Esta es una de las preguntas más populares en el ámbito metalúrgico, tanto entre profesionales como entusiastas. Para la comunidad de entusiastas, daré una respuesta corta y simple. Y para quienes tienen un perfil más técnico, preparé una explicación un poco más detallada y técnica.
Para entusiastas:
El motivo por el cual las soldadoras inverter son significativamente más pequeñas que las convencionales está directamente relacionado con la frecuencia de operación del transformador principal de potencia.
A menor frecuencia, el transformador necesita ser mucho más grande y robusto. En cambio, a mayor frecuencia, el transformador puede ser más compacto y liviano, sin perder potencia.
| Un equipo de soldar tradicional funciona a la frecuencia de red (50 Hz en Argentina), mientras que una soldadora inverter puede operar a partir de los 40.000 Hz o más, dependiendo de la marca y el modelo. |
Proceso antiguo:
- La tensión de red (220 V a 50 Hz) ingresa al equipo.
- Esa corriente alterna ingresa al primario de transformador de potencia.
- La corriente obtenida en el secundario del transformador de potencia y se envía directamente a la pinza de masa y pinza porta electrodos para su utilización. No hay muchas vueltas.
Dependiendo del sistema, algunas soldadoras con transformador pueden utilizar una pequeña placa electrónica para reducir su potencia. Otras pueden incorporar una o varias llaves selectoras que permiten elegir entre distintos bobinados primarios, o incluso un sistema de regulación mecánica que ajusta la posición del núcleo del transformador de potencia. Sin embargo, en todos los casos, el transformador opera permanentemente a una frecuencia de 50 Hz.
Soldadora de transformador con primario múltiple más llave selectora
En una sodadora inverter, el transformador trabaja con pulsos de 310 voltios de corriente continua a una frecuencia de aproximadamente 40 MIL Hz (aunque esta frecuencia puede variar según la marca y el modelo del equipo superando incluso los 200 mil hz).
Alcanzar una frecuencia tan alta para alimentar el transformador de una soldadora inverter no es tan sencillo como parece. Se requiere un sistema complejo que opera en varias etapas.
Proceso básico inverter:
- La tensión de red (220 V a 50 Hz) ingresa al equipo.
- Esta corriente alterna se convierte en corriente continua mediante un sistema de rectificación y filtrado.
- Luego, una placa electrónica convierte esa corriente continua en corriente alterna nuevamente, pero a una frecuencia mucho más alta (40.000 Hz o más), utilizando técnicas de conmutación. Además, esta misma placa toma el control total de la corriente que se envía al transformador de potencia, permitiendo regularla de forma precisa y en todo momento.
- La corriente obtenida en el secundario del transformador de potencia se rectifica y se envía directamente a la pinza de masa y a la pinza porta electrodos para su utilización.
Este proceso es fundamental, ya que no se puede alterar la frecuencia de la red eléctrica directamente (ver el siguiente artículo). Por eso, primero se rectifica la corriente alterna a continua y luego se «reconstruye» o invierte (inverter) nuevamente como alterna pero de alta frecuencia.
Gracias a este cambio de frecuencia, el transformador puede ser mucho más pequeño sin perder potencia. Si te interesa entender el por qué de esta afirmación, te invito a seguir leyendo.
- ¿Por qué las soldadoras inverter son más compactas?
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Para técnicos
(versión ampliada con inductancia):
En una soldadora tradicional (de tipo transformador), el núcleo magnético y el bobinado deben estar dimensionados para operar eficientemente a 50 Hz, que es la frecuencia de red. A frecuencias bajas, los transformadores requieren núcleos de gran tamaño (hierro laminado) y muchas vueltas de alambre para poder transmitir la potencia sin saturarse. Esto se traduce en peso y volumen considerables.
Las soldadoras inverter, en cambio, utilizan electrónica de potencia para elevar la frecuencia de operación del transformador principal, a valores que pueden superar los 40 kHz dependiendo de la marca y modelo del equipo. Este aumento de frecuencia tiene un impacto directo en el diseño del transformador: al operar a mayor frecuencia, es posible usar núcleos más pequeños y bobinados más compactos, manteniendo la misma capacidad de potencia. Es decir, se reduce el tamaño físico sin sacrificar rendimiento.
¿Pero cómo es posible este suceso?
Se puede decir que esto es posible gracias a la inductancia de los transformadores propiedad que tienen todos los bobinados por naturaleza y cuya existencia da como resultado una reactancia inductiva elevada dependiente de la frecuencia de trabajo. Para seguir, les voy a dejar un concepto básico de inductancia y reactancia inductiva:
La inductancia es la capacidad que tiene una bobina o inductor de almacenar energía eléctrica en forma de campo magnético cuando circula corriente por ella, y se mide en henrios (H).
La ley de Faraday-Lenz expresa que cualquier cambio en el flujo magnético a través de una bobina, induce una fuerza electromotriz (FEM) que se opone a la fuerza que la genera, creando una oposición a los cambios bruscos de corriente. Este fenómeno se conoce como auto inducción. Esto significa que, en presencia de una corriente pulsante o alterna la bobina generaría una oposición al paso de la corriente. A esta oposición se la conoce como reactancia inductiva, y se mide en ohmios (Ω). A mayor frecuencia, mayor será la reactancia.
Vamos por parte:
Esto se explica mejor si entendemos el concepto de reactancia inductiva (XL). Esta propiedad está dada por la fórmula:
XL=2πfL
donde:
- XL es la reactancia inductiva (en ohmios),
- f es la frecuencia (en Hz),
- L es la inductancia (en henrios).
Como se observa, a mayor frecuencia, mayor será la reactancia inductiva (ohmios) para una misma bobina. Esto significa que, al elevar la frecuencia, se necesita menos inductancia (vueltas de bobinas) para lograr la misma oposición al paso de corriente alterna.
Como ejemplo, imaginen lo siguiente:
Tenemos un transformador cuyo bobinado primario tiene 200 vueltas, y presenta una reactancia inductiva de 400 ohmios cuando trabaja a 50 Hz.
Ahora, si aumentamos la frecuencia a 100 Hz, la reactancia inductiva se duplicaría, pasando a ser de 800 ohmios. Esta reactancia es demasiado alta, por lo que necesitamos volver a los 400 ohmios para mantener el equilibrio en el diseño.
¿Cómo lo logramos? En lugar de bajar la frecuencia, reducimos a la mitad la cantidad de espiras del bobinado primario, dejándolo con 100 vueltas.
Esto significa que ahora tenemos un transformador más pequeño, con menos cobre, menos volumen y la misma reactancia pero funcionando a 100hz. Sin embargo, su potencia no cambia, ya que se mantendría la relación de transformación entre el primario y el secundario, así como el diámetro de los hilo de los bobinados primario y secundario para soportar la potencia original.
Esta es una de las razones clave por las cuales los transformadores en equipos inverter son mucho más compactos que los antiguos transformadores de 50 hz.
En la práctica, tanto en los sistemas inverter como en los transformadores de fuentes conmutadas, la longitud del cable utilizado en las bobinas no representa un problema, ya que estos transformadores operan con pocas vueltas de alambre debido a la alta frecuencia de funcionamiento.
Transformador con bobinado multihilos
Esto explica la reducción del bobinado, pero ¿Qué pasa con el núcleo?
Los núcleos tradicionales de hierro laminado, que funcionan bien a 50 Hz, no son adecuados para frecuencias tan altas, ya que a mayor frecuencia se incrementan las corrientes parásitas o corrientes de Foucault, que generan recalentamiento y pérdidas energéticas importantes dentro del núcleo. Por esta razón, los transformadores de alta frecuencia utilizados en los equipos inverter están fabricados con materiales ferromagnéticos especiales como ferrita (ver siguiente imagen), que tienen muy bajas pérdidas por histéresis y corrientes parásitas a altas frecuencias. Esto también contribuye a la reducción de peso y tamaño, y mejora la eficiencia general del sistema.
Además…
Sobre el bobinado de cobre, por el momento les puedo hablar de un conductor muy utilizado en la industria: el Copper-Clad Aluminum (CCA), o aluminio revestido de cobre. Se trata de un tipo de conductor que posee un núcleo de aluminio recubierto por una fina capa de cobre. Este material se emplea en transformadores de soldadoras inverter para reducir el peso y el costo, manteniendo una conductividad aceptable.
Gracias a esta combinación, es posible fabricar transformadores más livianos y compactos, lo que contribuye a la miniaturización del equipo.
Sin embargo, por razones evidentes, su conductividad eléctrica es considerablemente menor que la del cobre puro, oscilando entre el 60% y el 70% en comparación con el 100% del cobre.
El proceso en un sistema inverter
El proceso técnico que hace posible el funcionamiento de un equipo inverter es el siguiente:
- Rectificación: la tensión alterna de entrada (220 V a 50 Hz) se rectifica mediante un puente de diodos, obteniendo una tensión continua de aproximadamente 310 VDC.
- Filtrado: esta tensión continua se filtra mediante capacitores de alta capacidad, formando el llamado bus de continua (DC-Link).
- Conmutación: el bus de corriente continua (DC-Link) se convierte en corriente alterna de alta frecuencia mediante un puente inversor, generalmente compuesto por pares de transistores IGBT. Este proceso es controlado por una señal PWM proveniente de la etapa de control, la cual determina la conmutación y frecuencia de los transistores. Como resultado, se genera una corriente alterna de alta frecuencia que alimenta el bobinado primario del transformador principal.
- Control: Esta etapa permite un control digital preciso de la salida PWM mediante retroalimentación (feedback) proporcionada por diversos sensores. Esto mejora significativamente la calidad del arco, reduce el consumo eléctrico y permite incorporar funciones avanzadas como Hot Start, Arc Force y Anti Stick, exclusivas de los sistemas inverter. Además, algunos equipos de gama media y alta incluyen sistemas de corrección del factor de potencia (PFC), lo que optimiza aún más su eficiencia.
- Transformación y rectificación secundaria: el transformador trabaja con esta corriente de alta frecuencia, entregando en el secundario una tensión más baja pero con la corriente necesaria para la soldadura. Luego, esta señal puede ser nuevamente rectificada por diodos schottky de alta potencia para obtener una corriente continua en la salida.
Circuíto similar al de una fuente conmutada pero con mayor control
Entonces a nivel técnico podemos decir que el responsable directo de la reducción en el tamaño de los equipos inverter es el uso de frecuencia elevada en la etapa de potencia suministrada por un conjunto de circuitos semiconductores especializados y procesados por un transformador cuya evolución se expresa en su tamaño y peso.
Para traerlo a acotación, la primera soldadora INVERTER fue lanzada oficialmente en 1977 en una feria tecnológica en Alemania por la empresa KEMPPI bajo el nombre HILARC400.
Espero que esta información haya sido de su agrado. Cualquier sugerencia o duda escribirnos en los comentarios.
Muchas gracias por llegar hasta aquí.