DE1954517A1

DE1954517A1 - Impuls-Schweissgenerator mit Leitungsspannung-Schwankungskompensation

Info

Publication number: DE1954517A1
Application number: DE19691954517
Authority: DE
Inventors: Rutz Robert E; Anderson Emmett R
Original assignee: Air Reduction Co Inc
Current assignee: Airco Inc
Priority date: 1968-10-29
Filing date: 1969-10-29
Publication date: 1970-05-06
Also published as: DE1954517C3; SE367776B; FR2021812A1; US3588465A; BE740276A; CH516968A; DE1954517B2; GB1278991A

Description

DR. MÜLLER-BÖR£dipi_.-IN0. QRALFS DIPL.-PHYS. DR. MANITZ DIPL.-CHEM. DR. DEUFEL

PATENTANWÄLTE

München, 29. Oktober I969 Hl/Hu - A 20^6

AIR REDUCTION COMPANY, INCORPORATED 150 East 42nd Street, New York, New York IQO17, USA

Impuls-Schweißgenerator mit Leitungsspannung-Schwankungskompensation

Das in der US-Patentschrift Nr. 3 071 68O beschriebene Impulsleistungs-Schweißverfahren kennzeichnet sich durch eine sprühartige Übertragung von Metall von der Elektrode auf das Werkstück, welche mit einem relativ geringen, mittleren Lichtbogenstrom ausgeführt wird. Infolgedessen wird das Metall bei einer relativ niedrigen Temperatur abgelagert, was eine verringerte Fließfähigkeit der Metallablagerung zur Folge hat. Dadurch wird ein bemerkenswerter Vorteil in Anwendungsfällen wie bei einem vertikalen Schweißen erreicht, bei dem eine hohe Fließfähigkeit ein Auslaufen des Metalls aus der Verbindungsstelle, vor dessen Verfestigung bewirken kann. '

Es ist eine relativ kurze Lichtbogenlänge erforderlich, um die Temperatur des Grundmetalls so zu steuern, daß· eine angemessene Verschmelzung mit dem abgelagerten Metall erreicht wird. Da die Lichtbogenlänge proportional der Licht-

bogenspannung ist, muß die Lichtbogenspannung relativ niedrig, typischerweise im Bereich von 20 Volt sein. Bei dieser niedrigen Spannung sind Netzspannungsschwankungen kritisch. Ein Absinken der Netzspannung kann ein Erlöschen des Lichtbogens bewirken, und ein Anstieg der Netzspannung kann ein schnelleres Zurückbrennen der Elektrode sogar ein Zurückbrennen der Elektrode zur Kontaktspitze, welche den Schweißstrom auf die Elektrode aufträgt, bewirken.

Ein weiterer Grund für die Anwendung eines relativ kurzen Lichtbogens besteht darin, daß das Wärmemuster in dem Lichtbogen derart ist, daß die Wärme über den dem Lichtbogen ausgesetzten Bereich des Werkstückes ungleichmäßig verteilt ----wird, was ein übermäßiges Schmelzen in Teilen der ausgesetzten Fläche bewirken kann.

Dieser Effekt ist als Unterschneiden (undercutting) bekannt und erzeugt Unregelmäßigkeiten in der geschweißten Verbindung. Der Effekt ist weniger ausgeprägt, wenn der Lichtbogen verkürzt ist, da die dem Lichtbogen ausgesetzte Fläche verringert und die Wärme gleichmäßiger über die ausgesetzte Fläche verteilt ist.

Halbleitergeräte, namentlich siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCR's) werden üblicherweise in Schweißgeneratoren nicht nur als Gleichrichter, sondern gleichzeitig zur Leistungsregelung angewendet, indem die Torelektroden der SCR¹S an einen Triggerkreis angeschlossen werden, welcher den durch die SCR's geführten Leistungsbetrag steuern kann. Die durchgeleitete Leistung kann gesteigert oder vermindert werdenj indem die Zeitdauer in der das SCR während jeder Periode der ihm aufgeprägten Versorgungsspannung im leitenden Zustand ist, geregelt wird.

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Den Verbraucherkreis einschließende Rüclckopplungsschleif en sind angewendet worden, um die Lichtbogenspannung unabhängig von den Netzspannungsschwankungen konstant zu halten. Jedoch haben diese Maßnahmen die Kosten der Vorrichtung stark gesteigert und haben sich in der Beziehung als nachteilig erwiesen, daß sie dazu neigen, die Anfahrcharakteristiken der Vorrichtung sru ändern.

Darüberhinaus neigen Edrnschwingvorgänge im Verbraucher beim Start dazu, in bekannten Regelsystemen mit SCR's störend zu sein. Wenn eine Re.rler-Bozugsspannung beim Start vorhanden ist und der Verbraucher dann an den Generator angeschlossen wird, baut sich die Rüclckoppluiigs-Probev-fi¹ Ig über- eine bei» + i tmni *» Zei t tmriode auf. Beim Start ist keine Rückkopplung.·;-spannung vorlv-iden. Infol;joHesson vird dni? Syp+fn den Geiirotor voll einst ollen, wod\»rch sich eine zu hohe Start span- · nung ergibt« Im einem Scruceißsystfitn bewirkt djosei* Zustand . i \v. UV^"~ ' euerung und einen Verlust des Schirmgassclm Κ',ο? , wenn der Schweiß ?_iclitbogen gezündet wird. Erst nachdem sich iie Rückkoppl mg zuri richtigen stationären Wert aufgebaut hat, wird d"t* A.'sgangsspannung zum vorgewählten Pegel abgesenkt . " Anderersci.1 ?^:. wenn dio Regler-Bezugsquelle zur gleichen Zeit wie die Hauptleistung eingeschaltet wird, fordert der Regler einen allmählich ausgezogenen Aufbau der Ausgangsspannung über eine zur Erreichung eines stationären Zusi andes erforderliche Znitperiode. In beiden Kai1en neigt der Startübergang da«', eine Porosität in der Schweißung und folglich eine Schwäche zu bewirken.

Die Erfindung sieht ein Netzspannungs-Kompensationssystem vor, wodurch die Vorteile eines Impulsleistungs-Schweißverfahrens mit kurzen Lichtbogenlängen, insbesondere bei Vertikalschweißen, verwirklicht werden können, ohne wesentlich

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die Kosten der Vorrichtung zu steigern.

Die verwendeten Leistungsgleichrichter werden, um Netzspannungsschwankungen ohne gleichzeitige Beeinträchtigung der gewünschten Strom-Spannungs-Charakteristika des Generators zu kompensieren, durch elektrische Trigger-Ventile gezündet, welche in der Rückkppplungsschleife aber nicht in dem Verbraucherkreis vorhanden sind.

Die Trennung der elektrischen Trigger-Ventile vom Verbraucher macht die Errichtung eines im wesentlichen stationären Zustandes in den elektrischen Trigger-Ventilen möglich, bevor Leistung zu den Leistungsgleichrichtern geführt wird. Als ein Ergebnis dessen gibt es keine Start-Einschwingvorgänge in den elektrischen Trigger-Ventil-Schaltungen, wenn die Hauptleistung dem System zugeführt wird, und keine dem automatischen Spannungssteuerungs-Rückkopplungssystem zuschreibbaren Einschwiiigvorgänge im Verbraucher.

Die erfindungsgemäße Anordnung schützt ebenso gegen den Ausfall einer Zündung der Leistungsgleichrichter aufgrund dessen, daß sie zu der Zeit in umgekehrter Richtung vorgespannt sind, wenn ein kurzer Triggerungsimpuls erzeugt wird, wie es in einer bestimmten Schaltungs-Konfiguration, worin zwei oder mehr Leistungsversorgungsgeräte parallel geschaltet sind, der Fall ist. Dies wird durch Trennung der elektrischen Trigger-Vontile von irgendeinen andeietLeistungsversorgungrs gerät erreicht.

Der Zündkreis für die Trigger-SCR¹s wird mit Energie versorgt, bevor ein Schweißbetäeb gestartet wird. Das System kann auf irgend einen gewünschten Leistungsausgang-Spannungspegel voreingestellt werden. Wenn die Hauptleistung danach

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dem System zugeführt wird, sind die Leistungs SCR's erregt und die Ausgangsleistung mit dem vorgewählten Pegel der Aus gangs spannung tritt unmittelbar und ohne Einschwingvor.-gänge an der Lichtbogenelektrode auf.

Die Spannungswelle von dem Trigger-SCR. welches verwendet wird, das Leistungs-SCR zu zünden, ist proportional zur Leerlauf-Ausgangsspannung des Leistungs-SCR und hat die gleiche Wellenform. Die Spannungswelle, welche das Leistungs-SCR zündet, ist ebenso proportional zur Netzspannung, sie reflektiert jedoch keine Änderung in der Leistungs-Versorgungs-Ausgangspannung, welche durch Belastung des Leistungsversorgungsgerätes erzeugt wird» Die Spannungswelle, welche das Leistungs-SCR zündet, wird ebenso als Rückkopplung zum Impuls-Pbasen-Verschiebe-Kreis ausgenutzt. Als Folge dessen koppelt die mittlere Spannung zurück und deshalb ist auch die mittlere Impulsleistungs-Ausgangsspannung des Schweißgerätes unabhängig von Netzspannungsänderungen konstant. Folglich ist die Netzspannungskompensation unabhängig von der Schaltungskonfiguration im Verbraucherkreis des Leistungsversorgungsgerätes.

In dem System geiiuiß der Erfindung werden eine Bezugswelle tmd eine Probewelle mit ungleichen Wellenformen in einem Kreis verglichen, welcher bei einer Arbeitsbedingung stabilisiert, bei der die Gleichstromkomponente der Probenwelle im wesentlichen gleich der Gleichstromkomponente der· Bezugswelle ist.

Der Effekt einer Spannungsdrift in einigen, in dein Zündkreis verwendeten Transistorkreisen ist durch Anwendung einer mit einer Klemme mit Erde verbundenen Klemmdiode aufgehoben.

Eine Rückstellung eines bistabilen Kipposzillatorkreises zwi-

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schen Impulsen von einer gepulsten Oszillator-Stromquelle erfolgt sicher und zuverlässig durch Anwendung einer durch eine Zener-Diode ausrechterhaltenen Kondensatorladung, so daß eine in Sperrichtung gepolte Spannung an den Oszillatorlireis angelegt \iird, wann immer der Strom dort durch nahe auf Null absinkt.

Bei einem Pulsleistungs-Schweißverfahren werden also vorteilhafterweise kürzere Lichtbogenlangen angewendet, welche das Erfordernis mit sich bringen, die Lichtbogen-Spannung im wesentlichen konstant zu halten. Um dies zu erreichen, ist eine Netzspannungskompensation erforderlich. Dies wird erfindungsgemäß in einem Versorgungsgerät für eine PuIsleistungsschweißvorrichtung durch eine Rückleopplungsschleife erreicht, welche den Teil der Periode, während dem Strom durch ein elektrisches Trigger-Ventil geleitet wird, steuert, wobei das elektrische Trigger-Ventil nicht mir dem Verbraucherkreis gekoppelt ist. Das elektrische Trigger-Ventil steuert den Durchgang von Leistung durch einen hochbelastbaren Leistmigs^leichrichter, der während den Schweißperioden erregt ist. Die Rückkopplungsschleife kann einen stationären Zustand erreichen, bevor Leistung zuerst dein Leistungsgleichrichter zugeführt wird, was zur Folge hat, daß Einschwingvorgänge in der Leistungsgleichrichter-Belastung vermieden sind. In der Schleife wird ein -Vergleich zwischen einer manuell einstellbaren Bezugswelle und einer von dem Ausgang des elektrischen Trigger-Ventils abgeleiteten Probewelle gemacht. Netzspannungsänderungen werden durch Änderungen in der Länge des Teils der Periode kompensiert, während der das elektrische Trigger-Ventil leitend ist.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben} in dieser zeigen?

Fig» 1 ein allgemeines schematisches Schaltbild eines elektrischen Lichtbogen-Schweißsystems gemäß der Erfindung, ,

Die Fig. 2 und 3 zusammen mehr im einzelnen ein detailliertes schematisches Schaltbild eines in einem Kasten -.74 mit durchbrochenen Linien in Fig. 1 gezeigten Zündkr e i s e s ,

Fig. 4 ein Diagramm, welches angibt, wie die Fig. 2 und 3 für die Bildung eines vollständigen Diagramms Seite an Seite zu legen sind,

die Fig. 5 bis C Diagramme, die zur Erklärung bestimmter Merkmale der Erfindung erforderlich sind.

In Fig. 1 ist eine, bevorzugte Ausführungsform eines PuIsleistungs-Lichtbogen-Schweißsystem in einem allgemeinen Überblies gezeigt. Die Leistung wird durch eine Dreiphasen-Leitung 20 über eine Primärwicklung 22 und.eine Sekundärwicklung 2'i. eines Dreiphasen-Netztransformators 26 zu einer Droiphasen-Vollweggleichrichter-Schalteinheit 98 geliefert, um eine Grundleistung durch Drossel-Spulen 3O und 32 einem elektrischen Lichtbogen 3^ zuzuführen, welcher den Verbraucher des Systems,darstellt. Ein Dreiphasen-Schalter 36 ist in den Primär-Netzleitungen vorgesehen. Auf der Leitungsseite des Schalters 36 ist ein Einphasen-Transformntor ~}Q durch einen Schalter 40 zur Lieferung der Zündloist'tng für ein Paar elektrischer Ventile 42 und 44 ar geschloäsen,welche vie die el o'.trischen Trigger-Ventile arbeiten. Die elektrischen Triggor-intile sind zur Triggerung eines Paares von

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Leistungsgleichrichtern 46 und 48 angeschlossen, welche einen Teil einer Gleichrichterbrücke 50 darstellen. Die Energieversorgung der Brücke 50 erfolgt durch einen Einphasen-Transformator 52» welcher in die gleiche Phase des Dreiphasensystems wie der Transformator 38 auf der Verbraucherseite des Schalters 36 angeschlossen ist. Die Brücke 50 liefert eine gepulste Ausgangsleistung an dem Klemmenpaar 54» und die Gleichrichter-Schalteinheit 28 stellt eine Grundausgangsleistung an einem Klemmenpaar 56 zur Verfugung. Diese Art von Leistungsversorgung und der hiermit ausgeführte Schweißprozeß sind in der vorher erwähnten US-Patentschrift Nr. <3 07I 68O beschrieben.

Es ist zu bemerken, daß die Phasenbeziehung zwischen den Transformatoren 38 und 52 von kritischer Bedeutung ist. Wenn in einem gegebenen Augenblick der Transformator 38 einen Strom durch das elektrische Trigger-Ventil 42 bewirkt und so einen Zündimpuls für den Leistungsgleichrichter 46 liefert, muß der Transformator 52 in seiner Phase so abgeglichen sein, daß er in dem gleichen Augenblick dem Leistungsgleichrichter 46 in dessen Leitungsrichtung eine Spannung aufprägtf andernfalls zündet der Leistungsgleichrichter 46 nicht. Wenn der Phasenabgleich zu irgendeinem gegebenen Augenblick falsch ist, braucht man nur für einen korrekten Phasenabgleich die Leitungen zu einem der Transformatoren 38, 52 umzukehren.

Ein Impuls-Verschiebekreis 60 steuert die Zeitfolge der Torimpulse zur Zündung der elektrischen Trigger-Ventile 42, 44. Eine automatische Spannungssteuerung der durch die elektrischen Trigger-Ventile hindurchgehenden Impulse erfolgt durch einen Vergleichskreis 62, welche eine Rückkopplung zu dem Impuls-Verschiebekreis 60 überträgt. Die Schaltung 62 ver-

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gleicht eine Bezugswell'e mit einer Probewelle ,welche von Impulsen in einem Paar von Probeentnahme-Widerständen 64 und 66 gebildet wird. Die Bezugswelle kann in der Amplitude von Hand durch den Bedienungsmann mittels einer Ausgangspegel-Einstellvorrichtung 68, welche abgelegen plaziert sein kann, eingestellt werden. Die Impulse werden von dan elektrischen Trigger-Vontilen 42, 44 über Kopplungs-Widerstände 70, 72 zu den Torelektroden der Leistungsgleichrichter 46, 48 übertragen.

Die Widerstände 70» 72 dienen als Strombegrenzungswiderstände zum Schutz der ToieLektroden der Gleichrichter 46, 48 j jedoch ihre Widerstandswerte sind so gewählt, daß sie genügend Strom zur Zündung der Leistungsgleichrichter durchlassen. Die Torschaltung bringt einen Leitungsbereich innerhalb der Leistungsperiode auf, welcher sich wenigstens von 30 bis 150 erstreckt. Die Schaltung hält den Leistungsgleichrichter von dein Augenblick der Zündung des Trigger-Ventils bis zum Ende der Periode geöffnet, und stellt somit die Zündung des Leistungsgleichrichters sicher, sobald eine Umkehrsperrspannung an dem Leistungsgleichrichter in dem Falle beseitigt ist, wenn die Umkehrsperrspannung (aufgrund der Ausgangsleistung dex" Grundversorgung 28) wirksam ist, wenn das Trigger-Ventil zuerst zündet.

Beim Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Systems schließt der Bedienungsmann vor Beginn einer Schweißtätigkeit zuerst den Schalter 40, während er den Schalter 36 offenläßt. Er kann dann einen gewünschten Ausgangsleistungspegel mittels der Einstellvorrichtung 68 wählen. Der Impuls-Verschiebekreis 60 und der Vergleichskreis 62 stellen in der Rückkopplungsschleife schnell einen stationären Zustand her, in welchem die elektrischen Trigger-Ventile 42 und 44 wechselweise in den aufeinanderfolgenden Halbperiodön der durch den Transforms-

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tor 38 gelieferten Einpliaseii-Leistungswelle gezündet werden, und das Verhältnis von Durchlaßzeit (on-time) zur Sperrzeit (off-time) in den Ventilen stellt sich für die gewünschte mittlere Spannung über die Widerstände 64 und 66 ein.

Der Bedienungsinann kann jetzt den Schalter 36 schließen, während er den Schalter 40 geschlossen läßt. Hierdurch wird die Hauptleistung durch den Dreiphasen-Netz-Transformator 26 an die Gleichrichter-Schalteinheit 28 angelegt, die eine Grundleistung an den Klemmen 56 erzeugt. Der größere Teil der beim Schweißbetrieb verbrauchten Energie wird durch den Transformator 52 der Gleichrichterbrücke 50, die die Leistungsgleichrichter 46, 48 einschließt, zugeführt, welche eine gepulste Ausgangsleistung an dem Klemmenpaar 54 erzeugt. Die Grundleistung und die gepulste Leistung werden wechselweise durch die Drosselspule 32 dem Lichtbogen 34 zugeführt. Zu solchen Zeiten, wenn die Grundleistung eine größere Spannung als die gepulste Leistung hat, sind die Leistungsgleichrichter 46 und 48 durch die Grundleistung in Sperrichtung vorgespannt, so daß nur die Grund-Ausgangsleistung zum Verbraucher übertragen wird. In gleicher Weise ist die Gleichrichter-Schalteinheit 28 zu solchen Zeiten, wenn die gepulste Leistung eine größere Spannung hat, gesperrt, und es wird nur die gepulste Leistung zum Verbraucher übertragen.

Zur Bequemlichkeit des Bedienungsmannes kann der Schalter 36 durch ein Relais betätigt werden, das durch einen Trigger-Schalter an einer Hand gehaltenen Schweißkanone nder durch einen geeignet gelegenen Startknopf an der Schweißmaschine gesteuert wird. Der Schalter 4θ ist normalerweise auf einem Betätigungspult angebracht.

Die Fig. 2 und 3 zeigen in Kombination eine Ausfiihrungsform

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eines Zündkreises, der in dem in durchbrochenen Linien gezeigten "Kasten 7^ in Fig. 1 angewendet werden kann. Der Transformator 38 ist in Fig. 2 und die elektrischen Trigger-V«ntile Ί2, kk und die Widerstände 64, 66 zur Probeentnahme sind in ^ig. 3 wieder gezeigt.

Hnlhwellen-Gteichrichtor mit Dioden 8θ und 82 liefern einen Anodcns trotn von der Se'iundäi-wic'lung des Transformators zu den elektrischen Trigger-Ventilen '*2 bzw. ^llk. Ein Vollweg-Gleichrichter mit Dioden R¹I und 86 liefert die Loistung BetätiigaTlg verschiedener Komponenten des Zündlcreises.

Die Ausgangswelle des Vollweg-Gleichrichtert 84, 86 wird m' M"ls eine.« Peihen^'tderstandes 88 und einer im. Nebenschluß (.shunt) gesrV-.^ieten Zener-Diode 90 kegelst.unipffürmig abgeschnitten, u'ii die mit 17.ti ro- Spannung der resultierenden Wolle ir- * i-ient liehen 'mompf indl ich gegenüber Netzspannungs-"ndorungijn zu inacficr. Vführend N< tzäi.il^rungen- in einer ge- £.··Ίΐ3τβη Ueti i^b^^chtuiig in der Praxis plus oder minus- 10% d» 1 L₁. ling orreichtiii l.öiineii, bleibt die Schei.telspan-nungsämiernng in doj" ·-} ^ -sdi 'ittenc 1 Yallo Konstant, Die abgeschnittene Welle wird den Verbindungspunkt 92 zwischen dem Widers tan J 38 urd einer Diode 9·'ί und ebenso einer Leitung 96 aufgeprägt _v welche zu einem anderen Teil des Zündkreises läuft.

In der Praxis wurde es als vorteilhaft gefunden, eine Spannungsbegrenzung an der Zenerdiode 90 auf ungefähr 20 Volt anzuwenden, um den gewünschten Schutz gegen eine Netzspannungsänderung, die die Steuerkreise beeinflußt, zu erreichen.

Das Bezugssijrnal zur automatischen Spannungsregelung wird abgeleitet, indem Strom von den Verbindungspunkt 92 durch einen Rheostaten 98, ein Potentiometer 68·, welches als die Ausgangsleistungspegel-Einstellvorrichtung 68 dient,

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und einen Rheostaten 100 zu einem Bezugspunkt 102 geführt wird. Der Bedienungsmann kann die gewünschte Ausgangsspannung durch Einstellung des beweglichen Armee des Potentiometers 68' auf einer geeichten'Skala wählen. Der bewegliche Arm des Potentiometers ist durch einen Koppelwiderstand 104 mit der Basis eines Transistors 106 verbunden,der als Vergleichseinrichtung 62 dient.

Das Probesignal wird von den probenehmenden Widerständen 64, 66 abgeleitet, durch Einzeldioden 110 bzw. 112 geführt und in einem Potentiometer, welches die Serienkombination eines Paares von Widerständen Il4 und II6 umfaßt, zur Anwendung auf die Basis"eines Transistors II8 kombiniert. Die Basisspannung des Transistors II8 ist durch ein Potentiometer bestimmt, welches den Widerstand II6 in Reihe mit einem Paar von Widerständen 120 und 122 aufweist. Änderungen in der Spannung der Probewelle veranlassen resultierende Änderungen in der gleichen Richtung in der Basis des Transistors 118, welcher an den Verbindungspunkt 158 der Widerstände 120 und 122 angeschlossen ist. Das Signal von den Dioden 110, 112 erfährt bestimmte Signalformungsvorgänge, indem es durch den Transistor II8 umgekehrt wird, bevor es durch einen Impedanz-Anpassungs-Transistor 124 auf seinem Weg zum Vergleichskreis 62 geht.

Die unmittelbar vorstehende Beschreibung legt dar, wie die Probewelle, welche ein Endteil einer gleichgerichteten, im Augenblick der Zündung des elektrischen Trigger-Ventils beginnenden und sich bis zum Ende der Halbperiode fortsetzenden Sinuswelle ist, ohne eine wesentliche Änderung in der Wellenform als einer Uml.ehrunf«; zu dem Ausganj des Transistors 124 übertragen wird. Hier wird es durch einen Kondensator 128 geführt, dessen eine Seite durch eine Diode I30 einen Bezügspunkt hat. Die Diode stellt eine Annullierung

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der Effekte einer Spannungsdrift in den Transistoren Il8 und 12% sicher, indem das Potential auf der Seite der Diode auf Erde gelegt wird, welche durch die Diode 130 geerdet

ist. ■

Das geformte Probesignal wird auf die Basis des Transistors 106 über einen Koppelwiderstand 108 aufgeprägt.

Die in dem Transistor 1O6 verglichene Bezugswelle und die Probewelle weisen nicht die gleiche Wellenform auf. Über- g

dies ist aufgrund der Umkehrung der Probewelle die mittlere Spannung der Bezugswelle entgegengesetzt der der Probewelle. Die verschiedenen Wellenformen sind graphisch in idealisierter Form in der Fig. 5 gezeigt, wobei die Bezugswelle durch die obere,sehraffierte Wellenform 131 dargestellt ist, welche durch kegelstumpfförmiges Abschneiden einer gleichgerichteten Sinuswelle 133 gebildet ist, und die Probewelle durch die untere, schraffierte Wellenform 135 dargestellt ist, welche von dem Endteil einer gleichgerichteten Sinuswelle 137 gebildet ist. Ungeachtet des Unterschiedes in der Wellenform erhalt man die Differenz der mittleren Spannungen der zwei vielien genau durch eine Integration von Ladungen über die Zeit auf einem Kondensator 132» der an die Basiselektro- ( de des Transistors 106 zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstände 104 und 108 und Erde 102 angeschlossen ist.

Die Zeitkonstante der Kombination des Kondensators 132 und der Widerstände, durch welche der Kondensator sich lädt und entlädt, ist der primäre Faktor bei Bestimmung der Ansprechzeit der Rückkopplungsschleife* Durch die Wahl eines geeigneten Kondensators kann das Ansprechen genügend langsam gemacht werden, um einen konstanten Betrieb unter allen erwarteten Belastungsbedingungen zuzulassen« Eine geeignete Ansprechzeit kann in einem Bereich von ungefähr fünf Perioden

einer 60 Hz Netzwelle bis zu einigen Sekunden liegen.

Das Ausgangssignal von dem Transistor 106 wird benutzt, den Ausgangswiderstand eines Transistors 134 zu ändern, dessen Widerstand in Reihe mit einem Kondensator I36 eine einstellbare RC-Zeitkonstante zur Zündung eines Unijunction-Transistors 138 vorsieht, Die Zeit, welche der Kondensator I36 benötigt, sich durch den Transistor 134 auf das Zündpotential der Emitterelektrode des Transistors 13G aufzuladen, sieht eine steuerbare Verzögerungsperiode für die Zün- ^ dung des Transistors 138 vor. Wenn der Transistor I38 zündet, überträgt er ein Signal durch ein Paar von Dioden l'iO und l42 zu jeweiligen Torelektroden der elektrischen Trigger-Ventile 42 und 44. Es ist zu bemerken, daß nur das eine der elektrischen Ventile 42 und 44 gezündet wird, welches eine positive Anodenspannung zu der Zeit ei-Iiält, wenn es einen Torimpuls empfängt, und daß die Ventile 42 und 44 wechselweise gezündet werden.

Der Unijunction—Transistor 138 arbeitet in einem bistabilen Kipposzillatorkreis in der Weise eines Thyratrons, indem er, wenn er einmal zündet, Strom fortgesetzt durch die zwei fe Basiselektroden fließen läßt und nicht durch Aufbringung irgendeiner Spannung auf den Emitter gesperrt werden kann, solange eine Stromquelle in der richtigen Richtung an den Basiskreis angeschlossen ist. Der Basistrom kann nur durch Unterbrechen des Basisstromkreises oder durch Anlegen einer Rückwärts-Sperrspannung an den Basiskreis abgestellt werden. Die Anwendung der kegelstumpfförmig geschnittenen Welle von der Leitung; 96> wie sie in Fig. 6 durch eine Welle I5O gezeigt ist, bietet nur relativ kurze Perioden, in denen _; die Spannung* der Welle auf das Nullpotential absinkt, wie. «_: bei ±44 in Fig» 6 gezeigt. Die Überlagerung von

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bzw. vorübergehenden Spannungen kann leicht dazu führen, daß die Spannung in dem Basiskreis des Transistors 138 Null nicht erreicht, so daß der Transistor dazu neigt, in der gezündeten Stellung zu verbleiben. Es ist erwünscht, daß der Transistor I38 nach jeder Zündung zurückgestellt wird.

Um dieses Resultat sicherzustellen, ist eine Zenerdiode IA6, der ein Kondensator l48 parallelgeschaltet ist, in den Baeiskreis des'Transistors 138 eingeschaltet. Wenn ein Strom durch den Basiskreis fließt, entwickelt die Zenerdiode 1Λ6 einen festen Spannungsabfall über seine Klemmen und hält

eine Ladung in dem Kondensator l48 .aufrecht. Die Polarität g

der Lr.dung ist gegenüber der Leitung 96 positiv und gegenüber dem Basiskreis des Transistprs I38 negativ. In Fig.

ist durch die Welle 152 die reduzierte Spannung gezeigt, die auf dem Basiskreis des Transistors 38 aufgrund des Spannungsabfalls in der ^enerdiode l46 wirksam ist. Wenn die Welle 15O auf Null oder in d?e Nähe von Null abfällt, ' fällt die Welle 152 mit der Wolle 15O, wobei sie das Basispotential bei 15^ un""er Null führt und die Sperrung urd folglich die Rückstellung des Transistors sicherstellt.

In der Praxis, wo die an die Zenerdiode l46 durch die Zenerdiode 90 über die Leitung 96 angelegte Spannung ungefähr 20 Volt'beträgt, wurde es als vorteilhaft gefunden, eine t

Spannungsbegrenzung in der Zenerdiode l4'6 von ungefähr 6,2 Volt anzuwenden, um eine positive Rückstellung des Transistors 138 sicherzustellen·

Die automatische Spannungsregelungswirkung in der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Rückkopplungsschleife soll jetzt verfolgt werden. Zuerst sei angenommen, daß die mittlere Spannung der durch die elektrischen Trigger-Ventile k2, kk herausgenommenen Welle größer ist als die durch die Einstellung der Ausgangsleistungspegel-Einstellvorrichtung 68 ab-

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gerufenen Spannung. Die über die Widerstände 64, 66 entwickelten mittleren Spannungen sind dann größer als sie sein sollten. Dadurch steigt der Strom über die Dioden 110, 112 an, wobei das Potential an dem Verbindungspunkt 156 zwischen den Widerständen Il4 und Il6 angehoben wird. Gleichfalls steigt das Potential an dem Verbindungspunkt 15S an der Basis des Transistors I18. Der Strom durch den Transistor 118 wächst an, wobei er einen Abfall des Potentials der Basis des Transistors 124 und einen allmählichen Abfall der Spannung an dem integrierenden Kondensator 132 verursacht, Das wiederum bewirkt einen Abfall des Stroms durch den Transistor IO6 und hebt das Potential an den Punkt im Basiskreis des Transistors 134. Dieser Spannungsanstieg wirkt dem Stromfluß vom Emitter zur Basis des Transistors 134 entgegen, indem er den inneren Widerstand der Emitter-Kollektor-Bahn dieses Transistors anhebt und dadurch bewirkt, daß der Transistor 138 später in der Periode zündet. Das Ergebnis ist eine spätere Zündung der elektrischen Trigger-Ventile 42 und 44, wodurch die mittlere Spannung der Probewelle reduziert wird und die gewünschte Richtung der Spannungsregelung gegeben ist.
» . .

Eine entsprechende Spannungsregelung erfolgt, wenn die Spannung der Probewelle geringer als der gewünschte Wert ist.

Die Art und Weise, in der das System gemäß der Erfindung Leitungsspannungsänderungen kompensiert, wird aus Fig. 7 klar,· in welcher eine horizontale Linie 162 den Pegel der Grundspannung und die durchbrochene Kurve l64 einen überlagerten Leistungsimpuls auf cfem Untergrund darstellt. Unter der Annahme, daß die Leitungsspannung abfällt, nimmt die Impulshöhe ab, wie durch die durchbrochene Kurve I66 gezeigt. Da der Untergrund relativ schwach im Vergleich zu der Höhe des Loistungsimpulses ist, hat die Leitungsspannung

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keinen bedeutsamen Effekt auf den Untergrundpegel. Das Absinken der Leitungsspannung verursacht einen Verlust an Voltsekunden, wie durch die schraffierte Fläche l68 angegeben. Um den Verlust auszugleichen, legt· der Zündkreis den Zündwinkel vor, wodurch die Voltsekunden des Impulses um den durch die schraffierte Fläche 170 gezeigten Betrag erhöht werden; das System kompensiert somit automatisch den Verlust und hält die mittlere Ausgangsspannung im wesentlichen konstant unter Leitungsspannungsanderungen.

Der überschwingende Typ der Anfahreinschwingung, welche in bekannten Systemen resultiert, wenn die Bezugsspannung beim Einschalten anwesend ist und die Rückkopplungsspannung von Null beginnt und sich zu einem stationären Wert aufbaut, wenn die Hauptleistung eingeschaltet wird, ist in Fig. 8 durch die Kurve 172 gezeigt. Der andere Typ einer Anfahreinschwingung, die in bekannten Systemen vorkommt, in denen die Bezugsspannung und die Rückkopplungsspannung beide Von Null aufbauen, wenn das System als Ganzes mit Energie versorgt wird, ist in Fig. 8 durch die Kurve 17^ gezeigt. Die bevorzugte Anfahrkurve, die bei I76 gezeigt ist und welche bei Anwendung der Erfindung eng angenähert wird, steigt unmittelbar zu dem gewünschten Ausgangsspannungspegel ohne einen merklichen Einschwingvorgang an. Die Einschwingvorgänge können, wenn sie nicht vermieden werden, eine Porosität und folglich eine Schwäche in der Schweißung verursachen.

Einschwingvorgänge im Verbraucherkreis beim Anfahren sind in einem System gemäß der Erfindung im wesentlichen vermieden, da der Zündkreis, wenn der Bedienungsmann den Schalter kO. schließt, bevor er den Schalter 36 beim Anfahren schließt, sich schnell in einen im wesentlichen stationären Zustand stabilisiert. Wenn der Schalter 36 danach geschlossen wird, erfolgt das Zünden der Leistungsgleichrichter unmittelbar

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in der richtigen Taktsteuerung, wie sie durch die Ausgangspegel-Einstellvorrichtung eingestellt ist, und Leistung wird dem Lichtbogen mit der gewünschten Spannung zugeführt, und es werden keine Einschwingvorgänge durch die Wirkung der automatischen Spannungssteuerung erzeugt.

Da in der Praxis sowohl die Grundspannung als auch die Impulshöhe durch den Bedienungsmann verändert werden können, kann er unbeabsichtigterweise das System in einem Zustand bringen, in welchem eine Notwendigkeit für einen Schutz gegen einen Zündausfall entsteht, wie folgt. Wenn der Bedienungsmann die Ausgangspegel-Einstellvorrichtung 68 aufdreht, um höhere und höhere Ausgangspegel einzustellen, fordert das System früher und früher in der Periode die Zündung der Leistungsgleichrichter an, bis die Anforderung so früh kommen kann, daß die Netzspannung noch nicht bis zu dem Pegel angestiegen ist, bei welchem die Loistungsgleichrichter durch die Grund-Gleichrichter in der Schalteinheit 28· gesperrt sind. In diesem Fall zündet ein auf die Torelektrode des Leistungsgleichrichters aufgeprägter Zündimpuls nicht den Gleichrichter, was zu einem Leistungsverlust führt. Ein solcher Zündausfall ist in dem System gemäß der Erfindung vermieden, weil die elektrischen Trigger-Ventile niemals durch die Grund-Gleichrichter gesperrt werden, da keine Kopplung zwischen den beiden Sätzen von Gleichrichtern bzw. Ventilen besteht. Infolgedessen zündet das elektrische Trigger-Ventil zur richtigen Zeit und legt eine Zündspannung die Torelektrode des Leistungsgleichrichters an, wobei die Zündspannung an der ToieLektrode bis zum Ende der Periode anstehen bleibt. Folglich steht, wenn der Leistungsgleichrichter von der Sperrspannung freigestellt ist, die Zündspannung dort schön an und bewirkt die Zündung des Leistungsgleichrichters. Während -dieses Zünde^ns über das hinaus verzögert sein kann, was die Steuerung anfordert, tritt kein Zündausfall auf.

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QAB

BAD ORiQJNAL

Tests an einem Leistungsversorgungsgerät gemäß der Erfindung zeigen, daß eine Leitungsspannungsanderung von 10 % zu nicht mehr als einer 1 Vk % Schwankung in der Ausgangsspannung führt. Diese zeigten ebenso, daß die Ausgangsleistung des Gerätes leicht sogar weniger empfindlich gegenüber LeistungsSpannungsänderungen gemacht werden könnte.

Ersichtlich ist die Erfindung bei Einphasensystemen, und Vielphasensystemen mit einer beliebigen Anzahl von Phasen sowie.mit einer beliebigen Impulsfrequenz einschließlich g beispielsweise ein, zwei oder mehr Impulsen pro Periode in irgendeiner gegebenen Phase anwendbar.

Eine Schallung kann vorgesehen sein, entweder Halbweg oder Vollweg Gleichrichtungsschaltungen zu wählen, um ein oder zwei Impulse pro Leitungsperiode zur Verfügung zu haben.·

-Patentansprüche-

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Claims

Patentanspruch

Impuls-Schweißgenerator, dadurch ge kennzeich· net , daß er eine Stufe zur Festsetzung der Länge der an den Schweißlichtbogen angelegten Leistungsinipulse und eine Stufe zum Abtasten der Leitungsspannung der Spannungsquelle., von welcher der Generator mit Energie versorgt wird, sowie eine Stufe umfaßt, welche auf die Leitungsspannungs-Abtaststufe zur Änderung der Länge der Leistungsimpulse für eine Kompensation abgetasteter Änderungen in der Lritungsspannung anspricht, wodurch die mittlere an den Lichtbogen angelegte Spannung im wesentlichen konstant gehalten ist.

Impuls-Schweißgenerator, bei dem die Leistung dem Lichtbogen zum größeren Teil in Form von einzelnen Impulsen zugeführt wird und bei dem die Dauer solcher I.*:ipulse durch eine die Leistungsquelle mit dem SchweiE-lichtbogen verbindende Schalteinrichtung für eine torgesteuertc Leistung gesteuert ist, dadurch g e k e η η ζ e i c hn e t , daß er gesondert von dom Schweißleistungskreis eine zweitC3 Schalteinrichtung, die Leistungsimpulse von der Loistungsquelle führen kann, eine Abtaststufe für die Spannung des durch die zweiten Schalteinrichtungen geführten Impulses, eine Bezugsspannungsstufe, die im wesentlichen unabhängig von Spannungsänderungen der Leistungsquelle ist, und eine mit dex- Bezugsstufe und Abtaststufe verbundene Vergleichsstufe umfaßt, die ein Ausgangssignal zur Steuerung der zweiten Schalteinrichtung lief ert., -.zwecks einer Vorverlegung des Zündwinkcls , wenn das von der Abtaststufe gelieferte Eingrngssignal von dem von der Bezugsstufe gelieferten Eingangssignal

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BAD ORIGINAL

übertroffen wird, und zwecks einer Verzögerung des Zündwinkels ,wenn das Abtast-Eingangssignal das Signal der Bezugsstufe übertrifft, sowie eine Kopplungsstufe umfaßt, die die zweite Schalteinrichtung mit der Leistungs-Schaltungseinrichtung zwecks einer im wesentlichen gleichzeitigen Zündung der Leistungs-Schaltungseinrichtung und der zweiten Schalteinrichtungen verbinden, wodurch die mittlere Spannung an dem Lichtbogen im wesentlichen unabhängig von den Quellenspannungsschwankungen gehalten ist. ,

3. Impuls-Schweißgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß eine stabile Belastung unabhängig von dem Schweiß-Lichtbogen vorhanden ist, daß eine erste Impulsgnbostufe eine Probe der gepulsten Leistung von einem Schweißgenerntor der stabilen Belastung liefert, wobei diese Stufe zur Einstellung der Länge der durch sie gelieferten Impulse torgesteuert ist, daß eine Einrichtung mit der stabilen Belastung zur Abtastung von Spannungsänderungen darin, verbunden ist, daß eine auf die abgetasteten Spannungsänderungen ansprechende Stufe an das Tor der ersten Impulsgäbestufe zur Änderung der Länge der zu der stabilen Belastung gelieferten Impulse für eine Kompensation der abgetasteten Spannungsänderungen ^ angeschlossen ist, daß eine zweite torgesteuerte Impulsgabestufe zur Lieferung gepulster Leistung von dem Schweißgenera tor zu dem Lichtbogen vorhanden ist, und daß eine die stabile Belastung mit dem Tor der zweiten Impulsgabestufe verbindende Stufe zur Änderung der Länge der dem Lichtbogen zugeführten Impulse in Abhängigkeit von i.en Änderungen in der Länge der der stabilen Belastung zugefiihrten Impulse vorhanden ist, wodurch die mittlere an den Lichtbogen angelegte Spannung im wesentlichen unabhängig von Leitungsspannungsänderungen gehalten ist,

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BAD OBJGlNAi

4. Impuls-Schweißgenerator nach Anspruch 3» dadurch

ge kennzeichne t , daß er eine Quelle für eine B^r;zugswelle in Form einer kegeistuinpfartig geschnittenen, gleichgerichteten Sinuswelle in der Spannungsanderungs-Abtaststufe aufweist.

5. Impuls-Schweißgenerätor nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß die Probe der gepulsten Leistung Endteile von gleichgerichteten Sinuswellen umfaßt.

6. Inipuls-Schweißgenerator, dadurch gekennzeic hn e t , daß er einen torgesteuerten Leistungsgleichrichter zur Änderung der zu einem Verbraucher durch den Generator gelieferten Leistung, ein elektrisches, von dem Verbraucher getrenntes Trigger-Ventil, eine Stufe zur Zündung des elektrischen Trigger-Ventils zur Steuerung der mittleren Spannung einer von dem elektrischen. Trigger-Ventil durchgelassenen Welle und eine Stufe z\ir Übertragung einer von dem elektrischen Trigger-Ventil durchgelassenen Welle zur Torleketrode des Leistuursgleichrichters für eine Zündung des Leistungsgleichrichters umfaßt,

7. Impuls-Schweißgenerator nach Anspruch 6, dadurch

g e k ennzeichnet , daß er eine Stufe zur Steuerung des Zündwinlcels des elektrischen Trigger-Ventils für eine Steuerung wiederum des Zündwinkels des Leistungsgleichrichters umfaßt.

8. Impuls-Schweißgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Schaltstufe zur Lieferung von Leistungs unabhängig zu der Zündwin.:el-

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BA0 ORIGINAL

Steuerstufe und dein elektrischen Trigger-Ventil auf der einen Seite und zu dem Leistungsgleichrichter auf der anderen Seite aufweist, wodurch das elektrische Trigger-V ntil sich in einem wesentlichen stationären Zustand befinden kann bevor Leistung zu dem Leistungsgleich— rjclvter ,'reliefert wird. ,

9. I mpul-s-Schweißgenei-a t or, dadurch g e 3c ο η η ζ e i c h η (^v i , (InIi er einen Grund-Generator, einen Inipuls-

ppuoraior mit einem torgostoucrten Austrank und eine λ

Einrichtung umfaßt, welche dir Generatoren in Parall-el-scliaj lung 7,\\ dom Verbraucher verbindet, wodurch der Generator, \iolcher die höhere Spannung dem Verbraucher zu einem ,«togebenen Augenblick aufprägt , dein anderen Genera I or eine in Sperrichtung gepolte Spannung aufprägt, sowie pin elektrisches Tripper-Ventil zur Zündung des' Jnpuls.'.'enprators und eine Einr i chtxmg umfaßt, welche das elektrische Trigger-Ventil veranlaßt, ein fort4aue'rnd*B Ziiiulpotpiit ial dem Impulsgenerator aufzuprägen, welches wirknan ist, den Impulsgenerator zu zünden, nachdem die in Sperrichtung gepolte Spannung entfernt ist, wenn die tleri Verbraucher durch den Impulsgenerator aufgeprägte Sp₁-:munp anwächst .

10. impuis-Sciuv-cifigenerator, dadurch c: e k e η η ζ e i c h η e ι , UVk'i er einen Gleichrichter, eine bistabile Ki piiMclial \ ung, welche mit dem Gleichrichter für dessen Zümhm·. bei einem durch die Kippschaltung bestimmten Zündv.-inko''. verbxtnden ist, eine Quelle für eine kegelstumpf förnig abgeschnittene, gleichgerichtete Sinuswelle zur Führung von Strom durch den Gleichrichter wahrem? dessen Zündung, eine Quelle negativen Poxantials und eine Einrichtung umfaßt, die Quelle für eine "tegols tumpf-"

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W* BADORlGlNAt

förmig geschnittene Welle mit der Quelle negativen Potentials zur Sperrung des Gleichrichters zwischen Impulsen der kegelstumpfförmig geschnittenen Welle verbindet, wodurch die Rückstellung der Kippschaltung zwischen Impulsen der kegelstumpfförmig geschnittenen Welle mit Bestimmtheit sichergestellt ist.

11. Impuls-Schweiß^generator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Quelle negativen Potentials eine Kombination einer Zenerdiode und eines Kondensators umfaßt, welche in der durch den Gleichrichter führenden Strombahn angeordnet ist.

12. Elektrisches Lichtbogen-Schweißverfahren mit einem I.mpuls-Schweißgenerator, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensation von Loituiii;sspf.uiiniii^?3- . chvrankungen die Schritte umfaßt, die Leitungsspannung abzutasten und die Länge der an den Verbraucher geld eierten Leistungsimpulse zu variieren, um die abgetasteten "Änderungen in.der Leitungsspannung zu kompensieren.

13t Elektrisches Lichtbogen-Schweißverfahren mit einem Impuls-Schweißgenerator, dadurch gekennzeic hn e t , daß die Kompensation von Leitungsspannungsschwanhungen die Schritte umfaßt, eine Probewelle mit einer mittleren Spannung proportional zur Leitungsspannung zu erzeugen, eine Bezugswelle mit einer mittleren Spannung im wesentlichen unabhängig von den Leitungsspannungsänderungen zu bilden, die zwei Wellen einander gegenüberzustellen, die Differenz in der mittleren Spannung der gegenübergestellten Wellen über die Zeit zu integrieren und die Länge der dem Verbraucher gelieferten Lr;istungsimpulse in Übereinstimmung mit den Änderungen der integrierten mittleren Spannung zu steuern.

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14. Elektrisches Lichtbogen-Schweißverffahren, bei dem eine Pulsstrom-Leistungsquelle angewendet wird, welche torgesteuerte Leistungsgleichrichter zur Gleichrichtung und Leistungsregelung ausnutzt, dadurch ge k e η nzeichnet , daß die Kompensation von Leitungsspaniiungsänderungen die Schritte umfaßt , ein elektrisches , von dein Verbraucher getrenntes Trigger-Ventil zur Bereitstellung eines fortwährenden Zündungspotentials .für den Lcistungsgleichrichter zu zünden und das Zündpotential an die Torelektrode des Lcistungsgleichrich- λ bers für dessen Zündung zu einer solchen Zeit anzulegen, wenn Schweißleistung dein Leistungsgleicbrichter zugeführt wird,

15. Elektrisches Lichtbogen-Schweißverfahren, bei dem eine Pulsstrorj-Leistungsquelle angewendet wird, welche torgesteuerte Leistungsgleichrichter zur Gleichrichtung und Spannungsregelung ausnutzt, dadurch g e k e η η-zeichnet , daß die Kompensation von Leitungsspannungsänderungen die Schritte des Verfahrens gemäß Anspruch 13 zusammen mit den zusätzlichen Schritten umfaßt, eine Steuerleistung an das elektrische Trigger-Ventil zur Bogründung eines im wesentlichen stationären I Zustandes in dem van dem Verbraucher getrennten Teil des Systems anzulegen und danach die Hauptleistung zu dem Leistungsgleichrichter zu liefern»

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