PROPOSTA E VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE UM MODELO PARA “MÁQUINA DE SOLDA A PONTO CA”

8/9/2019 PROPOSTA E VALIDAO EXPERIMENTAL DE UM MODELO PARA MQUINA DE SOLDA A PONTO CA

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VALDIR FURLANETTO

PROPOSTA E VALIDAOEXPERIMENTAL DE UM MODELO PARA

MQUINA DE SOLDA A PONTO CA

Dissertao apresentada EscolaPolitcnica da Universidade de So

Paulo para obteno do Ttulo deMestre em Engenharia Eltrica

So Paulo2005


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VALDIR FURLANETTO

PROPOSTA E VALIDAOEXPERIMENTAL DE UM MODELO PARA

MQUINA DE SOLDA A PONTO CA

Dissertao apresentada EscolaPolitcnica da Universidade de So

Paulo para obteno do Ttulo deMestre em Engenharia Eltrica

rea de Concentrao:Sistemas de Potncia

Orientador:Professor DoutorLoureno Matakas Jnior

So Paulo2005


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Furlanetto, Valdir

Proposta e validao experimental de um modelo para mquina de soldaa ponto CA, So Paulo, So Paulo, 2005.

XX+91 p.

Dissertao (Mestrado) Escola Politcnica da Universidade de SoPaulo. Departamento de Engenharia de Energia e Automao Eltricas.

1.Modelo Eltrico de Transformador 2.Solda por Resistncia 3.Solda aPonto 4.Transformador Saturvel 5.Ensaio de Transformador 6.Qualidade de

Energia I.Universidade de So Paulo. Escola Politcnica. Departamento deEngenharia de Energia e Automao Eltricas II.t.


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I

A meus pais, Joaquim e Maria, meus primeiros

e maiores exemplos de dedicao na luta por uma vida

digna, honrada e trabalhadora. Pessoas simples, mas

que, com seu amor, incentivo e pacincia souberam

orientar-me para poder chegar at aqui.

A minha amada esposa Neli e minhas filhas

Karen e Erika, pela pacincia, muita pacincia, pelas

horas tiradas do convvio familiar, pelo apoio e

incentivo com muito amor e dedicao. Alm da

compreenso pelo que isto significa para mim e de

quo sacrificante esta fase de minha vida est sendo.

Ao meu irmo Odair, que soube me apoiar e

incentivar, j que, como primognito, trilhou este

caminho antes de mim e me ajudou com seu exemplo.

Que Deus os abenoe e recompense por tudo!


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II

Agradecimentos

Ao professor Loureno Matakas, meu orientador, pelo tempo dispensado de

suas inmeras tarefas e pela competncia e disponibilidade no paciente ensinamento

no s da engenharia, mas da vida, sempre me dando exemplos para que eu

perseverasse neste trabalho, compreendendo as dificuldades pessoais e profissionais

por que passei durante esses anos de convivncia.

Ao professor Wilson Komatsu, pelo empenho e disponibilidade na ajuda para

que esta dissertao contribua em minha carreira profissional e na de outros colegas

engenheiros.

Ao Professor Walter Kaiser, que apesar de pouco contato, soube aprumar e

direcionar com firmeza a parte mais difcil da elaborao deste trabalho, orientaes

que foram de grande valia na minha vida.

Ao grande amigo Mario Gonalves que foi o fomentador e exemplo desde os

tempos de faculdade, para que eu conseguisse obter esta ps-graduao.

Ao especial amigo Victor Vasconcelos que, com seu apoio e grande

colaborao, teve muita pacincia e disponibilidade em me mostrar, com seu

exemplo, o caminho correto para a finalizao deste trabalho.

Ao amigo e companheiro, Marcos Bastos, que no poupou tempo e esforos

para ajudar ultrapassar meus limites: me incentivando, apoiando e sempre se

dedicando ao sucesso da minha carreira profissional.

Aos amigos Ailton, Toshimassa e todos da Marimax que no mediram

esforos nem recursos para a realizao dos ensaios prticos.

Ao amigo Leandro Pedracolli que, com sua ateno e amizade, me apoiou

durante estes anos.

Aos amigos Marcos e Wagner que, sempre bem humorados, estavam a meu

lado para me ajudar a compartilhar esta carga.

Enfim, a todos que de uma forma ou outra ajudaram a cumprir mais esta etapa

da minha vida.


6/30

III

Resumo

A larga utilizao do processo de solda a ponto por resistncia na fabricao

de veculos levou ao estudo dos equipamentos empregados nesse processo, j que so

escassas as informaes sobre o assunto. Prope-se modelo para a mquina de solda

que, simulado em computador, permita a previso dos valores de corrente, tenso,

potncia, fator de potncia e rendimento. Apresenta-se procedimento de ensaio e

tratamento dos dados para a obteno dos parmetros do modelo que descrevem a

mquina incluindo transformador, tiristores e carga. Esse procedimento, validado

experimentalmente, usa valores instantneos das tenses e correntes, permitindo que

se descreva adequadamente o comportamento no-linear do transformador. Como

aplicao, simulam-se uma mquina monofsica CA e uma trifsica CC,

comparando-as a fim de mostrar que a mquina CC no vantajosa na economia de

energia, como pregado por diversos fabricantes. Outra aplicao includa a anlise

de transitrios na corrente da rede, quando ocorre chaveamento inadequado dos

tiristores. O ltimo exemplo de aplicao analisa as perturbaes na tenso da rede e

sua influncia quando a mquina de solda instalada entre equipamentos eletrnicos.

Com este trabalho, ser possvel estudar e projetar mquinas monofsicas CA e

trifsicas CC utilizando o modelo proposto, evitando erros de construo e aplicao

desses equipamentos, alm de se obter o comportamento eltrico, de forma precisa e

previsvel, sem que seja necessrio efetuarem-se medies reais.


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IV

Abstract

The large utilization of resistance spot welding for assembly vehicles it took

to study the equipments of that process, because is rare studies about this subject. It

proposes a model for a welding machine that in computer simulation, allows

predicting values of current, voltage, power, power factor, harmonics, and machine

efficiency. It presents assay procedure and data treatment to obtain model

parameters, which describe the machine including transformer, thyristors and load.

That procedure validated experimentally, uses the voltage and current instantaneous

values, allowing a adequate description of the no linear transformer behavior. As

application it simulates a monophase AC machine and a triphase DC machine,

confronting them to show that DC machine isnt advantageous in energy saving, like

is said for various machine manufactures. Another application is current transitory

analysis in power supply line when happens a wrong thyristors firing. The last

application example analyses the supply line voltage perturbations and it influence

when a welding machine is installed between electronic equipments. With that work

it will be possible study and develop monophase AC machines and triphase DC using

the model proposed avoiding assembly and application mistakes, beyond obtain

accurate and predictable electric behavior, without real measurements in the

machine.


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V

Sumrio

Agradecimentos...................................................... ............................................................. ................ II

Resumo................................................................................................................................................III

Abstract...............................................................................................................................................IV

Lista de smbolos .......................................................... .................................................................. .VIII

ndice de Figuras........................................................ ................................................................... .. XIV

ndice de Tabelas..................... ........................................................... ............................................. XIX

Abreviaes........................................................................................................................................XX

1 Introduo ....................................................... .............................................................. .............. 1

2 Viso geral do processo de soldagem por resistncia............................................................... 4

2.1 Definio de soldagem por resistncia .............................................................. ................. 4

2.2 Princpio de funcionamento da soldagem................................................................... ........ 42.3 Comportamento trmico do ponto........................................................... ............................ 7

2.4 Seqncia de soldagem ............................................................ ........................................... 7

2.5 Variaes do processo ........................................................... ............................................. 8

2.5.1 Soldagem por projeo...................................................................... ............................. 8

2.5.2 Soldagem a topo ......................................................... .................................................... 9

2.5.3 Soldagem por costura ......................................................... .......................................... 10

2.6 Parmetros do processo..................................................... ............................................... 11

2.7 Equipamentos de solda ........................................................ ............................................. 12

3 Mquinas de solda e seus componentes ..................................................... ............................. 14

3.1 Mquina monofsica CA........................ ..................................................................... ...... 14

3.2 Mquina trifsica CC.................................... ........................................................... ......... 16

3.3 Mquina inversora de mdia freqncia (MFDC).................................................... ........ 16

3.4 Detalhes do transformador de solda.................................................................... ............. 17

3.5 Detalhes da carga (secundrio, cabeote ou pina) ......................................................... 19


9/30

VI

4 Modelamento do transformador de solda............................................................... ................ 22

4.1 Transformador ideal ...................................................... ................................................... 22

4.2 Transformador real.... ................................................................ ....................................... 23

4.3 Procedimento de obteno dos parmetros do modelo do transformador ....................... 24

4.3.1 Clculo da relao de transformao.................... ........................................................ 24

4.3.2 Clculo de Rp , Lp , Rs e Ls ........................................................ ................................... 25

4.3.3 Clculo de Rm e Lm........................................................... ............................................ 27

4.3.3.1 Obteno de Rm....................................................... ............................................ 27

4.3.3.2 Obteno do indutor varivel Lm ......................................................... ............... 29

4.4 Modelo utilizado para o transformador de solda.............................................................. 34

4.5 Determinao experimental dos parmetros do transformador....................................... 34

4.5.1 Ensaio em curto ...................................................... ...................................................... 35

4.5.2 Ensaio em vazio ......................................................... .................................................. 38

4.6 Simulao e validao do modelo......................... ............................................................ 44

4.6.1 Validao do modelo do transformador de 150 kVA...... ............................................. 45

4.6.2 Validao do modelo do transformador de 75 kVA.................... ................................. 47

4.6.3 Validao do modelo do transformador de 50kVA...................................................... 49

4.6.4 Validao do modelo do transformador de 15 kVA.................... ................................. 51

4.7 Concluso sobre o modelo proposto............................................................... .................. 54

5 Proposta de modelo para carga e tiristores e sua validao.................................................. 55

5.1 Modelos utilizados ...................................................... ...................................................... 55

5.1.1 Modelo da carga ........................................................ ................................................... 55

5.1.2 Modelo do conversor.............. ................................................................ ...................... 56

5.2 Procedimento de obteno dos parmetros dos modelos da carga e do conversor.......... 57

5.2.1 Clculo de Rc e Lc................................................... ...................................................... 57

5.2.2 Clculo de RT e VTmin ....................................................... ............................................ 57

5.3 Determinao experimental dos parmetros da carga e do conversor. ........................... 58

5.3.1 Ensaio da carga.................................................... ......................................................... 59

5.3.2 Determinao dos parmetros dos tiristores ................................................................. 61

5.4 Simulao e validao da carga. .......................................................... ............................ 62

5.4.1 Validao do modelo da carga ........................................................ ............................. 62

6 Modelamento da mquina de solda monofsica CA e sua validao via experimento e

simulao numrica ............................................................... ............................................................ 63


10/30

VII

6.1 Modelo proposto .............................................................. ................................................. 63

6.2 Procedimento de ensaio da mquina de solda................................................................. . 64

6.3 Simulao e validao do modelo da mquina de solda................................................... 66

6.4 Concluso sobre o modelo proposto da mquina de solda............................................ ... 69

7 Aplicaes do modelo proposto ................................................................. .............................. 70

7.1 Previso do desempenho de mquina trifsica CC e sua comparao com uma

monofsica CA ....................................................... ........................................................... .............. 70

7.1.1 Motivos que levaram comparao .......................................................... ................... 70

7.1.2 Modelo proposto ........................................................ .................................................. 71

7.1.3 Comparao entre as mquinas via simulao ............................................................. 717.1.4 Resultados da comparao via simulao ........................................................... ......... 74

7.1.4.1 Potncia de entrada .............................................................. ............................... 74

7.1.4.2 Corrente de entrada............................................................... .............................. 75

7.1.4.3 Fator de potncia.......................................... ....................................................... 76

7.1.4.4 Rendimento............... ................................................................ .......................... 76

7.1.4.5 Energia eltrica consumida ................................................... .............................. 77

7.1.5 Concluso sobre a comparao ......................................................... ........................... 78

7.2 Anlise do transitrio de energizao do transformador de solda em funo do ngulo dedisparo dos tiristores.......... ................................................................ ............................................. 78

7.2.1 Motivos que levaram a anlise ............................................................ ......................... 79

7.2.2 Formas de onda das correntes primria e secundria ................................................... 79

7.2.3 Explicao do transitrio de energizao ..................................................................... 81

7.2.4 Formas de onda das correntes de primrio e secundrio utilizando disparador com

pulso curto ........................................................ ........................................................... ............... 84

7.2.5 Concluso.............................................................. ....................................................... 85

7.3 Anlise das perturbaes na tenso da rede...................................... ............................... 85

7.3.1 Motivos que levaram a anlise ............................................................ ......................... 85

7.3.2 Circuito eltrico equivalente para a rede ........................................................... ........... 86

7.3.3 Formas de onda da tenso ........................................................... ................................. 87

7.3.4 Concluso.............................................................. ....................................................... 89

REFERNCIAS.................................................... ........................................................... .................. 90


11/30

VIII

Lista de smbolos

sE Energia eltrica no ponto de solda

soldaR Resistncia de contato entre as peas a serem soldadas

2soldaI Corrente de solda

st Tempo de solda

pv Tenso no primrio do transformador

pi Corrente no primrio do transformador

ngulo de disparo dos tiristores

dcV Tenso contnua retificada

convV Tenso alternada gerada pelo inversor de mdia freqncia

sv Tenso no secundrio do transformador

pN Nmero de espiras no primrio do transformador

sN Nmero de espiras no secundrio do transformador

p Fluxo primrio

s Fluxo secundrio

m Fluxo de magnetizao

N Relao de transformao

si Corrente no secundrio do transformador

efpoV Tenso eficaz no primrio para o transformador em vazio

efsoV Tenso eficaz no secundrio para o transformador em vazio

opv Tenso no primrio para o transformador em vazio

osv Tenso no secundrio para o transformador em vazio

eqR Resistncia das perdas equivalente aos enrolamentos


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IX

pR Resistncia das perdas do enrolamento primrio

sR Resistncia das perdas do enrolamento secundrio

eqL Indutncia de disperso equivalente aos enrolamentos

pL Indutncia de disperso do enrolamento primrio

sL Indutncia de disperso do enrolamento secundrio

cR Resistncia de carga do transformador

cpP Potncia ativa dissipada no primrio no ensaio em curto

eqLX Reatncia de disperso equivalente dos enrolamentos

Freqncia angular da rede de alimentao

cpQ Potncia reativa no primrio para ensaio em curto circuito

efpcV Tenso eficaz de primrio para o ensaio em curto circuito

cpv Tenso de primrio para o ensaio em curto circuito

pLX Reatncia de disperso no enrolamento primrio

sLX Reatncia de disperso no enrolamento secundrio

omv Tenso na impedncia de magnetizao para o ensaio em vazio

opi Corrente no primrio para o transformador em vazio

oav Tenso na impedncia do enrolamento primrio

omP Potncia ativa na impedncia de magnetizao para o ensaio em vazio

efmoV Tenso eficaz na impedncia de magnetizao para o ensaio em vazio

mR Resistncia das perdas no ncleo

mL Indutncia de magnetizao do ncleo

omLi Corrente na indutncia de disperso do ncleo no ensaio em vazio


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X

ppN Fluxo concatenado ao primrio

Li Corrente em indutor genrico

L Indutor genrico

Lv Tenso em indutor genrico

Fluxo mdio de integrao (offset)

nL Indutncia mdia (dado de entrada no programa PSIM)

nN Fluxo concatenado (dado de entrada no programa PSIM)

nI Corrente na indutncia mdia (dado de entrada no programa PSIM)

nL Indutor incremental da indutncia no linear

nppN Fluxo concatenado ao indutor incremental

nI Corrente no indutor incremental

nmL Indutor de indutncia no linear

nC+ Comparador de tenso positivo

nC Comparador de tenso negativo

nCh Chave de comutao

k ndice do nmero de amostras

t Instante de aquisio da amostra

kt Tempo de entre as amostragens

M Nmero de amostras

PU Valor por unidade

cpP Potncia ativa de primrio para o ensaio em curto

efpcI Corrente eficaz de primrio para o ensaio em curto

nLI Corrente de comutao do indutor incremental

mR Valor mdio de mR


14/30

XI

mZ Impedncia complexa de mR e 1mL

eqZ Impedncia complexa de eqR e eqL

d Desvio relativo entre os valores reais e simulados

cL Indutncia de disperso da carga

ci Corrente na carga

TV Tenso de juno em tiristor genrico

mnTV Tenso mnima de juno em tiristor genrico

TR Resistncia equivalente da juno em tiristor genrico

TI Corrente em tiristor genrico

efcI Corrente eficaz na carga

cP Potncia ativa na carga

mxTV Tenso mxima de juno em tiristor genrico

mxTI Corrente mxima em tiristor genrico

mnTI Corrente mnima em tiristor genrico

cS Potncia aparente na carga

cQ Potncia reativa na carga

FP Fator de potncia na carga

pS Potncia aparente no primrio

RSv Tenso de alimentao da mquina de solda

efRSV Tenso eficaz de alimentao da mquina de solda

pv Tenso no instante do disparo dos tiristores

realpv Tenso no primrio da mquina de solda real

.simpv Tenso no primrio da mquina de solda simulada


15/30

XII

realpi Corrente no primrio da mquina de solda real

.simpi Corrente no primrio da mquina de solda simulada

realsv Tenso no secundrio da mquina de solda real

.simsv Tenso no secundrio da mquina de solda simulada

realsi Corrente no secundrio da mquina de solda real

.simsi Corrente no secundrio da mquina de solda simulada

realefpV Tenso eficaz no primrio da mquina de solda real

.simefpV Tenso eficaz no primrio da mquina de solda simulada

realefpI Corrente eficaz no primrio da mquina de solda real

.simefpI Corrente eficaz no primrio da mquina de solda real

realpP Potncia ativa no primrio da mquina de solda real

.simpP Potncia ativa no primrio da mquina de solda simulada

realpS Potncia aparente no primrio da mquina de solda real

.simpS Potncia aparente no primrio da mquina de solda simulada

efsI Corrente eficaz no secundrio

realefsV Tenso eficaz no secundrio da mquina de solda real

.simefsV Tenso eficaz no secundrio da mquina de solda simulada

realsP Potncia ativa no secundrio da mquina de solda real

.simsP Potncia ativa no secundrio da mquina de solda simulada

realsS Potncia aparente no secundrio da mquina de solda real

.simsS Potncia aparente no secundrio da mquina de solda simulada

1 Monofsico

3 Trifsico


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XIII

3efpI Corrente de primrio mdia trifsica

1FP Fator de potncia na entrada da mquina monofsica

3FP Fator de potncia na entrada da mquina trifsica

Rendimento percentual da mquina de solda

pE Energia eltrica consumida pela mquina de solda

CT Ciclo de trabalho da mquina de solda

soldat Tempo total de solda em um minuto

crit ngulo de disparo mnimo dos tiristores

+ppN Valor mximo positivo do fluxo concatenado no primrio

)(timL+ Valor mximo da corrente de magnetizao

xR Resistncia equivalente das perdas refletida ao secundrio

xL Indutncia equivalente de disperso refletida ao secundrio

rR Resistncia das perdas da rede de alimentao

xL Indutncia de disperso da rede de alimentao

bC Banco de capacitores

atv Tenso primria do transformador da rede de alimentao


17/30

XIV

ndice de Figuras

Figura 2-1: Formao do ponto de solda.....................................................................5

Figura 2-2: Estrutura interna do ponto de solda. ........................................................ 6

Figura 2-3: Resistncias eltricas entre os eletrodos................................................... 6

Figura 2-4: Comportamento trmico do ponto de solda. .............................................7

Figura 2-5: Seqncia de solda. ................................................................................... 8

Figura 2-6: Soldagem por projeo. ............................................................................ 9

Figura 2-7: Fixao das peas (a) e ao da soldagem (b). ...................................... 10

Figura 2-8: Soldagem por costura. ............................................................................ 11

Figura 2-9: Pina de solda manual com transformador acoplado. ........................... 12

Figura 2-10: Pina de solda manual com transformador suspenso. .......................... 13

Figura 2-11: Pina de solda para robs. ................................................................... 12

Figura 2-12: Mquina do tipo estacionria ...............................................................12

Figura 2-13: Comando de solda. ................................................................................ 13

Figura 3-1: Representao eltrica da mquina monofsica CA. ............................. 15

Figura 3-2: Formas de onda caractersticas no conversor CA. ................................. 15

Figura 3-3 Representao eltrica da mquina trifsica CC. ................................... 16

Figura 3-4: Representao eltrica da mquina MFDC............................................17

Figura 3-5: Tipos bsicos de ncleos de transformadores de solda. ......................... 18

Figura 3-6: Ilustrao interna de transformador de solda CA. ................................. 18

Figura 3-7 Transformador e carga em mquinas estacionrias................................ 19

Figura 3-8: Carga em pina com transformador acoplado. ...................................... 20

Figura 3-9: Carga em pina com transformador suspenso........................................ 21

Figura 4-1: Representao de transformador ideal. .................................................. 22

Figura 4-2: Circuito equivalente de transformador real carregado. ......................... 24

Figura 4-3: Circuito equivalente do transformador com 0=cR . .............................. 25

Figura 4-4: Circuito equivalente do transformador com os terminais do enrolamento

secundrio em curto. .......................................................................................... 26

Figura 4-5: Circuito equivalente do transformador com =cR ............................... 28


18/30

XV

Figura 4-6: Circuito equivalente do transformador em vazio desprezando )(tvoa

considerando-se o circuito da figura 45. ......................................................... 28

Figura 4-7: Curva caracterstica de )(tN pp em funo de )(tiom

L . ......................... 30

Figura 4-8:Diagrama do modelo eletromagntico equivalente ao indutor saturvel.

............................................................................................................................ 31

Figura 4-9: Curva caracterstica da interpolao do programa PSIM..................... 31

Figura 4-10: Circuito equivalente do indutor no linear mL . ................................... 32

Figura 4-11: Grfico do fluxo concatenado. .............................................................. 33

Figura 4-12: Modelo do transformador de solda. ...................................................... 34

Figura 4-13:Instrumentao para medies do ensaio do transformador em curto. 35

Figura 4-14:Exemplo de formas de onda de tenso )(tvcp

e corrente )(ticp

de

primrio do ensaio em curto para o transformador de 50 kVA. ........................ 36

Figura 4-15:Parte da tabela da aquisio dos dados das formas de onda da figura

411.................................................................................................................... 37

Figura 4-16: Conexo da instrumentao para medies do transformador em vazio.

............................................................................................................................ 38

Figura 4-17:Exemplo de formas de onda de tenso de primrio )(tvop

e secundrio

)(tvos

do ensaio em vazio para o transformador de 50 kVA. ........................... 39

Figura 4-18:Exemplo de formas de onda de tenso )(tvop

e corrente de primrio

)(tiop

do ensaio em vazio para o transformador de 50 kVA. ............................ 39

Figura 4-19: Variao de mR em funo da tenso )(tv op . ...................................... 40

Figura 4-20: Grfico do fluxo concatenado )(kN pp pela corrente )(ki mL do indutor

no linear mL para transformador de 50 kVA. ................................................. 42

Figura 4-21: Circuito usado na simulao.................................................................44

Figura 4-22:Formas de onda de )(ticp

e )(tvcp

do transformador real e simulado,

para o ensaio em curto.......................................................................................45

Figura 4-23:Formas de onda )(tiop

e )(tvop

do transformador real e simulado, para

o ensaio em vazio. .............................................................................................. 45


19/30

XVI

Figura 4-24: Comportamento do indutor no-linear mL do transformador real e

simulado. ............................................................................................................ 46

Figura 4-25 Curva de histerese incluindo saturao e perdas do transformador real

e simulado. ......................................................................................................... 46


e )(tvcp




e )(tvop


o ensaio em vazio. .............................................................................................. 47

Figura 4-28: Comportamento do indutor no linear mL do transformador real e

simulado. ............................................................................................................ 48

Figura 4-29: Curva de histerese incluindo saturao e perdas do transformador real

e simulado. ......................................................................................................... 48


e )(tvcp




e )(tvop


o ensaio em vazio. .............................................................................................. 49Figura 4-32: Comportamento do indutor no-linear mL do transformador real e

simulado. ............................................................................................................ 50

Figura 4-33 Curva de histerese incluindo saturao e perdas do transformador real

e simulado. ......................................................................................................... 50


e )(tvcp



Figura 4-35:Formas de onda )(ti op e )(tv op do transformador real e simulado, para

o ensaio em vazio. .............................................................................................. 51

Figura 4-36: Comportamento do indutor no-linear mL do transformador real e

simulado. ............................................................................................................ 52

Figura 4-37: Curva de histerese incluindo saturao e perdas do transformador real

e simulado. ......................................................................................................... 52

Figura 5-1: Modelo da carga (secundrio). ...............................................................55

Figura 5-2: Modelo do conversor............................................................................... 56Figura 5-3: Curva tpica da de SCR em conduo. .................................................... 58


20/30

XVII

Figura 5-4: Instrumentao para as medies do ensaio da carga. .......................... 59

Figura 5-5:Formas de onda da tenso )(tvc e corrente )(tic na carga. ....................59

Figura 5-6 Curva da tenso direta pela corrente de comutao do SCR T178N. ..... 61Figura 5-7 Circuito usado na simulao da carga. ................................................... 62

Figura 5-8 Formas de onda da tenso e corrente na carga, simulado e real. ........... 62

Figura 6-1: Modelo da mquina monofsica CA. ...................................................... 63

Figura 6-2: Instrumentao para as medies do ensaio da mquina. ..................... 64

Figura 6-3:Adaptao do MM315 para obteno do sinal de corrente de solda. ....64

Figura 6-4: Tenso no primrio do transformador para o comando de solda

programado com ngulo de disparo de 115. .................................................... 65Figura 6-5: Tenses e correntes para ngulo de disparo 138= ............................ 66

Figura 6-6: Tenses e correntes para ngulo de disparo 115= ............................ 66

Figura 6-7: Tenses e correntes para ngulo de disparo 95= . ............................ 67



Figura 6-10: Tenso e corrente eficaz no primrio, real e simulado (a), potncia

ativa e aparente no primrio, real e simulado (b). ............................................ 68Figura 6-11: Tenso eficaz no secundrio, real e simulado (a), potncia ativa e

aparente no secundrio, real e simulado (b). .................................................... 68

Figura 7-1: Modelo da mquina trifsica CC. ........................................................... 72

Figura 7-2:Instrumentao do modelo monofsico CA usada na simulao. ..........73

Figura 7-3:Instrumentao do modelo trifsico CC usada na simulao. ...............74

Figura 7-4:Potncias ativas de entrada 1pP , 3pP e potncias ativa de sada 1sP ,

3sP em funo da corrente de solda efsI . ....................................................... 75Figura 7-5: Correntes eficazes de entrada monofsica 1efpI e trifsica mdia

3efpI em funo da corrente de solda efsI . ................................................... 76

Figura 7-6:Fatores de potncia monofsica 1FP e trifsica 3FP em funo da

corrente de solda efsI . ..................................................................................... 76

Figura 7-7:Rendimento da mquina monofsica 1 e trifsica 3 em funo da

corrente de solda efsI . ......................................................................................77


21/30

XVIII

Figura 7-8:Energia eltrica consumida mensalmente pela mquina monofsica

1pE e trifsica 3pE para ciclos de trabalhos CT de 1%, 2%, 5% e 10%. . 78

Figura 7-9: Corrente de primrio )(tip para 9060,45,0 e= . ................................ 79

Figura 7-10: Corrente de primrio )(tip nos dois primeiros ciclos. ......................... 80

Figura 7-11: Corrente de secundrio )(tis para 9060,45,0 e= . ........................... 80

Figura 7-12: Conversor com disparador de pulso longo. ..........................................81

Figura 7-13 Corrente e tenso de magnetizao )(timL

e )(tvmL

, fluxo concatenado

no primrio )(tN pp , no primeiro ciclo de energizao para 0= . ..............82

Figura 7-14 Correntes no primrio )(tip , de magnetizao )(ti mL e secundrio

refletida Ntis /)( nos primeiros cinco ciclos de energizao para 0= . ....... 83

Figura 7-15: Correntes no primrio )(tip , de magnetizao )(ti mL e secundrio

refletida Ntis /)( nos primeiros cinco ciclos de energizao para 60= . ..... 83

Figura 7-16:Decaimento da corrente de magnetizao )(timL+ e do fluxo

concatenado no primrio )(tN pp+ para 0= . ............................................... 84

Figura 7-17: Correntes de primrio )(tip e secundrio )(tis com os tiristores

disparados com pulso curto para 0= . .......................................................... 85

Figura 7-18: Circuito eltrico equivalente da rede de alimentao. ......................... 86

Figura 7-19: Tenso na entrada da mquina de solda )(tvRS . .................................. 87

Figura 7-20: Corrente na entrada da mquina de solda............................................87

Figura 7-21: Retificador com filtro capacitivo........................................................... 88

Figura 7-22: Tenso de sada (CC) do retificador conectado a rede. ....................... 88


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XIX

ndice de Tabelas

Tabela 2-1:Parmetros orientadores para soldagem de chapas de ao 1010..........12

Tabela 4-1:Parmetros do ensaio em curto de todos os transformadores testados. 38

Tabela 4-2: Valores dos parmetros do ensaio em vazio de todos os transformadores

testados...............................................................................................................43

Tabela 4-3: Valores em PU dos parmetros do ensaio em vazio de todos os

transformadores testados. ..................................................................................43

Tabela 4-4: Comparao de eqZ e mZ . ................................................................... 43

Tabela 4-5: Correntes eficazes de entrada efpoI e efpcI real e da simulao dos

transformadores. ................................................................................................ 53

Tabela 4-6:Potncia ativa de entradaop

P ecp

P real e da simulao dos


Tabela 4-7:Potncia aparente de entradaop

S ecp

S real e da simulao dos


Tabela 5-1: Comparao dos valores reais e simulados. ..........................................62

Tabela 6-1: Tenso e corrente eficazes no primrio real e simulado........................ 69

Tabela 6-2: Tenso e corrente eficazes no secundrio real e simulado. ...................69

Tabela 7-1:Parmetros do transformador, rede e banco de capacitor. ...................86

Tabela 7-2:Parmetros da rede e do retificador....................................................... 89


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XX

Abreviaes

AC Alternating Current

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contnua

CLP Controlador Lgico Programvel

CNC Computer Numerical Control

DC Direct Current

MFDC Medium Frequency Direct Current

PWM Pulse Width Modulation

SCR Silicon Controlled Rectifier


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1

1 INTRODUOEste estudo surgiu da necessidade de se conhecer melhor as mquinas de

soldagem por resistncia CA, amplamente usadas na indstria automobilstica. At

onde se tem conhecimento, as informaes sobre esse assunto so muito limitadas e

fragmentadas. Para evidenciar a importncia desse tipo de mquina na indstria

automobilstica, preciso mencionar que veculo tem em mdia 5000 pontos de solda

(PEDRACOLLI, 2004); que o nmero de equipamentos instalados no Brasil em

estaes de trabalho manuais e robotizadas, somente para a produo de veculos,

ultrapassa 10000 unidades (ADIS, 2005) e que, baseado na produo brasileira de

veculos (ANFAVEA, 2005), so realizados diariamente em torno de 25 milhes de

pontos de solda.

Ficar evidente, nos captulos seguintes, que o comportamento eltrico da

mquina tem influncia direta na soldagem, pois se trata basicamente de processo de

transformao de energia eltrica em trmica.

Por muitas vezes, projetistas e usurios de mquinas de solda necessitam de

informaes para prever o comportamento do sistema em situaes particulares. Por

exemplo, pode-se desejar:

Estudar as perturbaes ocasionadas por grupo de mquinas na rede

de alimentao.

Conhecer a influencia de detalhes construtivos (dimenses e

geometria de cabos, barramentos, transformador).

Projetar e verificar o desempenho de controladores de corrente,

tenso ou potncia, propostos.

A obteno dessas informaes pode ser feita, experimentalmente, nos

equipamentos existentes na planta, sendo obtidas por medies de difcil realizao

(RAMBOZ, 2002), j que os nveis de corrente so elevados (5 kA 50 kA) (MET.

MARIMAX, 2005), as impedncias muito pequenas (50 1000 ) com tempos

pequenos de circulao de corrente (50 ms 500 ms), necessitando equipamentosespeciais. Essas medies so geralmente trabalhosas e com custo elevado, podendo


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2

exigir alteraes muitas vezes impraticveis na mquina ou nas instalaes. Esses

problemas podem ser adequadamente resolvidos dispondo-se de modelo matemtico

que permita simulao em computador, sem a necessidade do sistema real.

O modelo proposto bem simples, sendo representado por circuito eltrico

que permite a obteno de todas as informaes necessrias para se caracterizar a

mquina a partir da rede de alimentao at os eletrodos, no incluindo as

resistncias que compe as peas a serem soldadas. O comportamento da resistncia

entre os eletrodos bem conhecido (SOO-WOONG &SUCK-JOO,1990;GARZA,2000;

FONSECA,1999) e no ser considerado neste estudo.

A apresentao do modelo no formato de circuito eltrico bastante conveniente por

permitir que seja executada a simulao em qualquer programa para este fim como o

PSIM (POWERSIM, 2005), Multisim (MATHWORKS, 2005), Matlab (OrCAD, 2005)

( Power System Toolbox), Pspice , entre outros. Para a obteno dos parmetros do

modelo foram realizados ensaios experimentais em mquinas monofsicas CA

comercializadas no mercado brasileiro e utilizadas na soldagem de componentes

automotivos. O mtodo proposto baseia-se na obteno das correntes e tensesinstantneas e posterior tratamento matemtico dos dados. Esse mtodo permite que

a no-linearidade do ncleo do transformador seja adequadamente descrita e

estudada. A validao do modelo foi obtida comparando-se os resultados prticos e

simulados das correntes, tenses, potncias e fator de potncia.

A indstria nacional, at este momento, produz somente mquinas

monofsicas CA (ADIS, 2005), porm, empresas de representao oferecem

equipamentos importados que operam com transformadores trifsicos com sada

retificada, denominados Trifsicos CC e sistemas inversores com freqncia de

operao entre 1000 Hz 1200 Hz e sada retificada, denominados de Mdia

Freqncia. O modelo trifsico CC oferecido no mercado nacional com o atrativo

de economia de energia e melhor rendimento se comparado ao monofsico CA.

Devido a essas afirmaes, sem comprovao, este trabalho apresenta, a partir do

modelo monofsico, modelo para a mquina trifsica. Por meio de simulao dos

dois tipos de equipamentos, para os mesmos parmetros de soldagem, os resultadosforam comparados verificando-se que as afirmaes impostas ao mercado no so


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3

verdadeiras (FURLANETTO,2003). Esse o primeiro exemplo da aplicao do modelo

de mquina de soldagem por resistncia.

De forma resumida, este trabalho apresenta, no captulo 2, viso geral do

processo de soldagem, suas variaes e definies fsicas de funcionamento. No

captulo 3 mostrada a mquina de solda monofsica CA, seus componentes e tipos

de controle, alm de introduo bsica dos equipamentos de Mdia Freqncia. No

captulo 4 apresenta-se o modelamento do transformador de solda, mtodos de

clculo dos parmetros e ensaios executados. Os modelos do tiristor e da carga so

mostrados no captulo 5. No captulo 6 executa-se a simulao do modelo completo

da mquina monofsica CA, compara-se os resultados com a mquina ensaiada e se

valida o modelo. O captulo 7 apresenta o modelo para a mquina trifsica CC e a

comparao eltrica com a mquina monofsica CA. Outro exemplo mostra o

comportamento da rede quando o transformador de solda acionado

inadequadamente. Finalizando, simulada a rede de alimentao com a mquina de

solda e seus efeitos na tenso de alimentao.


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4

2 VISO GERAL DO PROCESSO DESOLDAGEM POR RESISTNCIA

Neste captulo apresentam-se os conceitos bsicos eltricos, mecnicos e

trmicos do processo de soldagem por resistncia. Mostram-se as variaes do

processo em relao aos diferentes produtos soldados.

2.1 Definio de soldagem por resistnciaA soldagem por resistncia a fuso de metais produzida a partir da

superfcie de contato entre elas, por meio do calor gerado por efeito Joule durante a

circulao da corrente eltrica na resistncia de juno (KEARNS, 1984). As

principais caractersticas desse processo so: a rpida formao do ponto de unio,

materiais metalurgicamente compatveis, inexistncia de adio de material externo e

pequena mudana na estrutura metalrgica da regio termicamente afetada.

2.2 Princpio de funcionamento da soldagemPor meio da circulao da corrente eltrica entre os eletrodos de contato com

as peas gerado, por efeito Joule, quantidade de calor na resistncia de contato

entre as superfcies provocando a elevao de temperatura iniciando a fuso dos

metais (KEARNS, 1984). Como os eletrodos aplicam fora entre as peas, a massa

metlica que est se fundindo fica sob presso, evitando sua expulso pela superfcie

de contato. Esse procedimento produz unio com caractersticas metalrgicas parecidas com o processo de forjamento. Evitar perda da massa fundente

fundamental, j que o processo no possui adio de material e, portanto, no se deve

retirar material. A fora tambm controla a resistncia de contato entre os materiais.

A figura 21 ilustra o momento em que o ponto alcana a fuso completa.


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5

Figura 2-1: Formao do ponto de solda.

Os eletrodos tm refrigerao gua devido alta temperatura alcanada na

rea de fuso e na superfcie de contato com a pea. O pequeno tempo (alguns

centsimos de segundo) em que a corrente circula pelos eletrodos faz com que a

elevao da temperatura seja muito rpida, exigindo que a refrigerao seja eficiente

para que o eletrodo no derreta na superfcie de contato com a pea. A ineficincia

da refrigerao provoca desgaste prematuro dos eletrodos e falhas de fuso do ponto

de solda (KEARNS,1984). Essa refrigerao tambm ajuda no resfriamento do ponto.

Aps a fuso os eletrodos permanecem exercendo fora entre as peas para que haja

a solidificao dos metais. O aspecto interno do ponto de solda est ilustrado na

figura 22.


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90

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Documents

PROPOSTA E VALIDAÇÃO EXPERIMENTAL DE UM MODELO PARA “MÁQUINA DE SOLDA A PONTO CA”