1. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico,

que comprende una etapa conversora de potencia (1) constituida por una etapa de entrada (10) conectada al primario de un transformador (30) aislador, y una etapa de salida (20) que dispone de un circuito de rectificación conectado al secundario del transformador (30), caracterizado porque la etapa de entrada (10) comprende dos ramas (100, 200) de tres niveles, presentando cada rama (100, 200) un punto neutral de limitación de tensión, y estando dichas ramas (100, 200) conectadas mediante el transformador (30) aislador a través de los puntos centrales (T1, T2) de dichas ramas (100, 200).

2. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de entrada (10) comprende:

- una fuente de alimentación DC (11) que dispone de un terminal positivo (VBUS) y un terminal negativo (GND), y que proviene de su conexión con una pre-etapa de rectificación y/o una etapa de corrección de factor de potencia,

- al menos un primer par de transistores (12A) de conmutación conectados en serie, estando dicho par de transistores (12A) conectado a su vez entre el terminal positivo (VBUS) de la fuente DC (11) Y el primer terminal del primario del transformador (30),

- al menos un segundo par de transistores (12B) de conmutación 25 conectados en serie, estando dicho par de transistores (12B) conectado a su vez entre el terminal positivo (VBUS) de la fuente DC (11) y el segundo terminal del primario del transformador (30),

- al menos un tercer par de transistores (12C) de conmutación conectados en serie, estando dicho par de transistores (12C) conectado a su vez entre el terminal negativo (GND) de la fuente DC (11) Y el primer terminal del primario del transformador (30),

- al menos un cuarto par de transistores (12D) de conmutación conectados en serie, estando dicho par de transistores (12D) conectado a su vez entre el terminal negativo (GND) de la fuente DC (11) y el segundo terminal del primario del transformador (30),

- al menos un par de condensadores (13A, 13B) conectados en serie, estando dicho par conectado entre el terminal positivo (VBUS) y negativo (GND) de la fuente DC (11), generando entre ambos condensadores (13A, 13B) un punto de referencia de tensión media (CSPLIT),

- al menos un primer par de diodos (14) dispuestos en serie, donde el cátodo resultante de dicho par de diodos (14) se encuentra conectado a la unión del segundo par de transistores (12B) y el ánodo se encuentra conectado a la unión del cuarto par de transistores (12D), y donde el punto central de dicho par de diodos (14) está conectado al punto de referencia de tensión media (CSPLIT),

- al menos un segundo par de diodos (15) dispuestos en serie, donde el cátodo resultante de dicho par de diodos (15) se encuentra conectado a la unión del primer par de transistores (12A) y el ánodo se encuentra conectado al tercer par de transistores (12D), y donde el punto central de dicho par de diodos (15) está conectado al punto de referencia de tensión media (CSPLIT),

- al menos un primer condensador flotante (16) conectado entre los extremos del primer par de diodos (14), que permite obtener una conmutación a cero tensión (ZVS) en el segundo y cuarto par de transistores (12B, 12D), y

- al menos un segundo condensador flotante (17) conectado entre los extremos del segundo par de diodos (15), que permite obtener una conmutación a cero tensión (ZVS) en el primer y tercer par de transistores (12A, 12C).

3. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de salida (20) comprende un circuito de rectificación seleccionado entre:

- un circuito de rectificación en configuración de medio puente (21) con dos diodos rectificadores,

- un circuito rectificador en configuración de puente de "Graetz" (22), y

- un circuito rectificador con dos diodos en configuración "doblador de corriente" (23).

4. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 3, caracterizado porque la etapa de salida (20) comprende adicionalmente una etapa inversora para una salida AC.

5. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el terminal secundario del transformador (30) aislador comprende dos bobinados inversos de salida, que generan una tensión central de referencia.

6. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el terminal secundario del transformador (30) aislador comprende un único bobinado de salida.

7. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la etapa de entrada (10) comprende adicionalmente una capacidad conectada en serie con el primario del transformador (30) para asegurar el balanceo de flujo tensión-tiempo en caso de emplear un lazo de control en modo tensión.

8. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la etapa de entrada (10) comprende adicionalmente un condensador (18) y una inductancia saturable (19) conectadas en serie con el primario del transformador (30), los cuales permiten obtener una conmutación de los transistores (12A, 12B, 12C, 12D) a cero tensión y/o corriente (ZVS, ZCS).

Convertidor de potencia para equipos de soldadura o corte por arco eléctrico.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al campo de las máquinas, equipos o herramientas de trabajo de metales, y más concretamente a equipos de soldadura o corte por arco voltaico.

El objeto principal de la presente invención es un convertidor de potencia para equipos de soldadura o corte por arco eléctrico, que destaca fundamentalmente por incorporar una optimizada etapa conversora de potencia basada en el empleo de un puente completo multinivel, con limitación de tensión y conmutación resonante, que permite emplear transistores de conmutación con una menor tensión de ruptura, y por tanto, reducir el tamaño, peso y coste finales del equipo de soldadura.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Actualmente son conocidos en el estado de la técnica diferentes equipos de soldadura y corte, así como las distintas técnicas de soldadura existentes: soldadura o corte por arco eléctrico, soladura por combustión de gases, soldadura por resistencia y soldadura por rayo láser.

Más concretamente, la soldadura por arco eléctrico, también llamado arco voltaico, está basada en la creación y mantenimiento de un arco eléctrico entre una varilla metálica (electrodo) y la pieza a soldar. Para ello, se induce una diferencia de potencial entre el electrodo y dicha pieza a soldar, de manera que el aire entre ellos se ioniza y se hace conductor, cerrando así el circuito. El calentamiento provocado por el arco eléctrico (aproximadamente 3.500 ºC de temperatura) funde parcialmente el material de base, fundiendo asimismo el material agregado o material de aporte, el cual se deposita creando el “cordón de soldadura”.

Generalmente el circuito eléctrico interno de un equipo de soldadura o corte por arco eléctrico comprende una etapa de rectificación y/o una etapa de corrección del factor de potencia (PFC) que alimenta la parte del circuito que conmuta a alta frecuencia a una tensión continua, denominada “tensión de BUS”. El valor de dicha tensión de BUS puede ser más o menos elevado en función del rango de variación soportable en la tensión de red o en función del ajuste realizado en dicha etapa correctora del factor de potencia.

Más en particular, un equipo de soldadura o corte por arco eléctrico “inverter” emplea generalmente una etapa de conversión de potencia “step-down” mediante un transformador aislador reductor. El stress de voltaje que soportarán los transistores de conmutación está determinado por el valor de tensión máximo que pueda tomar el BUS y la topología de dicha etapa conversora. Para equipos de soldadura de más de 5 kW, los transistores de conmutación situados en el primario de dicho transformador aislador se configuran con topologías de tipo puente completo o medio puente. En estas topologías el voltaje mínimo que han de ser capaces de soportar los transistores es igual a la tensión de BUS. Asimismo, los equipos de soldadura que trabajan con tensiones de BUS superiores a los 600V requieren etapas de conversión de potencia con transistores de conmutación de un alto voltaje, puesto que el valor de tensión máxima que deberán soportar está relacionado con la tensión BUS.

Por otro lado, son conocidas otras topologías para la etapa conversora de potencia, tales como: “forward”, “flyback”, “push-pull”, etc., las cuales no son utilizadas para estos niveles de potencia debido a que los transistores de conmutación deben soportar una tensión mucho más elevada a la de BUS.

Por su parte, los transistores de conmutación empleados en la etapa conversora de potencia pueden ser de tipo MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) , BJT (Bipolar Junction Transistors) o IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) , en adelante simplemente transistores. Independientemente de la tecnología empleada, cualquier transistor tiene especificada una tensión máxima de ruptura a partir de la cual no puede bloquear el paso de corriente y entra en conducción por avalancha, dañando irreversiblemente la pastilla de silicio del transistor. Cabe señalar que, generalmente, a mayor tensión de ruptura de los transistores mayores son las pérdidas por conmutación, mayor es la tensión de saturación y mayor es el coste de adquisición de dichos transistores.

En la actualidad, los equipos de soldadura “inverter” alimentados por una red trifásica, utilizan generalmente transistores IGBTs con una tensión de ruptura de 1200V para poder soportar la tensión de BUS existente con suficiente margen para obtener fiabilidad. Sin embargo, dichos transistores IGBTs no presentan una velocidad de conmutación alta, lo que implica que el transformador aislador utilizado para transferir la energía desde el primario al secundario para alimentar el proceso de soldadura debe ser de mayor tamaño; por su parte, la inductancia de filtrado de la corriente de salida del equipo de soldadura incrementará también su tamaño. Además, sus mayores pérdidas, tanto por conmutación como por conducción, hacen que el equipo no sea eficiente energéticamente, con unos rendimientos típicos que rondan el 80 % y alcanzan el 90% en el mejor de los casos sí se utilizan estrategias de conmutación resonantes.

En la figura 1A se muestra una topología típica según el estado de la técnica que emplea un puente completo (Pc) para la etapa conversora de potencia de un equipo de soldadura. En dicha figura 1A se aprecia el uso de condensadores (Cs1-Cs2) electrolíticos que filtran el nivel de tensión proveniente de la salida del rectificador o de una preetapa correctora del factor de potencia, unos transistores (Q1-Q4) encargados de convertir el nivel de voltaje DC constante a una tensión AC de alta frecuencia para alimentar el transformador aislador (TR) . En paralelo con dichos transistores (Q1-Q4) puede utilizarse una red “snubber” (conjunto formado por resistencia y condensador) para atenuar en la manera de lo posible las pérdidas por conmutación.

Cabe señalar que en todas las etapas conversoras citadas en el presente documento se ha sustituido el proceso de soldadura/plasma de salida por una fuente constante de corriente (I) , para facilitar la comprensión de las mismas.

Por su parte, en la figura 1B, se presenta una solución más interesante a la convencional presentada en la figura 1A. Al igual que en la topología anterior se utiliza un puente completo (Pc) de transistores, que es el que en última instancia ondula la tensión a alta frecuencia para entregársela al primario del transformador aislador (TR) . La diferencia principal radica en la utilización de una etapa pre-conversora (EP) anterior al puente completo (Pc) . Esta etapa preconversora (EP) alimenta el puente completo (Pc) con las tensiones presentes en las capacidades de filtro (Cs1, Cs2) de BUS. Al estar éstas en serie, si ambas capacidades (Cs1, Cs2) ven idéntica carga lograrán que el valor de la tensión (CSPLIT) valga exactamente la mitad del presente en BUS; logrando por consiguiente que todos los transistores y rectificadores utilizados puedan tener una tensión de ruptura igual o superior a VBUS/2. Esta topología necesita dos lazos de control independientes, uno para la etapa pre-conversora (EP) y otra para el puente completo (Pc) ; no obstante es conveniente que las conmutaciones de ambas se sincronicen. Un segundo lazo de control es necesario para monitorizar y equilibrar las tensiones presentes en las capacidades (Cs1, Cs2) .

Si la estrategia de conmutación del puente completo (Pc) , es por modulación del ancho de pulsos (PWM) convencional, existe el riesgo de que se produzca una sobretensión en el momento de recuperación de la energía almacenada en la inductancia de dispersión del arrollamiento primario del transformador. Es por esta razón que debe utilizarse una capacidad (Css1) , mostrada en dicha figura 1B, suficientemente grande como para absorber este exceso de energía devuelto por dicha inductancia. Este último efecto se ve minimizado en caso de utilizar estrategias de conmutación resonantes para la segunda etapa conversora.

Si se analiza la topología de dicha figura 1B, situándose desde las capacidades de filtro (Cs1, Cs2) de BUS, es posible determinar que el conjunto de la etapa pre-conversora (EP) y la etapa conversora en puente completo (Pc) , se comporta en realidad como un circuito convertidor con topología de “medio puente” con seis elementos de conmutación (Q1-Q6) y dos diodos rectificadores (D1,...

1. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, que comprende una etapa conversora de potencia (1) constituida por una etapa de entrada (10) conectada al primario de un transformador (30) aislador, y una etapa de salida (20) que dispone de un circuito de rectificación conectado al secundario del transformador (30) , caracterizado porque la etapa de entrada (10) comprende dos ramas (100, 200) de tres niveles, presentando cada rama (100, 200) un punto neutral de limitación de tensión, y estando dichas ramas (100, 200) conectadas mediante el transformador (30) aislador a través de los puntos centrales (T1, T2) de dichas ramas (100, 200) .

2. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de entrada (10) comprende:

- una fuente de alimentación DC (11) que dispone de un terminal positivo (VBUS) y un terminal negativo (GND) , y que proviene de su conexión con una pre-etapa de rectificación y/o una etapa de corrección de factor de potencia,

- al menos un primer par de transistores (12A) de conmutación conectados en serie, estando dicho par de transistores (12A) conectado a su vez entre el terminal positivo (VBUS) de la fuente DC (11) y el primer terminal del primario del transformador (30) ,

- al menos un segundo par de transistores (12B) de conmutación conectados en serie, estando dicho par de transistores (12B) conectado a su vez entre el terminal positivo (VBUS) de la fuente DC (11) y el segundo terminal del primario del transformador (30) ,

- al menos un tercer par de transistores (12C) de conmutación conectados en serie, estando dicho par de transistores (12C) conectado a su vez entre el terminal negativo (GND) de la fuente DC (11) y el primer terminal del primario del transformador (30) ,

- al menos un cuarto par de transistores (12D) de conmutación conectados en serie, estando dicho par de transistores (12D) conectado a su vez entre el terminal negativo (GND) de la fuente DC (11) y el segundo terminal del primario del transformador (30) ,

- al menos un par de condensadores (13A, 13B) conectados en serie, estando dicho par conectado entre el terminal positivo (VBUS) y negativo (GND) de la fuente DC (11) , generando entre ambos condensadores (13A, 13B) un punto de referencia de tensión media (CSPLIT) ,

- al menos un primer par de diodos (14) dispuestos en serie, donde el cátodo resultante de dicho par de diodos

(14) se encuentra conectado a la unión del segundo par de transistores (12B) y el ánodo se encuentra conectado a la unión del cuarto par de transistores (12D) , y donde el punto central de dicho par de diodos (14) está conectado al punto de referencia de tensión media (CSPLIT) ,

- al menos un segundo par de diodos (15) dispuestos en serie, donde el cátodo resultante de dicho par de diodos

(15) se encuentra conectado a la unión del primer par de transistores (12A) y el ánodo se encuentra conectado al tercer par de transistores (12D) , y donde el punto central de dicho par de diodos (15) está conectado al punto de referencia de tensión media (CSPLIT) ,

- al menos un primer condensador flotante (16) conectado entre los extremos del primer par de diodos (14) , que permite obtener una conmutación a cero tensión (ZVS) en el segundo y cuarto par de transistores (12B, 12D) , y

- al menos un segundo condensador flotante (17) conectado entre los extremos del segundo par de diodos (15) , que permite obtener una conmutación a cero tensión (ZVS) en el primer y tercer par de transistores (12A, 12C) .

3. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la etapa de salida (20) comprende un circuito de rectificación seleccionado entre:

- un circuito de rectificación en configuración de medio puente (21) con dos diodos rectificadores,

- un circuito rectificador en configuración de puente de “Graetz” (22) , y

- un circuito rectificador con dos diodos en configuración “doblador de corriente” (23) .

4. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 3, caracterizado porque la etapa de salida (20) comprende adicionalmente una etapa inversora para una salida AC.

5. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el terminal secundario del transformador (30) aislador comprende dos bobinados inversos de salida, que generan una tensión central de referencia.

6. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el terminal secundario del transformador (30) aislador comprende un único bobinado de salida.

7. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la etapa de entrada (10) comprende adicionalmente una capacidad conectada en serie con el primario del transformador (30) para asegurar el balanceo de flujo tensión-tiempo en caso de emplear un lazo de control en modo tensión.

8. Convertidor de potencia para equipos de soldadura por arco eléctrico, de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la etapa de entrada (10) comprende adicionalmente un condensador (18) y una inductancia saturable (19) conectadas en serie con el primario del transformador (30) , los cuales permiten obtener una conmutación de los transistores (12A, 12B, 12C, 12D) a cero tensión y/o corriente (ZVS, ZCS) .