Fonte de corrente constante realizada a transistores de potência, com forma de onda do tipo retangular, para soldagem a arco

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

PROGRAMA DE POS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELETRICA

FONTE DE CORRENTE CONSTANTE REALIZADA A TRANSISTORES DE POTENCIA, COM FORMA DE ONDA DO TIPO RETANGULAR, PARA SOLDAGEM A ARCO

[LDO BET

Dissertação submetida ã Universidade Federal de Santa Catarina para obtenção do Grau de Mestre em» Engenha-

ria

Esta dissertaç

de

ILDO BET

ão foi julgada para obtenção do título

MESTRE EM ENGENHARIA

Especialidade Engenharia El

pelo Curso de Põs-Graduação

Apresentada pe

los Professores:

êtríca e aprovada em sua forma final

Pro-. vñ Barbí, Dr.Ing. - _Orientador

Prof. Renato Carlson - _Coordenador

rante a banca examinadora composta pe-

Prof. Carlos Inãeio Zanchin, M. Sc.

Prof o arbi, Dr. Ing.

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Prof.b'a¿r _{Carlos Dntra, M. Sc.}

Pro . Renato Carlson, Dr. Ing.

iii

Aos meus pais, Ã minha namorada,

Aos meus irmaos e irmas, Aos meus amigos e amigas

- _{Ao Prof. Ivo Barbi, pela ajuda na orientação.}

- _{Aos Professores Jair Carlos Dutra e Almir Monteiro}

Quites, pela inestimável ajuda na área de tecnologia da Soldagem. - _{Aos Laboratoristas do Laboratõrio de Eletrônica de}

Potência e Labsolda.

- _{Aos colegas, funcionarios e professores do Departa-}

mento de Engenharia Elétrica.

- _{Ã FINEP pelo apoio financeiro.}

` ~

- _{Nosso especial agradecimento a Comissao Nacional de}

Energia Nuclear (CNEN), _{pelos recursos assegurados durante este} trabalho.

RESUMO

Este trabalho descreve a concepçao e a _realízaçao de um protõtipo (lO0A) de uma fonte de corrente constante, com forma de onda retangular, realizada a transistores de po- tência, aplicada ao processo de soldagem TlG-Pulsado.

As características das curvas _Va x _Ia são do tipo vertical (corrente verdadeiramente constante) e os parâme- tros da corrente pulsada _{(lp, lb, tb, tp) são} programáveis no painel da fonte.

A estrutura utilizada foi do tipo transformador-re- ticador, onde se obtêm uma tensão constante a partir da qual, através de um pulsador, ë feito o _controle da corrente no ar-

co, mediante um processo de modulaçuo da corrente por valores

This work describes the conception and the rea1iza~ tion of a prototype (l00A) of a power source of constant current, with square wave form, designed with power transis- tors, applied to the Pulsed Gãs Tunsgten Arc Welding(P~GTAW).

Thecharacteristics of the Volt-Ampere curves are

from the type of _true constant current and the parameters of

the pulsed current are programed directly on the power source panel.

The structure of this source is basically a power chopper. The modulation of the current in the arc is obtained with a pulse ratio modulution technique.

SUMÁRIO

SIMBOLOGIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. xiv

INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1

CAPITULO 1 - FONTES DE CORRENTE CONSTANTE PARA SOLDAGEM A ARCO . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3

1.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 3

1.2. Características _Va X _Ia das fontes de CC . . . . .. 4

1.3. Características estáticas de arco-TIG . . . . . . .. 6

1.4. Tipos de corrente para soldagem a arco . . . . . .. 8

1.5. Tipos de fontes de corrente constante . . . . . . .. 9

1.6. Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . .. 14

CAPITULO 2 - CONCEPÇÃO DA FONTE DE CORRENTE PULSADA .. 15

2.1. Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15

2.2. Dois tipos de fontes que possibilitam corren- te pulsada . . . . . . . . .. 15

2.2.1. Processo TIG-pulsado . . . . . . . . . .. 18

2.2.2. Análise dos dois tipos de fontes com corrente pulsada . . . . . . . . . . . . .. 18

2.3. Princípio do pulsador de corrente . . . . .. 21

2.4. Vantagens e desvantagens do tiristor x transis tor num pulsador para soldagem a arco . . . . .. 25

2.6 CAPÍTULO 3.1 3.2 ~ 3.3 3.4 O 3.5 3.6 3.7 2.5.1. Regulagem da corrente . . . ... 2.5.2. _{Modulaçao por valores extremos da cor-}

rente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....

Conclusões . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . ..

3 - REALIZAÇÃO DO PULSADOR _... . . . . . . . . . . . . . . . ..

Introdução . . . . . . . . . . . . . _., . . . . . . . . . . . . . . . ..

Lõgica de comando/regulação da corrente . . . . ..

Circuito de comando de base . . . . . . ... . . . . . . . .. 3.3.1. Comando de base auto-mantido e auto-pro

tegido . . . . . . . . . ... . . . . ... . . . . . ..

3.3.2. Funcionamento do comando de base ...

Associação em paralelo dos transistores/aumen-

to da capacidade de corrente . . . . . . . . . . . . . . . ..

3.4.1. Restriçoes da associaçao em paralelo dos transistores de potência . . . . . . . . ..

Circuito de ajuda a _comutação . . . . . . . . . . . . . . ..

3.5.1. Análise das comutações durante a fase transitória do bloqueio . . . . . . . . . . . . . .. 3.5.2. Analise das comutações durante a fase

transitõria da condução . . . . . . . . .. Realização do circuito de potência do pulsa- dor . . . . . . . . . . ... . . . . . . .. 3.6.1. Características da carga . . . . . . . . . . .. 3.6.2. Calculo da indutãncia L . . . . . . . . .. 3.6.3. Calculo do circuito de ajuda a comuta-

ção . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. Rendimento do pulsador/perdas . . . . . . . . . . . . . . ..

3.8

3.7.1. Perdas dependentes da freqüência (dinâ- micas) . . . . . . . . . . . . . ..

3.7.2. Perdas independentes da freqüência (es-

tãticas) . . . . . . . . . .... . . . . . . . . .... 3.7.3. Rendimento, perdas totais (dinâmicas +

estáticas) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

Conclusões . . . . . . . . . ... . . . . . . . . ... . . . . . . ... CAPÍTULO 4 - REALIZAÇÃO DOS CIRCUITOS DE CONTROLE . . . . ..

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Introdução . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

Gerador _{de IREF} pulsada . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 4.2.1. Duas maneiras de se obter _{IREF pulsada.} 4.2.2. Realização do gerador _{de IREF} . . . . . . . ..

Abertura do arco no processo TIG . . . . . . . .. 4.3.1. Circuito de abertura do arco . . . . . . . .. Circuito auxiliar de comando a distância ...

Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

CAPÍTULO 5 - DESEMPENHO DA FONTE/EXPERIMENTAÇÃO . . . . . . ..

5.1. Introducao . . . . . . . . . . . . . . . . .... 5.2 Desempenho estático . . . . . . . . . . . . . . .. 5.3 5.2.1. Curvas V _a x I_ . . . . . . . . . . . . . . .. a Desempenho dinâmico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5.3.1. Análise do comportamento dinâmico ...

5.3.2. Abertura do arco . . . . . . . . . . . . . . . . ..

5.4 Montagem do protõtipo de lO0A . . . . . . . . . . . . . . ..

5.5 Conclusões . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

CONCLUSÕES GERAIS . . . _{. . . . . . . . .} ... . REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . ..

APÊNDICE IOIIIOI I O 0 Í IIOO II Q O O. I. OO O Í ÇIIO

Fig. 1.1 - Fig. 1.2 - Fig. 1.3 - Flg. 1.4 ~ Fig. 1.5 - Fig. 1.6 - Fig. 1.7 - Fig. 1.8 - Fig. 1.9 ~ Fig.1.l0 - Fig. 2.1 - Fig. 2.2 - Fig. 2.3 - Fig. 2.4 -

Curvas típicas de tensão~corrente(VaxIa) dos tipos de fontes de corrente constante para soldagem a arco ... . . . ... Curvas características (vaxla) de uma fontede corrente constante ideal ... Curvas estáticas de arco para o processo de soldagem TIG . . . ... . . . . ... Forma de onda da corrente pulsada ideal ...

Transformador com regulaçao da corrente Ia,

por nucleo saturado . . . . ..r . . . . ... Grupo motor 3¢ - Gerador CC monobloco acopla dos no eixo ... . . . . . . . ...Í

Conjunto Retificador-Transformador monofásico Retíficador trifãsico controlado (thúsnnes).

-..

Retíficador trirasico - _{pulsador ...}

Retifícador trifãsico - _{inversor ...}

Esquema bãsico de uma fonte de corrente cons- tante do tipo pulsada (Conjunto transformador -retificador controlado) . . . . ... Esquema básico de uma fonte de corrente cons- tante do tipo pulsada (Conjunto transformador -retifícador-pulsador) . . . . ...

Corrente pulsada com controle de corrente na coluna retificadora . . . . . . . . ... Corrente pulsada com controle de corrente no pulsador . . . . . . ... . . . . . . . . ...

Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig .`. Fig Fig Fig Fig Fig .‹. Fig Fig Fig Fig Fig Fig 2 2 2 2 2 3 3 -‹ .ä 3 3 3 '7 J 3 3

Estrutura bãsica de _{um pulsador para solda-}

gem a arco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ....z

Formas de onda da tensao na carga V, Va, VL durante a condução e o bloqueio da chave S ..

Esquema completo de um pulsador a transistor em forma de diagrama de blocos para soldagem a arco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...

Formas de onda da corrente na carga para IREF constante(a) e _IREF retangular _{(b) ....} . . . . ..

Curvas caracteristicas da modulação por valo- res extremos de corrente . . . . ..- . . . . . . . . . . . . .. Diagrama de blocos da lõgica de comando .. .

Circuito da lógica de comando . . . . . . . . . . . . . .. Forma ideal da corrente de base (a) e

u

forma da corrente de coletor sob carga indutiva

(IDG, corrente no diodo de roda livre) (b) ..

Tempo de estocagem (a) e tempo de descida da corrente de coletor (b) em função de _dlB/dt . Método experimental para determinação do va- lor da indutãncia de base RB que produzem um tempo de descida da corrente de coletor _tfl minimo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . ..

Circuito de comando de base . . . . . . . . . . . . ...

Representaçao das regioes de conduçao de um transistor de potencia . _. . _{. .} . . _. ...

. . . . ... Comportamento da corrente de coletor numa as- sociaçao em paralelo, durante o bloqueio ....

Influência do circuito de ajuda a comutação durante o bloqueio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

Desequilibrio mãximo da corrente de coletor

numa associação em paralelo _(VCE constante).. Variação _{de VCE} e _VBE em função de _IC ... Circuito de potência (circuito de ajuda a co- mutação R, C e D) . . . . . . . . . . . . . . ... Comutações durante a fase transitória _do blo-

queio no circuito de potencia . . . . . . . . . ....

Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig Fig 3.15 3.16 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 5.1

- _{Razão de subida Ala/Atl e de descida Ala/Atz.} - Rendimento _{do pulsador para diversos compri-}

mentos de arco . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

- _{Diagrama de blocos do gerador de IREF median-}

te o ajuste de fp e ep . . . . . . . . . . . . . . . . . . ..

- _{Diagrama de blocos do gerador de IREF median-}

O 8 » . o ¢ ¢ ¢ o o o u n Q n o Q cantou:

- _{Esquema do gerador de IREF . . . . . . . . . . . . . . . . ..} - _{Seqüência de abertura do arco . . . . . . . . . . . . . ..}

- _{Circuito de abertura do arco . . . . .}

. . . . . ..

- _{Comparadores de Va e Ia . . . . . . .} . . . . . . . . . ...

- _{Chaves analógicas} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...

- _{Seqüência de soldagem} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ...

- _{Lõgica de liga e desliga} . . . . . . . . . . . . . . . ...

- _{Circuito lõgico do comando a distância ..}

.

- _{Circuito de comando do contator/valvula ...} - _{Curvas características estáticas da fonte ...}

Foto Foto Foto Foto Foto LISTA DE FOTOS

- _{Corrente e tensão no arco para fp=0,05 Hz ... 98} - _{Corrente e tensão no arco para fp=ó6 Hz (escg}

la Sms/div) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 98

- _{Corrente e tensão no arco para fp=ó6 Hz (escg}

lu Zms/div) . . . . . . . . . . . . . . . ... 99

- _{Scqüoncia de abertura no arco . . . . .}

. . ... 100

- _{Protótipo da fonte aplicado sobre um arco no}

processo TIG . . . . . . . . . . . . . . . .. 101

gy dV CC + CC CC CA B min C - Ill LiX O DAS À . di B/dt c/dt

Ganho estãtico em corrente

Ganho forçado em corrente (transistor saturado) Polaridade direta (eletrodo negativo, metal base positivo) de soldagem

Polaridade inversa (eletrodo positivo, metal base negativo)

Corrente Contínua Corrente Alternada

Capacitor do circuito de ajuda a comutaçao Capacitor do comando de base

Capacitor minimo do circuito do ajuda a comutação

à

Capacitor maximo do circuito de ajuda a comutaçao Diodo de roda livre

Diodo do circuito de ajuda a comutação

Diodo de Ante-Saturaçao Diodo de alívio

Derivã§âa corrente de base (inclinação da corren-

te)

_

W

t

Derivafda tensao no capacitor do circuito de aju-

da a comutação

dir/az di/az E E J z EL f P fmäx f I 11 IB lb IP I aí s Cl C2 I c IN 1 T 1 il iT AIT Ala `KÉ IDO IREF IRRM

äf

Deriva da corrente nos transistores da associa- çao em paralelo

M*

Derivàfda corrente nos diodos de roda livre Tensão na saida do transformador-retificador Energia dissipada no arco

Energia armazenada no indutor L

»~.

Freqüencia da corrente pulsada no arco Freqüência máxima Freqüência do pulsador Corrente Corrente Corrente 1REF Corrente Corrente Corrente tação Corrente Corrente Corrente Soma das média no arco do comando de base

de base da forma de onda retangular de

de pico da forma de onda retangular

de coletor dos _{transistores Tl,T2,...} no capacitor do circuito de ajuda a comu

nominal

dos transistores (I _+l +...) cl cz

instantânea no arco

correntes instantâneas nos transistores Sobrecorrente nos transistores da associaçao em

paralelo Razao de Corrente

variaçao da corrente pulsada no arco total nos diodos de roda livre

Referencia de corrente Corrente

diodo de

reversa de recuperação máxima em cada roda livre

IL L “B MIG Pon POFF PD Pest PT PR QR R RBE RB R₃ s Tp tb tp tC tfi tfv trI trV res de potência

Indutãncia de dispersão das cabeações entre a _fon

te E e os transistores em paralelo

A

Indutancia sêrie com arco

dIB Indutor _{da Base (limltaçao de fã?-)} Metal Inerte Gäs

Potência dissipada nos transistores na condução Potência dissipada nos transistores no bloqueio _

A

Perdas dinamicas Perdas estáticas

Perdas totais no pulsador

Perdas totais no resistor R `

(circuito

de ajuda a comutaçao)

Carga de recuperação dos diodos de roda livre Resistor do circuito de ajuda a comutação

Resistor entre base e emissor da associaçao em _pa ralelo

Resistor do comando de base Resistência do arco

Taxa do saturaçao Periodo _(tb + _tp)

Tempo de _{base da IREF} Tempo de _{pico da IREF}

Tempo de descarga do capacitor Tempo de descida da corrente _IT Tempo de descida da _{tensao VCE} Tempo de subida da corrente _IT Tempo de subida da tensão _VCE

tn. ts forr 1;ON TB TC TBmin TCmin TIG TP v v_a VL VAUX Vcs Vceo Vcex VCER Vcao VBE v_O AV V¬¬ _Lbsat B ¬ Bhsat Wow WOFF TT Tempo de recuperação de _DO Tempo de estocagem Soma de _(tfl + _trv) Soma de tfv + _trl Tempo de Bloqueio Tempo de Conduçao

Tempo de Bloqueio mínimo do pulsador Tempo de Condução minimo do pulsador Tungstënio Inerte Gãs

Transistor de potencia Tensão na Carga

Tensao no arco

Tensão no indutor L

Tensao da fonte auxiliar de base Tensão coletor-emissor

Tensao VCE de avalanche com base aberta Tensão VCE VBE < O

Tensão VCE com RBE

Tensão VCB de avalanche com emissor aberto Tensão base emissor

Tensao nos transistores de potencia'apõs transcor

rido tfl

Sobretensão durante o bloqueio nos transistores Tensao _VCE de saturaçao

Tensão VBE de saturação

Energia dissipada na condução dos transistores Energia dissipada no bloqueio dos transistores Rendimento

Constante tempo da carga

INTRODUÇÃO

Esta tese ë fruto de um _{esforço conjunto entre a En}

genharia Elétrica e Mecânica, representadas pelos _Laboratõ-

rios de Eletrõnica de Potência e de Soldagem da UFSC.

Certas aplicaçoes no campo da soldagem de materiais especiais e chapas finas, exigem um _{controle da corrente mais} acurado e com características especiais _{(corrente pulsada)que} não se consegue com as fontes convencionais. Surgiu daí, a necessidade do Labsolda de obter este tipo de fonte que foi

desenvolvido no Laboratõrío de Eletrônica de Potência.

O objetivo deste trabalho _que se insere no domínio dos conversores estáticos, foi a concepção e realização de um

protõtico de l0OA a transistores de _{potência, aplicado ao pro}

cesso TIG-Pulsado (O,5 a 5 Hz).

As características desejadas da fonte são:

- _{Fornecer uma corrente do tipo pulsada com forma}

de onda retangular, com controles de _{Ip, lb, tb} e tp (Gp, fp)

independentes.

- _{Apresentar a caracteristica}

Va x Ia do tipo verti cal (vide capítulo I).

,

dos conversores estaticos aplicados ao controle de velocidade de mãquinas elétricas, jã está bastante desenvolvido pelo

A ₃ ^ `

grupo da Eletronica de lotencia (UFbC), inclusive com vãrias teses publicadas e muitas outras em andamento. Entretanto, es

ta pesquisa ê o primeiro trabalho realizado com conversores estãticos aplicados a solda elétrica (arco) dentro desta uni- versidade.

O conhecimento da aplicacao de transistores de bai-

xa corrente (l5A) e alta tensão (400V) no controle de mãqui-

nas de CC originou a idêia da concepçao (fonte) e foi a base do estudo realizado nesta tese que esta dividido em 5 capitu-

los.

No primeiro capitulo faz-se um estudo do estado da tecnica para se verificar quais os tipos de fontes de corren-

te constante existentes. Uma vez conhecidos os tipos de fon- tes existentes e, com o conhecimento sobre transistores ope- rando em regime de comutação, no capitulo 2, faz-se a concep-

ção da estrutura a ser adotada (transformador-retificador-pul sador) a fim de se obter as caracteristicas desejadas da cor- rente.

Apõs concebida a estrutura da fonte passa-se ã sua realização (capítulo 3). No capítulo 4 incrementa-se o contrg

le geral da fonte e, no ultimo capitulo, verifica-se o seu _de sempenho aplicado sobre um processo TIG.

Esta fonte constitui-se num protõtipo de l00A, com uma montagem autônoma, que está sendo utilizado pelo Labsolda

em seus trabalhos.

A realização desta pesquisa contou com o apoio fi- nanceiro do CNPq e FINEP.

CAPÍTULO 1

FONTES DE CORRENTE CONSTANTE PARA SOLDAGEM A ARCO

1.1 - _Introduçao

Neste capítulo, descreve-se os tipos de fontes de corrente constante para soldagem a arco, suas características Va X Ia e os tipos de corrente que cada uma pode fornecer.

Faz-se, também, uma breve análise do comportamen-

to das características estãticas de arco7u5 para o processo TIG. A compreensão do comportamento do arco possibilita pre- ver-se o tipo de carga que esta sendo solicitada da fonte.

A análise feita para cada tipo de fonte de corrente constante se detêm mais no seu comportamento _(vaxla) e desem- penho, do que na sua realizaçãol. No final deste capítulo, entender-se-ã qual o tipo de carwúeríäjca Vaxla

que cada fonte pode apresentar e qual o tipo de fonte necessë rio para se obter uma corrente pulsada com uma _{curva Vaxla} do tipo vertical.

1.2

corr

tilizadas nos processos de soldagem

Teus¡o No Anco _{Âv, _}

,/

fsusno eu vuao do arc P 4 - _{Caracteristicas} Yaxla de Êontes de QQ ' cas de tensão X

Na fig.1.l, apresenta~se curvas tlpi

(VOLTS)

ente dos varios tipos de fontes de corrente co nstante, u- a arco voltaico. f _z =¡ connznfl:

consuma

V/

unem. ‹o:cuv|moa

_vsmcm

OECLIVIOÁDE _ABRUPTÂ ni DECLIWDAOE MOOERÁOA ` DECLIVIDAOE PLÀNA Anco Loueo _{_*} 43-°°a'Í9R"^l=-a _{- fz- -f -} connemtoc

^R_°° CPBTO _

I

_ f Í conto cmcurro

~.. Fíg.l.l ¬ Curvas típicas de tensão-corrente _(Vaxla)

dos tipos de fontes de _{corrente constante}

para soldagem a arco

'tico ue seja o sol

Na soldagem manual, por mais pra _{q _} dador, não se consegue manter por todo o tempo o comprimento

`

rimento do arco,

o constante. _Logo, uma variaçao _{no comp} `

d lda em maior ou menor, roduz uma variaçao na corrente e so _g

5

dependendo da declividade da curva Vaxla.

Na curva Vaxla com _{declividade plana tawse uma gran} de variação da corrente de soldagem (corrente no arco) para _u ma pequena variação no comprimento do arco.

Para a curva Vaxla com declividade moderada, tem-Se

uma pequena variaçao da corrente com o comprimento do arco. Para a curva _Vaxla com declividade abrupta a corren

te de soldagem permanece quase constante desde um comprimento de arco curto até longo.

As variações nas declividades das curvas são causa- das pelas diferenças de concepção das fontes de soldagem.

A fonte com curvas abruptas ë aquela que mais se

aproxima do tipo da fonte de corrente constante ideal (decli- vidade vertical), isto ê, nenhuma variação na corrente de sol dagem com a variaçao no comprimento do arco. Uma vez fixados

- . _ 1 3 .. . ,

todos os parametros de soldagem , a corrente sera o principal parametro a determinar a solda resultante. Logo, na soldagem manual, a fonte mais desejada ë a do tipo _Vaxla com declivida de abrupta (menor variação* da corrente de soldagem com o com primento do arco).

Na fig.l.2, apresenta-se um conjunto de caracterís- ticas estãtícas (curvas\Q§Í¿)com diversas percentagens da cor rente de soldagem em relaçao a corrente nominal para um caso

de uma fonte de corrente constante ideal.

* _{Por mais perfeita que seja a concepção da fonte,} tem-se inevitavelmente, uma pequena declividade.

V. Á‹vo1.'rs)

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›

4.

Fig.1.2 - _{Curvas características (Vaxla) de uma fon}

te de corrente constante ideal

~ ›A _11.-nha NEMA1 _ë dada por- ~

Va = ₂₀ + _{0,041 para} I 1 SOOA

'

(l.l) V3 = _{44 Volts para 1 > 600A}

e informa qual a tensão mínima que a fonte deve possuir numa determinada corrente de soldagem.

1.3 - _{Características estáticas de arco - processo [IG}

O processo TIG _{(lungstênio inerte Qãs)} se _identifica

por possuir o eletrodo de Tungstênio não consumivel e _protegi

do por uma atmosfera de gãs nobre.

Na fig.l.3, apresenta~se um exemplo de um conjunto de características estáticas] de arco com eletrodo de tungs- tênio com ângulo de ponta 459, _{para vários comprimentos} de

7

Va À(voLTs›

nasua

os Aneômo

30- _^

ELE TROOO DE TUNOSTENIO

39: z _ ~e ~ z .z-.-ffffffff f ¿__z Y _z

7”

_rfii' Í Í' "_ _' Í”, _ __ __¡¿.__._._. 'Vamu ‹‹ee~ f r ~*>;»:f~' . e ~ c';1 **”¬íí¬*~¡ |o___ __ _ ___, ~ 1.-›~›-‹' _.;-;. um 4 I se 1 1 ¡ 4 As f» e

›

ao 4o eo ao noo nao 140 neo |ao _Io

Fig.l.3 - _{Curvas estáticas de arco para o processo}

de soldagem TIG

Pode-se observar que as características estãticas de arco, neste caso, ficam compreendidas entre 10 e 20 Volts para comprimentos de arco variando entre 1 mm (arco curto) e 7 mm (arco longo). Dependendo _{do tipo de processo, tipo de}

.4 _.

gas de protecao, etc., o comportamento _{das caracteristicas} estáticas de arco variam, segundo um _{comportamento prë-estabe}

. 3 .

lccido .

Torna-se evidente que a fonte de soldagem _{deve no}

~ ~_

mínimo fornecer uma tensao superior a encontrada _{nas caracte-} rísticas estáticas do arco, possibilitando a manutenção _do

ú

arco aceso. Isto, no entanto, ë normalizado pelaPüMA("Natkmal

'

~ 1

Electric Manufacturers Association“) na publicacao EW-1 que estabelece as normas para as _{fontes de soldagem.}

1.4 - _{Tipos de corrente para soldagem a arco}

O tipo de corrente disponível ë determinado pelo ti

po de fonte utilizada. O fator mais importante na seleçao do tipo de corrente ê o metal a ser soldadol'lã Os tipos de cor- rente sao:

a) Corrente Contínual(CC) - pode ser usada de duas maneiras: com o eletrodo negativo CC (polaridade direta) e, com o eletrodo positivo CC+ (polaridade _reversa);

b) Corrente Pulsada - este tipo de corrente ë forma

do por dois niveis de corrente em vez de um único, A corrente de soldagem ê comutada periodicamente _entre o nivel baixo e

alto produzindo a pulsação na corrente _{(arco). A forma de}

on-I

da considerada ideallspara a corrente pulsada e a do tipo re- tangular, ilustrada na fig.l.4, abaixo.

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~-~-~Imdm°

Ib p

T

« I Fig.l.4 - onde: Ip = lb = tp tb " T 2 V _ fa ff

›

O

Forma de onda da Corrente Pulsada ideal

Corrente Corrente Tempo de Tempo de Tempo de de pico de base duração duração (nivel alto) (nivel baixo) da corrente de pico da corrente de base cada ciclo (tp + _tb)

9

OBS.: A corrente pulsada pode ser usada tanto com polaridade direta como reversa ou alternada; isto vai depen-

. . _. 5

der do tipo de aplicacao .

c) Corrente Alternadals- _{este tipo} de corrente, quando usado no processo TIG, exige a _{adiçao de uma corrente}

de alta freqüência superposta ã corrente alternada de solda- gem para evitar a extinção do arco, quando da passagem _{por ze}

ro (inversao de polaridade).

1.5 - _{Tipos de fontes de corrente constante}

Podemos classificar as fontes de corrente constan-

te quanto aos tipos de corrente e curvas características, _em: a) Transformador - _{ë a fonte de soldagem mais sím-}

ples, fornece CA e possui curvas de _Vaxla do tipo plana a mo-

derada. O ajuste da declividade das curvas Vxl (corrente de soldagem) ê feito atravës de um dos seguintes processosl:

- _{Nucleo mõvel}

- _{Nucleo saturado}

-- _{Bobina com núcleo mõvel} - _{Amplificador magnético}

- _{Enrolamento secundário com várias posiçoes}

- _etc.

A titulo de exemplo apresentamos na Fig. 1.5 um dos

am O

+ CONTROLEcc

Íz

IÊÍII.

Nam

.IIII1

vAz|o os An 03 “ s vAz|o os an _, . ._ . sâfumx . - . . ~

iu

null

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` -I'

_'Ç'

`

Penim sec. _ELETROOO

METÂL BÀSE TRAFO

Fi1.l.5 _g - _{Transformador com re›u1a ão da corrente}

í , 3 Ç

lq, por nucleo saturado

b) Conversores Rotativos - _{são constituídos pelos}

Geradores e Alternadores produzindo correntes _{CC e CA respec-} tivamente. Ambos possuem as curvas do tipo plana e são aciong

- . ~ . 2

dos por motores eletricos ou de combustao interna .

MOTOR GERADOR sua í . É - ,-zz .. _ _ ___.- í..-._...-.._.... _ ..._.... _ _f 'finãz ¬¶!¡ ñ "'. A . _. "I

Fig.1.ó - _{Grupo motor 3¢} - _{Gerador CC monobloco aco}

ll

c) Conversores Estáticos - _{neste grupo, estão in-}

cluidos os retificadores, pulsadores e inversores. _{De acordo}

com a concepção do projeto e grau de sofisticação podem apre- sentar curvas desde o tipo plana até vertical. Podenàrse dis- tinguir os seguintes tipos:

c.l) _{Transformador Retificador monofãsico} - _for

nece CA e CC, sendo a regulagem da _{corrente realizada} na par-

te CA entre o retificador e o _{transformador, usando os mëto-} dos jã mencionados no item a. As _{curvas Vaxla podem variar} desde o tipo plana até moderadaz.

unpodöucm CA vamívoi

"`”"

‹

\

w

"

CC Pmunmo *I _sec. - « 4'

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V 4-

1

g

₁ -~---ca \\\ H! ELETROOO

\

I

uv

u

'HH . W _. ¿ e em z

Fig.l.7 - _{Conjunto Retificador-Transformador monofa} sico

c.2) Transformador Retificador Irifãsico - _quando

realizado com coluna retificadora a diodo 0 controle da cor- rente tambêm ê feito na parte _{CA do mesmo modo que no item a} e a curva Vqxla ë do tipo moderada. No entanto, modernamente,

a coluna retificadora ê constituída _{de tiristores (chaves}

4 _A _.

estaticas) que através do controle do seu angulo de conduçao permite regular a corrente, de maneira a conseguirmos uma curva do tipo abrupta. Neste tipo de retificador controlado podemos ter _{uma corrente continua constante e/ou pulsada.}

com'noLe v r _Í 1”

A

A A

T, '- R _{'rnàusronuâoon}

_

. 3 Í . ._ mono os

um

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_-

r*t°°^ '~“'" T °| 0a _{_e°BW}

_Ú

f

Fig.l.8 - _{Retificador trífäsico controlado (tiris-} tores)

c.3) Transformador-Retifícador-Pu1sador4 - _{o trans-}

formador-retificador a diodos fornece uma tensão constam

te (E). O pulsador colocado entre a fonte E e o arco ë quem

realiza o controle da corrente. Com este tipo de configuração obter uma corrente pulsada com a curva Vaxla do tipo vertical. qí--_-..______¬ + _cuâve TRANSFORMÀDOR 'rR||=As|co _E ^R¢0 T PULSAOOR Í _H _ to ou Rermcâoon '-'----`~

13

As chaves estáticas podem ser constituídas de _tiris

tores ou transistores. As vantagens e desvantagens _{do uso do}

tiristor ou do transistor serão discutidas no capitulo II,

quando da concepção da fonte de corrente pulsada.

c.4) Transformador-Retificador-Inversor - _{neste ca-}

so, também o transformador retificador - fornece uma ten-

sao constante E. O inversor ê colocado entre _{a fonte E e 0}

arco, de maneira a produzir uma corrente alternada. A corren-

te possui uma forma de onda retangular e pode ser ajustada do maneira a funcionar somente _{no ciclo positivo (CC*), nega-} tivo (CC+) ou ambos (CA) com ou sem pulsação. As curvas 'ca- racterísticas de _Vaxla são do tipo vertical. O inversor tam- bém _{usa chaves estáticas (tiristores ou transistores) para} realizar o controle _{da corrente no arco. O esquema bãsico do} inversor esta representado _{na fig.l.l0, abaixo.}

c --za zz z i *

Ã

L

R *--4* _::: S' 83 CC S

›--

E L r .____. _{/\\/ 8} ânco . cA 2 54

zl

i unvsnson _{eu Pont: N} TRAFO -RETIFICÀDOR

1.6 - _Conclusoes

Pode-se afirmar que os _{conversores estãticos}

possibilitam um maior controle dinâmico da corrente de _solda

gem que os conversores rotativos. Os tempos de resposta das variações bruscas de corrente no arco exigem um controle mui-

to rãpido (da ordem de 1 ms) sobre a _{corrente. As chaves está} ticas (tiristores e transistores), _{além de permitem a realiza} çao de fontes de soldagem com um controle dinâmico da corren-

te extremamente rãpido, também consegue-se uma característi- ca _Vaxla do tipo abrupta.

O _{conjunto transformador-retificador-inversor ê a}

estrutura mais completa e permite a _soldagem de qualquer mate

rial, uma vez que se obtem qualquer tipo de corrente com qualquer polaridade.

O _{conjunto transformador-retificador a diodos subs}

tituiu, quase que totalmente, o conversor. Esta estrutura de

conversor estãtico ë bem simples, não _{possui partes mõveis co} mo no _{conversor, exigindo uma manutenção mínima. Portanto,} esta ê, atualmente, a estrutura mais empregada (baixo custo). Para se obter um tipo de corrente pulsada, jã neces

sita-se de uma estrutura bem mais elaborada, o que serã obje-

CAPÍTULO Z

CONCEPÇÃO DA FONTE DE _{CORRENTE PULSADA}

2.1 - _Introdução

Inicialmente, faz-se uma apresentação de duas es- truturas de fontes com o controle de corrente no estado sõli- do onde obtêm-se uma corrente pulsada. A seguir

realiza-seumestuàncomparativo _para se definir qual a estrutu-

ra concebida que apresenta o melhor desempenho.

_

. A partir da definição da estrutura, faz-se uma anã- lise entre o uso do tiristor ou _{transistor, bem como as vanta}

gens de se usar um ou outro.

Finalmente, apresenta-se o principio de funciona- mento do pulsador bem como um esquema completo e o tipo de _mo

dulaçao adotado.

2.2 - _{Dois tipos de fontes que possibilitam corrente pulsada}

A introdução da tecnologia do estado sõlido nas fon

- ₁₀ . _ . .

derürgicas, celulose, vidro, borracha,texteis, etc., foi am- plamente empregado desde a década _{dos anos 60. Esta relutân-} cia talvez se explique pelo fato do arco ser _{uma carga muito} severa para os componentes do estado _{sõlido (diodos, tiristo} res e transistores). Deve-se observar _{que geralmente as con} dições de trabalho de um arco vão desde, os curtos constan-

tes, mudanças abruptas da tensão no arco, picos de corrente,

etc..

As vantagens de se usar fontes com controle no esta do sõlido em vez das pesadas fontes do tipo núcleo saturado

e amplificador magnético _são: - _{redução do peso} - _{maior flexibilidade}

- _{resposta mais rapida aos transientes tanto da}

car ga como da rede

- _{maior eficiência} - _{melhor desempenho} - _{controle remoto}

- _{compensação de flutuação da rede} - _etc..

Alêm das vantagens já citadas, as fontes com contrg

le no estado sõlido _{possibilitam uma curva Vaxla do tipo} vertical.

Apresentamos nas figs. 2.1 e 2.2 dois esquemas bãsicos de

fontes de corrente constante que nos _{possibilitam obter uma} corrente do tipo pulsada.

Antes de se analisar os _{esquemas bãsicos dos dois}

tipos de fontes com _{corrente pulsada apresentados,} faz-Se

_

TIG,cor-8

›--

_{rnmísnco 0,} S2 -`-`- 1- ..._ t

v

Í _A __ _{_ _} 17 rente pu1sndn5°16. .._.._.___ .___________. . ,C .Í , Í fÊ7V'V`Í________.___ L Lizâusronuâ- _{§z I,} L f

a.-N

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1 *

Í

_va t ARCO C . z 1, cmcurro os -

*I

onsvâno aos , É *U-

nmsfoaza _QA A

Fig.2.l - _{Esquema básico de uma Fonte de Corrente}

Constante do tipo pulsada (Conjunto transformador-retificador controlado) TRANSFORMADOR `

V

Q Q

. L " """“ _Tmrâsnco

“""*"

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M

_{couânoo ou} 3 §:Q crmva €^ C

Fig.2.2 - _{Esquema bãsico de uma Fonte de Corrente}

Constante do tipo pulsada (Conjunto transformador-retificador-pulsador)

2.2.1 - _{Processo TIG pulsado}

'

Antes da concepçao de qualquer fonte para soldagem a _ar

co deve-se conhecer com profundidade as _{particularidades de cada}

processo de soldagem (TIG, MIG, Eletrodo Revestido, Arco Submersq

Plasma, etc.). Normalmente, as fontes sao _{concebidas para satisfa} zer uma _{determinada necessidade dentro de um processo de solda-} gem.

A soldagem no processo TIG pode ser feita com correntes

do tipo continua, alternada ou pulsada ou uma combinação '

entre dois tipos. A introdução de _{corrente pulsada no processo TIG. am-}

pliou o seu campo de _{aplicaçao, devido} ao aumento do numero de _va

riãveis (Ip,Ib,tp,tb) que controlam este processo de soldagem. As maiores aplicações deste processo se encontram na soldagem de _cha

pas finas, tubos e tubulaçoes de materiais especiaisl.

O processo TIG _{corrente pulsada} se _{caracteriza por} ope-

A .Q ^ _.L

rar nas _{baixas freqüencias, isto e, a freqüencia de repetíçao dos} pulsos se situa entre 0,5 a 10 Hzs.

2.2.2 - _{Anãlise dos dois tipos de fonte com corrente pulsada}

A diferença bãsica quanto ao controle da corrente esta no principio de concepção de cada fonte. A fonte do tipo retifica

4 `

dor controlado, como o proprio _{nome diz,} a regulagem da corrente

1

de soldagem e feita na coluna retificadora. Variando-se _{o ângulo}

de _{condução dos tiristores consegue¬se controlar a corrente no ar}

co (carga). _

Na fonte do tipo transformador-retificador-pulsador, a

pulsa-19

dor que faz a conexão entre a fonte de tensão E e o _arco(car

ga). A chave estática (tiristor ou transistor) ë o elemento

vital do pulsador, através do fechamento e abertura sucessi- vas de S (Fig.2.2) consegue-se regular a corrente no arco. O princípio

de funcionamento do pulsador será o objetivo maior _{deste tra-} balho, tendo em vista, ser esta a _{opçao escolhida para} o tipo

de fonte de corrente pulsada.

A diferença quanto ã forma de onda dos dois tipos

de fonte estã mostrado nas figs. 2.3 e 2.4. Na fonte da _fig.

2.1 tem-se uma ondulaçao de corrente que sô ë limitada pela indutancia L colocada entre a coluna retíficadora e o _az

co. Ja, na fonte com o controle da corrente feito pelo pulsa-

dor, temos uma pulsação rapida (AI) que ë dada pela expres-

sãog, que serã deduzida no capitulo Z:

_ E

AI -

max

e, fica controlada entre dois valores extremos de corrente(mQ dulação por _{valores extremos), conforme será visto no final} deste capitulo.

A ondulaçao de corrente aumenta com o aumento da corrente no arco, como pode ser visto na fig. 2.3. Isto se _de

ve ao fato &3que0‹xmtnfle da corrente, feito na coluna retifi- cadora, sempre tem uma ondulação que sõ pode ser limitada pe-

la indutancia L. Entretanto, no caso do controle ser feito _pe

lo pulsador,a ondulação da corrente ë prë-fixada e não varia

._. ^

com o aumento ou diminuiçao da corrente no arco. A indutan-

cia, nesse caso, colocada em série com o arco, serve para li-

0m›u|.Ac¡o on coment:

Á

ih)

“=

_{ny. >âr,} I ax, , ,c W›,¡

Fig.2.3 - _{Corrente pulsada com controle de corrente}

na coluna retlflcadora

Am)

Faso. DA Pu‹.sAc¡o nøfmoâ NA onoau os A1

...___

_ ..í*;í2Êíf "= t _ L z'¡'z'z'áWzl§'MW¡Y›7›'MâW _{,__.,_ J›'¡'¡'¡›¡'1Y¡'¡'1'M'¡VA'¡'¡z~'¡}

AL

AI '|W¡WzWM'1'›'_H'M%%zzWiY¡lYWN '__ .'i'â'¡'¡'A'¡'¡'¡'A'¡'nVfi'1 4. gl _

Fig.2.4 - _{Corrente pulsada com controle de corrente}

no pulsador

Pode-se observar que uma fonte do tipo da fig. 2.2.

com o controle da corrente feito através de _{um pulsador, apre}

I`Íl8I1tO , senta um melhor desempenho que o da _{fig. 2.1. Po}

21

preocupação daqui em diante,serã somente com a fmnm do tipo transformador-retificador-pulsador, pois foi esta a melhor op ção encontrada. O conjunto transformador-retificador _{não rece}

berä atenção especial, tendo em vista ser bem conhecido o seu

comportamento.Dar-se-ã atenção especial ao pulsador, uma vez

que este ë o elemento bãsico no estudo em questão _{(fonte de} corrente pulsada).

2.3 - Princípio _do pulsador _{de corrente}

Substituindo-se o conjunto transformador-retifica

dor da fig. 2.2 por uma fonte de tensão constante E, tem-se

a estrutura basica de _{um pulsador para soldagem} a arco (fig. 2.5).

commoo

., RE

A1 ₀₅ .

4

I _F

criava ¢A 3

.

H

H

Fig.2.5 - _{Estrutura bãsica de um pulsador para sol-}

dagem a arco

Desse modo, a tensao na carga V (arco mais indutancia L) tem

seu _{valor médio controlado pela razão cíclica, ou ¶#Q/(Tcflè).}

As formas de onda das tensões V, _Va e _VL durante a _condução e o bloqueio das chaves (tiristores _{ou transistores) estão re} presentadas na Fig. 2.6. H

Quando a chave S fecha, a fonte E _{fornece corrente} a carga e o diodo de roda livre _{DO permanece bloqueado. O} ar-

co (carga propriamente dita) e o indutor formam _{um divisor de} tensão. Portanto para S fechada

V = -E _(2.2.a)

onde V = _Va + _{Vl (2.2.b)}

substituindo_í2¬2-H) em 17,? h), resulta

-#---

va = -(E + _{VL), VL} < _{0 (2.3.a)}

VL = -(E + va), va < _{0 (2.3.b)}

A _{energia armazenada no indutor durante TC (Tempo de condu-}

cao) ë dada por

z = 1 AI 2

LL ₂ L(1a +

Tí) (2.4)

e a energia dissipada _{no arco}

' Ea

= _{ValaTC (2.5)}

indutãn-23

cia L aparece uma _força contra eletromotríz _{que se opõe a va~} riaçäo brusca da corrente _Ia, polarizando diretamente o diodo

de roda livre. Com o diodo _DO conduzindo, tem-se a continuida

de da corrente na carga e, a tensão

V 3 _{lV (queda direta no diodo da roda lí-}

vre) ou, pela (2.2.b), temos

VL = -(Va-1); Va<0 (Í constante) _(2.6)

V¡>0

A energia dissipada no arco, agora, ë fornecida pela indu-

tãncia que a armazenou durante a _condução e, dada pela expreâ

S80

Ea = va1aTB (2.ó)

A tensao no arco tem a característica _{de uma força} contra eletromotriz de um motor, isto ê, para uma pequena va-

. ~ Al ~

.

riaçao de _{Ia (:~íJ} a tensao no _{arco Va permanece, prati-}

1 « z - Í _ no Í Vm - ~

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_Vo -zw-._ -._- _ -Y """"f -ú _-__* Q...-.¬› ‹ E -vu

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...-__.-

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__@-.‹_‹- (E-\(,) ._.____.__¿^ chove \ chuva ' fechado aborto '

_VV

P`ig.2.ó - _{Formas de ondas dz-1 tensao na carga}

, 3, VL durante a condução e bloqueio da chave

25

2.4 - _{yantagens Ê desvantagens do tiristor x transistor num}

'pulsador para soldagem a arco

Para se fazer uma escolha entre o tíristor e o tran sistor, far-se-ã uma analise sobre o desempenho e _limi taçoes de cada um desses componentes, quando funcionando como chaves estáticas em um pulsador projetado para soldagem a ar-

CO.

_ _ A _ 9 12

Pode~se considerar que a frequencia maxima '

de operação do transistor funcionando como chave estãtica num pulsador para soldagem (elevadas correntes) ë da ordem de 4 K`z e do tiristor 200 Hz. Tem~meentäo, que o transistor ê

20 vezes mais rãpido nas comutações que o _{tiristor. Portanto,} um pulsador realizado a transistor, ao invés de tiristor, a~

presenta as _{seguintes vantagens devido a elevada freqüênckade}

operação:

~ _{Reduçao do indutor.}

- _{ííggëèg tempos de subida e decida da correnuepul}

sada 20 vezes maior,o que se aproxima melhor da forma retangu

lar ideal. .

Exemplo:< E = _{80 Volts (valor tipico)}

AI = _{20A (valor tipico para IN} = _ZOOA)

Pela (2.l), temos:

I = _;--_--.Ê-`›`ÁÇ. ...í.__.. 2: ...._.._._..$----_--à-.-k V Z:

_-x

_

logo: L = 5 mH (tiristor)

e L =

%

= _{0,25 mu (uwznâíâror)}

Observamos que para o exemnlo _dado, a indutãncia no pulsador a transistor torna-se 20 _{vezes menor em relação ã}

que seria empregada no pulsador a tiristor.

Considerando-se o comando de um transistor de alta goyrente, necessita-se um circuito bem mais elaborado do que o de comando de um tiristor. No entanto, no caso de um pulsa- dor a tiristor, obrigatoriamente teremos circuitos _{de comuta-} ção forçada para fazer o bloqueio do tiristor principalg .

Se por um lado o circuito de _{comutaçao forçada exige um outro} tiristor para bloquear o principal, tem~se no _{pulsador a} transistor elevadas correntes de base (baixo ganho forçado do

^ _~

transistor de potencia) que _{exigirao fontes auxiliares} de al-

ta corrente (20 a 3OA). As correntes de base podem ser reduzi das através da associação em paralelo dos transistores de po-

^ ,.

tencia conforme sera visto no capitulo 3. Apesar _{das elevadas} correntes de base, as potências dessas fontes auxiliares são

baixas, visto que as tensoes envolvidas sao da ordem de 6 a 8 Volts. Pode-se dizer que tanto o comando dos tiristores _como

dos transistores exigem cuidados especiais.

As limitações do uso do transistor estão relaciona- das com as severas restriçoes impostas, em termos de corrente, tensão e potência. Isto em parte ê compensado pelo _{tipo de mo}

dulacao adotado nesse tipo de pulsador (modulaçao por valores extremos de corrente) que mantêm a corrente no transistor _den tro de valores que não ultrapassam os limites _{tolerados pelo}

27

._ A

componente. A sua limitaçao em potencia e tensão _e eompensada com o auxílio de um circuito de ajuda ã comutação. Jã o tiristor admite sobrecargas e sobretensões durante um curto intervalo, permitindo dessa maneira uma pro- teção externa.

Em termos de restriçoes o tiristor ë um componente

mais robusto. No entanto, usando~se circuitos bem elaborados, pode-se proteger o transistor e tem-se _uma montagem _{com desem} penho muito superior a realizada a tiristor o que serã prova- do no capitulo seguinte.

Como esta-se concebendo uma fonte de corrente pulsa

da, chega-se ã conclusão que um pulsador realizado a transis-

tores de potência, ê aquele que apresenta a melhor solução para esta aplicaçao. Daqui em diante, quando for citado

ao longo da descrição deste trmxüho ao _{termoâpu1S&dOT,estare-}

.. A

mos associando a sua realizaçao a transistores de potencia.

2.5 - _Pulsador

a transistor

O esquema completo de um pulsador a transistor de potência9'l1 estã representado em forma de diagrama de blocos na fig. 2.7, sendo constituído dos seguintes circuitos:

A

a) Circuito de potencia

- _{Transistores T1, T2, ...,} TM

OU

M

'HG M EQMWÚHOW NHNQ WOUOHQ QÚ MEQHMWMÚ Ow MEHO% E0 HO“mMmcMH“ M HOÚMWHSQ E: GU OHQHQEOU MEQDUWW i N_N _mHm OGHG J

1

_ iii' ¡ i QO 5:; , (3: \ '_:% ORPJE 33 É

Ê

82:05 gãzg 8 2:05; E8 sagas:

J

_ Omu | _ I lliliil ¿=D3004 _ WW‹fl l‹ À* NO

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_

3+

_ gäxg :_ w

.

EU 4032 8 _O¶_U *| __ NP

g

í W gtwg Hd 'iii W là* U0 Surg rI|~ N

29

- _{Diodo de roda livre DO} - _{Indutãncia L}

- _{Sensor de corrente, SH} - _Arco i

- _{Fonte E}

- _Cabeaçoes

b) Circuito de comando de _base

c) Lõgica de comando - _{Filtro RC}

- _{Amplificador de erro} - _{Comparador com histerese}

d) Detetor de defeitos (disjuntor)

e) Circuito de ajuda a comutaçao

2.5.1 - _{Regulagem da corrente}

Na _{fig.2.8(a,b) estaoznnesmflmdas formas} de onda da corrente na carga para uma referencia constante e outra pulsa da.

' i

A corrente do arco _Ia ë comparada com o valor de re

J

ferencia _IREF. O erro, â - _IREF ~Ia, ë amplificado e aciona 0 comparador de histerese que por sua vez via circuito de comag do de base faz o chaveamento _dos transistores _{de potência.} Quando a corrente no arco la= _IRPF +

êš, os transistores de

potência sao bloqueados e a corrente no arco começa a dimi- nuir via diodo de roda livre _DO. Quando a corrente no arco

Ia= _IREF -

%% os transistores de potência conduzem e novamen- te 8 COI`I`€I'lt€ _{COIHGÇZÃ 8 8.Llm€nÍ3I'. DGSSB. maI`l€iI`8, COl'1S€gL1€-Se}

A

I, N 1 nar.

L_

f ›-.`l"` -'-Óã _

›

1

A

_{'°- 'nen} (Q) I _P

I

I'z'.' I}`Í','.'.'›'.'1'l'.',¡'J§_ 'f'z'J1'¡'.Wí‹ <sub>ÊÊ</sub> 61 ' I \ I <sub>REE</sub> 'i-F . \ . I 4 I ' X I I v \¡ , I . ° I <sub>b 'U3</sub> ¡`.'.' _{'z-z'¡«'¡'z'¡7z'z'¡W‹Ú%flHã§5H¡¶'f} .-.~'|'¡7¡'¡'ÁWâä'|'¡'¡'¡'¡?.'| . a I ,

L

J‹

eu

,w

9. Í b .T3 ¿~

L

(b)

Fig. 2.8 - _{Formas de onda da corrente na carga para}

IREF COI1_St(zlnt€(í¿l) G IR];_'1r: PU1S3-C1ël- (b)

manter a corrente de soldagem dentro de valores simëtricos da referência desejada. No caso de uma referencia retangular (Fíg.2.8) tem-se uma corrente da mesma forma de onda da refe rência com uma pulsação rãpida. Esta pulsação rãpida ë a res- ponsãvel pela manutenção das correntes dentro do intervalo

31

A1 _ A1

lR1¿1= `

T

í la í iai-nf +

7

A amplitude de AI ë pré-fixada no comparador _{de his} terese e independe da forma de onda da referencia.

_ _ 2,9

2.5.2 - _{Modulaçao por valores extremos de corrente}

O maior interesse desta modulação reside _{no fato de}

4 ^

que os valores maximos instantaneos da corrente do transistor

são controlados com rigor, aproveitando ao maximo as suas ca- racteristicas (limites de corrente) e garantindo a sua segu- rança.

O funcionamento deste tipo de modulaçao pode ser

I . . . 9

traduzido graficamente pelas curvas da fig. 2.9 , onde re- presenta se a frequencia de comutaçao dos transistores por meio do _{termo %} onde T ê a constante de tempo da carga:

I ¬¬

1 = _ë, em função da grandeza ¡%%% + _a.

Tumbõm, sobre estas características estão representadas as

_ , T-

curvus da razao ciclica

_Q

=

_T-§-T~.

C.z B

OBS.: Para se determinar, pelas curvas da fig.2.9, qual o ponto de operação do _{pulsador, precisa-se conhecer a}

resistencia de carga que depende dos seguintes fatores:

- _{Tipo de atmosfera protetora}

LA

4 -

3 »

arco submerso, eletrodo, etc.)

- _{Comprimento de cabos d}

tal base com a fonte - _Temperatura - Comprimento _{do arco.} O,S _0.s` 4ín=o,s _ _ _«=Ê,|~ \ Q5 ₅₅ _ 1 _ c conexao _da pisto _a e me QT i R=o,9 L az o,s O

Q

.P0 2 .. i \ _\ I 8 ‹ ' \_, \ .. ` __ \ ' 'D I-B.E_F;.|..O E/R

Fig.2.9 - _{Curvas características da modulação por va} lores extremos de corrente

_ AI .

6 - _É7§, AI relatlvo

V a =

Í; , Va = valor médio da tensão no

íÊ'O 3.

¬aqZ-

'q¿.§

aa

Univmflfi.

|

|

Ê

afsc

2

Pode-se, então, u partir destas curvas característi

cas, determinar para um processo de _{soldagem qualquer, bem}

conhecido (curvas estãticas do arco numa _{determinada condiçao} de soldagem) e um AI fixado, a freqüência maxima _{de funciona-}

× 4 _.

mento como tambem os tempos minimos de _condiçao e bloqueiodos transistores.

Para um período de _{funcionamento suficientementebai} xo tal que _T <

ä 1, a freqüência de funcionamento pode ser expressa por uma aproximação melhor que 1% pela fõrmulag

_ _ 1: .

Í - 'R _{(1-R) (2.7)}

- ^

. z . z 1

logo, a frequencia maxima _{sera para}

R

=

Í

_ L

fmâx " írtrr (2-83

Os tempos mínimoslo de conduçao e bloqueio corres- pondente a um AI fixo, são

-‹

_:E

TBmÍn ~ FCmÍn E AI (2'9)

._ À ._

OBS.: A tensao E e a indutancía L sao _{impostas pe}

lo processo de soldagem e o tipo de estrutura _{da fonte conce-} bida.

2.6 - _Conclusoes

transis-tor, uma fonte de corrente constante, com forma de _{onda do ti}

po pulsada, apresentará um desempenho e confiabilidade, _se

realizada a transistores, muito superior daquela _{a tiristores} Portanto, a estrutura da fonte adotada ë do tipo

transforma-A

CAPÍTULO 3

REALIZAÇÃO DO PULSADOR

3.1 - _Introdugão

Este capitulo trata da realização do pulsador.

O _{capitulo está subdividido em} 8 itens, levando, no fi

nal, ã curva de rendimento total do pulsador. Esta ë a parte mais importante, pois justifica a realização do pulsador a transistor.

3.2 - _{Lõgica de comando/regulação da corrente}

A lõgica de comando dos transistores de potência ë constituída por um amplificador de erro e um comparador _de histerese, conforme o diagrama de blocos da fig. 3.1.

A1

V^“'°~ °E E"“°°

_cow

_mnmu

Fig. 3.1 - _{Diagrama de blocos da lõgica de comando}

a) Regulação da corrente - _{A corrente no arco Ia, ë}

continuamente comparada com _IREF através de uma amostra reti- rada do sensor de corrente SH e, enviada ao amplificador de

erro, apõs passar pelo filtro passa-baixa RC.

O erro c = _IREF~Ia 5 amplificado e aciona o compara dor de histerese cada vei que a corrente no arco atinge

_ . A1

Ia - LREF ¬: _{_2_,} (3.1)

OU,

37

Dessa maneira, a corrente no _{arco (carga) se mantêm simëtrica}

.

' `

' . + AI

a _{IREF com} os _{valores extremos compreendidos entre IREF} -

Í? (modulaçao por valores extremos de corrente). O valor de AI ë fixado pela histerese _{do comparador que uma vez estabeleci-}

da, mantêm-se constante _{por todo} o tempo.

b) Realização da lõgica de comando - _{O circuito da}

lõgica de comando foi _{implementado com amplificadores opera-} cionais e esta apresentado _{na fig. 3.2, abaixo.}

GneF› vn N

+4V

-av “ä V

A7%"

R R _{Ç R} 4. Z' . Z; Rs "1 _°2

Fig. 3.2 - _{Circuito da lÕ›icu do comando}

. 3

A tensão _vl representa o erro _{amplificado, isto ë,}

Vl = E/~\ _(3.3)

ou

` Vl

=

(IREF - Ia)A, (3.4)

`A equação da tensão _{V1 em função das entradas, des-}

prezando-se o efeito do capacitor _cl e considerando-se _{o A1}

ideal, fica

R R

z __Ã _ 3

Para o e=O _{(Ia=IREF), temos vl=O, então} podemos obter _R1 e

R2 através da (3.5) em funçao de _VR e _VS. R R 3 3 ₌ ÉÍ VR + Ê; VS 0, (3.ó) R₁ V _R ou

-

= -

-,

_(3.7) R2 Vs

como: _VS = - _{R$13 (RS} = _{resistência do sensor), substituindo}

em (3.7), temos

R1 _{_} VR

R- '

Ú

_(3-8)

2 S a

Para as condições projeto, _{limitou~se VR} em 4V para

Ia = lO0A e RS = 2,5 x 10-39, que substituídos em (3.8), re-

sultam em

R

1 ₌ 4

_ = 1ó

R2 _{2,5 × 10} 3 _{X 100}

então: para _R2 = l _{KQ,tem-se R2} = _{ló K9.}

Para Iel = Ê; (11 = _IREF Í _{êš), temos que} vl sõ ë

39

R .

_ 3 A1 Vl! _

É

a

como _'Vl' = _{ivh/2)(metade da tensão de histerese do}

A2), vem

›vh|= ÊÉÊÊ `^I`

à

(3.10)

donde, obtêm-se a relação para o calculo de _R3

R v

_ 2 h

R5 - _{Kg KT'} (3.1l)

Para as condiçoes de _{nosso projeto, adotou-se um valor de his}

terese _Ivh' = _{lV e AI} = _{lOA, substituindo-se em (3.ll),jã com} o valor calculado de _R1, obtêm-se

3

R3z__.1.@:,_.z40«Q.

2,5 X 10 X 10

A metade da tensão de histerese ë dada por

v_h R

_ 5 ,

Í-¡`- _¡;¬¡¡g \vZ+vD| (3.12)

onde _VZ =

VZ1 = VZ2 = 3,6V 0 _VD = 0,óV.

Pela expressão (3.12), podemos obter a relação en- tre _R5 e _R6, isto _ë,

R5 Ívh/2' _{1 1}

-

ñš = |vZ+vD-vh| = 4 » 2-1 = 3,2

então, para _R5 = _{10 K9, temos}