DE19517875A1

DE19517875A1 - Lichtbogenschweißgerät mit verbesserter Dynamik

Info

Publication number: DE19517875A1
Application number: DE19517875A
Authority: DE
Inventors: Michael Szczesny
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-05-16
Filing date: 1995-05-16
Publication date: 1996-11-21
Anticipated expiration: 2015-05-17
Also published as: EP0743126B1; DE59609568D1; EP0743126A2; DE19517875C2; EP0743126A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtbogenschweißgerät mit einem wechselstromgespeisten Gleichrichter, der einen Zwischenkreis versorgt, einem primärseitig wechselweise getakteten Stromwandler, der sekundärseitig mindestens einen Strompfad zur Versorgung der Schweißelektrode speist, wobei in Reihe zur Schweißelektrode eine Gleichrichterdiode und eine Drossel und parallel zur Schweißelektrode eine Freilaufdiode vorgesehen sind.

Ein Lichtbogenschweißgerät dieser Art ist aus der Deutschen Patentschrift 38 03 447 bekannt. Bei diesem bekannten Lichtbogenschweißgerät wird durch den wechselstromgespeisten Gleichrichter, den Zwischenkreis und den primärseitig wechselweise getakteten Stromwandler eine sogenannte Inverterstromquelle gebildet, mittels der der Schweißprozeß mit Leistung versorgt wird. Hierbei sind sekundärseitig zwei Stromkreise vorgesehen, die über einen Umschalter so geschaltet sind, daß in der einen Stellung des Schalters beide Stromkreise gemeinsam mit der Schweißelektrode zur Gleichstromspeisung des Schweißprozesses geschaltet sind und daß in der anderen Stellung des Umschalters die Ströme den Schweißprozeß gegensinnig durchfließen, so daß ein Wechselstrombetrieb erfolgt.

Der in diesem Fall in den Schweißprozeß eingespeiste Strom hat idealerweise ein rechteckförmiges Profil, wobei in den Stromlücken die Entladung der Drossel im Schweißstromkreis über die Freilaufdiode erfolgt.

Allerdings ist dem Rechteckverhalten dahingehend eine Grenze gesetzt, daß die ansteigende bzw. abfallende Flanke des Schweißstromes jeweils nicht unendlich steil sein kann. Bei der ansteigenden Flanke ist für das Zeitverhalten einerseits die Leerlaufspannung der Inverterstromquelle und andererseits die im Lastkreis (Schweißstromkreis) befindliche Induktivität (Drossel und Zuleitungsinduktivität) maßgeblich. Durch Wahl der Leerlaufspannung kann somit die Stromanstiegsgeschwindigkeit auf das geforderte Maß erhöht werden. Umgekehrt ist bei der abfallenden Stromflanke die an den Klemmen zum Schweißprozeß anliegende Spannung für das Zeitverhalten maßgeblich. Da diese Spannung im allgemeinen jedoch wesentlich kleiner ist als die maximale Leerlaufspannung, die die Inverterstromquelle zur Verfügung stellt, ist die zu erreichende Stromabfallgeschwindigkeit wesentlich kleiner als die maximale Stromanstiegsgeschwindigkeit in der ansteigenden Flanke. Hierdurch ist die Dynamik des bekannten Lichtbogenschweißgerätes begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lichtbogenschweißgerät der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwicklen, daß es hinsichtlich seiner Dynamik für den Stromabfall verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß innerhalb des mindestens einen sekundärseitigen Strompfades über Steuermittel während der abfallenden Schweißstromflanke eine Gegenspannungsquelle in Reihe zuschaltbar ist, deren Polarität so gerichtet ist, daß sich ihr Spannungswert während der abfallenden Flanke zur Schweißprozeßspannung hinzuaddiert.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß während der abfallenden Stromflanke die Gegenspannung über geeignete Schaltmittel der Schweißprozeßspannung als eine zusätzliche Spannung in Reihe geschaltet überlagert wird, so daß die für die Stromabfallgeschwindigkeit wirkende Zeitkonstante verkürzt wird. Durch die Wahl einer entsprechend hohen Gegenspannung kann somit auch die abfallende Stromflanke entsprechend kurz sein. Hierdurch läßt sich die Dynamik erheblich verbessern. Aufgrund der Steuermittel ist sichergestellt, daß sich die Gegenspannung nur in der absteigenden Stromflanke auswirkt, während die Gegenspannung der übrigen Zeiten überbrückt und damit unwirksam ist.

Die Steuerung der Gegenspannungsquelle kann dabei einerseits in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Strom- Sollwertprofil erfolgen, welches von außen, beispielsweise über einen Impulsgenerator, in die Steuerlogik für die Gegenspannungsquelle eingeprägt wird.

Alternativ dazu kann die Steuereinheit für die Gegenspannungsquelle auch Teil eines Regelkreises sein, welcher seinen Istwert aus dem Prozeßstrom erhält und dem als Sollwert das gewünschte Stromprofil vorgegeben wird. Beiden Varianten ist gemeinsam, daß die Gegenspannungsquelle nur im Bereich der abfallenden Stromflanke wirksam ist.

Schaltungstechnisch läßt sich die Gegenspannungsquelle durch unterschiedliche Bauelemente realisieren, wie dies in den Unteransprüchen 5 bis 8 aufgeführt ist. Wenn die Gegenspannung durch eine Leistungszenerdiode in Verbindung mit einem einzigen Schalter realisiert ist, ergibt sich eine passive Gegenspannung.

Wenn die Gegenspannung durch eine Reihenschaltung von Leistungsdioden realisiert wird, ergibt sich eine wesentlich höhere Leistungsfestigkeit, da jede der in Reihe geschalteten Dioden auf einem Separaten Kühlkörper aufgebracht sein kann.

Die Anordnung der Gegenspannungsquelle kann innerhalb des Rückstromkreises der Inverterstromquelle frei gewählt sein. Eine bevorzugte Anordnung liegt dann vor, wenn die Gegenspannungsquelle mit ihrer Beschaltung in Reihe mit der Freilaufdiode angeordnet ist.

Alternativ kann zu der oben dargestellten Ausführungsform mit der Inverterstromquelle auch eine sekundär getaktete Stromquelle vorgesehen sein.

Die Erfindung wird im folgendem anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels für ein erfindungsgemäßes Lichtbogenschweißgerät,

Fig. 2 zeitliche Strom- bzw. Spannungsverläufe zur Erläuterung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißgerätes,
wobei

Fig. 2a den zeitlichen Verlauf des Schweißstromes bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Lichtbogenschweißgerät,

Fig. 2b den zeitlichen Verlauf des Schweißstromes gemäß der Erfindung und

Fig. 2c den zeitlichen Verlauf der Gegenspannung darstellen und

Fig. 3 bis 7 alternative Gestaltungen zur bauelementmäßigen Realisierung der Gegenspannungsquelle gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild für ein Lichtbogenschweißgerät gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt zunächst eine allgemein mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnete Inverterstromquelle, die aus einem wechselstromgespeisten Gleichrichter, einem Zwischenkreis sowie einem primärseitig wechselseitig getakteten Stromwandler besteht, welcher sekundärseitig einen Strompfad aufweist, welcher zur Speisung des Schweißprozesses dient. Gegenüber der auf einem Bezugspotential liegenden Gegenelektrode 9 ist mit 8 die Schweißelektrode bezeichnet. Im sekundärseitigen Strompfad der Inverterstromquelle 11 ist eine Gleichrichterdiode vorgesehen.

Im Schweißstromkreis liegt zunächst eine Drossel 6 sowie die die Leitungsinduktivität der Zuleitung zum Schweißprozeß darstellende weitere Induktivität 7.

Zur Entladung der aus den Induktivitäten 6 und 7 gebildeten Gesamtinduktivität während des Rückstromes dient eine Freilaufdiode 10.

In Reihe zum Schweißprozeß 8, 9 ist eine Gleichspannungsquelle 5 vorgesehen, deren Polarität, gekennzeichnet durch die Zeichen +, - so gewählt ist, daß sie während der abfallenden Flanke des Schweißstromes gleichsinnig gerichtet ist zu der am Schweißprozeß 8, 9 anliegenden Spannung.

Über das Schalterpaar 3, 4 kann die Gegenspannungsquelle 5 zugeschaltet bzw. überbrückt werden, wobei bei der Überbrückung der Schalter 3 geschlossen und der Schalter 4 geöffnet und bei Wirksamkeit der Gegenspannungsquelle 5 der Schalter 3 geöffnet bzw. der Schalter 4 geschlossen ist.

Das Öffnen bzw. Schließen der Schalter 3, 4 wird durch eine Steuerlogik 2 bestimmt, welche an ihrem Regeleingang sowohl den im Schweißprozeß gemessenen Ist-Strom I_ist als auch einen Vorgabe-Sollwert I_soll erhält.

Die Steuerlogik 2 schaltet die Schalter 3, 4 erfindungsgemäß so, daß innerhalb der abfallenden Stromflanke der Schalter 3 geöffnet und der Schalter 4 geschlossen und daß außerhalb dieses Bereichs die Stellung der Schalter 3, 4 umgekehrt ist.

Dies geht aus den zeitlichen Verläufen des Schweißstromes (Fig. 2b) und der von der Gegenspannung produzierten Gleichspannung (Fig. 2c) hervor. Nur im Bereich der abfallenden Stromflanke in Fig. 2b hat die Gegenspannung einen von Null verschiedenen Wert, während außerhalb dieses Zeitbereichs durch Überbrückung der Spannung der Spannungswert Null eingeprägt ist.

Die Erfindung arbeitet wie folgt:
Die vom Inverter 11 gelieferte Spannung abzüglich der Prozeßspannung 8, 9 liegt an der Reihenschaltung der Induktivität 6, die die Glättungsinduktivität der Stromquelle darstellt, und der weiteren Induktivität 7, die die Zuleitungsinduktivität für Schlauchpaket und Schweißprozeß darstellt, an und bewirkt einen positiven Stromanstieg im Lastkreis nach der Gleichung di/dt = U/L. Somit ist der Stromanstieg proportional zur Prozeßspannung U. Wird der Inverter 11 ausgeschaltet, werden die Induktivitäten 6 und 7 durch die Schweißprozeßspannung 8, 9 und die Freilaufdiode 10 abmagnetisiert. Die dabei zu erreichende maximale Stromabfallgeschwindigkeit hängt ab von der im Lastkreis auftretenden Spannung, die zunächst im wesentlichen durch die Prozeßspannung 8, 9 bedingt ist. Erfindungsgemäß ist aber parallel zu dieser Prozeßspannung 8, 9 vorzeichenrichtig eine Gegenspannung in Reihe geschaltet, so daß hierdurch die für die Stromabfallgeschwindigkeit maßgebliche Gleichspannung entsprechend erhöht wird. Proportional zur Höhe der Gegenspannung läßt sich somit die Stromabfallgeschwindigkeit ebenfalls erhöhen.

Hierdurch wird im Unterschied zu dem aus dem Stand der Technik bekannten zeitlichen Stromverlauf, der in Fig. 2a dargestellt ist, eine wesentlich kürzere Stromabfallzeit erreicht, was zu einer entsprechenden Erhöhung der Dynamik des Lichtbogenschweißgerätes führt.

Die Fig. 3 bis 7 zeigen unterschiedliche Realisierungen für die zur Bildung der Gegenspannungsquelle maßgeblichen Bauelemente- Konfigurationen. Zum einen kann gemäß Fig. 3 das aus Fig. 1 bekannte Schalterpaar 3, 4 durch Halbleiterschalter ersetzt sein.

Alternativ dazu kann gemäß Fig. 4 die Gegenspannung durch eine Zenerdiode gebildet werden, wobei nur noch ein Schalter erforderlich ist.

Eine höhere Leistungsfestigkeit ergibt sich, wenn eine Vielzahl von in Reihe zueinander geschalteten einzelnen Leistungsdioden angeordnet sind, wie dies aus Fig. 5 hervorgeht. Dabei kann jede der Leistungsdioden auf einem separaten Kühlblech angeordnet sein.

Eine einfache Realisierung zeigt Fig. 6, bei der die Gegenspannungsquelle durch einen Ohmschen Widerstand gebildet ist.

Gemäß Fig. 7 wird ein Netzwerk aus einem Widerstand, einem Kondensator und einer Diode vorgeschlagen, um die Gegenspannung zu bilden. Dabei dient die Diode D als Stromventil zur Aufladung des Kondensators C. Im Gegentakt entlädt sich der Kondensator C über den Widerstand R und bildet somit eine Spannungsquelle entsprechender Größe.

Für die in den Fig. 3 bis 7 dargestellten Schalter werden vorzugsweise Halbleiterschalter verwendet, wie diese Stand der Technik sind, beispielsweise Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren oder IGBT′s.

Claims

1. Lichtbogenschweißgerät mit einem wechselstromgespeisten Gleichrichter, der einen Zwischenkreis versorgt, einem primärseitig wechselweise getakteten Stromwandler, der sekundärseitig mindestens einen Strompfad zur Versorgung der Schweißelektrode (8) speist, wobei in Reihe zur Schweißelektrode eine Gleichrichterdiode und eine Drossel (6) und parallel zur Schweißelektrode eine Freilaufdiode (10) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des mindestens einen sekundärseitigen Strompfades über Steuermittel (2, 3, 4) während der abfallenden Schweißstromflanke eine Gegenspannungsquelle (5) in Reihe zuschaltbar ist, deren Polarität so gerichtet ist, daß sich ihr Spannungswert während der abfallenden Flanke zur Schweißprozeßspannung hinzuaddiert.

2. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenspannungsquelle (5) über eine von einem vorgegebenen Stromsollwertprofil gesteuerte Steuerlogik derart zugeschaltet wird, daß während der abfallenden Stromflanken die Gegenspannung wirksam und außerhalb der abfallenden Stromflanken überbrückt ist.

3. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenspannungsquelle (5) über Schalter (4, 3) gesteuert zuschaltbar ist, wobei die Schalter (3, 4) von einer einen Vergleicher enthaltenden Steuerlogik (2) gesteuert sind derart, daß unter der Bedingung, daß der im sekundärseitigen Strompfad gemessene Schweißstrom (I_ist) kleiner ist als ein vorgegebener Sollwert (I_soll) die Gegenspannungsquelle (5) überbrückt, und daß unter der Bedingung, daß der im sekundärseitigen Strompfad gemessene Schweißstrom (I_ist) größer ist als ein vorgegebener Sollwert (I_soll) die Gegenspannungsquelle (5) wirksam ist.

4. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Stromsollwertprofil über einen Impulsgenerator vorgegeben wird.

5. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenspannungsquelle durch eine Leistungszenerdiode gebildet ist.

6. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenspannung durch eine Reihenschaltung von Leistungsdioden gebildet ist.

7. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenspannung (5) durch einen Widerstand (R) realisiert ist.

8. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenspannung durch ein Widerstands/Kondensator/Diodennetzwerk gebildet ist, wobei der Widerstand als Entlade-Widerstand, die Diode als Ventil und der Kondensator als Konstant- Spannungsquelle wirkt.

9. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter Halbleiterschalter, insbesondere Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren oder IGBT′s sind.

10. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenspannungsquelle in Reihe zur Freilaufdiode (10) angeordnet ist.

11. Lichtbogenschweißgerät mit einem wechselstromgespeisten Gleichrichter, der einen Zwischenkreis versorgt, einem sekundärseitig wechselweise getaktetem Stromwandler, der mindestens einen sekundärseitigen Strompfad zur Versorgung der Schweißelektrode speist, wobei in Reihe zur Schweißelektrode eine Gleichrichterdiode und eine Drossel (6) und parallel zur Schweißelektrode eine Freilaufdiode (10) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des mindestens einen sekundärseitigen Strompfades über Steuermittel (2, 3, 4) während der abfallenden Schweißstromflanke eine Gegenspannungsquelle (5) in Reihe zuschaltbar ist, deren Polarität so gerichtet ist, daß sich ihr Spannungswert während der abfallenden Flanke zur Schweißprozeßspannung hinzuaddiert.