Tipi di inverter per saldatura ad arco: 5 must da conoscere per i professionisti della saldatura

Immaginate di poter migliorare il vostro processo di saldatura con un dispositivo efficiente, affidabile e versatile. Gli inverter per la saldatura ad arco stanno trasformando il settore della saldatura grazie a tecnologie avanzate come tiristori, transistor, MOSFET, IGBT e tecniche di commutazione morbida. Questo articolo esplora cinque tipi di inverter per la saldatura ad arco, evidenziandone le caratteristiche e le applicazioni uniche. Scoprite come queste innovazioni possono migliorare le prestazioni di saldatura, ridurre il peso e risparmiare energia. Immergetevi per scoprire come sfruttare questi strumenti all'avanguardia per ottenere risultati di saldatura superiori.

Indice dei contenuti

Inverter di saldatura ad arco a tiristori

Che cos'è un inverter di saldatura ad arco a tiristori?

Il tubo di commutazione ad alta potenza e alta tensione che utilizza tiristori veloci (SCR) come circuito principale dell'inverter ed è controllato dall'angolo di innesco per la saldatura ad arco è comunemente noto come tubo a tiristori. inverter per saldatura ad arco. È controllato dall'angolo di attivazione e può essere chiamato anche inverter di saldatura ad arco controllato dall'angolo di attivazione.

La ricerca sugli inverter per la saldatura ad arco basati su tiristori aveva già prodotto risultati ed era stata riportata alla fine degli anni Settanta. All'inizio e alla metà degli anni '80 si è assistito a uno sviluppo significativo in termini di capacità, da media a grande; dalla saldatura ad arco a elettrodo alla saldatura CO2/MAG, alla saldatura ad arco sommerso e alla saldatura ad arco sommerso. saldatura a resistenzadalla saldatura in corrente continua alla saldatura in corrente alternata a onda quadra; dal controllo elettronico al microcomputer e al controllo digitale, e i suoi campi di applicazione hanno continuato ad espandersi.

La frequenza dell'inverter varia da alcuni kilohertz a decine di kilohertz (con risonanza).

Tuttavia, alla fine degli anni '80, è stato gradualmente sostituito da tecnologie più recenti, come gli inverter per saldatura ad arco basati su transistor a effetto campo e IGBT, a causa della bassa frequenza, delle scarse prestazioni di controllo e delle interferenze di rumore.

La sua percentuale di applicazione è gradualmente diminuita, ma mantiene ancora una certa posizione nel mondo.

Va notato che l'emergere di nuovi tipi di tiristori, come il tiristore a induzione statica (SITH) e il tiristore a disattivazione di gate (GTO), cambierà la sua posizione e contribuirà al suo continuo sviluppo e alla sua promozione.

Componenti principali e principi di base

I componenti principali e lo schema di principio dell'inverter di saldatura ad arco a tiristori sono mostrati nella Figura 1.

Figura 1: Schema a blocchi dei componenti principali e principio di base dell'inverter di saldatura ad arco a tiristori.

I componenti principali del circuito e le loro funzioni sono i seguenti:

(1) Raddrizzatore d'ingresso (UR1): È un comune ponte raddrizzatore monofase o trifase. Converte la tensione alternata a 50 o 60 Hz in tensione continua.

(2) Filtro di ingresso (LC1): Il filtro è composto da un induttore di tipo gap e da un condensatore, che rende la tensione CC in ingresso relativamente regolare.

(3) Gruppo di tiristori veloci ad alta potenza VH: agisce come interruttore elettronico ad alta potenza e alta tensione, invertendo la tensione (corrente) continua in tensione (corrente) a frequenza intermedia di diversi kilohertz.

(4) Trasformatore a frequenza intermedia (T): Converte l'alta tensione e la bassa corrente in un'uscita a bassa tensione e alta corrente, adatta al sistema di controllo della corrente. processo di saldatura. In genere, il materiale del nucleo è costituito da ferrite, lega amorfa, lega nanocristallina o acciaio al silicio ad alto valore ρ.

(5) Raddrizzatore di uscita (UR2): Raddrizza la corrente alternata a bassa tensione e frequenza intermedia in corrente continua.

(6) Filtro di uscita (LC2): Rende relativamente omogenea la tensione CC con un elevato coefficiente di ondulazione. Tuttavia, è diverso dal filtro di ingresso perché la frequenza di ondulazione del filtro di ingresso è compresa tra 100 e 300 Hz, mentre la frequenza di ondulazione del filtro di uscita è compresa tra diversi kilohertz e decine di kilohertz.

(7) Circuito di pilotaggio del controllo di trigger (ZD): Genera segnali di impulso di comando per il gruppo di tiristori VH.

(8) Alimentazione di stabilizzazione della tensione e circuito di funzionamento (MZ): Fornisce un'alimentazione di stabilizzazione della tensione per il circuito di pilotaggio del controllo di attivazione, il circuito di funzionamento e il circuito di confronto del feed-back.

(9) Circuito di confronto di feedback (MG): Prende un segnale di retroazione negativo di tensione e corrente d'arco dal circuito di uscita in una certa proporzione, lo confronta e lo amplifica con la tensione data (standard) e fornisce segnali di controllo per il circuito di pilotaggio del trigger per modificare la tensione e la corrente di uscita in modo da soddisfare i requisiti del sistema. processo di saldatura.

Caratteristiche e applicazioni

L'uso di tiristori ad alta potenza come elementi di commutazione: In passato venivano già prodotti tiristori ad alta capacità, alta tensione e alte prestazioni, che di solito richiedevano solo uno o una coppia di tiristori a basso costo.

Tuttavia, a causa della limitazione del tempo di spegnimento del tiristore, la frequenza operativa nominale dell'inverter è solitamente compresa tra 2000 e 5000 Hz. All'interno di questa gamma di frequenze, si verifica un rumore significativo, soprattutto durante la saldatura ad arco in corrente alternata, dove il rumore dell'arco ha un certo impatto sul corpo umano.

Caratteristiche comuni agli inverter di saldatura ad arco generici: Rispetto ai generatori di saldatura ad arco e ai raddrizzatori di saldatura ad arco, l'inverter di saldatura ad arco a tiristori presenta i vantaggi dell'alta efficienza, del risparmio energetico, della leggerezza, del volume ridotto, dell'elevato fattore di potenza e delle buone prestazioni di saldatura ad arco.

Inverter di saldatura ad arco transistorizzato

Che cos'è un inverter di saldatura ad arco transistorizzato?

Un inverter di saldatura ad arco transistorizzato è un tipo di inverter di saldatura ad arco che utilizza transistor come interruttori di potenza. Appartiene al tipo di inverter per saldatura ad arco controllato dalla corrente. La comparsa dell'inverter per la saldatura ad arco con controllo dell'angolo di fase ha indubbiamente contribuito a rivoluzionare il settore della saldatura ad arco. potenza di saldatura fonti. Tuttavia, come già accennato, le limitazioni dei tiristori come interruttori elettronici ad alta potenza, come la bassa velocità di commutazione, la bassa frequenza di inversione, le scarse prestazioni di controllo e il rumore, ne hanno limitato l'ulteriore sviluppo.

Pertanto, scienziati e tecnici hanno iniziato a cercare un componente di commutazione elettronica ad alta potenza con una velocità di commutazione rapida e buone prestazioni di controllo per superare le carenze degli inverter di saldatura ad arco basati su tiristori. Nella storia dello sviluppo degli inverter per la saldatura ad arco, i componenti dell'interruttore di potenza dell'inverter si sono evoluti dai tiristori ai GTR e successivamente ai MOSFET e ai transistor bipolari a gate isolato (IGBT), tra gli altri.

Un inverter che utilizza transistor (o gruppi di transistor) come componenti elettronici di commutazione ad alta potenza e che utilizza il controllo della corrente pur possedendo le proprietà elettriche richieste per i processi di saldatura ad arco è chiamato inverter di saldatura ad arco controllato dalla corrente, comunemente noto come inverter di saldatura ad arco transistorizzato.

Componenti principali e principi di base

Componenti principali e loro funzioni

I componenti principali e i principi di funzionamento di un circuito inverter per la saldatura ad arco transistorizzato sono illustrati nella Figura 2. L'intero circuito principale può essere suddiviso in due parti principali: il circuito principale dell'inverter e il circuito di controllo dell'azionamento.

Figura 2: Schema di un inverter di saldatura ad arco transistorizzato

(1) Circuito principale dell'inverter: Include il sistema di alimentazione, il sistema di alimentazione elettronica e l'arco di saldatura, che convertono e trasferiscono l'energia dalla rete elettrica al circuito di carico (arco) (compreso il circuito principale dell'inverter).

(2) Circuito di controllo dell'azionamento: Comprende il sistema di controllo elettronico (circuito di controllo elettronico, driver del gruppo di transistor, regolatore di tensione, circuito di controllo del programma) e il circuito caratteristico della saldatura ad arco (circuito di rilevamento del feedback M, circuito dato G, circuito di confronto, amplificatore N).

Il circuito di controllo dell'azionamento fornisce una tensione a impulsi a onda rettangolare, che viene amplificata dal circuito di azionamento per garantire che l'interruttore ad alta tensione, un gruppo di transistor ad alta potenza, abbia una corrente di base sufficientemente grande per raggiungere la conduzione di saturazione e ridurre la caduta di tensione. Questo aspetto è fondamentale per i transistor a controllo di corrente.

La tensione d'impulso a onda rettangolare è fornita da un circuito oscillatore di clock o da un generatore di impulsi a larghezza costante. Con l'aiuto del circuito di rilevamento del feedback, del circuito dato, del circuito di confronto e del circuito di amplificazione, ecc. si ottiene il controllo ad anello chiuso dell'inverter di saldatura ad arco transistorizzato e si ottengono le caratteristiche esterne richieste e le caratteristiche di regolazione (regolazione dei parametri di processo), le caratteristiche dinamiche e la forma d'onda dell'impulso in uscita.

Principio di funzionamento di base

In sostanza, un inverter di saldatura ad arco transistorizzato è anche un tipo di sorgente di corrente e tensione costante (CV/CC) a commutazione.

Dal punto di vista del principio di base, può essere ricondotto ai raddrizzatori per saldatura ad arco di tipo amplificatore magnetico, a quelli a tiristori a controllo di fase e a quelli a transistor commutati, tutti introdotti in precedenza, che sono sorgenti di potenza a commutazione.

Tuttavia, i loro componenti di commutazione ad alta potenza sono collegati in serie al circuito di carico e la regolazione e la stabilizzazione della tensione e della corrente di uscita si ottengono regolando la caduta di tensione e il rapporto di tempo di accensione e spegnimento (time ratio) del gruppo di transistor di potenza.

Pertanto, in condizioni di processo di saldatura con bassa tensione di uscita e corrente elevata, il gruppo di transistor di potenza si fa carico di una grande quantità di potenza, con conseguente bassa efficienza. Inoltre, la frequenza di funzionamento del trasformatore principale è di 50 Hz, con conseguenti dimensioni e peso elevati.

Al contrario, l'inverter di saldatura ad arco transistorizzato è un'innovativa fonte di alimentazione a commutazione, con il gruppo di transistor di potenza che lavora sul lato primario ad alta tensione e bassa corrente. La frequenza operativa del trasformatore principale può raggiungere i 16-25 kHz, con un'efficienza molto più elevata e dimensioni notevolmente ridotte.

La frequenza dell'inverter più comunemente utilizzata è di 20kHz, un altro esempio della "rivoluzione tecnologica dell'energia a 20kHz".

La caratteristica principale dell'inverter di saldatura ad arco transistorizzato è l'uso di un "gruppo di transistor di commutazione ad alta potenza" al posto dei "tiristori ad alta potenza" come componenti di commutazione ad alta potenza dell'inverter e l'uso di un "oscillatore di clock" e di un "circuito V/W" al posto di un "generatore di larghezza di impulso costante" e di un "circuito V/F".

La modulazione di larghezza di impulso viene utilizzata per il controllo e la modulazione, mentre il controllo ad anello chiuso dell'inverter di saldatura ad arco transistorizzato viene realizzato attraverso circuiti di rilevamento di feedback, circuiti dati, circuiti di confronto, circuiti di amplificazione, ecc.

Si ottengono così le caratteristiche esterne e di regolazione desiderate (regolazione dei parametri di processo), le caratteristiche dinamiche e la forma d'onda dell'impulso di uscita.

Classificazione, caratteristiche e applicazioni

Classificazione

La tecnologia dell'inverter di saldatura ad arco a transistor può essere classificata da diversi punti di vista.

In base alla forma della curva caratteristica esterna, può essere suddivisa in caratteristica di tensione costante, caratteristica di corrente costante, caratteristica di caduta lenta, caratteristica a doppio passo, caratteristica di corrente costante più resistenza esterna, ecc.

In base alla tensione d'arco e alla forma d'onda della corrente in uscita, può essere suddiviso in CC, impulsi, onda rettangolare CA, ecc.

In base alla forma del circuito principale dell'inverter, può essere suddiviso in circuito principale dell'inverter positivo a singola estremità, circuito principale dell'inverter positivo a doppia estremità, circuito principale dell'inverter a mezzo ponte, circuito principale dell'inverter a ponte intero e circuito principale dell'inverter parallelo (push-pull), raramente utilizzato.

Caratteristiche

Rispetto all'inverter di saldatura ad arco a tiristori, l'inverter di saldatura ad arco a transistor presenta le seguenti caratteristiche e vantaggi, grazie alle migliori prestazioni dei transistor di commutazione ad alta potenza:

  • La frequenza di lavoro dell'inverter è relativamente alta, superiore a 16kHz (di solito 20kHz), il che non solo elimina l'influenza del rumore, ma contribuisce anche a ridurre ulteriormente il peso e le dimensioni.
  • Il metodo di "modulazione a frequenza fissa" (PWM) è utilizzato per regolare e controllare le caratteristiche esterne, in grado di regolare i parametri delle specifiche di saldatura in modo fluido, senza necessità di regolazioni grossolane o cambi di marcia, ed è facile da usare.
  • Le prestazioni di controllo sono relativamente buone. I parametri di controllo dell'inverter di saldatura ad arco a tiristori sono limitati dai parametri del circuito principale (come L, C, ecc.) e lo spegnimento è più problematico. L'inverter di saldatura ad arco a transistor adotta il controllo di tipo corrente, che controlla l'interruttore del transistor tramite la corrente di base e ha buone prestazioni di controllo. Non ci sono problemi di spegnimento e il controllo è relativamente flessibile, con una minore influenza dei parametri del circuito principale.

Inverter di saldatura ad arco a transistor a effetto di campo

Che cos'è un inverter di saldatura ad arco a transistor a effetto di campo?

Sebbene la comparsa di inverter per la saldatura ad arco a transistor abbia aumentato la frequenza di inversione fino al livello di 20 kHz, favorendo il miglioramento dell'efficienza e la riduzione di volume e peso, essi soffrono di guasti secondari e richiedono un'ampia corrente di pilotaggio (tipo di controllo della corrente).

Di conseguenza, gli operatori tecnologici hanno cercato attivamente un interruttore di potenza con prestazioni migliori per sostituirlo, ovvero il transistor a effetto di campo ad alta potenza (MOSFET).

Appartiene al tipo di controllo della tensione, noto come inverter di saldatura ad arco a controllo di tensione, comunemente noto come inverter di saldatura ad arco a transistor a effetto campo (MOSFET). Per ottenere il controllo della commutazione dei transistor a effetto campo di potenza, sono necessarie solo la tensione di controllo e una piccola corrente istantanea; la velocità di commutazione è più rapida e non si verificano guasti secondari.

Componenti principali e principi di funzionamento di base

I componenti principali e i principi di base dell'inverter di saldatura ad arco a MOSFET sono simili a quelli degli inverter a transistor. Il suo schema a blocchi di principio è illustrato nella Figura 3.

Figura 3. Schema a blocchi dei componenti principali e dei principi dell'inverter di saldatura ad arco a MOSFET.

Utilizza inoltre il metodo di regolazione "modulazione di larghezza di impulso (PWM) a frequenza fissa". La frequenza dell'inverter a transistor è generalmente fissata a circa 20 kHz, mentre l'inverter a MOSFET utilizza solitamente 40-50 kHz, ma esistono anche frequenze superiori a 50 kHz.

I metodi di acquisizione delle caratteristiche esterne e delle caratteristiche di regolazione (regolazione dei parametri di regolazione) si ottengono anche controllando la variazione (regolazione) della larghezza dell'impulso di pilotaggio, compresa la modulazione a bassa frequenza della forma d'onda dell'impulso di uscita.

Inoltre, il circuito di filtro del raddrizzatore d'ingresso, i tipi di base del circuito principale dell'inverter, il circuito di filtro d'uscita, il circuito di controllo ad anello chiuso con retroazione e il suo principio, sono tutti fondamentalmente uguali. Non verranno approfonditi in questa sede.

Caratteristiche, classificazione e applicazioni

Caratteristiche dell'inverter di saldatura ad arco a MOSFET

Vengono analizzate le caratteristiche dell'utilizzo del transistor a effetto campo (MOSFET) come interruttore elettronico di potenza. Rispetto al transistor, il MOSFET conferisce all'inverter di saldatura ad arco i seguenti vantaggi e caratteristiche di rilievo:

(1) Potenza di controllo estremamente ridotta: Il MOSFET ha un'elevata resistenza di ingresso CC del gate-source e viene adottato il controllo della tensione. Dal punto di vista dell'accoppiamento di potenza, l'inverter di saldatura ad arco a MOSFET può essere controllato direttamente da un microcomputer attraverso le interfacce A/D e D/A e il circuito di controllo può essere semplificato, il che rappresenta l'obiettivo dei moderni circuiti di controllo.

(2) Ampio intervallo di lavoro affidabile.

(3) Tempo di commutazione estremamente ridotto.

(4) Realizzazione relativamente semplice del funzionamento in parallelo di più tubi: Poiché il MOSFET ha un coefficiente di temperatura positivo, il funzionamento in parallelo non richiede una resistenza di condivisione della corrente in serie.

Classificazione e applicazione

L'inverter di saldatura ad arco MOSFET può essere classificato in base alle caratteristiche esterne e ai tipi di uscita CC, a impulsi e a onda rettangolare CA.

Questo tipo di inverter di saldatura ad arco ha un significato universale, che può essere utilizzato non solo per la saldatura manuale di barre di saldatura ad arco, la saldatura ad arco di argon tungsteno, elettrodo di fusione saldatura a gas schermataLa saldatura e il taglio al plasma, ma anche la saldatura di precisione e ad alte prestazioni, come la saldatura meccanizzata, la saldatura automatizzata e la saldatura robotizzata, consentono di ottenere diverse caratteristiche esterne grazie a differenti tensioni d'arco, feedback di corrente e rapporti di accoppiamento.

Inoltre, le prestazioni di saldatura e la multifunzionalità possono essere notevolmente migliorate grazie al controllo digitale e intelligente.

A causa della potenza limitata del MOSFET, viene solitamente utilizzato in situazioni di piccola e media potenza, soprattutto per le basse potenze. Aumentando la frequenza dell'inverter a 100-200 kHz, è possibile realizzare un inverter per saldatura ad arco a MOSFET da 100 A in soli 3,4 kg.

Si tratta di un prodotto veramente tascabile alimentazione per saldatura ad arco sembra un'opera d'arte.

Inverter di saldatura ad arco IGBT

Che cos'è un inverter di saldatura ad arco Igbt?

Un inverter per saldatura ad arco IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) è un tipo di inverter per saldatura ad arco basato su transistor che utilizza transistor a effetto di campo al posto dei transistor tradizionali come interruttore elettronico di potenza. Offre diversi vantaggi, come il controllo della potenza minima, la velocità di commutazione, l'assenza di guasti secondari e una frequenza di inverter più elevata.

Tuttavia, l'utilizzo dei transistor a effetto campo presenta anche alcuni svantaggi, tra cui una minore capacità produttiva, una maggiore resistenza del canale, una minore resistenza alla tensione e una minore corrente nominale di funzionamento. Per risolvere questi problemi, i produttori e le unità di ricerca hanno sviluppato transistor di commutazione di potenza IGBT combinando l'elevata capacità dei transistor tradizionali e il controllo della tensione dei transistor a effetto campo.

I transistor di commutazione di potenza IGBT hanno una maggiore capacità di transistor e sono relativamente più facili da produrre e da debuggare, per cui si sono rapidamente diffusi nel settore. Gli inverter di saldatura che utilizzano transistor di commutazione di potenza IGBT sono noti anche come inverter di saldatura ad arco IGBT, che sono un tipo di inverter controllato dalla tensione. Tuttavia, la frequenza di inverter di saldatura ad arco IGBT non è così elevata come quella degli inverter basati su MOSFET.

Gli inverter per saldatura ad arco basati su MOSFET e IGBT hanno ciascuno le proprie caratteristiche e sono diventati una novità. tipi di saldatura fonti di energia ampiamente sviluppate e promosse.

Componenti principali e principio di funzionamento di base

I componenti principali e il principio di funzionamento di base di un inverter di saldatura ad arco a IGBT sono illustrati nella Figura 4. Rispetto agli inverter di saldatura basati su MOSFET e sui transistor tradizionali, il Inverter IGBT hanno dimensioni e struttura di base diverse, ma utilizzano tutti il metodo di controllo PWM a "modulazione di larghezza di impulso a frequenza fissa".

Figura 4: Schema dei componenti principali e del principio di funzionamento di un inverter di saldatura ad arco IGBT.

La differenza principale è che vengono utilizzati transistor IGBT invece di MOSFET o transistor tradizionali, e la frequenza dell'inverter è di circa 20-25kHz (mentre gli inverter basati su MOSFET possono raggiungere 50kHz o più). I transistor IGBT utilizzano il controllo della tensione e un singolo transistor ha una capacità sufficiente, quindi non è necessario il funzionamento in parallelo di più transistor.

Le caratteristiche esterne dell'inverter IGBT, le caratteristiche di regolazione (regolazione dei parametri standard) e l'acquisizione e il controllo della forma d'onda in uscita si ottengono anche attraverso la modifica (conversione, modulazione) della larghezza dell'impulso, compresa la modulazione a bassa frequenza della forma d'onda dell'impulso in uscita.

Per quanto riguarda i tipi di base del circuito di filtro del raddrizzatore di ingresso, del circuito principale dell'inverter (più tipi), del circuito di filtro di uscita, del circuito di controllo ad anello chiuso con retroazione negativa e i loro principi, sono essenzialmente gli stessi degli inverter di saldatura a MOSFET.

Classificazione e applicazioni degli inverter per la saldatura ad arco Igbt

Gli inverter per saldatura ad arco basati su IGBT possono essere classificati in base alle loro caratteristiche esterne o in base ai tipi di uscita, come CC, impulsi e onda quadra CA.

Entrambi i tipi di inverter di saldatura hanno un'importanza universale e possono essere utilizzati non solo per processi di saldatura su larga scala e di ampia portata, come la saldatura ad arco a bastone, la saldatura ad arco con tungsteno e argon, la saldatura con elettrodo di fusione schermato a gas, la saldatura e il taglio al plasma, ma anche per processi di saldatura automatica ad arco sommerso a singolo/doppio filo ad alta potenza, da 1250A a 2000A, per la scriccatura ad arco d'aria e la saldatura ad arco robotizzata, nonché per la saldatura MIG/MAG/impulso a doppio filo e per la saldatura ad arco sommerso a tre fili, tra le altre cose.

Inverter di saldatura ad arco a commutazione morbida

Che cos'è un inverter di saldatura ad arco a commutazione morbida?

I dispositivi di potenza dell'alimentatore per saldatura ad arco funzionano e sono controllati in modalità analogica o a commutazione. Esistono due tipi di alimentatori per saldatura ad arco in modalità switch: hard e soft-switching. Il primo utilizza principalmente la tecnologia di controllo a modulazione di larghezza di impulso (PWM) e i dispositivi di potenza funzionano in uno stato di spegnimento forzato (corrente non nulla) o di accensione forzata (tensione non nulla).

A causa dell'esistenza di capacità e induttanze parassite nel circuito, i dispositivi di commutazione di potenza si accendono e si spengono a valori di corrente e tensione di lavoro non nulli o addirittura superiori, causando elevate perdite di commutazione. Queste perdite aumentano proporzionalmente alla frequenza, riducendo significativamente l'efficienza del circuito e causandone addirittura il malfunzionamento.

Gli inverter per la saldatura ad arco progettati tradizionalmente hanno difficoltà a risolvere questi problemi. Tuttavia, gli inverter per saldatura ad arco a commutazione morbida utilizzano la tecnologia di conversione della corrente risonante, in cui i dispositivi di potenza si accendono o si spengono naturalmente in condizioni di tensione o corrente zero.

Questa tecnologia supera essenzialmente gli svantaggi degli alimentatori per saldatura ad arco a commutazione fissa, riduce le perdite di commutazione e minimizza le interferenze elettromagnetiche (EMI) e le interferenze a radiofrequenza (RFI).

Inoltre, riduce il peso dell'inverter, aumenta la frequenza, diminuisce il volume di trasformatori, induttori e condensatori nel circuito, riduce il ripple di uscita e migliora la densità di potenza e le prestazioni dinamiche del sistema.

Pertanto, l'applicazione della tecnologia soft-switching, in particolare negli inverter per saldatura ad arco, è sempre più diffusa, portando l'alimentazione della saldatura ad arco a un nuovo livello. Gli inverter di saldatura ad arco soft-switching rappresentano uno sviluppo promettente in questo campo e questa sezione si concentrerà sulla loro discussione.

Forma di base e principio di funzionamento del circuito principale dell'inverter soft-switching

I componenti principali e i principi di base dell'inverter di saldatura ad arco a commutazione morbida sono simili a quelli dell'inverter di saldatura ad arco a commutazione dura. La differenza principale risiede nei dettagli della struttura del circuito principale dell'inverter e nel metodo di regolazione del circuito di controllo e azionamento.

La tecnologia di conversione della corrente di risonanza con modalità di funzionamento soft-switching può essere controllata con due metodi: controllo a frequenza variabile e controllo a frequenza costante. L'analisi e la progettazione del circuito di controllo a frequenza variabile sono complesse e suscettibili di interferenze, e il campo di uscita è ridotto con un basso utilizzo di componenti magnetici.

Il controllo a frequenza costante si basa sul comune PWM, in cui un induttore e un condensatore risonanti sono collegati in serie nel circuito principale dell'inverter. Il sistema di controllo utilizza un'onda quadra sfasata per pilotare i dispositivi di commutazione, affidandosi al diodo freewheeling per ottenere un controllo soft-switching dei dispositivi di potenza.

Nel circuito principale dell'inverter a ponte intero, i dispositivi di commutazione di potenza sulle linee diagonali non vengono accesi e spenti contemporaneamente, ma sono sfalsati con un intervallo di tempo per ottenere lo spegnimento a corrente zero o l'accensione a tensione zero. Il controllo della tensione o della corrente di uscita si ottiene regolando il duty cycle del ponte.

Questo metodo di controllo è relativamente facile da progettare, ha un intervallo di uscita più ampio e una struttura circuitale relativamente semplice, che lo rende più adatto alle applicazioni degli inverter di saldatura ad arco.

Forma di base del circuito principale dell'inverter Soft-Switching

Attualmente, esistono diverse forme di base comuni di circuito principale dell'inverter soft-switching, tra cui:

  • Circuito principale dell'inverter risonante a corrente zero (ZCS).
  • Circuito principale dell'inverter risonante a commutazione di tensione zero (ZVS).
  • Circuito principale dell'inverter multirisonante (MRC).
  • Circuito principale dell'inverter a risonanza in serie.
  • Circuito principale dell'inverter parallelo-risonante.
  • Circuito principale dell'inverter risonante a bus CC.
  • Circuito principale dell'inverter risonante a controllo di fase.

Principio di funzionamento del circuito principale dell'inverter Soft-Switching

Per scegliere il giusto circuito principale dell'inverter soft-switching per l'alimentazione della saldatura ad arco, è necessario introdurre in dettaglio i seguenti quattro circuiti principali dell'inverter soft-switching:

Figura 6: Circuiti di commutazione a corrente zero (ZCS), a tensione zero (ZVS) e a circuito multirisonante (MRC).
a) ZCS b) ZVS c) MRC

(1) Circuito principale dell'inverter risonante a commutazione a corrente zero (ZCS)

Come mostrato nella Figura 6a, ZCS si riferisce all'utilizzo della forma d'onda della corrente sull'elemento risonante LC ausiliario e sui dispositivi di potenza per far sì che i dispositivi di potenza si spengano naturalmente in condizioni di corrente zero, ottenendo una commutazione naturale dei dispositivi.

(2) Circuito principale dell'inverter risonante a commutazione di tensione zero (ZVS)

Come mostrato nella Figura 6b, ZVS si riferisce all'utilizzo della forma d'onda di tensione sull'induttore e sul condensatore dell'elemento risonante ausiliario e sui dispositivi di potenza per ridurre a zero la tensione della capacità di uscita dei dispositivi di potenza prima di accenderli, creando condizioni di tensione zero per l'accensione dei dispositivi ed eliminando le perdite di commutazione legate alla capacità di uscita parassita dei dispositivi, aumentando così notevolmente la frequenza di commutazione.

Tuttavia, lo ZVS presenta due inconvenienti. Uno è la forte sollecitazione di tensione sul dispositivo, che è proporzionale all'intervallo di carico, rendendo difficile ottenere lo ZVS per un'ampia gamma di carichi. L'altro è causato dall'oscillazione del diodo raddrizzatore con il condensatore risonante.

Se si tratta di un'oscillazione smorzante, causerà una grande perdita di potenza alle alte frequenze. Se si tratta di un'oscillazione non smorzante, avrà un effetto negativo sul guadagno di tensione dell'inverter e potrebbe causare un'oscillazione ad anello chiuso.

(3) Circuito principale dell'inverter multirisonante

Come mostrato nella Figura 6c, il circuito principale dell'inverter multirisonante si riferisce alla combinazione delle caratteristiche di ZVS e ZCS in un'unica struttura di commutazione. Il condensatore risonante è sia in parallelo con il dispositivo di commutazione che in parallelo con il diodo, rendendo sia il dispositivo di commutazione che il diodo interruttori a tensione zero.

Il vantaggio principale è che tutti i principali parametri parassiti (capacità di uscita del dispositivo di potenza, capacità di giunzione del diodo, induttanza di dispersione del trasformatore, ecc.) sono integrati nel circuito risonante, facendo sì che tutti i dispositivi del circuito conducano quando la tensione è nulla, riducendo così le perdite di commutazione e migliorando l'efficienza di lavoro.

Lo svantaggio di questi tre circuiti è che funzionano a frequenza variabile, con conseguenti sollecitazioni di tensione e corrente elevate sui dispositivi.

Il circuito principale dell'inverter risonante in serie, il circuito dell'inverter a mezzo ponte e a ponte intero in parallelo e il circuito principale dell'inverter di classe E sono più vicini alla struttura del circuito principale dell'inverter di saldatura ad arco a commutazione morbida.

Il circuito principale dell'inverter di classe E è una versione migliorata del circuito dell'amplificatore di classe E ed è modificato rispetto all'inverter risonante in serie. Il suo circuito è illustrato nella Figura 7.

Figura 7: Circuito principale dell'inverter classe E

Il vantaggio del circuito principale dell'inverter di classe E è che elimina le perdite di commutazione e riduce le interferenze elettromagnetiche. Lo svantaggio principale è che la corrente di picco che attraversa l'interruttore è elevata e il dispositivo di commutazione è sottoposto a un forte stress di tensione.

(4) Circuito principale dell'inverter a ponte intero con controllo dello sfasamento

Da quando è stato proposto alla fine degli anni '80, il circuito full-bridge soft-switching con controllo di fase ha ricevuto un'attenzione crescente ed è diventato un tema caldo nella ricerca e nell'applicazione. Il circuito soft-switching full-bridge a spostamento di fase combina perfettamente due topologie di circuito, il soft-switching risonante e il PWM.

Durante il processo di commutazione del dispositivo di commutazione di potenza si ottiene una commutazione risonante, che garantisce perdite di commutazione inferiori, mentre dopo l'accensione del dispositivo di commutazione vengono fornite una tensione e una corrente a onda quadra mediante modulazione PWM. In base alle caratteristiche della forma d'onda di commutazione, il circuito soft-switching a ponte intero controllato da sfasamento può essere suddiviso in soft-switching a ponte intero a tensione zero e soft-switching a tensione e corrente zero.

Il circuito principale e la temporizzazione del segnale di pilotaggio del circuito dell'inverter full-bridge controllato dallo sfasamento sono illustrati nella Figura 8:

Figura 8: Circuito principale a controllo di fase e diagramma dei tempi del segnale di pilotaggio.
a) Circuito principale a controllo di fase b) Diagramma di temporizzazione del segnale di pilotaggio.
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Shane
Autore

Shane

Fondatore di MachineMFG

In qualità di fondatore di MachineMFG, ho dedicato oltre un decennio della mia carriera al settore della lavorazione dei metalli. La mia vasta esperienza mi ha permesso di diventare un esperto nei campi della fabbricazione di lamiere, della lavorazione, dell'ingegneria meccanica e delle macchine utensili per metalli. Penso, leggo e scrivo costantemente su questi argomenti, cercando di essere sempre all'avanguardia nel mio campo. Lasciate che le mie conoscenze e la mia esperienza siano una risorsa per la vostra azienda.

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