ES2216443T5 - Procedimiento y aparato de produccion de corriente para soldar. - Google Patents
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Abstract
UN PROCEDIMIENTO O UN APARATO PARA SOLDADURA POR SUBARCO/ARCO CON ELECTRODO TUBULAR, INCLUYE SUMINISTRAR UN PRIMER ELECTRODO A UN PRIMER ARCO DE SOLDADURA, Y UNA PRIMERA SEÑAL DE CORRIENTE ALTERNA AL PRIMER ARCO DE SOLDADURA. LA PRIMERA SEÑAL DE CORRIENTE ALTERNA ES UNA SEÑAL DE TENSION SUSTANCIALMENTE CONSTANTE. UN SEGUNDO ELECTRODO PUEDE SUMINISTRARSE A UN SEGUNDO ARCO DE SOLDADURA CERCA DEL PRIMER ARCO DE SOLDADURA, Y SE PROPORCIONA ENTONCES UNA SEGUNDA SEÑAL DE CORRIENTE ALTERNA AL SEGUNDO ARCO. UNA RELACION DE FASE ENTRE LA PRIMERA Y LA SEGUNDA SEÑALES DE CORRIENTE ALTERNA, SE ELIGE ENTRE UNA PLURALIDAD DE POR LO MENOS TRES RELACIONES POSIBLES DE FASE. PREFERENTEMENTE, SE PUEDE ELEGIR LA FRECUENCIA Y/O BALANCE POR LO MENOS DE UNA DE LAS SEÑALES. TAMBIEN, SE PUEDE CONTROLAR PREFERENTEMENTE LA FRECUENCIA DE SALIDA, DE TAL FORMA QUE PUEDA SER MAS O MENOS LA FRECUENCIA DE ENTRADA.
Description
Procedimiento y aparato de producción de
corriente para soldar.
La presente invención se refiere, en general, a
la técnica de suministros de energía eléctrica para soldar por arco
eléctrico y, más particularmente, a suministros de energía eléctrica
para soldar por arco eléctrico que están particularmente bien
adaptados para soldadura por arco sumergido y soldadura con alambre
tubular.
La soldadura por arco sumergido (también
denominada SAW o arco sumergido) es un tipo de soldadura por arco
en la que el arco no es visible. La soldadura por arco sumergido
produce la coalescencia de los metales al calentarlos con un arco
entre un electrodo de metal desnudo y la pieza de trabajo. El arco y
el metal fundido están sumergidos en una manta de fundente fusible
granular sobre la pieza de trabajo. El material de relleno es
suministrado por el electrodo (o por una fuente suplementaria, como
por ejemplo una varilla de soldadura o gránulos metálicos). El arco
está cubierto por el fundente.
La soldadura con alambre tubular es un
procedimiento en el cual el fundente o metal de relleno está
provisto dentro de la parte hueca de un alambre tubular.
Generalmente, la soldadura con alambre tubular incluye una
soldadura con alambre con núcleo de fundente y una soldadura con
alambre con núcleo de metal. La soldadura por arco metálico y la
soldadura con alambre tubular se realizan a menudo con corrientes de
salida relativamente altas como por ejemplo hasta 500 amperios o
más. Las soldaduras por arco sumergido/con alambre tubular son
generalmente soldaduras que tienen provisto un alambre alimentado
dentro de un arco con un fundente adicional o metal de relleno. En
la forma utilizada en la presente memoria la soldadura por arco
sumergido/con alambre tubular se refiere a soldadura por arco
sumergido y soldadura con alambre tubular.
Muchas de las aplicaciones de alambre tubular y
arco sumergido son aplicaciones de soldadura automática en la que
bien la pieza de trabajo se mueve por debajo del cabezal soldador o
el cabezal soldador se mueve sobre la pieza de trabajo estática.
Dichos sistemas automáticos incluyen alimentadores de alambre y son
bien conocidos en la técnica. Los alimentadores de alambre usados
en la soldadura por arco sumergido podrán ser de velocidad
constante o de velocidad variable. Los alimentadores de alambre de
velocidad constante se usan normalmente con suministros de
eléctricos CV y los alimentadores de alambre de velocidad variable
se podrán usarse con suministros eléctricos CC. Cada tipo de
alimentador de alambre tiene ventajas y desventajas.
Preferentemente, un suministro eléctrico de soldadura debería ser
utilizable con un alimentador de alambre de velocidad constante o
usable con cada tipo de alimentador de alambre.
Las aplicaciones de soldadura por arco sumergido
automáticos primitivas suministraban una salida cc y usaban fuentes
eléctricas con características de VA descendientes y tensiones que
siguen los alimentadores de electrodo de alambre. Subsecuentemente
las fuentes cc de tensión constante (CV) fueron introducidas en el
procedimiento y ligadas a los alimentadores de electrodos de
alambre de velocidad constante. Sin embargo, los campos magnéticos
generados por las corrientes de arco cc y que rodean el arco y el
campo asociado con las corrientes de tierra reaccionan entre sí de
una forma impredecible, originando que el arco se mueva como si el
arco fuese "soplado" hacia un lado. Este efecto se denomina
como soplado del arco. Este efecto es más pernicioso en soldaduras
de surco profundo donde el movimiento errático del arco perturba la
formación y colocación apropiada del arco de argon en atmósfera de
argon para soldar. El soplado del arco se vuelve un problema más
severo a medida que se incrementa la temperatura, dado que los
campos magnéticos se incrementan de forma correspondiente.
El soplado del arco es un problema menor cuando
se usa un suministro eléctrico cc (dado que no existe corriente del
arco cc). Sin embargo, una salida sinoidal no siempre se comporta
bien en procedimientos de soldadura por arco sumergido dado que la
onda sinoidal exhibe un cruce cero lento que pueda dar como
resultado la rectificación del arco.
Las fuentes eléctricas de soldadura de onda
cuadrada intentan usar las ventajas de la soldadura ca sinoidal
pero con un cruce cero rápido para evitar la rectificación del arco.
Una alimentación eléctrica de soldadura de onda cuadrada conocida
se describe en el documento de patente
US-A-4.038.515. Esta fuente de
alimentación suministra una salida de soldadura ca de onda
cuadrada. Este diseño suministra una salida de corriente constante
(CC) y por lo tanto no se puede utilizar con un alimentador de
alambre de velocidad constante. La salida de esta fuente de energía
eléctrica está a una frecuencia igual a la frecuencia de
entrada.
Otra fuente de energía eléctrica para soldar por
arco sumergido de la técnica anterior se describe en el documento
de patente US-A-4.322.602. Dicho
documento describe una alimentación eléctrica ca de potencial
constante (CV) que se puede utilizar para soldar por arco
sumergido. La salida es una salida ac/CV que tiene una frecuencia
igual a la frecuencia de entrada y que tiene un cruce cero rápido.
Esta fuente de energía eléctrica se usa con un alimentador de
alambre de velocidad constante.
Una fuente de energía eléctrica para soldar TIG
(gas inerte/tungsteno) se describe en el documento de patente
US-A- 5.340.963. El documento de patente
US-A- 5.340.963 muestra una fuente de energía
eléctrica ca para soldar que recibe una entrada trifásica y
suministra una salida monofásica ca, y que tiene un cruce cero
relativamente rápido, a una frecuencia de 1,5 veces la frecuencia
de entrada. Este es un tipo de ciclo convertidor escalonado. Sin
embargo, esta técnica anterior no enseña un modo CV de operación, ni
tampoco un controlador CC. Esta técnica anterior podrá operarse en
un modo cc pero solamente opera en la mitad de la entrada sinoidal
(de dicha forma los SCR y los devanados secundarios podrán manejar
el doble de la corriente con relación a la capacidad de corriente
necesaria si se utilizara la entrada completa). Esto podrá ser
costoso y añadir peso y tamaño a la máquina.
Un "cicloconvertidor elevador" en la forma
utilizada en la presente memoria es un cicloconvertidor que tiene
una frecuencia de salida mayor que la frecuencia de entrada. Recibe
una entrada ca a una frecuencia dada y suministra una salida ca a
una frecuencia superior. Esta conversión se obtiene mediante el
control de fase o sin el uso de conmutadores que son forzados a
desconectarse como por ejemplo SCR, IGBT o FET conmutados por
fuerzas. De dicha forma, un rectificador seguido por un inversor o
un convertidor de oposición/refuerzo no es un cicloconvertidor. Los
solicitantes han aprendido que la soldadura por arco sumergido
realizada a una frecuencia superior e inferior que la frecuencia de
línea de entrada (50 o 60 Hz) suministrará una soldadura mejor. Las
fuentes de potencia que suministran una salida superior a 60 Hz son
conocidas y son generalmente inversores u otros convertidores. Sin
embargo los convertidores basados en inversores requieren el uso de
conmutadores caros que puedan ser desconectados como por ejemplo los
IGBT. Esto es particularmente verdad en aplicaciones como en
soldaduras por arco sumergido donde la corriente deseada podrá
exceder los 1000 amperios. Por lo tanto, fuentes de suministro
eléctrico basadas en inversores para uso en soldadura por arco
sumergido podrán ser caras y no resultar prácticas.
Adicionalmente, se considera deseable
suministrar flexibilidad a una alimentación eléctrica de soldadura
de forma que pueda ser usada para una variedad de aplicaciones. Por
ejemplo, es deseable suministrar una fuente de suministro eléctrico
para soldar que suministre una salida ca o cc. Además, es deseable
suministrar una alimentación eléctrica de soldadura que suministre
una salida CV o una corriente constante (CC), que pueda ser usada
con un alimentador de alambre de velocidad constante o variable.
Además, resultará más fácil para el usuario establecer,
(seleccionar las condiciones y parámetros operacionales), en una
fuente de alimentación del tipo CV. Fuentes de alimentación para
soldar basadas en inversores podrán ser ca/cc y CC/CV pero en la
forma descrita anteriormente podrán ser caras y no apropiadas para
aplicaciones por arco sumergido.
Por lo tanto, se considera deseable poder
suministrar una fuente de alimentación para soldar que sea apropiada
para soldar por arco sumergido que pueda operarse en un modo CC o
en un modo CV. Además, dicha fuente de alimentación podrá ser
operable preferentemente para suministrar una salida con una
frecuencia diferente que la frecuencia de línea de entrada, cuando
está en modo ca, pero que no requiera el uso de conmutadores IGBT u
otros conmutadores que deban ser desconectados.
Un tipo de soldadura por alambre tubular/arco
sumergido implica el uso de dos arcos y dos alambres, en la que el
segundo arco y el segundo alambre siguen próximamente detrás del
primer arco y del primer alambre (a menos de 25 mm, o lo
suficientemente próximos para que sea insignificante la interacción
magnética, por ejemplo). Este tipo de soldadura se realiza
típicamente para aplicaciones de alta deposición o alta
velocidad.
Se considera generalmente deseable poder ser
capaz de controlar la relación de fase (o suministrar un
escalonamiento de fase) entre las señales eléctricas suministradas
a los dos arcos, dado que la relación de fase afecta la interacción
magnética entre arcos próximos. La técnica anterior más cercana de
suministros eléctricos trifásicos podrían suministrar relaciones de
fase y relaciones fuera de fase de 120 grados usando una conexión
Scott-T. Sin embargo, esto suministra la selección
entre solamente dos fases diferentes y requiere cambiar el tipo de
la conexión de entrada. (En la forma utilizada en la presente
memoria, el número de relaciones de fase incluye cambios de fase
entre 0 y 180 grados y no incluye invertir el orden. Por ejemplo, si
el alambre 1 está 120 grados por delante del alambre 2, esto no se
considera una relación de fase diferente del alambre 2 estando 120
grados por delante del alambre 1) el escalonamiento de fase de la
técnica anterior no es necesariamente útil dado que en función de
la aplicación y las condiciones de soldadura particulares podrá ser
deseable disponer que las relaciones de fase estén próximas en fase
o próximas fuera de fase o algo intermedio. (En la forma utilizada
en la presente memoria, dos fuentes de suministro eléctrico tienen
una relación de fase variable o seleccionable cuando la fase entre
las dos salidas podrá seleccionarse para que esté fuera de al menos
tres relaciones de fase discretas entre 0 y 180 grados, o cualquier
fase dentro de un intervalo de fase). De dicha forma, se considera
deseable que una alimentación eléctrica pueda ser capaz de controlar
la relación de fase de forma que la fase pueda ser adaptada para la
aplicación y las condiciones de soldadura particulares.
Preferentemente, dicho control de fase debería estar suministrado
por una alimentación eléctrica que no tenga que ser necesariamente
una alimentación eléctrica tipo inversor, y más preferentemente
mediante una alimentación eléctrica de control de fase para limitar
costes innecesarios y limitaciones de energía eléctrica.
También es en general deseable poder controlar
la frecuencia a la cual se realiza la soldadura por arco
sumergido/con alambre tubular dado que la frecuencia afecta la
penetración y/o otras características de la soldadura. La
frecuencia óptima para una aplicación de soldadura particular y las
condiciones de soldadura podrán variar. Específicamente, la
frecuencia deseada particular es generalmente bien mayor o menor de
50 a 60 hz, normalmente suministrada por las compañías de energía
eléctrica. Genéricamente, los suministros de energía eléctrica
basados en inversor podrán ser operadas a una amplia variedad de
frecuencia. Sin embargo los suministros de energía eléctrica
basados en inversor son caros y difíciles de diseñar y operar a
altas magnitudes de corriente necesarias normalmente para
soldaduras por arco sumergido/con alambre tubular. Por lo tanto es
deseable un suministro eléctrico para soldadura por arco
sumergido/con alambre tubular que tenga una frecuencia variable pero
que no esté basada en inversor. (En la forma utilizada en la
presente memoria, un suministro eléctrico es un suministro
eléctrico de frecuencia variable o tiene una frecuencia controlable,
cuando es capaz de suministrar una salida que tiene una frecuencia
seleccionable entre una pluralidad de frecuencias discretas, o de
cualquier frecuencia de un intervalo de frecuencias).
Preferiblemente, dicho suministro eléctrico para soldar será un
suministro eléctrico controlado por fase y/o basado en SCR.
Otro parámetro que es deseable controlar en
soldadura por arco sumergido/con alambre tubular es el balance dado
que el balance afecta la velocidad de deposición, la penetración y
otras características de soldadura. El balance, en la forma usada
en la presente memoria, se refiere al porcentaje de tiempo y/o
magnitud de la porción positiva de la forma de onda con relación a
la porción negativa de la misma. Algunos procedimientos de
soldadura se realizan mejor con un balance distinto al del 50%. Los
suministros eléctricos basados en inversores suministran un control
de balance, aunque sin embargo debido a su coste y su inaptitud para
soldar con magnitud de alta corriente, no son particularmente
útiles para soldaduras por arco sumergido/con alambre tubular. Por
lo tanto, es deseable una alimentación eléctrica para soldar que
suministre un control de balance que utilice un circuito eléctrico
basado en SCR y/o control de fase.
Por lo tanto, es deseable disponer de una
alimentación eléctrica para soldar por arco sumergido/con alambre
tubular que suministre una o más salidas de frecuencia
seleccionable, una salida de balance seleccionable, una salida ca
CV que sea capaz de ser utilizada con una segunda alimentación
eléctrica que tenga salidas que estén en fase escalonada.
Según un primer aspecto de la invención, se
suministra un procedimiento para soldar por arco sumergido/con
alambre tubular que comprende las etapas de suministrar un primer
alambre a un primer arco de soldadura, suministrar un segundo
alambre a un segundo arco de soldadura, estando dispuesto el segundo
arco de soldadura próximo al primer arco de soldadura, suministrar
una primera señal eléctrica ac al primer arco, suministrar una
segunda señal eléctrica ca al segundo arco, seleccionar un
controlador con medios para seleccionar una relación de fase entre
la primera y la segunda señales eléctricas ca, y seleccionar una
relación de fase entre la primera y la segunda señales eléctricas
ca en la cual la relación de fase se selecciona a partir de al menos
tres relaciones de fase posibles.
Diversas formas de realización alternativas
incluyen el control del balance y/o la frecuencia de al menos una de
las señales ca.
Según un segundo aspecto de la invención se
suministra un aparato para soldar por arco sumergido/con alambre
tubular que comprende una primera fuente de alambre dispuesta para
suministrar alambre al primer arco de soldadura, una segunda fuente
de alambre dispuesta para suministrar alambre a un segundo arco de
soldadura, estando dispuesto el segundo arco de soldadura próximo
al primer arco de soldadura, una primera alimentación eléctrica ca
dispuesta para suministrar una primera señal eléctrica ca al primer
arco, una segunda fuente de energía eléctrica ca dispuesta para
suministrar una segunda señal eléctrica ca al segundo arco, un
controlador conectado bien a la primera o la segunda fuente de
energía eléctrica ca, para seleccionar una relación de fase entre la
primera y la segunda señal eléctrica ca, en la que el controlador
tiene un medio para seleccionar entre al menos tres relaciones de
fase diferentes.
Formas de realización particulares según la
presente invención se describirán a continuación haciendo referencia
a los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 es un diagrama de un circuito de una
fuente de energía eléctrica de la forma de realización preferente,
con unos puentes que muestran las conexiones para cada uno de los
modos ca o cc;
la Figura 2 es un diagrama de un circuito de una
fuente de energía eléctrica de la forma de realización preferente,
configura con un modo ca;
la Figura 2A es un diagrama de un circuito de
una fuente de energía eléctrica de la forma de realización
preferente, configura con un modo ca, en el que la mayoría de los
componentes no eléctricos no están mostrados;
la Figura 3 es un diagrama de un circuito de una
fuente de energía eléctrica de la forma de realización preferente,
configura con un modo cc;
la Figura 3A es un diagrama de un circuito de
una fuente de energía eléctrica de la forma de realización
preferente, configura con un modo cc, en el que la mayoría de los
componentes no eléctricos no están mostrados;
la Figura 4 es un diagrama de circuito de un
regulador de corriente usado en la forma de realización
preferente;
la Figura 5 es un diagrama de circuito de un
regulador de tensión usado en la forma de realización preferente;
y
las Figuras 6-8 son formas de
onda que muestran las diversas salidas de frecuencia producidas
usando la fuente de energía eléctrica de las Figuras 2 y 2A.
Un diagrama de circuito de una fuente de energía
eléctrica ca/cc para soldar CC/CV configurada según la presente
invención se muestra en la Figura 1. Esta fuente de energía
eléctrica para soldar es una fuente de energía eléctrica para
soldar con arco sumergido y debería ser capaz de operar en un modo
CV. Una entrada sinoidal trifásica es recibida en una pluralidad de
entradas \varphi1, \varphi2, \varphi3. Una pluralidad de
condensadores C1, C2 y C3 están provistos entre las entradas y
tierra para actuar como filtro de alta frecuencia. Un contactador
que tiene una pluralidad de contactos W se usa para conectar la
potencia de entrada a un transformador T1.
El transformador primario T1 está conectado en
una conexión delta, aunque también podrá utilizarse una conexión en
estrella. Se usa una conexión delta en la forma de realización
preferente porque está designada para usar hilos por una capacidad
de transporte de corriente menor, pero con un mayor número de
vueltas.
Los secundarios del transformador T1 están
divididos y son secundarios con tomas en el centro. En la forma
utilizada en la presente memoria "secundario con toma en el centro
y dividido" es un secundario con toma en el centro en el que
otro sistema de circuitos (por ejemplo SCR) podrá estar dispuesto
entre cada conjunto de devanados y la toma central. La relación de
vueltas en la forma de realización preferente es de aproximadamente
6,9:1, de forma que 460 voltios en \varphi1, \varphi2,
\varphi3 produce aproximadamente 70 voltios en un circuito
abierto.
El suministro eléctrico de la Figura 1 podrá
utilizarse para suministrar una salida cc o ca (ca/cc). El usuario
selecciona entre una salida ca y cc conectando apropiadamente una
pluralidad de puentes. Una caja 102 muestra la posición de los
puentes para los modos de operación ca y cc.
Una pluralidad de SCR, SCR1-SCR6
están conectados a los devanados secundarios. Cada SCR está provisto
con un condensador (C11-C16) y una resistencia
(R11-R16) para actuar como un amortiguador. La
configuración de SCR 1-6 depende del modo (cc o ca)
de operación. Un controlador 103 suministra las señales de puerta al
SCR1-6, de forma que se conduzcan en la forma
descrita en el modo ca de la patente US 5.340.963.
Un inductor L1 (400 microhenrios en cada
devanado) que es un inductor con toma central, sirve de ayuda para
suministrar una salida suave y de asistencia en un rápido cruce cero
cuando la fuente eléctrica de alimentación está operada en un modo
ca. L1 está configurado de forma que la corriente fluya a través del
inductor en la misma dirección de creación de flujo
independientemente de la dirección de la corriente en el devanado
primario (y en el secundario asociado). Cada rama del inductor L1
está compuesta de dos devanados magnéticamente paralelos,
fabricados de aluminio y montados en ramas opuestas de un núcleo U
para servir de ayuda en el transporte de la alta carga de
corriente, en la forma de realización preferente. El inductor L1
estará conectado en una de dos maneras (en la forma mostrada en las
Figuras 2 y 3), en función del modo de operación seleccionado (ca o
cc).
Un par de resistencias R1 y R2 (20 ohmios) están
provistas para servir de ayuda al retenedor activado
SCR1-6 bajo condición de no carga. Un dispositivo
Hall HD1 está provisto para detectar la salida de corriente y
suministrarla al controlador 103 en una entrada
RC2-1. Las entradas RC1-1 y
RC1-4 suministran energía eléctrica al dispositivo
Hall HD1.
Un par de condesandores C9 y C10 están provistos
a un electrodo de salida E y a una pieza de trabajo W. Los
condensadores C9 y C10 tienen una capacitancia de 0,1 gF y están
provistos para actuar como filtros de alta frecuencia.
Un par de resistencias R3 y R4 (200 ohmios) se
usan para detectar la tensión de salida suministrada al electrodo E
y a la pieza de trabajo y están suministradas al controlador 103 en
las entradas RC2-4 y RC2-5. El
controlador 103 incluye un regulador de corriente para la operación
en el modo de corriente constante que usa la corriente de
realimentación procedente del dispositivo Hall HD1. En la forma de
realización preferente (descrita en más detalle en lo que sigue con
referencia a la Figura 4), un regulador de corriente analógico
típico PI está provisto. El controlador 103 incluye también un
regulador de tensión para su operación en el modo CV que usa la
tensión de realimentación procedente de las resistencias R3 y R4, o
desde un sensor remoto conectado a los modos 27 y 28. En una forma
de realización preferente (descrita en más detalle en lo que sigue
con referencia a la Figura 5), se suministra un regulador de
tensión PI analógico típico.
La salida del circuito eléctrico podrá estar
controlada controlando el ángulo de fase al cual son disparados los
SCR. Para incrementar la salida del circuito eléctrico, los SCR
están en fase adelantada de forma que serán disparados más temprano
en cada ciclo. De forma inversa, para disminuir la salida, los SCR
están en fase atrasada, de forma que sean disparados más tarde. El
tiempo de conducción nominal para cada SCR es de 120 grados (del
ciclo de entrada) de forma que la frecuencia de salida sea 1,5 veces
la frecuencia de entrada.
El controlador 103 recibe un comando de entrada
ISET indicativo de una corriente de salida seleccionada por el
usuario. El ISET se obtiene de un potenciómetro en el panel frontal
(o desde un dispositivo de entrada remoto o de otro dispositivo de
entrada) de la fuente de potencia para soldar cuando está operada en
el modo CC. El controlador 103 compara el ISET con la corriente
detectada y controla el ángulo de disparo del SCR
1-6 en consecuencia. Se utiliza un alimentador de
alambre de velocidad variable en el modo CC en la forma de
realización preferente.
El controlador 103 incluye también un VSET de
entrada indicativo de una tensión de salida seleccionada por el
usuario para operar en el modo CV. El VSET permite al usuario
seleccionar una salida de tensión constante. El regulador de
tensión PI del controlador 103 tiene una salida en función de la
diferencia entre VSET y la tensión de salida recibida vía la
resistencias R3 y R4. La salida del regulador de tensión está
provista con una entrada del punto de establecimiento, ISET, (en
vez de la corriente de salida seleccionada por el usuario) al
regulador de corriente. De dicha forma, los reguladores de corriente
y de tensión están de dicha forma en cascada, de forma que se
obtenga una salida CV. En la forma de realización preferente se usa
un alimentador de alambre de velocidad constante en el modo CV.
La fuente de alimentación de la Figura 1, que
tiene los puentes conectados en el modo ca, se muestra en la Figura
2. Una pluralidad de terminales 47, 87 y 88 están conectados a un
extremo sin puntos de una rama de cada secundario en el
transformador T1. Dichas ramas de cada secundario están conectadas,
en el otro extremo con puntos, SCR 1, 3 y 5. Los SCR 1, 3 y 5 están
configurados para permitir que el flujo de corriente (cuando está
activado) desde el extremo con puntos del secundario al SCR. Los SCR
1, 3 y 5 están también conectados al terminal 50 (a través de una
pluralidad de terminales 90, 91 y 92). El terminal 50 está también
conectado a una pieza de trabajo W. El extremo sin puntos de dicho
secundarios está conectado a un extremo del inductor L1. La toma
central del inductor L1 está conectada al electrodo.
Las otras mitades de los secundarios tiene sus
extremos con puntos conectados conjuntamente y también conectados
al otro extremo del inductor L1. Los extremos sin puntos de dichos
secundarios están conectados a SCR 2, 4 y 6, lo que permite que la
corriente fluya al interior de los extremos sin puntos de los
secundarios (cuando están activados). Los SCR 2, 4 y 6 están
también conectados a la pieza de trabajo.
A continuación se describirá los recorridos de
corriente con respecto a los secundarios S1A y S1B, que están
asociados con el primario P1. Cuando SCR6 está activado, la
corriente fluye a través de SCR6 hasta el extremo sin puntos del
secundario S1A, posteriormente desde el extremo con puntos del
secundario S1A a través del inductor L1 al electrodo E, a través
del arco hasta la pieza de trabajo W y de nuevo a SCR6. Recorridos
de corrientes similares existen en los SCR 2 y 4. Cuando SCR5 está
activado, la corriente fluye desde el extremo con puntos del
secundario SIB a través de SCR5 hasta la pieza de trabajo W, a
través del arco hasta el electrodo E, a través de L1 y de nuevo al
lado sin puntos del secundario. Recorridos de corrientes similares
existen con SCR 1 y 3.
La Figura 2A es un diagrama de circuito
simplificado que muestra la fuente de energía eléctrica de las
Figuras 1 y 2 conectada en el modo ca. Sin embargo, la Figura 2A
muestra principalmente el lado secundario de los componentes
eléctricos en la configuración en modo ca y omite los
amortiguadores, etc., y los puentes con relación al modo cc.
La Figura 2A muestra que, en el modo ca, el
circuito eléctrico de la presente invención está configurado de un
modo muy similar al circuito eléctrico del documento de patente
US-A-5.340.963. Específicamente,
cuando los SCR están disparados en la secuencia SCR6, SCR3, SCR2,
SCR5, SCR4, SCR1, y cada SCR es conductor por al menos 120 grados
antes del cruce 0, se crea una señal de salida que tiene una
frecuencia de 1,5 veces la frecuencia de la línea de entrada. Sin
embargo, según la presente invención, el circuito eléctrico podrá
ser operado en un modo CC o CV. De dicha forma podrá apreciarse que
un cicloconvertidor escalonado está provisto que opera en un modo CV
o CC.
Dado que la salida está provista a través del
conductor L1 de toma central, de forma que la corriente fluye
siempre en la misma dirección de creación de flujo en L1,
independientemente de la dirección del flujo de la corriente de
salida, el inductor L1 suaviza la corriente de soldadura y sirve de
ayuda para un rápido cruce cero.
La fuente de alimentación eléctrica configurada
en un modo cc se muestra en la Figura 3. Los SCR 1, 3 y 5 están
conectados a una barra bus 101 mientras que los SCR 2, 4 y 6 están
conectados a la pieza de trabajo en el modo cc. Los SCR están
disparados en la misma secuencia que para el modo ca. Sin embargo,
en está configuración la salida será una salida cc. Se usa el
inductor L1 para suministrar una salida de soldadura más suave.
La corriente fluye desde el lado de puntos del
secundario S1A a través del inductor L1, a través del arco, a
través de SCR6 y de nuevo al secundario S1A. Recorridos de corriente
similares existen a través de SCR 2 y 4. Otro recorrido de
corriente es desde el extremo de puntos del secundario S1B, a través
de SCR5, a través del inductor L1 (en la misma dirección de
creación de flujo que el otro recorrido de corriente), a través del
arco y de nuevo al secundario S1B. Unos recorridos de corriente
similares existen a través de SCR 1 y 3.
La Figura 3A es una forma esquemática
simplificada del circuito eléctrico de las Figuras 1 y 3 donde los
devanados primario y cierto circuito asociado como los
amortiguadores no se muestran. De dicha forma, se ha descrito un
circuito eléctrico que opera en el modo ca o cc con un controlador
que puede suministrar una salida CC o CV. La salida se utiliza
preferentemente en la soldadura por arco sumergido.
El controlador 103 permite al usuario
seleccionar entre un modo de operación CV y CC. La selección se
realiza preferentemente un conmutador de válvula en el panel
central de la fuente de energía eléctrica (o usando un elemento
remoto). Se suministran dos reguladores: un regulador de corriente y
un regulador de tensión. Cuando se selecciona la operación CC, se
usa el regulador de corriente para controlar la salida y no se
utiliza el regulador de tensión. Cuando se selecciona la operación
CV, la salida del regulador de tensión se usa como el punto de
establecimiento para el regulador de corriente. Posteriormente el
control se basa en la salida del regulador de corriente. Esta
configuración en cascada permite al usuario seleccionar una salida
CV y todavía usar el regulador de corriente para controlar el
disparo del SCR.
El regulador de corriente es un regulador de
corriente proporcional integral (PI) en la forma de realización
preferente, y se muestra en la Figura 4. La señal de realimentación
de corriente está provista en el RC2-1 desde el
dispositivo HALL HD1 (véase la Figura 1). La señal de realimentación
de corriente está provista a través de una resistencia R31 (5
ohmios) y un condensador C21 (0,1 \muF) que filtra la señal de
realimentación de corriente.
La señal filtrada es provista a las resistencias
R33 (475 ohmios), R34 (511 ohmios), R35 (10 kohmios) R36 (200
kohmios) y en el amplificador operacional. El amplificador
operacional escala la señal de realimentación de corriente y la
suministra a través de una resistencia R25 (39,2 kohmios) a la parte
integradora del circuito.
La señal de referencia de corriente (ISET) es
provista a la patilla RC2-2. La señal de referencia
de corriente se deriva, en la forma de realización preferente,
desde un potenciómetro en el panel frontal cuando se opera la
alimentación eléctrica en el modo CC. La entrada de referencia de la
corriente varía entre cero y 10 voltios. La entrada de referencia
de corriente en el pasador RC2-2 se obtiene desde la
salida del regulador de tensión (descrita en lo que sigue) cuando la
alimentación eléctrica se opera en el modo CV.
La señal de referencia de corriente (ISET) es
provista a través de un inductor L4 (1000 \muhenrios) y un
condensador C22 (0,1 \muF) que filtra y alisa la señal ISET. La
señal ISET filtrada se suministra a la resistencia R22 (100
kohmios), una resistencia R39 (121 kohmios) y un amplificador
operacional 3A3. El amplificador operacional A3 escala ISET. Una
resistencia R23 (825 kohmios) establece la salida mínima a la
máquina. Un relé CR1 desconecta el regulador cuando la máquina es
desconectada. En una forma de realización CR1 se reemplaza con un
amperímetro operacional que realiza la función de polarizar el
regulador de tensión cuando no se aplica una tensión de entrada
apropiada al circuito de control del contactador. Esta forma de
realizador acepta como entrada al circuito de control del
contactador. Esta forma de realización acepta 115 Vca o 24 Vca como
entrada al circuito de control del contactador.
La salida del amperímetro operacional A3A está
provista a través de una resistencia R40 (43,2 kohmios) y una
resistencia calibradora R70 a la parte integradora del regulador PI.
La parte integradora del regulador incluye un amperímetro
operacional A3C, una resistencia R41 (1 Mohmios), un condensador C13
(0,33 pF) una resistencia R24 (82,5 kohmios), un condensador C18
(560 pF) y unos diodos Zener D10 y D11. Los componentes están
configurados con el amperímetro operacional A3C, de forma que la
salida del amperímetro operacional A3C (una señal de error) es una
señal que depende de la diferencia entre la corriente de referencia
y las señales de realimentación de la corriente y la integral de
dicha diferencia. Posteriormente, se usa la salida para disparar el
SCR.
Cuando el error indica que no se está
suministrando suficiente corriente, los SCR son disparados con
antelación a sus ciclos, suministrando de dicha forma más potencia.
Cuando la señal de error indica que se está suministrando demasiada
potencia, los SCR son disparados más tarde en sus ciclos
respectivos.
La parte del controlador 103 que suministra la
regulación CV en la forma de realización preferente se muestra en
la Figura 5 y es un regulador PI que recibe como entradas en las
patillas RC2-4 y RC-5 las tensiones
en el electrodo E y la pieza de trabajo W (la tensión de salida).
Las señales de realimentación de la tensión de salida son
suministradas a través de los inductores L51 y L52 (1000
\muhenrios) y un condensador C59 (0,01 \muF) para alisar y
filtrar la señal de realimentación. La señal de alimentación alisada
y filtrada es rectificada por un puente completo compuesto de
diodos D5-D8. La señal de la corriente de
alimentación rectificada es suministrada a través de una red de
filtros compuesta de las resistencias R52 (100 kohmios), R53 (5,62
kohmios), R51 (100 kohmios), R55 (5,62 kohmios) y los condensadores
C51 (0,22 \muF) y C52 (0,22 \muF).
La señal es posteriormente suministrada a un
amperímetro operacional A1A que tiene unas resistencias de escalada
R54 (100 kohmios), R56 (100 kohmios), R58 (221 kohmios) y R57 (221
kohmios). El amperímetro operacional A1A escala la señal y se la
suministra a otro amperímetro operacional A1B que tiene unas
resistencias de realimentación R59 (47,5 kohmios) y R60 (4,32
kohmios). La salida del amperímetro A1B es una señal de
realimentación escalada que es suministrada a través de una
resistencia R61 (10 kohmios) a la entrada inversora de un
amperímetro operacional A1C. En una forma de realización, el
rectificador de puente completo está omitido y un rectificador de
precisión (incluyendo un amperímetro operacional) es insertado entre
los amperímetros operacionales A1A y A1C.
Un comando de referencia de corriente (VSET) es
suministrado a una patilla RC2-9 y se obtiene
preferentemente de un potenciómetro en el panel frontal de la
fuente de alimentación. Evidentemente, se podrán utilizar otros
procedimientos como un sistema de circuito remoto o digital para
obtener la señal de referencia de la corriente. El comando VSET es
de dicha forma una señal indicativa de la corriente de salida
deseada del usuario cuando se opera en el modo CV.
El comando VSET es suministrado a través de un
inductor L5 (1000 \muH) que alisa VSET a un amperímetro
operacional A1D que tiene unas resistencias de escalado R69 (150
kohmios) y R68 (100 kohmios). El VSET escalado suministrado a
través de una resistencia R66 (15 kohmios) a un amperímetro
operacional A1C.
El amperímetro operacional A1C realiza las
funciones proporcional e integral. El sistema de circuito asociado
con el amperímetro A1C, incluyendo los condensadores C56 (0,001
\muF), el condensador C55 (0,22 \muF), la resistencia R65 (35,7
kohmios), y la resistencia R64 (332 kohmios) están configurados para
suministrar la regulación PI deseada. La salida del amplificador
A1C es una señal de error que es función de la diferencia respecto
al tiempo entre la señal de referencia de la corriente y la señal de
referencia de la corriente. La resistencia R62 (61,9 kohmios)
establece una corriente de salida mínima.
La salida de error del amplificador A1C se
suministra a través de un diodo D9, un condensador C57 (0,1 \muF)
y un inductor L6 (1000 \muhenrios). Está salida de error es
suministrada a la patilla RC26.
Cuando se opera la fuente de alimentación en la
patilla en modo CV, RC2-6 es conectada a la patilla
RC2-2, de forma que ISET es la salida del regulador
de tensión.
Numerosas modificaciones se podrán realizar en
la presente invención, las cuales estarán comprendidas todavía
dentro del ámbito pretendido de la misma. Por ejemplo, se podrá
emplear otro sistema de circuito de control, incluyendo un sistema
de circuito digital. Un regulador distinto que el regulador PI podrá
emplearse. Los reguladores podrán seleccionarse en la variante, en
vez de en una configuración en cascada. También podrán utilizarse
otros circuitos de potencia.
Una ventaja de la fuente de alimentación
eléctrica descrita en la presente memoria es que se puede usar para
suministrar una salida de frecuencia variable. Una salida
90-B-z (para una entrada de 60 Hz)
se obtiene disparando el SCR en la secuencia SCR1, SCR4, SCR5,
SCR2, SCR3, SCR6, (+-+-+-) y a continuación repitiendo la secuencia.
Una salida obtenida usando esta secuencia de disparo se muestra en
la Figura 6. Como podrá apreciarse, la frecuencia es de 90 Hz y la
forma de onda incluye genéricamente un pulso positivo seguido por un
pulso negativo, etc. Sin embargo, podrán obtenerse otras
frecuencias. La frecuencia podrá seleccionarse por el usuario o
automáticamente por la fuente de energía eléctrica en base a los
parámetros de soldadura, como por ejemplo la corriente, el
procedimiento, la longitud de arco, etc, en diversas
alternativas.
Genéricamente, la fuente de alimentación
suministra un pulso de polaridad positiva cuando se dispara uno de
los SCR 1, 3 y 5, y una polaridad negativa cuando se disparan uno de
los SCR 2, 4 y 6. La secuencia de disparo deberá seleccionarse de
forma que un SCR sea disparado en cada fase, antes de que se repita
cualquier fase. De dicha forma, se debe disparar SCR 1 o 2, después
3 o 4, después 5 o 6. Sin embargo no hay necesidad de alternar
entre polaridades. De dicha forma, una salida con una frecuencia
menor de 90 Hz podrá obtenerse disparando múltiples pulsos
positivos seguidos por múltiples pulsos negativos.
Podrá obtenerse una salida de 45 Hz, por
ejemplo, con una secuencia de disparo que suministre dos pulsos
positivos, seguido por dos pulsos negativos, seguidos por dos
pulsos positivos, etc. Dicha secuencia de disparo podrá ser SCR1,
SCR3, SCR6, SCR2, SCR5, SCR3, etc
(++- - -++- - - - - -).
Una forma de onda obtenida usando esta secuencia de disparo se
muestra en la Figura 7 y genéricamente incluye dos pulsos negativos
seguido por dos pulsos positivos, con la pauta repitiéndose a
continuación.
La Figura 8 muestra una salida que tiene una
frecuencia de 22,5 Hz. Esta salida se obtiene disparando cuatro SCR
positivos, seguido por cuatro SCR negativos y repitiendo dicha
pauta. Por ejemplo la pauta puede incluir SCR1, SCR3, SCR5, SCR1,
SCR4, SCR6, SCR2, SCR4.
Genéricamente, podrá obtenerse cualquier
frecuencia F=90/n para una entrada de 60 Hz (o 75/n para una entrada
de 50 Hz), donde n es un número entero positivo y la secuencia de
disparo son n pulsos positivos seguidos por n pulsos negativos.
Adicionalmente, al seleccionar una secuencia de
disparo apropiada, el balance podrá ser controlado o seleccionado.
Por ejemplo, al seleccionar tres pulsos positivos, seguido por dos
pulsos negativos, se suministra un balance 60 por ciento positivo y
40 por ciento negativo. El balance podrá seleccionarse por el
usuario automáticamente para la fuente de energía eléctrica en base
a los parámetros de la soldadura, como por ejemplo la corriente, la
longitud del arco del proceso, etc., en diversas alternativas. El
controlador incluye flip-flop conductor y un
contador/divisor para seleccionar la frecuencia y simetría de salida
en la forma de realización preferente.
Se podrán usar dos o más fuentes de energía
eléctrica del tipo mostrado en las Figuras 2 y 2A con uno o más
arcos en una pieza de trabajo común. Si se usan dos fuentes de
alimentación para suministrar un solo arco, entonces las fuentes de
energía eléctrica podrán ser sincronizadas, establecidas para la
misma frecuencia de salida y establecidas para el mismo balance de
la forma de onda. Las fuentes eléctricas podrán ser sincronizadas
mediante unos circuitos de control de interconexión (usando unos
relojes comunes y de reestablecimiento, por ejemplo) y coordinando
las conexiones de entrada de cada máquina. Se podrán coordinar las
conexiones de entrada a cada máquina conectando las líneas de
entrada 1, 2 y 3 de la Figura 2 a los mismos contactadores de cada
fuente de energía eléctrica.
Si se utilizan dos fuentes de energía eléctrica
para suministrar dos arcos en una pieza de trabajo común, en la
forma que se utilizan a menudo en una soldadura de alambre
tubular/arco sumergido, entonces una salida de potencia podrá estar
conmutada o escalonada en fase con respecto a la otra salida de
potencia para servir de ayuda en la cancelación de la interacción
magnética o para conseguir una interacción deseada para mejorar la
calidad de la soldadura. Usando fuentes de energía eléctrica como
las mostradas en las Figuras 2 y 2A, se podrá conseguir fácilmente
la escalada de fase.
Si se selecciona una salida de 90 Hz (para una
entrada de 60 Hz o para una salida de 75 Hz para una entrada de 50
Hz) los arcos podrán estar en fase (separados 0 grados), defasados
90 grados (2,77 milisegundos) o operados fuera de paso (defasados
180 grados). Se obtiene la operación en fase igualando las entradas
a cada máquina en la forma descrita anteriormente, y sincronizando
los circuitos de control. Se obtiene una operación escalonada en
fase de 180 grados conectando las entradas en la forma descrita
anteriormente (igualando cada línea con el mismo contactador como
en las otras máquinas) pero invirtiendo las conexiones de electrodos
y de las piezas de trabajo en una máquina. Un desplazamiento de
fase de 90 grados podrá obtenerse al conectar la inversión de
cualquiera de las líneas de entrada 1, 2 y 3 en una máquina.
Posteriormente, los circuitos de control son sincronizados y se
utiliza una secuencia de disparo +-+-+- en la forma descrita
anteriormente.
Si se elige una salida de 45 Hz, la escalada de
fase de 45, 90, 135 y 180 grados podrá obtenerse. Para obtener
dichos desplazamientos de fase cualquiera de las dos entradas son
invertidas (como anteriormente) en una máquina.
Una secuencia de disparo de SCR1, SCR3, SCR6,
SCR2, SCR3, SCR5, SCR2, SCR4, SCR5, SCR1, SCR4 y SCR6 para ambas
máquinas suministrará la relación (desplazamiento) de fase de 45
grados. Un desplazamiento de fase de 90, dando una operación a 45
Hz y las entradas invertidas podrá obtenerse disparando una máquina
con una secuencia de SCR1, SCR3, SCR6, SCR2, SCR3, SCR5, SCR2,
SCR4, SCR5, SCR1, SCR4 y SCR6. La otra maquina deberá ser disparada
SCR6, SCR1, SCR3, SCR6, SCR2, SCR3, SCR5, SCR2, SCR4, SCR5, SCR1,
SCR4. Podrán obtenerse otros desplazamientos de fase usando
secuencias de disparo apropiadas. Genéricamente, las secuencias de
disparo deberán elegirse de forma que se pueda obtener una salida
con la polaridad deseada en cada máquina.
Para una frecuencia F de salida dada (obtenida
en la forma descrita anteriormente usando 90/n o 75/n) cualquier
desplazamiento de fase igual a cualquier múltiplo de número entero
de 90/n podrá obtenerse. De dicha forma si se elige n = 3 (dando
una frecuencia de salida de 30 Hz para una entrada de 60 Hz o una
salida de 25 Hz para una entrada de 50 Hz) se podrá obtener un
desplazamiento de fase de 90/3 = 30, 60, 90, 120, 150, y 180 (ambos
para entradas de 60 y 5,0 Hz).
Claims (8)
1. Un procedimiento de soldadura por arco
sumergido/con alambre tubular que comprende las etapas de:
suministrar un primer alambre (1) a un primer
arco de soldadura;
suministrar un segundo alambre (2) a un segundo
arco de soldadura, estando dispuesto el segundo arco de soldadura
próximo al primer arco de soldadura;
suministrar una primera señal eléctrica ca al
primer arco;
suministrar una segunda señal eléctrica ca al
segundo arco;
suministrar un controlador (103) con medios para
seleccionar una relación de fase entre la primera y la segunda
señal eléctrica ca; y
seleccionar la relación de fase entre la primera
y la segunda señal eléctrica ca,
caracterizado porque la relación de fase
se selecciona a partir de al menos tres relaciones de fase
posibles:
2. Un procedimiento de soldadura por arco
sumergido/con alambre tubular según la reivindicación 1, en el que
la primera o segunda señal eléctrica ca tiene una frecuencia
controlable, comprendiendo el procedimiento además la etapa de
seleccionar la frecuencia.
3. Un procedimiento de soldadura por arco
sumergido/con alambre tubular según la reivindicación 1 o 2, en el
que la primera o segunda señal de potencia ca está provista a una
tensión sustancialmente constante.
4. Un procedimiento de soldadura por arco
sumergido/con alambre tubular según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en el que al menos una de la primera
o segunda señal de potencia ca tiene un balance controlable, y
comprende además la etapa de seleccionar el balance.
5. Un aparato de soldadura por arco
sumergido/con alambre tubular que comprende:
una primera fuente de alambre dispuesta para
suministrar alambre (1) a un primer arco de soldadura;
una segunda fuente de alambre dispuesta para
suministrar alambre (2) a un segundo arco de soldadura, estando
dispuesto el segundo arco de soldadura próximo al primer arco de
soldadura;
una primera fuente de alimentación eléctrica ca
dispuesta para suministrar una primera señal eléctrica ca al primer
arco;
una segunda fuente de alimentación eléctrica ca,
dispuesta para suministrar una segunda señal eléctrica ca al segundo
arco;
un controlador (103) conectado a la primera o
segunda fuente de suministro eléctrico ca para seleccionar una
relación de fase entre las primera y segunda señales eléctricas
ca,
caracterizado porque el controlador tiene
un medio para seleccionar entre al menos tres relaciones de fase
posibles.
6. Un aparato de soldadura por arco
sumergido/con alambre tubular según la reivindicación 5, en el que
la primera o segunda fuente de alimentación eléctrica es una fuente
de alimentación eléctrica de frecuencia ajustable.
7. Un aparato de soldadura por arco
sumergido/con alambre tubular según la reivindicación 5 o 6, en el
que la primera o segunda señal eléctrica ca es provista a una
tensión sustancialmente constante.
8. Un aparato de soldadura por arco
sumergido/con alambre tubular según una cualquiera de las
reivindicaciones 5 a 7, en el que la primera o segunda fuente de
alimentación eléctrica es una fuente de alimentación eléctrica de
balance ajustable.
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