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Fuente de Energía en procesos por arco eléctrico (07)
Las compañías eléctricas suministran corriente alterna de baja intensidad y de alto voltaje
(típicamente 220V monofásicos, 220V-380V-440V trifásicos), que son adecuados para los usos
domésticos y la mayoría de los usos industriales. Con bajas corrientes y altos voltajes puedo obtener
determinada potencia eléctrica, utilizando la relación básica P=V.I (Potencia eléctrica= Voltaje por
Intensidad).
En lo que hace a la soldadura y los equipos involucrados, en el punto de trabajo del soldador u
operador, necesito bajos valores de voltajes (10-30 Volts en operación, transitoriamente hasta 80V),
por razones de seguridad. Para mantener la relación de, potencia de entrada = potencia de salida,
los equipos deberán manejar, en el punto de trabajo, alta corriente (50–1500 Ampere), la que podrá
ser alterna (AC) o continua (DC) (dependiendo de la aplicación).
La fuente de energía es el elemento que se encarga de transformar y/o convertir la energía de la red
de alimentación, adaptándola a una tensión (voltaje) e intensidad adecuada para el inicio,
mantenimiento y estabilización del arco eléctrico.
Clasificación:
Ciertos rasgos de las fuentes de alimentación para soldadura por arco eléctrico nos permiten hacer
una clasificación, de acuerdo con una o más de las características siguientes.
Con respecto a la “salida típica”, una fuente de energía puede proporcionarnos corriente alterna
(AC), continua (DC), o ambas. También puede tener la característica de proporcionarnos una salida
que mantenga “la corriente constante frente a variaciones del voltaje (tensión)”, o “la tensión
constante frente a variaciones de la corriente”.
Con respecto a la energía de “entrada”, una fuente puede obtenerla de la red eléctrica de
alimentación o de una máquina generadora (por ejemplo un motor de combustión interna).
Realicemos las siguientes clasificaciones, dependientes de la característica de las distintas fuentes
de energía para soldadura por arco eléctrico más comúnmente utilizadas:
Ampliemos sobre los tipos de máquinas:
1)
2)
3)
4)
Transformadores
Rectificadores
Convertidores, Generadores para Soldadura (moto soldadora o electro soldadora)
Inversores (Inverter’s)
Organización: Inspección Especializada de Mecánica General junto al Coordinador Técnico de la Tecnicatura
de Soldadura UTU CETP.
Docente: Tec. Mec. Miguel Eyheralde.
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1) Transformadores:
Un transformador es un dispositivo que modifica los
valores de la tensión e intensidad de la señal de
entrada. Está formado por un núcleo de hierro
magnético, que podemos modelar básicamente como
dos enrollamientos de cables conductores, formando
dos bobinas (ver figura).
La primera bobina, llamada primaria o de baja, se
conecta a la corriente alterna de la red, y la segunda
bobina, llamada secundario o de alta, se conecta a la
salida del equipo (porta/electrodo y a la pieza de
maza).
Este equipo de soldadura proporciona salida de corriente alterna, lo cual limita el tipo de
consumibles que se puede usar con el mismo, y no tiene grandes prestaciones en cuanto a la
regulación fina de las características del arco de soldadura. En términos generales se buscan
transformadores “blandos”, que puedan manejar suavemente el arco eléctrico y permitan una buena
apertura de arco.
La regulación del voltaje de salida se obtiene, en los equipos más básicos, teniendo puntos de
conexión diferentes en el bobinado secundario (saliendo estos al exterior o teniendo única salida con
un selector interno), y en equipos más modernos con un regulador mecánico que cambia las
propiedades del núcleo magnético (núcleo variable deslizante).
Esquema de un selector de voltaje interno (superior).
Transformador con salidas expuestas (inferior),
Transformados con núcleo variable.
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2) Rectificadores:
Los equipos rectificadores constan de un transformador (y/o un arreglo
eléctrico) para convertir el voltaje de la línea, disminuyéndolo a los
valores de trabajo (el transformador es usado también como aislación
eléctrica del circuito de entrada respecto al de salida). El equipo
complementa
el
transformador
con
un
arreglo
de
diodos
(semiconductores que dejan pasar la corriente eléctrica en un solo
sentido). Esto implica convertir la corriente alterna de la red, con el
voltaje reducido, en continua.
En general, los rectificadores se conectan en redes que proporcionan
entradas trifásicas, a las tensiones usuales de 220/380 V. Sólo en el
caso de rectificadores de poca potencia se los conecta a una red
monofásica de 220 V.
El transformador, acompañado de un correcto diseño, asegurará gran
parte de la estabilidad del arco a la hora de soldar.
A continuación se esquematiza la interfaz de rectificación con la que se obtiene la generación de
corriente continua. Esto permite tener un arco más estable, en comparación a utilizar corriente
alterna, y pueden utilizarse consumibles que requieren corriente continua.
Esta fuente, con su respectivo cabezal, puede ser usada, por ejemplo, para soldadura TIG (GTAW) y
directamente para soldadura con electrodo revestido (SMAW).
3) Convertidores, Generadores para Soldadura:
Estos equipos producen corriente continua de baja tensión utilizada para soldar.
Están compuestas por un motor, con el cuál es posible obtener energía mecánica bajo la forma de
energía cinética. El movimiento es transmitido mediante un eje común al generador, lo cual permite
obtener en éste la corriente adecuada para la soldadura.
Existen dos tipos comunes de máquina de soldar rotatorias, y están caracterizadas por su sistema
de propulsión.
El motor que impulsa el generador puede ser eléctrico o de combustión interna. El generador puede
ser de corriente continua (también llamando dinamo) o de corriente alterna. Cualquiera de las
cuatro combinaciones es posible.
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Normalmente al conjunto motor eléctrico-dinamo se le denomina convertidor, y al conjunto motor
de combustión interna-generador de corriente alterna se denomina grupo electrógeno de corriente
alterna, siendo el conjunto motor de combustión interna-dinamo un grupo electrógeno de corriente
continua. Los grupos electrógenos se utilizan cuando no existe energía eléctrica disponible.
Tanto los convertidores como los grupos electrógenos se denominan equipos giratorios o dinámicos
por tener un motor.
Cada tipo de equipo tiene regulaciones mecánicas y/o eléctricas que dan las características propias
de una fuente de soldadura estable.
Motosoldadora.
4) Inversores
Aún cuando el transporte de energía eléctrica puede realizarse tanto en DC como en AC, su
generación, por el contrario, sólo resulta económica y técnicamente ventajosa si se realiza en forma
de AC.
De lo dicho se concluye que es necesario disponer de medios capaces de transformar o convertir un
tipo de corriente en el otro. El proceso de conversión de AC en DC se ha recibe el nombre de
rectificación, mientras que al proceso inverso, paso de DC en AC, se la ha asignado el nombre de
“inversión”. Así pues, los “inversores” son equipos capaces de transformar la “energía eléctrica
continua” en “energía eléctrica alterna”, sin que ello implique “atarse” a una determinada forma de
onda o frecuencia.
Con la incorporación de semiconductores que manejan altas potencias es posible construir fuentes
de alimentación capaces de hacer frente a las altas cargas eléctricas utilizadas en soldadura por arco
eléctrico. Los diseños basados en el uso de estos semiconductores son conocidos como unidades de
soldadura inversoras o Inverters.
Generalmente, a la entrada del equipo se rectifica la energía de la red de CA en CC; luego actúa el
circuito inversor alimentando con CC a un transformador reductor para producir la tensión de
soldadura deseada. La frecuencia que manejan estos circuitos es típicamente 10 kHz o mayor (muy
superior a los 50-60 Hz que maneja una red eléctrica típica de distribución).
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Aunque la alta frecuencia requiere sofisticados componentes y circuitos, ésta reduce drásticamente
el tamaño del transformador reductor, particularmente la masa de los componentes magnéticos
(transformadores y bobinas).
Adicionalmente, el circuito inversor también puede proporcionar características tales como control de
potencia y protección contra sobrecargas. Los equipos basados en el uso de alta frecuencia,
combinados con un inversor, dan como resultado máquinas de soldar más eficientes y con un mejor
control de los parámetros de soldadura.
Los equipos inversores que incorporan electrónica son manejados por microcontroladores, y las
características eléctricas de la corriente de soldadura pueden ser cambiadas en base a un programa
(software) en tiempo real, incluso ejecutar cambios en lapsos de tiempos muy pequeños.
Típicamente, los programas de control pueden trabajar sobra la forma de onda de la corriente de
soldadura, generando características tales como corriente pulsada de soldadura, la posibilidad de
almacenar y ejecutar un ciclo completo (como se da en el caso de una soldadura de punto), y tener
memorias para los parámetros disponibles para ser usadas por el soldador, en ciclos repetitivos por
ejemplo. Todas estas características serían prohibitivamente caras para aplicar en una máquina
basada en un transformador. En el caso de la aplicación de la electrónica en un equipo Inverter solo
se requiere de espacio en una memoria.
Finalmente mencionemos la posibilidad de añadir nuevas características a una fuente inversora
controlada por software, si es necesario, a través de una actualización de software, en lugar de
tener que comprar un nuevo equipo más moderno.
Invertir con cabezal Semiautomático incorporado.
Invertir portátil para soldadura TIG (GTAW) y electrodo revestido
(SMAW).
Este tipo de fuentes son aplicables a todos los procesos de soldadura por arco eléctrico,
dependiendo del diseño y prestaciones de la misma.
Clasificación basada en la relación Tensión - Corriente de la fuente:
En la soldadura por arco eléctrico, la longitud del mismo, está directamente relacionada con el
voltaje.
La clasificación más común refiere a “Fuentes de alimentación de Corriente Constante” y “Fuentes de
alimentación de Tensión constante”.
1) Fuentes de corriente constante
2) Fuentes de tensión constante
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1) Las fuentes de alimentación de Corriente Constante son usadas con más frecuencia para
los procesos manuales de soldadura, tales como la soldadura TIG (GTAW) y soldadura de arco con
electrodo revestido (SMAW), porque estas mantienen valores estables de corriente, incluso frente a
variaciones importantes del voltaje. Esto es importante en la soldadura manual, ya que puede ser
difícil sostener el electrodo perfectamente estable, y como resultado, la longitud del arco y el voltaje
tienden a fluctuar.
La fuente de corriente constante tiene la siguiente curva característica
En la curva de la figura podemos observar que para grandes variaciones de la tensión del arco,
prácticamente es despreciable la variación de la corriente eléctrica que atraviesa el arco.
2) Las fuentes de alimentación de Tensión Constante mantienen dicha tensión, variando la
corriente, por tanto son usadas más a menudo para los procesos de soldadura automatizados, tales
como la soldadura semi-automática (FCAW, GMAW) y soldadura por arco sumergido (SAW).
Una fuente de tensión constante, tiene
la siguiente curva característica.
En este caso se observa que para
pequeñas variaciones de tensión (∆V),
se obtienen grandes variaciones de
corriente (∆A), este tipo de característica
de la fuente,
es
particularmente
ventajosa para ser empleada en
procesos semiautomáticos o automáticos
donde se tiene autorregulación del arco
eléctrico, principalmente por brindar una
rápida respuesta ante una alteración.
Por ejemplo, si el alambre y el metal
base se acercan demasiado, la corriente aumentará rápidamente, lo que a su vez causa que
aumente el calor y la extremidad del alambre se funda, volviéndolo a su distancia de separación
original.
Entonces, las características que se busquen al momento de desarrollar una fuente de soldadura por
arco eléctrico, estarán determinadas por el proceso de soldadura donde la misma se aplique y las
condiciones operativas en que se desarrollará el trabajo.
Referencias Bibliográficas:
-
Agradecimientos por el aporte al Sr. Aníbal González, Técnico en Electrónica.
Imágenes de dominio público extraídas del World Wide Web (www).
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