornisce una corrente di saldatura CC stabile.
Un inverter è un sofisticato dispositivo elettronico che converte la corrente continua (DC) in corrente alternata (AC). Nel contesto delle fonti di alimentazione per la saldatura ad arco, la tecnologia degli inverter ha rivoluzionato il settore, offrendo apparecchiature di saldatura più efficienti, compatte e versatili.
La sequenza di conversione in un inverter per la saldatura ad arco può essere rappresentata come segue:
Simbolicamente, questo processo può essere espresso come:
AC → DC → AC → DC
Questo sistema di conversione a più stadi viene impiegato per diversi motivi critici:
L'uscita finale in corrente continua è fondamentale per le applicazioni di saldatura ad arco. Sebbene sia teoricamente possibile saldare con la corrente alternata ad alta frequenza, l'utilizzo della corrente continua offre diversi vantaggi:
I moderni generatori di saldatura a inverter spesso incorporano un controllo a microprocessore e un'elettronica di potenza avanzata, che consente funzioni come l'uscita pulsata, il controllo sinergico e le capacità multiprocesso, migliorando ulteriormente la loro versatilità e le prestazioni in varie applicazioni di saldatura.
La caratteristica di base dell'inverter saldatura ad arco è che funziona ad alta frequenza, il che comporta numerosi vantaggi.
Questo perché il potenziale E del trasformatore, che si tratti dell'avvolgimento primario o secondario, ha la seguente relazione con la frequenza f della corrente, la densità di flusso magnetico B, l'area della sezione del nucleo di ferro S e il numero di spire W dell'avvolgimento:
E = 4,44fBSW
E la tensione terminale dell'avvolgimento U è approssimativamente uguale a E, cioè:
U ≈ E = 4,44fBSW
Quando U e B sono determinati, se la frequenza f aumenta, S diminuisce e W diminuisce. Pertanto, il peso e il volume del trasformatore possono essere notevolmente ridotti. In questo modo, il peso e il volume dell'intera macchina si riducono notevolmente.
Inoltre, grazie all'aumento della frequenza e ad altri fattori, presenta molti vantaggi rispetto all'arco tradizionale. potenza di saldatura fonti. Le caratteristiche principali sono le seguenti:
(1) Dimensioni ridotte, peso ridotto, risparmio di materiale e facilità di trasporto e spostamento.
(2) Alta efficienza e risparmio energetico, con un'efficienza che va da 80% a 90%, con un risparmio di oltre un terzo dell'elettricità rispetto alle saldatrici tradizionali.
(3) Buone caratteristiche dinamiche, facile accensione dell'arco, arco stabile, bella formazione della saldatura e meno spruzzi.
(4) Adatto alla combinazione con robot per formare un sistema automatico di produzione di saldatura.
(5) Può essere utilizzato per molteplici scopi, completando vari processi di saldatura e taglio.
Grazie alla serie di vantaggi sopra menzionati, le sorgenti di energia a inverter si sono sviluppate rapidamente dalla loro comparsa alla fine degli anni '70. Nei Paesi industrializzati come gli Stati Uniti e il Giappone, il suo campo di applicazione è piuttosto ampio.
Gli elementi di commutazione utilizzati nelle sorgenti di potenza a inverter includono SCR (tiristore), GTR (transistor), MOSFET (transistor a effetto campo) e IGBT (un tipo di elemento elettronico che combina i vantaggi di GTR e MOSFET).
L'IGBT ha il potenziale per sostituire altri elementi di commutazione. La saldatrice a inverter IGBT rappresenta un progresso significativo nel campo della tecnologia di saldatura e un nuovo trend di sviluppo.
La testa della saldatrice converte l'energia emessa dalla sorgente di saldatura in calore di saldatura e lo immette in modo continuo nella materiale di saldatura mentre la testa della macchina si sposta in avanti per realizzare la saldatura.
Le pinze di saldatura elettriche utilizzate nella saldatura ad arco manuale devono essere spinte manualmente verso il basso e spostate in avanti per formare un cordone di saldatura mentre la bacchetta per saldatura fonde. Le saldatrici automatiche sono dotate di meccanismi di alimentazione automatica del filo e di meccanismi di spostamento della testa della macchina per far avanzare la testa della macchina.
I tipi più diffusi sono due: a carrello e a sospensione.
Le teste di saldatura per la saldatura a punti e saldatura a proiezione sono gli elettrodi e i relativi meccanismi di pressatura, utilizzati per applicare pressione ed elettricità al pezzo.
Per saldatura delle cuciture, c'è un meccanismo di trasmissione per far muovere il pezzo in lavorazione. Per saldatura di testaSono necessarie attrezzature statiche e dinamiche e meccanismi di bloccaggio, nonché attrezzature mobili e meccanismi di ribaltamento.
L'evoluzione delle sorgenti di alimentazione a inverter nella tecnologia di saldatura è caratterizzata da un approccio multiforme, incentrato su una maggiore capacità, una riduzione del peso, una maggiore efficienza, la modularizzazione e sistemi di controllo intelligenti. Questi progressi mirano a migliorare l'affidabilità e le prestazioni e ad ampliare le applicazioni in vari processi di saldatura, tra cui la saldatura ad arco, la saldatura a resistenza e le operazioni di taglio.
L'ottimizzazione dell'efficienza e l'alta densità di potenza (miniaturizzazione) rimangono gli obiettivi principali dei produttori internazionali di inverter per la saldatura ad arco. Per raggiungere questi obiettivi, vengono impiegate due strategie tecniche fondamentali:
La maturazione della tecnologia degli inverter per la saldatura ad arco con frequenze intorno ai 20 kHz è stata particolarmente evidente in regioni come il Giappone e l'Europa. Ciò ha portato a linee di prodotti serializzati di alta qualità con le seguenti caratteristiche:
Con l'avanzare della tecnologia, le tendenze emergenti includono:
1.1 Motivi della generazione di armoniche
Dal primo tiristore ad arco da 300A inverter di saldatura L'alimentazione ad inverter per la saldatura ad arco ha subito uno sviluppo significativo, sperimentando l'inversione del tiristore, l'inversione del transistor ad alta potenza, l'inversione dell'effetto di campo e l'inversione dell'IGBT. La sua capacità e le sue prestazioni sono state notevolmente migliorate.
Attualmente, l'alimentatore inverter per la saldatura ad arco è diventato il prodotto principale delle apparecchiature di saldatura nei paesi industrializzati.
Come tipico dispositivo elettronico di potenza, sebbene l'alimentatore inverter per la saldatura ad arco presenti i vantaggi delle dimensioni ridotte, della leggerezza e delle buone prestazioni di controllo, il suo circuito contiene collegamenti di raddrizzamento e inversione, che causano distorsione della forma d'onda della corrente e generano un gran numero di armoniche di ordine elevato.
Si verifica un grave sfasamento tra le armoniche di tensione e di corrente di ordine elevato, che si traduce in un fattore di potenza molto basso della saldatrice. Le ragioni principali della generazione di armoniche sono le seguenti:
(1) Sorgenti di interferenza interne all'alimentazione dell'inverter
L'alimentatore a inverter è un sistema che combina correnti forti e deboli. Durante la processo di saldaturaLa corrente di saldatura può raggiungere diverse centinaia o addirittura migliaia di ampere. Poiché la corrente genera un grande campo elettromagnetico, soprattutto nei sistemi di alimentazione per la saldatura con un'elevata frequenza di inversione, i tubi raddrizzatori, i trasformatori ad alta frequenza, le oscillazioni del sistema di controllo, l'accensione dell'arco ad alta frequenza e gli interruttori dei tubi di potenza produrranno forti interferenze armoniche.
Inoltre, quando il tungsteno saldatrice ad arco di argon L'accensione ad arco ad alta frequenza utilizza una frequenza fino a diverse centinaia di migliaia di Hertz e un'alta tensione di diversi kilovolt per rompere il traferro e formare un arco, pertanto l'accensione ad arco ad alta frequenza è anche una forte fonte di interferenze armoniche.
Per gli alimentatori inverter per saldatura ad arco intelligente controllati da computer, poiché la velocità di funzionamento del sistema di controllo computerizzato utilizzato aumenta, la scheda di controllo stessa è diventata una fonte di interferenze armoniche e sono stati posti requisiti più elevati sul cablaggio della scheda di controllo.
(2) Sorgenti di interferenza esterne dell'alimentazione dell'inverter
L'inquinamento della rete elettrica è una grave interferenza per il sistema di alimentazione perché i carichi applicati alla rete elettrica variano costantemente, causando un'interferenza più o meno armonica alla rete elettrica.
Le grandi apparecchiature di potenza possono causare distorsioni della forma d'onda della tensione della rete elettrica, i fattori accidentali possono causare momentanee interruzioni di corrente e le apparecchiature ad alta frequenza possono generare impulsi ad alta frequenza e componenti di picco nella forma d'onda della tensione della rete elettrica.
Inoltre, nell'officina di saldatura, a causa della possibilità di interconnessione tra i fili di messa a terra di diversi alimentatori di saldatura durante l'uso, se non si adottano le misure corrispondenti, i segnali armonici con componenti ad alta frequenza possono facilmente entrare nel sistema di controllo, causando il malfunzionamento o addirittura il danneggiamento dell'alimentatore.
1.2 Caratteristiche e rischi delle armoniche
L'alimentatore inverter per saldatura ad arco è noto per la sua conversione energetica ad alta efficienza. Con lo sviluppo dei dispositivi di controllo della potenza verso direzioni pratiche e di grande capacità, anche gli alimentatori inverter per la saldatura ad arco entreranno nell'era dell'alta frequenza e della grande capacità.
Per la rete elettrica, l'alimentatore dell'inverter di saldatura ad arco è essenzialmente un grande raddrizzatore di corrente. A causa del brusco aumento e della diminuzione degli impulsi generati dai componenti elettronici di potenza durante la commutazione, si verificano gravi interferenze armoniche.
La corrente di ingresso dell'inverter è una forma d'onda di tipo spike, che contiene un gran numero di armoniche di ordine elevato nella rete elettrica.
Si verifica un grave sfasamento tra le armoniche di tensione e di corrente di ordine elevato, con conseguente fattore di potenza molto basso della saldatrice. La distorsione a bassa frequenza è attualmente un problema comune delle apparecchiature elettroniche di potenza, che attira una notevole attenzione nei settori delle comunicazioni e degli elettrodomestici.
Inoltre, attualmente i saldatori a inverter utilizzano per lo più metodi di commutazione rigida, che inevitabilmente causano interferenze armoniche nello spazio durante il processo di commutazione del componente di potenza.
Queste interferenze formano interferenze condotte attraverso l'accoppiamento in campo vicino e in campo lontano, inquinando gravemente l'ambiente elettromagnetico circostante e l'ambiente di alimentazione, non solo riducendo l'affidabilità del circuito dell'inverter stesso, ma anche compromettendo gravemente la qualità operativa della rete elettrica e delle apparecchiature adiacenti.
2.1 Filtri passivi (PF)
Il metodo tradizionale per la soppressione delle armoniche e la compensazione della potenza reattiva è la tecnologia dei filtri elettrici passivi, nota anche come metodo di filtraggio indiretto. Questo metodo prevede l'uso di condensatori elettrici o altri dispositivi passivi per costruire un filtro passivo con carichi non lineari che necessitano di compensazione collegati in parallelo, fornendo un percorso a bassa impedenza per le armoniche e fornendo al contempo la potenza reattiva richiesta per il carico.
In particolare, l'onda sinusoidale distorta a 50 Hz viene scomposta nell'onda fondamentale e nelle varie componenti armoniche principali correlate; quindi, utilizzando il principio della risonanza in serie, ogni ramo di filtraggio composto da L, C (o R) viene sintonizzato (o sintonizzato in modo polarizzato) sulle varie frequenze armoniche principali per formare un percorso a bassa impedenza e filtrarle [2-3]. Questo sistema difende e riduce passivamente i danni delle armoniche già generate sulle apparecchiature elettriche.
Gli schemi di filtraggio passivo sono tecnologie mature e a basso costo, ma presentano anche i seguenti svantaggi:
(1) l'effetto di filtraggio è influenzato dall'impedenza del sistema;
(2) a causa della frequenza di risonanza fissa, ha una scarsa efficacia nei casi di deviazione di frequenza;
(3) può causare un sovraccarico a causa della risonanza in serie o in parallelo con l'impedenza del sistema. Nelle situazioni di piccola e media potenza, i filtri passivi vengono gradualmente sostituiti da filtri attivi.
2.2 Filtri attivi (AF)
Già all'inizio degli anni '70 gli studiosi hanno proposto il principio di base dei filtri di potenza attivi. Tuttavia, a causa della mancanza di dispositivi di commutazione ad alta potenza e delle corrispondenti tecnologie di controllo, all'epoca si potevano utilizzare solo correnti di compensazione generate da amplificatori lineari e altri metodi, che presentavano i fatali punti deboli della bassa efficienza, del costo elevato e della difficoltà a raggiungere grandi capacità.
Con il miglioramento delle prestazioni dei dispositivi di commutazione dei semiconduttori di potenza e lo sviluppo della corrispondente tecnologia PWM, è stato possibile sviluppare un generatore di corrente armonica di grande capacità e a bassa perdita, rendendo pratica la tecnologia di filtraggio attivo.
Quando nel sistema compare una sorgente armonica, viene generata con un certo metodo una corrente di compensazione di ampiezza uguale e fase opposta alla corrente armonica, che viene collegata in parallelo al circuito che diventa la sorgente armonica per annullare la componente armonica della sorgente armonica, consentendo alla corrente sul lato CC di contenere solo la componente fondamentale, senza componenti armoniche.
Quando la corrente armonica generata dalla sorgente armonica non è in grado di prevedere quale sia la corrente armonica di ordine superiore o cambia in qualsiasi momento, il segnale di corrente armonica ih viene rilevato dalla corrente di carico il, quindi modulato dal modulatore e convertito in una corrente di controllo in modalità di commutazione secondo un metodo specificato per azionare l'inverter di corrente per generare la corrente di compensazione ifm e iniettarla nel circuito per annullare la corrente armonica ih.
Il circuito principale dell'inverter utilizza generalmente un circuito di inverter full-bridge CC/CA, in cui i dispositivi di commutazione possono essere GTO, GTR, SIT o IGBT e altri dispositivi a semiconduttore di potenza controllabili ad alta potenza per controllare la forma d'onda della corrente di uscita mediante lo stato on-off del dispositivo di commutazione, generando la corrente di compensazione richiesta.
I filtri elettrici attivi sono i dispositivi di potenza più promettenti per sopprimere le armoniche della rete elettrica e compensare la potenza reattiva, migliorando la qualità dell'alimentazione.
Rispetto ai filtri passivi elettrici, presentano i seguenti vantaggi:
(1) si ottiene una compensazione dinamica e si possono compensare le variazioni di frequenza e di grandezza della potenza armonica e reattiva, con una risposta molto rapida alle variazioni dell'oggetto della compensazione;
(2) è possibile la compensazione simultanea delle armoniche e della potenza reattiva, con la dimensione della potenza reattiva compensata regolabile in modo continuo;
(3) non è necessario alcun dispositivo di accumulo di energia per la compensazione della potenza reattiva e la capacità del dispositivo di accumulo di energia richiesta per la compensazione delle armoniche non è elevata;
(4) anche se la corrente compensata è troppo grande, il filtro elettrico attivo non si sovraccarica e può funzionare normalmente per la compensazione;
(5) non è facilmente influenzato dall'impedenza della rete elettrica e non risuona facilmente con l'impedenza della rete elettrica;
(6) può seguire le variazioni di frequenza della rete elettrica e le prestazioni di compensazione non sono influenzate dalle variazioni di frequenza;
(7) può compensare una singola armonica e potenza reattiva o concentrarsi sulla compensazione di più armoniche e potenza reattiva.
Con lo sviluppo della tecnologia dell'elettronica di potenza verso l'alta frequenza e l'alta densità di potenza, la perdita di commutazione e l'interferenza armonica della commutazione dura diventano sempre più importanti.
La tecnologia di commutazione morbida è vantaggiosa per qualsiasi convertitore di potenza a commutazione in termini di miglioramento dell'efficienza di conversione, utilizzo del dispositivo, miglioramento della compatibilità elettromagnetica e affidabilità del dispositivo.
È particolarmente necessaria in alcuni casi speciali (come i requisiti di densità di potenza o le condizioni di dissipazione del calore limitate). Tra i due tipi di tecnologia di commutazione morbida, la commutazione morbida passiva senza dispositivi di commutazione aggiuntivi, metodi di rilevamento e strategie di controllo presenta molti vantaggi, come il basso costo aggiuntivo, l'elevata affidabilità, l'alta efficienza di conversione e l'elevato rapporto prestazioni/prezzo.
Nel campo della produzione di convertitori single-ended, ha sostanzialmente conquistato una posizione mainstream.
Per quanto riguarda la topologia, il metodo dell'induttanza in serie e della capacità in parallelo è l'unico mezzo passivo di commutazione morbida e la cosiddetta tecnologia passiva di commutazione morbida che ne deriva è in realtà una tecnologia di assorbimento senza perdite.
Per quanto riguarda i circuiti di inverter a ponte, dal primo tipo ad assorbimento di energia al tipo a feedforward parziale proposto in seguito, fino alle soluzioni senza perdite, tutti presentano problemi quali la forte dipendenza dal carico, la ristretta gamma di frequenze di lavoro, l'elevata sollecitazione aggiuntiva, la rete troppo complessa, ecc. che ne rendono relativamente scarsa la praticabilità.
Allo stesso tempo, con la tendenza alla modularizzazione dei dispositivi di potenza a commutazione, lo spazio disponibile per collocare gli elementi di assorbimento diventa sempre più piccolo e la tecnologia di assorbimento senza perdite adatta ai moduli inverter è raramente presente in letteratura.
Nel complesso, la tecnologia di assorbimento passivo adatta alle applicazioni dei moduli inverter è ancora in fase di ricerca e sviluppo a causa della sua struttura speciale e delle sue difficoltà.
Gli alimentatori inverter per la saldatura ad arco generano una grande quantità di armoniche, che possono causare gravi danni.
Per sopprimere le armoniche e migliorare il fattore di potenza, è necessario adottare misure di soppressione corrispondenti. Il tradizionale metodo di filtraggio passivo presenta ovvie limitazioni, che ne limitano l'applicazione, mentre il metodo di filtraggio attivo è in grado di compensare le carenze dei filtri passivi, sopprimendo efficacemente le armoniche negli alimentatori per inverter di saldatura ad arco ed è stato ampiamente utilizzato. Anche la tecnologia di commutazione morbida può ottenere buoni effetti di filtraggio in una certa misura.
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