DE20114660U1

DE20114660U1 - Stromkreis zur Erzeugung eines Lichtbogens mit Wiederzündung des Lichtbogens

Info

Publication number: DE20114660U1
Application number: DE20114660U
Authority: DE
Original assignee: MIGATRONIC SVEJSEMASK
Current assignee: MIGATRONIC SVEJSEMASK
Priority date: 2001-09-05
Filing date: 2001-09-05
Publication date: 2002-02-28
Anticipated expiration: 2011-09-06

Description

14 660.6 2804 001 U-DE

26. November 2001/mf/mg

Anmelderin: Svejsemaskinefabrikken MIGATRONIC A/S Aggerundvej 33
Postboks 201
DK-9690 Fjerritslev

STROMKREIS ZUR ERZEUGUNG EINES LICHTBOGENS MIT WIEDERZÜNDUNG DES LICHTBOGENS

Die Neuerung betrifft einen Stromkreis zur Erzeugung eines Lichtbogens mit Wiederzündung des Lichtbogens, umfassend einen DC-lnverterkreis, an dessen Ausgang ein Polwender gekoppelt ist, wobei der Polwender mit einem Ladestromkreis verbunden ist, an den weiter ein Lichtbogenzünder gekoppelt ist,

zur Erzeugung eines Zündspannungsimpulses, wobei am Ausgang des DC-Inverterkreises eine Induktanz eingesetzt ist, die beim Kurzschluss des DC-Inverterkreises Energie speichert, wobei der Kurzschluss vom Polwender erzeugt wird, wenn dieser Polwender die Polarität wechselt.
10

Die Neuerung betrifft ferner eine Verwendung dieses Stromkreises.

Im Zusammenhang mit Stromkreisen beispielsweise für Schweißstromquellen ist es bekannt, dass diese auf einem Inverterkreis mit einer Induktanz am Ausgang basieren, die die Energie in einen Gleichstrom umwandelt, und dass dieser Gleichstrom darauf in einem Polwender in einen AC-Strom umgewandelt wird, der zum Schweißen geeignet ist. Eine solche Schweißstromquelle ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 4330805 bekannt.

Die Schweißstromquelle umfasst außer dem DC-lnverterkreis und dem Polwender einen zwischen dem DC-lnverterkreis und dem Polwender angeordneten Spannungsbegrenzer, so dass die Höhe der nach dem DC-lnverterkreis erzeugten Spannung einen gegebenen Wert nicht übersteigt. Der Polwender umfasst vier kontrollierbare Umschalter mit antiparallelen Dioden, die wechselweise aktiv/on und nicht-aktiv/off sein können. Die Umschalter können Transistoren, beispielsweise IGBT und POWERMOSFET, oder Thyristoren sein und anhand einer Kontrolleinheit gesteuert werden. Der Schweißkreis selbst befindet sich im Anschluss an den Polwender.

Die Erzeugung des Lichtbogens erfolgt durch die Aktivierung sämtlicher Umschalter, damit der DC-lnverterkreis kurzgeschlossen und Energie in der Induktanz des DC-lnverterkreises gespeichert wird. Wenn die beiden Umschalter wieder aktiviert werden, und der Kreis sich nicht länger im Kurzschluss befindet, wird die gespeicherte Energie in der Induktanz des DC-lnverterkreises in einem Spannungsimpuls freigegeben. Dieser Spannungsimpuls steigt darauf auf ein den Lichtbogen wiederzündendes Niveau.

Da im Zusammenhang mit dem Polwender und dem Schweißkreis selbst keine Kapazitanz vorhanden ist, ist bei dieser Konstruktion beim Polaritätswechsel ein

Überspannungsschutz des Polwenders notwendig. Ferner ist eine Reihe von Komponenten erforderlich, und darunter eventuell mehrere Printplatten, weshalb die Konstruktion teils mit einem hohen akustischen Geräuschpegel und teils mit einem hohen EMC-Emissionsniveau verbunden ist,
15

Es ist daher Aufgabe dieser Neuerung, eine Schweißstromquelle herzustellen, bei der die obengenannten Probleme gelöst sind, wobei die gespeicherte Energie am Ausgang des DC-lnverterkreises derart gesteuert und kontrolliert werden kann, dass auf einen Überspannungsschutz verzichtet werden kann, und bei der die Konstruktion zur Reduktion des akustischen Geräusches und des EMC-Emissionsniveaus vereinfacht wird.

Die Aufgabe wird durch einen Stromkreis der in der Einleitung genannten Art gelöst, wobei außerdem im Anschluss des Polwenders an den Ladestromkreis ferner ein Kondensator eingeschaltet ist, welchem Kondensator die in der Induktanz gespeicherte Energie zur Erzeugung eines Spannungsimpulses zugeführt wird, wobei der Spannungsimpuls die Wiederzündung des Lichtbogens initiiert.

Der Stromkreis funktioniert derart, dass der Lichtbogen durch eine Impulszündung eines Lichtbogenzünders erzeugt wird. Wenn der Lichtbogen bei einem gegebenen Schweißstrom stabil ist, und ein Polaritätswechsel zu erfolgen hat,

werden sowohl die oberen als auch die unteren Schalter desselben Zweigs aktiviert, wodurch der Ausgang des DC-lnverterkreises kurzgeschlossen wird. Während dieses Kurzschlusses wird von der Induktanz des DC-lnverterkreises Energie gespeichert. Wenn ein oberer bzw. ein unterer Schalter wieder deaktiviert wird, wird die gespeicherte Energie durch Resonanzschwingung auf den Kondensator übertragen, wodurch ein den Lichtbogen wiederzündender Spannungsimpuls erzeugt wird. Vor dem Polaritätswechsel und dem daraus folgenden Kurzschluss des DC-lnverterkreises wird der Ladestrom anhand einer Kontrolleinheit auf ein bestimmtes Niveau gebracht. Dieses Niveau ist von dem vorhergehenden Wert des Ladestroms unabhängig, und der Ladestrom kann somit reduziert oder erhöht werden. Dieselbe Kontrolleinheit steuert den Ladestrom und die Zeit, während der der DC-lnverterkreis kurzgeschlossen ist, und somit auch die in der Induktanz gespeicherte Energie, die nachfolgend dem Kondensator zugeführt wird. Somit wird ein Spannungsimpuls mit gesteuerten Steigzeiten erzeugt.

Durch die Herstellung eines Stromkreises nach der Neuerung, und wie in Anspruch 2 weiter angegeben, wird eine bedeutende Reduktion des akustischen Geräuschpegels erzielt.

Durch die Herstellung eines Stromkreises nach der Neuerung, und wie in Anspruch 3 weiter angegeben, wird eine maximale dem Kondensator zugeführte Energie und dadurch ein maximaler erzeugter Spannungsimpuls erzielt, welcher Spannungsimpuls nicht nachfolgend zu verstärken ist.

Durch die Herstellung eines Stromkreises nach der Neuerung, und wie in Anspruch 4 weiter angegeben, wird ein vereinfachter und billiger Stromkreis erzielt, der ferner durch die Vereinfachung zur Minimierung des EMC-Emissionsniveau beiträgt.

Durch die Herstellung eines Stromkreises nach der Neuerung, und wie in An-

spruch 5 weiter angegeben, werden kontrollierbare Umpolzeiten von Strom bzw. Spannung sowie ein Spannungsimpuls erzielt, wobei der letztere die EMI-Emission beträchtlich reduziert. Ferner kann die in der Spule gespeicherte und darauf dem Kondensator zugeführte Energiemenge so kontrolliert werden, dass der passende Spannungsimpuls erzeugt wird. Ferner wird erreicht, dass auf die antiparallelen Dioden verzichtet werden kann.

Durch die Herstellung eines Stromkreises nach der Neuerung, und wie in Anspruch 6 weiter angegeben, wird erreicht, dass dem Ladestromkreis eine hohe Zündspannung zugeführt wird.

Die Neuerung betrifft ferner eine Verwendung des Kreises, vorzugsweise für eine AC-TI G-Schweißvorrichtung.

Im folgenden wir die Neuerung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die neuerungsgemäße Stromquelle, und

Fig. 2.A-2.D ein Beispiel eines zeitlichen Verlaufs der Ströme und

Spannungen der in Fig. 1 gezeigten Quelle vor, unter und nach einem Polaritätswechsel, wobei

Fig. 2 A die Ausgangsspannung, den Inverter, den Ladestrom-

kreis,

Fig. 2 B den Ausgangsstrom, den Inverter, den Ladestromkreis,

Fig. 2 C die Lichtbogenspannung und

Fig. 2 D den Lichtbogenstrom zeigt.

Die Figur 1 zeigt einen neuerungsgemäßen Stromkreis 1, welcher Stromkreis 1 einen DC-lnverterkreis 2, einen Polwender 3 sowie einen Lichtbogenzünder 5, an den der Polwender 3 des Ladestromkreises 4 gekoppelt ist, umfasst.

Der DC-lnverterkreis 2 ist aufgebaut und funktioniert nach dem Stand der Technik derart, dass er drei Module, ein erstes Modul 9, ein zweites Modul 10 sowie ein drittes Modul 11 umfasst. Das erste Modul 9 umfasst beispielsweise eine Konvertereinheit, wobei die elektrische AC-Energie aus einer kommerziellen, beispielsweise dreiphasigen, AC-Versorgung, anhand eines Gleichrichters 12 und eines Kondensators 13 in elektrische DC-Energie umgewandelt wird. Die AC-Versorgung kann auch einphasig sein. Das zweite Modul 10 umfasst beispielsweise einen aus Brücken-IGBTs 14 sowie einem Kondensator 15 bestehenden Inverter. Die elektrische DC-Energie wird in diesem Modul in eine elektrische AC-Energie mit einer höheren Frequenz als die AC-Versorgung umgewandelt. Beim Durchfluss bis in das dritte Modul 11, durch den Transformator T1, wird die AC-Energie wieder in eine elektrisch DC-Energie umgewandelt, wobei diese der Eingangsklemme des Polwenders 3 teils über den Gleichrichter 16 und teils durch den Mitteabgriff einer Induktanz L zugeführt wird, die in diesem Fall aus einer den Durchfluss eines AC-Stroms verhindernden Drosselspule besteht.

Der Polwender 3 wandelt die elektrische DC-Energie in einen AC-Strom um und umfasst vier Schalter, zwei obere Schalter Qi, Q₃ sowie zwei untere Schalter Q2, Q₄. Die Schalter sind in diesem Falle Transistoren des Typs IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) und durch die Verwendung verhältnismäßig weniger Komponenten wird der Kreis vereinfacht, wobei gleichzeitig das EMC-Emissionsniveau reduziert wird. Die IGBTs Qi, Q3, Q2, Q4 funktionieren derart, dass die IGBTs Q₂ und Q3 aktiv sind, wenn dem Ausgang des Polwenders 3 eine positive Spannung zugeführt wird, und die IGBTs Qi und Q₄ aktiv sind, wenn eine negative Spannung zugeführt wird. Wenn alle IGBTs aktiviert werden, dann verursacht dieses einen Kurzschluss des DC-lnverterkreisausgangs, so dass die

hl

Induktanz L, oder aber die Drosselspule im zweiten Modul 11, diejenige Energie speichert, die sonst dem Polwender 3 zugeführt werden würde.

Die Polarität des Ausgangs des Polwenders wird durch den Ladestromkreis 4 gesteuert, der in diesem Beispiel einen Schweißkreis umfasst, an dessen Ausgänge eine Belastung eingesetzt ist, die eine Schweißelektrode 7 sowie ein Werkstück 8 umfasst. Im Ladestromkreis ist ferner ein mit einem Lichtbogenzünder 5 verbundener Zündtransformator T₂ eingeschaltet. Über die Ausgangsklemmen des Polwenders oder die Eingangsklemmen des Schweißkreises ist ein Kondensator C vorgesehen, dessen Funktion nachfolgend erklärt werden soll.

Der gesamte Kreis 1 wird mit einer Kontrolleinheit 6 verbunden, die Messungen der Ladestromkreisspannung Uo bzw. des zugehörigen Stromes I₀ an den Ausgangsklemmen des DC-lnverterkreises oder an den Eingangsklemmen des PoI-wenders erfasst. Neben der Erfassung von Spannung und Strom steuert und kontrolliert die Kontrolleinheit 6 ferner die Zustände der IGBTs, aktiv/on oder nicht-aktiv/off, wodurch die Kurzschlusszeit und die in der Induktivität L gespeicherte Energie gesteuert werden kann. In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, dass die Ladestromkreisspannung U₀ sowie der zugehörige Strom I₀ und der/die an den Ausgangsklemmen des DC-lnverterkreises oder an den Eingangsklemmen des Polwenders erfasste Strom bzw. Spannung nur denselben numerischen Wert annehmen, und somit nicht notwendigerweise dieselbe Polarität. Die Kontrolleinheit 6 kann beispielsweise ein Mikroprozessor sein.

Wenn der Lichtbogen am Anfang der Schweißphase gezündet werden soll, wird eine Impulsspannung vom Lichtbogenzünder 5 erzeugt und durch den Zündtransformator T₂ als eine hohe Zündspannung übertragen. Die übertragene Impulsspannung ist von einer positiven Polarität, welches bedeutet, dass zwei IGBTs Q₂ und Q₃ des Polwenders 3 aktiv/on sind. Bei einem gegebenen stabilen Lichtbogen mit einem gegebenen Ladestrom/Schweißstrom Io muss ein Polaritätswechsel erfolgen, und der Ladestrom/Schweißstrom I₀ auf ein bestimmtes

&Ggr;·!

Niveau, das Rückstromniveau, gebracht werden, wodurch eine erhebliche Reduktion des akustischen Geräuschspegels erzielt wird. Wenn dieses Rückstromniveau erreicht worden ist, zünden auch die beiden sonstigen IGBTs Qi und Q₄, wodurch der Ausgang des DC-Wechselkreises oder der Eingang des Polwenders kurzgeschlossen wird. Die Energie, die sonst dem Polwender 3 zugeführt werden würde, wird in der Drosselspule L gespeichert. Die gespeicherte Energie L ist von derzeit abhängig, während der alle IGBTs Qi, Q₃, Q2, Q4 eingeschaltet sind, und somit von der Zeit, in der sich der Ausgang des DC-lnverters im Kurzschluss befindet. Diese Zeit ist nach der Energiemenge abgestimmt und dimensioniert, die in der Drosselspule L gespeichert werden kann, die aber ferner dem Kondensator C zugeführt und in eine Spannung über diesen umgewandelt werden kann, wodurch keine Schäden verursacht werden.

Nach dem Speichern der passenden Energiemenge durch die Drosselspule L werden zwei IGBTs ausgeschaltet, Q₂ und Q₃, wodurch der DC-lnverterkreis nicht länger im Kurzschluss ist. Die in der Drosselspule L gespeicherte Energie wird während dieses Verlaufes in einer Resonanzschwingung in eine Spannung über den Kondensator C umgesetzt. Diese Spannung passiert ungehindert den Zündtransformator T₂ bis zur Schweißelektrode 7, wodurch der Lichtbogen mit einer Stromstärke wiedergezündet wird, die sich weiterhin auf dem angegebenen Rückstromniveau befindet. Eine nachfolgende Verstärkung der Spannung ist somit nicht erforderlich, welches auf die Verwendung von Resonanzschwingungen zurückführbar ist, da diese, im Verhältnis zu anderen Schwingungsfrequenzen, dem Kondensator maximale Energie zuführt. Nach der Wiederzündung wird der Ladestrom/Schweißstrom I₀ wieder auf das gegebene Schweißstromniveau gebracht, und der Prozess fängt wieder an.

Die Polaritätswechsel werden bei einer Frequenz von vorzugsweise 100 Hz wiederholt, die Frequenz kann jedoch anhand der Kontrolleinheit 6 von DC bis zu 500 Hz variiert werden. Die Kontrolleinheit 6 kann ebenfalls das Verhältnis zwischen der Zeit für die positive bzw. die negative Polarität variieren. Der Schweiß-

strom Io und die Schweißspannung Uo werden fortlaufend gemessen, und diese Signale werden der Kontrolleinheit zugeführt, damit der oder die Zeitpunkt(e), zu denen der Polaritätswechsel zu erfolgen hat, kontrolliert werden können.

Die Figuren 2.A-2.D zeigen ein Beispiel eines zeitlichen Verlaufes diverser Ströme und Spannungen im Kreis vor, während und nach dem Pol-/Polaritätswechsel.

Wenn der Strom I₀ am Ausgang des DC-lnverterkreises oder im Ladestromkreis 4, wie aus Fig. 2B ersichtlich, einen gegebenen Wert annimmt, beispielsweise 120 A, brennt ein stabiler Lichtbogen. In demselben Zeitraum nimmt der Lichtbogenstrom denselben Wert an (vgl. Fig. 2. D) und die Spannung U₀ über den Inverterausgang oder im Ladestromkreis 4 (vgl. Fig. 2.A) sowie im Lichtbogen nehmen denselben Wert an, in diesem Fall 15 V.

Bei Polaritätswechsel und Reduktion des Stroms I₀, am Inverterausgang oder im Ladestromkreis 4 auf Rückstromniveau, beispielsweise 20 A (vgl. Fig. 2.B), und wenn dieser Zustand stabil geworden ist, sind alle IGBTs eingeschaltet, wodurch der Ausgang am DC-lnverterkreis 2 oder der Eingang am Polwender 3 kurzgeschlossen wird. In dieser Phase liegt der Lichtbogenstrom (vgl. Fig. 2.D) auf rund 0 A und die Lichtbogenspannung (vgl. Fig. 2.C) sowie die Spannung Uo über den Ausgang des Inverters oder im Ladestromkreis 4 (vgl. Fig. 2.A) liegen auf rund 0 V. Wenn die genau angepasste Energiemenge in der Drosselspule L gespeichert ist, werden zwei IGBTs Q2, Q3 ausgeschaltet, und wegen der Sperrrichtung dieser bewirkt die durch die Resonanzschwingung einer Spannung über den Kondensator C überführte Energie eine Polaritätsänderung der Lichtbogenspannung bzw. des Lichtbogenstroms (vgl. Fig. 2.C und Fig. 2.D). Der Strom I₀ am Inverterausgang oder im Ladestromkreis 4 liegt während der Wiederzündung somit noch auf dem Rückstromniveau (vgl. Fig. 2.B).

Nach dem Polaritätswechsel und der Wiederzündung des Lichtbogens wird der

Strom I₀ am Inverterausgang oder im Ladestromkreis 4 wieder auf die rund 120 A gebracht bis zum nächsten Polaritätswechsel, wo sich der Prozess wiederholt.

Es ist zu bemerken, dass die in den Figuren 2.A-2.D angegebenen Werte als illustrativ und somit nicht als allgemeingültig zu betrachten sind, und dass die Verwendung anderer Werte in Abhängigkeit von der Dimensionierung des Kreises durchaus denkbar ist.

Claims

1. Stromkreis (1) zur Erzeugung eines Lichtbogens mit Wiederzündung des Lichtbogens, umfassend einen DC-Inverterkreis (2), an dessen Ausgang ein Polwender (3) gekoppelt ist, wobei der Polwender mit einem Ladestromkreis (4) verbunden ist, an den weiter ein Lichtbogenzünder (5) gekoppelt ist, zur Erzeugung eines Zündspannungsimpulses, wobei am Ausgang des DC-Inverterkreises (2) ein Induktanz (L) eingesetzt ist, die beim Kurzschluss des DC- Inverterkreises (2) Energie speichert, wobei der Kurzschluss vom Polwender (3) erzeugt wird, wenn dieser Polwender die Polarität wechselt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindung des Polwenders zum Ladestromkreis (4) weiter ein Kondensator (C) geschaltet ist, wobei dem Kondensator (C) die in der Induktanz (L) gespeicherte Energie zur Erzeugung eines Spannungsimpulses zugeführt wird, welcher Spannungsimpuls die Wiederzündung des Lichtbogens initiiert.

2. Stromkreis (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom des Schweißstromkreises (I₀) vor dem Kurzschluß des DC-Inverterkreises auf ein bestimmtes Niveau, das Rückstromniveau (2), gebracht wird.

3. Stromkreis (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensator (C) die Energie von der Induktranz (L) durch eine Resonanzschwingung zugeführt wird.

4. Stromkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polwender (3) vorzugsweise vier kontrollierbare Schalter (Q₁, Q₂, Q₃, Q₄) umfasst, die wechselweise aktiv und nicht-aktiv sein können.

5. Stromkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromkreis ferner eine Kontrolleinheit (6) umfasst, welche Kontrolleinheit (6) anhand der Spannung des Ladestromkreises (U₀) sowie des Stroms die Zeit regelt, während der der DC-Inverterkreis (2) kurzgeschlossen ist, sowie das Verhältnis zwischen der Zeit der positiven bzw. der negativen Polarität des Polwenders (3).

6. Stromkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogenanzünder (5) durch einen Zündtransformator (T₂) an den Ladestromkreis (4) gekoppelt ist.

7. ACTIG-Schweißapparatur mit einem Stromkreis (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.