DE10245368A1

DE10245368A1 - Schweißstromquelle zum Gleich- und Wechselstromschweißen

Info

Publication number: DE10245368A1
Application number: DE2002145368
Authority: DE
Inventors: Frank Friedrich; Andreas Warmbier
Original assignee: CLOOS INNOVATIONS - GmbH; CLOOS INNOVATIONS GmbH
Current assignee: CLOOS INNOVATIONS - GmbH; CLOOS INNOVATIONS GmbH
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-28
Also published as: DE10245368B4

Abstract

Um ein Lichtbogenschweißen für Gleich- und/oder Wechselstrom bereitzustellen, das sowohl verfahrensseitig als auch anordnungsseitig mit einem niedrigeren Aufwand verbunden ist, wird ein Verfahren zum Betreiben einer Stromquelle vorgeschlagen, bei welchem durch eine Steuer- und Regeleinrichtung (38) ein an dem Gleichspannungszwischenkreis angeschlossener und durch Schaltelemente (4, 7, 5, 6) gebildeter Wechselrichter zur Versorgung des an den Ausgang des Wechselrichters angeschlossenen Schweißprozesses gesteuert wird, wobei jeweils zwei zugeordnete, ein Schaltelementpaar bildende Schaltelemente des Wechselrichters zur Bereitstellung eines Polwechsels geschaltet werden. Die Schaltelemente werden jeweils mit einer vorgegebenen Taktfrequenz getaktet, wobei diese im Ansprechen auf zumindest eine erfasste Ausgangsgröße angesteuert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Ansprechen auf zu zumindest eine erfasste Ausgangsgröße (20, 25) die Schaltelemente (4, 7, 5, 6) des Wechselrichters zur Erzeugung eines vorgegebenen Spannungs- und/oder Stromverlaufs am Ausgang des Wechselrichters angesteuert werden. DOLLAR A Die Erfindung betrifft auch eine Stromquelle zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Stromquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine zugeordnete Stromquelle.
Nach dem Stand der Technik sind Schweißgeräte mit einer Schweißstromquelle zum Lichtbogenschweißen sowohl für Gleich-als auch für Wechselstrom bekannt. Elektronische Schweißstromquellen werden unterteilt in Inverterstromquellen, bei welchen die Leistungshalbleiterschalter auf der Primärseite des Transformators angeordnet sind, und sekundär getaktete Stromquellen, bei welchen die schaltbaren Leistungshalbleiter im Sekundärkreis des Schweißtransformators angeordnet sind.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 977 347 A2 ist eine Stromquelle bekannt, welche sich aus einer primären Inverterstromquelle und einem nachgeschalteten Wechselrichter zusammensetzt, wobei der Schweißprozess an den Ausgang des Wechselrichters angeschlossen ist. Im Ansprechen auf den Ausgang des Wechselrichters wird die Inverterstromquelle zum Einstellen des geglätteten Gleichspannungssignals und der Wechselrichter zum Steuern der Frequenz des Wechselrichters angesteuert.

Die deutsche Patentschrift DE 44 18 864 C2 betrifft ein Lichtbogenschweißgerät mit einer netzgespeisten Gleichstromquelle, an welcher ausgangsseitig ein Wechselrichter angeschlossen ist. Am Ausgang des Wechselrichters ist eine Schaltung angeordnet, mit welcher die in den Totzeiten der vom Wechselrichter erzeugten wechselgerichteten Spannung auftretenden induktiv bedingten Spannungsspitzen auf einen festen Amplitudenwert begrenzt werden.

In der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 201 14 660 U1 ist ein Stromkreis zur Erzeugung eines Lichtbogens offenbart, der einen Gleichspannungs-Inverterkreis aufweist, an dessen Ausgang ein Polwender gekoppelt ist, wobei der Polwender mit einem Ladestromkreis verbunden ist. Um ein leichteres Wiederzünden des Lichtbogens zu ermöglichen, ist parallel zum Ladestromkreis ein Kondensator am Ausgang des Polwenders geschaltet, wobei dem Kondensator Energie zur Erzeugung eines Spannungsimpulses zugeführt wird.

Bei den angegebenen Schweißstromquellen werden zur Regelung des Ausgangsstromes bzw. der Ausgangsspannung des Wechselrichters neben dem Wechselrichter noch weitere Schaltungen, beispielsweise eine dem Wechselrichter vorgeordnete Inverterstromquelle oder eine am Ausgang des Wechselrichters angeordnete Schaltung angesteuert. Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Lichtbogenschweißen mit Gleich- und/oder Wechselstrom bereitzustellen, das sowohl verfahrensseitig als auch anordnungsseitig mit einem niedrigeren Aufwand verbunden ist.

Diese Aufgabe löst die Erfindung verfahrensseitig mit einem Verfahren zum Betreiben einer Stromquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dabei wird durch eine Steuer- und Regeleinrichtung ein an einem Gleichspannungszwischenkreis angeschlossener und durch Schaltelemente gebildeter Wechselrichter zur Versorgung des an den Ausgang des Wechselrichters angeschlossenen Schweißprozesses gesteuert, wobei jeweils zwei zugeordnete, ein Schaltelementpaar bildende Schaltelemente des Wechselrichters zur Bereitstellung eines Polwechsels geschaltet werden. Die Schaltelemente werden jeweils mit einer vorgegebenen Taktfrequenz getaktet, wobei zumindest eine Ausgangsgröße des Wechselrichters erfasst wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass im Ansprechen auf die zumindest eine erfasste Ausgangsgröße allein die Schaltelemente des Wechselrichters zur Erzeugung eines vorgegebenen Spannungs- und/oder Stromverlaufs am Ausgang des Wechselrichters angesteuert werden. Da demnach beispielsweise trotz Verwendung eines ungeregelten Gleichspannungszwischenkreises auf einen Tiefsetzsteller oder ähnliches verzichtet werden kann, erniedrigt sich der Hardware-Aufwand zur Ausbildung eine Schweißstromquelle beträchtlich bzw. vereinfacht sich das Verfahren zum Betrieb einer solchen.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Funktionen der Ausgangsstromumkehr und die Regelung von Ausgangsstrom und/oder Ausgangsspannung mittels eines Wechselrichters umzusetzen, sodass auf eine zusätzliche Vorstufe des Wechselrichters zur Spannungs- oder Stromregelung bzw. eine entsprechende Nachstufe verzichtet werden kann. Trotz der Einsparungen von Hardware-Komponenten erweist sich die erfindungsgemäße Schweißstromquelle herkömmlichen Quellen nicht unterlegen, da mittels besonderer Ansteuerverfahren für die Schaltelemente des Wechselrichters neben der Polumkehr auch eine genaue Regelung von Ausgangsstrom oder Ausgangsspannung bereitgestellt werden kann. Die erfassten Ist-Größen des Ausgangs können insbesondere Ausgangsspannung, Ausgangsstrom und/oder die Lichtbogenlänge sein.

Die Ansteuerung der jeweils zugeordneten Schaltelemente des Wechselrichters kann vorteilhaft auf mehrere Arten erfolgen. In einem ersten Verfahren können die zugeordneten Schaltelemente, gleichzeitig zum Schließen und Öffnen mit gleicher Taktfrequenz angesteuert werden, wobei die Ansteuerung der zugeordneten Schaltelemente über ein herkömmliches Modulationsverfahren durchgeführt wird. Eine Erhöhung des Ausgangsstromes kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, dass das Verhältnis der Einschaltdauer der beiden zugeordneten Schalter zur Sperrdauer innerhalb der Taktperiode vergrößert wird. Auch schon bei diesem Verfahren können beispielsweise Schwankungen im Gleichspannungszwischenkreis oder im Schweißprozess durch eine Regelung auf eine Ausgangsgröße wie Spannung oder Strom ausgeglichen werden, da die Taktperiode i.d.R. klein im Verhältnis zu Zeitkonstanten der Schwankungen im Gleichspannungszwischenkreis bzw. im Schweißprozess ist.

In einem zweiten zweckmäßigen Verfahren wird eines der beiden zugeordneten Schaltelemente, die zusammen einen Zweig des Wechselrichters bilden, innerhalb einer Wechselstromhalbperiode zur permanenten Leitung angesteuert. Hierdurch wird erreicht, dass kein Teil der in der Schweißdrossel gespeicherten Energie zeitweise in den Zwischenkreis zurückgespeist wird, wodurch erhöhte Stromänderungsgeschwindigkeiten bereitgestellt werden können. Diese sind insbesondere zum Erreichen von steilen Pulsflanken notwendig, wie sie beispielsweise beim Wechsel zwischen Sollwerten des Ausgangsstromes in der Schweißtechnik wünschenswert sind.

Zweckmäßig können zugeordnete Schaltelemente des Wechselrichters in einem dritten Ansteuerverfahren zeitverschoben zum Schließen und Öffnen mit gleicher Taktfrequenz angesteuert werden, wodurch sich die effektive Schaltfrequenz des Wechselrichters gegenüber der Ansteuerfrequenz der jeweiligen Halbleiterschalter verdoppelt. Über die Erhöhung der Schaltfrequenz wird eine niedrigere Welligkeit des Ausgangsstromes des Wechselrichters bei gleicher Induktivität erreicht bzw. kann die Induktivität der Schweißdrossel zur Erzielung einer vorgegebenen Welligkeit erniedrigt werden. Darüber hinaus ist es nun möglich, durch eine Erniedrigung der Ansteuerfrequenz der Halbleiterschalter unter Beibehaltung einer vorgegebenen Welligkeit des Ausgangsstromes die Schaltverluste der Halbleiterschalter zu erniedrigen. Das Problem der Schaltverluste an den mit einer Frequenz von mehreren Kilohertz angesteuerten Schaltern lässt sich damit zumindest entschärfen.

Um die beiden nacheinander eingeschalteten Schaltelementpaare zu entkoppeln, kann beim Wechselstrombetrieb zwischen dem Ausschalten des ersten Schaltelementpaares und dem Einschalten des Zweiten eine Totzeit vorgesehen sein.

Um das Erlöschen des Lichtbogens beim Schweißprozess zu vermeiden, kann vorgesehen sein, zu Zeitpunkten der Polumkehr eine möglichst steile Pulsflanke des Ausgangsstromes bereitzustellen. Hierzu können eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen ergriffen werden. Einerseits kann bei allen drei Betriebsarten während des Polaritätswechsels ein zusätzliches Verfahren zum Ansteuern der Halbleiterschalter des Wechselrichters angewendet werden, um die gewünschte schnelle Umkehrung des Ausgangsstromes zu erhalten. Dabei wird während des Polaritätswechsels nach dem Öffnen von zwei zugeordneten Schaltelementen des Wechselrichters die beiden am Plus-Pol des Gleichspannungszwischenkreises angeschlossenen Schaltelemente des Wechselrichters oder die beiden am Minus-Pol des Gleichspannungszwischenkreises angeschlossenen Schaltelemente des Wechselrichters zum Leiten angesteuert werden. Auf diese Weise wird der Ausgang des Wechselrichters kurzgeschlossen, so dass die im Ausgangskreis vorhandene Energie schnell abgeführt wird, d.h., die Polumkehr schnell erreicht wird. Es versteht sich, dass das beschriebene zusätzliche Verfahren auch bei betriebsbedingt erwünschten schnellen Ausgangsstromänderungen nützlich sein kann.

Ferner kann es zweckmäßig sein, zu den Zeitpunkten der Polumkehr eine Erhöhung der Spannung des Gleichspannungszwischenkreises zu bewirken. Darüber hinaus ist es jedoch auch zweckmäßig, zu den Zeiten der Polumkehr eine im Verbraucherkreis angeordnete Energiespeichereinrichtung zu aktivieren, welche beispielsweise die Schweißdrossel im Verbraucherkreis bei den Umschaltvorgängen zum Liefern des benötigten Stromes unterstützt. Dabei wird die zusätzliche Energiequelle kurzzeitig zu den genannten Zeitpunkten hinzugeschaltet, wobei der Zeitraum im Vergleich zur Wechselstromhalbperiode klein ist, jedoch mehrere Taktperioden umfassen kann. Dabei wird die zusätzliche Energieeinrichtung in einem Zeitraum aufgeladen, in welchem die beiden zugeordneten Schaltelemente leitend geschaltet sind.

Anordnungsseitig wird die Erfindung mit einer Stromquelle gelöst, welche einen Gleichspannungszwischenkreis umfasst, einen durch Schaltelemente gebildeten und mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Wechselrichter, welcher einen im Primärkreis angeordneten Verbraucher speist, wobei die Schaltelemente jeweils eine Sperrdiode aufweisen und jeweils zwei Schaltelemente einander als Schaltelementpaar zugeordnet sein können, eine Messvorrichtung zur Erfassung zumindest einer Ausgangsgröße des Wechselrichters, sowie eine Steuer- und Regeleinrichtung zum Ansteuern der Elemente des Wechselrichters. Zur Regelung des Ausgangs des Wechselrichters auf eine vorgegebene Spannung und/oder Strom im Ansprechen auf einen Vergleich der erfassten zumindest einen Ausgangsgröße mit einem Sollwert sind ausschließlich die Schaltelemente des Wechselrichters angesteuert. Zum Verbraucher in Reihe ist eine erste Energiespeichereinrichtung, insbesondere eine Schweißdrossel, angeordnet, die in einer Leitungsphase eines ersten Schaltelementpaares vom Gleichspannungszwischenkreis über den Verbraucher aufladbar ist und die in einer darauffolgenden Sperrphase des Schaltelementpaares den Verbraucher speist, wobei der zugehörige Verbraucherstrom über eine Sperrdiode von zumindest einem der anderen einander zugeordneten und ein Schaltpaar bildende Schaltelemente geführt wird. Dabei bezeichnet die Sperrphase eines Schaltelementpaares den Zeitabschnitt innerhalb einer Taktperiode innerhalb dessen kein Strom vom Zwischenkreis über das gesperrte Schaltelementpaar zum Verbraucher fließt, d.h. den Zeitraum, innerhalb dessen zumindest ein Schaltelement des Schaltelementpaares zum Sperren angesteuert ist. Im Betrieb wechseln sich die Sperr- bzw. Leitungsphasen der beiden den Wechselrichter bildenden Schaltelementpaare ab, wobei innerhalb einer Wechselstromhalbperiode nur eines der beiden Schalterelementpaare zum Öffnen und Schließen angesteuert ist.

Die erfindungsgemäße Stromquelle kann zur Bereitstellung eines Wechsel- als auch eines Gleichstromes für den an den Wechselrichter angeschlossenen Verbraucher ausgelegt sein. Die einstellbare Wechselstromfrequenz, d.h., die Polumkehrfrequenz be trägt je nach Anwendung zwischen 0 und 400 Hz, während die Taktfrequenz der Schaltelemente des Wechselrichters zwischen 20 kHz und über 100 kHz einstellbar ist.

Es kann zweckmäßig sein, in der Sperrphase eines der Schaltelementpaare den Lastpfad zum Verbraucher über den Gleichspannungszwischenkreis zu führen.

Zweckmäßigerweise kann eine aufladbare Kondensatorbatterie zu Zeitpunkten der Polumkehr über einen Schalter zu einem Zwischenkreiskondensator in Serie zuschaltbar sein, um eine hohe Flankensteilheit des Ausgangsstromes bereitzustellen, womit ein Erlöschen des Schweißlichtbogens vermieden werden kann. Eine schnelle Stromrichtungsumkehr kann ferner mittels einer Energiespeichereinrichtung bereitgestellt werden, welche der Schweißdrossel parallel geschaltet ist und bei Bedarf, d.h., an den Umkehrzeitpunkten, zuschaltbar ist.

Die Erfindung wird im Folgenden durch das Beschreiben einiger Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, wobei
1 in einem Blockschaltbild eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stromquelle,
2a) bis g) Ansteuersignale, Einschaltdauer sowie den Ausgangsstrom des Wechselrichters für eine erste Betriebsart der in 1 dargestellten Stromquelle,
3a) bis g) Ansteuersignale, Einschaltdauer sowie den Ausgangsstrom des Wechselrichters für eine zweite Betriebsart der in 1 dargestellten Stromquelle,
4a) bis g) Ansteuersignale, Einschaltdauer sowie den Ausgangsstrom des Wechselrichters für eine dritte Betriebsart der in 1 dargestellten Stromquelle,
5 in einer Blockschaltdarstellung eine erste Zusatzschaltung zur Bereitstellung einer schnelleren Stromrichtungsumkehr,
6 in einer Blockschaltdarstellung eine zweite Zusatzschaltung zur Bereitstellung einer schnelleren Stromrichtungsumkehr,
7 in einer Blockschaltdarstellung eine dritte Zusatzschaltung zur Bereitstellung einer schnelleren Stromrichtungsumkehr,
8 in einer Blockschaltdarstellung eine vierte Zusatzschaltung zur Bereitstellung einer schnelleren Stromrichtungsumkehr,
9 die in 1 dargestellte Stromquelle mit einem zusätzlichen Lichtbogenzündgerät,
10 das in 9 dargestellte Lichtbogenzündgerät in einer detaillierten Blockschaltdarstellung und
11a) bis f) zeitliche Verläufe von Signalen von Bauelementen beim Betrieb des Lichtbogenzündgeräts zeigen.
In 1 ist eine erfindungsgemäß ausgebildete Schweißstromquelle zum Lichtbogenschweißen für Gleich- und Wechselstrom dargestellt. Die wesentlichen Komponenten sind der an ein dreiphasiges Netz angeschlossene Transformator 1, welcher die Wechselspannung an einen Gleichrichter 2 abgibt, an dessen Ausgang ein Zwischenkreiskondensator 3 angeschlossen ist. In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform ist anstelle des Transformators 1 und des Eingangsgleichrichters 2 ein Inverternetzteil verwendet.
Der Zwischenkreiskondensator 3 speist einen Wechselrichter, der als Vollbrücke mit zwei Halbleiterschaltpaaren 4, 7 bzw. 5, 6 ausgebildet ist. Am Ausgang des Wechselrichters ist der Schweißprozess als Verbraucher angeschlossen, der in der Figur durch den Schweißbrenner 19 mit Werkstück dargestellt ist. In Reihe zum Schweißprozess ist im Ausgangskreis eine Schweißdrossel 13 angeordnet. Ferner sind in der Zeichnung die induktiven Impedanzanteile und die ohmschen Impedanzanteile der Ausgangsleitungen zusammengefasst und mit den Bezugsziffern 15 und 16 versehen. Den einzelnen Schaltern 4, 7, 5 und 6 ist jeweils eine Funktionsgruppe 8, 11, 9 und 10 zugeordnet, mit welchen die Nullspannung und ein Überstrom am jeweiligen Schaltelement erfassbar und zur Steuer- und Regeleinrichtung 38 übermittelbar sind. Ferner werden die Schaltelemente über ihre jeweilige Funktionsgruppe durch die Steuereinrichtung 38 zum Schließen und Öffnen angesteuert. In der Figur dargestellt sind ferner Entlastungsnetzwerke 41, 44, 42 und 43 für den jeweils zugeordneten Halbleiterschalter.
Im Ausgangskreis ist ein Stromsensor 12 zur Erfassung des Ausgangsstromes und ein Spannungssensor 18 zur Erfassung der Spannung über dem Schweißprozess angeordnet. Die zugeordneten Signale werden von den Sensoren zur Steuereinrichtung 38 geführt. An diese ist eine Bedieneinheit 39 zur Eingabe und Anzeige von Betriebsparametern angeschlossen. Ferner wird die Spannung am Zwischenkreiskondensator 3 über einen Sensor 51 erfasst und ein zugeordnetes Signal an die Steuer- und Regeleinrichtung 38 weitergegeben.
Im Folgenden wird auf die Funktionsweise der in 1 dargestellten Schweißstromquelle eingegangen. Die Netzspannung wird durch den Transformator 1 und den Gleichrichter 2 in eine Gleichspannung von ca. 60 V umgewandelt. Die erzeugte Gleichspannung wird durch den Zwischenkreiskondensator 3 stabilisiert. Da auf einen Tiefsetzsteller oder ähnliches verzichtet wurde, steht am Zwischenkreiskondensator 3 eine ungeregelte Gleichspannung zur Verfügung, die eingangsseitig am Wechselrichter anliegt. Der Wechselrichter wird zur Umkehrung des Ausgangsstromes bzw. zur Festlegung der Polarität der Ausgangs spannung von der Steuer- und Regeleinrichtung 38 angesteuert. Ferner wird der Wechselrichter erfindungsgemäß im Ansprechen auf die erfassten Ausgangsgrößen zur Regelung einer Ausgangsgröße wie den Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung angesteuert. Demnach übernimmt der Wechselrichter in der erfindungsgemäßen Schweißstromquelle neben seiner üblichen Funktion auch die Funktion eines Tiefsetzstellers.
Aufgrund dieser Doppelfunktion ist zwischen der Ansteuerfrequenz der Halbleiterschalter und der Ausgangsfrequenz des klassischen Wechselrichters zu unterscheiden. Die Ansteuerfrequenz der Halbleiterschalter kann vorliegend zwischen ca. 20 kHz bis über 100 kHz festgelegt werden. Dem gegenüber kann die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters beim Lichtbogenschweißen im Bereich von 0 bis ca. 400 Hz variieren, wobei eine Frequenz von 0 Hz einem Gleichrichterstrombetrieb entspricht. Durch die Wahl der Ansteuerung der Halbleiterschalter 4, 7 oder der Halbleiterschalter 5, 6 kann die Polarität der Ausgangsspannung bzw. die Richtung des Ausgangsstromes festgelegt werden.
Grundsätzlich kann die Ansteuerung der Halbleiterschalter 4, 5, 6, 7 mit drei verschiedenen Verfahren durchgeführt werden. Diese werden im Folgenden als DSM-Betriebsart (Double Switching Mode), als SSM-Betriebsart (Single Switching Mode) bzw. als MSM-Betriebsart (Multi Switching Mode) bezeichnet. Für die DSM-Betriebsart ist es charakteristisch, dass die jeweils zwei einander zugeordneten und ein Schalterpaar bildenden Halbleiterschalter 4, 7 bzw. 5, 6 gleichzeitig angesteuert werden. Dagegen werden die zwei zugeordneten Halbleiterschalter 4, 7 bzw. 5, 6 in der SSM- Betriebsart so angesteuert, dass jeweils ein Halbleiterschalter permanent eingeschaltet ist und nur für den Polaritätswechsel abgeschaltet wird und der jeweils andere Halbleiterschalter in Abhängigkeit der zu regelnden Ausgangsgröße geschaltet wird. Dahingegen werden bei der MSM-Betriebsart die zugeordneten Halbleiterschalter 4, 7 bzw. 5, 6 nicht zeitgleich geschaltet.
Zuerst soll auf die DSM-Betriebsart im Detail eingegangen werden. Wie bereits erwähnt, kann der Wechselrichter so angesteuert werden, dass er als Tiefsetzsteller im Gleichrichterbetrieb arbeitet. Dabei werden beispielsweise die einander zugeordneten Halbleiterschalter 4, 7 durch eine bekanntes Modulationsverfahren, wie Pulsweitenmodulation, Pulsphasenmodulation oder auch über eine Zweipunktregelung, gleichzeitig ein- und wieder ausgeschaltet. Nach dem Einschalten erfolgt ein Stromfluss vom Zwischenkreis mit dem Zwischenkreiskondensator 3 über den Halbleiterschalter 4, die Drossel 13, den im Schaltbild zusammengefassten ohmschen Anteil der Ausgangsleitungen 16, den Lichtbogenschweißprozess 19, den zusammengefassten induktiven Anteil der Ausgangsleitungen 15 und den Halbleiterschalter 7 zum negativen Teil des Zwischenkreises. Nach dem Abschalten der zugeordneten Halbleiterschalter 4, 7 fließt der Strom von der Drossel 13 über den Widerstand 16, den Lichtbogenprozess 19 und der Induktivität 15, der Sperrdiode des Halbleiterschalters 6 in den Zwischenkreiskondensator 3 und über die Sperrdiode des Halbleiterschalters 5 zur Drossel 13.
Ein Übergang in den Wechselstrombetrieb kann nach dem Abschalten der Halbleiterschalter 4, 7 und dem Einschalten des anderen Halbleiterschalterpaares 5, 6 nach einer bestimmten Totzeit erfolgen. Nach dem Abschalten der Halbleiterschalter 4, 7 sinkt der Strom und damit die Spannung am Lichtbogenprozess auf Null und beginnt durch das Einschalten der einander zugeordneten Halbleiterschalter 5, 6 in die entgegengesetzte Richtung zu fließen. Nach dem Erreichen eines vorbestimmten Istwertes beginnt die Regelung auf eine Ausgangsgröße durch die Ansteuerung der Halbleiterschalter 5, 6 nach einem der oben erwähnten Modulationsverfahren. Zum besseren Verständnis der DSM-Betriebsart sei ferner auf die 2a) bis 2g) verwiesen. Die Figuren zeigen jeweils von links nach rechts den Zeitverlauf der angegebenen Größen innerhalb eines Abschnittes einer Wechselstromperiode, der im Bereich der Polumkehr liegt. Die 2a) und 2b) zeigen die Ansteuersignale für die beiden einander zugeordneten Halbleiterschalter 4 und 7. Beide werden über ein Rechtecksignal mit der gleichen Taktperiode und phasengleich angesteuert. 2c) zeigt die daraus resultierende Einschaltdauer des Halbleiterschalterpaares. In 2d) ist der Ausgangsstrom des Wechselrichters dargestellt, der zuerst positiv und anschließend negativ ist. Der Ausgangsstrom wird in Zeitabschnitten, in welchen das Halbleiterschalterpaar sperrt (siehe 2c), wie beschrieben, durch die Drossel 13 aufrecht erhalten, die während der Durchlassphasen des Halbleiterschalterpaares aufgeladen wird. Ein erneuter Wechsel in die positive Stromrichtung bzw. ein ständiger Wechsel zwischen positiver und negativer Stromrichtung ist dann entsprechend der Ausgangsfrequenz des klassischen Wechselrichters einstellbar. Die 2e) und 2f) zeigen die Ansteuersignale der Halbleiterschalter 5, 6 und 2g) zeigt die resultierende Einschaltdauer des Schalterpaares 5, 6.
Eine Regelung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstromes wird durch die beschriebene Ansteuerung der Schaltelemente des Wechselrichters über die Steuer- und Regeleinrichtung 38 im Ansprechen auf die vom Stromsensor 12 und Spannungssensor 18 erfassten Istwerte durchgeführt. Die Taktfrequenz zur Ansteuerung der Halbleiterschalter kann je nach Art der Schalter und der Verwendung von aktiven oder passiven Entlastungsnetzwerken 41, 42, 43 und 44 im Bereich von ca. 20 kHz bis über 100 kHz liegen.
Die SSM-Ansteuerbetriebsart unterscheidet sich von der DSM-Ansteuerbetriebsart dadurch, dass einer der zugeordneten Halbleiterschalter 5, 6 bzw. 4, 7 permanent eingeschaltet ist und die Regelung auf eine Ausgangsgröße durch Ein- und Ausschalten des jeweils dazugehörigen Halbleiterschalters erfolgt. Der permanent eingeschaltete Halbleiterschalter dient zur Festlegung der Polarität der Ausgangsspannung. In 3a) sind die Ansteuersignale des Halbleiterschalters 4 dargestellt, der ein- und ausgeschaltet wird. 3b) zeigt dem gegenüber das Ansteuersignal des zugeordneten Halbleiterschalters 7, der innerhalb einer Wechselstromhalbperiode permanent eingeschaltet, bleibt. Die resultierende Einschaltsequenz, in welcher beide Halbleiterschalter eingeschaltet sind und demnach der Zweig leitend geschaltet ist, zeigt 3c). Sind beide Halbleiterschalter eingeschaltet, erfolgt ein Stromfluss wie bei der DSM-Betriebsart vom Zwischenkreis mit der Kondensatorbatterie 3 über den Halbleiterschalter 4, die Drossel 13, den im Schaltbild zusammengefassten ohmschen Anteil der Leitungen 16, den Lichtbogenschweißprozess 19, den zusammengefassten induktiven Anteil der Leitungen 15 und den Halbleiterschalter 7 zum negativen Teil des Zwischenkreises. Wird der Halbleiterschalter 4 (siehe 3a) ausgeschaltet, fließt der Strom von der Drossel 13 über den im Schaltbild zusammengefassten ohmschen Anteil der Leitungen 16, den Lichtbogenprozess 19, die Leitungsinduktivität 15, den eingeschalteten Halbleiter 7 und die Sperrdiode des Halbleiterschalters 5 zur Drossel 13. Ein Wechsel der Polarität erfolgt analog zur DSM-Betriebsart. 3e) und f) zeigen die Ansteuersignale der Halbleiterschalter für die entgegengesetzte Polarität, d.h. für die Schalter 5 und 6. Die SSM-Betriebsart eignet sich vor allem in Stromquellen, bei welchen eine hohe maximale Stromänderungsgeschwindigkeit gefordert ist.
Das dritte Ansteuerverfahren, die MSM-Betriebsart, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 4 erläutert. Dabei zeigen die 4a) und b) die Ansteuersignale für die zwei Halbleiterschalter 4 und 7. 4c) stellt die resultierende Einschaltsequenz dar, mit der beide Halbleiterschalter leitend geschaltet sind. Wie zu erkennen, ergibt sich eine Verdoppelung der Frequenz im Vergleich zur Ansteuerfrequenz der einzelnen Schalter. 4d) zeigt den Ausgangsstrom des Wechselrichters. Wenn ein Energiefluss vom Netz in den Lichtbogenprozess erfolgen soll, müssen beide Halbleiterschalter eingeschaltet werden. Der Ausgangsstrom steigt an, sofern die Last einen Lichtbogen oder einen Kurzschluss darstellt. Es erfolgt ein Stromfluss vom Pluspol des Zwischenkreiskondensators 3 über den Halbleiterschalter 4, die Drossel 13, den Leitungswiderstand 16, den Lichtbogenprozess 19, die Leitungsinduktivität 15 und den Halbleiterschalter 7 zum Minuspol des Zwischenkreiskondensators 3.
Im Gegensatz zu den oben beschriebenen zwei Ansteuerverfahren werden hier nicht beide Halbleiterschalter 4, 7 gleichzeitig abgeschaltet, sondern es sperrt zuerst der Halbleiterschalter 4. Es erfolgt nun ein Stromfluss von der Drossel 13 über den Leitungswiderstand 16, den Lichtbogenprozess 19, die Leitungsinduktivitäten 15, den Halbleiterschalter 7 und die Diode des Halbleiterschalters 5 zurück zur Drossel. Nach dem Einschalten des Halbleiterschalters 4 erfolgt der beschriebene Energiefluss von dem Zwischenkreiskondensator in den Lichtbogenprozess. Anschließend wird der Halbleiterschalter 7 ausgeschaltet und der Strom fließt von der Drossel 13 über den Leitungswiderstand 16, den Lichtbogenprozess 19, die Leitungsinduktivität 15 über die Diode des Halbleiterschalters 6 und den Halbleiterschalter 4 zur Drossel 13. Dieser Vorgang setzt sich entsprechend für einen positiven Stromfluss fort. 4e) zeigt das Ansteuersignal des Halbleiterschalters 6 und 4f) das Ansteuersignal des Halbleiterschalters 5. 4g) zeigt die resultierende Einschaltsequenz, in der beide Halbleiterschalter eingeschaltet sind.
Wird vom Gleichstrom- in den Wechselstrombetrieb gewechselt, ist ein Abschalten beider Halbleiterschalter notwendig. Nach dem Abschalten der beiden Halbleiterschalter 4, 7 fließt der absinkende Schweißstrom von der Drossel 13 über die Diode des Halbleiterschalters 6 in den Zwischenkreiskondensator 3 und über die Diode des Halbleiterschalters 5 zur Drossel 13. Nach einer Totzeit von einigen 10 μs können die Halbleiterschalter 5 und 6 eingeschaltet werden. Das Einschalten der Halbleiterschalter 5 und 6 bzw. 4 und 7 zur Stromumkehr kann je nach Anwendung auch in Abhängigkeit der Spannung erfolgen. Dabei wird über die Eingänge 21, 23, 30 und 33 der Steuer- und Regeleinrichtung 38 die Spannung, die über dem jeweiligen Halbleiterschalter abfällt, erfasst. Übersteigt die Spannung an den einzuschaltenden Halbleiterschaltern einen Schwellwert von ca. 5 V, werden diese eingeschaltet. Der Ausgangsstrom geht durch Null und beginnt in die negative Richtung zu fließen. Nach dem Erreichen eines bestimmten Stromsollwertes in negativer Strom richtung oder nach Ablauf einer vorher bestimmten Zeit wird der Halbleiterschalter 6 ausgeschaltet. Der Stromfluss erfolgt von der Drossel 13 über den Halbleiterschalter 5, die Diode des Halbleiterschalters 7, die Leitungsinduktivität 15, den Lichtbogenprozess 19 und den Leitungswiderstand 16 zur Drossel 13. Nach dem erneuten Einschalten des Halbleiterschalters 6 erfolgt ein Stromfluss von dem Zwischenkreiskondensator 3 über den Halbleiterschalter 6, die Leitungsinduktivität 15, den Lichtbogenprozess 19, den Leitungswiderstand 16, der Drossel 13, den Halbleiterschalter 5 zum Minuspol des Zwischenkreiskondensators 3. Nach dem Abschalten des Halbleiterschalters 5 fließt der Strom von der Drossel 13 durch die Sperrdiode des Halbleiterschalters 4 über den Halbleiterschalter 6, die Leitungsinduktivität 15, den Lichtbogenprozess 19 und den Leitungswiderstand 16 zur Drossel 13. Durch erneutes Einschalten des Halbleiterschalters 5 wiederholt sich der Vorgang. Eine erneute Umkehr der Ausgangsstromrichtung bzw. Umkehrung der Polarität der Ausgangsspannung entsprechend der Ausgangsfrequenz des klassischen Wechselrichters ist wiederum nach dem Abschalten der beiden Halbleiterschalter 5 und 6 möglich.
Alle drei beschriebenen Betriebsarten DSM, SSM und MSM ermöglichen demnach den Gleich- und Wechselstrombetrieb der erfindungsgemäßen Stromquelle und gleichzeitig die Regelung der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstromes.
Bei allen drei Betriebsarten wird beim Wechselstrombetrieb während des Polaritätswechsels ein zusätzliches Verfahren zum Ansteuern der Halbleiterschalter des Wechselrichters angewendet, um eine schnelle Umkehrung des Ausgangsstromes zu erhalten und damit einen Lückbetrieb zu vermeiden. Dabei wird dafür gesorgt, dass die in der Drossel 13 gespeicherte Energie in der Phase des Polaritätswechsels nach dem Abschalten des leitenden Halb- leiterschalterpaares (4, 7; 5, 6) nicht mehr in den Zwischenkreis zurückgespeist wird. Hierzu werden nach Ablauf einer Totzeit die Halbleiterschalter 5 und 7 oder die Halbleiterschalter 4 und 6 eingeschaltet, wodurch der Ausgang des Wechselrichters kurzgeschlossen ist und die in der Drossel gespeicherte Energie schnell abgeführt werden kann. Der Stromverlauf wird am Beispiel des Einschaltens der Halbleiter 5 und 7 erläutert. Waren vorher beispielsweise die Halbleiterschalter 4 und 7 leitend, fließt der Strom von der Drossel 13 über den Leitungswiderstand 16, den Lichtbogenprozess 19, der Leitungsinduktivität 15, über den Halbleiterwiderstand 7, der Diode des Halbleiterschalters 5 bzw. den Halbleiterschalter zurück in die Drossel 13. Nach der Entleerung der Drossel 13 wird nachfolgend der Wechselrichter wieder nach einer der beschriebenen 3 Betriebsarten angesteuert.
Die in 1 dargestellte Ausführungsform der Stromquelle weist eine weitere Maßnahme gegen das Auftreten eines Lückbetriebes in Form einer Zusatzschaltung 14 auf, um eine schnellere Stromrichtungsumkehr zu ermöglichen. Besonders bei niedrigen Strömen kann der Schweißstrom in den Lückbetrieb übergehen. Innerhalb einer Taktperiode wird während der Sperrdauer ein solcher Lückbetrieb durch die Schweißdrossel 13 im Ausgangskreis vermieden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Anordnungen mit einem klassischen Tiefsetzsteller und nachgeschaltetem Polwender wird die Drossel 13 in Reihe zu den Ausgangsklemmen angeordnet. Eine zusätzliche Schaltung zur Begrenzung von Überspannungen kann dadurch entfallen. Beim Wechselstrombetrieb sind die Anforderungen jedoch höher, da zum Schutz der Halbleiterschalter eine Totzeit zwischen dem Ausschalten des einen Halbleiterschalterpaares und dem Einschalten des anderen Halbleiterschalterpaares eingelegt wird. Somit sind beim Wechselstrombetrieb sehr kurze Stromanstiegs- bzw. Stromabfallzeiten notwendig, um ein Löschen des Lichtbogens zu verhindern. Nach dem Stand der Technik wird der Lichtbogen nach dem Nulldurchgang mit einem Hochspannungsimpuls gezündet. Dafür ist jedoch eine zusätzliche Drossel zum Schutz der Leistungshalbleiter bzw. zum Aufbau einer Hochspannung und ein entsprechender Hochspannungswandler notwendig. In der in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Schweißstromquelle ist der Schweißdrossel 13 eine mit dem Bezugszeichen 14 gekennzeichnete Zusatzschaltung parallel ge schaltet, um den Ausgangsstrom schneller umzukehren. Die Zusatzschaltung kann je nach Ausführungsform eine der in den 5-8 dargestellten Schaltungen umfassen. Allen Schaltungen ist gemein, dass diese zumindest eine Speichereinrichtung in Form eines Kondensators in Reihe mit zwei Schaltelementen aufweisen. Jedem der beiden Schaltelemente ist eine Diode parallel geschaltet, wobei die den Schaltern zugeordneten Dioden entgegengesetzt orientiert sind.
Weist die Zusatzschaltung 14 die in 5 dargestellten Schaltelemente auf, lädt sich der Kondensator 100 bei geschlossenem Schalter 104 auf eine bestimmte Spannung auf, wenn die Schalter 4 und 7, wie oben beschrieben, leitend angesteuert werden, sodass ein Ausgangsstrom fließt. Ist einer der beiden Halbleiterschalter 4 oder 7 geöffnet, treibt die Drossel den Strom weiter. Durch die sperrende Diode 101 kommt es nicht zur Entladung des Kondensators 100. Soll der Ausgangsstrom umgekehrt fließen, werden die beiden Halbleiterschalter 5 und 6 geschlossen. Der durch die Drossel 13 getriebene Strom sinkt. Fällt der Strom unter eine bestimmte Schwelle oder nach einer vorbestimmten Zeit, wird der Halbleiterschalter 102 geschlossen und der Halbleiterschalter 104 geöffnet. Ist der Ausgangsstrom durch die Drossel 13 auf Null gesunken, kann ein Ausgangsstrom in die entgegengesetzte Richtung fließen. Die Spannung am Kondensator 100 wirkt in Reihe zur Zwischenkreisspannung. Der Anstieg des Ausgangsstromes ist hoch, da Strom über den Kondensator 100 fließen kann. Durch den Ausgangsstromfluss lädt sich der Kondensator in die entgegengesetzte Richtung auf. Es erfolgt eine Kommutierung des Stromes vom Kondensator 100 auf die Drossel 100. Auch die Halbleiterschalter 5 und 6 werden wie die Schalter 4 und 7 zur Regelung auf eine Ausgangsgröße nach einem Modulationsverfahren angesteuert. Eine erneute Stromrichtungsumkehr erfolgt in analoger Weise.
6 zeigt eine Zusatzschaltung, bei welcher der unipolare Kondensator gemäß 5 durch zwei Elektrolytkondensatoren ersetzt ist. Die Dioden 105 und 108 verhindern ein negatives Auf laden der Elektrolytkondensatoren 106 und 109. Die Widerstände 107 und 110 wirken als Entladewiderstände.
Die Schaltung in 7 umfasst im Vergleich zur Schaltung gemäß 5 einen zusätzlichen Entladekreis. Werden die Schalter 4 und 7 mit einem Modulationsverfahren angesteuert und fließt ein Ausgangsstrom, lädt sich der Kondensator 117 bei geschlossenem Schalter 121 auf eine vorgegebene Spannung auf. Im Gegensatz zur Schaltung gemäß 5 wird der Schalter 121 nach einer bestimmten Zeit oder nach Erreichen einer vorgegebenen Spannung am Kondensator 117 geöffnet und der Halbleiterschalter 116 geschlossen. Damit kann sich der Kondensator 117 über den Halbleiterschalter 116 und den Widerstand 115 entladen. Nach einer vorbestimmten Zeit oder bei Erreichen eines Stromes von Null, wird der Halbleiterschalter 116 wieder geöffnet.
Nach dem Öffnen der Halbleiterschalter 4 und 7, beginnt der Ausgangsstrom zu sinken. Nach einer vorbestimmten Zeit oder nach Erreichen einer vorbestimmten Schwelle des Ausgangsstromes werden die Halbleiterschalter 5 und 6 geschlossen. Nach dem Ablauf einer weiteren Zeitdauer oder bei Erreichen eines bestimmten Strom-Istwertes wird der Schalter 119 geschlossen. Die verbleibende in der Drossel 13 gespeicherte Energie entlädt sich nachfolgend in den Kondensator. Der Ausgangsstrom sinkt sehr schnell auf Null ab. Damit kann ein Ausgangsstrom in entgegengesetzter Richtung fließen. Der Kondensator 117 wird durch den sinkenden Strom der Drossel 13 und durch den Ausgangsstrom aufgeladen. Ist der Strom durch die Drossel 13 auf Null gesunken, beginnt ein Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung. Dabei kann sich der Kondensator nicht über die Diode 120 entladen. Nachfolgend wird der Halbleiterschalter 119 geöffnet und der Halbleiterschalter 116 geschlossen, sodass sich der Kondensator 117 über den Halbleiterschalter 116 und den Widerstand 115 entladen kann. Alle Halbleiterschalter des Wechselrichters werden zur Regelung auf eine Ausgangsgröße wieder nach einem Modulationsverfahren angesteuert. Ein erneuter Wechsel der Stromrichtung des Ausgangsstromes kann nach dem beschriebenen Verfahren erfolgen.
8 zeigt die in 7 dargestellte Zusatzschaltung für die Verwendung von Elektrolytkondensatoren und arbeitet in entsprechender Weise.
Die in 1 dargestellte Schweißstromquelle weist zusätzlich eine Vorrichtung zur Anhebung der Zwischenkreisspannung auf, um eine noch schnellere Stromrichtungsumkehr zu ermöglichen. Diese umfasst eine Ladeeinrichtung, vorliegend einen Gleichrichter mit einer Spannungsvervielfacherschaltung 50, eine Energiespeichereinrichtung in Form einer Kondensatorbatterie 45 sowie eine Induktivität 47 und einen Halbleiterschalter 46. Dabei wird die Kondensatorbatterie 45 von der Spannungsvervielfacherschaltung auf eine Spannung von etwa 100 V aufgeladen, die deutlich höher als die Zwischenkreisspannung liegt. Die Kondensatorbatterie 45 ist über die Induktivität 47 und den Schalter 46 zum Zwischenkreiskondensator 3 parallel geschaltet. Soll eine Stromrichtungsumkehr erfolgen, werden beide aktiven Halbleiterschalter, beispielsweise 4 und 7 ausgeschaltet. Sofort nach dem Abschalten der beiden aktiven Halbleiterschalter wird der Halbleiterschalter 46 eingeschaltet. Es fließt ein Ausgleichstrom von der Kapazität 45 über eine geringe Induktivität 47, welche beispielsweise durch die Leitungsinduktivität bereitgestellt werden kann, in den Zwischenkreiskondensator 3. Hierdurch steigt die Zwischenkreisspannung schnell an. Durch die höhere Zwischenkreisspannung sinkt der Ausgangsstrom der Schweißstromquelle wesentlich schneller auf Null ab. Der Halbleiterschalter 46 wird durch ein Signal der Steuerung- und Regeleinrichtung 38 nach einer bestimmten Zeit oder beim Abfall des Stromes unter einen vorgegebenen Grenzwert geschlossen. Je nach Ausführungsform kann auch ein Abschalten nach Erreichen einer bestimmten Spannung am Zwischenkreiskondensator 3 eingestellt werden. Werden die beiden bisher inaktiven Halbleiterschalter 5, 6 anschließend geschlossen, kann der Ausgangsstrom durch die höhere Zwischenkreisspannung wesentlich schneller ansteigen. Durch den vom zwischenkreiskondensator 3 getriebenen Ausgangsstrom sinkt die Zwischenkreisspannung wieder auf einen Wert von ca. 60 V ab. Der Energiefluss erfolgt wieder vom Netz über den Transformator 1, den Gleichrichter 2 in den Zwischenkreiskondensator 3.
In 9 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schweißstromquelle dargestellt. Die Funktion der in 1 dargestellten Drossel 13 wird in der hier dargestellten Stromquelle durch die Induktivitäten 71 und 72 übernommen. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Stromquelle wird auf eine parallel zu einer Induktivität angeordneten Zusatzschaltung 14 verzichtet. Statt dessen wird im Ausgangskreis ein Lichtbogenzündgerät 70 verwendet, das in der einfachsten Ausführungsform nur aus einem ansteuerbaren Schalter besteht. 10 zeigt die Ausbildung eines Zündgerätes 70 im Detail mit einem parallel zum Schalter angeordneten Energiespeicher. Der Schalter kann aus zwei Halbleiterschaltern bestehen, wie in 10 dargestellt. Das Zündgerät 70 dient wie beim Stande der Technik zum Zünden des Lichtbogens nach jedem Polwechsel. Die Ansteuerung des bzw. der Schalter im Zündgerät ist bei der erfindungsgemäßen Stromquelle auf die Ansteuerung der Halbleiterschalter des Wechselrichters abgestimmt. Grundsätzlich sind alle drei Betriebsarten des Wechselrichters mit dem Lichtbogenzündgerät 70 möglich. Das Zündgerät bzw. dessen Halbleiterschalter werden dabei auch durch die Steuereinrichtung 38 angesteuert. Im Ausgangskreis dienen die Drosseln 71, 72 auch als Hochspannungsschutzeinrichtung zur Beschränkung der Zündimpulse durch das Lichtbogenzündgerät.
Die Arbeitsweise des Zündgeräts in Verbindung mit der Ansteuerung des Wechselrichters soll im Folgenden beschrieben werden. Die 11a) und b) zeigen die Ansteuerimpulse zweier gegenüberliegender Halbleiterschalter, z. B. 4 und 7, in der DSM-Betriebsart. 11c) zeigt das Ansteuersignal für den Schalter im Lichtbogenzündgerät 70. In 11d) ist der durch den Sensor 12 erfasste Strom und in 11e) der Ausgangsstrom dargestellt. 11f) zeigt die Ausgangsspannung. wie zu erkennen, wird sowohl die Ausgangsspannung als auch der Ausgangs strom durch das Lichtbogenzündgerät 70 stark erhöht, wodurch das Zünden des Schweißlichtbogens unterstützt wird. Wie obenstehend erläutert, wird nach dem Nulldurchgang des Schweißstromes eines der beiden Halbleiterschalterpaare 4, 7 oder 5, 6 geschlossen. Gleichzeitig wird der Halbleiterschalter im Lichtbogenzündgerät 70 geschlossen. Dabei sei angenommen, dass die Halbleiterschalter 4 und 7 leitend geschaltet sind. Ein Strom fließt damit vom Zwischenkreis mit dem Kondensator 3 über den Halbleiterschalter 4, die Drossel 72, den Schalter im Lichtbogenzündgerät, die Drossel 71 und den Halbleiterschalter 7 zum Zwischenkreiskondensator 3. Der Stromanstieg wird im Wesentlichen durch die Zwischenkreisspannung und die Induktivität der Drosseln 71 und 72 bestimmt. Nach dem Erreichen eines vorgegebenen Ausgangsstromes, der .durch den Stromsensor 12 erfasst wird, oder nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit wird der Schalter im Lichtbogengerät 70 geöffnet. Durch die im Kreis vorhandenen Induktivitäten kommt es zu einem Anstieg der Ausgangsspannung (siehe 11f), welche die Zwischenkreisspannung übersteigt. Die Ausgangsspannung kann einige hundert Volt betragen. Durch die kurzzeitig erhöhte Ausgangsspannung wird ein leichtes Wiederzünden des Lichtbogens nach dem Umpolvorgang ermöglicht.
Das Ansteuern der Halbleiterschalter 4, 7 nach einer der drei Betriebsarten erfolgt nach Erkennung einer Ausgangsspannung kleiner oder gleich der Zwischenkreisspannung, die über den Spannungssensor 18 erfasst wird, oder nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer. Für den Fall des Nichtzündens des Lichtbogens, kann, wie in 10 dargestellt, ein Kondensator 138, ein Varistor 139 oder ein anderes spannungsbegrenzendes Bauteil parallel zum Schalter im Lichtbogenzündgerät 70 für eine Begrenzung der Ausgangsspannung sorgen. Durch die beschriebene Ausbildung des Lichtbogenzündgerätes 70 muss der Schalter des Zündgerätes nur für die Pulsströme und Pulsspannungen, nicht jedoch für den gesamten mittleren Ausgangsstrom ausgelegt sein. In analoger Weise wird nach dem Schließen der Schalter 5, 6 für die entgegengesetzte Stromrichtung verfahren.
Wie schon erwähnt, ist zum Schutz der Halbleiter in jeder Zuleitung eine Drossel 71, 72 integriert, siehe 9. Darüber hinaus wird von den Drosseln die Funktion der in 1 dargestellten Schweißdrossel 13 übernommen. Die Drosseln 71 und 72 können auch als eine Drossel mit zwei Wicklungen, welche auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind, ausgeführt sein. wie in 9 dargestellt, ist ferner die oben beschriebene Zusatzschaltung zur kurzzeitigen Anhebung der Zwischenkreisspannung mit einer Parallelschaltung eines Energiespeichers zum Zwischenkreiskondensator umfasst, sodass ein Erlöschen des Lichtbogens auch bei sehr geringen Ausgangsströmen sicher vermieden werden kann.

1: Netztransformator
2: Eingangsgleichrichter
3: Zwischenkreiskondensator
4, 5, 6, 7: Halbleiterschalter des Wechselrichters
8: Funktionsgruppe des Halbleiterschalters 4
9: Funktionsgruppe des Halbleiterschalters 5
10: Funktionsgruppe des Halbleiterschalters 6
11: Funktionsgruppe des Halbleiterschalters 7
12: Stromsensor
13: Drossel
14: Zusatzschaltung
15: Induktiver Impedanzanteil in den Ausgangsleitungen
16: Ohmscher Impedanzanteil in den Ausgangsleitungen
17: Impedanz der Ausgangsleitungen
18: Spannungssensor
19: Schweißbrenner mit Werkstück
20: Istwert-Spannungssignal des Spannungssensors 18
21: Signal für Spannung > 5 V an Halbleiterschalter 6
22: Signal für Stromgrenze an Halbleiterschalter 6
23: Signal für Spannung > 5 V an Halbleiterschalter 7
24: Signal für Stromgrenze an Halbleiterschalter 7
25: Istwert-Spannungssignal des Stromsensors 12
26: Einschaltsignal des Halbleiterschalters 6
27: Einschaltsignal des Halbleiterschalters 7
28: Einschaltsignal für die Halbleiterschalter
: der Zusatzschaltung
29: Signal für Stromgrenze an Halbleiterschalter 5
30: Signal für Spannung > 5 V an Halbleiterschalter 5
31: Einschaltsignal für Halbleiterschalter 5
32: Signal für Stromgrenze an Halbleiterschalter 4
33: Signal für Spannung > 5 V an Halbleiterschalter 4
34: Einschaltsignal an Halbleiterschalter 4
35: Bus-Signal Istwerte
36: Bus-Signal Sollwerte
38: Steuer- und Regeleinrichtung
39: Bedieneinheit
40: Einschaltsignal für Halbleiterschalter 46
41, 42, 43, 44: Entlastungsnetzwerk
45: Ausgangskondensator
46: Halbleiterschalter
47: Induktivität
50: Spannungsquelle
51: Spannungssensor
52: Signal für die Spannung am Zwischenkreiskondensator 3
53: Steuersignal für das Lichtbogenzündgerät 70
70: Lichtbogenzündgerät
71: Drossel
72: Drossel
100: Kondensator
101: Diode
102: Halbleiterschalter
103: Diode
104: Halbleiterschalter
105: Diode
106: Unipolarer Kondensator
107: Entladewiderstand
108: Diode
109: Unipolarer Kondensator
110: Entladewiderstand
111: Diode
112: Halbleiterschalter
113: Diode
114: Halbleiterschalter
115: Entladewiderstand
116: Halbleiterschalter
117: Kondensator
118: Diode
119: Halbleiterschalter
120: Diode
121: Halbleiterschalter
122: Entladewiderstand
123: Halbleiterschalter
124: Diode
125: Diode
126: Unipolarer Kondensator
127: Unipolarer Kondensator
128: Entladewiderstand
129: Entladewiderstand
130: Diode
131: Halbleiterschalter
132: Diode
133: Halbleiterschalter
134: Diode
135: Halbleiterschalter
136: Diode
137: Halbleiterschalter
138: Kondensator
139: Varistor

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Stromquelle, bei welcher durch eine Steuereinrichtung ein an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossener, durch Schaltelemente gebildeter Wechselrichter angesteuert wird zur Versorgung eines an einen Ausgang des Wechselrichters angeschlossenen Verbrauchers, insbesondere eines Schweißprozesses, wobei jeweils zwei zugeordnete, ein Schaltelementpaar bildende Schaltelemente des Wechselrichters zur Bereitstellung eines Polwechsels schaltbar sind, die Schaltelemente jeweils mit einer vorgegebenen Taktfrequenz getaktet werden, wobei zumindest eine Ausgangsgröße des Wechselrichters erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, im Ansprechen auf die zumindest eine erfasste Ausgangsgröße (20, 25) die Schaltelemente (4, 7, 5, 6) des Wechselrichters zur Erzeugung eines vorgegebenen Spannungs- und/oder Stromverlaufs am Ausgang des Wechselrichters angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei zugeordneten Schaltelemente (4, 7; 5, 6) gleichzeitig zum Schließen und Öffnen mit gleicher Taktfrequenz angesteuert werden, wobei die Ansteuerung der zugeordneten Schaltelemente über ein Modulationsverfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordneten Schaltelemente (4, 7; 5, 6) zeitverschoben zum Schließen und Öffnen mit gleicher Taktfrequenz angesteuert werden, wobei die Ansteuerung der zugeordneten Schaltelemente über ein Modulationsverf ahren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn– zeichnet, dass die zugeordneten Schaltelemente (4, 7; 5, 6) mit unterschiedlicher Einschaltdauer und Sperrdauer innerhalb einer Taktperiode angesteuert werden, wobei die Ansteuerung der zugeordneten Schaltelemente über ein Modulationsverfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden zugeordneten Schaltelemente (7, 6) innerhalb einer Wechselstromhalbperiode zur permanenten Leitung angesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Wechselstrombetrieb zwischen dem Ausschalten eines ersten Schaltelementpaares (4, 7) und dem Einschalten eines zweiten Schaltelementpaares (5, 6) eine Totzeit vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Polaritätswechsels zur schnellen Umkehrung des Ausgangsstromes nach dem Öffnen von zwei zugeordneten Schaltelementen (4, 7; 5, 6) die beiden am Plus-Pol des Gleichspannungszwischenkreises angeschlossenen Schaltelemente (4, 6) oder die beiden am Minus-Pol des Gleichspannungszwischenkreises angeschlossenen Schaltelemente (5, 7) zum Leiten angesteuert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung eines Lückbetriebes des Verbrauchers (19) nach dem Öffnen und/oder Schließen von zwei zugeordneten Schaltelementen des Wechselrichters kurzzeitig die Spannung des Gleichspannungszwischenkreises erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung eines Lückbetriebes des Verbrauchers (19) nach dem Öffnen und/oder Schließen von zwei zugeordneten Schaltelementen ((4, 7; 5, 6) des Wechselrichters während eines Polaritätswechsels kurzzeitig einer ersten, in Serie zum Verbraucher (19) angeordnete Energiespeichereinrichtung (13) eine schaltergesteuerte zweite Energiespeichereinrichtung (14) parallel geschaltet wird, wobei die zweite Energiespeichereinrichtung in einem Zeitraum aufgeladen wird, in welchem die beiden zugeordneten Schaltelemente (4, 7; 5, 6) leitend geschaltet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Halbleiterschalter (135, 137) im Ausgangskreis in vorgegebener Weise zu den Schaltern (4, 7, 5, 6) des Wechselrichters angesteuert wird zur Erzeugung eines Lichtbogenzündimpulses nach einer Polumkehr.
Stromquelle, insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit – einem Gleichspannungszwischenkreis, – einem durch Schaltelemente gebildeten und mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Wechselrichter, welcher einen im Primärkreis angeordneten Verbraucher speist, wobei die Schaltelemente jeweils eine Sperrdiode aufweisen und jeweils zwei Schaltelemente einander als Schaltelementpaar zugeordnet sind, – eine Messvorrichtung zur Erfassung zumindest einer Ausgangsgröße des Wechselrichters, – eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Schaltelemente des Wechselrichters, dadurch gekenn zeichnet, dass zur Regelung des Ausgangs des Wechselrichters auf eine vorgegebene Spannung und/oder einen vorgegebenen Strom im Ansprechen auf einen Vergleich der erfassten Ausgangsgröße (20, 25) mit einem Sollwert ausschließlich die Schaltelemente (4, 7, 5, 6) des Wechselrichters angesteuert sind und zum Verbraucher (19) in Reihe eine erste Energiespeichereinrichtung (13) angeordnet ist, die in einer Leitungsphase eines ersten Schaltelementpaares (4, 7) vom Gleichspannungszwischenkreis über den Verbraucher aufladbar ist und in einer darauffolgenden Sperrphase des Schaltelementpaares den Verbraucher speist, wobei der zugehörige Verbraucherstrom über eine Sperrdiode von zumindest einem der. anderen einander zugeordneten und ein Schaltpaar bildenden Schaltelemente (5, 6) geführt wird.
Stromquelle nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Auslegung als Wechsel- und Gleichstromquelle, wobei die Wechselstromfrequenz von 0 bis 400 Hz und die Taktfrequenz der Schaltelemente (4, 7, 5, 6) zwischen 20 kHz und 100 kHz einstellbar ist.
Stromquelle nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Sperrphase eines Schaltelementpaares (4, 7; 5, 6) der Lastpfad zum Verbraucher (19) über den Gleichspannungszwischenkreis geführt ist.
Stromquelle nach einem der Ansprüche 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine aufladbare Kondensatorbatterie (45) zur kurzzeitigen Erhöhung der Zwischenkreisspannung über einen Schalter (46) zu einem Zwischenkreiskondensator (3) in Serie schaltbar ist.
Stromquelle nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Energiespeichereinrichtung (13) als Schweißdrossel ausgebildet ist, und dieser eine Reihenschaltung aus einer zweiten Energiespeichereinrichtung (100) und zwei Schaltelementen (102, 104) mit Sperrdioden (101, 103) parallelgeschaltet ist, wobei diese derart angeordnet sind, dass die Sperrdioden entgegengesetzte Durchlassrichtung aufweisen.
Stromquelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Energiespeichereinrichtung durch Dioden (105, 108) geschützte, in Reihe angeordnete Elektrolytkondensatoren (106, 109) aufweist, an die jeweils ein Entladungswiderstand angeschlossen ist.
Stromquelle nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Energiespeichereinrichtung einen Entladekreis (115, 116) aufweist.