Tipos de inversores de soldadura por arco: 5 coisas que os profissionais de soldadura devem saber

Imagine ter o poder de melhorar o seu processo de soldadura com um dispositivo que é eficiente, fiável e versátil. Os inversores de soldadura por arco estão a transformar a indústria da soldadura com tecnologias avançadas como tirístores, transístores, MOSFETs, IGBTs e técnicas de comutação suave. Este artigo explora cinco tipos de inversores de soldadura por arco, destacando as suas características e aplicações únicas. Descubra como estas inovações podem melhorar o desempenho da soldadura, reduzir o peso e poupar energia. Mergulhe para saber como pode aproveitar estas ferramentas de ponta para obter resultados de soldadura superiores.

Índice

Inversor de soldadura por arco com tiristores

O que é um inversor de soldadura por arco com tiristores?

O tubo de comutação de alta potência e alta tensão que utiliza tirístores rápidos (SCR) como circuito inversor principal e é controlado pelo seu ângulo de disparo para a soldadura por arco é normalmente conhecido como um tubo de comutação baseado em tirístores inversor de soldadura por arco. É controlado pelo ângulo de disparo e também pode ser chamado de inversor de soldadura por arco controlado pelo ângulo de disparo.

A investigação sobre os inversores de soldadura por arco com tiristores já tinha produzido resultados e sido comunicada no final da década de 1970. No início e meados da década de 1980, assistiu-se a um desenvolvimento significativo em termos de capacidade, de média para grande capacidade; da soldadura por arco com elétrodo para a soldadura CO2/MAG, soldadura por arco submerso e soldadura por resistênciada soldadura DC à soldadura AC de onda quadrada; do controlo eletrónico ao microcomputador e ao controlo digital, e os seus campos de aplicação continuaram a expandir-se.

A frequência do inversor varia entre vários kilohertz e dezenas de kilohertz (com ressonância).

No entanto, no final da década de 1980, foi gradualmente substituído por tecnologias mais recentes, como o transístor de efeito de campo e os inversores de soldadura por arco baseados em IGBT, devido à sua baixa frequência, fraco desempenho de controlo e interferência de ruído.

A sua proporção de aplicação diminuiu gradualmente, mas continua a ocupar uma certa posição no mundo.

É de notar que o aparecimento de novos tipos de tirístores, como o tiristor de indução estática (SITH) e o tiristor de desativação de porta (GTO), irá alterar a sua posição e contribuir para o seu desenvolvimento e promoção contínuos.

Principais componentes e princípios básicos

Os principais componentes e o diagrama de princípio básico do inversor de soldadura por arco com tiristores são mostrados na Figura 1.

Figura 1: Diagrama de blocos dos principais componentes e princípio básico do inversor de soldadura por arco com tiristores.

Os principais componentes e respectivas funções do circuito são os seguintes

(1) Retificador de entrada (UR1): Trata-se de uma ponte rectificadora monofásica ou trifásica comum. Converte a tensão CA de 50Hz ou 60Hz em tensão CC.

(2) Filtro de entrada (LC1): O filtro é composto por um indutor do tipo gap e um condensador, o que torna a tensão CC de entrada relativamente suave.

(3) Grupo de tirístores rápidos de alta potência VH: actua como um interrutor eletrónico de alta potência e alta tensão, invertendo a tensão (corrente) de corrente contínua em tensão (corrente) de frequência intermédia de vários quilohertz.

(4) Transformador de frequência intermédia (T): Converte alta tensão e baixa corrente em baixa tensão e alta corrente de saída que é adequada para o processo de soldadura. Normalmente, o material do núcleo é feito de ferrite, liga amorfa, liga nanocristalina ou aço silício de elevado valor ρ.

(5) Retificador de saída (UR2): Rectifica a CA de frequência intermédia de baixa tensão em CC.

(6) Filtro de saída (LC2): Torna a tensão CC com elevado coeficiente de ondulação relativamente suave. No entanto, é diferente do filtro de entrada porque a frequência de ondulação do filtro de entrada é de 100Hz a 300Hz, enquanto a frequência de ondulação do filtro de saída é de vários quilohertz a dezenas de quilohertz, pelo que é necessário um dispositivo de filtro de frequência intermédia.

(7) Circuito de acionamento do controlo de disparo (ZD): Gera sinais de impulsos de controlo de disparo para o grupo de tirístores VH.

(8) Fonte de alimentação estabilizadora de tensão e circuito de funcionamento (MZ): Fornece uma fonte de alimentação estabilizadora de tensão para o circuito de acionamento do controlo de disparo, o circuito de funcionamento e o circuito de comparação de retorno dado.

(9) Circuito de comparação da retroação (MG): Recebe um sinal de retorno negativo da tensão e da corrente do arco do circuito de saída numa determinada proporção, compara-o e amplifica-o com a tensão (padrão) fornecida e fornece sinais de controlo para o circuito de acionamento do gatilho para alterar a tensão e a corrente de saída de modo a satisfazer os requisitos do processo de soldadura.

Características e aplicações

A utilização de tirístores de alta potência como elementos de comutação: Antigamente, já se produziam tirístores de alta capacidade, alta tensão e alto desempenho, sendo normalmente necessário apenas um ou um par de tirístores de baixo custo.

No entanto, devido à limitação do tempo de desativação do tiristor, a frequência nominal de funcionamento do inversor situa-se geralmente apenas entre 2000Hz e 5000Hz. Dentro desta gama de frequências, existe um ruído significativo, especialmente durante a soldadura por arco CA, em que o ruído do arco tem um certo impacto no corpo humano.

Características comuns partilhadas com os inversores de soldadura por arco em geral: Em comparação com os geradores de soldadura por arco e os rectificadores de soldadura por arco, o inversor de soldadura por arco baseado em tiristores tem as vantagens de uma elevada eficiência, poupança de energia, peso leve, pequeno volume, elevado fator de potência e bom desempenho de soldadura por arco.

Inversor de soldadura por arco transistorizado

O que é um inversor de soldadura por arco transistorizado?

Um inversor de soldadura por arco transistorizado é um tipo de inversor de soldadura por arco que utiliza transístores como interruptores de potência. Pertence ao tipo de inversor de soldadura por arco controlado por corrente. O surgimento do inversor de soldadura por arco controlado por ângulo de fase ajudou, sem dúvida, a impulsionar a revolução da soldadura por arco potência de soldadura fontes. No entanto, como já foi referido, as limitações dos tiristores como comutadores electrónicos de alta potência, tais como a baixa velocidade de comutação, a baixa frequência de inversão, o fraco desempenho de controlo e o ruído, restringiram o seu desenvolvimento.

Por conseguinte, os cientistas e os técnicos de engenharia começaram a procurar um componente de comutação eletrónica de alta potência com uma velocidade de comutação rápida e um bom desempenho de controlo para ultrapassar as deficiências dos inversores de soldadura por arco baseados em tiristores. Assim, na história do desenvolvimento de fontes de energia de soldadura por arco com inversor, os componentes do interrutor de energia do inversor evoluíram de tiristores para GTRs e, mais tarde, para MOSFETs e transístores bipolares de porta isolada (IGBTs), entre outros.

Um inversor que utiliza transístores (ou grupos de transístores) como componentes de comutação eletrónica de alta potência e que utiliza o controlo da corrente, possuindo as propriedades eléctricas necessárias para os processos de soldadura por arco, é designado por inversor de soldadura por arco controlado por corrente, vulgarmente conhecido como inversor de soldadura por arco transistorizado.

Principais componentes e princípios básicos

Principais componentes e respectivas funções

Os principais componentes e princípios de funcionamento de um circuito inversor de soldadura por arco transistorizado são mostrados na Figura 2. Todo o circuito central pode ser dividido em duas partes principais: o circuito principal do inversor e o circuito de controlo do acionamento.

Figura 2: Diagrama esquemático de um inversor de soldadura por arco transistorizado

(1) Circuito principal do inversor: Inclui o sistema de alimentação eléctrica, o sistema de alimentação eletrónica e o arco de soldadura, que convertem e transferem energia da rede eléctrica para o circuito de carga (arco) (incluindo o circuito principal do inversor).

(2) Circuito de controlo do acionamento: Inclui o sistema de controlo eletrónico (circuito de controlo eletrónico, controlador do grupo de transístores, regulador de tensão, circuito de controlo do programa) e o circuito caraterístico da soldadura por arco (circuito de deteção de retorno M, circuito dado G, circuito de comparação, amplificador N).

O circuito de controlo do acionamento fornece uma tensão de impulso de onda retangular, que é amplificada pelo circuito de acionamento para garantir que o interrutor de alta tensão, um grupo de transístores de alta potência, tem uma corrente de base suficientemente grande para atingir a condução de saturação e reduzir a queda de tensão. Isto é crucial para os transístores controlados por corrente.

A tensão de impulso de onda retangular é fornecida por um circuito oscilador de relógio ou um gerador de largura de impulso constante. Com a ajuda do circuito de deteção de feedback, dado circuito, circuito de comparação e circuito de amplificação, etc., o controlo de circuito fechado do inversor de soldadura por arco transistorizado é alcançado, e as características externas necessárias e características de ajuste (ajuste de parâmetro de processo), características dinâmicas e forma de onda de pulso de saída são obtidas.

Princípio básico de funcionamento

Essencialmente, um inversor de soldadura por arco transistorizado é também um tipo de fonte de energia de soldadura de tensão e corrente constantes (CV/CC) em modo de comutação.

Do ponto de vista do princípio básico, pode ser rastreado até ao tipo de amplificador magnético, aos rectificadores de soldadura por arco com controlo de fase por tiristor e aos rectificadores de soldadura por arco com comutação por transístor introduzidos anteriormente, todos eles fontes de energia de modo de comutação.

No entanto, os seus componentes de comutação de alta potência estão ligados em série com o circuito de carga, e a regulação e estabilização da tensão e da corrente de saída são conseguidas ajustando a queda de tensão e a relação de tempo de ligar/desligar (relação de tempo) do grupo de transístores de potência.

Portanto, para as condições do processo de soldadura de baixa tensão de saída e alta corrente, uma grande quantidade de energia é suportada pelo grupo de transístores de potência, resultando em baixa eficiência. Para além disso, a frequência de funcionamento do transformador principal é de 50Hz, o que resulta em grandes dimensões e peso.

Em contraste, o inversor de soldadura por arco transistorizado é uma nova fonte de energia de modo de comutação, com o grupo de transístores de potência a trabalhar no lado primário com alta tensão e baixa corrente. A frequência de funcionamento do transformador principal pode atingir 16-25kHz, resultando numa eficiência muito maior e num tamanho significativamente reduzido.

A frequência do inversor mais comummente utilizada é de 20 kHz, o que o torna outro exemplo da "revolução da tecnologia de energia de 20 kHz".

A principal caraterística do inversor de soldadura por arco transistorizado é a utilização de um "grupo de transístores de comutação de alta potência" em vez de "tiristores de alta potência" como componentes de comutação de alta potência do inversor, e a utilização de um "oscilador de relógio" e "circuito V/W" em vez de um "gerador de largura de pulso constante" e "circuito V/F".

A modulação por largura de pulso é usada para controlo e modulação, e o controlo em circuito fechado do inversor de soldadura por arco transistorizado é conseguido através de circuitos de deteção de feedback, circuitos dados, circuitos de comparação, circuitos de amplificação, etc.

As características externas e de ajuste desejadas (ajuste dos parâmetros do processo), as características dinâmicas e a forma de onda do pulso de saída são obtidas como resultado.

Classificação, características e aplicações

Classificação

A tecnologia do inversor de soldadura por arco com transístor pode ser classificada de diferentes ângulos.

De acordo com a forma da curva caraterística externa, pode ser dividida em caraterística de tensão constante, caraterística de corrente constante, caraterística de queda lenta, caraterística de passo duplo, caraterística de corrente constante mais arrastamento externo, etc.

De acordo com a tensão do arco de saída e a forma de onda da corrente, pode ser dividida em DC, pulso, onda retangular AC, etc.

De acordo com a forma do circuito principal do inversor, este pode ser dividido em circuito principal do inversor positivo de extremidade única, circuito principal do inversor positivo de extremidade dupla, circuito principal do inversor de meia ponte, circuito principal do inversor de ponte completa e circuito principal do inversor paralelo (push-pull) raramente utilizado.

Características

Em comparação com o inversor de soldadura por arco com tiristor, o inversor de soldadura por arco com transístor tem as seguintes características e vantagens devido ao melhor desempenho dos transístores de comutação de alta potência:

  • A frequência de trabalho do inversor é relativamente alta, atingindo acima de 16kHz (normalmente 20kHz), o que não só elimina a influência do ruído, mas também ajuda a reduzir ainda mais o peso e o tamanho.
  • O método de "modulação de frequência fixa" (PWM) é utilizado para regular e controlar as características externas, o que pode ajustar os parâmetros das especificações de soldadura de forma suave, sem necessidade de ajuste grosseiro ou mudança de velocidade, e é fácil de operar.
  • O desempenho do controlo é relativamente bom. Os parâmetros de controlo do inversor de soldadura por arco de tiristor são limitados pelos parâmetros do circuito principal (tais como L, C, etc.), e o desligamento é mais problemático. O inversor de soldadura por arco com transístor adopta o controlo do tipo corrente, que controla o interrutor do transístor pela corrente de base, e tem um bom desempenho de controlo. Não há problema de desligamento difícil, e o controlo é relativamente flexível, com menos influência dos parâmetros do circuito principal.

Inversor de soldadura por arco com transístor de efeito de campo

O que é um inversor de soldadura por arco com transístor de efeito de campo?

Embora o aparecimento de inversores de soldadura por arco com transístor tenha aumentado a frequência de inversão para o nível de 20kHz, o que permite melhorar a eficiência e reduzir o volume e o peso, estes sofrem de avarias secundárias e requerem um grande acionamento de corrente (tipo de controlo de corrente).

Consequentemente, os profissionais da tecnologia têm procurado ativamente um interrutor de potência com melhor desempenho para o substituir, que é o transístor de efeito de campo de alta potência (MOSFET).

Pertence ao tipo de controlo de tensão, conhecido como inversor de soldadura por arco de controlo de tensão, vulgarmente conhecido como inversor de soldadura por arco de transístor de efeito de campo (MOSFET). Apenas a tensão de condução de controlo e a corrente instantânea minúscula são necessárias para alcançar o controlo de comutação dos transístores de efeito de campo de potência, e a velocidade de comutação é mais rápida sem avaria secundária.

Principais componentes e princípios básicos de funcionamento

Os principais componentes e princípios básicos do inversor de soldadura por arco MOSFET são semelhantes aos dos inversores do tipo transístor. O seu diagrama de blocos principal é apresentado na Figura 3.

Figura 3. Diagrama de blocos dos principais componentes e princípios do inversor de soldadura por arco MOSFET.

Utiliza também o método de regulação "modulação por largura de impulso de frequência fixa (PWM)". A frequência de inversão do inversor de tipo transístor é geralmente fixada em cerca de 20kHz, enquanto o inversor de tipo MOSFET utiliza normalmente 40-50kHz, mas também existem frequências superiores a 50kHz.

Os métodos de aquisição das suas características externas e características de regulação (ajuste do parâmetro de regulação) são também conseguidos através do controlo da variação (ajuste) da largura do impulso de condução, incluindo a modulação de baixa frequência da forma de onda do impulso de saída.

Além disso, o circuito de filtragem do retificador de entrada, os tipos básicos de circuito principal do inversor, o circuito de filtragem de saída, o circuito de controlo em circuito fechado com realimentação e o seu princípio são basicamente os mesmos. Não serão aqui aprofundados.

Características, classificação e aplicações

Características do inversor de soldadura por arco MOSFET

São analisadas as características da utilização do transístor de efeito de campo (MOSFET) como interrutor eletrónico de potência. Comparado com o transístor, o MOSFET dota o inversor de soldadura por arco com as seguintes vantagens e características proeminentes:

(1) Potência de controlo extremamente reduzida: O MOSFET tem uma elevada resistência de entrada DC do portão-fonte, e o controlo de tensão é adotado. Do ponto de vista do acoplamento de potência, o inversor de soldadura por arco MOSFET pode ser controlado diretamente por um microcomputador através das interfaces A/D e D/A, e o circuito de controlo pode ser simplificado, o que é o objetivo dos circuitos de controlo modernos.

(2) Ampla gama de trabalho fiável.

(3) Tempo de comutação extremamente curto.

(4) Realização relativamente fácil do funcionamento em paralelo de vários tubos: Como o MOSFET tem um coeficiente de temperatura positivo, o funcionamento em paralelo não requer uma resistência de partilha de corrente em série.

Classificação e aplicação

O inversor de soldadura por arco MOSFET pode ser classificado de acordo com as características externas, bem como com os tipos de saída DC, pulso e onda retangular AC.

Este tipo de inversor de soldadura por arco tem um significado universal, que pode ser utilizado não só para a soldadura manual de varas de soldadura por arco, soldadura por arco de tungsténio e árgon, elétrodo de fusão soldadura com proteção gasosaA soldadura e o corte por arco de plasma, mas também para a soldadura de precisão e de alto desempenho, como a soldadura mecanizada, a soldadura automatizada e a soldadura por robot, obtendo várias características externas através de diferentes tensões de arco, feedback de corrente e rácios de correspondência.

Além disso, o seu desempenho de soldadura e a sua multifuncionalidade podem ser muito melhorados através do controlo digital e inteligente.

Devido à potência limitada do MOSFET, ele é normalmente utilizado em situações de potência pequena e média, especialmente para baixa potência. Ao aumentar a frequência do inversor para 100-200kHz, um inversor de soldadura por arco MOSFET 100A pode ser feito em apenas 3,4kg.

Trata-se de uma verdadeira bolsa fonte de alimentação para soldadura por arco parece uma obra de arte.

Inversor de soldadura por arco IGBT

O que é um inversor de soldadura por arco de Igbt?

Um inversor de soldadura por arco IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) é um tipo de inversor de soldadura por arco baseado em transístor que utiliza transístores de efeito de campo em vez dos transístores tradicionais como interrutor eletrónico de potência. Oferece várias vantagens, tais como controlo de potência mínima, velocidade de comutação rápida, sem avaria secundária e maior frequência do inversor.

No entanto, existem também algumas desvantagens na utilização de transístores de efeito de campo, incluindo uma menor capacidade de produção, maior resistência do canal, menor resistência de tensão e menor corrente nominal de funcionamento. Para resolver estes problemas, os fabricantes e as unidades de investigação desenvolveram transístores de comutação de potência IGBT, combinando a elevada capacidade dos transístores tradicionais e o controlo de tensão dos transístores de efeito de campo.

Os transístores de comutação de potência IGBT têm transístores de maior capacidade e são relativamente mais fáceis de produzir e depurar, ganhando assim rapidamente uma adoção e aplicação generalizadas na indústria. Os inversores de soldadura que utilizam transístores de comutação de potência IGBT são também conhecidos como inversores de soldadura por arco IGBT, que são um tipo de inversor controlado por tensão. No entanto, a frequência de inversão dos inversores de soldadura por arco IGBT não é tão elevada como a dos inversores baseados em MOSFET.

Os inversores de soldadura por arco baseados em MOSFET e IGBT têm cada um as suas próprias características e tornaram-se novos tipos de soldadura fontes de energia que são amplamente desenvolvidas e promovidas.

Principais componentes e princípio de funcionamento básico

Os principais componentes e o princípio de funcionamento básico de um inversor de soldadura por arco IGBT são mostrados na Figura 4. Em comparação com os inversores de soldadura baseados em MOSFET e transístores tradicionais, o Inversor IGBT tem um tamanho e uma estrutura básica diferentes, mas todos utilizam o método de controlo PWM "modulação por largura de impulso de frequência fixa".

Figura 4: Diagrama esquemático dos principais componentes e do princípio de funcionamento básico de um inversor de soldadura por arco IGBT.

A principal diferença é que são utilizados transístores IGBT em vez de MOSFET ou transístores tradicionais, e a frequência do inversor é de cerca de 20-25kHz (enquanto os inversores baseados em MOSFET podem atingir 50kHz ou mais). Os transístores IGBT utilizam controlo de tensão e um único transístor tem capacidade suficiente, pelo que não é necessário o funcionamento em paralelo de vários transístores.

As características externas do inversor IGBT, as características de regulação (regulação de parâmetros padrão) e a aquisição e controlo da forma de onda de saída são também conseguidas através de alterações (conversão, modulação) na largura do impulso, incluindo a modulação de baixa frequência da forma de onda do impulso de saída.

Em termos dos tipos básicos do circuito de filtro retificador de entrada, do circuito principal do inversor (vários tipos), do circuito de filtro de saída, do circuito de controlo de circuito fechado com feedback negativo e dos seus princípios, são essencialmente os mesmos que os inversores de soldadura baseados em MOSFET.

Classificação e Aplicações dos Inversores de Soldadura por Arco-Igbt

Os inversores de soldadura por arco baseados em IGBT podem ser classificados de acordo com as suas características externas, ou de acordo com os seus tipos de saída, tais como DC, pulso e onda quadrada AC.

Ambos os tipos de inversores de soldadura têm um significado universal e podem ser utilizados não só para processos de soldadura em grande escala e abrangentes, como a soldadura por arco com vareta, a soldadura por arco com tungsténio e árgon, a soldadura com elétrodo de fusão protegido com gás, a soldadura por arco com plasma e o corte, mas também para processos de soldadura automática por arco submerso de fio simples/duplo de alta potência, entre 1250A e 2000A, goivagem por arco de ar e soldadura por arco com robô, bem como soldadura MIG/MAG/pulso de fio duplo e soldadura por arco submerso de três fios, entre outros.

Inversor de soldadura por arco com comutação suave

O que é um inversor de soldadura por arco com comutação suave?

Os dispositivos de alimentação da fonte de alimentação de soldadura por arco funcionam e são controlados em modo analógico ou de comutação. Existem dois tipos de fonte de alimentação de soldadura por arco em modo de comutação, comutação dura e suave. O primeiro utiliza principalmente a tecnologia de controlo de modulação de largura de pulso (PWM), e os dispositivos de energia funcionam num estado forçado (a corrente não é zero) ou forçado (a tensão não é zero).

Devido à existência de capacitância e indutância parasitas no circuito, os dispositivos de comutação de potência ligam-se e desligam-se com valores de corrente e tensão de trabalho que não são nulos ou mesmo superiores, o que leva a elevadas perdas de comutação. Esta perda aumenta proporcionalmente com a frequência, reduzindo significativamente a eficiência do circuito e causando mesmo o seu mau funcionamento.

Os inversores de soldadura por arco tradicionalmente concebidos têm dificuldade em resolver fundamentalmente estes problemas. No entanto, os inversores de soldadura por arco com comutação suave utilizam a tecnologia de conversão de corrente ressonante, em que os dispositivos de potência se ligam ou desligam naturalmente em condições de tensão ou corrente nulas.

Esta tecnologia supera essencialmente as desvantagens das fontes de alimentação de soldadura por arco de comutação rígida, reduz as perdas de comutação em grande medida e minimiza a interferência electromagnética (EMI) e a interferência de radiofrequência (RFI).

Também reduz o peso do inversor, aumenta a frequência, diminui o volume de transformadores, indutores e condensadores no circuito, reduz a ondulação de saída e melhora a densidade de potência e o desempenho dinâmico do sistema.

Por conseguinte, a aplicação da tecnologia de comutação suave, especialmente em inversores de soldadura por arco, está cada vez mais generalizada, levando a fonte de alimentação de soldadura por arco a um novo nível. Os inversores de soldadura por arco com comutação suave são um desenvolvimento promissor neste domínio, e esta secção centrar-se-á na sua discussão.

Forma básica e princípio de funcionamento do circuito principal do inversor de comutação suave

Os principais componentes e princípios básicos do inversor de soldadura por arco de comutação suave são semelhantes aos do inversor de soldadura por arco de comutação dura. A principal diferença reside nos detalhes da estrutura do circuito principal do inversor e no método de ajuste do circuito de controlo e acionamento.

A tecnologia de conversão de corrente ressonante com modo de funcionamento de comutação suave pode ser controlada por dois métodos: controlo de frequência variável e controlo de frequência constante. A análise e a conceção do circuito de controlo de frequência variável são complexas e susceptíveis a interferências, e a gama de saída é pequena, com baixa utilização de componentes magnéticos.

O controlo de frequência constante baseia-se no PWM habitualmente utilizado, no qual um indutor e um condensador ressonantes são ligados em série no circuito principal do inversor. O sistema de controlo utiliza uma onda quadrada com desvio de fase para acionar os dispositivos de comutação, baseando-se no díodo de roda livre para conseguir um controlo de comutação suave dos dispositivos de potência.

No circuito principal do inversor de ponte completa, os dispositivos de comutação de potência nas linhas diagonais não são ligados e desligados ao mesmo tempo, mas são escalonados com um intervalo de tempo para atingir o desligamento da corrente zero ou a ligação da tensão zero. O controlo da tensão ou da corrente de saída é conseguido através do ajuste do ciclo de funcionamento da ponte.

Este método de controlo é relativamente fácil de conceber, tem uma gama de saída maior e uma estrutura de circuito relativamente simples, tornando-o mais adequado para aplicações de inversores de soldadura por arco.

Forma básica do circuito principal do inversor de comutação suave

Atualmente, existem várias formas básicas comuns de circuito principal do inversor de comutação suave, incluindo:

  • Circuito principal do inversor ressonante de comutação de corrente zero (ZCS).
  • Circuito principal do inversor ressonante de comutação de tensão zero (ZVS).
  • Circuito principal do conversor multiressonante (MRC).
  • Circuito principal do inversor ressonante em série.
  • Circuito principal do inversor ressonante em paralelo.
  • Circuito principal do inversor ressonante de barramento CC.
  • Circuito principal do inversor ressonante de controlo por deslocamento de fase.

Princípio de funcionamento do circuito principal do inversor de comutação suave

Para escolher o circuito principal do inversor de comutação suave correto para a fonte de alimentação de soldadura por arco, é necessário introduzir em pormenor os seguintes quatro circuitos principais básicos do inversor de comutação suave:

Figura 6: Circuitos de comutação de corrente zero (ZCS), comutação de tensão zero (ZVS) e circuito multiressonante (MRC).
a) ZCS b) ZVS c) MRC

(1) Circuito principal do Inversor Ressonante de Comutação de Corrente Zero (ZCS)

Tal como se mostra na Figura 6a, o ZCS refere-se à utilização da forma de onda da corrente no elemento ressonante LC auxiliar e nos dispositivos de potência para fazer com que os dispositivos de potência se desliguem naturalmente em condições de corrente zero, conseguindo a comutação natural dos dispositivos.

(2) Circuito principal do inversor ressonante de comutação de tensão zero (ZVS)

Como mostra a Figura 6b, ZVS refere-se à utilização da forma de onda da tensão no indutor e condensador do elemento ressonante auxiliar e nos dispositivos de potência para reduzir a tensão de capacitância de saída dos dispositivos de potência para zero antes de ligar os dispositivos, criando condições de tensão zero para ligar os dispositivos e eliminando as perdas de comutação relacionadas com a capacitância de saída parasita dos dispositivos, aumentando assim consideravelmente a frequência de comutação.

No entanto, a ZVS tem dois inconvenientes. Um deles é o grande esforço de tensão no dispositivo, que é proporcional à gama de cargas, o que dificulta a obtenção de ZVS para uma vasta gama de cargas. O outro é causado pela oscilação do díodo retificador com o condensador ressonante.

Se for uma oscilação de amortecimento, causará uma grande perda de potência a altas frequências. Se for uma oscilação não amortecedora, terá um efeito desvantajoso no ganho de tensão do inversor e pode causar oscilação em circuito fechado.

(3) Circuito principal do inversor multi-resonante

Como se mostra na figura 6c, o circuito principal do inversor multiressonante refere-se à combinação das características de ZVS e ZCS numa única estrutura de comutação. O condensador ressonante está em paralelo com o dispositivo de comutação e em paralelo com o díodo, fazendo com que tanto o dispositivo de comutação como o díodo sejam interruptores de tensão zero.

A principal vantagem é que todos os principais parâmetros parasitas (capacitância de saída do dispositivo de potência, capacitância de junção do díodo, indutância de fuga do transformador, etc.) são integrados no circuito ressonante, fazendo com que todos os dispositivos do circuito conduzam quando a tensão é zero, reduzindo assim as perdas de comutação e melhorando a eficiência do trabalho.

A desvantagem dos três circuitos acima referidos é o facto de funcionarem com uma frequência variável, o que resulta em tensões e correntes elevadas nos dispositivos.

O circuito principal do inversor ressonante em série, o circuito do inversor em paralelo de meia ponte e ponte completa e o circuito principal do inversor de classe E estão mais estreitamente relacionados com a estrutura do circuito principal do inversor de soldadura por arco de comutação suave.

O circuito principal do inversor de classe E é uma versão melhorada do circuito do amplificador de classe E e é modificado a partir do inversor ressonante em série. O seu circuito é apresentado na figura 7.

Figura 7: Circuito principal do inversor de classe E

A vantagem do circuito principal do inversor de classe E é que elimina as perdas de comutação e reduz as interferências electromagnéticas. A principal desvantagem é que existe um grande pico de corrente a fluir através do comutador e o dispositivo de comutação suporta um grande esforço de tensão.

(4) Circuito principal do inversor de ponte completa com controlo de mudança de fase

Desde a sua proposta no final da década de 1980, o circuito de comutação suave de ponte completa controlado por mudança de fase tem recebido cada vez mais atenção e tornou-se um tema quente na investigação e aplicação. O circuito de comutação suave de ponte completa com mudança de fase combina na perfeição duas topologias de circuito, a comutação suave ressonante e o PWM.

A comutação ressonante é conseguida durante o processo de comutação do dispositivo de comutação de potência, assegurando menores perdas de comutação, enquanto que, depois de o dispositivo de comutação ser ligado, são fornecidas uma tensão e uma corrente de onda quadrada utilizando a modulação PWM. Com base nas características da forma de onda de comutação, o circuito de comutação suave de ponte completa controlado por mudança de fase pode ser dividido em comutação suave de tensão zero de ponte completa e comutação suave de tensão zero e corrente zero.

O circuito principal e a temporização do sinal de condução do circuito do inversor de ponte completa controlado por deslocamento de fase são apresentados na Figura 8:

Figura 8: Diagrama de temporização do circuito principal controlado por deslocamento de fase e do sinal de acionamento.
a) Circuito principal controlado por deslocamento de fase b) Diagrama de temporização do sinal de acionamento.
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Shane
Autor

Shane

Fundador do MachineMFG

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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