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Die Erfindung betrifft ein Gleichstrom-Schweißstrom-Steuergerät
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zur Lichtbogenschweißung mit einem Dreiphasen-Transformator, welcher
prirnärseitig an ein Drehstromnetz und sekundärseitig an eine Gleichrichterbrücke
angeschlossen ist.
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Es ist bekannt, zur halbautomatischen oder autornatischaiLichtbogenschweißung
unter Schutzgas mit abschmelzender Elektrode nach dem MiG-Metall-Inertgas- oder
nach dem NAG-Netall-&ctivgas-Verfahren eine Gleichstromquelle zur Speisung einer
im Lichtbogen abschmelzenden Elektrode zu verwenden. Die abschmeltende Elektrode
bzw. der Schweißdraht ist auf einer Spule aufgewickelt und wird von einem Vorschubmotor
über eine in der Schweißpistole angeordnete Duse der Schweißstelle kontinuierlich
zugeführt.
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Als Stromquellen werden Gleichstromschweißumforeer mit Konstantspannungs-Charakteristik,
deren Ausgangispannung innerhalb des notwendigen Spannungsbereichos kontinuierlich
einstellbar ist und bei denen die Neigung der Spannungskennlinie durch Auf-oder
Abkompoundierung in Grenzen möglich ist, verwendet. Durch die Verwendung von technischen
Gasgemischenßio z. B. Argon oder Sauerstoff als Schutzgas,ändert sich die Ausgangaspannung
der Schweißstromquelle. Diese Umformer werden jedoch aus technischen und wirtschaftlichen
Gründen heute meist durch statische Schweißstroaquellen ersetzt.
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Diese bestehen aus einem Schweißgleichrichter im Sokundärkreis eines
Schweißtransformators, welcher mit einer stufenweisen Spannungseinstellung ausgeführt
ist. Die statischen Schweißstromquellen weisen jedoch folgende Nachteile auf: So
ist die Abhängigkeit von Netzspannungsschwankungen relativ groß, da das Übersetzungsverhältnis
des Schweißtransformators starr ist.
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Nachteilig ist außerdem, daß die Schweißspannung nicht stufenlos einstellbar
, sondern nur mittels Anzapfungen der jeweiligen dreiphasigen Primärwicklung in
ungefähr 4-5 Grob- und ebenso vielen Feinstufen unterteilbar ist. Weiters ist auch
nur eine fixe Neigung der Spannungskennlinie, welche von der Trafoauslegung abhängt,
möglich.
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Diese Spannungskennlinie kann jedoch nur fallende Charakteristik aufweisen.
Außerdem ist auch ein Prirnärschütz zur Zu- bzw. Abschaltung des Schweißstromes
erforderlich.
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Diese Nachteile können zum Teil vermieden werden, wenn eine Phasenanschnittsteuerung
auf der Sekundärseite erfolgt. Es sind dazu jedoch relativ große und damit auch
teure gesteuerte Halbleiterbauelemente erforderlich. Beim Einsatz dieser gesteuerten
Halbleiterbauelemente auf der Sekundärseite ergibt sich im unteren Spannungsbereich
ein lückender Strom, der den Einsatz einer relativ großen Drossel mit Eisenkern
im Gleichstromkreis erforderlich macht Bei jeder vorerwähnten SchweiDstromquelle
ist im Schweißkreis eine Induktivität notwendig, die bei kleinen Stromstärken, wobei
ein Kurzschlußlichtbogen mit einem eindeutigen Tropfenübergang auftritt, voll eingeschaltet
ist und so die Stromanstiegsgeschwindigkeit herabsetzt bzw. bei größeren Stromfitärken
wobei ein Misch- bzw. Sprhhlichtbogen auftritt, teilweise oder ganz ausgeschaltet
ist. Diese Induktivität kann entweder über Stufen, mittels Anzapfungen oder stufenlos,
durch Vormagnetisierung verstellt werden. Bei Schweiß stromquellen, bei denen auf
der Sekundärseite gesteuerte Halbleiter zur stufenlosen Spannungseinstellung verwendet
werden, ist, wie oben erwähnt, eine Eisendrossel zur Vermeidung des lückenden Stromes
im unteren Spannungsbereich notwendig. Diese aber läßt sich wegen ihrer durch den
sonst lückenden Strom erforderlichen Nindestinduktivität gerade dort nicht verändern,
wo der Kurzschlußlichtbogen eine Induktivität sanpassung zur Einstellung der Stromanstiegsgeschwindigkeit
erfordert.
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Der Drahtvorschub bei halbautomatischen und automatischen Schweißanlagen,
welcher gleichfalls zur Erzielung schweißtechnisch brauchbarer Werte in Abhängigkeit
der verwendeten Drahtdurchmesser der Schweißspannung angepaßt werden muß, um den
erforderlichen Schweißstrom zu erhalten, wird über ein Stellglied stufenlos von
ca. O - 20/25m/min eingestellt.
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Für den Drahtvorschub wird meist ein Gleichstrommotor mit über einen
Stelltransformator oder eine Phasenanschnittsteuerung veränderbarer
Ankerspannung
und nachgeschaltetem Getriebe verwendet.
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Bei den Schweißstromquellen, welche ungesteuerte Halbleiterbauelemente
im Schweißstromkreis aufweisen, sind zur richtigen Spannung Strom- und Drahtvorschubsgeschwindigkeitseinstellung
folgende Handgriffe der Reihe nach notwendig. Zuerst wird die Schweiß spannung aber
Grob stufen und dann über Feinstufen am Schweißtransformator eingestellt. Danach
wird der Drahtvorschub entsprechend dem verwendeten Drahtdurchmesser und de verwendeten
Schutzgas bzw. Gasgemisch eingestellt. Letztlich ist noch die Wahl der richtigen
Drosseleinstellung bzw. Anzapfung notwendig. Diese Einstellungen sollen jedoch genau
nach den entsprechenden Anleitungen der Schweißgleichrichtertypen vorgenommen werden.
Da es relativ oft zu unrichtigen Einstellungen durch das Bedienungspersonal kommt,
wurden sogenannteEinknopfgerätegebaut. Bei diesen erfolgt eine zwangsläufige Zuordnung
des Drahtvorschubes zur Schweiß spannung, wobei jedoch Drahtmaterial, Drahtdurchmesser
und Schutzgasart vorgewählt werden. Alle diese Erleichterungen erfordern jedoch
nach wie vor, daß der Schweißgleichrichtertrafo mit genau so vielen Anzapfungen
versehen werden muß und der Schalter für Einknopfbedienung ebenso viele Stufen benötigt.
Die Drossel ist jedoch auch hier unbedingt notwendig.
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In der DE-OS Nr. 2 130 335 ist ein Schweißstrom-Steuergerät für Wechselstrom-Lichtbogenschweißen
mit einem Schweißtransformator, dessen Primärwicklung über eine Steuereinrichtung
an ein Wechselstromnetz anschließbar ist und dessen Sekundärwicklung einen durch
die Steuereinrichtung einstellbaren Schweißstrom liefert, dargestellt. Die Steuereinrichtung
befindet sich also im Primärkreis des Schweißtransformator6 und besteht aus einem
Triac mit zugehöriger Ansteuereinrichtung und einem parallel zum Triac geschalteten
Grundlastwiderstand.
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Dieser Widerstand dient dazu, daß bei nicht angesteuertem Triac
der
niedrigste gewünschte Schweibstrom im Sekundärkeis des Schweißtransformators fließt.
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Weiters ist in der AT-PS Nr. 340 005 ein Schweißstrom-Steuergerät
zur Wechselstromschweißung mit einem Schweißtransformator, welcher aus einem Transformatorkern
mit mindestens drei Wicklungen besteht, von denen zwei Wicklungen als Primärwicklungen
oder Sekundärwicklungen ausgebildet sind, an die mindestens ein phasenanschnittgesteuerter
Halbleiter-Wechselstromsteller mit einem Triac oder zwei antiparallel geschalteten
Thyristoren angeschlossen ist, beschrieben. Der Halbleiter-Wechselstromsteller ist
also im Primär- und/oder Sekundärkreis des Schweißtransformators angeordnet und
zwar so daß er in Serie zwischen den beiden Primär- und/oder Sekundärwicklungen
angeschlossen ist. Bei diesem Schweißstrom-Steuergerät ist daher eine primäre und/oder
sekundäre Phasenanschnittsteuerung möglich.
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Nachteilig bei beiden letztgenannten Schweißstrom-Steuergeräten ist,
daß die Strom/Spannungskennlinie durch die Kenndaten des Schweißtransformators vorgegeben
ist. Weiters kann die Kennlinie nur fallende Charakteristik aufweisen.
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Außerdem ist nachteilig, daß auch keine Leerlaufspannungseinstellung
möglich ist. Ein weiterer Nachteil der beiden letztgenannten Schweißstrom-Steuergeräte
ist, daß sie nicht als Konstantspannungsstromquellen verwendet werden können.
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Außerdem ist bei beiden Schweißstrom-Steuergeräten nur der Schweißstrom
steuerbar.
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Alle oben genannten Nachteile werden durch die Erfindung vermieden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Schweißstrom-St#uergerät insbesondere
ein Gleichstrom-Schweißstrom-Steuergerät zu schaffen, welches steuerbare Halbleiterbauelemente
aufweist, mit denen der Strom und die Spannung kontinuierlich eingestellt werden
können.
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Die Aufgabe der Erfindung wird daher dadurch gelöst, daß die Primärwicklung
in Dreieck angeordnet ist, wobei jeder Teilwicklung in zwei Stromrichtungen steuerbare
Halbleiterbauelemente in Serie angeschlossen sind und daß die Sekundärwicklung aus
mindestens zwei Drehstromwicklungen besteht, welche 0 eine Phasenverschiebung von
30 elektrisch aufweisen und an je eine sechspulsige Gleichrichterbrücke angeschlossen
sind, wobei beide Gleichrichterbrücken parallel geschaltet sind.
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Durch diese Erfindung ist es also erstmals möglich, die Schweißspannung
stufen- und trägheitslos im gesamten Arbeitsbereich zu verstellen. Dadurch werden
bei einem Dreiphasentransformator die Grob- und Feinstufen und weiters auch die
hierfür erforderlichen Schalter eingespart. Ferner wird natürlich auch die Verläßlichkeit
des Schweißgerätes wesentlich erhöht, da bei den steuerbaren Halbleiterbauelementen,
insbesondere Triacs oder antiparallel geschalteten Thyristoren keinerlei Wartung
notwendig ist. Bei dem Stufenschalter für die Anzapfungen des Schweißtransformators
sind jedoch Fehlerquellen durch Schalterverschleiß und Verschmutzung kaum zu vermeiden.
Weiters wird auch die Drossel bzw. Induktivität und deren Verstellbarkeit im Gleichstromkreis
bei dem erfindungsgemäßen Gleichstrom# Schweißstrom-Steuergerät eingespart.
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Die Einstellung der Schweißspannung erfolgt also durch Phasenanschnittsteuerung
im Primärkreis des Schweißtransformators, wobei dem größten Zündwinkel die kleinste
Schweißspannung entspricht. Es tritt dabei die kleinste Leitdauer der steuerbaren
Halbleiterbauelemente und somit der größte Oberschwingungsanteil auf. Die hierdurch
auftretenden Streuspannungsabfälle sind bei gegeben angenommener Streuinduktivität
des Schweißtransformators bei größtem Zündwinkel am größten und bewirken dadurch
eine stark abfallende dynamische Strom-Spannungs-Kennlinie. Diese begrenzt ihrerseits
den Kurzschlußstrom beim Tropfenübergang zwischen abschmelzender Elektrode und Werkstück.
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Dadurch ergibt sich der gleiche Effekt, wie er bisher durch eine im
Gleichstromkreis liegende Drossel verursacht wird.
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Da mit steigender Schweiß spannung und damit einer höheren Stromstärke
die Leitdauer der steuerbaren Halbleiterbauelemente größer wird und damit der Oberschwingungsanteil
und weiters auch der gesamte Streuspannungsabfall abnimmt, tritt hier automatisch
eine stufenlose Zunahme des Kurzschlußstromes ein. Dies konnte bisher nur durch
Verringern der Drosselinduktivität erreicht werden. Dadurch wird die Bedienung des
Schweißgerätes wesentlich vereinfacht, da bei der Einstellung auf andere Schweißparameter
keine zusätzliche Drosselverstellung, wie sie bisher erforderlich ist, vorgenommen
werden muß. Dadurch ist natürlich auch die Zahl der vorzunehmenden Einstellungen
am Schweißgerät um die Hälfte reduziert.
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Von Vorteil ist ferner, daß der Schweißstrom und die Schweißspannung
als Istwert einem Regler zuführbar sind, dessen Ausgangssignal als Stellgröße auf
einen Gittersteuersatz wirkt, welcher zur Ansteuerung der steuerbaren Halbleiterbauelemente
dient. Dadurch können erstmals auch kurz andauernde Netzspannungsschwankungen durch
Soll- und Istwertvergleich der Schweißspannung ausgeregelt werden. Es können somit
Schwankungen mit einer Dauer von größer zwei Netzperioden ausgeglichen werden, so
daß energiemäßig noch keine schweißtechnisch ungünstige Beeinflussung erfolgt.
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Der für die Ausregelung der Netzspannungsschwankungen erforderliche
Regelkreis ist außerdem mit dem Schweiß strom als zusätzliche Führungsgröße beaufschlagt,
so daß die Spannung im Schweißkreis je nach Wahl mit steigendem Schweißstrom steigt,gleichbleibt
oder aber fällt.
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Wird eine steigende Kennlinie gewählt, die einer Lichtbogenkennlinie
entspricht, kann z. B. bei Verwendung von Drahtvorschubgeräten ein größerer Vorschub,
welcher identisch mit einer
Stromzunahme im Schweiß stromkreis ist,
eingestellt werden Die Spannung im Schweiß stromkreis paßt sich daher automatisch
dem geänderten Vorschub- bzw. Stromparameter an. Dadurch ist für einen gegebenen
Drahtdurchmesser nur mehr eine einzige Bedienungseinstellung zur Änderung der Schweißparameter
notwendig.
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Obwohl den Strom-Spannungs-Kennlinien mit horizontaler Charakteristik
nur fallweise Bedeutung zukommt, lassen sich diese jedoch ohne daß der Schweißstrom
als Führungsgröße eingegeben werden muß, mit dem Regelkreis einfach realisieren.
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Weiters können mit dem Regler auch fallende bzw. senkrechte Strom-Spannungs-Kennlinien
eingestellt werden, wodurch mit dem Schweißstrom-Steuergerät auch Handschweißungen
und halbautomatische Schutzgasschweißungen nach dem MIG- oder MAG-Verfahren durchgeführt
werden können. Das Schweißstrom-Steuergerät ist daher eine wirtschaftliche Lösung
zur Elektroschweißung nach den verschiedensten Schweißverfahren bzw.
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für die verschiedensten Anwendungsfälle.
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Außerdem kann das Schweiß strom-Steuergerät auch als Leitgerät für
ein Drahtvorschubgerät verwendet werden, wobei hier die Drahtvorschubgeschwindigkeit
in bekannter Weise jedoch stufenlos von der Schweiß spannung so gesteuert werden
kann, daß sich bei der Verstellung der Schweiß spannung schweißtechnisch einwandfreie
Parameter ergeben. Hierbei tritt ein pulsierender Drahtvorschub auf Manchmal ist
es auch erforderlich den Regler mit einem Sollwert, welcher einen pulsierenden Charakter
aufweist, zu beaufschlagen. Die Pulsfrequenz ist im Bereich von Null bis ungefAhr
Netzfrequenz frei einstellbar und weiters ist auch das Tastverhältnis bei beliebiger
Grund- und Pulsamplitude im Rahmen des einstellbaren Gesamtbereiches wählbar.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist eine der beiden
sekundären Drehstromwicklungen zu einer Dreieckschaltung und die andere zu einer
Sternschaltung verbunden. Dadurch tritt eine Phasenverschiebung zwischen den beiden
Wechselspannungen der Drehstromwicklungen von 300 elektrisch auf, wodurch der Oberwellengehalt
der Ausgangsspannung eines 12-Pulsgleichrichters, über welchen die Wechselspannungen
gleichgerichtet werden, klein gehalten wird.
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An Hand der Zeichnung, welche die Schaltung des erfindungsgemäßen
Gleichstrom-Schweiß strom-Steuergerätes darstellt, soll nun die Erfindung näher
erläutert werden.
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An Klemmen 1, 2, 3 ist die dreiphasige Wechselspannung angeschlossen.
Danach folgt ein dreipoliger Schalter 4, welcher zur "Ein't- und Aus-Schaltung des
Gleichstrom-Schweißstrom-Steuergerätes dient. An weiteren Klemmen 5, 6, 7 wird die
Versorgungsspannung eines Gittersteuersatzes 8 abgenommen. Der dreipolige Schalter
4, ist weiters an drei Primärwicklungen 9, 10, 11 bzw.
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an eine in Dreieck geschaltete primäre Drehstromwicklung des Schweißtransformators
12 angeschlossen. Jeder dieser drei Primärwicklungen 9, 10, 11 ist ein Triac 13,
14, 15 in Serie angeschlossen, welcher über den Gittersteuersatz 8 die Steuerimpulse
erhält. Die Sekundärwicklung besteht aus zwei dreiphasigen Drehstromwicklungen,
welche aus sechs Wicklungen 16, 17, 18,19,20,21 zusammengeschaltet sind. Weiters
ist eine der Drehstromwicklungen 16,17, 18 in Dreieck und die andere 19, 20, 21
in Stern geschaltet. Die Ausgänge der beiden sekundären Drehstromwicklungen sind
an einem bekannten 12-Pulsgleichrichter 22 angeschlossen. Dieser Gleichrichter 22
besteht aus zwei parallelgeschalteten sechspulsigen Gleichrichtern, wodurch der
Regelbereich des Schweißgerätes wesentlich vergrößert wird. An die beiden Gleichspannungsanschlüsse
des Gleichrichters 22 sind Schweißleitungen 23, 24 angeschlossen. An eine der beiden
Schweißleitungen 23 bzw. 24 ist die Schweißelektrode angeschlossen.
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Die andere Leitung hingegen ist an das Werkstück geklemmt.
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In die Schweißleitung 23 ist ein Widerstand 25 bzw. Shunt zur Erfassung
einer schweiß strom-proportionalen Spannung eingeschleift. Die Schweißspannung sowie
die dem Schweißstrom proportionale Spannung werden einem Regler 27 zugeführt. Diese
beiden Istwert-Spannungen werden gegen Masse 26, die Nullpotential aufweist, gemessen.
Zwei Potentiometer 28, 29, welche am Regler 27 angeschlossen sind, dienen zur Sollwertvorgabe
von Schweißstrom und Schweißspannung.
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Letztlich ist ein Ausgang 30 des Reglers 27, an welchem die Stellgröße
ansteht, mit dem Gittersteuersatz 8 verbunden. Die Größe der Stellgröße ist also
ein Maß für den Phasenanschnittswinkel der Triacs 13, 14, 15.