PT1597012E - Gerador para máquina de soldar a arco eléctrico com factor de alta potência - Google Patents

Gerador para máquina de soldar a arco eléctrico com factor de alta potência Download PDF

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Description

PE1597012 1
DESCRIÇÃO
"GERADOR PARA MÁQUINA DE SOLDAR A ARCO ELÉCTRICO COM FACTOR DE ALTA POTÊNCIA" O presente invento diz respeito a um gerador próprio para ser utilizado numa máquina de soldar a arco eléc-trico; mais particularmente, o presente invento diz respeito a um gerador que transforma uma corrente alterna de rede, monofásica ou trifásica, numa corrente continua que é controlada e própria para o arco de soldadura.
Os problemas que surgem nos geradores para máquinas de soldar a arco dizem principalmente respeito ao baixo factor de potência da corrente absorvida da rede de alimentação .
Além disso, outro factor que tem um efeito negativo sobre o rendimento de uma máquina de soldar a arco concebida de acordo com esquemas e métodos conhecidos é a imprevisível variação da tensão de alimentação, ver documento US-A-5 406 051 (de Lai) que divulga uma máquina de soldar a arco desse tipo.
Como referência, a título de exemplo, à técnica anterior, na Figura 1 acha-se representado o largamente utilizado esquema clássico de uma máquina de soldar elec- 2 ΡΕ15 9 7 012 trónica. O esquema compreende, do lado da rede, um primeiro andar rectificador 1 constituído apenas por díodos, seguido por um banco de condensadores de nivelamento 2. A corrente assim rectificada e nivelada vai alimentar um bloco inversor 3, proporcionado por meio de interruptores electrónicos de alta-frequência, que alimenta o enrolamento primário de um transformador 4. O enrolamento secundário do transformador 4 é seguido por um segundo andar rectificador 5. A corrente que sai do segundo andar rectificador 5 é nivelada por um indutor 6 e vai alimentar um arco de soldadura 7.
Um gerador deste tipo, durante o funcionamento, absorve da rede uma corrente que tem um comportamento do tipo representado na Figura 2. É imediatamente evidente que uma forma de onda deste tipo apresenta um elevado conteúdo de harmónicas, e isso implica um baixo factor de potência.
Nesta situação, a fim de se ter uma elevada potência útil no arco, é necessário absorver da rede um elevado valor efectivo de corrente (RMS). 3 ΡΕ15 9 7 012
Isto implica um considerável impacto negativo sobre a rede de alimentação, na medida em que o elevado conteúdo de harmónicas e o elevado valor efectivo (RMS) da corrente absorvida provocam um aumento do aquecimento dos condutores de alimentação e uma considerável distorção da forma de onda da tensão da linha de alimentação, que por sua vez provoca um aumento das perdas nos núcleos ferromagnéticos dos transformadores a ela ligados.
Além disso, a distorção da forma de onda introduz um considerável ruido na linha.
Além disso, quando os geradores de soldadura são de potência limitada, como acontece no caso daqueles que se destinam a ser alimentados por sistemas de uso doméstico, a elevada intensidade de corrente efectiva (RMS) absorvida provoca a intervenção da protecção térmica do sistema mesmo que a potência fornecida ao arco de soldadura seja inferior à de uma carga resistiva equivalente.
Além disso, como já aqui foi anteriormente referido, um gerador com um esquema do tipo representado na Figura 1 é inevitavelmente afectado pelas variações da tensão de alimentação de entrada, e isso reduz consideravelmente a prestação do referido gerador.
Face a estes problemas foram concebidos geradores que possuem andares adicionais que permitem que a absorção da corrente da rede seja tão sinusoidal quanto possível, 4 ΡΕ15 9 7 012 isto é, que tornam o gerador equivalente a uma carga resis-tiva, a fim de se poder utilizar toda a potência activa que é posta à disposição do utilizador.
Também foram adoptados andares adicionais cuja função consiste em fazer com que o gerador se adapte automaticamente às variações de tensão da rede, assegurando uma boa e estável prestação do gerador.
Geradores com esquemas deste tipo podem ser do tipo representado esquematicamente na Figura 3.
Este esquema mostra claramente que com respeito ao esquema da Figura 1 existe a adição de um andar 8 que é interposto entre o bloco rectificador 1 e o bloco de nivelamento 2.
Este andar, denominado PFC, pode ser realizado de diversas maneiras.
Em qualquer dos casos, os geradores deste tipo são caros e complicados, e por vezes críticos no que diz respeito à escolha dos componentes que têm que resistir a tensões elevadas.
Sumário do Invento A finalidade do presente invento consiste em proporcionar um gerador para soldadura a arco que absorva da 5 PE1597012 rede uma corrente com um elevado factor de potência.
Dentro desta finalidade, um dos objectivos do invento consiste em proporcionar um gerador para soldadura a arco que não seja sensível a variações da tensão de alimentação captada a partir da rede.
Outro objectivo do invento consiste em proporcionar um conjunto de circuitos nos quais seja possível utilizar componentes que tenham um baixo custo e uma alta eficácia .
Esta finalidade e estes e outros objectivos que mais adiante se irão tornar evidentes são alcançados por um gerador para máquina de soldar a arco do tipo daqueles que são constituídos por um andar rectificador alimentado pela rede de distribuição de energia eléctrica, seguido por um andar PFC e por um andar inversor, ambos do tipo de alta-frequência, indo o último destes andares alimentar um andar de saída próprio para fornecer energia eléctrica a um arco de soldadura, caracterizado por: o referido andar PFC ser constituído por: dois indutores que se acham mutuamente acoplados de uma maneira magnética e que se acham dispostos em série à saída do andar rectificador; dois primeiros interruptores comandados de alta-frequência, ligados entre um nó comum e dois nós res-pectivamente nas saídas dos dois indutores; dois díodos, com sentidos de condução opos- 6 PE1597012 tos, ligados respectivamente aos nós entre os interruptores e os indutores mútuos; dois condensadores de nivelamento ligados aos nós de saída dos referidos díodos e ao nó comum dos referidos primeiros interruptores; sendo ainda proporcionada a existência de uns meios próprios para controlar a sucessão das operações de ligar e desligar dos referidos dois primeiros interruptores, a fim de que a corrente absorvida pelo andar recti-ficador seja modelada correlacionando-a com a forma de onda da tensão de linha; o referido andar inversor, alimentado entre o nó comum dos referidos primeiros interruptores e o nó comum entre os referidos condensadores, compreender quatro tríades, cada uma delas constituída por um segundo interruptor controlado, um díodo e um condensador, ligados de maneira a formar cinco nós, respectivamente um nó central, dois nós intermédios e dois nós externos, achando-se os referidos nós externos ligados aos nós entre os referidos primeiros interruptores e os respectivos díodos, achando-se os referidos nós intermédios ligados ao nó comum dos referidos primeiros interruptores com a interposição de um díodo respectivamente, achando-se um condensador ligado entre os referidos nós intermédios, sendo ainda proporcionado um dispositivo de controlo para os quatro segundos interruptores e sendo a corrente para o andar de saída que alimenta o arco de soldadura captada entre o nó comum dos dois primeiros interruptores e o nó central das referidas quatro tríades dos segundos interruptores controlados, díodos e con- 7 PE1597012 densadores.
Breve Descrição dos Desenhos
Outras características e vantagens do invento tornar-se-ão mais evidentes através da leitura de descrição pormenorizada que irá ser apresentada a seguir de um modo de realização preferido do invento, ilustrado a titulo de exemplo não limitativo nos desenhos anexos, em que: as Figuras 1, 2, 3 e 4 são vistas de dispositivos conhecidos e dos respectivos diagramas de funcionamento; a Figura 5 é uma vista esquemática do gerador de quatro andares do presente invento, ilustrando em particular as suas ligações; a Figura 6 é uma vista de pormenor do andar PFC; e a Figura 7 é uma vista de pormenor do andar inversor.
Modos de Realização do Invento
Com referência às figuras, vemos que o gerador de acordo com o invento pode ser idealmente dividido em quatro andares respectivamente designados pelo número de referência 100 para o andar de alimentação feita a partir da rede, ΡΕ15 9 7 012 pelo número de referência 200 para o andar PFC, pelo número de referência 300 para o andar inversor e pelo número de referência 400 para o andar de saída e de alimentação do arco. O andar 100 de alimentação feita a partir da rede é constituído por um bloco rectificador convencional com díodos 101 que é alimentado a partir da rede 102 que pode ser monofásica ou trifásica.
Dois condutores de saída, designados respectiva-mente pelos números de referência 103 e 104, dirigem-se para fora do andar 101 e continuam no andar PFC 200 sob a forma de dois condutores de entrada 201 e 202.
Dois indutores 203 e 204 acham-se respectivamente ligados às entradas 201 e 202 e encontram-se magneticamente acoplados.
As saídas dos dois indutores 203 e 204, designadas pelos números de referência 205 e 206, acham-se respec-tivamente ligadas a um primeiro nó 207 e a um segundo nó 208 . 0 primeiro terminal de um primeiro interruptor comandado 209 acha-se ligado ao nó 207 e o primeiro terminal de um segundo interruptor comandado 210 acha-se ligado ao nó 208. 9 PEl5 9 7 012 O segundo terminal do primeiro interruptor comandado 209 e o segundo terminal do segundo interruptor comandado 210 acham-se ligados a um nó comum 211. O primeiro terminal de um primeiro díodo 212 acha-se ligado ao nó 207 e o primeiro terminal de um segundo díodo 213 acha-se ligado ao nó 208; os dois díodos têm sentidos de condução opostos. O segundo terminal do primeiro díodo 212 acha-se ligado a um nó 214 e o segundo terminal do segundo díodo 213 acha-se ligado a um nó 215. 0 primeiro terminal de um primeiro condensador de nivelamento 216 acha-se ligado ao nó 214 e o primeiro terminal de um segundo condensador de nivelamento 217 acha-se ligado ao nó 215.
Os dois condensadores 216 e 217 são dispostos de maneira a apresentarem polaridades opostas e os seus segundos terminais acham-se ligados a um nó 218 que se acha ligado ao nó 211. O andar PFC 200 tem três condutores de saída, respectivamente um condutor 219 ligado ao nó 214, um condutor 220 ligado ao nó 215 e um condutor 221 ligado ao nó 218. 0 andar PFC 200 tem um dispositivo de controlo 10 PE1597012 222 que comanda as operações de ligar e desligar dos interruptores 209 e 210, que são do tipo comandado de alta-frequência (IGBT ou MOSFET). O dispositivo, a partir da entrada 201 e por meio da ligação 223 capta um sinal de tensão Vin, a partir do condutor 205 e por meio da ligação 224 capta um sinal de corrente Iin, a partir do nó 214 ou do condensador 216 e por meio da ligação 225 capta um sinal de tensão Vci e partir do nó 215 ou do condensador 217 e por meio da ligação 226 capta um sinal de tensão Vc2.
Na figura, as ligações 227 e 228 designam o comando dos interruptores 209 e 210.
Por meio de um adequado controlo da sucessão de operações de ligar e desligar dos dois interruptores 209 e 210, o dispositivo de controlo 222 controla a corrente absorvida pelo andar de alimentação rectificado 100, mode-lando-a de maneira a seguir a forma de onda da tensão de linha, obtida a partir do sinal Vin, de maneira a ter uma distorção muito pequena, e por conseguinte um factor de potência muito elevado.
Fechando os interruptores 209 e 210, a corrente nos indutores 203 e 204 aumenta com um gradiente que é igual a
Vin / (Li + L2 + M12) 11 PE1597012 em que Mi2 é um coeficiente que tem em conta o acoplamento dos dois indutores quando os díodos 212 e 213 se acham fora de serviço, e Li e L2 correspondem respectivamente aos indutores 203 e 204.
Abrindo os interruptores 209 e 210, a corrente circula em 203, 212, 216, 217, 213 e 204, de maneira a carregar os condensadores de nivelamento 216 e 217, e diminui com um gradiente que é igual a - [Vin - (Vci + Vc2) ] / (Li + L2 + Mi2)
Por meio da ligação entre o nó 211 e o nó 218, ou entre os dois interruptores 209 e 210 e os dois condensadores 216 e 217, que têm capacidades iguais, a tensão aplicada a cada um dos interruptores é igual a Vc/2, que é metade da tensão que se obtém com configurações de andares PFC normais conhecidos.
Isto permite a utilização de interruptores com uma tensão de rotura mais baixa e, por razões relacionadas com a tecnologia do fabrico de interruptores electrónicos, permite trabalhar a frequências de comutação mais elevadas, permitindo em consequência disso reduzir os valores dos indutores 203 e 204 e melhorar o controlo da corrente absorvida da rede.
Como é sabido, quanto mais alta é a tensão de rotura dos interruptores electrónicos, maior é o tempo de 12 ΡΕ15 9 7 012 comutação característico dos referidos interruptores, e por conseguinte mais se deve fazer baixar as frequências de comutação, a fim de se limitar a energia dissipada pelos referidos interruptores. O andar inversor 300 tem uma frequência de comutação elevada e compreende: um primeiro nó externo 301, que se acha ligado ao condutor de sarda 219 do andar PFC; um segundo nó externo 302, que se acha ligado ao condutor de saída 220; um primeiro nó intermédio 303, que se acha ligado ao condutor de saída 221 com a interposição de um diodo 304; e um segundo nó intermédio 305, que se acha ligado ao condutor de saída 221 com a interposição de um díodo 306.
Os díodos 304 e 306 são dispostos de maneira a terem sentidos de condução opostos.
Entre o primeiro nó externo 301 e o primeiro nó intermédio 303 é proporcionada uma primeira tríade de componentes numa configuração paralela, constituída por um interruptor controlado 307, um díodo 308 e um condensador 309.
Entre o primeiro nó intermédio 303 e um nó central 310 é proporcionada uma segunda tríade de componentes numa configuração paralela, constituída por um interruptor controlado 311, um díodo 312 e um condensador 313.
De modo semelhante, entre o segundo nó externo 13 ΡΕ15 9 7 012 302 e o segundo nó intermédio 305 é proporcionada uma tríade de componentes numa configuração paralela, constituída por um terceiro interruptor controlado 314, um díodo 315 e um condensador 316.
Entre o segundo nó intermédio 305 e nó central 310 é proporcionada uma tríade de componentes numa configuração paralela, constituída por um quarto interruptor controlado 317, um díodo 318 e um condensador 319.
Também existe um condensador 320 que se acha ligado entre os dois nós intermédios 303 e 305. 0 andar inversor 300 apresenta ainda um dispositivo de comando 321 próprio para comandar as operações de ligar e desligar dos quatro interruptores controlados 307, 311, 317 e 314.
Por meio da ligação entre o nó 322, que é comum aos díodos 304 e 306, e o nó 218, a tensão máxima que afec-ta cada um dos interruptores controlados é reduzida a metade .
Esta situação permite o uso de componentes que têm frequências de comutação e velocidades de comutação muito mais elevadas do que os circuitos com um esquema conhecido, de maneira que é possível reduzir as dimensões dos componentes magnéticos. 14 PE1597012
Com vista à ligação entre o andar PFC 200 e o andar inversor 300, por meio dos condutores 219, 221 e 220, por meio de um adequado controlo das operações de ligar e desligar dos interruptores é possível controlar o equilíbrio das tensões nos condensadores 216 e 217 de maneira a não prejudicar o controlo da corrente de soldadura. O andar 400 é alimentado pelo nó 322 e pelo nó 310, aos quais se acha associado o enrolamento primário de um transformador 401, indo por sua vez o referido transformador alimentar um rectificador 402 cuja saída alimenta um arco de soldadura 404 com a interposição de um indutor 403.
Lisboa, 4 de Dezembro de 2006

Claims (6)

  1. PE1597012 1 REIVINDICAÇÕES 1. Gerador para máquina de soldar a arco eléc-trico do tipo daqueles que são constituídos por um andar rectificador (100) alimentado pela rede de distribuição de energia eléctrica, seguido por um andar PFC (200) e por um andar inversor (300), ambos do tipo de alta-frequência, indo o último destes andares alimentar um andar de saída (400) próprio para fornecer energia eléctrica a um arco de soldadura (404), caracterizado por: o referido andar PFC (200) ser constituído por: dois indutores (203, 204) que se acham mutuamente acoplados de uma maneira magnética e que se acham dispostos em série à saída do andar rectificador (100); dois primeiros interruptores comandados de alta-frequência (209, 210), ligados entre um nó comum (211) e dois nós (207, 208) respectivamente nas saídas dos dois indutores (203, 204); dois díodos (212, 213), com sentidos de condução opostos, ligados respectivamente aos nós (207, 208) entre os interruptores (209, 210) e os indutores mútuos (203, 204); dois condensadores de nivelamento (216, 217) ligados aos nós de saída (214, 215) dos referidos díodos (212, 213) e ao nó comum (211) dos referidos primeiros interruptores (209, 210); sendo ainda proporcionada a existência de 2 PE1597012 uns meios (222) próprios para controlar a sucessão das operações de ligar e desligar dos referidos dois primeiros interruptores (209, 210), a fim de que a corrente absorvida pelo andar rectificador seja modelada correlacionando-a com a forma de onda da tensão de linha; o referido andar inversor (300), alimentado entre o nó comum (211) dos referidos primeiros interruptores (209, 210) e o nó comum (218) entre os referidos condensadores (216, 217), compreender quatro tríades, cada uma delas constituída por um segundo interruptor controlado (307, 311, 317, 314), um díodo (308, 312, 318, 315) e um condensador (309, 313, 319, 316), ligados de maneira a formar cinco nós, respectivamente um nó central (310), dois nós intermédios (303, 305) e dois nós externos (301, 302), achando-se os referidos nós externos (301, 302) ligados aos nós entre os referidos primeiros interruptores (209, 210) e os respectivos díodos (212, 213), achando-se os referidos nós intermédios (303, 305) ligados ao nó comum (211) dos referidos primeiros interruptores (209, 210) com a interposição de um díodo (304, 306) respectivamente, achando-se um condensador (320) ligado entre os referidos nós intermédios (303, 305), sendo ainda proporcionado um dispositivo de controlo (321) para os quatro segundos interruptores (307, 311, 317, 314) e sendo a corrente para o andar de saída (400) que alimenta o arco de soldadura captada entre o nó comum (211) dos dois primeiros interruptores (209, 210) e o nó central (310) das referidas quatro tríades dos segundos interruptores controlados (307, 311, 317, 314), díodos (308, 312, 318, 315) e condensadores (309, 313, 319, 316). 3 PE1597012
  2. 2. Gerador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a rede de distribuição de energia eléc-trica poder ser monofásica ou trifásica.
  3. 3. Gerador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os referidos dois primeiros interruptores (209, 210) serem do tipo denominado IGBT.
  4. 4. Gerador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os referidos dois interruptores (209, 210) serem do tipo denominado MOSFET.
  5. 5. Gerador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os referidos meios que controlam as operações de ligar e desligar dos referidos dois primeiros interruptores (209, 210) serem constituídos por um dispositivo (222) que capta sinais de tensão e corrente (Vin, Vci, Vc2, Iin) e controla a corrente absorvida pelo andar de alimentação rectifiçado (100) modelando-a com a forma de onda obtida a partir do sinal Vin, de maneira a reduzir a distorção e a obter um factor de potência muito elevado.
  6. 6. Gerador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os referidos dois díodos (304, 306) do andar inversor (300), cujo nó comum (322) se acha ligado ao nó (218) do andar PFC (200), permitirem dividir em partes iguais a tensão máxima nos quatro interruptores controlados (307, 311, 317, 314), permitindo a utilização de componentes dotados de uma elevada frequência e velocidade de comu- 4 ΡΕ15 9 7 012 taçao. Lisboa, 4 de Dezembro de 2006
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