CURRENT REGULATION ELECTRONIC SYSTEM FOR ELECTRICAL ARC WELDING EQUIPMENT

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1 CURRENT REGULATION ELECTRONIC SYSTEM FOR ELECTRICAL ARC WELDING EQUIPMENT SISTEMA ELECTRÓNICO DE REGULACIÓN DE CORRIENTE PARA UN EQUIPO DE SOLDADURA POR ARCO ELÉCTRICO Ing. Alberto Nicolás Figueroa Cuello, MSc. Ing. Antonio Gan Acosta. Ing. Wilson Antonio Gan Cuba Ciudadela Universitaria. Paplona, Norte de Santander, Colobia. Tel.: , Fax: Ext. 156 E-ail: {alberto.figueroa.cuello, antoniogan, Abstract: The current regulation syste is based on the principle of phase angle control of a SCR controlled power rectifier by eans galvanic connection (transforing of pulses), with local control user interface and in the distance icrocontroller coanded; for power transforer calculation a novel ethod is show, it is very siple and effective. Resuen: El sistea de regulación de corriente esta basado en el principio de control de potencia por ángulo de fase de un rectificador controlado a base de SCR por edios de acoples galvanicos (transforadores de pulsos), con interfaz de usuario de ando local y a distancia gobernada por icrocontroladores; se uestra un étodo novedoso, por su siplicidad y efectividad para el cálculo del transforador de potencia. Keywords: Weld, Arc Welding, Transforer, SCR. 1. INTRODUCCIÓN A lo largo de los años, la deanda de los sisteas electrónicos para el control de la soldadura por arco eléctrico ha tendido a crecer. La necesidad de realizar el una soldadura de fora, eficiente y de ejor calidad, nos ha llevado a un desarrollo y perfeccionaiento de técnicas y sisteas para el control del proceso de soldadura por arco eléctrico. Con respecto a esto podeos decir que Colobia al igual que todos los países tercer undista, es un país consuidor o asiilador de tecnologías del undo desarrollado, el cual tiende a coercializar y ofertar sus productos a precios uy elevados lo cual se agrava por los costos de iportación, entre otros aranceles aduaneros y transporte (hasta el orden de los 30 illones de pesos colobianos). Por tal otivo, las ofertas existentes en el ercado nacional de equipos de soldadura por arco eléctrico para electrodo revestido, no satisfacen las necesidades, ni los requeriientos y noras técnicas, debido a las características deficientes en la calidad de la soldadura que producen, e incoodidad para los operarios. La soldadura por arco eléctrico está relacionada con casi todas las actividades industriales, adeás de ser una iportante industria en sí isa. Gracias al desarrollo de nuevas técnicas durante la priera itad del siglo XX, la soldadura por arco sustituyó al atornillado y al reachado en la construcción de uchas estructuras, coo puentes, edificios y barcos. 75

2 Es una técnica fundaental en la industria autootriz, en la aerospacial, en la fabricación de aquinaria y en la de cualquier tipo de producto hecho con etales. De igual anera podeos decir que en el undo industrial existe gran cantidad de aplicaciones donde se requiere la regulación de la corriente alterna, entre ellas, el control de velocidad de otores, la soldadura eléctrica y la cantidad de iluinación. Esto se puede lograr con el uso de autotransforadores o introduciendo resistencias variables (potencióetros); Pero ninguno de estos dos étodos resultan aconsejables, el priero resulta uy costoso y el segundo uy ineficiente. Con el auento y desarrollo de las tecnologías electrónicas, los SCR y los Triac han hecho del control de potencia eléctrica un proceso relativaente sencillo, econóico y de fácil anejo y control. El presente sistea esta basado bajo el principio de regulación de potencia en los SCR, cientando su control y operación en los Chip Microcontroladores, bajo el acople a través de ellos por edios de trasforadores de pulsos. La técnica de nuestro sistea se basa en que la potencia de salida puede variarse regulando la fase de conducción de los SCR Definición 2. SOLDADURA La soldadura la podeos definir coo un procediiento o proceso ediante el cual dos o ás piezas de etal se unen por aplicación de calor, presión, o una cobinación de abos, con o sin al aporte de otro etal, sustancia o aterial ajeno a las piezas o de su isa naturaleza, llaado etal de aportación, cuya teperatura de fusión es inferior a la de las piezas que han de soldarse. Debido a que el objetivo trascendental de este artículo son los equipos de soldaduras por arco eléctrico, vaos a ser ás sustanciales y específicos en el análisis respectivo para este caso. dos piezas fijando su unión. La fusión del etal se produce coo consecuencia del calor generado por un arco voltaico o eléctrico que se hace saltar entre el electrodo y el etal base, pudiéndose alcanzar teperaturas elevadas que superan los a ºC, peritiendo así su ensablado ediante un etal de aportación de la isa naturaleza Principio básico de la soldadura por arco eléctrico Para describir el principio de la soldadura por arco eléctrico (ver Fig. 1) podeos decir que al acercar el electrodo a la pieza que se va a soldar, se induce una diferencia de potencial entre el electrodo y la pieza a soldar, con lo cual se ioniza el aire entre ellos y pasa a ser conductor, de odo que se cierra el circuito produciéndose así un cortocircuito y se crea de esta anera el arco eléctrico, que desprende una intensa luz y un calor uy fuerte. El calor del arco provocará la fusión (Fundir) parcial del aterial de base así coo la del aterial de aporte del electrodo, el cual se deposita y crea el cordón de soldadura. Fig. 1. Descripción del principio básico de la soldadura 3.4. Proceso y partes que influyen en la soldadura por arco eléctrico Para este caso vaos a resaltar el proceso que sucede cuando se está realizando la soldadura o se esta soldando una pieza o aterial cualesquiera. Partiendo del principio de la soldadura por arco eléctrico podeos describir las siguientes partes que influyen o intervienen de anera directa o indirecta en el proceso real de la soldadura por arco eléctrico. 3. SOLDADURA POR ARCO ELÉCTRICO PARA ELECTRODOS REVESTIDOS 3.1. Definición La soldadura por arco eléctrico es un proceso, en el que la energía obtiene por edio del calor que produce un arco eléctrico funde un aterial de aporte, llaado electrodo, que se deposita entre las 76 Fig. 2. Proceso de soldadura por arco eléctrico

3 4. PRINCIPIO DEL CONTROL POR FASE DE LOS SCR En el sistea de regulación se controla el flujo de la potencia hacia la carga, deorando el ángulo de encendido del SCR. Los térinos populares para describir la operación de un SCR son ángulo de conducción y ángulo de retardo de disparo. El ángulo de conducción es el nuero de grados de un ciclo de CA durante los cuales el SCR esta encendido. El ángulo de retardo de disparo es el núero de grados de un ciclo de CA que transcurren antes de que el SCR sea encendido. Por supuesto estos térinos están basados en la noción de que el tiepo total del ciclo es igual a 360. Al oento que el ciclo de CA inicia su parte positiva, el SCR esta apagado. Por tanto tiene un voltaje instantáneo a través de sus terinales de ánodo y cátodo igual al voltaje de la fuente. Esto es exactaente lo que se vería si se coloca un interruptor abierto en el circuito en lugar del SCR. Dado que el SCR interrupe en su totalidad el suinistro de voltaje; por lo que el voltaje a través de la carga es cero durante ese lapso. En general, antes de que el SCR se dispare, el voltaje es retirado de entre los terinales del SCR, y la carga ve un voltaje cero. Después de haberse disparado el SCR, la totalidad del suinistro de voltaje es retirado a través de la carga, y el SCR presenta voltaje cero. El SCR se coporta coo un interruptor de acción rápida. 5. SISTEMA DE REGULACIÓN DE CORRIENTE Los bloques funcionales del sistea se uestran en la figura. Después de la fuente de alientación, se encuentra un variador de los valores de tensión, por ejeplo 110 V y 220 V. Luego de esto encontraos el transforador de potencia eléctrica para adaptar la red eléctrica a los valores requeridos para el proceso de soldadura por arco eléctrico. Seguido de esto el regulador de corriente que nos perita variar digitalente los valores de corriente en dependencia de las características físicas y quíicas del aterial a soldar y, del tipo de soldadura necesaria a utilizar. En seguida de esto teneos el variador de género de corriente que perite establecer el tipo de corriente a utilizar el cual puede ser puede ser DC o AC. Inediataente el bloque de variación de polaridad solo para DC de la tensión en los electrodos. Saliéndonos de la línea del proceso, tabién encontraos el bloque de control para el regulador de corriente que ajusta el iso para obtener los valores requeridos de corriente según el ángulo de disparo y poder así regular la potencia de salida. El control de ando anual y local nos perite ajustar por edio de una interfaz de usuario los valores requeridos de corriente. El bloque de control y ando a distancia es para ajustar los valores de corriente utilizando étodos inteligentes de operación. El sistea en su conjunto cuenta de los siguientes subsisteas: Eléctrico, Térico, Regulación Electrónica, Control Electrónico y Counicación Digital Método de diseño siplificado del transforador de potencia Utilizando la expresión general para la fuerza electrootriz: E = 4.44 fnφ (1) Fig. 3: Diagraa en bloques del sistea de regulación de corriente para soldadura por arco eléctrico de electrodos revestidos 77 Donde, E = FEM f = Frecuencia noinal de la red eléctrica. N = Nuero de vueltas. φ = Flujo agnético [Weber]. Asuiendo por análisis físico-ateático que la E V. A partir de la Ecuación 1 obteneos la ecuación para calcular el núero de vueltas en un devanado: V (2) N = 4.44 fφ

4 Aplicando esta ecuación al priario del transforador, teneos que: V (3) 1 N1 = 4.44 fφ Donde, N 1 = Nuero de vueltas del priario V 1 = Voltaje noinal del priario. Procediiento para el cálculo de φ (Ley de Apere). φ = β S (4) Donde, β = Inducción agnética [Tesla]. S = Área de la sección transversal del núcleo [ 2 ] Procediiento práctico para la selección de la inducción agnética (β), si no se disponen de datos técnicos del catalogo del núcleo. Para este caso toaos coo referencia la curva de saturación electroagnética del peor núcleo de Hierro, y Según la siguiente grafica podeos encontrar el valor de β, teniendo en cuenta la Ley de Apere, de tal anera que debido a las condiciones de operabilidad podeos escoger un valor por edio del rango proedio de 1 (ver Fig.1). En el transforador real debe considerarse la eficiencia y auentarse la potencia del priario entre un 15% y 20% al inicio de los cálculos, debido a las perdidas en Hierro y Cobre y por corrientes parásitas. El cálculo térico del transforador es lo ás coplejo de todo el proceso, un procediiento práctico es seguir las recoendaciones de densidades de corrientes aconsejables en dependencia de la potencia (ver Tabla 1.): Tabla 1. Densidad de corriente aconsejable P [VA] D [A/2] La potencia que puede anejar el transforador esta definida por la sección transversal de los conductores, la relación Hierro-Cobre y el espacio disponible para introducir los devanados Fig. 2. Curva de saturación del núcleo De esta fora reeplazaos β en la ec. 4: φ = S (5) Reeplazando φ en la ecuación 3, obteneos el núero de vueltas de priario: V1 N1 = (6) 4.44 fs Para f = 60 Hz, B = 1 Tesla y S [c 2 ], la ecuación se siplifica ha: 37.5V 1 N1 = (7) S Teniendo N 1, se puede calcular el valor de N 2, o el núero de vueltas de cualquier otro devanado, utilizando la relación que define el coeficiente de transforación: N1 V2 I1 (8) K = = = N 2 V1 I 2 Donde: K = Coeficiente de transforación. N 2 = Nuero de vueltas del segundario. V 2 = Voltaje noinal del segundario. I 1 = Corriente del priario. = Corriente del segundario. I 2 78 En su ínia expresión la potencia que aneja el transforador depende de la tensión aplicada a los devanados y de la corriente que circula por los conductores, donde: P = E * I (9) A partir de la Ecuación 1 y sustituyendo Φ por su expresión (Ec. 4), se observa la relación que existe en la tensión aplicada o generada en un devanado depende del núero de vueltas y de la sección transversal del núcleo, donde: E = fnbs (10) Si auenta el núero de vueltas y se disinuye la sección transversal del núcleo, la tensión peranece constante o viceversa, si se auenta la sección transversal del núcleo y disinuye el núero de vueltas, la tensión tabién peranece constante. O sea que: Si N y S E = Constante Si N y S E = Constante Por tanto, la potencia que puede anejar el transforador depende de la relación o coproiso del hierro (sección transversal) del núcleo y del cobre de los devanados (sección transversal de los conductores), siepre y cuando haya espacio para su ubicación, el costo en el

5 ercado internacional si se fuera a construir del Hierro y el Cobre seria el indicador que definiría la proporción de utilización de cada uno de ellos. Si se construye a partir de un núcleo recuperado la potencia del transforador estaría liitada por el área de la ventana interior que define el espacio disponible para la ubicación de los devanados, pues a as potencia el diáetro de los conductores seria ayor y las diensiones de los devanados tabién Diseño del circuito del circuito de regulación Después de calculados y deterinados los paráetros de diseño del circuito electrónico, se procede a la selección de los SCR de potencia teniendo en cuenta el estado de funcionaiento. Estado de bloqueo Estas condiciones son priordiales para la selección del SCR, ya que deben ser superiores a los valores áxios que se quieren controlar. Se aneja un coeficiente de seguridad entre 2 y 2.5, para las siguientes características: V RRM : Tensión inversa repetitiva áxia. Valor áxio que soporta el SCR de tensión negativa. V DRM : Tensión directa repetitiva áxia. Valor de tensión áxio que puede soportar el SCR sin cebarse. V DSM : Tensión directa áxia de pico repetitivo. Valor áxio de tensión directa con circuito de puerta abierto que se puede aplicar durante un cierto tiepo sin provocar el disparo. V RSM : Tensión inversa de pico no repetitiva. Tensión áxia inversa que se puede aplicar durante un cierto tiepo sin que haya avalancha. V BO : Tensión directa de basculaiento. Tensión directa que produce el cebado del SCR sin la intervención de la puerta. V BR : Tensión inversa de ruptura o avalancha. I D : Corriente directa de saturación, bloqueo o fugas. Valor áxio de la corriente del tiristor en sentido directo y estado de bloqueo directo referida a una Tj deterinada y a una tensión directa deterinada. I R : Corriente inversa de bloqueo, fugas o saturación. Valor áxio de la corriente inversa del tiristor en estado de bloqueo inverso, referida a una Tj y tensión inversa deterinada. 79 Estado de conducción: I TAVM : Corriente directa edia áxia. Valor áxio de la corriente edia en sentido directo bajo una Tj y factor de fora de la corriente concretas. I TRMSM : Valor eficaz áxio de la corriente directa áxia. Valor áxio que en valor eficaz puede alcanzar la corriente directa en unas condiciones de T deterinadas. I TSM : Corriente directa de choque áxia. Valor eficaz áxio de la corriente que puede soportar el SCR durante un tiepo y una Tj deterinada. r t : Resistencia de la pendiente de la característica de conducción. I 2 t: Integral de carga liite. Sirve para elegir lo fusibles que se colocaran en las raas donde estén los SCR. V TO : Tensión ubral. Caída de tensión ínia del SCR en sentido directo. V T : Caída de tensión directa. Características téricas Tj: Teperatura de la unión. T STG : Teperatura de alacenaiento. P G : Potencia disipada por el diodo G-K. P Q : Potencia de desconexión. P S : Potencia de conexión. P D : Potencia de bloqueo directo. P R : Potencia de bloqueo inverso. P T : Pérdidas de paso P total = PT + PG +PQ + PS + PD + PR Características de puerta o de control I GNTM : Máxia corriente de puerta que no ceba el tiristor ni en las ejores condiciones de tensión y teperatura. V GNTM : Máxia tensión de puerta que no ceba el SCR ni en las ejores condiciones de tensión directa y teperatura. I GT : Corriente ínia que ceba el SCR para una Tj y una tensión directa dada. V GT : Tensión ínia del SCR para Tj dada. P GM : Máxia potencia instantánea que soporta el diodo puerta-canal. P GAVM : Potencia edia áxia que puede soportar la unión puerta-canal. V GFM : Máxia tensión directa en la puerta. I GFM : áxia corriente directa en la puerta. V GRM : Máxia tensión inversa que es capaz de bloquear el diodo puerta-canal.

6 Paráetros de conutación: t on : Tiepo de encendido. Tiepo que transcurre hasta que la corriente alcanza el 90% de su valor final. t off = t q : Tiepo de apagado. Tiepo que transcurre desde que la corriente pasa por cero hasta que la reaplicación de una V AK con una pendiente y un valor deterinado no produce el cebado del SCR sin la aplicación de un ipulso. di/dt = Valor áxio adisible de la pendiente de corriente por debajo de la cual no se producen puntos calientes. du/dt = Pendiente de estableciiento de la V AK por debajo de la cual el SCR no se ceba sin la aplicación de un ipulso. 6. CONCLUSIONES El étodo de diseño para la operación y control digital de equipos de soldadura por arco eléctrico para electrodos revestidos, es un aporte tecnológico que puede ejorar la calida del proceso, la facilidad y efectividad de operación con que se lleva a cabo el ando y la disinución de los costos, con respecto a las ofertas existentes en el ercado nacional e internacional. REFERENCIAS Maloney Tiothy J. Electrónica Industrial Moderna. Prentice Hall Muhaad Rashid. Electrónica de potencia de circuitos, dispositivos y aplicaciones. Segunda edición. Pearson Education Pelly, B.R. Thyristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters [ P393t], priera edición, Editorial Wiley-Interscience, Estados Unidos de Aérica, Boylestad Robert y Nashelsky Louis. Electrónica. Teoría de Circuitos. Editorial Prentice Hall Hispanoaericana, México, Fundaentos de electrónica Robert L. Boylestad Louis Nashelsky Cuarta edición Principios de electrónica. Malvino. Quinta Edición Circuitos Electrónicos. Schilling-Belove. Segunda Edición Electrónica Industrial Técnicas de Potencia. Gualda-Martínez. Segunda Edición Microelectrónica. Jacob Millan. Cuarta Edición La adaptación de icrocontroladores a este sistea se facilita la eficiencia, versatilidad y econoía del equipo. El uso de los SCR de potencia posibilita, por edio de transforadores de pulsos y bajo el control de los chip icrocontroladores, con un sincroniso aportado por un circuito de detección de cruce por cero, la opción de controlar el ángulo de disparo del rectificador con el objeto de obtener un control adecuado de los intervalos de operación de cada tiristor y lograr así ejercer control directo sobre la potencia de salida. El étodo de diseño del transforador de potencia es un procediiento novedoso por su sencillez y siplicidad, sin dejar de ser riguroso y efectivo. Se recoienda para el diseño de transforadores a partir de núcleos recuperados, donde no se dispone de la inforación de las características técnicas del hierro electrotécnico con el cual fue fabricado. 80