ES2310572T3 - Sistema y metodo para controlar un dispositivo de soldadura por arco electrico. - Google Patents
Sistema y metodo para controlar un dispositivo de soldadura por arco electrico. Download PDFInfo
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Abstract
Sistema de control para un dispositivo de soldadura por arco eléctrico que realiza un proceso de soldadura entre un electrodo y una pieza de trabajo, incluyendo dicho proceso al menos tiempo durante el que hay una condición de arco, comprendiendo dicho sistema: una fuente (10) de alimentación de tipo de alta velocidad de conmutación con un controlador (C) que tiene una señal (48) de control de corriente de entrada para ajustar la corriente de salida de dicha fuente de alimentación; un primer sensor que detecta la tensión de arco real; un segundo sensor que detecta la corriente de arco real, estando dicho sistema caracterizado porque el controlador se opera a una frecuencia de conmutación de al menos 10 kHz, por un primer circuito (50, 200, 240, 400) para crear una señal (46) de perfil de potencia que representa los niveles de potencia en tiempo real deseados en instantes progresivos durante dicha condición de arco de dicho proceso de soldadura; un segundo circuito (100, 400, 410) para crear una señal (KP) en tiempo real que es una función de la tensión real detectada y la corriente real detectada en tiempo real y un tercer circuito (C) para ajustar dicha señal de control de corriente de entrada según la diferencia entre dicha señal de perfil de potencia y dicha señal en tiempo real.
Description
Sistema y método para controlar un dispositivo
de soldadura por arco eléctrico.
La presente invención se refiere al tipo de
soldadura por arco eléctrico y más particularmente a un sistema y
un método mejorados para controlar la fuente de alimentación durante
un proceso de soldadura.
En soldadura por arco eléctrico es habitual
emplear una fuente de alimentación de tipo de alta velocidad de
conmutación, tal como un inversor o troceador "chopper", de
modo que la corriente de salida de la fuente de alimentación pueda
ajustarse mediante un bucle de control de alta velocidad que implica
realimentación de corriente. En dispositivos de soldadura por arco
eléctrico de este tipo, hay un bucle de control externo para crear
la orden de corriente según la comparación de la tensión de arco
promedio con una tensión de referencia. En algunos casos, la señal
de mando de corriente a la fuente de alimentación se controla
directamente por el bucle de control externo. Por consiguiente, el
control de alta velocidad interno se basa en realimentación de
corriente y se ajusta para mantener una tensión promedio. Estos
bucles de control de alta velocidad internos operan en cierto modo
cerca de la velocidad del inversor o el troceador. El bucle de
control de tensión externo opera a aproximadamente una décima parte
de la velocidad de la fuente de alimentación de alta velocidad de
conmutación. Además, el bucle externo opera sin saber la corriente
real utilizada en el bucle de control interno de alta velocidad.
Por consiguiente, en operaciones de corriente baja, la corriente de
arco puede caer demasiado y provocar la extinción del arco. La
soldadura de aluminio GMAW requiere un control más preciso para
mantener tasas de soldadura altas. Por tanto, controlar la
corriente de salida de una fuente de alimentación de alta velocidad
de conmutación a menudo implica una sobrecorriente porque el bucle
de control externo tiene un tiempo de reacción relativamente lento.
En cortocircuito y soldadura por impulsos en los que la
realimentación es la tensión promedio, debe procesarse un ciclo de
soldadura completo o parte de un ciclo de soldadura provocando un
tiempo de respuesta relativamente lento en el bucle de control
externo. El bucle de control debe ralentizarse para mantener una
tensión promedio para compensar adecuadamente largas duraciones
cerca de la tensión cero en un proceso de soldadura por arco de
cortocircuito. El bucle de control es por tanto muy lento y se
permite variar la longitud de arco drásticamente durante el proceso
de soldadura. Con un bucle de control así de lento, se fuerza a la
corriente a experimentar una transición en una cantidad mayor para
conducir la longitud de arco a la tensión de control deseada
establecida por el bucle externo. Esto presenta dos ámbitos de
problemas. En la soldadura por arco de corto a corrientes bajas, la
corriente de fondo ya es tan lenta que oscilaciones en la
corriente, como las que se experimentan en un sistema de tensión
constante, fuerzan la corriente demasiado baja y permiten que se
extinga el arco. Esto es especialmente notable justo después de que
desaparezca cada cortocircuito. Cuando la corriente se reduce al
nivel de fondo, el sistema de tensión de control puede producir una
sobrecorriente y forzar la corriente real para conducirla demasiado
baja permitiendo que se extinga el plasma del arco. Este fenómeno
puede tener lugar durante cada ciclo de soldadura de un proceso de
soldadura de modo que puede experimentarse la extinción
intermitente del arco a menos que se dispongan procedimientos
correctivos caros. Por tanto, la soldadura a corrientes bajas es
normalmente bastante difícil cuando se opera en un modo de
cortocircuito. Cuando se suelda aluminio, cambios rápidos en la
longitud de arco o extensión del electrodo ("stick out")
provocados por un control lento provocan una disrupción intermitente
del proceso de soldadura con la resultante falta de uniformidad del
cordón de soldadura. Los documentos US 3.530.359 y US 4.000.374 dan
a conocer sistemas de fuente de alimentación de soldadura por arco
ajustable utilizando controladores de realimentación de velocidad
lenta. Estas referencias, así como el documento US 6.091.049, dan a
conocer un sistema que opera en una potencia constante realizado
con las características del preámbulo de la reivindicación 1. No
proporcionan una señal de perfil de potencia que representa los
niveles de potencia en tiempo real deseados en instantes
progresivos durante la condición de arco del proceso de
soldadura.
Los problemas experimentados al utilizar un
bucle de control externo lento con o sin un bucle de control interno
de alta velocidad, como se ha explicado anteriormente, se han
superado mediante la presente invención que utiliza esencialmente
sólo el bucle de alta velocidad interno para controlar el proceso de
soldadura. Esto se hace posible utilizando tanto la corriente de
arco detectada como la tensión de arco detectada para producir una
señal de realimentación indicativa del producto de corriente y
tensión, es decir potencia. Por consiguiente, se proporcionan el
sistema de la reivindicación 1 y el método de la reivindicación 20.
Esencialmente, el proceso de soldadura por arco eléctrico, ya sea
por pulverización, por impulsos o CA, tiene la potencia de arco real
controlada mediante la potencia deseada. Para lograr este
resultado, se utilizan tanto la corriente detectada como la tensión
detectada. En el pasado, la tensión de arco controlaba el bucle
externo con su tiempo de respuesta lento. El bucle de alta
velocidad interno era simplemente un sistema de realimentación
sensible a la corriente en el que un amplificador de error digital
ajustaba la entrada al modulador de ancho de pulso que conducía a
la fuente de alimentación de alta velocidad de conmutación.
Utilizando el producto de las señales de realimentación de tensión
y corriente de salida reales, se detectan los vatios de salida
reales o potencia. Esta señal P se compara con la potencia deseada
establecida por el conformador de onda. Esto hace que la corriente
de salida cambie de una manera que fuerza a la potencia real a
igualar la potencia deseada. Esto se realiza a una velocidad
generalmente diez veces más rápida que un control de bucle externo.
Utilizando una señal de realimentación basándose en una relación
entre tanto la corriente como la tensión, la longitud de arco se
ajusta automáticamente y el rápido tiempo de respuesta impide
cualquier sobrecorriente.
\newpage
Según la invención, el producto de tensión y
corriente se multiplica por un factor k. Este producto kP se
introduce entonces en el controlador de alta velocidad para mantener
la potencia de arco en una cantidad establecida correlacionada con
la posición temporal en un ciclo de soldadura. El control de bucle
externo lento ya no es necesario. La corriente de soldadura depende
tanto de la tensión como de la corriente introducidas en el bucle
de control de alta velocidad del dispositivo de soldadura. La
implementación preferida implica una señal de realimentación que
comprende simplemente el producto de tensión de arco y corriente de
arco. Esto es la potencia P de arco. Este producto puede
modificarse mediante un multiplicador k. Este factor puede
utilizarse para compensar velocidad de desplazamiento o velocidad
de alimentación de hilo. Esta señal de realimentación es kP, pero k
normalmente es 1,0.
Según un aspecto adicional de la invención, la
potencia P del arco es una señal de realimentación para la
comparación con una señal o perfil de potencia de un conformador de
onda. En este aspecto, el conformador de onda genera un perfil de
potencia, especialmente durante condiciones de formación de arco del
ciclo de soladura. Por ejemplo, cuando se está realizando una
soldadura de tipo cortocircuito, tal como el proceso de soldadura
STT, el conformador de onda proporciona una potencia de arco deseada
que ha de crearse después de que se haya roto un corto y se haya
reestablecido un arco. Cuando se suelda en un proceso de soldadura
por impulsos, el conformador de onda emite potencia de arco de pico
y entonces potencia de arco de fondo para la comparación con la
señal kP de realimentación de potencia en el bucle de control de
alta velocidad. En un proceso de soldadura por arco CA, la potencia
de arco deseada durante la polaridad positiva se emite mediante el
conformador de onda para la comparación con la señal kP de
realimentación de potencia durante la polaridad positiva real. De
manera similar, la potencia deseada durante la polaridad negativa se
emite por el conformador de onda para la comparación con la señal
kP de realimentación de potencia para controlar la potencia de arco
de la polaridad negativa. Por supuesto, tal como se utiliza en la
soldadura de aluminio, la potencia durante la polaridad positiva
puede diferir drásticamente de la potencia durante la polaridad
negativa. En resumen, se proporciona una señal de potencia y se
detecta una señal kP de realimentación de potencia. Estos dos
parámetros se comparan para controlar la corriente de la fuente de
alimentación de alta velocidad de conmutación. Por supuesto, no es
necesario un conformador de onda durante la soldadura por
pulverización o globular cuando una señal P_{set} de potencia
constante controla el bucle de control interno y se utiliza para la
comparación con la señal kP de realimentación de potencia del arco.
La presente invención da como resultado ventajas sustanciales,
principalmente en soldadura a baja corriente.
La realimentación a la que se hace referencia
como la función o señal kP de realimentación de potencia es una
relación de tensión de arco detectada y corriente de arco detectada,
cuyo producto puede multiplicarse por un factor k que es una
constante o una variable. En la realización preferida, el
multiplicador es una constante 1,0 de modo que la señal de
realimentación es simplemente la potencia de arco. Esta función o
señal de realimentación de potencia se compara con la potencia de
arco deseada para controlar la corriente de salida de la fuente de
alimentación. El multiplicador k puede ser una constante, tal como
se explica, o una ecuación lineal, una ecuación no lineal, o alguna
otra ecuación. El factor k puede depender de la tensión o la
corriente reales y se emplea para modificar la señal de
realimentación de manera que compensa diversos parámetros de
soldadura, tales como la velocidad de alimentación de hilo,
velocidad de desplazamiento del electrodo, gas protector, diámetro
de hilo, material del hilo, etc. Se ha descubierto que el
multiplicador k puede ser corriente más tensión dividido por
corriente por tensión para producir una pendiente del tipo en una
máquina de caída negativa de impulso utilizada para la soldadura
por arco metálico protegido ("stick welding") o soldadura MIG
de aluminio. Este factor k produce una relación de línea recta entre
corriente y tensión para dar una curva que funciona como pendiente.
Como puede verse, el multiplicador k puede tener cualquier valor
para producir una relación específica entre tensión y corriente.
Sin embargo, en la práctica, la señal de realimentación es la
potencia de arco obtenida multiplicando la corriente de arco y la
tensión de arco. Esta señal de potencia de arco se compara con la
potencia de arco deseada en cualquier momento dado en el ciclo de
soladura. La ventaja de controlar la potencia a un nivel
establecido se basa en el hecho de que la potencia puede regularse a
la velocidad de conmutación extremadamente alta del inversor o
troceador. A esta alta velocidad, cualquier cambio en la longitud
de arco dará como resultado un cambio en la fuerza del arco que
aumentará o disminuirá la longitud de arco para mantener el
equilibrio. Por ejemplo, cuando la potencia de arco se establece
para operar a un nivel dado, tal como a 2.000 vatios, el equilibrio
se establece cuando la tensión es de 20 voltios y la corriente es
de 100 amperios. Esto produce la longitud de arco deseada. Si ha de
aumentarse la longitud de arco, la potencia de salida se mantiene
en 2.000 vatios. Sin embargo, la tensión aumenta, por ejemplo tal
como hasta 22 voltios. Esto hace que la corriente caiga a un nivel,
tal como a 91 amperios. La corriente reducida reduce la fuerza del
arco y por tanto provoca la reducción de la longitud de arco. Esto
disminuye entonces la tensión de nuevo a 20 voltios y la corriente
aumenta a 100 amperios. De manera similar, si ha de reducirse la
longitud de arco y volverse demasiado corta, la potencia de salida
permanece a 2.000 vatios fijos. Por consiguiente, la tensión
disminuye. Esto provoca un aumento inmediato de alta velocidad en la
corriente. La corriente aumentada aumenta la fuerza del arco y, por
tanto, tiende a forzar una longitud de arco mayor. Por consiguiente,
la longitud de arco corta se aumenta y la corriente y la tensión
buscan el equilibrio para producir el nivel de potencia controlada
de 2.000 vatios. Las variaciones de la longitud de arco utilizando
la presente invención se minimizan. Se mantiene una rápida
estabilidad. Utilizando la invención, la fuente de alimentación
reacciona rápidamente a cambios en la longitud de arco de modo que
la corriente oscilará sólo en una cantidad menor para mantener la
longitud de arco establecida deseada. Esta ventaja es especialmente
notable inmediatamente después de la desaparición de cada corto.
Utilizando la invención, el controlador busca rápidamente el
equilibrio de la longitud de arco y la mantiene, incluso después de
la brusca desaparición de un corto.
Como se sabe bien en la soldadura GMAW de
aluminio, la longitud de arco es más difícil de controlar debido a
la baja resistividad y a la temperatura de fusión del hilo. El
control rápido de la longitud de arco, tal como se obtiene mediante
la presente invención, permite que la fuente de alimentación
mantenga un control continuo sobre la longitud de arco, incluso
cuando se suelda aluminio. Por consiguiente, incluso con cambios
rápidos en la extensión del electrodo ("stick out"), la
longitud de arco se mantiene de manera continua.
La invención puede aplicarse a un sistema de
soldadura por impulsos, así como a un proceso de soldadura con una
potencia de arco constante deseada. En una implementación de
soldadura por impulsos de la invención, se obtiene un control de
alta velocidad tanto de la potencia de salida de pico como de la
potencia de salida de fondo. En el pasado, la soldadura por
impulsos implicaba controles adaptativos, en los que la longitud de
arco se determinaba mediante un bucle adaptativo basándose en
frecuencia cambiante, o una combinación de corriente de pico,
corriente de fondo y frecuencia. Por consiguiente, el bucle de
control de realimentación operaba sólo una vez por impulso, por lo
que se realizaban cálculos y se implementaban correcciones para el
siguiente impulso. La presente invención supera este problema y
controla simplemente la potencia durante el pico y la potencia
durante el fondo. Esto no es adaptativo. Es control de potencia en
tiempo real para obtener la ventaja de mantener constante la
longitud de arco durante las partes de pico y fondo del ciclo de
soldadura por impulsos. La soldadura por impulsos con la presente
invención provoca autorregulación de la longitud de arco más rápida
de la obtenida con controladores de soldadura por impulsos
adaptativos convencionales. Utilizando potencia para controlar una
baja corriente durante la parte de fondo de una onda de impulso
mejora la robustez de la fuente de alimentación haciéndola más
resistente a saltos ("pop outs").
Se ha descubierto también que la presente
invención puede aplicarse para soldadura de polaridad mixta, tal
como GMAW, FCAW, SAW, MCAW, SMAW y otros sistemas. Todos estos
procesos de soldadura pueden regularse mediante la señal kP de
realimentación. Por ejemplo, si se desea un proceso de soldadura CA
de onda cuadrada, un conformador de onda proporciona la potencia de
arco deseada para la polaridad positiva y la potencia de arco
deseada para la polaridad negativa. La regulación de alta velocidad
durante estos diferentes niveles de potencia controla rápidamente
la longitud de arco durante los impulsos positivos y negativos. La
magnitud de la potencia positiva puede ser diferente de la magnitud
de la potencia negativa según la práctica de soldadura estándar.
Mientras que la forma y el tiempo de la forma de onda pueden
cambiar, basándose en otras condiciones, el control de la forma de
onda se basa en un perfil de potencia, perfil de potencia que se
compara con la señal kP de realimentación de potencia real del arco
para mantener la potencia de arco según el perfil deseado. Este
perfil de potencia se emite por un conformador de onda analógico o,
preferiblemente, digital. El conformador de onda produce un perfil
de potencia deseado para controlar la potencia de arco en todas las
partes del ciclo de soladura CA.
Según el aspecto básico de la invención, la
señal de realimentación para el bucle de control de alta velocidad
es la potencia de arco. Se trata del producto de la tensión de arco
detectada y la corriente de arco detectada. Para modificar la señal
de realimentación, la invención también prevé el uso de un
multiplicador al que se hace referencia como factor o multiplicador
k. El factor k puede ser una cantidad variable entre 0,5 y 1,0. Tal
como se indicó anteriormente, se prefiere 1,0. Cuando la tensión
cambia, la señal de control de corriente hacia la fuente de
alimentación cambia para mantener la potencia de arco constante. El
uso del factor k proporciona flexibilidad para cambiar la relación
entre la corriente y la tensión. El uso del factor k no cambia la
característica de potencia de la señal de realimentación. Así,
cuando se hace referencia a la señal de "potencia" de
realimentación al comentar la invención, se trata normalmente del
producto de corriente y tensión, es decir P; sin embargo, puede
haberse utilizado un factor multiplicador, es decir kP. En realidad
puede hacerse referencia a la señal de realimentación como kP con k
= 1,0 cuando la señal es la potencia P de arco real. Así, la
potencia se usa en la invención y se define como una variable de
control que es preferiblemente la potencia P de arco expresada como
kP. Para producir una característica que funciona como pendiente
para la señal de realimentación tal como se ha explicado
anteriormente, el factor k puede ser tensión más corriente dividido
por tensión por corriente. También, la relación podría ser otra kP
lineal tal como av_{are}+bI_{are}+c, donde a, b, y c son
constantes. Cuando esta k se multiplica por el producto de tensión
y corriente, la señal de realimentación es la tensión de arco más
la corriente de arco. Esta señal de realimentación se compara con la
señal de potencia deseada para obtener la rápida respuesta de la
fuente de alimentación durante su operación de conmutación, tal como
se describió anteriormente. El factor k puede variar basándose en
la velocidad de alimentación de hilo. Por ejemplo, el factor k
podría ser 150/wfs ("wire feed speed"). Si la velocidad de
alimentación de hilo es de 300 pulgadas/minuto, el factor k es 0,5.
Así, la velocidad de alimentación de hilo puede usarse para cambiar
el factor k para modificar la señal de realimentación. El factor k
también puede variarse basándose en la velocidad de desplazamiento
o gas o en la propia tensión. Cuando el factor k se basa en el
tiempo, la señal de realimentación es en julios. Cuando la tensión
es el factor k, la señal de realimentación es IV^{2}. Pueden
utilizarse oras posibilidades para modificar la señal de
realimentación que implican el producto de corriente de arco y
tensión de arco, pero no cambian el hecho de que la señal de
realimentación de control básica es una multiplicación de la
corriente y la tensión en el arco. El factor k puede modificarse
mediante diversas variables de soldadura o combinaciones de tales
variables. Esas variables que se usan ahora son la velocidad de
desplazamiento, la velocidad de alimentación de hilo, la tensión, la
corriente, el tiempo, la mezcla de gas, la extensión del electrodo
("stick out") real, el tamaño o tipo del hilo, los ajustes de
inductancia u otros ajustes.
Según la presente invención, se proporciona un
sistema de control para un dispositivo de soldadura por arco
eléctrico que realiza un proceso de soldadura entre un electrodo y
una pieza de trabajo. En la realización preferida, el electrodo es
un hilo de soldadura alimentado en el arco a una velocidad de
alimentación de hilo controlada por un motor que opera el
accionamiento de alimentación de hilo. El sistema comprende una
fuente de alimentación de tipo de alta velocidad de conmutación,
tal como un inversor o troceador. Esta fuente de alimentación tiene
una frecuencia de conmutación de al menos 10 kHz mediante un
controlador con una señal de control de corriente de entrada para
ajustar la corriente de salida de la fuente de alimentación. El
controlador opera más rápido que la secuencia de conmutación de la
fuente de alimentación, pero el control es a la velocidad de
conmutación. Un primer sensor detecta la tensión de arco real,
mientras que un segundo sensor detecta la corriente de arco real.
Un primer circuito se proporciona entonces para crear una señal de
potencia que representa el nivel de potencia en tiempo real deseado
en instantes progresivos durante el proceso de soldadura. En la
realización preferida, la señal de potencia se crea mediante un
conformador de onda que emite un perfil de potencia deseado. Cuando
se está practicando soldadura por pulverización o globular, la
fuente de alimentación es un valor fijo de la potencia de arco
deseada. Para completar el sistema de control, hay un segundo
circuito para generar una función de la tensión real detectada y la
corriente real detectada para dar una función de estos dos
parámetros de arco para controlar la potencia de arco. Por
consiguiente, se utiliza un tercer circuito para ajustar la señal
de control de corriente para la fuente de alimentación según la
diferencia entre la señal de potencia deseada en cualquier momento
dado y la función de la tensión y corriente reales. Esta función es
una señal kP de realimentación que se compara con la señal de
potencia deseada en cualquier momento dado durante una condición de
arco de modo que la potencia de arco se mantiene al nivel deseado.
Esto da como resultado el equilibrio de la longitud de arco tal
como se describió anteriormente. Si el proceso de soldadura implica
un ciclo que tiene un cortocircuito, entonces la fuente de
alimentación se opera en un modo de realimentación de corriente
durante la condición de cortocircuito. Posteriormente, el sistema
pasa a un control mediante la función o señal kP de realimentación
durante las sucesivas condiciones de formación de arco en el ciclo
de soladura. La función o señal kP de realimentación preferiblemente
es simplemente el producto de tensión y corriente con k = 1,0. Sin
embargo, puede emplear un multiplicador no unitario, como se definió
anteriormente, multiplicador que puede ser un número fijo o un
número variable según la modulación deseada de la función de
realimentación de potencia utilizada en el sistema de control. La
señal de realimentación de potencia es preferiblemente I_{a} x
V_{a}. En el contexto de una señal kP de potencia, k = 1,0.
Según otro aspecto de la invención, todos los
circuitos son circuitos digitales y se realizan mediante un
procesador de señal digital, según la tecnología de control de
soldadura estándar. Sin embargo algunos aspectos del sistema de
control pueden ser circuitos analógicos o componentes analógicos sin
alejarse del espíritu y alcance previstos de la invención. La
fuente de alimentación de tipo de alta velocidad de conmutación es
preferiblemente un inversor que opera a una frecuencia superior a 10
kHz y, preferiblemente, sustancialmente superior a 18 kHz. Por
supuesto, un troceador utiliza conmutación de alta velocidad y tiene
un bucle de control interno de alta velocidad que puede controlarse
mediante una señal kP de realimentación de potencia.
Preferiblemente, el primer circuito digital es un conformador de
onda que emite un perfil de potencia que corresponde al nivel de
potencia deseado en todo momento durante un ciclo de soladura.
La invención se utiliza con diversos procesos de
soldadura. Si el proceso de soldadura tiene una potencia fija, la
invención no requiere un conformador de onda. Ciclos de potencia
variable, tales como en la soldadura por impulsos y la soldadura
CA, se controlan mediante la señal kP de realimentación y emplean un
dispositivo para emitir la potencia de arco deseada. Cuando se
implementa un proceso de soldadura por cortocircuito, el control de
la corriente se utiliza durante la condición de cortocircuito y la
señal kP de realimentación se utiliza durante la condición de arco.
En la presente invención, la comparación de la potencia de arco real
con la potencia de arco deseada se lleva a cabo mediante un
amplificador de error digital que tiene una señal de error de
salida que controla el modulador de ancho de pulso para ajustar la
corriente de salida de la fuente de alimentación de alta velocidad
de conmutación. Otras implementaciones se encuentran dentro de las
habilidades de la técnica.
Según otro aspecto de la invención, la señal o
función kP se utiliza como una señal de realimentación para ajustar
la velocidad de alimentación de hilo. De esta manera, la longitud de
arco se cambia para regular la potencia deseada del arco mediante
un cambio en la velocidad de alimentación de hilo (WFS). Según otro
aspecto más de la presente invención se proporciona un método para
controlar un dispositivo de soldadura por arco eléctrico detectando
la corriente de salida real, detectando la tensión de salida real,
creando una señal de potencia, creando una señal kP de
realimentación en tiempo real que representa la potencia en el arco,
y entonces ajustando la señal de entrada a la fuente de
alimentación mediante una comparación de la señal de potencia y la
señal kP de arco en tiempo real. De esta manera, cuando la tensión
disminuye la corriente aumenta y viceversa. Este método puede
ponerse en práctica mediante una diversidad de circuitos de control
analógicos y digitales implementados en el bucle de control de alta
velocidad del dispositivo de soldadura.
Según otro aspecto de la presente invención, la
señal P o kP de realimentación de potencia se modifica mediante un
valor representativo de un parámetro, tal como velocidad de
alimentación de hilo o velocidad de desplazamiento del
electrodo.
El objetivo principal de la presente invención
es proporcionar un sistema y un método para controlar una fuente de
alimentación de alta velocidad de conmutación de un dispositivo de
soldadura por arco eléctrico de manera que se mantiene una potencia
de arco deseada utilizando una función o señal kP de realimentación
de potencia. Como uno objetivo más amplio, está la creación de la
señal kP de realimentación para controlar un parámetro de soldadura
de un proceso de soldadura por arco.
Otro objetivo más de la presente invención es
proporcionar un sistema y un método, tal como se han definido
anteriormente, sistema y método que provocan estabilidad de longitud
de arco y reducen sobrecorrientes, especialmente cuando se opera a
baja corriente y cuando se suelda aluminio.
Otro objetivo más de la presente invención es
proporcionar un sistema y un método, tal como se han definido
anteriormente, sistema y método que se implementan fácilmente con
tecnología de soldadura estándar sin modificar drásticamente el
sistema de control del dispositivo de soldadura por arco
eléctrico.
Estos y otros objetivos y ventajas resultarán
evidentes a partir de la siguiente descripción tomada junto con los
dibujos adjuntos.
La figura 1 es un diagrama de bloques y un
diagrama de conexiones combinado que ilustra la realización
preferida de la presente invención;
la figura 1A es un gráfico de tensión/corriente
de la relación de la señal de realimentación utilizada cuando se
ajusta el factor k para producir una relación de línea recta entre
tensión y corriente;
la figura 1B es un gráfico similar a la figura
1A en el que el factor k es 1,0, como en la realización preferida
de la presente invención;
la figura 2 es un gráfico de la presente
invención cuando el factor k es 1,0 y el proceso de soldadura
implica una potencia de arco constante;
la figura 3 es un gráfico con representaciones
gráficas de la condición de arco para un proceso de soldadura por
cortocircuito utilizando la presente invención;
la figura 4 es un diagrama de bloques y un
diagrama de conexiones combinado, similar a la figura 1, de una
realización para un proceso de soldadura por impulsos;
la figura 5 es un gráfico similar a la figura 2
que muestra el perfil de potencia y la tensión y corriente de arco
cuando se utiliza la realización de la invención ilustrada en la
figura 4;
la figura 5A es una parte ampliada del perfil de
potencia ilustrado en la figura 5;
la figura 6 es un diagrama de bloques y un
diagrama de conexiones combinado de la presente invención, cuando
se utiliza para soldadura CA;
la figura 7 es un gráfico con curvas creado
cuando se implementa la realización de la invención mostrada en la
figura 6;
la figura 8 es una parte ampliada del perfil de
potencia del conformador de onda mostrado en la figura 7;
la figura 9 es un diagrama de bloques y un
diagrama de conexiones parcial que ilustra el uso de la presente
invención con una potencia de arco deseada fija;
la figura 10 es un diagrama similar a la figura
9 ilustrando el uso de la función o señal kP de realimentación de
potencia para controlar la velocidad de alimentación de hilo;
la figura 11 es un diagrama de bloques y un
diagrama de conexiones parcial que ilustra una modificación de la
invención en la que la señal kP de realimentación se monitoriza por
la velocidad de alimentación de hilo;
la figura 12 es un diagrama de bloques y un
diagrama de conexiones parcial que ilustra una modificación de la
invención en la que la señal kP de realimentación se monitoriza por
la velocidad de desplazamiento; y,
la figura 13 es un diagrama de bloques y un
diagrama de conexiones combinado que muestra la presente
implementación de la invención.
En referencia ahora a los dibujos, en los que
las imágenes son con fines de ilustración de las realizaciones
preferidas de la invención únicamente, y no con el fin de limitar la
misma, la figura 1 muestra un dispositivo A de soldadura para
realizar un proceso de soldadura preseleccionado utilizando una
fuente 10 de alimentación de tipo de alta velocidad de conmutación,
ilustrada como un inversor, aunque podría ser un troceador de alta
velocidad de conmutación. Según la tecnología estándar, la velocidad
de conmutación de la fuente de alimentación es superior a 10 kHz, y
preferiblemente superior a 18 kHz. Al inversor 10 se le suministra
potencia desde el rectificador 12 trifásico a través de un enlace
CC en forma de cables 14, 16 de entrada. El transformador 20 de
salida incluye un secundario 22 en derivación central que acciona el
rectificador 24 de salida para realizar un proceso de soldadura en
el circuito 30 de salida que incluye un inductor 32 y un electrodo
34 que forman una separación de arco con la pieza 36 de trabajo. En
la práctica, el electrodo 34 es un hilo de soldadura de avance
hacia delante desde una bobina de suministro accionada hacia la
pieza 36 de trabajo durante la realización de la operación de
soldadura. Un alimentador de hilo se ilustra esquemáticamente en la
figura 10. Según la tecnología estándar, el controlador C es un
dispositivo de procesamiento digital que utiliza un modulador 40 de
ancho de pulso accionado por un oscilador 42 a una tasa de
conmutación alta, en general superior a 10 kHz. Un amplificador 44
de error digital tiene una primera entrada 46 con un nivel o valor
de tensión determinado por la salida del conformador 50 de onda. La
señal o nivel en la entrada 46 es un perfil de potencia formado por
el conformador 50 de onda durante la condición de arco del ciclo de
soladura. Según la invención, la señal de potencia de arco en la
entrada 46 se compara mediante un amplificador 44 de error con una
señal de realimentación en la entrada 52, de modo que la señal de
error en la línea 44a ajusta la señal de mando de corriente en la
línea 48. Por tanto, la señal de mando de corriente se controla
mediante una relación entre la función o señal kP de realimentación
en la línea 52 y el nivel de potencia deseado en la línea 46. En
funcionamiento, la señal de corriente en la línea 48 se ajusta
mediante la relación entre las entradas 46, 52 para cambiar
instantáneamente la corriente de arco. El nivel de potencia en la
entrada 46 se crea mediante el conformador 50 de onda digital. En
soldadura por pulverización o globular el nivel en al entrada 46 es
constante. Sin embargo, en otros procesos de soldadura, tales como
la soldadura por impulsos o la soldadura CA, la señal de potencia
en la línea 46 se desplaza para dictar la potencia de arco deseada
en tiempo real. Esta operación es durante condiciones de formación
de arco de un ciclo de soldadura. Así, el nivel en la línea 46
varía en tiempo real durante el ciclo de soladura del proceso de
soldadura. Según la invención, el bucle de control de alta
velocidad para el dispositivo 10 de soldadura puede utilizarse para
la exclusión de un bucle de control externo lento. Esto puede
hacerse porque tanto la corriente como la tensión se utilizan en el
bucle de control interno, tal como se ilustra en la figura 1. La
función o señal kP en la línea 52 de realimentación se obtiene del
circuito FB de realimentación. Según la invención, la señal potencia
P de arco se expresa como una función kP de potencia de arco. Esta
función implica una comparación instantánea de la tensión de arco y
la corriente de arco con una potencia deseada. Para obtener la
corriente de arco, una derivación 60 crea una señal de tensión en
la línea 62. Esta señal I_{a} es representativa de la corriente
de arco instantánea. De manera similar, la tensión V_{a} de arco
instantánea se proporciona desde un sensor 70 en la línea 72 de
salida. El generador 100 de función multiplica los valores de las
señales en las líneas 62 y 72 para producir un producto que es la
potencia P de arco. Según un aspecto de la invención que se
explicará más adelante, esta potencia P de arco se multiplica por
un factor k que puede ser una función constante, ajustable o
variable. Por tanto, la señal de realimentación de potencia es P o
kP. Cuando se expresa como kP, la potencia P de arco es cuando k =
1,0.
En procesos de soldadura hay a menudo partes del
ciclo de soladura en las que hay un cortocircuito o no hay arco. En
ese instante, no es necesario utilizar la potencia de arco del
generador 100 de función. Para determinar la existencia de un arco,
se conocen numerosos circuitos. Un circuito de este tipo se ilustra
esquemáticamente como el detector 102 de arco. La tensión de arco
en la línea 72 se compara una tensión umbral de modo que aparecerá
una lógica específica en la salida 102a cuando la tensión de arco
aumente para detectar un arco. Un valor bajo en la línea 72
identifica un cortocircuito. La realimentación kP de potencia de
arco del generador 100 de función no tiene que utilizarse durante
un cortocircuito. La lógica en la línea 102a controla un conmutador
110 bidireccional digital que emite el nivel en la línea 112 cuando
no hay arco, es decir un cortocircuito. En esa condición, el nivel
de corriente de arco detectado en la línea 62 se dirige a través del
conmutador 110 a la entrada 52 del amplificador 44 de error. Por
consiguiente, cuando no hay arco el control C opera basándose en
una realimentación de corriente I_{a} de arco. Se utiliza una
señal de mando de corriente en la línea 46 durante la parte de
cortocircuito de una operación de soldadura con la línea 102a
desplazando el conformador 50 de onda a un modo de control de
corriente. Durante la condición de arco, el generador 110 de
función proporciona una función o señal en la línea 114 que pasa a
través del conmutador 110 y entonces forma una función o señal kP
en la línea 52. La señal kP es la señal de realimentación de
potencia de arco. La potencia de arco se proporciona en la línea 46
de modo que una comparación de los niveles de señal en las líneas
46 y 52 determina la señal de mando de corriente en la línea 48. En
la práctica, el factor k es 1,0. Por tanto, la potencia kP de arco
es la función o señal en la línea 52 y la potencia de arco deseada
durante la condición de formación de arco se emite desde el
conformador 50 de onda en la línea de entrada 46. Según la
invención, el bucle de control de alta velocidad interno detecta la
potencia kP de arco, la compara con la potencia deseada para
producir una corrección rápida inmediata de alta velocidad de la
corriente de soldadura.
La relación entre la corriente y la tensión está
determinada por el valor del multiplicador o factor k. En la figura
1A, el factor k es igual a la corriente más la tensión dividido por
el producto de corriente y tensión. Por consiguiente, la señal de
potencia en la línea 114 dirigida a la entrada 52 es la tensión más
la corriente para dar una pendiente como se muestra como curva 120
en la figura 1A. Esta relación es útil cuando se realiza soldadura
por arco metálico protegido. En la práctica, el multiplicador k es
1,0 de modo que la señal en la línea 52 es la potencia P de arco
obtenida multiplicando la corriente de arco y la tensión de arco. La
figura 1B ilustra la relación entre corriente de arco y tensión de
arco en la que el factor k es 1,0. La potencia deseada se fija en o
bien 2.000 vatios tal como ilustra la curva 130 o 4.000 vatios tal
como ilustra la curva 132. Las figuras 1A y 1B son representativas
para ilustrar que el factor k multiplicador puede tener una
diversidad de valores para controlar la relación de corriente y
tensión en la red o sistema FB de realimentación, tal como se
muestra en la figura 1. La figura 2 ilustra el funcionamiento de la
presente invención con una operación de soldadura de potencia
constante. Esta puede ser la potencia de pico constante de un
impulso en un proceso de soldadura por impulsos o la potencia de
fondo constante en una operación de soldadura por cortocircuito. En
este caso, la realimentación kP se compara con un nivel deseado y el
factor k es 1,0. De hecho, puede ser la potencia fija deseada en
una operación de soldadura por pulverización o globular. Durante el
tiempo en el que la potencia deseada en la línea 46 se mantiene en
el nivel mostrado en la figura 2 cada cambio en la longitud de arco
modifica la tensión de arco tal como se muestra mediante la curva
142. De manera instantánea, dentro del periodo de conmutación de la
fuente 10 de alimentación, la señal de mando de corriente en la
línea 48 se ajusta para mantener la potencia del arco en el valor
establecido de la curva 140. El bucle de control de alta velocidad
interno opera a la frecuencia de conmutación. No es un bucle de
control de tipo adaptativo, lento de la técnica anterior. Por
tanto, cuando la longitud de arco disminuye, la tensión disminuye y
la corriente aumenta inmediatamente. Esto provoca un aumento rápido
en la fuerza del arco con un aumento en la longitud de arco. La
función o señal kP de realimentación mantiene la potencia en el
nivel del conformador 50 de onda en la línea 46. Si la longitud de
arco aumenta, la tensión aumenta y la corriente disminuye
inmediatamente para reducir la fuerza del arco y por tanto provoca
una disminución en la longitud de arco. Por consiguiente, la
presente invención usa la señal kP de realimentación de potencia de
arco comparada con la potencia de arco deseada para alcanzar
rápidamente el equilibrio y mantiene una longitud de arco deseada.
Esto es especialmente importante durante operaciones con baja
corriente o cuando se realiza soldadura GMAW de aluminio.
El funcionamiento de la invención para soldadura
por cortocircuito se ilustra en la figura 3 en la que la señal de
potencia durante la condición de arco se muestra como la curva 150.
Esta es la salida del conformador de onda usado para controlar la
corriente ilustrada en la curva 154 según la tensión tal como se
ilustra en la curva 152. Mientras que exista un arco según detecta
el detector 102 de arco, el conmutador 110 provoca que la función o
señal en la línea 52 sea kP. En el instante t_{1}, hay un
cortocircuito. La bola fundida toca la pieza de trabajo haciendo
que el detector 102 de arco desplace el conmutador 110 haciendo que
aparezca sólo corriente en la entrada 52. El conformador 50 de onda
se desplaza al modo de control de corriente por la lógica en la
línea 102a. La parte 160 de la curva 150 ilustra un desplazamiento a
un modo de control de corriente. La tensión es baja tal como se
muestra en la parte 162 de curva. La corriente representada por la
curva 164 se controla mediante el conformador de onda y el valor de
corriente en la línea 46. Cuando se interrumpe el corto en el
instante t_{2}, la señal en la línea 46 de nuevo es la potencia
deseada que experimenta una transición descendente tal como se
muestra en la parte 150a de curva de potencia. Por tanto, el
producto de la tensión en la parte 152a de transición y la
corriente en la parte 154a de transición siguen al nivel de
potencia deseado. Esta transición rápida después del corto concluye
en el instante t_{3}. La condición de arco se restablece de nuevo
y el dispositivo 10 de soldadura opera comparando la potencia kP de
arco real con la potencia de arco deseada de la curva 150. Este
proceso se repite durante cada ciclo de cortocircuito del proceso
de soldadura. El dispositivo 10 de soldadura puede realizar otros
procesos de soldadura de tipo de cortocircuito, tales como
soldadura por cortocircuito STT.
Con referencia ahora a las figuras 4, 5 y 5A, se
ilustra el uso de la presente invención para un proceso de
soldadura por onda de impulsos. Los componentes funcionalmente
equivalentes se numeran como en la figura 1. Cuando se usa la
invención para soldadura por impulsos, el conformador 200 de onda
crea el perfil 202 de potencia correspondiente a la potencia
deseada del ciclo de soldadura por impulsos. El perfil 202 de
potencia se muestra en la figura 5 y, con más detalle, en la figura
5A. Para mantener el perfil 202 de potencia de arco deseado, la
curva 210 de tensión y la curva 212 de corriente se multiplican
entre sí por el generador 100 de función para seguir al perfil de
arco en la entrada 46 del amplificador 44 de error. El perfil 202 de
potencia mostrado en la figura 5A incluye una parte 202a de rampa
con una parte 202b de potencia de pico. A partir de entonces, el
perfil de potencia decae exponencialmente a lo largo de la curva
202c hasta que alcanza la potencia objetivo deseada en el punto
202d. A partir de entonces, el perfil se desplaza inmediatamente al
nivel 202e de potencia de fondo a la espera de la siguiente rampa
202a del siguiente impulso. Según este aspecto de la invención, el
perfil 202 de potencia controla la potencia del arco durante cada
parte del ciclo de soldadura por impulsos. En la práctica, la parte
202a de rampa y la parte 202c exponencial algunas veces se controlan
por tensión o corriente mientras que el nivel 202b de potencia fijo
de pico y el nivel 202e de potencia fijo de fondo se controlan
comparando la función kP de potencia de arco de realimentación con
la potencia deseada del conformador 200 de onda. Todas las partes
del ciclo de impulso se controlan preferiblemente por un perfil de
potencia. Sin embargo, en una modificación se controlan partes de
arco seleccionadas por potencia estando las partes restantes
controladas por corriente o tensión. En una implementación de la
invención, la parte 202a, 202b, 202c de compresión de impulso se
desplaza rápidamente a control de corriente. Sólo la parte 202e de
fondo del ciclo se controla comparando la potencia de arco deseada
con la potencia kP de arco real.
La presente invención se usa en la mayoría, si
no en todos los tipos de soldadura por arco eléctrico. En la figura
6 se ilustra un ejemplo de un dispositivo B de soldadura que se hace
operar en un modo de soldadura CA con las curvas de funcionamiento
mostradas en las figuras 7 y 8. El dispositivo B de soldadura por
arco eléctrico tiene la misma arquitectura básica que la mostrada
en la figura 1 y los componentes funcionalmente equivalentes se
numeran de la misma manera. El secundario 22 de salida se usa para
accionar un rectificador 24a positivo y un rectificador 24b
negativo. Se aplica potencia al arco a través de los conmutadores
220, 222 de polaridad que tienen las puertas 220a, 222a de
excitación, respectivamente. Esto constituye una práctica estándar
en soldadura CA, excepto que el modo se expresa como potencia. Una
serie de impulsos en la línea 230 del conformador 240de onda
conmuta alternativamente los conmutadores 220, 222 de polaridad a la
frecuencia de los impulsos 230a. La puerta 232 es una puerta no
coincidente que hace que el conmutador 220 de polaridad opere en
instantes diferentes que el conmutador 222 de polaridad. Según la
tecnología desarrollada por la Lincoln Electric Company, los
conmutadores 220, 222 se conmutan preferiblemente cuando la
corriente de soldadura decae hasta un nivel inferior deseado, tal
como 100 amperios. Esto no forma parte de la presente invención,
sino que es tecnología usada para impedir inversiones de polaridad
en corrientes de arco altas. El conformador 240 de onda desarrolla
un perfil 260 de potencia que se emite a la entrada 46 del
amplificador 44 de error digital. El amplificador de error tiene
una salida 44a para accionar el modulador 40 de ancho de pulso según
la tecnología estándar. La salida del generador 100 de función es
la función, valor o señal kP en la línea 250. Según el
funcionamiento CA, se usa el valor absoluto de la potencia en la
línea 250. Este valor absoluto se obtiene mediante el circuito 252
de conversión. Por tanto, la curva 260 de perfil de potencia
mostrada en la figura 7 está diseñada para tener sólo valores
positivos. Para controlar la potencia relativa durante impulsos
positivos y negativos, la parte 262a positiva de la curva de perfil
de potencia es superior al nivel 262b de perfil de potencia para el
impulso negativo. Asimismo, el impulso positivo se ilustra como de
mayor duración que el impulso negativo. El tiempo entre t_{4} y
t_{5} es superior al tiempo entre t_{5} y t_{4}. El nivel de
potencia y el sincronismo vienen dictados por el perfil 260 de
potencia. Este perfil de potencia se muestra con más detalle en la
figura 8 en la que la parte 262a de arco superior experimenta una
transición a lo largo de la línea 262c para caer antes de la
conmutación de las polaridades en el instante t_{5}. El nivel
disminuye y después aumenta a lo largo de la línea 262d después de
la conmutación. Por tanto, cada cambio de polaridad implica una
disminución en la potencia y, después de la conmutación, la potencia
sube hasta el siguiente nivel de potencia. Este aspecto del perfil
de potencia provoca una potencia inferior en los cambios de
polaridad. El perfil 260 de potencia del conformador 240 de onda
actúa conjuntamente con la señal en la línea 230 que se ilustra
como la curva 270 que tiene una serie de impulsos 270a para conmutar
la polaridad de la corriente de salida. Según la invención, la
potencia real se muestra en la curva 272 con partes 272a positivas
y partes 272b negativas. La corriente real es la curva 276 con
partes 276a positivas y partes 276b negativas. De manera similar,
la corriente real es la curva 276 con partes 276a positivas y
partes 276b negativas. La polaridad se cambia entre t_{4} y
t_{5}. Por tanto, la conmutación se produce con potencia baja.
Las figuras 6 a 8 ilustran el uso de la presente invención en un
proceso de soldadura CA con el fin de mostrar la versatilidad y el
uso universal de la presente invención.
Tal como se indicó anteriormente, no es
necesario que la entrada al amplificador 44 de error sea la salida
de un conformador de onda, tal como se muestra en la figura 1, la
figura 4 y la figura 6. La entrada 300 del amplificador 44 de error
en la figura 9 tiene un valor P_{set} correspondiente a un nivel
de potencia deseado establecido. Este nivel de potencia se compara
con la función o señal kP en la línea 52 por el amplificador 44 de
error para producir un cambio inmediato en la señal de mando de
corriente en la línea 48 con cambios en la tensión de arco. La
figura 9 ilustra la versión más simple de la presente invención en
la que un nivel de potencia establecido, que puede ajustarse, se
compara con la función o señal kP de realimentación del generador
100 de función para controlar el bucle de control interno de un
dispositivo de soldadura. En la figura 10 se ilustra una variación
de la presente invención en la que la función o señal kP se emplea
para realimentación. La potencia deseada del conformador 310 de
onda se aplica en la entrada 312 al amplificador 314 de error. La
potencia deseada se compara con la función o señal kP en la línea
52. Por tanto, la salida 316 del amplificador 314 de error controla
el microprocesador 320 del alimentador de hilo. La señal en la línea
316 controla la velocidad del motor 322 de alimentación de hilo que
acciona el alimentador 324 de hilo para forzar el hilo de soldadura
de la bobina 330 hacia la pieza 36 de trabajo. Mediante este uso de
la función o señal kP de realimentación, la velocidad de
alimentación de hilo aumenta cuando la tensión aumenta para
disminuir la longitud de arco. Cuando la tensión disminuye, la
velocidad de alimentación de hilo disminuye para corregir la
longitud de arco. Este ejemplo ilustra el uso de la función o señal
kP para un control de realimentación de un parámetro de un
dispositivo de soldadura.
Usos adicionales de la función o señales kp de
realimentación se ilustran en las figuras 11 y 12. Cada una de
estas figuras muestra una potencia 300 de arco deseada establecida,
tal como se ha comentado con respecto a la figura 9. Evidentemente,
el nivel en la entrada 300 podría ajustarse o podría ser la salida
de un conformador de onda. Para ilustrar el uso adicional de la
función o señal kP, la figura 11 da a conocer el generador 100 de
función en el que la función kP se modifica por una señal en la
línea 350 de un mando 352 de velocidad de alimentación de hilo. El
circuito se usa con el dispositivo A de soldadura o el dispositivo B
de soldadura, o versiones de los mismos. En este uso de la nueva
función o señal kP de realimentación, la función se varía o
modifica mediante el ajuste del mando 352 usado para ajustar la
velocidad de alimentación de hilo. En la figura 12, la señal en la
línea 360 del mando 362 de velocidad de desplazamiento del electrodo
modifica la señal kP. Por tanto, la señal kP de realimentación se
modifica por una señal indicativa del ajuste de velocidad de
desplazamiento de la operación de soldadura. Evidentemente, se usan
otras modificaciones de la señal o función kP de realimentación
para controlar la operación de soldadura mediante una modificación
de la función o señal kP.
Yendo ahora a la figura 13, se ilustra la
presente implementación de la invención. El dispositivo A de
soldadura tiene componentes expuestos en la figura 1 y están
etiquetados con los mismos números. El detector 102 de arco
controla la lógica en la línea 102a de modo que el nivel de potencia
de mando o perfil 402 de potencia se emite por el conformador 400
de onda sólo mientras hay un arco entre el electrodo 34 y la pieza
36 de trabajo. La corriente de arco y la tensión de arco se dirigen
al controlador C y se multiplican tal como se indica por el
circuito 410 del procesador C de señal digital. La salida 410a se
multiplica por el factor k para proporcionar la función o señal kP
de realimentación en la línea 52. Esta es la señal de realimentación
de potencia que, en la práctica, implica un factor k igual a 1,0.
Por tanto, una señal indicativa de la corriente de arco real
aparece en la línea 52. Esta se compara con la potencia de arco
deseada en la línea 46 para controlar la corriente de manera
instantánea con cambios en la tensión de arco. Por consiguiente, la
potencia de arco se mantiene constante o en un nivel deseado con
equilibrio de longitud de arco. Otras implementaciones de la
presente invención usando la señal o función kP de realimentación
son evidentes para expertos en el campo de soldadura por arco
eléctrico.
En esta descripción el uso de líneas y
componentes analógicos tiene fines de explicación de la invención;
sin embargo, en la práctica, estas líneas y componentes son
programas software y valores digitales o una combinación de
elementos analógicos y digitales. Los valores de realimentación de
arco se digitalizan mediante conversores analógico a digital. Todos
estos diseños se conocen en la técnica de soldadura. El conformador
de onda es digital y se aloja en un microprocesador en la
implementación práctica de la invención.
Claims (26)
1. Sistema de control para un dispositivo de
soldadura por arco eléctrico que realiza un proceso de soldadura
entre un electrodo y una pieza de trabajo, incluyendo dicho proceso
al menos tiempo durante el que hay una condición de arco,
comprendiendo dicho sistema: una fuente (10) de alimentación de tipo
de alta velocidad de conmutación con un controlador (C) que tiene
una señal (48) de control de corriente de entrada para ajustar la
corriente de salida de dicha fuente de alimentación; un primer
sensor que detecta la tensión de arco real; un segundo sensor que
detecta la corriente de arco real, estando dicho sistema
caracterizado porque el controlador se opera a una
frecuencia de conmutación de al menos 10 kHz, por un primer circuito
(50, 200, 240, 400) para crear una señal (46) de perfil de potencia
que representa los niveles de potencia en tiempo real deseados en
instantes progresivos durante dicha condición de arco de dicho
proceso de soldadura; un segundo circuito (100, 400, 410) para
crear una señal (KP) en tiempo real que es una función de la tensión
real detectada y la corriente real detectada en tiempo real y un
tercer circuito (C) para ajustar dicha señal de control de
corriente de entrada según la diferencia entre dicha señal de perfil
de potencia y dicha señal en tiempo real.
2. Sistema según la reivindicación 1, en el que
dicha función es el producto de dicha tensión de arco real y dicha
corriente de arco real.
3. Sistema según la reivindicación 2, en el que
dicha función incluye un multiplicador.
4. Sistema según la reivindicación 2, en el que
dicha función incluye un multiplicador y es una constante.
5. Sistema según la reivindicación 4, en el que
dicha constante es 1,0.
6. Sistema según la reivindicación 2 ó 3, en el
que dicha función incluye un multiplicador que define una
pendiente.
7. Sistema según la reivindicación 6, en el que
dicho multiplicador es la suma de la corriente y la tensión dividida
por el producto de la corriente y la tensión.
8. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en el que dichos circuitos son circuitos
digitales.
9. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en el que dicha fuente de alimentación de
tipo de alta velocidad de conmutación es un inversor.
10. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en el que dicho primer circuito es un
conformador de onda.
11. Sistema según la reivindicación 10, en el
que dicho conformador de onda es un dispositivo digital.
12. Sistema según la reivindicación 11, en el
que dicho conformador de onda es un dispositivo de procesamiento
digital.
13. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12, en el que dicho proceso de soldadura es un
método de soldadura por impulsos.
14. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 13, en el que dicho tercer circuito es un
amplificador de error.
15. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 14, que incluye un modulador de ancho de pulso
para ajustar la salida de dicha fuente de alimentación según dicha
señal de control de corriente de entrada.
16. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 15, en el que dicha señal de potencia es un
valor establecido.
17. Sistema según la reivindicación 16, en el
que dicho valor establecido es ajustable.
18. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 17, en el que dicha señal de arco se modifica
mediante una señal que representa la velocidad de alimentación de
hilo.
19. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 17, en el que dicha señal de arco se modifica
por una señal que representa la velocidad de desplazamiento del
electrodo por dicha pieza de trabajo.
20. Método para controlar un dispositivo de
soldadura por arco eléctrico que realiza un proceso de soldadura
entre un electrodo y una pieza de trabajo, mediante una fuente de
alimentación de tipo de alta velocidad de conmutación operada, a
una frecuencia de conmutación de al menos aproximadamente 10 kHz
mediante un controlador con una señal de control de corriente de
entrada para ajustar la corriente de salida de dicha fuente de
alimentación, incluyendo dicho proceso al menos tiempos durante los
que hay una condición de arco y tiempos en los que no hay una
condición de arco, comprendiendo dicho método:
- (a)
- detectar la tensión de arco instantánea real,
- (b)
- detectar la corriente de arco instantánea real;
- (c)
- crear una señal de perfil de potencia, que representa el nivel de potencia en tiempo real deseado en instantes progresivos durante dicha condición de arco de dicho proceso de soldadura;
- (d)
- crear una función de la tensión instantánea real detectada y la corriente instantánea real detectada en tiempo real; y,
- (e)
- ajustar dicha señal de control de corriente según la diferencia entre dicha señal de potencia y dicha función de la tensión y la corriente reales en tiempo real.
21. Método según la reivindicación 20, en el
que dicha función es el producto de dicha tensión real y corriente
real.
22. Método según la reivindicación 21, en el
que dicha función incluye un multiplicador.
23. Método según la reivindicación 21, en el
que dicha función incluye un multiplicador y es una constante.
24. Método según la reivindicación 23, en el
que dicha constante es 1,0.
25. Método según cualquiera de las
reivindicaciones 20 a 24, en el que dicha señal de potencia se crea
mediante un conformador de onda.
26. Método según la reivindicación 25, en el
que dicho conformador de onda es un dispositivo digital.
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