DE2655202B2 - Schweißstromquelle für das Gleichstrom-Lichtbogenschweißen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schweißstromquelle für das Gleichstrom-Lichtbogenschweißen, mit einem Drehstromtransformator, der sekundärseitig zwei Wickiungssternschaltungen aufweist, die mit 180° Phasenverschiebung arbeiten und jeweils drei Sekundärwicklungen mit zum Sternpunkt zusammengeführten inneren Anschlüssen und mit äußeren Anschlüssen besitzen, welch letztere an je einen Eingang getrennter Thyristoren führen, deren Ausgänge mit dem einen Pol der Schweißstromquelle verbunden sind, deren anderer Pol von dem Mittelabgriff zweier zwischen den Steinpunkten in Reihe angeordneter Phasenschieberdrosseln gebildet ist, die jeweils aus einer auf einen Kern aufgebrachten Wicklung bestehen, und wobei zur Einstellung des Schweißstromes eine mit Phasenanschnittsteuerung arbeitende Zündschaltung für die

ίο Thyristoren vorhanden ist

Beim Gleichstrom-Lichtbogenschweißen ist die elektrische Belastung bekanntlich schon deshalb problematisch, weil Einstellmöglichkeiten in einem verhältnismäßig großen Speisespannungsbereich von etwa 15 V bis 50 V und zugleich in sehr großem Strombereich, z. B. etwa 50 A bis 1,5 kA, gegeben sein müssen. Für die Einstellung von Schweißstromquellen der eingangs genannten Art reduziert man die Ausgangsspannung, die zumindest der höchsten erforderlichen Leerlaufspannung entspricht, indem ein Zurückdrehen der Stromleitungsphase der Thyristoren durchgeführt wird, was den Mittelwert der Thyristorspannung auf den für die Aufrechterhaltung des Lichtbogens notwendigen Betrag herabsetzt. Mit der Thyristor-Phasenrückstellung nimmt jedoch die Welligkeit der Ausgangsspannung zu, wodurch die Qualität einer mittels der Elektrode aufgebrachten Schweißraupe stark beeinträchtigt werden kann.
Zur Glättung benutzt man gewöhnlich Induktivitäten, die — z. B. in Form einer Drossel oder eines anderen Induktors — mit dem Ausgang der Schweißstromquelle in Reihe liegen. Bei großer Welligkeit würde die Glättung jedoch zu große Induktivitäten erfordern, die nicht nur die Zündung des Lichtbogens erschweren, sondern auch die Anwendung des Tropfschweißens verhindern können, bei dem lokal hohe Schmelz- und Verdampfungsleistungen an der Elektrodenspitze auftreten, wo die Tropfenbildung mehr oder minder periodische Kurzschlüsse mit dem Schmelzbad bewirkt.

Hat man für diesen Schweißbetrieb die Speisespannung genügend vermindert, so arbeiten die Thyristoren mit großar Phasenrückstellung. Dabei wird leicht der Punkt überschritten, bei dem während der positiven Halbwelle kein einziger Thyristor leitet, so daß es zum »Aussetzer« kommt, der ein zuverlässiges Schweißen nicht mehr erlaubt. Zwar lassen sich die Aussetzer durch eine Reiheninduktivität am Ausgang der Schweißstromquelle unterdrücken, doch wird dadurch der Tropfschweißbetrieb noch weiter erschwert.

Eine gewisse, jedoch unzureichende Verbesserung ergibt sich durch den Einsatz eines Phasenschiebertrafos zwischen den Sternpunkten zweier Sekundärwicklungs-Sternschaltungen gemäß der US- PS 33 71 242, aus der die eingangs genannte Schweistromquelle bekannt ist. Der Phasenschiebertrafo besteht aus zwei auf einen gemeinsamen Blechkern aufgebrachten Wicklungen, deren Magnetflüsse einander entgegengerichtet sind. Um gleichgroße Magnetflüsse aufrechtzuerhalten, wird durch die vorhandene magnetische Kopplung ein Spannungsausgleich in den beiden Stromkreisen zwischen der Phasenschieberwicklung und den Stern-Sekundärwicklungen bewirkt, so daß die Sternströme mit einer Welligkeit von sechsfacher Netzfrequenz parallel fließen, d. h. einander nach Betrag und Phase gleich sind.

Dank dieser Kopplung ist ein Parallelbetrieb der Thyristoren mit Phasenrückstellwinkeln bis zu etwa 113° möglich, doch hört die Wirksamkeit jenseits dieses Grenzwertes auf und die Arbeitsweise entspricht dann

einer Sechsphasen-Sternschaltung.

Nun beruht die Induktion des Phasenschiebertrafos ausschließlich auf einer Streuinduktivität, deren Größe für die Bedürfnisse des Lichtbogens nicht ausreicht. Um den Schweißbetrieb zu ermöglichen, ist bei der bekannten Stromquelle im Gleichstrom-Ausgangskreis eine Glättungsdrossel angeordnet. Ähnlich wie bei der Sechsphasen-Sternschaltung ist aber auch bei der Doppelsternschaltung mit Phasenschiebertrafo für die Glättungsdrossel zum Wegdrücken der Ausgangs-Aussetzer bei einer Phasenrückstellung der Thyristoren von z. B. 120° eine so große Induktivität notwendig, daß das Schweißen bei niedriger Ausgangsleistung durch Instabilität und Überlastung der Stromquelle stark beeinträchtigt wird und namentlich die Steuerelemente gefährdet werden. Infolge der zum Glätten der Ausgangs-Welligkeit benötigten Induktivität wird hierbei das Kurzschlußschweißen, d. h. der tröpfchenförmige Materialübergang zwischen SchmelzbaJ und Elektrode bei heruntergeregelter Ausgangsspannung und starker Phasenrückstellung, gänzlich unmöglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit wirtschaftlichen Mitteln eine verbesserte, hochleistungsfähige Schweißstromquelle der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch bei niedriger Ausgangsleistung gut steuerbar ist, eine hohe Kurzschlußfestigkeit besitzt und im Schweißstromkreis über die benötigte Induktivität verfü.t, ohne eine zusätzliche Glättungsdrossel zu erfordern, um eine große Phasenrückstellung der Thyristoren zu gestatten und Aussetzer weitestgehend zu unterdrücken.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die beiden Phasenschieberdrosseln so ausgebildet sind, daß sie unabhängig voneinander arbeiten. Der Kraftfluß in der einen Drossel hat also keine oder fast keine Wechselwirkung mit dem Kraftfluß in der anderen Drossel. Dies erlaubt die weitestgehende Unterdrückung von Aussetzern am Schweißausgang, selbst bei erheblich größeren Phasenrückstellungen als herkömmlicherweise überhaupt möglich. Die erfindungsgemäße Anordnung zweier unabhängiger Phasenschieberdrosseln ermöglicht von vornherein eine genügend große Induktivitätsbemessung im Schweißstromkreis, so daß ein einwandfreier Schweißbetrieb gewährleistet ist, ohne daß eine Glättungsdrossel erforderlich wäre. Dabei bleibt jedoch der Vorteil der gebräuchlichen Doppelsternschaltung mit Phasenschiebertrafo erhalten, daß die Steuerungs-Thyristoren bei vorgegebener Auslegung im Vergleich zu der Sechsphasen-Sternschaltung mit doppeltem Schweißstrom belastet bzw. entsprechend günstig bemessen werden können.

Eine Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Wicklungen der Phasenschieberdrosseln auf getrennten Kernen angeordnet sind. Diese können Blechkerne nach Art von Kerntransformatoren, vorzugsweise Rechteckkerne, oder Mantelkerne sein. Im letzteren Falle ist die Wicklung bevorzugt jeweils auf dem Mittelschenkel angeordnet. Hiernach und gemäß Weiterbildungen laut den Ansprüchen 4 bis 6 können sich die Kraftflüsse der beiden Phasenschieberdrosseln in einem gemeinsamen Kern oder Kernteil überlagern, wozu noch der vom Ausgangsstrom der Schweißstromquelle in einer Wicklung ausgehende Kraftfluß additiv oder subtraktiv hinzukommt. Die Induktivität und/oder die magnetische Kopplung der unabhängigen Phasenschieberdrosseln kann auf diese Weise durch den Ausgangsstrom der Schwcißstromquelle beeinflußt werden.

Die dadurch bewirkte Steigerung oder Veränderung der Gesamtinduktivität der Phasenschieberdrosseln macht Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 7 und 8 zweckmäßig. Auch kann die Erregung der Mittelschenkel-Wicklung etwa mittels eines Nebenschlusses oder durch Veränderung der Windungszahl passend gewählt werden, so daß sich die Induktivität der Phasenschieberdrosiieln auf die verschiedensten Schweißlichtbogen-Verhältiiiisse einstellen läßt

Hervorzuheben ist, daß wegen der Streureaktanz jedes Übertragers auch Phasenschieberwicklungen eine Eigeninduktivität besitzen. Für die Erfindung kommen jedoch nur Phasenschieberdrosseln in Betracht, deren Induktivität die normale Streureaktanz eines Phasenschiebertrafos unter allen Umständen überschreitet Die Unterschiede der Arbeitsweise von Schweißstromquellen mit herkömmlichem Phasenschiebertrafo und mit erfindungsgemäßen unabhängigen Phasenschieberdrosseln sind genau zu betrachten. Beide Systeme sind für den Parallelbetrieb von zwei Sekundärwicklungs-Sternschaltungen mit 180° Phasenverschiebung verwendbar. In beiden Fällen muß die Spannungs-Vektorsumme der einen, stromführenden Sternanordnung zuzüglich der induzierten Phasenschieberspannung gleich der Spannung an der anderen Sternanordnung einschließlich der zugehörigen induzierten Phasenschieberspannung sein. Ein wichtiger Unterschied besteht aber darin, daß bei dem herkömmlichen Phasenschiebertrafo die Phasenschieberspannung aus der Gegeninduktion der beiden Phasenschieberwicklungen herrührt, wogegen im Falle der unabhängigen Phasenschieberwicklungen die Phasenschieberspannung auf der eigenen Wicklungsinduktivität beruht. Dies hat die überraschenden Wirkungen der erfindungsgemäßen Anordnung zur Folge. Die oszillogirafische Beobachtung der Ströme in den Wicklungssternschaltungen des Phasenschiebertrafos bei einer Phasenrückstellung der Thyristoren von 90° zeigt, daß die Ströme gleichgroß und allgemein auch gleichphasig sind; die Welligkeit hat das Sechsfache der Netzfrequenz. Mit unabhängigen Phasenschieberdrosseln nach der Erfindung ergeben sich ebenfalls gleichgroße Ströme in den Wicklungssternschaltungen, jedoch mit einer Phasenverschiebung von 60°, so daß die Welligkeit, das Dreifache der Netzfrequenz beträgt. Ein weiterer wichtiger Unterschied besteht darin, daß die Thyristoren bei Phasenschiebertrafos mit einer Phasenrückstellung von 113° über einen Phasenbereich von weniger als 120° leiten und daß zuerst Aussetzer auftreten und dann der Strom auf Null zurückgeht; hingegen kommen dank der erfindungsgemäßen Verwendung von unabhängigen Phasenschieberdrosseln Aussetzer erst bei einer Phasenrückstellung von 160°. und der Strom geht nicht auf Null zurück.

Ausfiiihrungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild des Stromversorgungsteils einer Schweißstromquelle nach der Erfindung, zusammen mit einer Zündschaltung,

F i g. 2 bis 5 schematisierte Darstellungen verschiedener Kern- und Wicklungs-Konfigurationen von Phasenschieberdrosseln einer Schweißstromquelle nach der Erfindung und

F i g. fi eine schematisierte Darstellung ähnlich F i g. 5, jedoch mit einer zusätzlichen Wicklung.

Die in Fi g. 1 veranschaulichte Schaltung umfaßt den Netzteil einer Schweißstromquelle mit einem Drehstromtransformator 7^ dessen Primärwicklungen Pi, P7, Pi im Dreieck geschaltet sind, während sechs Sekundär-

wicklungen S\ ...Se zwei Wicklungssternschaltungen S] ... S3 und S^... Sf, bilden, die an ihren Sternpunkten 10, 10' erfindungsgemäß durch unabhängige Phasenschieberdrosseln L 10, L 10' in Reihe verbunden sind. Der Mittelabgriff 14 zwischen den Phasenschieberdrosseln L 10, L 10' führt zu dem Minuspol 15 der Schweißstromquelle. Die Außenanschlüsse der Sekundärwicklungen Si ... S₆ führen zu den Anoden getrennter Hauptthyristoren SCRA ... SCRF, deren Kathoden durch eine gemeinsame Leitung oder Masseschiene 219 verbunden sind, an die ein zum Pluspol 12 der Schweißstromquelle führender Shunt R 60 anschließt.

In Fi g. 1 sind alle sechs Hauptthyristoren dargestellt, jedoch nur ein Zündkreis für die den Sekundärwicklungen Si bzw. S4 zugeordneten Hauptthyristoren SCR A und SCR B, die von diesen Sekundärwicklungen eine um 180° phasenverschobene Leerlaufspannung erhalten. Die Steuerelektroden der Hauptthyristoren SCR A und SCRB werden durch Hilfsthyristoren SCR 1 bzw. SCR 4 aufgesteuert, welche ihrerseits von einem programmierbaren Unijunction-Transistor (abgekürzt PUT), nämlich QU1, leitend gemacht werden, sobald von dem (nicht gezeichneten) Steuer- oder Regelkreis ein verstärktes und gesiebtes Rückkopplungssignal einläuft.

Von dem in Reihe mit dem Pluspol 12 der Schweißstromquelle liegenden Shunt R 60 bekommt der Steuer- bzw. Regelkreis ein Signal, das z. B. über zwei Operationsverstärker einem Transistor zugeleitet wird, dessen Ausgang den Zündkreis von F i g. 1 beaufschlagt. Ein Schalter dient zur Betriebsumstellung des Schweißstromquellen-Ausganges von konstanter Spannung auf konstanten Strom und umgekehrt. Mit einem Potentiometer kann die Spannung bzw. der Strom am Ausgang nach Bedarf eingestellt werden. In der Betriebsart mit konstantem Ausgangsstrom kann, wenn die Schweißstromquellen-Spannung unter einen Schwellenwert der Lichtbogen-Brennspannung absinkt, mittels eines Transistors zu höheren Strömen geregelt werden.

Der benutzte Drehstromtransformator Γ kann herkömmlichen Aufbau haben und braucht hier daher nicht näher erläutert zu werden. Jede Sekundärwicklung der beiden Sternschaltungen ist mit einer Drehstromphase so verbunden, daß die Wicklungspaare S₁, Sf, Sj. Se bzw. Ss, S2 jeweils um 180° phasen verschobene Leerlauf-Ausgangsspannungen führen. Diesen Sekundärwicklungspaaren sind jeweils Paare von Hauptthyristoren, nämlich SCR A. SCR B; SCR C. SCR D; SCR E. SCR F zugeordnet, von denen jedes durch einen gemeinsamen Zündkreis gesteuert wird, der z. B. wie in F i g. 1 dargestellt aufgebaut sein kann.

Der Drehstromtransformator Γ ist vorzugsweise so konstruiert, daß er minimale Streureaktanz hat und daher in den Schweißstromkreis praktisch keine zusätzliche Induktivität einführt Infolgedessen ist die Ausgangsspannung bei veränderlichem Strom im wesentlichen konstant Die Induktivität der Schweißstromquelle ist die der beiden Phasenschieberdrosseln L10 und L10', in denen lediglich die Welligkeitsfrequenz vorkommt

Ein wichtiger Bestandteil der erfindungsgemäßen Schweißstromquelle ist das Paar gleichartiger, unabhängiger Phasenschieberdrosseln L10, L10', welche die Sternpunkte 10,10' der Sekundärwicklungs-Sternschaltungen verbinden. Im Gegensatz zum Phasenschiebertrafo sind die Kraftflüsse der beiden Phasenschieberdrosseln so angeordnet, daß sie einander niemals entgegengerichtet sind.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 haben die Phasenschieberdrosseln L 10, L 10' jeweils Wicklungen

16 bzw. 16' auf getrennten Eisenblech-Rechteckkernen

17 bzw. 17', die mit oder ohne Luftspalt ausgebildet sein können.

Das Ausführungsbeispiel von Fig.3 zeigt eine Gestaltung mit zwei Mantelkernen, die jeweils zwei Außenschenkel 18,18' und einen Mittelschenkel 20 bzw. 20' aufweisen, der im wesentlichen die doppelte

to Querschnittsfläche der Außenschenkel aufweist. Die Wicklungen 16, 16' der Phasenschieberdrosseln L 10, L 10' sind dann auf dem jeweiligen Mittelschenkel 20 bzw. 20' aufgebracht.

Die in F i g. 4 gezeigte Anordnung sieht einen Mantelkern mit zwei Außenschenkeln 18,18' und einem Mittelschenkel 20 vor, dessen Querschnittsfläche das Doppelte des Außenschenkelquerschnitts beträgt. Die Wicklungen 16,16' sind hierbei auf den Außenschenkeln

18 bzw. 18' mit solcher Polarität aufgebracht, daß sich die Kraftflüsse im Mittelschenkel 20 subtrahieren. Bei der im übrigen ähnlichen Anordnung von Fig.5 addieren sich hingegen die Kraftflüsse der Wicklungen 16 und 16' im Mitteischenkel 20. Weil dessen Querschnittsfläche doppelt so groß ist wie die der Außenschenkel 18 bzw. 18', besteht keine oder praktisch keine gegenseitige Kopplung zwischen den Wicklungen 16 und 16'.

Bei Verwendung einer solchen Konstruktion ist es möglich, eine zusätzliche Leistungsdrossel in Reihe zwischen dem Mittelabgriff 14 und dem Minuspol 15 vorzusehen. Diese Leistungsdrossel L12 hat im Ausführungsbeispiel der Fig.6 eine Wicklung 21 auf dem Mittelschenkel 20 in solcher Anordnung, daß sich ihr Kraftfluß demjenigen der Außenschenkelwicklungen 16 und 16' der unabhängigen Phasenschieberdrosseln L10, L10 entweder additiv oder subtraktiv überlagert. Um eine Kernsältigung zu verhindern, ist im Mittelschenkel 20 ein Luftspalt 19 vorgesehen. Zusätzlich zu der Wirkung der unabhängigen Phasenschieberdrosseln L10, L !0' bewirkt ein Strom in der Wicklung 21 der Leistungsdrossel L12 auch eine gewisse Wirkung eines Phasenschiebertrafos. Die zusätzliche Leistungsdrossel L 12 ist aber nicht unbedingt erforderlich und daher samt ihrer Wicklung 21 in F i g. 1 nur gestrichelt angedeutet.

Bei den Kerngestaltungen der Ausführungsbeispiele von F i g. 2 bis 5 kann ein Luftspalt oder können mehrere Luftspalte nach Bedarf vorgesehen sein. Bevorzugt wird die Mantelkernanordnung gemäß Fig.4 oder 5. In Schweißstromquellen für niedrigere Ströme brauchen hierbei Luftspalte nicht vorgesehen zu sein, doch ist bei Geräten für höhere Nennströme vorzugsweise ein Luftspalt sowohl in jedem Außenschenkel 18, 18' als auch im Mittelschenkel 20 vorhanden, so daß ebenfalls eine geringe Phasenschiebertrafo-Wirkung auftritt

Die typische Bemessung von Mantelkernen für eine Schweißstromquelle mit einem Nennstrom von max. 1,5 kA kann 27 mm χ 248 mm am Querschnitt der mit einem Luftspalt von 0,76 mm versehenen Außenschenkel 18, 18' betragen; am Mittelschenkel 20 sind die Querschnittsabmessungen 54 mm χ 248 mm bei einem Luftspalt von 234 mm. Die Phasenschieberwicklungen 16,16' können jeweils sechs Windungen aufweisen.

Die unabhängigen Phasenschieberdrosseln L10, L10' haben im Leerlaufbetrieb keine Wirkung; die zugeordneten Hauptthyristor-Paare sind mit einer Phasenverschiebung von 180° aufgesteuert Sobald ein Ausgangs-

strom /ο fließt, werden die Drosseln L 10, L 10' durch die einfließenden Ströme /ι und h erregt. Die Eigeninduktivität der Drosseln L 10, L 10' ruft eine Phasenverschiebung von etwa 60° zwischen den Strömen Λ und h hervor, wenn die Phasenrückstellung der Hauptthyristoren 0° oder 90° beträgt. Dies ist ein wichtiger Unterschied zu einer Phasenschiebertrafoanordnung, wo die Ströme in jeder Wicklung bei gleichem Phasenrückstellwinkel der Thyristoren im wesentlichen

phasengleich sind. Die erfindungsgemäße Anordnung mit unabhängigen Phasenschieberdrosseln L 10, L 10' verringert daher die Welligkeit im Gesamt-Ausgangsstrom /o erheblich. Außerdem ist es erfindungsgemäß nicht unbedingt notwendig, in Reihe zwischen Mittelabgriff 14 und Minuspol 15 eine zusätzliche Drossel oder sonstige Induktivität zu benutzen, da die Induktivität der Phasenschieberdrosseln L 10, L10' den Lichtboge i-Brennbedingungen genügt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schweißstromquelle für das Gleichstrom-Lichtbogenschweißen, mit einem Drehstromtransformator, der sekundärseitig zwei Wicklungssternschaltungen aufweist, die mit 180° Phasenverschiebung arbeiten und jeweils drei Sekundärwicklungen mit zum Sternpunkt zusammengeführten inneren Anschlüssen und mit äußeren Anschlüssen besitzen, welch letztere an je einen Eingang getrennter Tnyristoren führen, deren Ausgänge mit dem einen Pol der Schweißstromquelle verbunden sind, deren anderer Pol von dem Mittelabgriff zweier zwischen den Sternpunkten in Reihe angeordneter Phasenschieberdrosseln gebildet ist, die jeweils aus einer auf einen Kern aufgebrachten Wicklung bestehen, und wobei zur Einstellung des Schweißstronies eine mit Phasenanschnittsteuerung arbeitende Zündschaltung für die Thyristoren vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Phasenschieberdrosseln (L 10, L 10') so ausgebildet sind, daß sie unabhängig voneinander arbeiten.

2. Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (16, 16') der Phasenschieberdrosseln (L 10, L 10') auf getrennten Kernen (17,17') angeordnet sind.

3. Schweißstromquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kerne Mantelkerne sind und die Wicklung (16, 16') jeweils auf dem Mittelschenkel (20) angeordnet ist.

4. Schweißstromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit einem Elektrodenanschluß (!5) eine dritte Leistungsdrossel (L 12 bzw. 21) liegt, deren Magnetisierung sich zu jener der unabhängigen Phasenschieberdrosseln (L 10, L 10') addiert.

5. Schweißstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen der Phasenschieberdrosseln (L 10, L10') auf den beiden Außenschenkeln (18, 18') eines Mantelkerns mit einem Mittelschenkel (20), dessen Querschnitt etwa gleich der Summe der Querschnitte der beiden Außenschenkel (18,18') ist, angeordnet sind.

6. Schweißstromquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelschenkel (20) einen Luftspalt (19) hat und eine dritte Wicklung (21) trägt, die zwischen dem Mittelabgriff (14) der Phasenschieberdrosseln (L 10, L 10') und dem anderen Pol (15) der Schweißstromquelle liegt.

7. Schweißstromquelle nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschenkel (18,18') jeweils einen Luftspalt haben.

8. Schweißstromquelle nach einem der Ansprüche 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schenkel (18, 18', 20) einen Luftspalt hat, wobei der Spalt (19) im Mittelschenkel (20) größer ist als der Spalt jedes Außenschenkels (18,18').