ES2334226T3 - Aparato de soldadura por arco electrico y metodo para controlar el proceso de soldadura del aparato de soldadura. - Google Patents
Aparato de soldadura por arco electrico y metodo para controlar el proceso de soldadura del aparato de soldadura. Download PDFInfo
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Abstract
Aparato de soldadura por arco eléctrico para realizar un proceso de soldadura dado con una forma (400) de onda de corriente pulsada de CA seleccionada que se realiza entre un electrodo (24) y una pieza (26) de trabajo, incluyendo dicha forma (400) de onda de intensidad segmentos (402, 404) primero y segundo de polaridad eléctrica opuesta primera y segunda, caracterizado porque al menos el primer segmento (402) de la primera polaridad eléctrica incluye una parte (410) de intensidad pico y una parte (412) de intensidad base ambas de la primera polaridad eléctrica y porque dicho aparato de soldadura comprende: una fuente de alimentación con un controlador que tiene un procesador digital que incluye un programa para calcular el factor de potencia en tiempo real (pf) de la intensidad de soldadura (Ia) y una tensión de soldadura (Va), incluyendo dicho programa un algoritmo para calcular la tensión de soldadura rms (Vrms), la intensidad de soldadura rms (rms) y la potencia promedio (Pavg) de dicha fuente de alimentación; un circuito (204d) para multiplicar dicha intensidad rms (Irms) por dicha tensión rms (Vrms) para producir un nivel de potencia rms; un circuito (204) para dividir dicha potencia promedio (Pavg) entre dicha potencia rms para crear un valor que representa el factor real de potencia en tiempo real (pf) de dicha fuente de alimentación; y, un circuito (220b) para ajustar dicha parte (412) de intensidad base del primer segmento (402) que tiene la primera polaridad eléctrica para mantener dicho factor de potencia (pf) a un nivel dado.
Description
Aparato de soldadura por arco eléctrico y método
para controlar el proceso de soldadura del aparato de soldadura.
La presente invención se refiere al campo de la
soldadura por arco eléctrico y más particularmente, a un aparato de
soldadura por arco eléctrico y a un sistema y un método novedosos
para controlar el proceso de soldadura realizado por el aparato de
soldadura.
La invención se refiere a un aparato de
soldadura por arco eléctrico para realizar un proceso de soldadura
entre un electrodo y una pieza de trabajo, en el que el proceso de
soldadura está constituido por una sucesión de formas de onda de
intensidad. Tales formas de onda de intensidad se crean mediante un
número de impulsos de intensidad individuales que se producen a una
frecuencia de al menos 18 kHz controlándose una magnitud de cada
uno de los impulsos de intensidad mediante un conformador de ondas
o un generador de formas de onda. En este tipo de aparato de
soldadura por arco eléctrico, el generador de formas de onda o
conformador de ondas controla digitalmente un modulador de ancho de
impulso digital, habitualmente un programa en el DSP de
controlador. El modulador de ancho de impulso controla la
conmutación de una fuente de alimentación de tipo de conmutación de
alta velocidad, tal como un inversor. Esta tecnología de control de
forma de onda implementada en un aparato de soldadura por arco
eléctrico la ha promovido la empresa Lincoln Electric de Cleveland,
Ohio, y se da a conocer en general en el documento de Blankenship
5.278.390. La patente de Blankenship ilustra una fuente de
alimentación de conmutación de alta velocidad, tal como un
inversor, para controlar un proceso de soldadura que incluye una
serie de formas de onda controladas determinadas por la salida de
un generador de formas de onda o conformador de ondas.
La invención implica un algoritmo integrado para
obtener el valor eficaz o bien de la intensidad de soldadura o bien
de la tensión de soldadura, así como la potencia promedio. El
concepto de una programación de sistema integrado del tipo usado en
la presente invención se da a conocer en general en un artículo de
Jack W. Crinshaw titulado Embedded Systems Programming
(Programación de sistemas integrados) (raíz cuadrada entera) Este
artículo publicado en febrero de 1998 ilustra la tecnología de base
usada en el programador de señales digitales de un controlador
convencional asociado con un aparato de soldadura por arco
eléctrico. También debe mencionarse un artículo titulado
Electrical Measurements and Heat Input Calculations for
GMAW-P Process con fecha de noviembre de
2001.
Como se ha ilustrado en las patentes y la
bibliografía anteriores, la soldadura por arco eléctrico ha usado
hasta la fecha la tensión de soldadura promedio y la intensidad de
soldadura promedio para controlar el funcionamiento de la fuente de
alimentación en el aparato de soldadura. El controlador digital
incluye un procesador de señal digital (DSP) para controlar un
generador de formas de onda o conformador de ondas que dirige el
funcionamiento del modulador de ancho de impulso normal. Este
dispositivo crea las formas de onda de manera sucesiva usadas por
el aparato de soldadura para realizar el proceso de soldadura. Los
aparatos de soldadura regulan la tensión o intensidad de salida
hasta un valor promedio tal como una intensidad de soldadura
promedio mediante un bucle de realimentación. Para un proceso de
tensión constante que suelda en la región de "rociado", la
intensidad promedio es un indicador preciso del proceso de
soldadura. Sin embargo, en la soldadura por impulsos, la intensidad
promedio y la tensión promedio no reflejan de manera precisa el
resultado del proceso de soldadura incluyendo la tasa de
deposición, zona de calentamiento y penetración. Esto se explica
mediante un ejemplo de un proceso de soldadura por impulsos ideal,
tal como uno que tiene 500 amperios durante el 25% del tiempo y 100
amperios de intensidad base durante el 75% del tiempo y una
intensidad de salida de 200 amperios. Sin embargo, la intensidad
promedio del proceso de soldadura simplemente indica la tasa de
deposición y no refleja la entrada de calor verdadera a la
operación de soldadura. Por consiguiente, cuando el proceso de
soldadura se controla mediante una serie de formas de onda
repetitivas, tales como la soldadura de CA o soldadura por
impulsos, los valores de intensidad promedio no pueden controlar la
entrada de calor. Recientemente, los procesos de soldadura se han
hecho bastante complejos y ahora implican a menudo un número de
formas de onda sucesivas, tales como intensidad CA y corriente
pulsada, de modo que la tecnología anterior de control de
realimentación para el proceso de soldadura no es completamente
precisa y requiere una cantidad sustancial de manipulación in
situ por una persona experta en soldadura, especialmente una
persona experta en el nuevo procedimiento de soldadura con forma de
onda que usa un aparato de soldadura, tal como el mostrado en el
documento de Blankenship 5.278.390. Con la llegada de la soldadura
por impulsos usando generadores de formas de onda y fuentes de
alimentación de conmutación de alta velocidad, tales como
inversores, el calor de soldadura obtenido se ha ajustado mediante
ensayo y error. Demasiado calor provoca la perforación del metal,
especialmente en la soldadura de metal delgado. Por tanto, el
ingeniero de soldadura modula la intensidad promedio y la tensión
promedio para proporcionar la entrada de calor al proceso de
soldadura hasta un nivel de modo que en teoría se elimina esa
perforación. Este procedimiento podía aplicarse, sin embargo, sólo
para un proceso de soldadura de tipo de rociado puro. Este
procedimiento de controlar el calor mediante la intensidad promedio
y la tensión promedio no podía aplicarse a la nueva generación de
aparatos de soldadura por arco eléctrico en los que las formas de
onda se cambian para controlar el proceso de soldadura. Esta es la
nueva tecnología de control de forma de onda a la que se dirige la
presente invención. La tecnología antigua usada para soldadura sin
forma de onda no puede aplicarse al control del calor en un aparato
de soldadura de tipo de forma de onda controlada. El calor no se
conoce simplemente leyendo la tensión y la intensidad cuando se
emplean los nuevos aparatos de soldadura de arco de tipo de forma
de onda. Por consiguiente, el ingeniero de soldadura cuando usaba
la tecnología de control de forma de onda cambiaba la frecuencia
base durante la soldadura por impulsos mientras mantenía una
tensión promedio establecida o constante. Usando este enfoque de
ajuste de frecuencia de un procedimiento de soldadura por impulsos
mientras se mantiene una tensión constante, el calor podría
ajustarse mediante una técnica de ensayo y error. Cuando se usaba
este procedimiento de ensayo y error para modificar las formas de
onda en un aparato de soldadura de forma de onda nueva, el calor
podía, de hecho, controlarse; sin embargo, no era preciso e implica
un conocimiento técnico sustancial combinado con los
procedimientos de ensayo y error.
Hay una ventaja distinta en la soldadura por
impulsos. Este proceso de soldadura reduce el calor en la junta
para la misma velocidad de alimentación de alambre que un proceso
de soldadura "de rociado" o "globular". Por tanto, en la
fábrica puede establecerse un ajuste de menor calor. El aparato de
soldadura tenía un botón para ajustar la frecuencia nominal, para
los fines indicados anteriormente. Este cambio en la frecuencia
base ajustó el calor en la operación de soldadura. Esto dio como
resultado un ligero cambio en el factor de potencia del proceso de
soldadura mediante el método de ensayo y error cuando se sabía que
la tensión promedio por la intensidad promedio multiplicado por el
factor de potencia era igual al calor introducido. Por tanto,
usando un botón para cambiar la frecuencia base, se cambiaba el
factor de potencia para determinar el calor. Sin embargo, ni la
fábrica ni el ingeniero de soldadura en el sitio de soldadura
tenían capacidad para controlar directamente el factor de potencia.
El cálculo del factor real de potencia sobre la marcha no se
realizó en sistemas de control anteriores y métodos usados para
aparatos de soldadura por arco eléctrico incluso del tipo que usaba
un control de conformación de onda o forma de onda del proceso de
soldadura. Por consiguiente, con la introducción de la nueva
soldadura de forma de onda promovida por la empresa Lincoln
Electric, existe la necesidad de controlar los parámetros de
soldadura hasta un valor que de manera precisa refleje la capacidad
calorífica. Sólo de esta manera pueden usarse parámetros de
soldadura en un sistema de realimentación de bucle cerrado, o de
otro modo, para controlar la penetración y el calor por separado en
un proceso de soldadura usando las formas de onda generadas.
Con la llegada de las nuevas conformaciones de
onda desarrolladas para la soldadura por arco eléctrico, la
presente invención proporciona un control de los parámetros de
soldadura para reflejar de manera precisa la capacidad calorífica
sin el uso de procedimientos de ensayo y error o la necesidad de
ingenieros de soldadura in situ para modular y controlar el
proceso de soldadura. Este objetivo se consigue mediante un aparato
de soldadura eléctrica según la reivindicación 1 o según la
reivindicación 7 y un método según la reivindicación 13 o la
reivindicación 17.
Estos y otros objetivos y ventajas serán
evidentes a partir de la siguiente descripción.
Las figuras 1-16 no forman parte
de la invención sino que representan la técnica anterior;
la figura 1 es un diagrama de bloques que
ilustra un aparato de soldadura por arco eléctrico;
la figura 2 es un diagrama de flujo y un
diagrama de bloques que ilustra el programa informático del
procesador de señal digital;
la figura 2A es un diagrama de ciclo de un
procesador de señal digital utilizado para realizar el ejemplo tal
como se expone en la figura 2 que muestra la función de
sincronización del procesador de señal digital;
la figura 3 es un diagrama de flujo del programa
para implementar aspectos de los ciclos en la figura 2A tras la
creación de una señal de evento T;
la figura 3A es un gráfico de formas de onda
para la lógica aplicada a la tabla de estados en la figura 3;
la figura 4 es un gráfico de formas de onda de
intensidad que ilustra el concepto de muestreo para crear señales
de intensidad usadas para obtener valores rms;
la figura 5 es un diagrama de bloques y un
diagrama de flujo del contador de ciclos en una disposición de
puertas programables en campo incorporada en el controlador y un
diagrama de bloques del uso de esta información de contador de
ciclos en el procesador de señal digital (DSP) para obtener una
señal de evento T;
la figura 5A es un gráfico de la corriente
pulsada y la lógica en un terminal del diagrama de flujo mostrado
en la figura 5 cuando se usa soldadura por impulsos en lugar de
soldadura de CA;
la figura 6 es un diagrama de flujo de los
ciclos mostrados en la figura 2A;
la figura 7 es un diagrama de bloques del
programa usado para crear la señal de intensidad rms usando la
presente invención;
la figura 8 es un diagrama de bloques como la
figura 7 para crear la señal de tensión rms;
la figura 9 es un diagrama de bloques que
muestra un ejemplo para crear una señal de potencia promedio;
la figura 10 es un diagrama de bloques que
muestra un ejemplo para crear el factor real de potencia del
proceso de soldadura;
la figura 11 es un diagrama de bloques de un
aparato de soldadura que utiliza el valor de factor de potencia de
la figura 10 para mantener un factor de potencia constante para el
proceso de soldadura en la soldadura por impulsos;
la figura 12 es un diagrama de bloques, como se
muestra en la figura 11, en el que el valor de factor de potencia
de la figura 10 se ajusta manualmente para controlar el factor de
potencia del proceso de soldadura mientras se mantiene la
intensidad rms constante;
la figura 13 es un diagrama de bloques que
muestra un filtro digital convencional controlado por la relación
del factor real de potencia con el factor de potencia establecido
para ajustar la conformación de la intensidad de soldadura
ajustando la entrada del generador de formas de onda para mantener
un factor de potencia constante;
la figura 14 es un diagrama de bloques que
muestra el control del aparato de soldadura mediante una relación
de tensión promedio y una tensión rms en comparación con una señal
de tensión establecida para ajustar la conformación de la forma de
onda para mantener una tensión establecida;
la figura 15 es un diagrama de bloques que
muestra el control del aparato de soldadura mediante una relación
de intensidad promedio y una intensidad rms en comparación con una
señal de intensidad establecida para ajustar la conformación de la
forma de onda para mantener una intensidad establecida;
la figura 15A es un gráfico de intensidad que
muestra cómo la forma de onda se ajusta para mantener el valor
establecido, ya sea factor de potencia, tensión o intensidad;
la figura 16 es un diagrama de bloques que
muestra un filtro digital para ajustar la velocidad de alimentación
de alambre basándose en una comparación de una tensión establecida
con una señal que implica una componente de tensión rms y promedio
y también un filtro digital para ajustar la forma de onda tras una
comparación de una intensidad establecida con una señal que implica
una componente de intensidad rms y promedio;
La invención es evidente a partir de los
siguientes dibujos, que son:
la figura 17 es un diagrama de bloques similar
al diagrama de bloques ilustrado en la figura 12 en el que el
valor de factor de potencia de la figura 10 se ajusta manualmente
para controlar el factor de potencia del proceso de soldadura,
mientras se mantiene la intensidad rms constante para de este modo
ajustar el calor modificando la conformación de la forma de onda
controlada por el conformador de ondas;
la figura 18 es un diagrama que ilustra la forma
de onda del proceso de soldadura al que se dirige particularmente
la invención, que incluye una parte de intensidad pico y una parte
de intensidad base en un modo de soldadura por impulsos de CA;
la figura 19 es un diagrama similar a la figura
18 que muestra cómo la conformación de la forma de onda se ajusta
para mantener un calor de soldadura deseado usando la presente
invención;
las figuras 20 y 21 son diagramas de bloques que
muestran el circuito para ajustar la intensidad base de la forma
de onda para controlar los picos usando el valor de factor de
potencia en tiempo real generado; y,
las figuras 22 y 23 son diagramas similares a
las figuras 20, 21 para ajustar la intensidad pico de la forma de
onda usada para generar la operación de soldadura para controlar el
calor usando el valor de factor de potencia en tiempo real.
Con referencia a la figura 1, se muestra un
aparato 10 de soldadura por arco eléctrico en forma de diagrama de
bloques. Un rectificador 12 trifásico proporciona potencia al
suministro 14 de energía de tipo de conmutación de alta velocidad a
través de una conexión de CC en forma de cables 16, 18 de entrada.
En una realización preferida, el suministro 14 de energía de tipo
de conmutación de alta velocidad es un inversor, tal como un
suministro de energía de soldadura Power Wave disponible de la
empresa Lincoln Electric de Cleveland, Ohio. Sin embargo, también
pueden emplearse un interruptor de conmutación de alta velocidad u
otro suministro de energía de tipo de conmutación de alta
velocidad. El suministro 14 de energía de tipo de conmutación de
alta velocidad realiza un proceso de soldadura preseleccionado.
Según la presente tecnología de soldadura, el suministro 14 de
energía de tipo de conmutación de alta velocidad conmuta
preferiblemente a aproximadamente 18 kHz o más, y más
preferiblemente a 40 kHz o más. El suministro 14 de energía de tipo
de conmutación de alta velocidad activa el circuito 20 de soldadura
que incluye un inductor 22 y un electrodo 24 que forman una
longitud de arco con la pieza 26 de trabajo durante la realización
de la operación de soldadura. Normalmente, el electrodo 24 es un
alambre de soldadura de avance hacia delante a partir de una bobina
de suministro. El alambre de soldadura se conduce hacia la pieza 26
de trabajo a una velocidad de alambre seleccionada durante la
realización de la operación de soldadura.
El controlador 30 controla el suministro 14 de
energía de tipo de conmutación de alta velocidad durante la
operación de soldadura. Según la presente tecnología de soldadura,
el controlador 30 es un dispositivo digital que incluye un
generador 32 de formas de onda que proporciona una forma 34 de onda
de nivel de potencia representada por una línea que es la entrada
al modulador 36 de ancho de impulso. El modulador 36 de ancho de
impulso produce un tren 38 de impulsos (representado por una línea)
de impulsos con anchos de impulso correspondientes al nivel de
potencia de la forma 34 de onda. En otras palabras, la forma 34 de
onda se convierte en la señal 38 de tren de impulsos modulada en
ancho de impulso mediante el modulador 36 de ancho de impulso. El
modulador 36 de ancho de impulso produce impulsos de ancho
controlado a una frecuencia preferiblemente por encima de 18 kHz, y
más preferiblemente de aproximadamente 40 kHz o más, que es la
entrada al suministro 14 de energía de tipo de conmutación de alta
velocidad. La conmutación de suministro de energía se controla
mediante el tren 38 de impulsos modulado en ancho de impulso para
activar el circuito 20 de soldadura según la forma 34 de onda de
nivel de potencia.
La forma 34 de onda implementa un proceso de
soldadura deseado. Normalmente, un proceso de soldadura está
constituido por un tren de formas de onda de formas de onda que se
repiten. Para la soldadura por impulsos, la forma 34 de onda de
nivel de potencia tiene una conformación de onda preseleccionada
para generar un impulso de proceso de soldadura. La potencia
promedio o calor verdadero producido en el proceso de soldadura
implementado por la forma 34 de onda a lo largo de un intervalo de
tiempo [T_{1}, T_{2}] viene dado por:
\vskip1.000000\baselineskip
donde P_{avg} es la potencia
promedio, v(t) es la tensión instantánea, i(t) es la
intensidad instantánea de soldadura, v(t) \Box i(t)
es la potencia instantánea y T_{1} y T_{2} son los puntos de
tiempo de inicio y fin del intervalo de tiempo, respectivamente, de
la integración. En caso de una forma de onda sustancialmente
periódica, la potencia promedio puede expresarse en términos de
tensión de valor eficaz (rms) tensión e intensidad rms
según:
\vskip1.000000\baselineskip
donde la tensión rms, V_{rms}, y
la intensidad rms, I_{rms}, vienen dadas
por:
\vskip1.000000\baselineskip
respectivamente, y PF es el factor
de potencia. Al calcular la potencia promedio y la intensidad rms y
los valores de tensión para la forma 34 de onda que implementa la
soldadura por impulsos, el intervalo de tiempo [T_{1}, T_{2}]
corresponde preferiblemente a un impulso o una pluralidad de
impulsos. En la soldadura con forma de onda controlada, el
intervalo de tiempo de impulsos puede variar para impulsos
sucesivos. Por tanto, en la realización preferida descrita, los
tiempos T_{1} y T_{2} de inicio y fin se extraen de la forma 34
de onda como señales de evento T determinadas a partir de una
propiedad característica de la forma 34 de
onda.
La ecuación (3) puede reescribirse para definir
el factor de potencia PF según:
\vskip1.000000\baselineskip
En general existe una estrecha relación para
sustancialmente cualquier forma 34 de onda entre la tensión rms y
los valores de intensidad y la potencia promedio.
Por el contrario, la tensión promedio,
V_{avg}, y la intensidad promedio, I_{avg}, dadas por:
\vskip1.000000\baselineskip
tienen una relación estrecha con la
potencia promedio sólo para determinadas formas de onda, tal como
se suman en la soldadura de tipo "rociado" de tensión
constante. Sin embargo, si, por ejemplo, la forma de onda incluye
un impulso escalonado que es de 500 amperios durante el 25% del
tiempo y de 100 amperios durante el 75% del tiempo, el valor rms es
de 265 amperios, mientras que el valor promedio es de 200
amperios. En este caso, los valores rms proporcionan un valor de
calor verdadero más
preciso.
Continuando con referencia a la figura 1, el
controlador 30 del aparato 10 de soldadura por arco eléctrico
implementa un proceso de soldadura por impulsos a modo de ejemplo
en el que la magnitud de la forma 34 de onda se controla usando una
intensidad 40 rms que se calcula a partir de una intensidad 42
instantánea de soldadura I_{a} medida a través de la derivación
44. En el proceso de soldadura de intensidad constante mostrado en
la figura 1, la intensidad 40 rms se compara con la intensidad 46
rms establecida mediante un amplificador 48 de error digital para
producir una señal 50 de error que controla una amplitud de la
forma 34 de onda para mantener una intensidad rms constante. De
manera similar, para un proceso de soldadura de tensión constante,
el control se basa de manera adecuada en una tensión rms calculada
a partir de una tensión 52 instantánea de soldadura V_{a} medida
a través de la soldadura mediante un voltímetro 54.
Con referencia a la figura 2, el cálculo de la
intensidad rms a partir de la intensidad 42 instantánea de
soldadura I_{a} incluye el procesamiento con un convertidor 56
analógico digital para producir una intensidad 58 instantánea
digitalizada, que es la entrada al bloque 60 de procesamiento de
señal digital. El bloque 60 de procesamiento de señal digital
realiza la integración del cuadrado de la intensidad de la ecuación
(3) de manera digital como una suma de Riemann, dividiendo la
intensidad en intervalos de tiempo \Deltat definidos por un
oscilador 62 para la suma. El intervalo \Deltat de digitalización
para la suma de Riemann es de manera adecuada de aproximadamente
0,1 milisegundos para proporcionar muestras adecuadas para cada
impulso o repetición de la forma 34 de onda. El circuito 64 de
muestreo y retención retiene la intensidad digitalizada durante el
periodo \Deltat y el procesador 66 de cuadratura calcula el
cuadrado del valor de intensidad retenida.
Para permitir la suma continua de intensidad rms
paralelamente al procesamiento relacionado tal como el cálculo de
la operación de raíz cuadrada de la ecuación (3), la suma emplea
preferiblemente dos memorias intermedias de almacenamiento
alternantes, concretamente una primera memoria 70 intermedia
(identificada como memoria intermedia A) y una segunda memoria 72
intermedia (identificada como memoria intermedia B). Los valores se
almacenan en la memoria intermedia activa en los intervalos 76, 78
que preferiblemente están en un rango de aproximadamente
0,025-0,100 milisegundos. Cuando la primera memoria
70 intermedia está activa, el conmutador 80 transfiere valores a
intervalos de tiempo \Deltat a la primera memoria 70 intermedia,
que acumula los valores de intensidad al cuadrado y también
mantiene un recuento de muestras N de un número de muestras de
intensidad acumuladas. Como proceso de fondo durante la acumulación
en la primera memoria 70 intermedia, se procesa el contenido de la
segunda memoria 72 intermedia mediante un procesador 82 de división
para dividir entre el número de muestras N, y mediante un
procesador 84 de raíz cuadrada para completar el cálculo del valor
eficaz de la ecuación (3).
En una señal de evento T seleccionada generada
mediante una característica de la forma 34 de onda, la operación de
las memorias 70, 72 intermedias se conmuta. El segundo acumulador
72 se libera y el conmutador 80 transfiere posteriormente las
muestras de intensidad al cuadrado al segundo acumulador 72. Como
proceso de fondo durante la acumulación en la segunda memoria 72
intermedia, se procesa el contenido de la primera memoria 70
intermedia mediante un procesador 86 de división para dividir entre
el número de muestras N, y mediante un procesador 88 de raíz
cuadrada para completar el cálculo del valor eficaz de la ecuación
(3).
La figura 7 muestra un diagrama de bloques
simplificado del bloque 60 de procesamiento de señal digital, que
omite los detalles de las memorias 70, 72 intermedias de suma
alternantes y el conjunto de circuitos de conmutación relacionado
que se muestran con detalle en la figura 2. En la figura 7, se
representan el bloque 66 de cuadratura de intensidad, el conmutador
80 y los bloques 70, 72 de suma alternantes mediante un bloque 100
de suma único que suma muestras de intensidad al cuadrado entre
apariciones de la señal de evento T provocadas por una
característica de la forma 34 de onda, y también mantiene el
recuento N del número de muestras acumuladas. Los procesos 82, 86
de fondo de división de la figura 2 se representan mediante un
proceso 102 de fondo de normalización único en la figura 7. Los
procesos 84, 88 de fondo de raíz cuadrada de la figura 2 se
representan mediante un proceso 104 de fondo de raíz cuadrada único
en la figura 7.
Con referencia a la figura 8, se apreciará que
el bloque 60 de procesamiento de señal digital mostrado en la
figura 2 y representado de forma simplificada en la figura 7 se
adapta de manera sencilla para realizar cálculos de tensión rms,
sustituyendo la intensidad 42 instantánea medida I_{a} por la
tensión 52 instantánea V_{a} medida mediante el voltímetro 54 de
la figura 1. La figura 8 muestra el bloque 60' de procesamiento de
señal digital de tensión rms de una manera simplificada análoga a
la forma simplificada de la figura 7. La tensión digitalizada se
procesa mediante un circuito 64' de muestreo y retención que retiene
la tensión digitalizada durante el periodo \Deltat. El bloque
100' de suma de tensión al cuadrado suma muestras de tensión al
cuadrado y mantiene un recuento N del número de muestras de tensión
acumuladas. Preferiblemente, el bloque 100' de suma usa memorias
intermedias de suma alternantes análogas a las memorias 70, 72
intermedias mostradas para la suma de intensidad al cuadrado en la
figura 2. El proceso 102' de fondo de normalización divide la suma
de muestras de tensión al cuadrado entre el número de muestras N.
El proceso 104' de fondo de raíz cuadrada toma la raíz cuadrada
para completar la implementación de la tensión rms V_{rms}
mostrada de manera matemática en la ecuación (3).
Con referencia a la figura 9, se apreciará que
el bloque 60 de procesamiento de señal digital mostrado en la
figura 2 y representado de forma simplificada en la figura 7 se
adapta de manera sencilla y similar para realizar cálculos de
potencia promedio, introduciendo tanto la intensidad 42 instantánea
la medida como la tensión 52 instantánea Va medida. La figura 9
muestra el bloque 60'' de procesamiento de señal digital de
potencia promedio de forma simplificada análoga a la forma
simplificada de la figura 7. A los circuitos 64, 64' de muestreo y
retención que retienen la intensidad y tensión digitalizada,
respectivamente, durante el periodo \Deltat, accede el bloque
100'' de suma de intensidad por tensión que suma muestras de
intensidad por tensión y mantiene un recuento N del número de
muestras de intensidad por tensión acumuladas. Preferiblemente, el
bloque 100'' de suma usa memorias intermedias de suma alternantes
análogas a las memorias 70, 72 intermedias mostradas para la suma
de intensidad al cuadrado en la figura 2. El proceso 102'' base de
normalización divide la suma de muestras de intensidad por tensión
entre el número de muestras N para producir la potencia promedio
P_{avg} mostrada de manera matemática en la ecuación (1).
Los bloques 60, 60', 60'' de procesamiento de
señal digital calculan la intensidad rms, la tensión rms y la
potencia promedio como sumas de Riemann. La figura 4 muestra la
forma 120 de onda de intensidad a modo de ejemplo que se muestrea
de manera digital. Cada muestra digital se representa mediante una
columna 122 de muestras rectangular de duración de tiempo \Deltat
y una altura correspondiente al valor digitalizado de la forma 120
de onda de intensidad retenida mediante el circuito 64 de muestreo
y retención en el intervalo de tiempo \Deltat.
Los bloques 60, 60', 60'' de procesamiento de
señal digital se implementan opcionalmente como vías de
procesamiento separadas que se ejecutan en paralelo. Sin embargo,
en una realización preferida, los bloques 60, 60', 60'' de
procesamiento de señal digital usan algunos bloques de
procesamiento de señal digital comunes en los que se multiplexan en
dominio de tiempo las señales de intensidad y tensión muestreadas.
Un enfoque de multiplexación de este tipo reduce la cantidad de
conjunto de circuitos requeridos. Cada suma (tensión al cuadrado,
intensidad al cuadrado y tensión por intensidad) tiene su propio
conjunto de memorias intermedias de suma alternantes (por ejemplo,
el conjunto 70, 72 de memorias intermedias de suma para sumar
valores de intensidad al cuadrado como se muestra en la figura
2).
Con referencia a la figura 2A, se muestra una
acción cíclica de proceso adecuada para la multiplexación en
dominio de tiempo. La acción cíclica de proceso emplea cuatro
ciclos 130, 132, 134, 136 ocupando cada uno un cuarto del periodo
de muestreo \Deltat. Para el \Deltat a modo de ejemplo igual a
0,1 milisegundos, cada uno de los cuatro ciclos 130, 132, 134, 136
ocupa 0,025 milisegundos. Durante el primer ciclo 130, se
digitalizan y muestrean/retienen la tensión V_{a} y la intensidad
I_{a}. Durante el segundo ciclo 132, se calcula la intensidad al
cuadrado y se añade a la suma de intensidad al cuadrado.
Durante el tercer ciclo 134, se calcula la
tensión al cuadrado y se añade a la suma de tensión al cuadrado.
Durante el cuarto ciclo 136, se realiza una comprobación para
determinar si se ha detectado una señal de evento T y se incrementa
el recuento de muestras. Además, a lo largo de toda la acción
cíclica puede realizarse otro procesamiento, tal como el cálculo de
las raíces cuadradas de valores almacenados en las memorias
intermedias de suma inactivas como procesos de fondo. De manera
similar, pueden realizarse operaciones de control de soldadura de
procesamiento de señal digital, tal como la conformación de formas
de onda descrita por el documento de Blankenship 5.278.390, como
procesos de control base durante la acción cíclica.
Con referencia a las figuras 2 y 2A, y con
referencia adicional a la figura 3A y la figura 6, se describe la
acción cíclica tal como se aplica al cálculo de intensidad al
cuadrado. La figura 3A ilustra la forma 34 de onda de intensidad se
extiende entre la primera señal de evento T_{1} y la segunda
señal de evento T_{2}. Las señales de evento T_{1}, T_{2} se
generan de manera adecuada mediante un circuito controlado mediante
la forma 34 de onda. En la figura 3A, el circuito genera la señal
de evento T_{1} que responde al inicio del flanco ascendente del
impulso 140 de corriente y el circuito genera la señal de evento
T_{2} que responde al inicio del flanco ascendente del impulso
142 de corriente. Por tanto, hay un impulso de corriente entre cada
dos señales de evento T sucesivas. En vez de detectando el flanco
ascendente, las señales de evento pueden generarse en su lugar
detectando otra característica del impulso, tal como el flanco
descendente del impulso de corriente.
Durante el intervalo de tiempo entre la señal de
evento T_{1} y la señal de evento T_{2}, se acumulan muestras
de intensidad al cuadrado en la memoria 70 intermedia de suma, como
se indica en la figura 3A mediante la nota "añadir a memoria
intermedia A". Cada aparición del segundo ciclo 132 de la figura
2A añade otra muestra de intensidad al cuadrado a la memoria 70
intermedia. Aunque no se muestre en las figuras 2, 3A ó 6, las
muestras de tensión al cuadrado y las muestras de potencia promedio
se acumulan preferiblemente en sus memorias intermedias respectivas
durante los demás ciclos del proceso de cuatro ciclos de la figura
2A. La detección de la señal de evento T_{2} se indica mediante
el bloque 150 de detección de la figura 6. En respuesta a la
detección 150, se conmutan las memorias 70, 72 intermedias de modo
que la memoria 72 intermedia se usa para acumular muestras de
intensidad al cuadrado del siguiente impulso 142 de forma 34 de
onda, mientras que la memoria 70 intermedia en la que se acumulan
las muestras de intensidad al cuadrado del impulso 140 se desplaza
152 al fondo. En el procesamiento de fondo, la suma de intensidad
al cuadrado se divide 154 entre el número de muestras N y se toma
156 la raíz cuadrada para completar el algoritmo rms. El valor de
intensidad rms calculado para el impulso 140 se escribe 158 en un
registro para su uso en el control del proceso de soldadura.
Con referencia a la figura 5, se describe un
método adecuado para generar señales de evento T. Una disposición
de puertas programables en campo (FPGA) incluye una máquina 170 de
estados de recuento de ciclos que actualiza un contador 172 de dos
bits. La máquina 170 de estados está configurada para incrementar
el contador 172 de dos bits cada vez que cambia el estado. Cada
cambio de estado corresponde a una aparición de señal de evento T.
En el procesamiento de señal digital (DSP), un comparador 174 de
dos bits compara el valor del contador 172 de dos bits con un
registro 176 de valores de recuento previo durante el cuarto ciclo
136 de la figura 2A. Un cambio en el valor del contador 172 de dos
bits indicado mediante la comparación corresponde a una aparición
de señal de evento T. En respuesta a la señal de evento T, una
puerta 178 digital carga el nuevo valor del contador 172 de dos
bits en el registro 176 de valores de recuento previo. En esta
disposición, el valor almacenado en el contador 172 de dos bits no
es significativo; en su lugar, se detecta un cambio en el valor de
recuento.
Continuando con referencia a la figura 5 y con
referencia adicional a la figura 5A, la polaridad de la forma 34 de
onda junto con una señal "Misc2" auxiliar se introducen en la
máquina 170 de estados a través de la puerta 174 "0". Esta
disposición permite a la FPGA generar señales de evento T para la
soldadura por impulsos y para la soldadura de CA. En caso de la
soldadura de CA, Misc2 se establece en cero de modo que se alimenta
la señal de polaridad a la máquina 170 de estados de recuento de
ciclos. Para la soldadura por impulsos, Misc2 se establece en uno
cuando el arco está acortado, y cero cuando el arco no está
acortado. La figura 5A muestra un gráfico de corriente 180 pulsada
y el valor de Misc2 182 cuando se usa la soldadura por impulsos en
lugar de la soldadura de CA.
Continuando con referencia a la figura 5 y con
referencia adicional a la figura 3, se describen eventos iniciados
por una aparición de la señal de evento T. En el cuarto ciclo 136
de la figura 2A, el procesamiento de señal digital realiza una
comprobación 190 para ver si se ha detectado una aparición de señal
de evento T. Esto se realiza comparando el valor de intensidad del
contador 172 de dos bits con el valor 176 de recuento almacenado
usando el comparador 174 de dos bits. Si no se ha producido ningún
cambio en el valor de recuento, el procesamiento de señal digital
continúa en bucle a través de los cuatro estados 130, 132, 134, 136
de la figura 2A. Sin embargo, si la comprobación 190 detecta una
aparición de señal de evento T, se calcula 192 el valor rms tal
como se expone en la ecuación (3) y según las figuras 2 y 7. El
cálculo 192 es un proceso de señal digital de fondo.
Adicionalmente, se realiza una conmutación 194 de memoria
intermedia de modo que independientemente de la memoria intermedia
(memoria 70 intermedia A o memoria 72 intermedia B) que hubiera
estado activa se conmuta al fondo e independientemente de la
memoria intermedia (memoria 72 intermedia B o memoria 70 intermedia
A) que hubiera sido la memoria intermedia de fondo se convierte en
la memoria intermedia de acumulación activa.
Se han descrito el conjunto de circuitos de
procesamiento de señal digital y el conjunto de circuitos de FPGA
asociado a modo de ejemplo para el cálculo sustancialmente en
tiempo real de tensión rms V_{rms}, intensidad rms I_{rms} y
potencia promedio P_{avg} con referencia a la figuras
1-9. El conjunto de circuitos de procesamiento de
señal digital descrito implementa las ecuaciones (1) y (3) usando
sumas de Riemann y sólo es a modo de ejemplo. Los expertos en la
técnica pueden modificar fácilmente el conjunto de circuitos
digital ilustrado o sustituir otro conjunto de circuitos digital
para realizar estos cálculos o equivalentes sustanciales de los
mismos. El conjunto de circuitos ilustrado proporciona determinadas
propiedades que pueden omitirse o modificarse opcionalmente. Por
ejemplo, pueden proporcionarse vías de procesamiento de señal
digital separadas e independientes para calcular cada uno de los
valores de tensión rms V_{rms}, intensidad rms I_{rms} y
potencia promedio P_{avg}. En esta disposición, pueden omitirse
los aspectos de multiplexación en dominio de tiempo del conjunto de
circuitos. En lugar de tener dos acumuladores alternantes, puede
emplearse un único acumulador en conjunción con un registro de
almacenamiento que almacena la suma previa para procesamiento de
raíz cuadrada/normalización de fondo. Además, si el procesamiento
de señal digital es lo suficientemente rápido o si se emplea un
procesamiento paralelo, puede omitirse por completo el
almacenamiento temporal y realizarse el procesamiento de raíz
cuadrada/normalización sustancialmente en tiempo real para
intervalos entre señales de evento T sucesivas. Además, las
columnas 122 de muestras rectangulares de la suma de Riemann
ilustrada en la figura 4 pueden sustituirse por un elemento
trapezoidal o integral con otra conformación. Los expertos en la
técnica pueden realizar otras modificaciones del conjunto de
circuitos de procesamiento de señal digital y FPGA a modo de
ejemplo ilustrados en el presente documento para implementar las
ecuaciones (1) y (3) como conjunto de circuitos digital.
Con referencia a la figura 10, el bloque 200 de
procesamiento de señal digital calcula el factor de potencia (PF)
según la ecuación (4) a partir de los valores de tensión rms
V_{rms}, intensidad rms I_{rms} y potencia promedio P_{avg}.
El denominador de la ecuación (4) se calcula usando el
multiplicador 202 que actúa sobre la intensidad rms I_{rms} y la
tensión rms V_{rms} proporcionadas mediante los bloques 60, 60' de
procesamiento de señal digital de las figuras 7 y 8,
respectivamente. La potencia promedio P_{avg} proporcionada
mediante el bloque 60'' de procesamiento de señal digital de la
figura 9 se divide entre este denominador usando el bloque 204 de
división para calcular el factor de potencia PF.
Continuando con referencia a la figura 10 y con
referencia adicional a la figura 11, el aparato 10 de soldadura por
arco eléctrico de la figura 1 se adapta de manera sencilla para
implementar un control de factor de potencia constante del proceso
de soldadura en la soldadura por impulsos. El controlador 30' es
una versión modificada del controlador 30 de la figura 1. El
amplificador 48' de error digital produce una señal 50' de error
basándose en el factor de potencia PF. El amplificador 48' de error
digital compara el factor de potencia PF proporcionado mediante el
bloque 200 de procesamiento de señal digital (mostrado con detalle
en la figura 10) con el valor 46' establecido de PF. El generador
32' de formas de onda modifica la conformación 210 de forma de onda
seleccionada basándose en la señal 50' de error como se describe en
el documento de Blankenship 5.278.390 que se incorpora como
referencia en el presente documento.
Continuando con referencia a la figura 10 y con
referencia adicional a la figura 12, el aparato 10 de soldadura por
arco eléctrico de la figura 1 se adapta de manera sencilla y
similar para implementar un proceso de soldadura de intensidad
constante en el que el calor introducido a la soldadura se controla
ajustando el factor de potencia PF. El controlador 30'' es una
versión modificada del controlador 30 de la figura 1. La intensidad
40 rms se compara con la intensidad 46 rms establecida mediante el
amplificador 48 de error digital para producir una señal 50 de
error de intensidad como en la figura 1. Adicionalmente, un segundo
amplificador 220 de error digital produce una señal 222 de error
de factor de potencia comparando el factor de potencia PF
proporcionado mediante el bloque 200 de procesamiento de señal
digital (mostrado con detalle en la figura 10) con el valor 224
establecido de calor de soldadura ajustable. El Generador 32'' de
formas de onda modifica la conformación 210 de forma de onda
seleccionada basándose en señales 50, 222 de error como se describe
en el documento de Blankenship 5.278.390.
Volviendo con referencia a la figura 11 y con
referencia adicional a la figura 13, en el amplificador 48' de
error digital, la señal de error de factor de potencia incorpora
opcionalmente filtrado digital. Como se muestra en la figura 13, el
amplificador 48' de error digital incluye un operador 232 de
diferencia que calcula la señal 234 de diferencia que es
proporcional a una diferencia entre el factor de potencia calculado
y el valor 46' establecido de factor de potencia. El valor 234 de
diferencia se introduce en el filtro 236 digital que genera la
señal 50' de control para ajustar la conformación de forma de onda
según el método descrito en el documento de Blankenship 5.278.390.
En una realización adecuada, el filtro 236 digital es un filtro de
respuesta infinita al impulso. El filtro digital puede usarse para
amplificar la señal, atenuar la señal, eliminar componentes de señal
de alta frecuencia o de otro modo ajustar la señal de control.
Con referencia a la figura 14, se muestra un
amplificador 240 de error digital para un control de tensión
constante. El amplificador 240 de error digital incluye un operador
242 de diferencia que calcula la señal 246 de diferencia
E(n) dada por:
donde V_{set} es un valor de
tensión establecida, V_{avg} es un valor de tensión promedio
calculado según la ecuación (5), a es un factor de ponderación de
tensión promedio implementado por el multiplicador 250, V_{rms}
es la tensión rms de la ecuación (3) que se proporciona mediante el
bloque 60' de procesamiento de señal digital de la figura 8, y b es
un factor de ponderación de tensión rms implementado por el
multiplicador 252. Se reconocerá que la señal 246 de diferencia
E(n) puede polarizarse ajustando los factores de ponderación
a y b hacia el control de tensión promedio, control de tensión rms
o una combinación ponderada seleccionada de control de tensión rms
y tensión promedio. Debido a que la tensión rms es normalmente una
mejor medida del calor verdadero introducido en la soldadura
mediante el proceso de soldadura, el peso b rms es preferiblemente
mayor que un peso a promedio, es decir, b>a. Además, la suma de
los factores de ponderación es preferiblemente la unidad, es decir,
a+b=1. Opcionalmente, la señal 246 de diferencia E(n) se
procesa mediante el filtro 254 digital, tal como un filtro de
respuesta infinita al impulso para amplificar, atenuar o de otro
modo manipular la señal 246 de diferencia E(n) para producir
la señal 256 de control para ajustar la conformación de forma de
onda según el método descrito en el documento de Blankenship
5.278.390.
Con referencia a la figura 15, se muestra un
amplificador 260 de error digital para un control de intensidad
constante. El amplificador 260 de error digital incluye el operador
262 de diferencia que calcula la señal 266 de diferencia
E(n) dada por:
donde I_{set} es un valor de
intensidad establecida, I_{avg} es un valor de intensidad
promedio calculado según la ecuación (5), a es un factor de
ponderación de intensidad promedio implementado por el
multiplicador 270, I_{rms} es la intensidad rms de la ecuación
(3) que se proporciona mediante el bloque 60 de procesamiento de
señal digital de la figura 7, y b es un factor de ponderación de
intensidad rms implementado por el multiplicador 272. Se reconocerá
que la señal 266 de diferencia E(n) puede polarizarse
ajustando los factores de ponderación a y b hacia el control de
intensidad promedio, control de intensidad rms o una combinación
ponderada seleccionada de control de intensidad rms e intensidad
promedio. Debido a que la intensidad rms es normalmente una mejor
medida del calor verdadero introducido en la soldadura mediante el
proceso de soldadura, el peso b rms es preferiblemente mayor que el
peso a promedio, es decir, b>a. Además, la suma de los factores
de ponderación es preferiblemente la unidad, es decir, a+b=1.
Opcionalmente, la señal 266 de diferencia E(n) se procesa
mediante el filtro 274 digital, tal como un filtro de respuesta
infinita al impulso para amplificar, atenuar o de otro modo
manipular la señal 266 de diferencia E(n) para producir la
señal 276 de control para ajustar la conformación de forma de onda
según el método descrito en el documento de Blankenship
5.278.390.
Con referencia a la figura 15A, se ilustra un
ajuste de conformación de forma de onda a modo de ejemplo según el
método de ajuste de conformación de forma de onda del documento de
Blankenship 5.278.390. Se muestran dos formas 280, 282 de onda en
líneas continua y discontinua, respectivamente. Para b=1 y a=0 en la
ecuación (6) o la ecuación (7) (para control de tensión o control
de intensidad, respectivamente), las formas 280, 282 de onda tienen
valores rms iguales. Sin embargo, el valor promedio es en general
diferente para las formas 280, 282 de onda. En comparación con la
forma 280 de onda, la forma 282 de onda tiene una magnitud base de
tensión o intensidad reducida y una magnitud de tensión o
intensidad incrementada en el impulso.
\newpage
Además, se apreciará que el periodo de
repetición de impulso de las formas 280, 282 de onda puede ser
diferente. Esta diferencia en el periodo de repetición se tiene en
cuenta en el procesamiento de señal digital realizando las sumas de
Riemann de las ecuaciones (1), (3), y (5) por intervalos entre
señales de evento T sucesivas, en lugar de realizando la suma de
Riemann en intervalos de tiempo de longitud fija. La generación de
señales de evento T en un flanco de pulso ascendente u otra
característica identificable de la forma de onda permite que el
intervalo de suma realice un seguimiento del periodo de repetición
de la forma de onda cuando el periodo de repetición se ajusta
mediante la conformación de forma de onda.
Con referencia a la figura 16, dos
amplificadores 300, 302 de error digital calculan señales de error
de tensión e intensidad para su uso en un control de proceso de
soldadura de intensidad constante, tensión constante. El
amplificador 300 de error digital incluye un operador 310 de
diferencia, factores 312 y 314 de ponderación a y b y un filtro 316
digital. El amplificador 300 de error digital tiene las mismas
entradas de tensión y topología de circuito general que el
amplificador 240 de la figura 14; sin embargo, el amplificador 300
de error digital produce una señal 318 de control para controlar la
velocidad de alimentación de alambre durante el proceso de
soldadura. Con un incremento de la salida del amplificador 300
debería reducirse la velocidad de alimentación de alambre, mientras
que con una reducción de la salida del amplificador 300 debería
incrementarse la velocidad de alimentación de alambre. El
amplificador 302 digital incluye un operador 330 de diferencia,
factores 332 y 334 de ponderación c y d y un filtro 336 digital. El
amplificador 302 de error digital tiene las mismas entradas de
intensidad y topología de circuito general que el amplificador 260
de la figura 15 y produce una salida 338 de control para ajustar la
conformación de forma de onda según el método descrito en el
documento de Blankenship 5.278.390. Por tanto la conformación de
forma de onda y la velocidad de alimentación de alambre se
controlan simultáneamente usando los amplificadores 300, 302 de
error digital para mantener tanto la tensión como la intensidad
constantes.
Las figuras 17-23 dan a conocer
el uso de la presente invención para una operación de soldadura por
impulsos de CA, en el que el calor de la operación de soldadura por
impulsos de CA se controla cambiando determinados aspectos de la
forma 400 de onda, como mejor se muestra en las figuras 18, 19.
Ahora, con referencia a la figura 17, la fuente 14 de alimentación
Power Wave produce una forma de onda a través del electrodo 24 y la
pieza 26 de trabajo mediante la bobina 22 de choque. Se crea una
tensión en la línea 50 a través del arco para proporcionar una
representación en tiempo real de la tensión de arco. De una manera
similar, la derivación 44 produce una tensión en la línea 42 que es
la intensidad de arco instantánea. Como se describió anteriormente,
el generador 32 de formas de onda tiene una salida representada
por el cable 34 para controlar el régimen de trabajo del modulador
36 de ancho de impulso. El modulador se preforma normalmente
mediante software y tiene una frecuencia de repetición de impulsos
establecida mediante un oscilador 36a. Evidentemente, a veces se
emplea un modulador de ancho de impulso cableado. La tensión
digital o analógica en la línea 38 determina la conformación de
onda de la forma de onda de la operación de soldadura realizada por
la fuente de alimentación. Un Power Wave comercializado por la
empresa Lincoln Electric de Cleveland, Ohio es la fuente de
alimentación ilustrada y preferida. Esta unidad se da a conocer en
general en el documento de Blankenship 5.278.390. La forma de onda
creada por el generador 32 tiene una conformación controlada por un
conformador 210 de ondas de modo que la tensión proporcionada,
digital o analógica en la línea 210a determina la señal en la línea
34 que genera la forma de onda de intensidad específica en la
operación de soldadura. Como se ha descrito hasta el momento, la
tecnología se ha explicado anteriormente y se conoce bien en la
técnica. Según la invención, un comparador 220 digital, que tiene
una salida 222 compara la señal de factor de potencia en tiempo
real representada por el valor en la línea 220a con el calor
deseado que va a crearse tal como se representa mediante la tensión
digital o analógica en la línea 224. Por tanto, la tensión
proporcionada en la línea 222 es la tensión que indica la relación
entre el factor de potencia en tiempo real y el calor deseado, que
se representa como el factor de potencia deseado en la línea 224.
Según la invención, un circuito 220b de ajuste proporciona una
señal en la línea 222a que responde a la señal diferente en la
línea 222. Por tanto, cuando varía la señal en la línea 222, la
tensión proporcionada en la línea 222a modifica la conformación de
onda en el conformador 210 de ondas para cambiar la conformación de
la forma de onda. Esta acción obtiene el calor deseado tal como
indica la tensión ajustada manualmente en la línea 224. Los
diagramas de bloques mostrados en la figura 17 se realizan
digitalmente mediante un controlador de software que usa DPS
convencional para realizar un control de la tecnología de forma de
onda del aparato de soldadura por arco eléctrico. La tensión en la
línea 222a modifica la forma de onda de impulsos de CA estructurada
por el conformador 210 de ondas para mantener el calor deseado
basándose en una relación con el factor de potencia en tiempo real.
Para lograr este objetivo, se ajustan varios aspectos de la forma
400 de onda mediante el circuito 220b.
Para ilustrar varias partes de la forma de onda
que se ajustan para controlar el calor, se muestra esquemáticamente
la forma 400 de onda en las figuras 18 y 19. La forma 400 de onda
comprende uno de una sucesión de impulsos de CA que incluye un
segmento 402 de impulso positivo y un segmento 404 de impulso
negativo. En la realización preferida, el segmento 402 de impulso
positivo se forma con una parte 410 de intensidad pico y una parte
412 base. La magnitud de la intensidad pico se representa como
nivel 418. Como se muestra en la figura 19, se consigue un ajuste
térmico de la forma 400 de onda cambiando el nivel 418 pico,
mostrado como líneas 402a 402a discontinuas y representado con c.
El ajuste de la magnitud de la intensidad pico es una
implementación de la invención, en la que la conformación de la
forma de onda se modifica para controlar el calor, basándose en el
factor de potencia en tiempo real del aparato de soldadura. La
altura 414 de la parte 412 de intensidad base se indica como
ajustable mediante las líneas 414a discontinuas. De manera similar,
el flanco 416 de subida es ajustable para cambiar el calor de la
operación de soldadura como se indica mediante la línea 416a
discontinua. El cambio a de magnitud de la intensidad base y el
cambio b en el ancho de la intensidad base son los ajustes
principales implementados para hacer que la forma 400 de onda cree
el calor de soldadura deseado, mientras se mantiene I_{rms}
constante. El aspecto principal de la invención para modificar la
parte 410 de intensidad pico es el ajuste de la magnitud de
intensidad pico como se indica con c como la distancia entre la
línea 402a y la línea 402. Sin embargo, la parte 410 de pico tiene
normalmente una rampa 420 de subida y una rampa 422 de bajada como
se muestra en la segunda aparición de la forma 400 de onda. Estas
dos rampas son ajustables para cambiar el calor en la operación de
soldadura bajo el control del factor de potencia en tiempo real.
Como se ilustra en la figura 19, las dimensiones a, b y c así como
los ángulos de las rampas indicadas con d, son ajustables para
controlar el calor. Los circuitos para conseguir estos ajustes se
ilustran en las figuras 20-23. En estas figuras, el
circuito 220b digital controla el conformador 210 de ondas mediante
la tensión en la línea 222a. La figura 20 ilustra el uso del
circuito 220b para ajustar la dimensión a. La dimensión b se ajusta
mediante el circuito mostrado en la figura 21. Usando los circuitos
mostrados en las figuras 20 y 21 se varía la magnitud de la
intensidad base en la parte 412 de modo que la señal de factor de
potencia en la línea 220a se compara con el calor deseado
representado como una tensión en la línea 224 para cambiar la
intensidad base. Por tanto, la intensidad base se ajusta para
mantener el calor deseado provocado por la forma 400 de onda. Los
circuitos en las figuras 22 y 23 implementan ajustes de las
dimensiones c, d. Esto cambia la magnitud de la intensidad pico o
el ángulo de una o ambas rampas 220, 222. De esta manera, la parte
de intensidad pico de la forma 400 de onda se ajusta para crear el
calor deseado. Otros aspectos de la forma de onda son ajustables
para controlar el calor deseado basándose en el factor de potencia
en tiempo real de la operación de soldadura usando un circuito como
se muestra en las figuras 20-23.
La invención se ha descrito con referencia a
determinadas realizaciones preferidas ilustradas en las figuras
17-23. Pueden realizarse modificaciones de estas
realizaciones sin apartarse del alcance de la presente invención
tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Habiendo definido así la invención, se
reivindica lo siguiente.
Claims (20)
1. Aparato de soldadura por arco eléctrico para
realizar un proceso de soldadura dado con una forma (400) de onda
de corriente pulsada de CA seleccionada que se realiza entre un
electrodo (24) y una pieza (26) de trabajo, incluyendo dicha forma
(400) de onda de intensidad segmentos (402, 404) primero y segundo
de polaridad eléctrica opuesta primera y segunda,
caracterizado porque al menos el primer segmento (402) de la
primera polaridad eléctrica incluye una parte (410) de intensidad
pico y una parte (412) de intensidad base ambas de la primera
polaridad eléctrica y porque dicho aparato de soldadura comprende:
una fuente de alimentación con un controlador que tiene un
procesador digital que incluye un programa para calcular el factor
de potencia en tiempo real (pf) de la intensidad de soldadura
(I_{a}) y una tensión de soldadura (V_{a}), incluyendo dicho
programa un algoritmo para calcular la tensión de soldadura rms
(V_{rms}), la intensidad de soldadura rms (rms) y la potencia
promedio (P_{avg}) de dicha fuente de alimentación; un circuito
(204d) para multiplicar dicha intensidad rms (I_{rms}) por dicha
tensión rms (V_{rms}) para producir un nivel de potencia rms; un
circuito (204) para dividir dicha potencia promedio (P_{avg})
entre dicha potencia rms para crear un valor que representa el
factor real de potencia en tiempo real (pf) de dicha fuente de
alimentación; y, un circuito (220b) para ajustar dicha parte (412)
de intensidad base del primer segmento (402) que tiene la primera
polaridad eléctrica para mantener dicho factor de potencia (pf) a
un nivel dado.
2. Aparato de soldadura por arco eléctrico según
la reivindicación 1, en el que dicho controlador incluye un
conformador (210) de ondas que tiene una entrada con un valor que
determina la conformación de dicha forma (400) de onda y un circuito
de error para comparar dicho factor real de potencia en tiempo real
(pf) con un factor de potencia deseado para crear un valor
corrector y un circuito para dirigir dicho valor a dicha entrada
de dicho conformador (210) de ondas por lo que dicho factor real de
potencia en tiempo real (pf) se mantiene en dicho factor de
potencia deseado.
3. Aparato de soldadura por arco eléctrico según
la reivindicación 1 ó 2, en el que dicha forma (400) de onda se
crea mediante un número de impulsos de intensidad que se producen a
una frecuencia de al menos 18 kHz controlándose una magnitud de
cada impulso mediante un conformador (210) de ondas.
4. Aparato de soldadura por arco eléctrico según
una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha parte (412) de
intensidad base del primer segmento (402) se ajusta en
magnitud.
5. Aparato de soldadura por arco eléctrico según
una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha parte (412) de
intensidad base del primer segmento (402) se ajusta en
longitud.
6. Aparato de soldadura por arco eléctrico según
una de las reivindicaciones 1 a 5, que incluye un circuito para
controlar el calor de dicho proceso de soldadura ajustando dicho
nivel dado.
7. Aparato de soldadura por arco eléctrico para
realizar un proceso de soldadura dado con una forma (400) de onda
de corriente pulsada de CA seleccionada que se realiza entre un
electrodo (24) y una pieza (26) de trabajo, incluyendo dicha forma
(400) de onda de intensidad segmentos (402, 404) primero y segundo
de polaridad eléctrica opuesta primera y segunda,
caracterizado porque al menos el primer segmento (402) de la
primera polaridad eléctrica incluye una parte (410) de intensidad
pico y una parte (412) de intensidad base ambas de la primera
polaridad eléctrica y porque dicho aparato de soldadura comprende:
una fuente de alimentación con un controlador que tiene un
procesador digital que incluye un programa para calcular el factor
de potencia en tiempo real (pf) de la intensidad de soldadura
(I_{a}) y una tensión de soldadura (V_{a}), incluyendo dicho
programa un algoritmo para calcular la tensión de soldadura rms
(V_{rms}), la intensidad de soldadura rms (I_{rms}) y la
potencia promedio (P_{avg}) de dicha fuente de alimentación; un
circuito para multiplicar dicha intensidad rms (I_{rms}) por
dicha tensión rms (V_{rms}) para producir un nivel de potencia
rms; un circuito (204) para dividir dicha potencia promedio
(P_{avg}) entre dicha potencia rms para crear un valor que
representa el factor real de potencia en tiempo real (pf) de dicha
fuente de alimentación; y, un circuito (220b) para ajustar dicha
parte (410) de intensidad pico del primer segmento (402) que tiene
la primera polaridad eléctrica para mantener dicho factor de
potencia (pf) a un nivel dado.
8. Aparato de soldadura por arco eléctrico según
la reivindicación 7, en el que dicho controlador incluye un
conformador (210) de ondas que tiene una entrada con un valor que
determina la conformación de dicha forma (400) de onda y un
circuito de error para comparar dicho factor real de potencia en
tiempo real (pf) con un factor de potencia deseado para crear un
valor corrector y un circuito para dirigir dicho valor a dicha
entrada de dicho conformador (210) de ondas por lo que dicho
factor real de potencia en tiempo real (pf) se mantiene en dicho
factor de potencia deseado.
9. Aparato de soldadura por arco eléctrico
según las reivindicaciones 7 u 8, en el que dicha forma (400) de
onda se crea mediante un número de impulsos de intensidad que se
producen a una frecuencia de al menos 18 kHz controlándose una
magnitud de cada impulso mediante un conformador (210) de
ondas.
10. Aparato de soldadura por arco eléctrico
según una de las reivindicaciones 7 a 9, en el que dicha parte
(410) de intensidad pico del primer segmento (402) se ajusta en
magnitud.
11. Aparato de soldadura por arco eléctrico
según una de las reivindicaciones 7 a 9, en el que dicha parte
(410) de intensidad pico del primer segmento (402) se ajusta en
longitud.
12. Aparato de soldadura por arco eléctrico
según una de las reivindicaciones 7 a 11, que incluye un circuito
para controlar el calor de dicho proceso de soldadura ajustando
dicho nivel dado.
13. Método para controlar un aparato de
soldadura por arco eléctrico para realizar un proceso de soldadura
por impulsos dado con una forma (400) de onda seleccionada que se
realiza por una fuente de alimentación entre un electrodo (24) y
una pieza (26) de trabajo, caracterizado porque dicha forma
(400) de onda tiene un primer segmento (402) de una primera
polaridad que incluye una parte (410) de intensidad pico y una
parte (412) de intensidad base, ambas de la misma primera
polaridad, y un segundo segmento (404) de una segunda polaridad
opuesta a la primera polaridad, estando caracterizado dicho
método además por las etapas de:
- (a)
- calcular el factor real de potencia (pf) de dicha fuente de alimentación usando la intensidad rms (I_{rms}) y la tensión rms (V_{rms});
- (b)
- seleccionar un factor de potencia deseado para dicha fuente de alimentación;
- (c)
- obtener una señal de error comparando dicho factor real de potencia (pf) de la fuente de alimentación con dicho factor de potencia deseado de la fuente de alimentación: y,
- (d)
- ajustar la parte (412) de intensidad base de dicho primer segmento (402) de dicha forma (400) de onda mediante dicha señal de error por lo que dicho factor real de potencia (pf) se mantiene en dicho factor de potencia deseado.
14. Método según la reivindicación 13, que
incluye ajustar manualmente dicho factor de potencia deseado para
controlar el calor de dicho proceso de soldadura.
15. Método según la reivindicación 14, que
incluye mantener dicha intensidad rms (I_{rms}) constante cuando
se ajusta dicho factor de potencia deseado.
16. Método según una de las reivindicaciones 13
a 15, en el que dicha forma (400) de onda se crea mediante un
número de impulsos de intensidad que se producen a una frecuencia
de al menos 18 kHz controlándose una magnitud de cada impulso
mediante un conformador (210) de ondas.
17. Método para controlar un aparato de
soldadura por arco eléctrico para realizar un proceso de soldadura
por impulsos dado con una forma (400) de onda seleccionada que se
realiza por una fuente de alimentación entre un electrodo (24) y
una pieza (26) de trabajo, caracterizado porque dicha forma
(400) de onda tiene un primer segmento (402) de una primera
polaridad que incluye una parte (410) de intensidad pico y una
parte (412) de intensidad base ambas de la misma primera
polaridad, y un segundo segmento (404) de una segunda polaridad
opuesta a la primera polaridad, estando caracterizado dicho
método además por las etapas de:
- (a)
- calcular el factor real de potencia (pf) de dicha fuente de alimentación usando la intensidad rms (I_{rms}) y la tensión rms (V_{rms});
- (b)
- seleccionar un factor de potencia deseado para dicha fuente de alimentación;
- (c)
- obtener una señal de error comparando dicho factor real de potencia (pf) de la fuente de alimentación con dicho factor de potencia deseado de la fuente de alimentación; y,
- (d)
- ajustar la parte (410) de intensidad pico de dicho primer segmento (402) de dicha forma (400) de onda mediante dicha señal de error por lo que dicho factor real de potencia (pf) se mantiene en dicho factor de potencia deseado (pf).
18. Método según la reivindicación 17, que
incluye ajustar manualmente dicho factor de potencia deseado (pf)
para controlar el calor de dicho proceso de soldadura.
19. Método según la reivindicación 18, que
incluye mantener dicha intensidad rms (I_{rms}) constante cuando
se ajusta dicho factor de potencia deseado.
20. Método según una de las reivindicaciones 17
a 19, en el que dicha forma (400) de onda se crea mediante un
número de impulsos de intensidad que se producen a una frecuencia
de al menos 18 kHz controlándose una magnitud de cada impulso
mediante un conformador (210) de ondas.
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