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"TRANSFORMATEUR POUR ALIMENTATION D'ARC DE SOUDURE ELECTRIQUE"
La tension nécessaire à l'alimentation d'un arc de soudure électrique doit avoir une valeur initiale relativement élevée, d'environ 85 volts, afin de permettre un amorçage facile de l'arc; sitôt l'arc allumé, elle doit automatiquement se réduire à une valeur beaucoup plus faible, 25 à 30 volts, qui est la tension normale existant aux bornes d'un arc. En courant alternatif, l'arc s'éteignant à chaque demi-période, doit être rallumé, il est donc nécessaire que chaque onde de tension commence par une pointe qui se réduit très rapidement à une valeur juste suffisante pour entretenir l'arc jusqu'à la fin de la demi-période.
Pour réaliser cette forme de tension, on sait qu'il suffit d'utiliser une tension sinusoïdale, de valeur assez élevée, combinée avec une self-inductance branchée en série dans le circuit de l'arc. A la fin de chaque demi-période, le courant étant nul et l'arc éteint, il n'y a pas de chute de tension dans la self,
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la tension appliquée aux électrodes est la tension à vide du transformateur qui s'élève rapidement jusqu'à la valeur nécessaire à l'amorçage de l'arc; aussitôt celui-ci allume-, la variation du courant qui circule dans la self y produit une chute de tension qui ramène la tension appliquée aux électrodes à la valeur exactement nécessaire pour entretenir l'arc amorcé.
Ce procédé, qui a été beaucoup appliqué, donne de bons résultats en soudure mais présente l'inconvénient de conduire à un mauvais facteur de puissance de l'énergie consommée à cause de la puissance réactive prise par la self.
Aussi a-t-on cherché à alimenter l'arc directement avec une tension ayant la forme nécessaire, et on n'y était arrivé, jusqu'à présent, qu'en utilisant des combinaisons de plusieurs transformateurs présentant les inconvénients de toutes les installations complexes : prix de revient élevé, augmentation des chances d'acci- dent, mauvais rendement, etc..
¯ La présente invention concerne un transformateur unique donnant directement la forme de tension nécessaire à l'alimentation de l'arc de soudure.
Ce transformateur se compose d'un circuit magnétique triphasé dont deux des noyaux seulement portent des enroulements primaires alimentés en V par un réseau triphasé. Les flux de ces deux enroulements s'ajoutent géométriquement dans le troisième noyau.
Suivant le couplage adopté ce flux résultant peut avoir une valeur maximum égale à celle des flux initiaux, ou être fois plus grand.
Il est donc aisé de saturer le troisième noyau, soit en utilisant ce dernier couplage, soit en réduisant la section du. noyau ou en utilisant pour sa construction un alliage à basse saturation, soit encore en combinant à la fois ces divers moyens, sans que l'induction dans les deux autres noyaux atteigne une valeur anormalement élevée.
Pour atteindre l'induction théorique dans le noyau saturé, le courant angnétisant devrait avoir une valeur très élevée, mais à cause de la dispersion magnétique des noyaux non saturés, le cou-
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rant est limité. Il en résulte que le flux qui circule dans le noyau saturé acquiert une fome tronquée d'allure trapézoïdale, et on sait qu'un tel flux, en traversant un enroulement, y induit une force électromotrice de forme pointue.
Les fractions des flux des enroulements primaires, qui ne peuvent plus passer par le troisième noyau à cause de la saturation, se ferment par l'air à la manière d'un flux de dispersion.
Les flux qui circulent dans les noyaux non saturés res- tent sinusoïdaux puisqu'ils doivent, aux chutes de tension près, équilibrer les tensions sinusoïdales d'alimentation. Ils induiront donc, dans les enroulements secondaires qu'ils traversent, des ten- sions sinusoïdales.
Dès lors, pour réaliser la forme de tension nécessaire pour amorcer et entretenir l'arc de soudure, il suffit de placer trois secondaires sur les trois noyaux du circuit magnétique décrit - ci-dessus; les secondaires des noyaux non saturés seront couplés entre eux en série de manière que la phase de leur tension résul- tante soit décalée en arrière de 90 par rapport à la phase de la tension pointue produite par l'enroulement du noyau saturé. Cet an- gle de décalage pourrait au besoin être différent de 90 en modifiai soit le couplage, soit les valeurs relatives des deux tensions se- condaires sinusoïdales.
Le décalage de 90 présente cependant un avantage sur tous les autres car, avec lui, la tension sinusoïdale est toujours nul- @ le au moment où la tension pointue passe par son maximum. Il s'en- suit que la valeur maximum de la tension totale secondaire ne dé- pend pas de l'amplitude de la tension sinusoïdale; en d'autres ter- mes, la pointe de tension servant à l'allumage de l'arc est indé- pendante de l'amplitude de la tension sinusoïdale destinée à entre= tenir l'arc amorcé. On peut donc alors régler le courant dans l'arc en faisant varier seulement l'amplitude de la tension sinusoïdale, ce que l'on obtient aisément en plaçant des prises de réglage sur les secondaires des noyaux non saturés.
Les selfs de réglage du courant dans l'arc peuvent ainsi être complètement supprimées.
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La figure 1 du dessin ci-annexé représente la courbe de tension nécessaire à l'alimentation d'un arc de soudure, courbe qui a été définie précédemment.
La figure 2 montre une forme de réalisation du transformateur, objet de l'invention.
La figure 3 est le diagramme vectoriel du flux et des tensions du transformateur de la fig. 2. i est un circuit magnétique à trois branches ou noyaux 2, 3 et 4 d'égale section. Les noyaux 2 et 4 portent respectivement des enroulements primaires 5 et 6 connectés en A, B et C, comportant un nombre égal de spires. Ces enroulements 5 et 6 produisent des flux égaux #3 et 4 qui, en s'additionnant géométriquement (fig.3), produisent le'flux 3 du noyau 3.
Dans le coüplage représenté sur la figure 2, ce flux #3 est égal à #3 #2.
Le noyau 3, bien que de même section que les noyaux 2 et 4, peut être saturé alors que ces derniers ne le sont pas.
7, 8 et 9 désignent trois enroulements secondaires placés respectivement sur les noyaux 2,3 et 4 et mis en série comme indiqué sur la figure 2.
Les secondaires 7 et 9 sont le siège de forces électromo- trices sinusoïdales dont la somme géométrique donne une force électromotrice sinusoïdale décalée de 90 en arrière sur la tension pointue induite dans le secondaire 8 du noyau saturé 3. 32, e3 et e4 sont les tensions induites respectivement dans les secondaires 7, 8 et 9. La tension e2 - e4 est la tension sinusoïdale résultante, qui est en arrière de #2 sur la tension de pointe e3. La somme des tensions e2 - e4 et e3, que l'on réalise par le couplage de la figure 2, donné, entre les extrémités 10 et 11 du secondaire une tension. de la forme représentée sur la figure 1 et convenant pour la soudure à l'arc.
12, 13, 14 et 15 (figure 2) désignent des prises destinées au réglage du courant dans l'arc.
La figure 4 du dessin ci-annexé représente une autre réalisation de l'invention et la figure 5 le diagramme vectoriel cor-
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respondant.
Le circuit magnétique 1 possède encore trois noyaux 2, 3 et 4 mais le noyau 3 est de section plus petite que les deux autres, Les flux 2 et 4 produits par les enroulements primaires identiques - 5 et 6 plaéés respectivement sur les noyaux 2 et 4 s'ajoutent géométriquement pour produire le flux #3 qui tend à se fermer dans le noyau 3. Les couplages des primairës 5 et 6 sont réalisés de manière à ce que la valeur maximum du flux soit égale à celle des flux 12 et #4. A cause de la section plus petite du noyau 3, celui-ci séra saturé alors que les noyaux 2 et 4 ne le sont pas.
Dans ces conditions on obtiendra encore une tension pointue dans le secondaire 8 du noyau 3 et des tensions sinusoïdales dans les secondaires 7 et 9 des noyaux 2 et 4. Les trois secondaires 7, 8 et 9 étant réunis en série comme indiqué figure 4 le diagramme vectoriel sera tel que montré figure 5, sur laquelle on voit que la tension sinusoïdale e2 - e4 est décalée de 90 en arrière sur la tension pointue - e3.
La somme e2 - e4 - e3 donnera donc encore naissance à une force électromotrice ayant la forme montrée figure 1.
Il est loisible d'imaginer encore d'autres couplages, par exemple en utilisant trois enroulements primaires alimentés en étoile et en saturant un des trois noyaux, soit en réduisant sa section, soit en employant un métal magnétique à basse saturation. Le couplage à réaliser pour les secondaires s'obtiendra toujours facilement en traçant le diagramme vectoriel correspondant, analogue à ceux des figures 3 et 5.
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"TRANSFORMER FOR ELECTRIC WELDING ARC POWER SUPPLY"
The voltage required to supply an electric welding arc must have a relatively high initial value, of about 85 volts, in order to allow easy ignition of the arc; as soon as the arc is ignited, it should automatically reduce to a much lower value, 25 to 30 volts, which is the normal voltage existing at the terminals of an arc. In alternating current, the arc extinguishing at each half-period, must be re-ignited, it is therefore necessary that each voltage wave begins with a peak which very quickly reduces to a value just sufficient to maintain the arc until at the end of the half-period.
To achieve this form of voltage, we know that it is sufficient to use a sinusoidal voltage, of fairly high value, combined with a self-inductance connected in series in the arc circuit. At the end of each half-period, the current being zero and the arc extinguished, there is no voltage drop in the choke,
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the voltage applied to the electrodes is the no-load voltage of the transformer which rises rapidly to the value necessary for the initiation of the arc; as soon as it lights up, the variation of the current which circulates in the inductor produces a voltage drop there which brings back the voltage applied to the electrodes to the value exactly necessary to maintain the ignited arc.
This process, which has been widely applied, gives good results in welding but has the drawback of leading to a bad power factor of the energy consumed because of the reactive power taken by the choke.
So we tried to supply the arc directly with a voltage having the necessary form, and we had only achieved this, until now, by using combinations of several transformers having the drawbacks of all installations. complex: high cost price, increased chance of accident, poor performance, etc.
¯ The present invention relates to a single transformer directly giving the form of voltage necessary to supply the welding arc.
This transformer consists of a three-phase magnetic circuit of which only two of the cores carry primary windings supplied with V by a three-phase network. The fluxes of these two windings add geometrically in the third core.
Depending on the coupling adopted, this resulting flux may have a maximum value equal to that of the initial fluxes, or be times greater.
It is therefore easy to saturate the third nucleus, either by using this latter coupling, or by reducing the section of. core or by using a low saturation alloy for its construction, or even by combining these various means at the same time, without the induction in the other two cores reaching an abnormally high value.
To achieve the theoretical induction in the saturated nucleus, the angnetizing current would have to have a very high value, but because of the magnetic dispersion of the unsaturated nuclei, the cou-
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rant is limited. The result is that the flux which circulates in the saturated nucleus acquires a truncated shape of trapezoidal shape, and it is known that such a flux, by passing through a winding, induces therein an electromotive force of pointed shape.
The fractions of the fluxes of the primary windings, which can no longer pass through the third core due to saturation, close by air in the manner of a dispersion flux.
The fluxes which circulate in the unsaturated cores remain sinusoidal since they must, apart from voltage drops, balance the sinusoidal supply voltages. They will therefore induce sinusoidal voltages in the secondary windings which they pass through.
Therefore, to achieve the form of voltage necessary to initiate and maintain the welding arc, it suffices to place three secondaries on the three cores of the magnetic circuit described - above; the secondaries of the unsaturated cores will be coupled together in series such that the phase of their resulting voltage is shifted back 90 from the phase of the peak voltage produced by the winding of the saturated core. This offset angle could, if necessary, be different from 90 by modifying either the coupling or the relative values of the two sinusoidal secondary voltages.
The offset of 90 has an advantage over all others, however, because with it the sinusoidal voltage is always zero when the peak voltage passes through its maximum. It follows that the maximum value of the total secondary voltage does not depend on the amplitude of the sinusoidal voltage; in other words, the voltage peak used to ignite the arc is independent of the amplitude of the sinusoidal voltage intended to keep the arc struck. We can therefore adjust the current in the arc by varying only the amplitude of the sinusoidal voltage, which is easily obtained by placing adjustment taps on the secondaries of the unsaturated cores.
The arc current adjustment chokes can thus be completely eliminated.
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FIG. 1 of the accompanying drawing represents the voltage curve necessary for supplying a welding arc, which curve has been defined previously.
FIG. 2 shows an embodiment of the transformer, object of the invention.
Figure 3 is the vector diagram of the flux and voltages of the transformer of fig. 2. i is a magnetic circuit with three branches or cores 2, 3 and 4 of equal section. The cores 2 and 4 respectively carry primary windings 5 and 6 connected in A, B and C, comprising an equal number of turns. These windings 5 and 6 produce equal fluxes # 3 and 4 which, adding geometrically (fig. 3), produce the 'flux 3 of the core 3.
In the coüplage shown in Figure 2, this flow # 3 is equal to # 3 # 2.
Kernel 3, although of the same section as nuclei 2 and 4, can be saturated when the latter are not.
7, 8 and 9 denote three secondary windings placed respectively on the cores 2, 3 and 4 and placed in series as shown in Figure 2.
The secondaries 7 and 9 are the seat of sinusoidal electromotive forces, the geometric sum of which gives a sinusoidal electromotive force shifted 90 back to the pointed voltage induced in the secondary 8 of the saturated nucleus 3. 32, e3 and e4 are the voltages induced respectively in secondaries 7, 8 and 9. The voltage e2 - e4 is the resulting sinusoidal voltage, which is behind # 2 on the peak voltage e3. The sum of the voltages e2 - e4 and e3, which is produced by the coupling of FIG. 2, given, between the ends 10 and 11 of the secondary a voltage. of the form shown in Figure 1 and suitable for arc welding.
12, 13, 14 and 15 (figure 2) designate sockets for adjusting the current in the arc.
Figure 4 of the accompanying drawing shows another embodiment of the invention and Figure 5 the corresponding vector diagram
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respondent.
Magnetic circuit 1 still has three cores 2, 3 and 4 but core 3 has a smaller section than the other two, Fluxes 2 and 4 produced by the identical primary windings - 5 and 6 respectively placed on cores 2 and 4 are added geometrically to produce flow # 3 which tends to close in the core 3. The couplings of primaries 5 and 6 are made so that the maximum value of the flow is equal to that of flows 12 and # 4. Due to the smaller section of kernel 3, it will be saturated while kernels 2 and 4 are not.
Under these conditions we will still obtain a sharp voltage in the secondary 8 of core 3 and sinusoidal voltages in the secondaries 7 and 9 of cores 2 and 4. The three secondaries 7, 8 and 9 being joined in series as shown in figure 4 the diagram vector will be as shown in figure 5, on which we see that the sinusoidal voltage e2 - e4 is shifted by 90 backwards on the sharp voltage - e3.
The sum e2 - e4 - e3 will therefore again give rise to an electromotive force having the form shown in figure 1.
It is possible to imagine still other couplings, for example by using three primary windings fed in star and by saturating one of the three cores, either by reducing its section, or by employing a magnetic metal with low saturation. The coupling to be carried out for the secondaries will always be obtained easily by drawing the corresponding vector diagram, similar to those in figures 3 and 5.