Tipos de inversores de soldadura por arco: Los 5 que deben saber los profesionales de la soldadura | MachineMFG

Tipos de inversores para soldadura por arco: 5 cosas que deben saber los profesionales de la soldadura

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Inversor de soldadura por arco basado en tiristores

¿Qué es un inversor de soldadura por arco basado en tiristores?

El tubo de conmutación de alta potencia y alto voltaje que utiliza tiristores rápidos (SCR) como circuito inversor principal y se controla mediante su ángulo de disparo para la soldadura por arco se conoce comúnmente como basado en tiristores inversor de soldadura por arco. Se controla mediante el ángulo de disparo y también puede denominarse inversor de soldadura por arco controlado por ángulo de disparo.

La investigación sobre inversores de soldadura por arco basados en tiristores ya había dado resultados y se había publicado a finales de la década de 1970. A principios y mediados de la década de 1980, experimentó un desarrollo significativo en términos de capacidad, de mediana a gran capacidad; de la soldadura por arco con electrodo a la soldadura CO2/MAG, la soldadura por arco sumergido, y soldadura por resistencia; de la soldadura de CC a la soldadura de CA de onda cuadrada; del control electrónico al control por microordenador y digital, y sus campos de aplicación siguieron ampliándose.

La frecuencia del inversor oscila entre varios kilohercios y decenas de kilohercios (con resonancia).

Sin embargo, a finales de la década de 1980, fue sustituido gradualmente por tecnologías más modernas, como los inversores de soldadura por arco basados en transistores de efecto de campo e IGBT, debido a su baja frecuencia, su escaso rendimiento de control y las interferencias de ruido.

Su proporción de aplicación disminuyó gradualmente, pero sigue ocupando una cierta posición en el mundo.

Cabe señalar que la aparición de nuevos tipos de tiristores, como el tiristor de inducción estática (SITH) y el tiristor de cierre de puerta (GTO), cambiará su posición y contribuirá a su desarrollo y promoción continuos.

Principales componentes y principios básicos

En la figura 1 se muestran los componentes principales y el diagrama de principio básico del inversor de soldadura por arco basado en tiristores.

Figura 1: Diagrama de bloques de los componentes principales y principio básico del inversor de soldadura por arco basado en tiristores.

Los principales componentes del circuito y sus funciones son los siguientes:

(1) Rectificador de entrada (UR1): Se trata de un puente rectificador monofásico o trifásico común. Convierte la tensión alterna de 50 Hz o 60 Hz en tensión continua.

(2) Filtro de entrada (LC1): El filtro está compuesto por un inductor tipo gap y un condensador, que hace que la tensión continua de entrada sea relativamente suave.

(3) Grupo de tiristores rápidos de alta potencia VH: Actúa como un interruptor electrónico de alta potencia y alta tensión, invirtiendo la tensión (corriente) de CC en tensión (corriente) de frecuencia intermedia de varios kilohercios.

(4) Transformador de frecuencia intermedia (T): Convierte la alta tensión y la baja corriente en una salida de baja tensión y alta corriente adecuada para el proceso de soldadura. Normalmente, el material del núcleo es de ferrita, aleación amorfa, aleación nanocristalina o acero al silicio de alto valor ρ.

(5) Rectificador de salida (UR2): Rectifica la CA de frecuencia intermedia de baja tensión en CC.

(6) Filtro de salida (LC2): Hace que la tensión continua con alto coeficiente de rizado sea relativamente suave. Sin embargo, es diferente del filtro de entrada porque la frecuencia de ondulación del filtro de entrada es de 100 Hz a 300 Hz, mientras que la frecuencia de ondulación del filtro de salida es de varios kilohercios a decenas de kilohercios, por lo que se necesita un dispositivo de filtro de frecuencia intermedia.

(7) Circuito de control de disparo (ZD): Genera señales de impulso de control de disparo para el grupo de tiristores VH.

(8) Fuente de alimentación estabilizadora de tensión y circuito de funcionamiento (MZ): Proporciona una fuente de alimentación estabilizadora de tensión para el circuito de control de disparo, el circuito de funcionamiento y el circuito de comparación de realimentación.

(9) Circuito de comparación de realimentación (MG): Toma una señal de realimentación negativa de tensión y corriente de arco del circuito de salida en una determinada proporción, la compara y amplifica con la tensión (estándar) dada, y proporciona señales de control para que el circuito de accionamiento del disparador cambie la tensión y la corriente de salida para cumplir los requisitos del proceso de soldadura.

Características y aplicaciones

El uso de tiristores de alta potencia como elementos de conmutación: En épocas anteriores, ya se fabricaban tiristores de alta capacidad, alta tensión y alto rendimiento, que normalmente sólo requerían uno o un par de tiristores de bajo coste.

Sin embargo, debido a la limitación del tiempo de desconexión del tiristor, la frecuencia nominal de funcionamiento del inversor suele estar comprendida entre 2000 Hz y 5000 Hz. Dentro de este rango de frecuencias, existe un ruido significativo, especialmente durante la soldadura por arco de CA, donde el ruido del arco tiene un cierto impacto en el cuerpo humano.

Características comunes compartidas con los inversores de soldadura por arco generales: En comparación con los generadores de soldadura por arco y los rectificadores de soldadura por arco, el inversor de soldadura por arco basado en tiristores tiene las ventajas de una alta eficiencia, ahorro de energía, peso ligero, pequeño volumen, alto factor de potencia y buen rendimiento de soldadura por arco.

Inversor de soldadura por arco transistorizado

¿Qué es un inversor de arco transistorizado?

Un inversor de soldadura por arco transistorizado es un tipo de inversor de soldadura por arco que utiliza transistores como interruptores de potencia. Pertenece al tipo de inversores de soldadura por arco controlados por corriente. La aparición del inversor de soldadura por arco controlado por ángulo de fase contribuyó sin duda a impulsar la revolución de la soldadura por arco. potencia de soldadura fuentes. Sin embargo, como ya se ha mencionado, las limitaciones de los tiristores como interruptores electrónicos de alta potencia, como la lenta velocidad de conmutación, la baja frecuencia de inversión, el escaso rendimiento del control y el ruido, han restringido su desarrollo.

Por lo tanto, los científicos y los técnicos de ingeniería empezaron a buscar un componente de conmutación electrónico de alta potencia con una velocidad de conmutación rápida y un buen rendimiento de control para superar las deficiencias de los inversores de soldadura por arco basados en tiristores. Así, en la historia del desarrollo de las fuentes de potencia de soldadura por arco con inversor, los componentes del interruptor de potencia del inversor han evolucionado de los tiristores a los GTR, y más tarde a los MOSFET y a los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), entre otros.

Un inversor que utiliza transistores (o grupos de transistores) como componentes de conmutación electrónicos de alta potencia y que utiliza el control de corriente al tiempo que posee las propiedades eléctricas necesarias para los procesos de soldadura por arco se denomina inversor de soldadura por arco controlado por corriente, comúnmente conocido como inversor de soldadura por arco transistorizado.

Principales componentes y principios básicos

Principales componentes y sus funciones

En la figura 2 se muestran los principales componentes y principios de funcionamiento de un circuito inversor de soldadura por arco transistorizado. Todo el circuito principal puede dividirse en dos partes principales: el circuito principal del inversor y el circuito de control de accionamiento.

Figura 2: Esquema de un inversor de soldadura por arco transistorizado

(1) Circuito principal del inversor: Incluye el sistema de alimentación eléctrica, el sistema de alimentación electrónica y el arco de soldadura, que convierten y transfieren energía de la red eléctrica al circuito de carga (arco) (incluido el circuito principal del inversor).

(2) Circuito de control de accionamiento: Incluye el sistema de control electrónico (circuito de control electrónico, conductor de grupo de transistores, regulador de tensión, circuito de control de programa) y circuito característico de soldadura por arco (circuito de detección de realimentación M, circuito dado G, circuito de comparación, amplificador N).

El circuito de control de accionamiento proporciona una tensión de impulso de onda rectangular, que es amplificada por el circuito de accionamiento para garantizar que el interruptor de alta tensión, un grupo de transistores de alta potencia, tenga una corriente de base suficientemente grande para lograr la conducción de saturación y reducir la caída de tensión. Esto es crucial para los transistores controlados por corriente.

El voltaje de pulso de onda rectangular es proporcionado por un circuito oscilador de reloj o un generador de ancho de pulso constante. Con la ayuda del circuito de detección de retroalimentación, el circuito dado, el circuito de comparación y el circuito de amplificación, etc., se logra el control de bucle cerrado del inversor de soldadura por arco transistorizado, y se obtienen las características externas requeridas y las características de ajuste (ajuste de parámetros de proceso), las características dinámicas y la forma de onda del pulso de salida.

Principio básico de funcionamiento

Básicamente, un inversor de soldadura por arco transistorizado es también un tipo de fuente de potencia de soldadura de tensión y corriente constantes (CV/CC) conmutadas.

Desde el punto de vista de su principio básico, puede remontarse a los rectificadores de soldadura por arco de tipo amplificador magnético, controlados por fase de tiristor y rectificadores de soldadura por arco conmutados por transistor presentados anteriormente, todos los cuales son fuentes de potencia conmutadas.

Sin embargo, sus componentes de conmutación de alta potencia están conectados en serie con el circuito de carga, y la regulación y estabilización de la tensión y la corriente de salida se consiguen ajustando la caída de tensión y la relación de tiempo de conexión y desconexión (relación de tiempo) del grupo de transistores de potencia.

Por lo tanto, para las condiciones del proceso de soldadura de baja tensión de salida y alta corriente, una gran cantidad de potencia es soportada por el grupo de transistores de potencia, lo que resulta en una baja eficiencia. Además, la frecuencia de funcionamiento del transformador principal es de 50 Hz, lo que se traduce en un gran tamaño y peso.

En cambio, el inversor de soldadura por arco transistorizado es una novedosa fuente de potencia conmutada, con el grupo de transistores de potencia trabajando en el lado primario con alta tensión y baja corriente. La frecuencia de funcionamiento del transformador principal puede alcanzar los 16-25kHz, lo que se traduce en una eficiencia mucho mayor y un tamaño significativamente reducido.

La frecuencia de inversor más utilizada es de 20 kHz, lo que supone otro ejemplo de la "revolución de la tecnología energética de 20 kHz".

La principal característica del inversor de soldadura por arco transistorizado es el uso de un "grupo de transistores de conmutación de alta potencia" en lugar de "tiristores de alta potencia" como componentes de conmutación de alta potencia del inversor, y el uso de un "oscilador de reloj" y un "circuito V/W" en lugar de un "generador de ancho de pulso constante" y un "circuito V/F".

La modulación por ancho de impulsos se utiliza para el control y la modulación, y el control de bucle cerrado del inversor de soldadura por arco transistorizado se consigue mediante circuitos de detección de realimentación, circuitos dados, circuitos de comparación, circuitos de amplificación, etc.

Como resultado, se obtienen las características externas y de ajuste deseadas (ajuste de los parámetros del proceso), las características dinámicas y la forma de onda del impulso de salida.

Clasificación, características y aplicaciones

Clasificación

La tecnología del inversor de soldadura por arco transistorizado puede clasificarse desde distintos ángulos.

Según la forma de la curva característica externa, puede dividirse en característica de tensión constante, característica de corriente constante, característica de caída lenta, característica de doble paso, característica de corriente constante más arrastre externo, etc.

Según la tensión del arco de salida y la forma de onda de la corriente, puede dividirse en CC, impulsos, CA de onda rectangular, etc.

Según la forma del circuito principal del inversor, se puede dividir en circuito principal de inversor positivo de un solo extremo, circuito principal de inversor positivo de doble extremo, circuito principal de inversor de medio puente, circuito principal de inversor de puente completo y circuito principal de inversor paralelo (push-pull) de uso poco frecuente.

Características

En comparación con el inversor de soldadura por arco de tiristores, el inversor de soldadura por arco de transistores presenta las siguientes características y ventajas debido al mejor rendimiento de los transistores de conmutación de alta potencia:

  • La frecuencia de trabajo del inversor es relativamente alta, superando los 16 kHz (normalmente 20 kHz), lo que no sólo elimina la influencia del ruido, sino que también ayuda a reducir aún más el peso y el tamaño.
  • El método de "modulación de frecuencia fija" (PWM) se utiliza para regular y controlar las características externas, lo que puede ajustar los parámetros de las especificaciones de soldadura suavemente sin necesidad de ajustes gruesos o cambios de marcha, y es fácil de manejar.
  • El rendimiento de control es relativamente bueno. Los parámetros de control del inversor de soldadura por arco de tiristores están limitados por los parámetros del circuito principal (como L, C, etc.), y el apagado es más problemático. El inversor de soldadura por arco de transistor adopta un control de tipo corriente, que controla el interruptor del transistor mediante la corriente de base, y tiene un buen rendimiento de control. No hay problemas de apagado, y el control es relativamente flexible, con menos influencia de los parámetros del circuito principal.

Inversor de soldadura por arco con transistor de efecto de campo

¿Qué es un inversor de soldadura por arco con transistor de efecto de campo?

Aunque la aparición de los inversores de soldadura por arco de transistores ha aumentado la frecuencia de inversión hasta el nivel de 20 kHz, lo que favorece la mejora de la eficacia y la reducción del volumen y el peso, sufren de averías secundarias y requieren un accionamiento de gran corriente (tipo de control de corriente).

Por ello, los tecnólogos han buscado activamente un interruptor de potencia con mejores prestaciones para sustituirlo, que es el transistor de efecto de campo de alta potencia (MOSFET).

Pertenece al tipo de control de tensión, conocido como inversor de soldadura por arco de control de tensión, comúnmente conocido como inversor de soldadura por arco de transistor de efecto de campo (MOSFET). Para lograr el control de conmutación de los transistores de efecto de campo de potencia, solo se necesita la tensión de conducción de control y una corriente instantánea diminuta, y la velocidad de conmutación es más rápida sin avería secundaria.

Componentes principales y principios básicos de funcionamiento

Los componentes principales y los principios básicos del inversor de soldadura por arco MOSFET son similares a los de los inversores de tipo transistor. Su diagrama de bloques principal se muestra en la Figura 3.

Figura 3 Diagrama de bloques de los principales componentes y principios del inversor de soldadura por arco MOSFET.

También utiliza el método de regulación de "modulación por ancho de pulsos (PWM) de frecuencia fija". La frecuencia de inversión del inversor de tipo transistor suele fijarse en torno a 20kHz, mientras que el inversor de tipo MOSFET suele utilizar 40-50kHz, pero también hay frecuencias superiores a 50kHz.

Los métodos de adquisición de sus características externas y de regulación (ajuste de los parámetros de regulación) también se consiguen controlando la variación (ajuste) de la anchura del impulso de conducción, incluida la modulación de baja frecuencia de la forma de onda del impulso de salida.

Además, el circuito de filtro del rectificador de entrada, los tipos básicos de circuito principal del inversor, el circuito de filtro de salida, el circuito de control de bucle cerrado con realimentación y su principio, son básicamente los mismos. Por lo tanto, no vamos a profundizar más en ellos.

Características, clasificación y aplicaciones

Características del inversor de soldadura por arco MOSFET

Se analizan las características del uso del transistor de efecto de campo (MOSFET) como interruptor electrónico de potencia. En comparación con el transistor, el MOSFET dota al inversor de soldadura por arco de las siguientes ventajas y características destacadas:

(1) Potencia de control extremadamente pequeña: El MOSFET tiene una alta resistencia de entrada de CC de puerta-fuente, y se adopta el control de tensión. Desde la perspectiva del acoplamiento de potencia, el inversor de soldadura por arco MOSFET puede controlarse directamente mediante un microordenador a través de las interfaces A/D y D/A, y el circuito de control puede simplificarse, lo que constituye la persecución de los circuitos de control modernos.

(2) Amplio rango de trabajo fiable.

(3) Tiempo de conmutación extremadamente corto.

(4) Funcionamiento en paralelo multitubo relativamente sencillo: Dado que el MOSFET tiene un coeficiente de temperatura positivo, el funcionamiento en paralelo no requiere una resistencia de reparto de corriente en serie.

Clasificación y aplicación

El inversor de soldadura por arco MOSFET puede clasificarse en función de las características externas, así como en tipos de salida de CC, pulsos y CA de onda rectangular.

Este tipo de inversor de soldadura por arco tiene un significado universal, que puede ser utilizado no sólo para la soldadura manual de varillas de soldadura por arco, soldadura por arco de tungsteno argón, electrodo de fusión soldadura con gas de protecciónNo sólo para la soldadura y el corte por arco de plasma, sino también para la soldadura de alto rendimiento y precisión, como la soldadura mecanizada, la soldadura automatizada y la soldadura robotizada, mediante la obtención de diversas características externas a través de diferentes voltajes de arco, retroalimentación de corriente y relaciones de adaptación.

Además, su rendimiento de soldadura y multifuncionalidad pueden mejorarse en gran medida mediante el control digital e inteligente.

Debido a la potencia limitada del MOSFET, se suele utilizar en situaciones de potencia pequeña y media, especialmente para baja potencia. Aumentando la frecuencia del inversor a 100-200kHz, un inversor de soldadura por arco MOSFET de 100A puede convertirse en sólo 3,4kg.

Es un auténtico bolsillo fuente de alimentación para soldadura al arco parece una obra de arte.

Inversor de soldadura por arco IGBT

¿Qué es un inversor de arco Igbt?

Un inversor de soldadura por arco IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) es un tipo de inversor de soldadura por arco basado en transistores que utiliza transistores de efecto de campo en lugar de transistores tradicionales como interruptor electrónico de potencia. Ofrece varias ventajas, como un control de potencia mínimo, una velocidad de conmutación rápida, la ausencia de averías secundarias y una mayor frecuencia del inversor.

Sin embargo, el uso de transistores de efecto de campo también presenta algunos inconvenientes, como una menor capacidad de producción, una mayor resistencia del canal, una menor resistencia a la tensión y una menor corriente nominal de funcionamiento. Para solucionar estos problemas, los fabricantes y las unidades de investigación han desarrollado transistores de conmutación de potencia IGBT combinando la alta capacidad de los transistores tradicionales y el control de tensión de los transistores de efecto de campo.

Los transistores de conmutación de potencia IGBT tienen transistores de mayor capacidad y son relativamente más fáciles de producir y depurar, por lo que están ganando rápidamente una amplia adopción y aplicación en la industria. Los inversores de soldadura que utilizan transistores de conmutación de potencia IGBT también se conocen como inversores de soldadura por arco IGBT, que son un tipo de inversor controlado por tensión. Sin embargo, la frecuencia de inversión de los inversores de soldadura por arco IGBT no es tan alta como la de los inversores basados en MOSFET.

Los inversores de soldadura por arco basados en MOSFET e IGBT tienen cada uno sus propias características y se han convertido en nuevos tipos de soldadura fuentes de energía ampliamente desarrolladas y promovidas.

Componentes principales y principio básico de funcionamiento

En la Figura 4 se muestran los principales componentes y el principio básico de funcionamiento de un inversor de soldadura por arco IGBT. En comparación con los inversores de soldadura basados en MOSFET y los tradicionales basados en transistores, el Inversor IGBT tiene un tamaño y una estructura básica diferentes, pero todos utilizan el método de control PWM de "modulación por ancho de pulsos de frecuencia fija".

Figura 4: Diagrama esquemático de los principales componentes y principio básico de funcionamiento de un inversor de soldadura por arco IGBT.

La principal diferencia es que se utilizan transistores IGBT en lugar de MOSFET o transistores tradicionales, y la frecuencia del inversor ronda los 20-25kHz (mientras que los inversores basados en MOSFET pueden alcanzar los 50kHz o más). Los transistores IGBT utilizan el control por tensión, y un solo transistor tiene capacidad suficiente, por lo que no es necesario el funcionamiento en paralelo de varios transistores.

Las características externas del inversor IGBT, las características de regulación (regulación de parámetros estándar) y la adquisición y el control de la forma de onda de salida también se consiguen mediante cambios (conversión, modulación) en la anchura del impulso, incluida la modulación de baja frecuencia de la forma de onda del impulso de salida.

En cuanto a los tipos básicos del circuito de filtro rectificador de entrada, el circuito principal del inversor (varios tipos), el circuito de filtro de salida, el circuito de control de bucle cerrado con realimentación negativa y sus principios, son esencialmente los mismos que los inversores de soldadura basados en MOSFET.

Clasificación y aplicaciones de los inversores de soldadura por arco Igbt

Los inversores de soldadura por arco basados en IGBT pueden clasificarse según sus características externas o según sus tipos de salida, como CC, impulsos y CA de onda cuadrada.

Ambos tipos de inversores de soldadura tienen una importancia universal y pueden utilizarse no sólo para procesos de soldadura a gran escala y de amplio alcance, como la soldadura por arco con electrodo de varilla, la soldadura por arco con tungsteno argón, la soldadura con electrodo de fusión protegido con gas, la soldadura por arco de plasma y el corte, sino también para procesos de soldadura automática por arco sumergido de hilo simple/doble de alta potencia que van de 1250 A a 2000 A, el ranurado por aire de arco y la soldadura por arco robotizada, así como la soldadura MIG/MAG/pulso de hilo doble y la soldadura por arco sumergido de tres hilos, entre otros.

Inversor de soldadura por arco de conmutación suave

¿Qué es un inversor de soldadura por arco de conmutación suave?

Los dispositivos de potencia de la fuente de alimentación para soldadura por arco funcionan y se controlan en modo analógico o conmutado. Existen dos tipos de fuentes de alimentación de soldadura por arco en modo conmutado: conmutación dura y conmutación suave. La primera utiliza principalmente la tecnología de control de modulación por ancho de pulsos (PWM), y los dispositivos de potencia funcionan en un estado de apagado forzado (la corriente no es cero) o de encendido forzado (la tensión no es cero).

Debido a la existencia de capacitancia e inductancia parásitas en el circuito, los dispositivos de conmutación de potencia se encienden y apagan con valores de corriente y tensión de trabajo distintos de cero o incluso superiores, lo que provoca elevadas pérdidas de conmutación. Estas pérdidas aumentan proporcionalmente con la frecuencia, reduciendo significativamente la eficiencia del circuito e incluso provocando su mal funcionamiento.

Los inversores de soldadura por arco de diseño tradicional tienen dificultades para resolver fundamentalmente estos problemas. Sin embargo, los inversores de soldadura por arco de conmutación suave utilizan la tecnología de conversión de corriente resonante, en la que los dispositivos de potencia se encienden o apagan de forma natural en condiciones de tensión o corriente cero.

Esta tecnología supera esencialmente las desventajas de las fuentes de alimentación de soldadura por arco de conmutación dura, reduce en gran medida las pérdidas por conmutación y minimiza las interferencias electromagnéticas (EMI) y las interferencias de radiofrecuencia (RFI).

También reduce el peso del inversor, aumenta la frecuencia, disminuye el volumen de transformadores, inductores y condensadores del circuito, reduce el rizado de salida y mejora la densidad de potencia y el rendimiento dinámico del sistema.

Por lo tanto, la aplicación de la tecnología de conmutación suave, especialmente en los inversores de soldadura por arco, está cada vez más extendida, llevando el suministro eléctrico de soldadura por arco a un nuevo nivel. Los inversores de soldadura por arco de conmutación suave son un desarrollo prometedor en este campo, y esta sección se centrará en su discusión.

Forma básica y principio de funcionamiento del circuito principal del inversor de conmutación suave

Los componentes principales y los principios básicos del inversor de soldadura por arco de conmutación suave son similares a los del inversor de soldadura por arco de conmutación dura. La principal diferencia radica en los detalles de la estructura del circuito principal del inversor y el método de ajuste del circuito de control y accionamiento.

La tecnología de conversión de corriente resonante con modo de funcionamiento de conmutación suave puede controlarse mediante dos métodos: control de frecuencia variable y control de frecuencia constante. El análisis y el diseño del circuito de control de frecuencia variable son complejos y susceptibles a las interferencias, y el rango de salida es pequeño con una baja utilización de componentes magnéticos.

El control de frecuencia constante se basa en el sistema PWM de uso común, en el que un inductor resonante y un condensador están conectados en serie en el circuito principal del inversor. El sistema de control utiliza una onda cuadrada desfasada para accionar los dispositivos de conmutación, basándose en el diodo de libre circulación para lograr un control de conmutación suave de los dispositivos de potencia.

En el circuito principal del inversor de puente completo, los dispositivos de conmutación de potencia de las líneas diagonales no se encienden y apagan al mismo tiempo, sino que se escalonan con un intervalo de tiempo para lograr el apagado por corriente cero o el encendido por tensión cero. El control de la tensión o corriente de salida se consigue ajustando el ciclo de trabajo del puente.

Este método de control es relativamente fácil de diseñar, tiene un mayor rango de salida y una estructura de circuito relativamente sencilla, por lo que es más adecuado para aplicaciones de inversores de soldadura por arco.

Forma básica del circuito principal del inversor de conmutación suave

En la actualidad, existen varias formas básicas comunes de circuito principal de inversor de conmutación suave, entre las que se incluyen:

  • Circuito principal del inversor resonante con conmutación de corriente cero (ZCS).
  • Circuito principal del inversor resonante de conmutación por tensión cero (ZVS).
  • Circuito principal del convertidor multirresonante (MRC).
  • Circuito principal del inversor resonante en serie.
  • Circuito principal del inversor resonante paralelo.
  • Circuito principal del inversor resonante de bus de CC.
  • Circuito principal del inversor resonante con control de cambio de fase.

Principio de funcionamiento del circuito principal del inversor de conmutación suave

Para elegir el circuito principal de inversor de conmutación suave adecuado para la fuente de alimentación de soldadura por arco, es necesario presentar en detalle los siguientes cuatro circuitos principales básicos de inversor de conmutación suave:

Figura 6: Circuitos de conmutación de corriente cero (ZCS), conmutación de tensión cero (ZVS) y circuito multirresonante (MRC).
a) ZCS b) ZVS c) MRC

(1) Circuito principal del inversor resonante con conmutación de corriente cero (ZCS)

Como se muestra en la Figura 6a, ZCS se refiere al uso de la forma de onda de corriente en el elemento resonante LC auxiliar y los dispositivos de potencia para hacer que los dispositivos de potencia se apaguen naturalmente en condiciones de corriente cero, logrando la conmutación natural de los dispositivos.

(2) Circuito principal del inversor resonante con conmutación de tensión cero (ZVS)

Como se muestra en la Figura 6b, ZVS se refiere al uso de la forma de onda de tensión en el inductor y el condensador del elemento resonante auxiliar y los dispositivos de potencia para reducir la tensión de capacitancia de salida de los dispositivos de potencia a cero antes de encender los dispositivos, creando condiciones de tensión cero para encender los dispositivos y eliminando las pérdidas de conmutación relacionadas con la capacitancia de salida parásita de los dispositivos, aumentando así en gran medida la frecuencia de conmutación.

Sin embargo, la ZVS tiene dos inconvenientes. Uno es la gran tensión que soporta el dispositivo, que es proporcional al rango de carga, lo que dificulta la obtención de ZVS para un amplio rango de cargas. El otro se debe a que el diodo rectificador oscila con el condensador resonante.

Si se trata de una oscilación amortiguadora, provocará una gran pérdida de potencia a altas frecuencias. Si se trata de una oscilación no amortiguadora, tendrá un efecto desfavorable en la ganancia de tensión del inversor y puede provocar una oscilación en bucle cerrado.

(3) Circuito principal del inversor multirresonante

Como se muestra en la Figura 6c, el circuito principal del inversor multirresonante consiste en combinar las características de ZVS y ZCS en una única estructura de conmutación. El condensador resonante está tanto en paralelo con el dispositivo de conmutación como en paralelo con el diodo, haciendo que tanto el dispositivo de conmutación como el diodo sean conmutadores de tensión cero.

La principal ventaja es que todos los principales parámetros parásitos (capacitancia de salida del dispositivo de potencia, capacitancia de unión del diodo, inductancia de fuga del transformador, etc.) se integran en el circuito resonante, lo que hace que todos los dispositivos del circuito conduzcan cuando la tensión es cero, reduciendo así las pérdidas por conmutación y mejorando la eficacia del trabajo.

El inconveniente de los tres circuitos anteriores es que funcionan con una frecuencia variable, lo que provoca tensiones de tensión y corriente elevadas en los dispositivos.

El circuito principal del inversor resonante en serie, el circuito del inversor de medio puente y puente completo en paralelo y el circuito principal del inversor de clase E están más estrechamente relacionados con la estructura del circuito principal del inversor de soldadura por arco de conmutación suave.

El circuito principal del inversor clase E es una versión mejorada del circuito amplificador clase E y está modificado a partir del inversor resonante en serie. Su circuito se muestra en la Figura 7.

Figura 7: Circuito principal del inversor Clase E

La ventaja del circuito principal del inversor de clase E es que elimina las pérdidas por conmutación y reduce las interferencias electromagnéticas. La principal desventaja es que hay un gran pico de corriente que fluye a través del interruptor, y el dispositivo de conmutación soporta un gran estrés de tensión.

(4) Circuito principal del inversor de puente completo con control de cambio de fase

Desde que se propuso a finales de la década de 1980, el circuito de conmutación suave de puente completo controlado por desplazamiento de fase ha recibido cada vez más atención y se ha convertido en un tema candente de investigación y aplicación. El circuito de conmutación suave de puente completo con desplazamiento de fase combina a la perfección dos topologías de circuito, la conmutación suave resonante y la PWM.

La conmutación resonante se consigue durante el proceso de conmutación del dispositivo de conmutación de potencia, garantizando unas pérdidas de conmutación más bajas, mientras que después de que se encienda el dispositivo de conmutación, se proporciona una tensión y una corriente de onda cuadrada utilizando la modulación PWM. En función de las características de la forma de onda de conmutación, el circuito de conmutación suave de puente completo controlado por desplazamiento de fase puede dividirse en conmutación suave de tensión cero de puente completo y conmutación suave de tensión cero y corriente cero.

El circuito principal y la temporización de la señal de conducción del circuito inversor de puente completo controlado por desplazamiento de fase se muestran en la Figura 8:

Figura 8: Circuito principal controlado por desplazamiento de fase y diagrama de temporización de la señal de control.
a) Circuito principal controlado por cambio de fase b) Diagrama de temporización de la señal motriz.

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