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Die Erfindung bezieht sich auf einen Stromrichter mit einem
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Gleichstromausgang für Lichtbogenschweißen, bestehend aus einem Frequenzumrichter
mit Gleichstromzwischenkreis und mit Thyristoren und einem dem Frequenzumrichter
nachgeordneten Gleichrichter mit Halbleiterdioden, bei dem die Ausgangskennlinie
festlegbar ist und der Arbeitspunkt durch Steuerung des Umrichters einstellbar sind.
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Durch die kpplikationsschrift RCA Power Semiconductor Application
Engineering, Lüttich, mit dem Titel "Electronic Wider", Mai 1975, ist ein Stromrichter
mit einem Gleichstromausgang und den eingangs angegebenen Merkmalen als sogenanntes
Lichtbogen-Schweißgerät bekannt. Dieses enthält einen Stromrichter mit Thyristoren
und mit hierzu gegenparallelen Halbleiterdioden sowie einen LG-Parallelresonanzschwingkreis,
ferner einen Transformator, dr die Induktivität des Schwingkreises bildet. Zusammen
mit einem Gleichrichter, womit die Gleichspannung des Stromrichters erzeugt wird,
wirken diese Bestandteile wie ein Frequenzumrichter, der frei schwingend arbeitet,
wobei die Frequenz im Bereich von 18 KHz bis 30 KHz in Abhängigkeit von der Transformatorbelastung
und der am Gleichstromausgang entnommenen Leistung, die durch Phasenanschnittsteuerung
der Thyristoren regelbar ist, verändert wird. Die Leistung wird nach einer- Ausgangskennlinie
geregelt, die mit einer ständig festgelegten Leerlaufspannung von 60 Volt des Gleichstromausganges
und mit Kurzschlußströnen zwischen 160 Amp und 210 Amp unter Verlfendung von Strombegrenzern
vorgegeben werden kann. Obwohl hierdurch für die Einstellung der Steigung der Ausgangskennlinie
(erhäftnis Leerlaufspannung zu Kurzschlußstrom> ein gewisser Spielraum gegeben
ist, wird die Ausgangskennlinie vorherrschend durch die Auslegung des Transformators
und zwar auch als Mittel frequenzübertrager bestimmt.
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Es besteht die Aufgabe, die der Erfindung- zugrundeliegt, bei einer
Stromrichter der eingangs angegebenen Art für I,ichtbogenschweinen,
qer
einen Frequenzurnrichter mit Thyristoren und einen nachgeordneten Gleichrichter
enthält, die Ausgangskenn linie vlieses Gleichrichters n ait des Stromrichters in
der Steigung und Lage beliebig einstellbar zu machen und jeoil festzulegen.
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Diese Auf gabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentenspruck 1
gekennzei.chneten Merkmale gelöst, darin bestehend, a2 fie Istwerte der Ausgangsspannung
und des Ausgangsetromes des Gleichrichters, also des Lichtbogenstromes, über je
einen ohmschen Spannungsteiler mit veränderbarem Bewertungswi derstand den Is-Eingängen
eines Spannungsreglers und eines dicseia nachgeordneten unterlagerten Stromreglers
zugeführt sind und mit Hilfe dieser Bewertungswiderstände bei Zuführung einer festen
Referenzgleichspannung am Soll-Eingang des Spannungsreglers die Deerlaufspannung
und der Kurzschlußstrom des Gleichrichters festlegbar sind, und daß nach so vorgegebener
Ausgangskennlinie der Arbeitspunkt durch Veränderung der Umrichterfrequenz, die
durch die Ausgangsepannung des Dtromreglers gesteuert wird, geregelt einstellbar
ist.
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Die Anwendung der Lösung nach der Erfindung ermöglicht es, den Verlauf
der Ausgangskennlinie eines Stromrichtere der eingangs angegebenen Art verfahrensoptimal
zu programmieren, beispielaweise kann dadurch der Ablauf automatisierter Prozesse
vorteilhaft gesteuert werden.
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Entsprechend einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist nach Patentanspruch
2 der Istwert der Ausgangsspannung des Gleichrichters über einen zweiten ohmschen
Spannungsteiler mit ebenfalls einem veränderbaren Bewertungswiderstand dem Ist-Eingang
eines zweiten Spannungsreglers zugeführt, dessen Ausgang in Parallelschaltung mit
dem Ausgang des ersten Spannungsreglers über eine Ablösediode auf den Soll-Eingang
des gemeinsam nachgeordneten (unterlagerten) Stromreglers zur Einwirkung gebracht
ist.
Mit Hilfe des Bewertungswiderstandes dieses zweiten Spannungsteilers ist bei Zuführung
eines mittels eines Potentiometers verstellbaren Teiles der festen Referenzgleichspannung
am Soll-Eingang des zweiten Spannungsreglers oberhalb eines erstes der Ausgangs
spannung eine Ausgangskennlinie mit größerer (negativer) Steigung als ohne Mitwirkung
dieses Spannungsreglers vorgebbar. Einer anderen ideiterbildung der Erfindung entsprechend
sind nach Patentanspruch 3 der mittels des Potentiometers verstellbare Teil der
festen Referenzgleichspannung über einen ohmschen widerstand und zusätzlich ein
größerer Teil der resten Referenzgleichspannung, der mittels eines zweiten Potentiometers
einstellbar ist, durch periodische Direktaufschaltung über einen elektronisch hoch-
oder niederohmig aüeuerbaren widerstand dem Soll-Eingang des zweiten Spannungsreglers
zugeführt. ird der ierstan abwechselnd hoch- oder niederohriis gesteuert, dann wirkt
dieser wie ein Schalter, wodurch dem Soll-Eingang des Stromreglers der Sollwert
des Ausgangsstromes ele Flinktion von der Zeit vorgegeben werden kann und der Aus-Tansstrom
entsprechend von einem Grundstromwert auf einen höheren Pulsstrorn und zurück umgeschaltet
wird. Somit ist in einfacher weise ein sogenanntes Pulsarc-Schweißen möglich.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung durch Ausführungsbeispiele
erläutert. Es zeigt Figur 1 ein Blockschaltbild eines Stromrichters für Lichtbogenschweißung
mit einer zugeordneten Reglerschaltung Figur 2 graphische Darstellungen von Ausgangskennlinien
eines Stromrichters nach Figur 1 Ein Stromrichter nach Figur 1 besteht aus einem
Frequenzumrichter 1 mit einem Gleichstronzwischenkreis 12 und einem dem Umrichter
1 nachgeordneten Gleichrichter 2 mit Halbleiterdioden.
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Der Frequenzumrichter 1 ist zusammengesetzt aus einem Gleichrichtersatz
11,
der an einem Drehstromnetz R, S, T angeschlossen ist, welcher Anschluß den Spannungseingang
des Umrichters bildet, ferner aus einem durch den Gleichstromausgang des Gleichrichters
11 gebildeten Gleichstromzwischenkreis 12 und einem echselrichter 13 mit Thyristoren
und einem Nittelfrequen7spannungsausgang für z.B. 15 KHz bis 30 KHz. Der Nittelfrequenzspannungsausgang
ist mit dem .dechselstromeingang des nachgeordneten Gleichrichters 2 verbunden.
Am Gleichstromausgang des Gleichrichters 2 (und des Stromrichters im ganzen) sind
zwei Elektroden zum Lichtbogenschweißen angeschlossen. Beim Elektroden- oder Schutzgasschweißen
bildet der Schweißlichtbogen L eine etwa ohmsche Belastung des Stromrichterausgangs.
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Bei der Festlegung der Ausgangskennlinie zwischen einem Leerlauf spannungswert
und einem Kurzschlußstromwert können diese erste in einem begrenzten Wertebereich
frei gewählt werden und damit die (negative) Steigung der Kennlinie bestimmt werden.
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Zur Regelung des Ausgangs stromes 1L und der Ausgangsspannung UA derart,
daß der Arbeitspunkt auf der vorgegebenen Ausgangskennlinie liegt, wird eine Regelschaltung
3 verwendet, die dem Stromrichter zugeordnet ist. Sie besteht aus einem Spannungsregler
31 und einem Stromregler 32, der dem Spannungsregler in einer Kaskadenschaltung
nachgeordnet ist, so daß die Stromregelung mittels des Stromreglers der Spannungsregelung
mittels des Spannungsreglers unterlagert ist. Als Spannungsregler sowie als Stromregler
sind je ein Operationsverstärker P 31, P 32 verwendet, mit einer Rückführung vom
Ausgang zum invertierenden Eingang über einen ohmschen Widerstand beim Spannungsregler
31 bzw.
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über einen Kondensator beim Stromregler 32. Über der Schweißlichtbogenstrecke
zwischen den erwähnten Elektroden ist ein erster ohmscher Spannungsteiler Sp 1 angeschaltet,
von dessen Teilungspunkt eine dem Istwert der Ausgangsspannung UA proportionale
Gleichspannung dem invertierenden Eingang (-) des als Spannungsregler 31 verwendeten
Operationsverstärkers p 31 (Xst-
Eingang des Spannungsreglers) zugeführt
ist. Eine feste Referenzgleichspannung URef (z.B. 5 Volt) ist dabei dem nichtinvertierenden
Eingang (+) zugeführt. Der Schwei3dichtboenstrecke L ist ein .Stromlaeßwiderstand
RSh vorgeschaltet, von dem eine dem Istwert des Ausgangsstromes IL proportionale
Gleichspannung dep niehtinvertierenden Einfang (+) des als Stromregler 32 verwendeten
Operationsverstärkers p 32 verwendeuten Cperationsverstärkers p 32 (Ist-Eingang
des Stromreglers) zugeführt ist. Dabei ist vom Ausgang des Reglers 31 die Regelabweichung
der Spannungsregelung als Sollwert; der Stromregelung .iber einen Spannungsteiler
Sp dem invertierenden Eingang (-) des al Stromregler verwendeten Operationsverstärkers
p 32 zugeführt. Vom Ausgang desselben ist die Regelabweichung der Stromre-gelang
als steuergröße U dem Steuereingang des :echselrich ter 13 zugeführt. Die ReuelunU
des Ausgangsstromes und der Ausgangsspannung (Arbeitspunktregelung) erfolgt durch
Verstellung der Steuerimpulsfolgefrequenz.
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Die Spannungsteikr Sp1 und Sp haben im wesentlichen je zwei ohmsche
Widerstände, hiervon ist je einer, R3 bzw. 2 veränderbar, die als Bewertungswiderstände
dienen. Mit Hilfe dieser Bewertungswiderstände kann die Ausgangskennlinie des Stromrichters
vorgegeben werden. Durch eine festgelegte Einstellung der Bewertungswiderstände
auf zwei gewählte Widerstandswerte wird mittels eine Leerlaufspannung Uo und mittels
R ein Kurzschlußstrom IK, die entsprechend groß sind, und damit eine gewünschte
Steigung der Ausgangskennlinie festgelegt. Beispielsweise kann die in Figur 2 dargestellte
Ausgangskennlinie A mit Uo = 50 Volt und Ik3 400 Ampere festgelegt vorgegeben werden.
Infolge dieser Festlegung wird die Steuergröße US am Ausgang des Stromreglers ein
Maximum erreichen, wenn der Ausgang des Stromrichters kurzgeschlossen wird, und
wird ein Minimum erreichen, wenn er nicht belastet wird (Leerlauf). Tritt hingegen
im Arbeitsbetrieb, wenn der Stromrichter am Ausgang Leistung abgibt, eine Störung
auf, wodurch der Arbeitspunkt F auf der Kennlinie A (s. Figur 2) verschoben
wird,
dann wird die Steuergröße US durch die Regelschaltung verändert, und es wird die
Frequenz des Wechselrichters entsprechend verstellt.
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Eine Ausgangskennlinie A wird, wie oben erläutert, durch die Widerstandswerte
der Bewertungswiderstände R3- und R festgelegt und damit die Steilheit der Kennlinie
festgelegt. Es läßt sich mit je gleichen, also unveränderten Bewertungswiderständen
Jeweils eine Kennlinie mit gleicher unveränderter Steilheit durch Parallelverschiebung
vorgegeben, wenn nur die Referenzspannung URef verändert wird. Beispielsweise wird
ausgehend von der Kennlinie A in Figur 2, die mit UO 1 60 Volt und IE n 400 Ampere
festgelegt ist, eine hierzu parallele Kennlinie, die mit UO s k 60 Volt und 1K r
k. 400 Amper festgelegt ist,durch eine mit dem Faktor k veränderten Referenzspannung
vorgegeben.
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Die beschriebene Grundschaltung 3 der Regelschaltung ist, wie in der
Figur 1 dargestellt, durch einen zweiten Spannungsregler 3' mit einem Operationsverstärker
p 31' ergänzt. Über dem Ausgang des Stromrichters 1 liegt ein zweiter ohmscher Spannungsteiler
Sp2 in Parallelschaltung mit dem ersten Spagnungsteiler Spl. Der Spannungsteiler
Sp2 hat wie der erste Sp1 zwei Widerstände, von welchen einer (R3,) veränderbar
und Bewertungswiderstand ist. Ein damit einstellbarer Teil des Istwertes der Ausgangaspannung
UA wird am Teilungspunkt von Sp2 abgegriffen und ist dem invertierenden Eingang
(-) des Reglers 31' (Ist-Eingang) zugeführt. Ein mittels eines Potentiometers pt,
veränderbarer Teil der Referenzgleichspannung URef ist dem nichtinvertierenden Eingang
(+) des Spannungsreglers 31' (Soll-Eingang) zugeführt. Der Ausgang von 31' ist über
eine Diode D mit dem Eingangsspannungsteiler Sp des Stromreglers 32 und über einen
Widerstand mit dem Ausgang des ersten Spannungsreglers 31 verbunden.
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Durch die Anschaltung eines zweiten Spannungsteilers Sp2 an einem
ersten Spannungsteiler Spl über dem Ausgang des Stromrichters sowie ferner Parallelschaltung
des Ausganges eines zweiten 3pannungsreglers 31' mit dem Ausgang des ersten Spannungsreglers
31 über eine in der Durchlaßrichtung zum Ausgang von 31' gepolten Diode D wird (vgl.
Figur 2) eine einmal gebrochene Ausgangskennlinie A' vorgegeben, die von einer Leerlaufspannung
von 60 Volt ausgehend, oberhalb eines Spannungswertes UA mit der Kennlinie A übereinstimmt,
aber unterhalb von UA erheblich steiler als die Kennlinie A linear abfällt und einen
entsprechend kleineren Maximalstrom 1' (Grundstrom) bzw. eine größere Leerlaufspannung
U01 hat I' ist mit Hilfe des Potentiometers ptl, U'O hingegen mit Hilfe des Bewertungswiderstandes
R3' einstell- und festlegbar. Es bestehen die Be ziehungen
mit 3<1' i1 « 2 X Teilungsfaktoren der Spannungsteiler Xpl, Sp2 ß = Teilungsfaktor
des Potentiometers ptl Teilungsfaktor des Spannungsteilers Sp Die Kennlinien A und
A' sind mit den Teilungsfaktoren α, α1, d2, ß bei fester Referenzspannung
URef fest vorgegeben und bilden eine gebrochene Gesamtkennlinie mit einem Knickpunkt,
der ebenfalls festliegt. Bei Ausgangsspannungen UA größer als UÄ befindet sich der
Arbeitspunkt P auf der Kennlinie A (siehe Figur 2). Bei UA U*A wird über die Ablösediode
D die Wirkung des Spannungsreglers 31 durch den Spannungsregler 31' abgelöst und
ist bis UA t o wirksam Bei UA kleiner als U * befindet
sich der
Arbeitspunkt auf der Kennlinie A'.
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Wie die Figur 1 des weiteren zeigt, wird am Eingang des Spannungsreglers
3' außer dem mittels ptl verstellbaren Teil der Referenzspannung URefs der über
einen Widerstand dem nicht invertierenden Eingang (+) eines Operationsverstärkers
p31 zugeführt ist, zusätzlich noch ein größerer Teil von URef dem Eingang (+) direkt
zugeführt, welcher mittels eines zweiten Potentiometers pt2 einstellbar ist. Bei
ständiger Zuführung dieses größeren Teiles ist unter der Voraussetzung, daß der
in Figur 1 mit R"3 bezeichnete Vorwiderstand groß im Vergleich zum Widerstand des
Potentiometers pt2 ist, die Festlegung von p mit Hilfe des Potentiometers ptl auf
einen maximalen Grundstrom I' unwirksam gemacht und durch die Festlegung mit Hilfe
des Potentiometers pt2 auf einen höheren Maximalstrom 1" ersetzt. Durch einen elektronisch
hoch- oder niederohmig steuerbaren Widerstand r kann zeitlich abwechselnd eine Festlegung
einmal auf einen höheren maximalen Ausgangsstrom I und einmal auf den maximalen
Grundstrom I' bewirkt werden. Der Grundstrom kann somit durch einen Pulsstrom überlagert
werden, wodurch auf einfache Weise ein sogenanntes Pulsarc-Schweißen ermögli lt
wird. Nach Figur 1 wird hierfür beispielsweise ein Feldeffekttransistor als schaltend
steuerbarer elektronischer Widerstand r angewendet, der über eine Transistorstufe
Tst durch einen einen pulsförmigen Basisstrom 1B vorgebenden Programmgeber gesteuert
ist.