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BREVET D'INVENTION " Procédé d'alimentation et transformateur pour circuit de soudure à l'aro".
Jusqu'à présent, pour alimenter les circuits de soudure à l'arc encourant, alternatif, on s'est servi généralement de transformateurs à forte dispersion donnant une caractéristique en charge tombante, la force électromotrice du secondaire étant sinusoïdale.
La. différence 'de potentiel à vide au secondaire était en général assez élevée et de l'ordre de 75 à 100 Volts, tandis que la différence de potentiel en charge tombait automatique- ment à 25-30 volts à cause des caractéristiques spéciales de oes transforma.teurs.
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Les transformateurs de soudure de ce genre présentaient un facteur de puissance de 0,25 à. 0,35 par suite de l'effet de self- induction provoquant la chute de tension en charge. Comme le rapport des tensions à vide et en charge était élevé (3 à 4) ainsi que la puissance apparente du transformateur, l'utilisa- tion de l'installation était très médiocre.
Pour réduire ces inconvénients, on a imaginé notamment d'appliquer aux bornes de l' ara, outre la tension à basse fré- quence habituelle, une tension à haute fréquence obtenue par exemple par la décharge d'un circuit oscillant. On connaît notamment des appareils qui comportent. un transformateurprin- cipal pouvant débiter le courant de soudure, et un transforma- teur auxiliaire. Ce dernier engendre un courant à haute fré- quenoe et à haute tension qui est appliqué un très grand nonbre de foi@s pendant la duréé d'une alternance de la tension princi- pale.
Ces appareils offrent plusieurs inconvénients: ils se dé- règlent facilement s'ils restent longtemps en service, l'iso- lement de leur circuit à haute fréquence est difficile à assurer et l'ouvrier est exposé à être sérieusement @ brûlé par la tension à haute fréquence.
La présente invention remédie dans une large mesure aux in- convénients des appareils ordinaires et à ceux des circuits à haute fréquenoe.
A cet effet-.,-selon l'invention, on applique entre l'électro- de et la pièce à souder une différence de potentiel qui dont la courbe à vide présente au début de chaque alternance, et une seule fois seulement une pointe de tension de faible durée. Cette pointe correspond à la tension nécessaire et suffisante pour produire l'amorçage de l'arc. Ensuite, pendant tout le reste de l'alternance, on applique une différence de potentiel nécessaire et suffisante pour assurer l'entretien de l'arc amorcé.
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Ces conditions sont réalisées avantageusement par l'emploi d' appareils générateurs outransformateurs, dits principaux, capables de développer à videune tension nécessaire et suffi- sante pour entretenir l'arc supposé amorcé et qui sont couplés de préférence en série) avec des appareils générateurs ou transformateurs, dits auxiliaires. Ceux-ci doivent pouvoir dé- velopper à vide, une seule fois au début de chaque alternance de la tension principale, une tension nécessaire et suffisante pour amorcer l'arc. Il faut done prévoir un déphasage convena- ble des forces électromotrices.
Lorsqu'il S'agit d'alimenter un circuit de soudure à l'arc à partir d'une source de courant triphasé, on prévoit par exem- ple, selonl'invention, que le primaire du transformateur auxi- liaire soit alimenté par la phase décalée à 120 électriques en @@@ avance par rapport à la phase qui alimente le primaire du transformateur principal, et que les secondaires des deux transformateurs soient connectés en série de façon que leurs
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forces éleotrcmotrioes s' ajoutent.
Les deux transformateurs envisagés doivent présenter des chutes de tension En charge compatibles avec un fonctionnement stable de l'arc: il faut que la différence de potentiel aux bornes de celui-ci tombe aux environs de 25volts, ce qui peut être réalisé sans difficulté par tout homme de métier.
On peut notamment réaliser un appareil selon l'invention au moyen de deux transformateurs monophasés dent les primaires sont raccordés en V aux bornes du réseau d'alimentation supposé tri- phasé. Mais il est préférable d'utiliser comme transformateur principal un transformateur triphasé-monophasé dont le primaire soit raccordé en V aux bornes du réseau et comme transforma- leur auxiliaire un transformateur monophasé dent le primaire soit raccordé aux bornes qui'se trouvent aux extrémités du V.
Ce dernier mode de couplage offre l'avantage d'améliorer l'equilibrage des phases du réseau. En effet, le primaire du
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transformateur auxiliaire forme la.'troisième phase qui n'existe qu'à l'état virtuel dans le oas ordinaire du branchement en V.Les frets courants de ligne peuvent ainsi être dans le rapport 0,8-1- 0,8,alors que pour les transformateurs triphasés-monophasés ordi- naires, on n'attent que 0,5-1-0,5'
Les dessins annexés au présent mémoire représentent schémati- quement,et à titre d'exemple seulement,deux formes de réalisation de l'invention.
La figure 1 montre le schéma d'un appareil convenant pour réa- liser le procédé selon l'invention et qui cohorte deux transforma- teurs monophasés dont les primaires sont raccordés en V aux bornes d'un réseau d'alimentation triphas é.
Les figures.2,3 et 4 représentent.sous forme de courbes,la ten- sion engendrée à vide pendant une alternance de la source d'alimen- tation,respactivement aux bornes du secondaire du transformateur principal,aux bornes du secondaire du transformateur auxiliaire et entre l'électrode et la pièce à souder.
La figure 5 montre sschématiquement uns forme de réalisation du transformateur auxiliaire selon l'invention.
La figure 6 donne le schéma d'un appareil selon l'invention @ àt qui comporte un transfo nmateur principal monophasé dont le primaire est raccordé en V aux bornes d'un réseau triphasé,aveo un transfo moteur auxiliaire monophasé dont le primaire est raccor- dé aux bornes qui se trouvent aux extrémités du V.
Dans oes diverses figures,les mêmes notations désignent des éléments identiques.
Soient (figure 1) 1,2,3, les trois fils de distribution d'un réseau triphasé dont le sens de rotation des phases est 1-2, 2-3, 3-1. Le primaire 4a d'un transformateur monophasé 4, dénommé ci-après transformateur auxiliaire,est branohé sur la phase 1-2 qui est donc à 120 électriques en avance sur la phase 2-3. La puissance de de transformateur auxiliaire est relative- ment faiole, par exemple de l'ordre de 30 à 40% de la puissance du transformateur principal dont il va être question, ces ohif-
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fres étant donnés à titre purement indicatif.
Le primaire 5a d'un transformateur monophasé 5, dénommé co-après transformateur principal, est branché sur la phse 2-3 qui est donc à 120 électriques en retard sur la phase 1-2.Les primaires des deux transformateurs soit donc raccordés en V.Le transformateur principal 5 est un transformateur ordinaire pour la soudure à l'arc mais il est construit defaçon à ne dévelop- per à vide que la tension nécessaire et suffisante à l'entre- tien de l'arc. A vide, la tension résultante des deux transfor- mateurs est par exemple de 45 à 55 volts. La tension d'amorçage peut valoir par exemple de 2 à 2,5 fois la force éleotromotri- ce lue au voltmètres
Ce transformateur 5 est, comme tous les transformateurs ordinaires de soudure, un transformateur à caractéristique en charge tombante.
La différence de potentiel que les deux trans- formateurs maintiennent en charge aux bornes de l'aro est d'en- viron 25 volts.
La courbe représentant la différence de potentiel engendrée à vide dans le secondaire estpar exemple du genre de celle re- présentée en 10 à la figure 2. Cette courbe doit se rapprocher
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autant que possible d' unt::. s1nusode':.
Le transformateur auxiliaire 4 est un transformateur or- dinaire à deux noyaux et à deux culasses (figure 5), dont le noyau 12 du secondaire est construit de façon à. être rapidement saturé sous l'influence du flux émis par le primaire. A cet effet, ce noyau est par exemple réalisé en un métal magnétique à haute perméabilité tel que le permalloy. On réalise de cette façon la transformation de l'onde primaire sinusoïdale en une onde secondaire de forme pointue.
On peut également réaliser le transformateur auxiliaire de toute autre manière oonnue permettant d'obtenirla saturation d'un desroyaux.
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La. courbe représentant la différence de potentiel engen- drée à vide dans le secondaire du transformateur auxiliaire est par exemple du genre de la courbe 22 de la figure 3.
L'enroulement secondaire 5b du transformateur principal est connecté en série avec l'enroulement secondaire 4b du trans- formateur auxiliaire dans le circuit de soudure comprenant l'é- lectrode 8 et la pièce à souder 9 (figure 1).Cette connexion est faite de façon que les forces éleotromotrioes engendrées s'ajoutent. L'enroulement secondaire 4b doit évidemment être réalisé de façon à pouvoir être traversé sans inconvénient par le courant de soudure. Ce dernier peut être réglé par un orga- ne de réglage quelconque, par exemple par une bobine de self- induction 23 munie de prises 24 au contact desquelles on peut amener la fiche 25.
Grâce au fait que le transformateur auxiliaire est alimen- té par la phase à 120 électrique en avance sur la phase qui alimente le transformateur principal, on obtient une courbe de tension à vide du genre de celle représentée par la courbe 14 de la figure 4, qui montre que la pointe de tension se produit au début de l'alternance. Cette courbe est un agrandissement d'un enregistrement par oscillographe. Il est à remaruqer que du fait du déphasage et de la différence des facteurs de forme des courbes des figures 2 et 3, les tensions sedondaires des deux transformateurs ne s'ajoutent pas arithmétiqueemnt et que celles-ci doivent se trouver dans un certain rapport afin de donner comme onde résultante une courbe telle que 14.
En pratique, on a vantage à employer comme transformateur principal, un transformateur triphasé-monophasé dont l'enroule- ment primaire est raccordé en V aux bornes du réseau et comme transformateur auxiliaire un transformateur monphasé dont le primaire est raccordé aux extrémités du V.
Un appareil de ce genre est représenté à la figure 6. Les phases 1-2 et 2-3 alimentant le primaire en V 5'a du transfor-
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mateur principal 5' . La phase 3-1 alimente le primaire 4a du transformateur auxiliaire 4. Les deux primaires sent donc rao- cordés en triangle au réseau.
Les secondaires 5'b et 4b restent connectés en série dans le circuit de soudure et de telle sorte que leurs forces électromotrices s'ajoutent. On réalise de cet- te façon une meilleure répartition des changes surles trois phases du réseau par rapport aux transformateurs d'alimentation triphasé-monophaséordinaires pour lesquels les courants dans les trois phases sont dans le rapport 0,5-1-0,5
Outre la facilité d'amorcer l'arc et de le maintenir stable, même à basse tension, l'appareil réalisé selon l'inven- tion dame lieu à une grande économie sur la puissance instal- lée, par rapport aux transformateurs de soudure ordinaires, et il améliore considérablement le facteur de puissance de l'ins- tallation.
Il n'est d' ailleurs pas indispensable d'employer le mode de couplage qui vient d'être décrit. Par exemple, les secondai- res du transformateur principal et du transformateur auxiliaire pourraient être connectés en parallèle au lieu de l'être en sé- rie, sous réserve de réduire ou de supprimer les courants d'é- change entre les deux transformateurs.
Le oouplage des secondaires pourrait aussi se faire par un des moyens connus et en usage dans la technique des courants alternatifs, par exemple induotivement.
Enfin, remarquions également que le procédé d'alimentation suivant l'invention pourrait être appliqué en^partant d'un au- tre courant alternatif que du courant triphasé à condition que le déphasage entre les courante d'alimentation du transformateur auxiliaire et celui du transformateur principal soit tel que la pointe de tension engendrée dans le secondaire du transformateur auxiliaire se produise audébut de l'alternance engendrée dans le secondaire du transformateur principal.
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PATENT OF INVENTION "Power supply process and transformer for aro welding circuit".
Until now, to supply the circuits of welding with the inciting, alternating arc, one generally used transformers with strong dispersion giving a characteristic in falling load, the electromotive force of the secondary being sinusoidal.
The secondary no-load potential difference was generally quite high and in the order of 75-100 volts, while the on-load potential difference automatically fell to 25-30 volts due to the special characteristics of the voltage. transformers.
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Welding transformers of this kind had a power factor of 0.25 to. 0.35 due to the self-induction effect causing the voltage drop under load. As the ratio of no-load and on-load voltages was high (3 to 4) as well as the apparent power of the transformer, the use of the installation was very poor.
In order to reduce these drawbacks, it has been devised in particular to apply to the terminals of the ara, in addition to the usual low-frequency voltage, a high-frequency voltage obtained for example by the discharge of an oscillating circuit. In particular, devices are known which include. a main transformer capable of outputting the welding current, and an auxiliary transformer. The latter generates a high frequency, high voltage current which is applied a very large number of faiths during the duration of one half-wave of the main voltage.
These devices have several drawbacks: they are easily deflected if they remain in service for a long time, the isolation of their high frequency circuit is difficult to ensure and the worker is exposed to being seriously burnt by the voltage at high frequency.
The present invention largely overcomes the disadvantages of ordinary apparatus and those of high frequency circuits.
For this purpose -., - according to the invention, a potential difference is applied between the electrode and the part to be welded, the no-load curve of which exhibits at the start of each alternation, and only once only a peak of low duration voltage. This point corresponds to the voltage necessary and sufficient to produce the ignition of the arc. Then, throughout the remainder of the alternation, a necessary and sufficient potential difference is applied to ensure the maintenance of the ignited arc.
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These conditions are advantageously achieved by the use of so-called main generator or transformer apparatus capable of developing at empty a voltage necessary and sufficient to maintain the arc assumed to have started and which are preferably coupled in series with generator apparatus or transformers, called auxiliary. These must be able to develop at no load, only once at the start of each alternation of the main voltage, a voltage necessary and sufficient to strike the arc. It is therefore necessary to provide for a suitable phase shift of the electromotive forces.
When it comes to supplying an arc welding circuit from a three-phase current source, provision is made, for example, according to the invention, for the primary of the auxiliary transformer to be supplied by the phase shifted to 120 electrics in advance with respect to the phase which feeds the primary of the main transformer, and that the secondaries of the two transformers are connected in series so that their
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electrical forces are added.
The two transformers envisaged must exhibit voltage drops Under load compatible with stable operation of the arc: the potential difference at the terminals of the latter must fall to around 25 volts, which can be achieved without difficulty by any tradesman.
An apparatus according to the invention can in particular be produced by means of two single-phase transformers where the primaries are connected in V to the terminals of the supposedly three-phase supply network. But it is preferable to use as main transformer a three-phase-single-phase transformer whose primary is connected in V to the network terminals and as auxiliary transformer a single-phase transformer where the primary is connected to the terminals located at the ends of the V. .
This last coupling mode offers the advantage of improving the phase balancing of the network. Indeed, the primary of
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auxiliary transformer forms the third phase which exists only in the virtual state in the ordinary oas of the V connection. The current line frets can thus be in the ratio 0.8-1-0.8, then that for ordinary three-phase-single-phase transformers, we only expect 0.5-1-0.5 '
The drawings appended hereto schematically, and by way of example only, two embodiments of the invention.
FIG. 1 shows the diagram of an apparatus suitable for carrying out the method according to the invention and which cohorts two single-phase transformers whose primaries are connected in V to the terminals of a three-phase power supply network.
Figures 2, 3 and 4 represent, in the form of curves, the voltage generated at no-load during an alternation of the power source, respectively at the terminals of the secondary of the main transformer, at the terminals of the secondary of the auxiliary transformer and between the electrode and the workpiece.
FIG. 5 schematically shows one embodiment of the auxiliary transformer according to the invention.
Figure 6 gives the diagram of an apparatus according to the invention @ àt which comprises a single-phase main transformer whose primary is connected in V to the terminals of a three-phase network, with a single-phase auxiliary motor transformer whose primary is connected. die to the terminals at the ends of V.
In various figures, the same notations designate identical elements.
Let (figure 1) 1,2,3 be the three distribution wires of a three-phase network whose direction of phase rotation is 1-2, 2-3, 3-1. The primary 4a of a single-phase transformer 4, hereinafter referred to as the auxiliary transformer, is branohed to phase 1-2 which is therefore 120 electric ahead of phase 2-3. The power of the auxiliary transformer is relatively low, for example of the order of 30 to 40% of the power of the main transformer in question, these ohif-
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fres being given for information only.
The primary 5a of a single-phase transformer 5, called co-after main transformer, is connected to phase 2-3 which is therefore 120 electrics lagging behind phase 1-2. The primaries of the two transformers are therefore connected in V The main transformer 5 is an ordinary transformer for arc welding, but it is constructed in such a way as to develop at no-load only the voltage necessary and sufficient to maintain the arc. No-load, the resulting voltage of the two transformers is for example 45 to 55 volts. The starting voltage can be for example 2 to 2.5 times the electromotive force read on voltmeters.
This transformer 5 is, like all ordinary welding transformers, a transformer with a falling load characteristic.
The potential difference that the two transformers maintain on charge across the aro is about 25 volts.
The curve representing the potential difference generated at no-load in the secondary is, for example, of the type shown at 10 in FIG. 2. This curve must be similar
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as much as possible from unt ::. s1nusode ':.
The auxiliary transformer 4 is an ordinary transformer with two cores and two yokes (figure 5), of which the core 12 of the secondary is constructed so as to. be quickly saturated under the influence of the flux emitted by the primary. For this purpose, this core is for example made of a magnetic metal with high permeability such as permalloy. In this way, the transformation of the primary sinusoidal wave into a secondary wave of sharp shape is achieved.
It is also possible to make the auxiliary transformer in any other oonnue way which makes it possible to obtain the saturation of a desroyaux.
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The curve representing the potential difference generated at no-load in the secondary of the auxiliary transformer is for example of the type of curve 22 in FIG. 3.
The secondary winding 5b of the main transformer is connected in series with the secondary winding 4b of the auxiliary transformer in the soldering circuit comprising the electrode 8 and the work piece 9 (figure 1). This connection is made. so that the generated electromotive forces are added. The secondary winding 4b must obviously be made in such a way that the welding current can pass through it without inconvenience. The latter can be regulated by any adjustment device, for example by a self-induction coil 23 provided with sockets 24 into contact with which the plug 25 can be brought into contact.
Thanks to the fact that the auxiliary transformer is supplied by the 120 electric phase ahead of the phase which supplies the main transformer, a no-load voltage curve is obtained of the type represented by curve 14 in FIG. 4, which shows that the voltage peak occurs at the start of the alternation. This curve is an enlargement of an oscillograph recording. It should be noted that due to the phase shift and the difference in the form factors of the curves of figures 2 and 3, the sedundary voltages of the two transformers do not add arithmetically and that they must be in a certain ratio in order to to give as the resulting wave a curve such as 14.
In practice, it is advantageous to use as main transformer, a three-phase-single-phase transformer whose primary winding is connected in V to the terminals of the network and as auxiliary transformer a single-phase transformer whose primary is connected to the ends of V.
An apparatus of this type is represented in FIG. 6. Phases 1-2 and 2-3 supplying the primary with V 5'a of the transformer.
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main matrix 5 '. Phase 3-1 supplies primary 4a of auxiliary transformer 4. The two primaries therefore feel connected in delta to the network.
The secondaries 5'b and 4b remain connected in series in the soldering circuit and in such a way that their electromotive forces are added. In this way, a better distribution of the changes is achieved over the three phases of the network compared to ordinary three-phase-single-phase power transformers for which the currents in the three phases are in the ratio 0.5-1-0.5
In addition to the ease of starting the arc and keeping it stable, even at low voltage, the apparatus produced according to the invention results in a great saving on the installed power, compared to ordinary welding transformers. , and it considerably improves the power factor of the installation.
Moreover, it is not essential to use the coupling mode which has just been described. For example, the secondaries of the main transformer and the auxiliary transformer could be connected in parallel instead of in series, subject to reducing or eliminating the exchange currents between the two transformers.
The coupling of the secondaries could also be done by one of the means known and in use in the technique of alternating currents, for example induotively.
Finally, it should also be noted that the power supply method according to the invention could be applied starting from an alternating current other than the three-phase current, provided that the phase shift between the supply currents of the auxiliary transformer and that of the transformer main is such that the voltage peak generated in the secondary of the auxiliary transformer occurs at the start of the half-wave generated in the secondary of the main transformer.