DD214265A1

DD214265A1 - ELECTRONIC POWER SUPPLY, PREFERABLY FOR ARC FLASH

Info

Publication number: DD214265A1
Application number: DD24862783A
Authority: DD
Inventors: Detlef Goethe; Wolfram Knapp
Original assignee: Univ Magdeburg Tech
Priority date: 1983-03-09
Filing date: 1983-03-09
Publication date: 1984-10-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektronische Stromversorgung, die vorzugsweise beim elektrischen Lichtbogenschweissen, aber auch bei weiteren elektrotechnologischen Verfahren Anwendung finden kann, bei denen dynamische Prozesse unter Lastaenderungen ablaufen. Ziel sind ein erweiterter Anwendungsbereich sowie gesteigerte Zuverlaessigkeit bei verringerten Material- und Herstellungskosten. Ausserdem soll eine erhoehte Bearbeitungsqualitaet der elektrotechnologischen Prozesse gewaehrleistet werden. Hierzu soll das tatsaechliche Leistungsvermoegen der elektronischen Bauelemente im Arbeitsbereich ausgenutzt und optimale Anpassung der Ausgangsgroessen der Stromversorgung an technologischen Parametern ermoeglicht werden. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die elektronische Stromversorgung, im wesentlichen eine aus dem Wechselstromnetz gespeiste Gleichrichtereinheit, eine oder mehrere hoeherfrequente Wandleranordnungen mit sekundaerer Lastanpassung mit Gleich- oder Wechselstromausgang einer Ansteuerschaltung sowie eine Istwerterfassungseinrichtung mit anschliessender Regeleinrichtung fuer mindestens eine Regelgroesse beinhaltet, eine zusaetzliche Einrichtung zur Steuerung des Leerlauf- und Kurzschlussverhaltens besitzt. Diese zusaetzliche Einrichtung besteht aus mindestens einer Zwischenkreisstromerfassungseinrichtung sowie Einrichtungen zur Detektierung des Leerlaufes bzw. Kunzschlusses, deren Ausgaenge mit Steuereingaengen der Ansteuerschaltung verbunden sind. Die Eingaenge der Einrichtungen zur Detektierung des Leerlaufes bzw. Kurzschlusses sind an den Ausgang der Zwischenkreisstromerfassungseinrichtung angeschlossen.The invention relates to an electronic power supply, which can preferably be used in electric arc welding, but also in other electrotechnical methods, in which dynamic processes take place under load changes. The aim is an extended field of application as well as increased reliability with reduced material and manufacturing costs. In addition, an increased processing quality of the electrotechnical processes is to be ensured. For this purpose, the actual performance capacity of the electronic components in the work area should be exploited and optimal adaptation of the output variables of the power supply to technological parameters should be made possible. According to the invention, the object is achieved by the fact that the electronic power supply, essentially a rectifier unit fed from the alternating current network, contains one or more higher-frequency converter arrangements with secondary load adaptation with DC or AC output of a drive circuit as well as an actual value detection device with adjoining control unit for at least one control variable Device for controlling the no-load and short-circuit behavior has. This additional device consists of at least one DC link current detection device and devices for detecting the idling or Kunzschlusses whose outputs are connected to control inputs of the drive circuit. The inputs of the devices for detecting the idling or short circuit are connected to the output of the DC link current detection device.

Description

Titel der ErfindungTitle of the invention

Elektronische Stromversorgung, vorzugsweise zum LichtbogenschweißenElectronic power supply, preferably for arc welding

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine elektronische Stromversorgung, die vorzugsr/eise beim elektrischen Lichtbogenschweißen, aber auch bei weiteren elektrotechnologischen Verfahren Anwendung finden kann, bei denen dynamische Prozesse ablaufen, die Laständerungen aufweisen.The invention relates to an electronic power supply, which can be used preferentially in electric arc welding, but also in other electrotechnical methods in which dynamic processes take place which have load changes.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Ss sind elektronische Stromversorgungen, vorzugsweise zum Lichtbogenschweißen bekannt, die im wesentlichen eine aus dem Wechselstromnetz gespeiste Gleichrichtereinheit, eine oder mehrere höherfrequente Wandleranordnungen mit sekundärer Lastanpassung mit ,Gleich- oder Wechselstromausgang sowie Ansteuerschaltungen und Regeleinrichtungen besitzen. Aufgrund der intern erhöhten Frequenzen' ergeben sich die bekannten Vorteile der Energie- und Materialeinsparung sowie verbesserter dynamischer Parameter. Diese Vorteile wirken sich mit steigender Zwischenfrequenz der Wandleranordnung stärker aus. Solche elektronischen Stromversorgungen sind gewöhnlich aus einer größeren Anzahl elektronischer Schaltelemente, vorzugsweise Schalttransistoren aufgebaut, deren Dimensionierung nach den bei vielen elektrotechnolo-Ss are electronic power supplies, preferably known for arc welding, which essentially have a rectifier unit fed from the alternating current network, one or more higher-frequency converter arrangements with secondary load adaptation with, direct or alternating current output as well as drive circuits and control devices. Due to the internally increased frequencies, the known advantages of energy and material savings as well as improved dynamic parameters result. These advantages affect stronger with increasing intermediate frequency of the transducer assembly. Such electronic power supplies are usually constructed of a larger number of electronic switching elements, preferably switching transistors whose dimensioning according to the electrotechnolo-

gischen Prozessen auftretenden Lastbereichen Kurzschluß, Leerlauf und Arbeitsbereich erfolgen muß. Besonders im Leerlaufbereich sind jedoch die Schalttransistoren einer erhöhten Beanspruchung durch die Sättigungserscheinungen der Übertrager ausgesetzt, da die Schalttransistoren für den Arbeitsbereich vorteilhaft dimensioniert sind und das für das Schaltverhalten charakteristische Auftreten von anwachsenden Speicherzeiten bei Leerlaufbelastung keine Entmagnetisierung der Übertrager zuläßt, so daß ein erhöhtes Ausfallrisiko besteht. Aus Gründen des KurzSchlußSchutzes ist eine Überdimensionierung der Schaltelemente hinsichtlich Kurzschluß erforderlich, die zu erhöhtem Material- und Fertigungsaufwand führt. Außerdem wird hierdurch der tatsächliche Arbeits- und damit Anwendungsbereich solcher elektronischen Stromversorgungen eingeschränkt.gical processes occurring load areas short circuit, idle and work area must be done. Especially in the no-load range, however, the switching transistors are exposed to increased stress by the saturation phenomena of the transformer, since the switching transistors are advantageously dimensioned for the work area and characteristic of the switching behavior occurrence of increasing storage times at idle load no demagnetization of the transformer permits, so that there is an increased risk of failure , For reasons of KurzSchlußSchutzes oversizing of the switching elements in terms of short circuit is required, which leads to increased material and manufacturing costs. In addition, this limits the actual work and thus the scope of such electronic power supplies.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, eine elektronische Stromversorgung zu schaffen, deren Material- und Herstellungskosten gegenüber den bekannten technischen Lösungen bei gleichzeitig erweiterten Anwendungsgebiet sowie gesteigrter Zuverlässigkeit geringer sind und die eine erhöhte Qualität der Bearbeitungsergebnisse der elektrotechnologischen Prozesse gewährleistet. 'The aim of the invention is to provide an electronic power supply, the material and manufacturing costs are lower compared to the known technical solutions with simultaneously expanded field of application and gestigrter reliability and ensures increased quality of the processing results of the electrotechnical processes. '

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Es besteht die Aufgabe, eine elektronische Stromversorgung zu entwickeln, bei der das tatsächliche Leistungsvermögen der elektronischen Bauelemente im Arbeitsbereich ausgenutzt wird und mit der eine optimale Anpassung der Ausgangsgrößen der Stromversorgung an technologische Parameter, wie z*B. Parameter des Tropfenüberganges u.a., möglich ist.The object is to develop an electronic power supply that exploits the actual performance of the electronic components in the work area and optimally matches the output variables of the power supply to technological parameters such as. Parameters of the drop transition u.a., is possible.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die elektronische Stromversorgung, im wesentlichen eine aus dem Wechselstromnetz gespeiste Gleichrichtereinheit, eine oder mehrere höherfrequente Wandleranordnungen mit sekundärer Lastanpassung mit Gleich- oder Wechselstromausgang, einer Ansteuerschaltung sowie eine Istwerterfassungseinrichtung mit anschließender Regeleinrichtung dür mindestens eine Regelgröße beinhaltend, eine zusätzliche Einrichtung zur Steuerung des Leerlauf- und Kurzschlußverhaltens'besitzt.According to the invention the object is achieved in that the electronic power supply, essentially a fed from the AC mains rectifier unit, one or more high-frequency converter assemblies with secondary load adjustment with DC or AC output, a drive circuit and an actual value detection device with adjoining control device for at least one controlled variable including additional device for controlling the no-load and short-circuit behavior.

Diese zusätzliche Einrichtung besteht aus mindestens einer Zwischenkreisstromerfassungseinrichtung sowie Einrichtungen zur Detektierung des Leerlaufes bzw. Kurzschlusses, deren Ausgänge mit Steuereingängen der Ansteuerschaltung verbunden sind. Die Eingänge der Einrichtungen zur Detektierung des Leerlaufes bzw. Kurzschlusses sind an den Ausgang der Zwischenkreisstromerfassungseinrichtung angeschlossen.This additional device consists of at least one DC link current detection device and devices for detecting the open circuit or short circuit whose outputs are connected to control inputs of the drive circuit. The inputs of the devices for detecting the idling or short circuit are connected to the output of the DC link current detection device.

Über die Zwischenkreisstromerfassungseinrichtung wird der Strom im Zwischenkreis als die für den Betriebszustand der Schaltelemente in den höherfrequenten Wandleranordnungen charakteristische Größe erfaßt und von den nachfolgenden Einrichtungen zur Detektierung des Leerlaufes und Kurzschlusses ausgewertet. Durch die Signale am Ausgang dieser Einrichtungen wird die Ansteuerschaltung so beeinflußt, daß beispielsweise beim Kurzschluß eine Reduzierung des Kurzschlußstromes im Sinne einer ?old-3ack-Kennlinie einsetzt und der Kurzschlußstrom auf Werte des ungefähren Arbeitsstromes oder kleinere Werte begrenzt wird» Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen elektronischen Stromversorgung besteht darin, daß durch die Beeinflussung des Leerlauf- und Kurzschlußverhaltens eine Arbeitsbereichserweiterung eintritt, wodurch das Leistungsvermögen der elektronischen Schaltelemente, insbesondere Schalttransistoren, ohne erhöhtes Ausfallrisiko vollständig ausgenutzt werden kann· Da die erfindungsgemäßen zusätzlichen Einrichtungen der elektronischen Stromversorgung eine wesentlich höhere Djna-About the DC link current detection means, the current in the DC link is detected as the characteristic of the operating state of the switching elements in the higher-frequency transducer assemblies size and evaluated by the following means for detecting the idle and short circuit. By the signals at the output of these devices, the drive circuit is influenced so that, for example, in short circuit, a reduction of the short-circuit current in the sense of an "old-3ack characteristic begins and the short-circuit current is limited to values of the approximate working current or smaller values" The particular advantage of the present invention electronic power supply is that by influencing the no-load and short-circuit behavior occurs a workspace extension, whereby the performance of the electronic switching elements, in particular switching transistors, without increased risk of failure can be fully utilized · Since the inventive additional facilities of the electronic power supply a much higher Djna-

mik als die eigentliche Regeleinrichtungen zur Regelung des Arbeitsbereiches aufweisen, ist ein sicherer Schutz der elektronischen Schaltelemente gewährleistet. Hierdurch werden die bisher üblichen überdimensionierungen überflüssig, was eine bedeutende Verringerung des Herstellungsaufwandes solcher elektronischen Stromversorgungen bedeutet und zugleich ihr Anwendungsgebiet wesentlich erweitert. Durch die zielgerichtete Beeinflussung der Ausgangsgrößen der elektronischen Stromversorgungen auch in Randbereichen der Arbeitskennlinie sind Verbesserungen in der Qualität der Prozeßergebnisse elektrotechnologischer Verfahren möglich.have mik as the actual control devices for controlling the work area, a secure protection of the electronic switching elements is guaranteed. As a result, the usual over-dimensioning superfluous, which means a significant reduction in the production cost of such electronic power supplies and at the same time significantly expanded their field of application. Due to the targeted influencing of the output variables of the electronic power supplies even in marginal areas of the working characteristic, improvements in the quality of the process results of electrotechnical processes are possible.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll an einem nachstehenden Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen inThe invention will be explained in more detail in an embodiment below. The accompanying drawings show in

Pig. 1: das Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen elektronischen Stromversorgung,Pig. 1: the block diagram of the electronic power supply according to the invention,

Pig. 2: eine Variante einer Zwischenkreisstromerfassungseinrichtung undPig. 2: a variant of a DC link current detection device and

Pig. 3: eine Variante einer Einrichtung zur Detektierung des Leerlaufes.Pig. 3: a variant of a device for detecting the idling.

Gemäß Pig. 1 besteht die elektronische Stromversorgung aus einer Gleichrichtereinheit 1. mit ungesteuerter Brückenschaltung 2 und Zwischenkreispufferkondensator 3? einer höherfrequenten Wandleranordnung 4 mit Treibern'5; 6, Leistungsschalttransistoren 7; 8, mitte!frequentem Wandler 9 sowie Entmagnetisierungsdioden 10; 11, einer sekundären Lastanpassung mit Gleichstromausgang 12, einer Ansteuerschaltung 13 j Istwerterfassungseinrichtung 14 und Regeleinrichtung 15·According to Pig. 1, the electronic power supply consists of a rectifier unit 1 with uncontrolled bridge circuit 2 and intermediate circuit buffer capacitor 3? a higher-frequency converter arrangement 4 with drivers 5; 6, power switching transistors 7; 8, middle frequency converter 9 and demagnetizing diodes 10; 11, a secondary load adjustment with DC output 12, a drive circuit 13 j actual value detection device 14 and control device 15 ·

Zusätzlich besitzt die elektronische Stromversorgung die erfindungsgemäße Einrichtung 16, beinhaltend eine Zwischen-In addition, the electronic power supply has the device 16 according to the invention, comprising an intermediate

kreisstromerfassungseinrichtung 17 mit Einrichtung zur Detektierung des Leerlaufes 18 und KoliektorstromwandlerCircuit current detection device 17 with means for detecting the idle 18 and Koliektorstromwandler

Die Wirkung der erfindungsgemäßen elektronischen Stromversorgung ist folgende:The effect of the electronic power supply according to the invention is as follows:

Die Netzspannung aus dem Drehstrom- bzw. Einphasennetz wird über die ungesteuerte Brückenschaltung 2 dem Gleichspannungszwischenkreis zugeführt. Der Zwischenkreispufferkondensator 3 dient der Stabilisierung der Zwischenkreisspannung· Die Treiber 5; 6 verstärken die phasengleichen Signale der Ansteuerschaltung 13 und übertragen sie an die Leistungsschalttransistoren 7; 8· Während der Leitphase werden die Leistungsschalttransistoren 7; 8 somit durchgesteuert , die Zwischenkreisspannung liegt über dem höherfrequenten Wandler 9 an, und es erfolgt eine Energieübertragung auf die Sekundärseite·The mains voltage from the three-phase or single-phase network is fed via the uncontrolled bridge circuit 2 to the DC intermediate circuit. The intermediate circuit buffer capacitor 3 serves to stabilize the intermediate circuit voltage. The drivers 5; 6 amplify the in-phase signals of the drive circuit 13 and transmit them to the power switching transistors 7; During the conducting phase, the power switching transistors 7; 8 thus controlled, the DC link voltage is applied to the higher-frequency converter 9, and there is an energy transfer to the secondary side ·

Mit Beginn der Sperrphase wird die im höherfrequenten Wandler 9 gespeicherte Magnetisierungsenergie freigesetzt und durch Selbstinduktion auf den Zwischenkreispufferkondensator 3 übertragen.With the beginning of the blocking phase, the magnetization energy stored in the higher-frequency converter 9 is released and transmitted to the intermediate circuit buffer capacitor 3 by self-induction.

Durch die Dimensionierung der Stromversorgung auf maximale Ausgangsleistung besteht im Leerlauf die Sendenz zum Entstehen von EntSättigungserscheinungen des höherfrequenten Wandlers 9· Diesen EntSättigungserscheinungen des höherfrequenten Wandlers 9 wird erfindungsmäßig mittels der Zwischenkreisstromerfassungseinrichtung 17 sowie der Einrichtung zur Detektierung des Leerlaufes 18 über die Reduzierung des Aussteuertastverhältnisses vollständig entgegengewirkt.By dimensioning the power supply to maximum output power there is idle the Sendez to Entsättigungserscheinungen the higher-frequency converter 9 · This Entsättigungserscheinungen the higher-frequency converter 9 is inventively moderately counteracted by means of the DC link current sensing device 17 and the means for detecting the idle 18 on the reduction of the Aussteuertastverhältnis.

Das Auftreten überhöhter Kollektorströme in den Leistungsschalttransistoren 7» 8 wird wie folgt verhindert: Mit dem Xollektorstromwandler 19 sowie der Zwischenkreisstrcmerfassungseinrichtung 17 wird der Kollektorstrom der Leistungsschalttrahsistoren 7; 8 im Zwischenkreis erfaßt. Bei Überschreitung des zulässigen Wertes erfolgt über die Ansteuerschaltung 13 eine Reduzierung des Ansteuertastver-The occurrence of excessive collector currents in the power switching transistors 7 »8 is prevented as follows: The collector current of the power switching transistor 7; 8 detected in the DC link. When the permissible value is exceeded, the drive circuit 13 reduces the triggering time.

hältnisses.holds isses.

Die Zwischenkreisstromerfassungsejjiriehtung 17 besteht gemäß Fig· 2 aus Widerständen R1; R2; R3, einem Kondensator C1 sowie einer Diode YD1· Die Widerstände R1; R2 bilden die Bürde für den Kollektorstromwandler 19. Mit dem einstellbaren Widerstand R3 wird die Ansprechschwelle des maximal zulässigen Kollektorstromes voreingestellt und die·den Kollektorstrom, repräsentierende Signalspannung der Ansteuerschaltung 13 zugeführt· Der Widerstand R1 bildet mit dem Kondensator 01 einen Tiefpass zur Herausfilterung höherfrequenter Stb*rimpulse· Die Diode YD1 dient dem Schutz der Ansteuerschaltung 13 vor negativen Spannungsbelastungen·The DC link current sense device 17 is composed of resistors R1 as shown in FIG. R2; R3, a capacitor C1 and a diode YD1 · the resistors R1; R2 form the burden for the collector current transformer 19. With the adjustable resistor R3, the threshold of the maximum permissible collector current is preset and the collector current, representing signal voltage of the drive circuit 13 is supplied to the resistor R1 forms with the capacitor 01 is a low-pass filter for filtering higher-frequency Stb * Pulses · The diode YD1 serves to protect the drive circuit 13 from negative voltage loads.

Die Einrichtung zur Detektierung des Leerlaufes 19 besteht gemäß Fig. 3 aus Widerständen R4 bis R10, einem Kondensator C2, Dioden YD2 bis YD5, einem Transistor VT1 und einem Komparator V1 und besitzt folgende Wirkungsweise: Der Kollektorstromwandler 19 arbeitet auf seine Bürde, den Widerstand R4. Der Spannungsabfall über dem Widerstand R4 wird im Komparator Vi mit einer vorher mittels einstellbarst Widerstand R6 vorgewählten Sollwertspannung verglichen. Die Ausgangsgröße des Komparators 71 steuert den Transistor 7T1, mit dessen Hilfe am Meßpunkt 20 im durchgeschalteten Zustand eine feststehende Spannung, gegeben durch den FlußSpannungsabfall der Dioden YD2 bis YD4, entsteht, die der Ansteuerschaltung 13 zugeführt wird. Sinkt der Kollektorstrom auf den Wert des Magnetisierungsstromes des höherfreqtienten Wandler 9, wird die über Widerstand R4 und Kondensator C2 integrierte Ausgangsspannung des Kollektorstromwandlers 19 kleiner als die Sollwertspannung am Meßpunkt 21, wodurch letztlich am Meßpunkt 20 eine Spannung anliegt, die in der Ansteuerschaltung 13 eine TastVerhaltensminderung bewirkt.The device for detecting the open circuit 19 is shown in FIG. 3 of resistors R4 to R10, a capacitor C2, diodes YD2 to YD5, a transistor VT1 and a comparator V1 and has the following mode of action: The collector current transformer 19 operates on its burden, the resistor R4 , The voltage drop across the resistor R4 is compared in the comparator Vi with a previously preselected by einstellst resistor R6 setpoint voltage. The output of the comparator 71 controls the transistor 7T1, with the help of which at the measuring point 20 in the on state a fixed voltage, given by the FlußSpannungsabfall the diodes YD2 to YD4, arises, which is the drive circuit 13 is supplied. If the collector current drops to the value of the magnetizing current of the higher-frequency converter 9, the output voltage of the collector current transformer 19 integrated via resistor R4 and capacitor C2 becomes smaller than the setpoint voltage at measuring point 21, whereby a voltage is ultimately present at measuring point 20, which in the drive circuit 13 results in a reduced duty cycle causes.

In Fig. 4 ist die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtungen anhand der TastVerhältnisvariation in Abhängigkeit von den Lastbereichen angegeben·FIG. 4 shows the mode of operation of the devices according to the invention on the basis of the duty ratio variation as a function of the load ranges.

Die Darstellung dreier typischer Belastungsfälle zeigt, daß das Tastverhältnis der Ansteuerung von zwei Schwellwerten 22; 23 des Kollektorstromes bestimmt wird, wobei der untere Schwellwert 22 aus dem Mittelwert der Ausgangsgröße des Kollektorstromwandlers 19 resultiert, während der obere Schwellwert 23 vom Istwert des Kollektorstromes der Leistungsschalttransistoren 7» S bestimmt wird. -The representation of three typical load cases shows that the duty cycle of the control of two thresholds 22; 23 of the collector current is determined, wherein the lower threshold value 22 from the average value of the output of the collector current transformer 19 results, while the upper threshold value 23 of the actual value of the collector current of the power switching transistors 7 »S is determined. -

Claims

Erfindungsansprucli

Electronic power supply, preferably for arc welding, essentially a rectifier unit fed from the alternating current network, one or more high-frequency converter arrangements with secondary load adaptation with direct or alternating current output, a drive circuit and an actual value detection device with adjoining control device for at least one controlled variable including, characterized in that the electronic Power supply has an additional device (16) for controlling the open-circuit and short-circuit behavior, said additional means (16) consists of at least one DC link current detection means (17) and means for detecting the idle (18) or short circuit whose inputs to the output of DC link current detection device (17) and whose outputs are connected to control inputs of the drive circuit (13).

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