Imagine transformar máquinas de soldadura pesadas e volumosas em centrais eléctricas leves e portáteis. Este artigo analisa a mecânica das fontes de energia de soldadura por arco com inversor, mostrando a sua transformação de CA em CC para uma soldadura eficiente. Saiba como estes dispositivos inovadores poupam energia, oferecem arcos estáveis e integram-se perfeitamente em sistemas automatizados. Descubra as principais vantagens e os avanços tecnológicos que tornam os soldadores com inversor essenciais nas aplicações de soldadura modernas. No final, compreenderá por que razão estas máquinas estão a revolucionar a indústria da soldadura.
A fonte de energia de soldadura por arco com inversor, também conhecida como inversor de soldadura por arco, é um novo tipo de fonte de energia de soldadura. Este tipo de fonte de energia geralmente recebe a tensão de rede trifásica de frequência de rede (50Hz) AC, rectifica-a e filtra-a através de um retificador de entrada, convertendo-a em DC.
Em seguida, utiliza componentes electrónicos de comutação de alta potência (como tiristores SCR, transístores GTO, MOSFETs ou IGBTs) para alternar o estado do interrutor, invertendo-o numa tensão CA de média frequência que varia entre vários kHz e dezenas de kHz, que é depois reduzida por um transformador a uma tensão adequada para a soldadura.
Após retificação e filtragem através de uma indutância, produz uma corrente de soldadura DC estável.
Um inversor é um dispositivo eletrónico sofisticado que converte corrente contínua (DC) em corrente alternada (AC). No contexto das fontes de energia de soldadura por arco, a tecnologia do inversor revolucionou a indústria ao oferecer equipamento de soldadura mais eficiente, compacto e versátil.
A sequência de conversão numa fonte de energia de soldadura por arco com inversor pode ser representada da seguinte forma:
Simbolicamente, este processo pode ser expresso como:
AC → DC → AC → DC
Este sistema de conversão em várias fases é utilizado por várias razões fundamentais:
A saída DC final é crucial para as aplicações de soldadura por arco. Embora seja teoricamente possível soldar com CA de alta frequência, a utilização de CC oferece várias vantagens:
As modernas fontes de energia de soldadura com inversor incorporam frequentemente controlo por microprocessador e eletrónica de potência avançada, permitindo caraterísticas como saída pulsada, controlo sinérgico e capacidades multi-processo, aumentando ainda mais a sua versatilidade e desempenho em várias aplicações de soldadura.
A caraterística básica do inversor soldadura por arco é o facto de funcionar a uma frequência elevada, o que traz muitas vantagens.
Isto porque o potencial E do transformador, quer se trate do enrolamento primário ou secundário, tem a seguinte relação com a frequência f da corrente, a densidade do fluxo magnético B, a área da secção do núcleo de ferro S e o número de voltas W do enrolamento:
E = 4,44fBSW
E a tensão terminal do enrolamento U é aproximadamente igual a E, ou seja:
U ≈ E = 4,44fBSW
Quando U e B são determinados, se a frequência f for aumentada, S diminuirá e W diminuirá. Por conseguinte, o peso e o volume do transformador podem ser consideravelmente reduzidos. Isto torna o peso e o volume de toda a máquina significativamente mais pequenos.
Além disso, devido ao aumento da frequência e a outros factores, apresenta muitas vantagens em comparação com o arco tradicional potência de soldadura fontes. As principais características são as seguintes:
(1) Tamanho pequeno, peso leve, poupança de material e facilidade de transporte e deslocação.
(2) Elevada eficiência e poupança de energia, com uma eficiência de até 80% a 90%, poupando mais de um terço da eletricidade em comparação com as máquinas de soldar tradicionais.
(3) Boas características dinâmicas, arranque fácil do arco, arco estável, boa formação da soldadura e menos salpicos.
(4) Adequado para combinação com robôs para formar um sistema de produção de soldadura automática.
(5) Pode ser utilizado para múltiplos fins, completando vários processos de soldadura e corte.
Devido à série de vantagens das fontes de energia do inversor acima mencionadas, este desenvolveu-se rapidamente desde o seu aparecimento no final da década de 1970. Nos países industrializados, como os Estados Unidos e o Japão, o seu âmbito de aplicação é bastante alargado.
Os elementos de comutação utilizados nas fontes de energia do inversor incluem atualmente o SCR (tiristor), o GTR (transístor), o MOSFET (transístor de efeito de campo) e o IGBT (um tipo de elemento eletrónico que combina as vantagens do GTR e do MOSFET).
O IGBT tem o potencial de substituir outros elementos de comutação. A máquina de soldadura com inversor IGBT é um progresso significativo na tecnologia de soldadura e uma nova tendência de desenvolvimento.
A cabeça da máquina de soldar converte a energia emitida pela fonte de energia de soldadura em calor de soldadura e alimenta continuamente o material de soldadura enquanto a cabeça da máquina avança para efetuar a soldadura.
As pinças de soldadura eléctrica utilizadas na soldadura por arco manual têm de ser empurradas manualmente para baixo e movidas para a frente para formar um cordão de soldadura à medida que o vareta de soldadura derrete. As máquinas de soldar automáticas dispõem de mecanismos de alimentação automática do fio e de mecanismos de movimentação da cabeça da máquina para a deslocar para a frente.
Existem dois tipos habitualmente utilizados: os de carruagem e os de suspensão.
As cabeças de soldadura para soldadura por pontos e soldadura por projeção são os eléctrodos e os seus mecanismos de pressão, que são utilizados para aplicar pressão e eletricidade à peça a trabalhar.
Para soldadura por costuraPara a deslocação da peça de trabalho, existe um mecanismo de transmissão. Para soldadura topo a topoSão necessários dispositivos de fixação estáticos e dinâmicos e mecanismos de fixação, bem como dispositivos móveis e mecanismos de perturbação.
A evolução das fontes de energia com inversor na tecnologia de soldadura é caracterizada por uma abordagem multifacetada, centrada no aumento da capacidade, na redução do peso, no aumento da eficiência, na modularização e nos sistemas de controlo inteligentes. Estes avanços visam melhorar a fiabilidade e o desempenho e expandir as aplicações em vários processos de soldadura, incluindo a soldadura por arco, a soldadura por resistência e as operações de corte.
A otimização da eficiência e a alta densidade de potência (miniaturização) continuam a ser os principais objectivos dos fabricantes internacionais de inversores de soldadura por arco. Para atingir estes objectivos, são utilizadas duas estratégias técnicas fundamentais:
O amadurecimento da tecnologia de inversores de soldadura por arco que operam a frequências de cerca de 20 kHz tem sido particularmente evidente em regiões como o Japão e a Europa. Isto resultou em linhas de produtos serializados de alta qualidade com as seguintes caraterísticas:
À medida que a tecnologia continua a avançar, as tendências emergentes incluem:
1.1 Razões para a produção de harmónicas
Desde o primeiro arco de tiristor de 300A inversor de soldadura a fonte de alimentação do inversor de soldadura por arco sofreu um desenvolvimento significativo, passando pela inversão de tiristores, inversão de transístores de alta potência, inversão de efeito de campo e inversão de IGBT. A sua capacidade e desempenho foram muito melhorados.
Atualmente, a fonte de alimentação do inversor de soldadura por arco tornou-se o principal produto do equipamento de soldadura nos países industrializados.
Como dispositivo eletrónico de potência típico, embora a fonte de alimentação do inversor de soldadura por arco tenha as vantagens de ser pequena, leve e ter um bom desempenho de controlo, o seu circuito contém ligações de retificação e inversão, que causam distorção da forma de onda da corrente e geram um grande número de harmónicos de ordem superior.
Existe uma grave mudança de fase entre os harmónicos de tensão e corrente de ordem elevada, o que resulta num fator de potência muito baixo do soldador. As principais razões para a geração de harmónicas são as seguintes:
(1) Fontes de interferência interna da fonte de alimentação do inversor
A fonte de alimentação do inversor é um sistema que combina correntes fortes e fracas. Durante a processo de soldaduraA corrente de soldadura pode atingir várias centenas ou mesmo milhares de amperes. Uma vez que a corrente gera um grande campo eletromagnético, especialmente em sistemas de alimentação de energia de soldadura com elevada frequência de inversão, tubos rectificadores, transformadores de alta frequência, oscilações do sistema de controlo, ignição de arco de alta frequência e interruptores de tubos de alimentação produzirão uma forte interferência harmónica.
Além disso, quando o tungsténio máquina de soldadura por arco de árgon utiliza uma ignição por arco de alta frequência, que utiliza uma frequência de até várias centenas de milhares de Hertz e uma alta tensão de vários quilovolts para romper o espaço de ar e formar um arco, pelo que a ignição por arco de alta frequência é também uma forte fonte de interferência harmónica.
Para fontes de alimentação de inversores de soldadura por arco inteligentes controladas por computadores, uma vez que a velocidade de funcionamento do sistema de controlo do computador utilizado aumenta, a própria placa de controlo tornou-se uma fonte de interferência harmónica, e foram colocados requisitos mais elevados na cablagem da placa de controlo.
(2) Fontes de interferência externa da fonte de alimentação do inversor
A poluição na rede eléctrica é uma interferência grave para o sistema de fornecimento de energia porque as cargas aplicadas à rede eléctrica variam constantemente, causando mais ou menos interferências harmónicas na rede eléctrica.
O equipamento de grande potência pode causar distorção da forma de onda da tensão da rede eléctrica, factores acidentais podem causar cortes de energia momentâneos e o equipamento de alta frequência pode gerar impulsos de alta frequência e componentes de impulsos de pico na forma de onda da tensão da rede eléctrica.
Além disso, na oficina de soldadura, devido à possibilidade de interconexão entre os fios de terra de diferentes fontes de alimentação de soldadura durante a utilização, se não forem tomadas as medidas correspondentes, os sinais harmónicos com componentes de alta frequência podem facilmente entrar no sistema de controlo, causando o mau funcionamento da fonte de alimentação ou mesmo danificando-a.
1.2 Características e perigos das harmónicas
A fonte de alimentação do inversor de soldadura por arco é conhecida pela sua conversão de energia de alta eficiência. Com o desenvolvimento de dispositivos de controlo de energia em direcções práticas e de grande capacidade, as fontes de alimentação do inversor de soldadura por arco também entrarão numa era de alta frequência e grande capacidade.
Para a rede eléctrica, a fonte de alimentação do inversor de soldadura por arco é essencialmente uma grande fonte de alimentação rectificadora. Devido à subida e descida acentuada dos impulsos gerados pelos componentes electrónicos de potência durante a comutação, são causadas interferências harmónicas graves.
A corrente de entrada da fonte de alimentação do inversor é um tipo de forma de onda de pico, que contém um grande número de harmónicos de alta ordem na rede eléctrica.
Há uma grave mudança de fase entre os harmónicos de alta ordem da tensão e da corrente, o que resulta num fator de potência muito baixo do soldador. A distorção de baixa frequência é atualmente um problema comum nos equipamentos electrónicos de potência, atraindo uma atenção significativa nas indústrias das comunicações e dos electrodomésticos.
Além disso, atualmente, os soldadores com inversor utilizam sobretudo métodos de comutação rígidos, causando inevitavelmente interferências harmónicas no espaço durante o processo de comutação do componente de potência.
Estas interferências formam interferências conduzidas através do acoplamento de campo próximo e de campo distante, poluindo gravemente o ambiente eletromagnético circundante e o ambiente da fonte de alimentação, não só reduzindo a fiabilidade do próprio circuito do inversor, mas também afectando gravemente a qualidade de funcionamento da rede eléctrica e do equipamento adjacente.
2.1 Filtros passivos (PF)
O método tradicional de supressão de harmónicas e compensação de potência reactiva é a tecnologia de filtros passivos eléctricos, também conhecida como método de filtragem indireta. Este método envolve a utilização de condensadores eléctricos ou outros dispositivos passivos para construir um filtro passivo com cargas não lineares que necessitam de compensação ligadas em paralelo, fornecendo um caminho de baixa impedância para os harmónicos, ao mesmo tempo que fornece a potência reactiva necessária para a carga.
Especificamente, a onda sinusoidal distorcida de 50 Hz é decomposta na onda fundamental e em vários componentes harmónicos principais relacionados e, em seguida, utilizando o princípio de ressonância em série, cada ramo de filtragem composto por L, C (ou R) é sintonizado (ou sintonizado com polarização) em várias frequências harmónicas principais para formar um caminho de baixa impedância e filtrá-las [2-3]. Defende passivamente e reduz os danos das harmónicas para o equipamento elétrico que já foram geradas.
Os sistemas de filtragem passiva são tecnologias maduras e de baixo custo, mas também apresentam os seguintes inconvenientes
(1) o efeito de filtragem é afetado pela impedância do sistema;
(2) devido à frequência ressonante fixa, tem pouca eficácia em casos de desvio de frequência;
(3) pode causar sobrecarga devido à ressonância em série ou em paralelo com a impedância do sistema. Em situações de pequena e média potência, os filtros passivos estão a ser gradualmente substituídos por filtros activos.
2.2 Filtros activos (AF)
Já no início da década de 1970, os estudiosos propuseram o princípio básico dos filtros de potência activos. No entanto, devido à falta de dispositivos de comutação de alta potência e de tecnologias de controlo correspondentes nessa altura, apenas podiam ser utilizadas correntes de compensação geradas por amplificadores lineares e outros métodos, que apresentavam fraquezas fatais em termos de baixa eficiência, custo elevado e dificuldade de grande capacidade.
Com a melhoria do desempenho dos dispositivos de comutação de semicondutores de potência e o desenvolvimento da tecnologia PWM correspondente, tornou-se possível desenvolver um gerador de corrente harmónica de grande capacidade e baixas perdas, tornando prática a tecnologia de filtragem ativa.
Quando uma fonte harmónica aparece no sistema, uma corrente de compensação igual em magnitude e oposta em fase à corrente harmónica é gerada por algum método, e ligada em paralelo com o circuito que se torna a fonte harmónica para cancelar o componente harmónico da fonte harmónica, permitindo que a corrente do lado DC contenha apenas o componente fundamental, sem componentes harmónicos.
Quando a corrente harmónica gerada pela fonte de harmónicas não consegue prever qual é a corrente harmónica de ordem superior ou se altera em qualquer momento, o sinal de corrente harmónica ih é detectado a partir da corrente de carga il e, em seguida, modulado pelo modulador e convertido numa corrente de controlo do modo de comutação de acordo com um método especificado para operar o inversor de corrente para gerar uma corrente de compensação ifm e injectá-la no circuito para cancelar a corrente harmónica ih.
O circuito principal do inversor utiliza geralmente um circuito inversor de ponte completa CC/CA, em que os dispositivos de comutação podem ser GTO, GTR, SIT ou IGBT e outros dispositivos semicondutores de potência controláveis de alta potência para controlar a forma de onda da corrente de saída através do estado ligado/desligado do dispositivo de comutação, gerando a corrente de compensação necessária.
Os filtros activos eléctricos são os dispositivos de potência mais promissores para suprimir os harmónicos da rede eléctrica e compensar a potência reactiva, melhorando a qualidade do fornecimento de energia.
Em comparação com os filtros passivos eléctricos, apresentam as seguintes vantagens
(1) a compensação dinâmica é alcançada, e as alterações na frequência e magnitude da potência harmónica e reactiva podem ser compensadas, com uma resposta muito rápida às alterações no objeto de compensação;
(2) é possível a compensação simultânea de harmónicos e de potência reactiva, com a dimensão da potência reactiva compensada continuamente ajustável;
(3) não é necessário qualquer dispositivo de armazenamento de energia para compensar a potência reactiva e a capacidade do dispositivo de armazenamento de energia necessária para compensar os harmónicos não é grande;
(4) mesmo que a corrente compensada seja demasiado grande, o filtro ativo elétrico não se sobrecarrega e pode funcionar normalmente para compensação;
(5) Não é facilmente afetado pela impedância da rede eléctrica e não entra facilmente em ressonância com a impedância da rede eléctrica;
(6) Pode acompanhar as alterações na frequência da rede eléctrica e o desempenho da compensação não é afetado pelas alterações na frequência;
(7) Pode compensar uma única harmónica e potência reactiva ou concentrar-se na compensação de múltiplas harmónicas e potência reactiva.
À medida que a tecnologia da eletrónica de potência se desenvolve no sentido da alta frequência e da alta densidade de potência, a perda de comutação e a interferência harmónica da comutação rígida tornam-se cada vez mais proeminentes.
A tecnologia de comutação suave é benéfica para qualquer conversor de potência de comutação em termos de melhoria da eficiência de conversão, utilização do dispositivo, reforço da compatibilidade electromagnética e fiabilidade do dispositivo.
É particularmente necessária em alguns casos especiais (como requisitos de densidade de potência ou condições limitadas de dissipação de calor). Entre os dois tipos de tecnologia de comutação suave, a comutação suave passiva sem dispositivos de comutação adicionais, métodos de deteção e estratégias de controlo tem muitas vantagens, como baixo custo adicional, elevada fiabilidade, elevada eficiência de conversão e elevada relação desempenho-preço.
No domínio do fabrico de conversores de terminação única, estabeleceu basicamente uma posição dominante.
Quanto à topologia, o método da indutância em série e da capacitância paralela é o único meio de comutação suave passiva, e a chamada tecnologia de comutação suave passiva dela derivada é, de facto, uma tecnologia de absorção sem perdas.
No que diz respeito aos circuitos de inversores em ponte, desde o tipo de absorção de energia inicial até ao tipo de avanço parcial proposto mais tarde e às soluções sem perdas, todos eles têm problemas como uma forte dependência da carga, uma gama de frequências de trabalho estreita, uma tensão adicional elevada, uma rede demasiado complexa, etc., o que torna o seu carácter prático relativamente fraco.
Ao mesmo tempo, com a tendência para a modularização dos dispositivos de comutação de energia, o espaço disponível para a colocação de elementos de absorção é cada vez mais pequeno, e a tecnologia de absorção sem perdas adequada para módulos de inversores é raramente vista na literatura.
De um modo geral, a tecnologia de absorção passiva adequada para aplicações em módulos inversores está ainda a ser objeto de investigação e desenvolvimento devido à sua estrutura especial e dificuldade.
As fontes de alimentação do inversor de soldadura por arco geram uma grande quantidade de harmónicos, que podem causar danos graves.
A fim de suprimir os harmónicos e melhorar o fator de potência, devem ser tomadas as medidas de supressão correspondentes. O método tradicional de filtragem passiva tem limitações óbvias, o que restringe a sua aplicação, enquanto o método de filtragem ativa pode compensar as deficiências dos filtros passivos, suprimindo eficazmente os harmónicos nas fontes de alimentação dos inversores de soldadura por arco e tem sido amplamente utilizado. A tecnologia de comutação suave também pode alcançar bons efeitos de filtragem até certo ponto.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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