Flutuação de tensão e inter-harmônicas no processo de soldagem MIG pulsado

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1 Flutuação de tensão e inter-harmônicas no processo de soldagem MIG pulsado Ezio Fernandes da Silva e Américo Scotti - Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Goiás, Rua 75, n o 6, Centro. CEP: Goiânia GO - Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campus Santa Mônica Av. João Naves de Ávila, n o. Uberlândia MG José Rubens Macedo Jr e José Carlos de Oliveira - Universidade Federal de Uberlândia, Faculdade de Engenharia Elétrica, Campus Santa Mônica Av. João Naves de Ávila, n o. Uberlândia MG Resumo Este trabalho trata da análise da qualidade da energia elétrica, abordando particularmente os efeitos dos fenômenos relacionados com a flutuação de tensão e com a geração de componentes inter-harmônicas em processos de soldagem tipo MIG (Metal Inert Gas) pulsado. As frequências de soldagem do processo MIG pulsado são determinadas pela variação de parâmetros como tempo de base e tempo de pulso. Assim, o presente trabalho mostrará a relação física entre a freqüência de soldagem utilizada no processo MIG e os impactos decorrentes no sistema supridor associados com a flutuação de tensão e geração de componentes inter-harmônicas. Palavras-chaves MIG pulsado, frequência de pulso, flutuação de tensão, inter-harmônicas. II. PROCESSO MIG PULSADO No processo de soldagem MIG pulsado é possível a obtenção de uma seqüência de gotas destacadas de maneira regular através de um ajuste da freqüência de pulso. A vantagem do processo MIG pulsado esta na regularidade da transferência metálica e no menor aporte térmico solicitado []-[]. A fig. mostra a forma de onda da corrente de soldagem e a equação () representa matematicamente a corrente média de soldagem []. I. INTRODUÇÃO O Processo de soldagem MIG pulsado é utilizado como solução onde se deseja reduzir o nível de respingos do processo, juntamente com um melhor acabamento do cordão de soldagem. Pode ser aplicado em estruturas de chapas finas em posições desfavoráveis, devido à menor corrente média solicitada pelo processo de soldagem tipo MIG. O termo pulsado, utilizado para definir o processo de soldagem em estudo, refere-se à modulação produzida no sinal da corrente de soldagem com o intuito de se promover o controle da transferência metálica, ou seja, transferência de gotas de solda por pulso. Dessa forma, dependendo da frequência de pulso (modulação) estabelecida como parâmetro de entrada da máquina de soldagem, os distúrbios na qualidade da energia elétrica verificados no sistema supridor, tais como flutuação de tensão, distorções harmônicas e interharmônicas, poderão aparecer em maior ou menor grau. No presente trabalho serão abordados apenas os aspectos qualitativos relacionados com a operação de máquinas de solda tipo MIG pulsado e a qualidade da energia elétrica, sendo que as análises quantitativas serão estabelecidas em trabalhos futuros. E. F. da Silva, efs@ifg.edu.br, Tel , A. Scotti, ascotti@mecanica.ufu.br, Tel , J. R. Macedo. Jr., jrubens@eletrica.ufu.br, Tel , J. C. Oliveira, jcoliveira@ufu.br, Tel Fig.. Forma de onda da corrente de soldagem (processo MIG pulsado). Onde: I p = corrente de pulso; I b = corrente de base; t p = tempo de pulso; t b = tempo de base; (f p =/ t b +t p ) = frequência de pulso I m I. t + I. t = t + t b b p p III. FLUTUAÇÃO DE TENSÃO E INTER-HARMÕNICAS Problemas associados com a flutuação de tensão podem surgir quando da operação de cargas elétricas que produzem expressivas variações da potência reativa, ou ainda em decorrência da operação de cargas geradoras de componentes inter-harmônicas (cargas de dupla conversão) [5]. Em termos práticos, inclusive, os fenômeno não podem existir individualmente em um mesmo sistema, ou seja, a existência de um deles implica necessariamente na existência do outro. b p () 6

2 Uma tensão ou corrente inter-harmônica possui uma frequência fracionária (múltipla não inteira) da frequência fundamental. Analiticamente, a freqüência de flutuação de tensão (f f ) será sempre igual ao módulo da diferença entre a freqüência inter-harmônica (f ih ), sobreposta ao sinal fundamental, e a freqüência harmônica imediatamente adjacente (f h ), conforme representado em () [6]. f f = fih ± fh () A medição das flutuações de tensão é desenvolvida através da utilização de um dispositivo denominado flickermeter. O protocolo associado ao mesmo é estabelecido pela publicação IEC 6--5 [7]. A fig. mostra um diagrama de blocos simplificado do flickermeter IEC. Fig.. Diagrama de blocos simplificado do flickermeter IEC [5]. Um dos indicadores utilizados para quantificação dos níveis de flutuação de tensão é o Pst (Probability Short Term),o qual representa a medida da sensação instantânea de flicker (saída do bloco ) com base em um período de observação de minutos. IV. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL A fig. mostra o sistema desenvolvido para aquisição dos dados da qualidade da energia elétrica, assim como do processo de soldagem MIG pulsado [8]. Foi utilizada no processo uma fonte de potência de soldagem eletrônica (chaveada no secundário) com potência nominal de kw e corrente máxima de saída igual a 5 A. O diâmetro do eletrodo utilizado foi, mm, com a vazão de gás mantida a uma taxa de 5 l/min. Os parâmetros foram devidamente configurados com o intuito de produzir condições satisfatórias para a soldagem em todos os ensaios. A tabela I apresenta os parâmetros utilizados nos ensaios. Outros parâmetros utilizados foram: distância bico de contato-peça (DBCP) igual a 6 mm, com gás de proteção Ar + 8% CO. O tempo de pulso, a corrente de pulso e a corrente de base foram definidas como sendo iguais a ms, A e 5 A, respectivamente. O tempo de base foi modificado para cada um dos sete ensaios realizados, a fim de se obter a freqüência de pulso desejada. A freqüência de pulso (f p =/ t b +t p ) é o número de ocorrência da corrente de pulso por segundo. O período de pulso (t= t b +t p ), por sua vez, é definido como sendo o período entre o inicio do pulso e o fim do tempo de base (anterior ao próximo pulso). TABELA I PARÂMETROS USADOS NO PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Ensaio Ip (A) Ib (A) tp (ms) tb (ms) fp (Hz) Im (A) Pst (pu) Velocidade de alimentação do arame (m/min) 5,,5 8,5,9,7 5 8, 5,5 95,5,95, 5 5, 5,8,8,858, 5, 55,6 5,6,95, 5 5,7 6, 9,9,78,6 6 5,6 68,7 8,7,955, 7 5 7,6 86, 6,,865,5 V. RESULTADOS OBTIDOS As investigações consideraram um período de minutos ininterruptos do processo de soldagem a fim de se determinar o indicador Pst para cada um dos ensaios realizados. As tensões e correntes registradas nos ensaios foram obtidas a partir de janelas amostrais de 6 ciclos de duração, resultando um espectro de freqüências com resolução de, Hz, tornando possível, portanto, uma correta identificação das componentes inter-harmônicas presentes nos sinais registrados. A tabela I apresenta os resultados obtidos para o indicador Pst em cada ensaio realizado. Verifica-se, portanto, que apesar da grande variação da frequência de pulso (,5 Hz a 86, Hz), os valores registrados para o indicador Pst permaneceram praticamente constantes em cada um dos ensaios. Fig.. Diagrama esquemático da aquisição do sistema [8]. As tensões e correntes trifásicas no lado primário do transformador da máquina de solda foram registradas considerando uma taxa de aquisição igual a 6 amostras por ciclo. Os seguintes parâmetros físico-elétricos foram registrados: tensão no arco, corrente de soldagem e a velocidade de alimentação do eletrodo. As fig. (a) a (g) mostram os oscilogramas da tensão e da corrente instantânea no lado primário do transformador da máquina de solda, bem como no arco elétrico de soldagem. As características v x i também são mostradas nas referidas figuras. 6

3 (a) 5 5 (d) (b) (e) (c) (f) 5-5 6

4 (c) 5 5 (g) (d) Fig.. Oscilogramas das tensões e correntes no primário da máquina de solda e no arco elétrico de soldagem para as diferentes freqüências de pulso. (a),5 Hz; (b) 5,5 Hz; (c) 5,8 Hz; (d) 55,6 Hz; (e) 6 Hz; (f) 68,7 Hz e (g) 86, Hz. Com base nas características v x i mostradas na fig., para as diversas frequências de pulso utilizadas, observa-se a existência de uma relação totalmente não linear entre tensão e corrente, tanto no lado primário quanto no arco elétrico de soldagem. De fato, tal relação era perfeitamente esperada. Estes fenômenos são característicos das cargas elétricas a arco, principalmente no caso de imposição de corrente a uma frequência pulsada. Com base na fig., pode-se também observar o elevado nível de distorção na forma de onda da corrente no lado primário do transformador da máquina de solda, a qual está (em grande parte) sendo injetada no sistema supridor da concessionária local. Nesse sentido, a fig. 5 apresenta o espectro de frequências da tensão e da corrente no lado primário do transformador da máquina de solda, com resolução de, Hz, para diferentes frequências de pulso utilizadas no processo de soldagem. (e) (f) (g) Fig. 5. Espectro de corrente e tensão no lado primário do transformador da máquina de solda, para as seguintes freqüências de pulso. (a),5 Hz; (b) 5,5 Hz; (c) 5,8 Hz; (d) 55,6 Hz; (e) 6 Hz; (f) 68,7 Hz e (g) 86, Hz. (a) (b) Como resultado da análise da fig. 5, constata-se que a freqüência de pulso imposta na corrente de soldagem está diretamente relacionada à freqüência inter-harmônica verificada nos sinais de corrente no lado primário do transformador da máquina de solda. Porém, tal relação é verificada da seguinte forma: para uma freqüência de pulso igual a,5 Hz verificam-se correntes inter-harmônicas com freqüências de,5 Hz (6 Hz,5 Hz) e 9,5 Hz (6 Hz +,5 Hz); para uma freqüência de pulso igual a 5,5 Hz verificam-se correntes inter-harmônicas com freqüências de,5 Hz (6 Hz 5,5 Hz) e 5,5 Hz (6 Hz + 5,5 Hz), e assim por diante. Como a resolução espectral é de apenas, Hz, os respectivos valores indicados no espectro serão iguais a 6 Hz e 9 Hz, assim como 5 Hz e 5 Hz, e assim por diante, acompanhados, obviamente, de certo conteúdo de espalhamento espectral. 6

5 Uma observação importante deve ser feita em relação à frequência de pulso igual a 6 Hz, ou seja, a frequência de pulso é coincidente com a frequência fundamental do sistema. Neste caso, ilustrado na fig. 5(e), não são observadas componentes inter-harmônicas na corrente, nem tampouco na tensão. O que se verifica são apenas componentes harmônicas e um elevado conteúdo de espalhamento espectral (intrínseco à Transformada de Fourier). A única ressalva diz respeito ao surgimento de uma componente inter-harmônica com frequência de, Hz, originada pela dificuldade de sincronismo exato entre a frequência de pulso e a frequência fundamental. Caso tal sincronismo fosse perfeito, a sensação instantânea de flicker no barramento primário do transformador da máquina de solda (mostrado mais adiante) seria inexistente. Em relação às componentes harmônicas, as Tabelas II e III mostram os resultados das amplitudes e frequências dessas componentes para a corrente e a tensão no primário do transformador da máquina de solda. A amplitude da tensão no lado primário (com ou sem carga), para a, 5 a e 7 a harmônicas, é reduzida quando a carga é aplicada. Esta análise é válida também para a corrente no lado primário do transformador para o caso específico da frequência de a harmônica. Para a 5 a e 7 a harmônicas, os resultados foram opostos. TABELA II RESULTADOS CORRENTE PRIMÁRIA Finalmente, a fig. 6 mostra a sensação instantânea de flicker (S f ), no lado primário do transformador da máquina de solda, para todos os 7 ensaios realizados (a) (b) TABELA III RESULTADOS TENSÃO PRIMÁRIA (c) (d) 6

6 (e) (f) V. CONCLUSÕES O trabalho ora proposto apresentou uma investigação experimental sobre o funcionamento da máquina de soldagem no processo MIG pulsado, considerando diferentes frequências de pulso, e seus impactos na qualidade da energia elétrica no sistema supridor, com ênfase nos fenômenos da flutuação de tensão, inter-harmônicas e harmônicas de tensão e corrente. Conforme observado, a máquina de solda apresenta um forte comportamento não linear durante todo o processo de soldagem, injetando correntes harmônicas e inter-harmônicas na rede elétrica local. Para o caso particular das frequências inter-harmônicas, os resultados apresentados demonstraram uma forte correlação entre a frequência de pulso utilizada no processo de soldagem e a frequência da componente interharmônica injetada no sistema supridor. Conseqüentemente, pode-se afirmar que a escolha da frequência de pulso irá definir as frequências interharmônicas injetadas no sistema supridor. Finalmente, os resultados obtidos no presente trabalho carecem ainda de maiores estudos em relação às relações existentes entre a frequência de pulso do processo de soldagem e a sensação instantânea de flicker percebida na tensão junto ao primário do transformador da máquina de solda. Esse assunto específico será objeto de uma próxima publicação dos autores. VI. REFERÊNCIAS (g) Fig. 6. Sensação instantânea de flicker para as seguintes freqüências de pulso. (a),5 Hz; (b) 5,5 Hz; (c) 5,8 Hz; (d) 55,6 Hz; (e) 6 Hz; (f) 68,7 Hz e (g) 86, Hz Vale ressaltar que para o caso da fig. 6(e), deveria ser esperada uma sensação instantânea de flicker próxima a zero. Isto não foi possível, devido ajuste no tempo de base possibilitar apenas uma freqüência de pulso de 59,8 Hz, assim sendo, não é possível a obtenção de uma sincronia perfeita entre a freqüência de pulso e a freqüência fundamental do sistema supridor (6 Hz). Em outras palavras, a inexistência de freqüências inter-harmônicas implica a inexistência de flutuação de tensão. Como já dito, um fenômeno não pode existir sem a existência do outro. [] A. Scotti, A Review on Special Metal Transfer Modes in GMAW, Rev. Bras. de Ciências Mecânicas - RBCM, ABCM, vol XX, no., Set 998, pp (ISSN -786). [] V. Ponomarev, A. Scotti, J. Norrish and W. LUCAS, Metal Transfer Modes in MIG/MAG (GMAW) Welding: Contributions to a New IIW Classification, IIW Doc. XII-96-9, 9. [] L. O. Vilarinho, A. Scotti, An Alternative Algorithm for Synergic Pulsed GMAW of Aluminum, In: Australasian Welding Journal, vol. 5, nd Quarter,, pp. 6- (ISSN9-6) ( [] P.K. Palani, N. Murugan, Selection of parameters of pulsed current gas metal arc welding, Journal of Materials Processing Technology Volume 7, p. -, 6. [5] J. R. Macedo Jr., Simonetti, D. S. L., As interharmônicas e o fenômeno da cintilação luminosa, In: VIII CBQEE 9, Blumenau SC, 9. [6] T. Tayjasanant, W. Wencong, L. Chun and W. Xu, Interharmonic flicker curves, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol., No., April. [7] IEC6--5: Edition.. Electromagnetic Compatibility (EMC) - Part-5: Testing and Measurement techniques Functional and design specifications,. [8] E. F. da Silva, J. R. Macedo Jr, A. Scotti, J. C. de Oliveira, Power quality analysis of gas metal arc welding process operating under different drop transfer modes, International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ'), Las Palmas de Gran Canária -5 April,. 65