Imagine transformar máquinas de solda pesadas e volumosas em fontes de energia leves e portáteis. Este artigo se aprofunda na mecânica das fontes de energia de soldagem a arco com inversor, mostrando sua transformação de CA em CC para uma soldagem eficiente. Saiba como esses dispositivos inovadores economizam energia, oferecem arcos estáveis e se integram perfeitamente a sistemas automatizados. Descubra as principais vantagens e os avanços tecnológicos que tornam os soldadores com inversor essenciais nas aplicações de soldagem modernas. Ao final, você entenderá por que essas máquinas estão revolucionando o setor de soldagem.
A fonte de energia de soldagem a arco com inversor, também conhecida como inversor de soldagem a arco, é um novo tipo de fonte de energia de soldagem. Esse tipo de fonte de energia geralmente recebe a tensão de rede CA trifásica de frequência de rede (50 Hz), retifica-a e filtra-a por meio de um retificador de entrada, convertendo-a em CC.
Em seguida, ele usa componentes eletrônicos de comutação de alta potência (como tiristores SCR, transistores GTO, MOSFETs ou IGBTs) para alternar o estado da chave, invertendo-o em uma tensão CA de média frequência que varia de vários kHz a dezenas de kHz, que é então reduzida por um transformador a uma tensão adequada para a soldagem.
Após a retificação e a filtragem por meio de uma indutância, ele produz uma corrente de soldagem CC estável.
Um inversor é um dispositivo eletrônico sofisticado que converte corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA). No contexto das fontes de energia de soldagem a arco, a tecnologia do inversor revolucionou o setor ao oferecer equipamentos de soldagem mais eficientes, compactos e versáteis.
A sequência de conversão em uma fonte de energia de soldagem a arco com inversor pode ser representada da seguinte forma:
Simbolicamente, esse processo pode ser expresso da seguinte forma:
AC → DC → AC → DC
Esse sistema de conversão em vários estágios é empregado por vários motivos importantes:
A saída final de CC é crucial para aplicações de soldagem a arco. Embora seja teoricamente possível soldar com CA de alta frequência, o uso de CC oferece várias vantagens:
As modernas fontes de energia de soldagem com inversor geralmente incorporam controle por microprocessador e eletrônica de potência avançada, permitindo recursos como saída pulsada, controle sinérgico e recursos multiprocessos, aumentando ainda mais sua versatilidade e desempenho em várias aplicações de soldagem.
O recurso básico do inversor soldagem a arco é que ele opera em uma alta frequência, o que traz muitas vantagens.
Isso ocorre porque o potencial E do transformador, seja no enrolamento primário ou secundário, tem a seguinte relação com a frequência f da corrente, a densidade do fluxo magnético B, a área da seção 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. Portanto, o peso e o volume do transformador podem ser bastante reduzidos. Isso faz com que o peso e o volume de toda a máquina sejam significativamente menores.
Além disso, devido ao aumento da frequência e a outros fatores, ele traz muitas vantagens em comparação com o arco tradicional potência de soldagem fontes. As principais características são as seguintes:
(1) Tamanho pequeno, peso leve, economia de material e facilidade de transporte e movimentação.
(2) Alta eficiência e economia de energia, com uma eficiência de até 80% a 90%, economizando mais de um terço da eletricidade em comparação com as máquinas de solda tradicionais.
(3) Boas características dinâmicas, fácil início do arco, arco estável, bela formação de solda e menos respingos.
(4) Adequado para combinação com robôs para formar um sistema de produção de soldagem automática.
(5) Pode ser usado para várias finalidades, completando vários processos de soldagem e corte.
Devido à série de vantagens das fontes de energia do inversor mencionadas acima, ele se desenvolveu rapidamente desde seu surgimento no final da década de 1970. Em países industrializados, como os Estados Unidos e o Japão, seu escopo de aplicação é bastante amplo.
Os elementos de comutação usados nas fontes de energia do inversor agora incluem SCR (tiristor), GTR (transistor), MOSFET (transistor de efeito de campo) e IGBT (um tipo de elemento eletrônico que combina as vantagens do GTR e do MOSFET).
O IGBT tem o potencial de substituir outros elementos de comutação. A máquina de solda com inversor IGBT é um progresso significativo em tecnologia de soldagem e uma nova tendência de desenvolvimento.
O cabeçote da máquina de soldagem converte a saída de energia da fonte de energia de soldagem em calor de soldagem e o alimenta continuamente na unidade de soldagem. material de soldagem enquanto o cabeçote da máquina se move para frente para realizar a soldagem.
As pinças de soldagem elétrica usadas na soldagem a arco manual precisam ser empurradas manualmente para baixo e movidas para a frente para formar um cordão de solda à medida que a Vareta de solda derrete. As máquinas de solda automáticas têm mecanismos automáticos de alimentação de arame e mecanismos de movimentação do cabeçote da máquina para avançar o cabeçote da máquina.
Há dois tipos comumente usados: os tipos de carro e de suspensão.
Os cabeçotes de soldagem para soldagem por pontos e soldagem por projeção são os eletrodos e seus mecanismos de prensagem, que são usados para aplicar pressão e eletricidade à peça de trabalho.
Para soldagem de costuraPara que a peça de trabalho se mova, há um mecanismo de transmissão. Para solda de topoPara isso, são necessários acessórios estáticos e dinâmicos e mecanismos de fixação de acessórios, bem como acessórios móveis e mecanismos de perturbação.
A evolução das fontes de energia do inversor na tecnologia de soldagem é caracterizada por uma abordagem multifacetada, com foco em maior capacidade, redução de peso, eficiência aprimorada, modularização e sistemas de controle inteligentes. Esses avanços visam melhorar a confiabilidade e o desempenho e expandir as aplicações em vários processos de soldagem, incluindo soldagem a arco, soldagem por resistência e operações de corte.
A otimização da eficiência e a alta densidade de potência (miniaturização) continuam sendo os principais objetivos dos fabricantes internacionais de inversores de soldagem a arco. Para atingir esses objetivos, duas estratégias técnicas fundamentais são empregadas:
O amadurecimento da tecnologia de inversores de soldagem a arco operando em frequências em torno de 20 kHz tem sido particularmente evidente em regiões como o Japão e a Europa. Isso resultou em linhas de produtos serializados e de alta qualidade com as seguintes características:
Como a tecnologia continua avançando, as tendências emergentes incluem:
1.1 Razões para a geração de harmônicos
Desde o primeiro arco de tiristor de 300A inversor de solda a fonte de alimentação do inversor de soldagem a arco passou por um desenvolvimento significativo, experimentando a inversão do tiristor, a inversão do transistor de alta potência, a inversão do efeito de campo e a inversão do IGBT. Sua capacidade e desempenho foram bastante aprimorados.
Atualmente, a fonte de alimentação do inversor de soldagem a arco tornou-se o principal produto de equipamentos de soldagem nos países industrializados.
Como um dispositivo eletrônico de potência típico, embora a fonte de alimentação do inversor de soldagem a arco tenha as vantagens de tamanho pequeno, peso leve e bom desempenho de controle, seu circuito contém links de retificação e inversão, que causam distorção da forma de onda da corrente e geram um grande número de harmônicos de alta ordem.
Há uma séria mudança de fase entre a tensão de alta ordem e os harmônicos de corrente, o que resulta em um fator de potência muito baixo do soldador. Os principais motivos para a geração de harmônicos são os 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 soldagemSe a corrente de soldagem for de alta frequência, a corrente de soldagem pode chegar a várias centenas ou até milhares de amperes. Como a corrente gera um grande campo eletromagnético, especialmente em sistemas de fonte de alimentação de soldagem com alta frequência de inversão, os tubos retificadores, os transformadores de alta frequência, as oscilações do sistema de controle, a ignição de arco de alta frequência e os interruptores do tubo de alimentação produzirão forte interferência harmônica.
Além disso, quando o tungstênio Máquina de solda a arco de argônio usa ignição por arco de alta frequência, 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, portanto, a ignição por arco de alta frequência também é uma forte fonte de interferência harmônica.
Para as fontes de alimentação do inversor de soldagem a arco inteligente controladas por computadores, como a velocidade de operação do sistema de controle do computador usado aumenta, a própria placa de controle se tornou uma fonte de interferência harmônica, e requisitos mais altos foram colocados na fiação da placa de controle.
(2) Fontes de interferência externa da fonte de alimentação do inversor
A poluição na rede elétrica é uma interferência grave no sistema de fornecimento de energia porque as cargas aplicadas à rede elétrica variam constantemente, causando mais ou menos interferência harmônica na rede elétrica.
Equipamentos de grande porte podem causar distorção da forma de onda da tensão da rede elétrica, fatores acidentais podem causar interrupções momentâneas de energia e equipamentos de alta frequência podem gerar pulsos de alta frequência e componentes de pulso de pico na forma de onda da tensão da rede elétrica.
Além disso, na oficina de soldagem, devido à possibilidade de interconexão entre os fios de aterramento de diferentes fontes de alimentação de soldagem durante o uso, se as medidas correspondentes não forem tomadas, os sinais harmônicos com componentes de alta frequência podem entrar facilmente no sistema de controle, causando mau funcionamento ou até mesmo danificando a fonte de alimentação.
1.2 Características e perigos dos harmônicos
A fonte de alimentação do inversor de soldagem a arco é conhecida por sua conversão de energia de alta eficiência. Com o desenvolvimento de dispositivos de controle de energia em direções práticas e de grande capacidade, as fontes de alimentação do inversor de soldagem a arco também entrarão em uma era de alta frequência e grande capacidade.
Para a rede elétrica, a fonte de alimentação do inversor de soldagem a arco é essencialmente uma grande fonte de alimentação retificadora. Devido ao aumento e à queda brusca dos pulsos gerados pelos componentes eletrônicos de potência durante a comutação, ocorre uma interferência harmônica grave.
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 harmônicos de alta ordem na rede elétrica.
Há uma séria mudança de fase entre a tensão de alta ordem e os harmônicos de corrente, resultando em um fator de potência muito baixo do soldador. Atualmente, a distorção de baixa frequência é um problema comum em equipamentos eletrônicos de potência, chamando bastante atenção nos setores de comunicação e de eletrodomésticos.
Além disso, atualmente, os soldadores com inversor usam principalmente métodos de comutação rígida, causando inevitavelmente interferência harmônica no espaço durante o processo de comutação do componente de potência.
Essas interferências formam uma interferência conduzida por meio de acoplamento de campo próximo e campo distante, poluindo seriamente o ambiente eletromagnético circundante e o ambiente de fornecimento de energia, não apenas reduzindo a confiabilidade do próprio circuito do inversor, mas também afetando gravemente a qualidade operacional da rede elétrica e dos equipamentos adjacentes.
2.1 Filtros passivos (PF)
O método tradicional de supressão de harmônicos e compensação de potência reativa é a tecnologia de filtro passivo elétrico, também conhecida como método de filtragem indireta. Esse método envolve o uso de capacitores elétricos ou outros dispositivos passivos para construir um filtro passivo com cargas não lineares que precisam de compensação conectadas em paralelo, fornecendo um caminho de baixa impedância para harmônicos e, ao mesmo tempo, fornecendo a potência reativa necessária para a carga.
Especificamente, a onda senoidal distorcida de 50 Hz é decomposta na onda fundamental e em vários componentes harmônicos principais relacionados e, em seguida, usando 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 harmônicas principais para formar um caminho de baixa impedância e filtrá-las [2-3]. Ele se defende passivamente e reduz os danos dos harmônicos aos equipamentos elétricos que já foram gerados.
Os esquemas de filtragem passiva são tecnologias maduras e de baixo custo, mas também apresentam as seguintes desvantagens:
(1) o efeito de filtragem é afetado pela impedância do sistema;
(2) devido à frequência ressonante fixa, ele 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 potência pequena e média, os filtros passivos estão sendo gradualmente substituídos por filtros ativos.
2.2 Filtros ativos (AF)
Já no início da década de 1970, estudiosos propuseram o princípio básico dos filtros de potência ativos. No entanto, devido à falta de dispositivos de comutação de alta potência e tecnologias de controle correspondentes naquela época, só era possível usar correntes de compensação geradas por amplificadores lineares e outros métodos, que apresentavam pontos fracos fatais como baixa eficiência, alto custo 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 harmônica de grande capacidade e baixa perda, tornando prática a tecnologia de filtragem ativa.
Quando uma fonte harmônica aparece no sistema, uma corrente de compensação igual em magnitude e oposta em fase à corrente harmônica é gerada por algum método e conectada em paralelo com o circuito que se torna a fonte harmônica para cancelar o componente harmônico da fonte harmônica, permitindo que a corrente do lado CC contenha apenas o componente fundamental, sem componentes harmônicos.
Quando a corrente harmônica gerada pela fonte harmônica não pode prever qual é a corrente harmônica de ordem superior ou se altera a qualquer momento, o sinal de corrente harmônica ih é detectado a partir da corrente de carga il e, em seguida, modulado pelo modulador e convertido em uma corrente de controle de modo de comutação de acordo com um método especificado para operar o inversor de corrente para gerar a corrente de compensação ifm e injetá-la no circuito para cancelar a corrente harmônica ih.
O circuito principal do inversor geralmente usa 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 pelo estado ligado/desligado do dispositivo de comutação, gerando a corrente de compensação necessária.
Os filtros ativos elétricos são os dispositivos de energia mais promissores para suprimir os harmônicos da rede elétrica e compensar a energia reativa, melhorando a qualidade do fornecimento de energia.
Em comparação com os filtros passivos elétricos, eles têm as seguintes vantagens:
(1) a compensação dinâmica é obtida, e as mudanças na frequência e na magnitude da potência harmônica e reativa podem ser compensadas, com uma resposta muito rápida às mudanças no objeto de compensação;
(2) é possível a compensação simultânea de harmônicos e potência reativa, com o tamanho da potência reativa compensada continuamente ajustável;
(3) não é necessário nenhum dispositivo de armazenamento de energia para compensar a potência reativa, e a capacidade necessária do dispositivo de armazenamento de energia para compensar os harmônicos não é grande;
(4) Mesmo que a corrente compensada seja muito grande, o filtro ativo elétrico não sobrecarregará e poderá funcionar normalmente para compensação;
(5) não é facilmente afetado pela impedância da rede elétrica e não entra facilmente em ressonância com a impedância da rede elétrica;
(6) ele pode acompanhar as mudanças na frequência da rede elétrica, e o desempenho da compensação não é afetado pelas mudanças na frequência;
(7) Pode compensar um único harmônico e potência reativa ou concentrar-se na compensação de vários harmônicos e potência reativa.
À medida que a tecnologia de eletrônica de potência se desenvolve em direção à alta frequência e à alta densidade de potência, a perda de chaveamento e a interferência harmônica do hard switching tornam-se cada vez mais proeminentes.
A tecnologia de comutação suave é benéfica para qualquer conversor de energia de comutação em termos de melhoria da eficiência de conversão, utilização do dispositivo, melhoria da compatibilidade eletromagnética e confiabilidade do dispositivo.
Ela 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 detecção e estratégias de controle tem muitas vantagens, como baixo custo adicional, alta confiabilidade, alta eficiência de conversão e alta relação entre desempenho e preço.
No campo da fabricação de conversores de terminação única, ela basicamente estabeleceu uma posição de destaque.
Quanto à topologia, o método de indutância em série e capacitância paralela é o único meio de comutação suave passiva, e a chamada tecnologia de comutação suave passiva derivada dela é, na verdade, uma tecnologia de absorção sem perdas.
Com relação aos circuitos inversores de ponte, desde o tipo de absorção de energia inicial até o tipo de alimentação parcial proposto posteriormente e as soluções sem perdas, todos eles têm problemas como forte dependência de carga, faixa de frequência de trabalho estreita, alta tensão adicional, rede excessivamente complexa etc., o que torna sua praticidade relativamente baixa.
Ao mesmo tempo, sob a tendência de modularização dos dispositivos de energia de comutação, o espaço disponível para a colocação de elementos de absorção está ficando cada vez menor, e a tecnologia de absorção sem perdas adequada para módulos inversores raramente é vista na literatura.
De modo geral, a tecnologia de absorção passiva adequada para aplicações de módulos inversores ainda está em fase de pesquisa e desenvolvimento devido à sua estrutura e dificuldade especiais.
As fontes de alimentação do inversor de soldagem a arco geram uma grande quantidade de harmônicos, que podem causar sérios danos.
Para suprimir os harmônicos e melhorar o fator de potência, devem ser tomadas as medidas de supressão correspondentes. O método tradicional de filtro passivo tem limitações óbvias, o que restringe sua aplicação, enquanto o método de filtro ativo pode compensar as deficiências dos filtros passivos, suprimindo efetivamente os harmônicos nas fontes de alimentação do inversor de soldagem a arco e tem sido amplamente utilizado. A tecnologia de comutação suave também pode obter bons efeitos de filtragem até certo ponto.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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