DE19844273C2 - Elektronisches Zündgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Zündgerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Zündgerät dient dazu, Hochspannungs-Impulse für die kontaktlose Zündung des Schweißlichtbogens beim WIG-Schweißen zu erzeugen. Das Zündgerät eignet sich insbesondere für Inverteranlagen mit annähernd recht­ eckiger Schweißspannung. Man unterscheidet grundsätz­ lich zwei unterschiedliche Vorgänge:

1. Das Zünden des Lichtbogens

Üblicherweise wird beim Zünden des Lichtbogens vom Leistungsteil des Schweißgerätes eine Gleichspannung zur Verfügung gestellt. Das Zündgerät soll aus der Schweißleerlaufspannung Trigger-Impulse (möglichst unterschiedlicher Polarität) ableiten und damit am Schweißgeräte-Ausgang Hochspannungs-Impulse mög­ lichst hoher Spannung abgeben. Der Impulsabstand ist relativ unkritisch, wobei ca. 10 ms üblich sind.

Nachdem die Zündung erfolgt ist und der Lichtbogen gebildet ist, schaltet das Schweißgerät beim Wechsel­ stromschweißen auf die vorgewählte Frequenz.

2. Die Stabilisierung des gezündeten Lichtbogens

Zur Stabilisierung des Lichtbogens soll jede Halb­ welle der Schweißspannung, d. h. die positive wie auch die negative Halbwelle, individuell einen der An­ stiegsflanke zeitlich zugeordneten Zündimpuls ent­ sprechender Polarität erhalten. Bei Inverter-Anlagen kann üblicherweise die Folgefrequenz der annähernd rechteckförmigen Schweißspannung im Bereich von ca. 50 bis 250 Hz eingestellt werden. Das bedeutet, daß das Zündgerät in der Lage sein muß, Impulsfolgen im Ab­ stand von mindestens ca. 2 ms bis etwa 10 ms zu lie­ fern.

Die DE 30 49 133 C beschreibt eine Schaltungsanordnung zum Zünden von Gleichstromschweißlichtbögen, sowie zum Zünden und Stabilisieren eines Wechselstromschweißlicht­ bogens. Ein Zündimpulskondensator wird über eine Gleich­ richterschaltung aufgeladen und über eine Thyristoranord­ nung und die Primärwicklung eines Leistungsimpulsübertra­ gers entladen, wodurch am Ausgang des Schweißgerätes über die Sekundärwicklung des angekoppelten Leistungsimpuls­ übertragers mit jeder Entladung des Zündimpulskondensa­ tors Hochspannungsimpulse erzeugt werden, die zur Zündung des Schweißlichtbogens führen. Das bekannte Zündgerät weist auch eine Triggerschaltung mit einem Impulsübertra­ ger auf, mit dem die abwechselnde Ansteuerung von zwei Schaltergruppen der Thyristoranordnung erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zündge­ rät derart weiterzubilden, daß Hochspannungs-Impulse möglichst hoher Spannung bei kurzen Impulsfolgezeiten erzeugt werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des An­ spruchs 1.

Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, daß zwischen dem Ladekondensator und dem Zündimpulskonden­ sator eine Sperrwandlerschaltung angeordnet ist.

Mit jeder Entladung des Zündimpulskondensators wird auf der Sekundärseite des Leistungsimpulsübertragers ein Hochspannungsimpuls erzeugt. Die Entladung wird einge­ leitet, sobald die Thyristoranordnung einen Zündimpuls erhält. Die Entladung erfolgt über eine aperiodisch ge­ dämpfte Schwingung, deren Frequenz und Dämpfung von der Kapazität des Zündimpulskondensators abhängen, dem kom­ plexen Widerstand des Primärkreises des Leistungsimpulsü­ bertragers, sowie dem transformierten Lastwiderstand sei­ nes Sekundärkreises. Hierbei ist die jeweilige Thyristor­ anordnung so lange leitend, wie der Haltestrom der Thy­ ristoren nicht unterschritten wird.

Gleichzeitig mit dem Einleiten der Entladung für die je­ weilige Thyristoranordnung wird der Sperrwandler ge­ sperrt, so daß dem Zündimpulskondensator keine Energie mehr vom Sperrwandler zugeführt wird. Dieser Zustand dau­ ert so lange an, bis die aktive Thyristoranordnung zuver­ lässig im Sperrzustand ist.

Zum Zünden ist vom Leistungsteil des Schweißgerätes eine Leerlaufspannung abgreifbar, aus der Triggerim­ pulse mit einer der Leerlaufspannung entsprechenden Polarität über einen Triggerkreis ableitbar sind, wo­ bei ein Thyristorpaar über den Triggerkreis Zündimpul­ se erhält.

Ein Zeitkreis schaltet die Sperrwandlerschaltung bei jedem Zündimpuls für eine vorbestimmte Zeitspanne ab, so dass das von demselben Zündimpuls aktivierte Thy­ ristorpaar nach der Entladung des Zündimpulskondensa­ tors wieder in den Sperrzustand übergehen kann.

Nachdem der Zeitkreis die Sperrwandlerschaltung wieder freigegeben hat, wird der Zündimpulskondensator erneut aufgeladen.

Die Sperrwandlerschaltung besteht vorzugsweise aus einem Control IC, der über einen Transistor mit einer In­ duktivität verbunden ist, wobei die Induktivität den Zündimpulskondensator über eine Diode auflädt.

Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß die Induktivität eine Primär- und eine Sekundärwicklung aufweist, wobei

• - der Ausgang des Control IC über den Transistor mit einem primärseitigen Anschluß der Induktivität verbunden ist,
• - die Induktivität mit dem anderen primärseitigen Anschluß mit dem Ladekondensator verbunden ist, und
• - die Induktivität sekundärseitig über die Diode mit dem Zündimpulskondensator parallel geschaltet ist.

Zwangsläufig wird der Zündimpulskondensator mit stei­ gender Pulsfolgefrequenz auf eine niedrigere Zündim­ pulsspannung aufgeladen. Da die Verluste in den Leistungsthyristoren des Zündgerätes einerseits propor­ tional der Pulsfolgefrequenz steigen und andererseits mit fallender Spannung am Zündimpulskondensator niedriger werden, bewirkt die Herabsetzung der Zündimpulsspannung, daß die Leistungsthyristoren bei hoher Folgefrequenz nicht stärker belastet werden als bei niedriger Frequenz. Die Gesamtverlustleistung des Zündgerätes wird damit über den gesamten Frequenzbereich nahezu konstant gehalten.

Der Zündimpulskondensator wird vom Sperrwandler bei jedem Zündimpuls kontinuierlich von OV auf eine vorbe­ stimmte Zündimpulsspannung aufgeladen.

Zusätzlich ist vorgesehen, daß die Spannung am Zündim­ pulskondensator überwacht wird und dem Control IC über einen U-Sense-Eingang zugeführt wird, um die Zündim­ pulsspannung auf einen vorbestimmten Maximalwert zu begrenzen. Die Sperrwandlerschaltung ist dabei so dimensioniert, daß der Zündimpulskondensator seine volle Spannung erst nach ca. 10 ms erreicht, wobei der Anstieg dieser Spannung möglichst kontinuierlich erfolgen soll.

Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Augenblickswert des Primärstromes in der In­ duktivität an einem Widerstand gemessen und dem I- Sense-Eingang des Control ICs zugeführt, um durch cur­ rent-mode-Betrieb der Sperrwandlerschaltung Änderungen der Versorungsspannung bzw. Spannungsänderung am Lade­ kondensator über einen weiten Bereich auszuregeln. Bei­ spielsweise sind Änderungen der Versorgungsspannung bzw. Spannungsänderungen am Ladekondensator in einem Bereich von 1 : 2 problemlos auszugleichen.

Der Triggerkreis steuert die Thyristorpaare galvanisch entkoppelt über Zündimpulsübertrager an.

Desweiteren kann der Triggerkreis den Zeitkreis galva­ nisch entkoppelt über Optokoppler oder Impulsübertrager ansteuern.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeich­ nungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläu­ tert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltung eines elektronischen Zündgerätes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 die Sperrwandlerschaltung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 die Spannungsverläufe an verschiedenen Stellen der in der Fig. 1 gezeigten Schaltungen bei Betrieb mit einer Schweißfrequenz von ca. 50 Hz,

Fig. 4 eine Darstellung gemäß Fig. 3 bei Betrieb mit einer Schweißfrequenz von ca. 260 Hz,

Fig. 5 den current-mode-Betrieb zur Ausregelung der Versorgungsspannung,

Fig. 6 die an der Basis des Transistors anliegende Spannung des Control IC, sowie die Aufladung des Zündimpulskondensators bei einem Betrieb mit ca. 50 Hz Schweißfrequenz, und

Fig. 7 eine Darstellung gemäß Fig. 6 bei einer Schweißfrequenz von ca. 290 Hz.

Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Zünd­ gerätes erhält eine Versorgungsspannung U_V, die auch von dem Leistungsteil 2 des Schweißgerätes, das an das Netz über eine Anschlußleitung 1 angeschlossen ist, zugeführt werden kann. Die Versorgungsspannung beträgt beispiels­ weise 42 V oder auch 230 V. Die Versorgungsspannung kann über einen Trenntransformator zugeführt werden und wird über einen Gleichrichter Gr gleichgerichtet, der einen Ladekondensator C_L auflädt.

An dem Leistungsteil 2 des Schweißgerätes ist ein Schweißkabel 4 angeschlossen, von dem ein Anschluß mit dem Werkstück 52 verbunden ist und der andere Anschluß mit dem Schweißbrenner 54.

Ein Triggerkreis 20 ist parallel zu dem Schweißkabel 4 geschaltet und überträgt über Zündimpulsübertrager 42, 44 Zündimpulse auf die Thyristorpaare A, A'; B, B'.

Der Triggerkreis 20 ist über einen Optokoppler 40 mit ei­ nem Zeitkreis 30 galvanisch entkoppelt verbunden. Der von dem Triggerkreis 20 angesteuerte Zeitkreis 30 dient dazu, eine Sperrwandlerschaltung 10, die zwischen dem Ladekondensator C_L und dem Zündimpulskondensator Ci angeordnet ist, für eine vorbestimmte Zeitspanne bei jedem Zündimpuls abzuschalten. Die Zeitspanne ist so zu bemessen, daß die Abschaltung endet, sobald sich das von demselben Zündimpuls aktivierte Thyristorpaar A, A'; B, B' nach der Entladung des Zündimpulskondensators Ci zuverlässig wieder im Sperrzustand befindet.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Sperr­ wandlerschaltung 10, die im einzelnen aus einem han­ delsüblichen Control IC 12, einem Transistor T, einer Induktivität mit primärseitiger und sekundärseitiger Wicklung und einer Diode D1 besteht. Die Induktivität L ist primärseitig mit einem Anschluß an dem positiven Pol des Ladekondensators C_L angeschlossen, während der andere primärseitige Anschluß mit dem Transistor T ver­ bunden ist. Sekundärseitig ist die Induktivität L über die Diode D1 mit dem Zündimpulskondensator Ci parallel geschaltet, wobei der Zündimpulskondensator Ci über die Diode D1 aufgeladen wird. Zwischen der Diode D1 und dem Zündimpulskondensator Ci wird mit Hilfe eines Widerstan­ des die Spannung des Zündimpulskondensators abgegriffen und einem U-Sense-Eingang 14 des Control ICs 12 zuge­ führt. Die Sperrwandlerschaltung 10 ist so zu dimensio­ nieren, daß der Zündimpulskondensator Ci seine volle Spannung erst nach ca. 10 ms erreicht. Der Anstieg dieser Spannung sollte möglichst kontinuierlich erfolgen. Auf diese Weise wird bei hoher Pulsfolgefrequenz der Zünd­ impulskondensator Ci weniger hoch aufgeladen als bei niedriger Pulsfolgefrequenz. Die Spannung des Zündim­ pulskondensators wird über den genannten U-Sense-Eingang 14 des Control ICs 12 auf den gewünschten Maximal-Wert begrenzt.

An dem Widerstand R wird der Augenblickswert des Pri­ märstromes in der Induktivität L gemessen und den I- Sense-Eingang 16 des Control ICs 12 zugeführt, um durch current-mode-Betrieb des aus einem Ansteuer-IC beste­ henden Control ICs 12 Änderung der Versorgungsspannung U_V bzw. der Spannungsänderung am Ladekondensator C_L über einen Bereich von mindestens 1 : 2 auszuregeln.

Der Ladekkondensator C_L wird dabei über den Gleichrich­ ter Gr auf den Spitzenwert der Versorgungsspannung auf­ geladen.

Die Entladung wird eingeleitet, sobald ein Thyristor­ paar A, A'; B, B' über den Triggerkreis 20 und die Zünd­ impulsübertrager 42, 44 einen Zündimpuls erhält.

Der Zündimpulskondensator Ci wird auf ca. 700 V-900 V aufgeladen. Die Entladung des Zündimpulskondensators erfolgt über Thyristor A, die Primärwicklung eines Transformators Tr, Thyristor A', bzw. über Thyristor B, die Primärwicklung des Transformators Tr, Thyristor B'. Mit jeder Entladung des Zündimpulskondensators Ci wird auf der Sekundärseite des Transformators Tr2 ein Hoch­ spannungsimpuls erzeugt.

Der Transformator Tr ist sekundärseitig mit dem zu dem Schweißbrenner 54 führenden Kabelstrang 46 verbunden. Zwischen den beiden sekundärseitigen Anschlüssen 47, 49 im Kabelstrang 46 ist eine Impulssperrdrossel 50 ange­ ordnet, während der mit dem Schweißbrenner 54 verbunde­ ne Kabelstrang 46 und der mit dem Werkstück 52 verbun­ dene Kabelstrang 48 über ein RC-Glied miteinander ver­ bunden sind.

Der Transformator Tr kann auch in Form einer Mittel­ punktschaltung geschaltet sein oder außerhalb des Zünd­ gerätes angeordnet sein. Es erfolgt dann eine Ein­ schleifung an der Impulssperrdrossel 50 im Kabelstrang 46.

Fig. 2 zeigt eine alternative Sperrwandlerschaltung 10 mit einer nur eine Wicklung aufweisenden Induktivität L. Die Induktivität L ist dabei zwischen dem positiven Pol des Ladekkondensators C_L und der dem Zündimpulskon­ densator Ci vorgeschalteten Diode D1 angeordnet. Der Transistor T ist ausgangsseitig mit dem Ausgang der Induktivität L verbunden.

Fig. 3 zeigt die Spannungsverläufe an den mit a, b und c gekennzeichneten Stellen der in Fig. 1 gezeigten Schal­ tung in mehreren Teildiagrammen. Dargestellt ist ein Schweißbetrieb bei 50 Hz. Die Schweißleerlaufspannung U_SL an der Stelle a beträgt ca. 70 V. Unterhalb des Spannungsverlaufs Usl ist die Triggerverzögerung dargestellt. Die Triggerspannung U_T an der Stelle b ist unterhalb der Triggerverzögerung wiedergegeben. Das unterste Teildiagramm der Fig. 3 zeigt die Ausgangs­ spannung U_AT des Zeitkreises 30 an der Stelle c.

Fig. 4 zeigt das gleiche Schaubild bei einer Schweiß­ frequenz von 260 Hz. In dem zweiten Teildiagramm von oben ist deutlich die Triggerverzögerung zu erkennen während in dem Teildiagramm der Spannung U_AT (Stelle C) die Ausblendzeit gekennzeichnet ist, in der die Sperr­ wandlerschaltung 10 abgeschaltet ist.

Fig. 5 zeigt die Ausregelung der Versorgungsspannung U_V bei current-mode-Betrieb und einer Sperrwandler-Fre quenz von ca. 16 kHz. Am Widerstand R wird der Augen­ blickswert des Primärstromes in der Induktivität L an der Stelle e gemessen. Der obere Teil des Schaubildes zeigt die Source- und Gatespannungsverläufe an dem Transistor T an den Stellen e und d, wobei die oberen Teildiagramme den Spannungsverlauf bei einer Versor­ gungsspannung von 33 V zeigen und die unteren beiden Teildiagramme den Spannungsverlauf bei einer Versor­ gungsspannung von 52 V. Es ist erkennbar, daß in beiden Fällen ein gleicher maximaler Strom von 1,3 A fließt.

Fig. 6 zeigt die Spannungsverläufe an den Stellen d und f, nämlich die Gatespannung des Transistors sowie die Spannung des Zündimpulskondensators Ci bei ca. 50 Hz Schweißfrequenz. Am Spannungsverlauf der Gatespannung U_G erkennt man die Abschaltzeitspanne der Sperrwandler­ schaltung 10.

Die Spannung des Zündimpulskondensators steigt auf ei­ nen Wert von ca. 800 V.

Fig. 7 zeigt den Betrieb bei ca. 290 Hz Schweißfre­ quenz. In dem obersten Teildiagramm ist wiederum die Triggerverzögerung und in dem mittleren Teildiagramm in der Gatespannung U_G die Abschalt-Zeitspanne für die Sperrwandlerschaltung 10 erkennbar. Die Aufladung des Zündimpulskondensators Ci erfolgt auf maximal ca. 280 V. Die Reduktion der Zündhochspannung kann also bei zunehmender Frequenz abnehmen, da die Zündfreudigkeit des brennenden Lichtbogens mit der Frequenz der Schweißspannung zunimmt.

Außerdem ist es möglich, die Balance zwischen positiver und negativer Halbwelle der Schweißspannung zu verstel­ len. Die Verstellung ist normalerweise bis maximal in einem Verhältnis 20 : 80 oder umgekehrt möglich. Das be­ deutet, daß der minimale Abstand zwischen zwei aufein­ anderfolgenden Impulsen im Extremfall bei 250 Hz auf 0,8 ms schrumpfen kann.

Claims (11)

1. Elektronisches Zündgerät für WIG-Schweißgeräte zum Zünden des Lichtbogens im Gleichstrom- oder Wechselstrombetrieb und zum Stabilisieren des gezündeten Lichtbogens im Wechselstrombetrieb, bei dem ein Zündimpulskondensator (Ci) über eine Stromversorgungsschaltung (Gr, C_L) geladen und ü­ ber eine Thyristoranordnung (A, A', B, B') und die Primärwicklung eines Leistungsimpulsübertragers (Tr) entladen wird und damit am Ausgang des Schweißgerätes über die Sekundärwicklung des angekoppelten Leistungsimpulsübertragers (Tr) mit jeder Entladung des Zündimpulskondensators (Ci) Hochspannungsimpulse erzeugt werden, die einerseits zur Zündung des Schweißlichtbogens führen, und nach der Zündung des Lichtbogens zur Stabilisierung jeder Halbwelle der Schweiß­ spannung im Wechselstrombetrieb dienen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Ladekondensator (C_L) und dem Zündimpulskondensator (C_i) eine Sperrwandlerschal­ tung (10) angeordnet ist.

2. Elektronisches Zündgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zünden vom Leistungsteil (2) des Schweißgerätes eine Leerlaufspannung abgreifbar ist, aus der Triggerimpulse mit einer der Leerlaufspannung entsprechenden Polarität über einen Triggerkreis (20) ableitbar sind, wobei ein Thyristorpaar (A, A'; B, B') über den Triggerkreis (20) Zündimpulse erhält.

3. Elektronisches Zündgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitkreis (30) bei jedem Zündimpuls die Sperrwandlerschaltung (10) für eine vorbestimmte Zeitspanne abschaltet, so daß die von demselben Zündimpuls aktivierte Thy­ ristoranordnung (A, A'; B, B') nach der Entladung des Zündimpulskondensators (Ci) in den Sperrzu­ stand übergehen kann.

4. Elektronisches Zündgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrwandler­ schaltung (10) einen Control IC (12) aufweist, der über einen Transistor (T) mit einer Induktivität (L) verbunden ist, die den Zündimpulskondensator C_i über eine Diode (D1) auflädt.

5. Elektronisches Zündgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L) eine Pri­ mär- und eine Sekundärwicklung aufweist, wobei

• - der Ausgang des Control IC (12) über den Transistor (T) mit einem primärseitigen Anschluß der Induktivität (L) verbunden ist,
• - die Induktivität (L) mit dem anderen primär seitigen Anschluß mit dem Ladekondensator C_L verbunden ist, und
• - die Induktivität (L) sekundärseitig über die Diode D1 mit dem Zündimpulskondensator C_i parallelgeschaltet ist.

6. Elektronisches Zündgerät nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündimpulskonden­ sator (C_i) mit steigender Pulsfolgefrequenz auf eine niedrigere Zündimpulsspannung aufgeladen wird.

7. Elektronisches Zündgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zündim­ pulskondensator (C_i) vom Sperrwandler (10) bei jedem Zündimpuls kontinuierlich von 0 V auf eine vorbestimmte Zündimpulsspannung aufgeladen wird.

8. Elektronisches Zündgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung am Zündimpulskondensator (C_i) überwacht wird und dem Control IC (12) über einen U-Sense-Eingang (14) zugeführt wird, um die Zündimpulsspannung auf einen vorbestimmten Maximalwert zu begrenzen.

9. Elektronisches Zündgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Widerstand (R) der Augenblickswert des Primärstromes in der Induktivität (L) gemessen wird und dem I-Sense-Eingang (16) des Control IC (12) zugeführt wird, um durch Current-Mode-Betrieb des Control IC (12) Änderungen der Versorgungsspannung (U_V) bzw. Spannungsänderungen am Ladekondensator (C_L) über einen weiten Bereich auszuregeln.

10. Elektronisches Zündgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Trigger­ kreis (20) über Zündimpulsübertrager (42, 44) gal­ vanisch entkoppelt die Thyristorpaare (A, A'; B, B') ansteuert.

11. Elektronisches Zündgerät nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Trigger­ kreis (20) über Optokoppler (40) oder Impulsüber­ trager galvanisch entkoppelt den Zeitkreis (30) ansteuert.