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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
Figura 4-26:Formas de onda de )(ticp
e )(tvcp
do transformador real e simulado,
para o ensaio em curto.......................................................................................47
Figura 4-27:Formas de onda )(tiop
e )(tvop
do transformador real e simulado, para
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
Figura 4-30:Formas de onda de )(ticp
e )(tvcp
do transformador real e simulado,
para o ensaio em curto.......................................................................................49
Figura 4-31:Formas de onda )(tiop
e )(tvop
do transformador real e simulado, para
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
Figura 4-34:Formas de onda de )(ticp
e )(tvcp
do transformador real e simulado,
para o ensaio em curto.......................................................................................51
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
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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 6-8: Tenses e correntes para ngulo de disparo 73= . ............................ 67
Figura 6-9: Tenses e correntes para ngulo de disparo 60= . ............................ 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
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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
transformadores. ................................................................................................ 53
Tabela 4-7:Potncia aparente de entradaop
S ecp
S real e da simulao dos
transformadores. ................................................................................................ 54
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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