DE4128175A1 - Lichtbogenschweissgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtbogenschweißgerät bestehend aus einer Inverterstromquelle mit einem netzspannungsgespeisten Gleichrichter, einem Zwischenkreis, einem primärseitig getakteten Stromwandler und einem sekundärseitig des Stromwandlers angeordneten Gleichrichter und einem von der Inverterstromquelle gespeisten Wechselrichter, an dessen Ausgang eine Schweißelektrode induktiv angeschlossen ist.

Ein solches Lichtbogenschweißgerät ist aus dem Stand der Technik der DE PS 38 03 447 bekannt. Bei diesem bekannten Schweißgerät ist an die Inverterstromquelle eine Wechselrichterschaltung angeschlossen, die im wesentlichen aus zwei steuerbaren Halbleiterschaltern besteht. Die Halbleiterschalter werden von einer Steuereinrichtung getaktet derart, daß in die Schweißelektrode ein Strom mit einer Frequenz zwischen 50 und 500 Hz fließt. Darüber hinaus ist bei der bekannten Schaltung ein Umschalter am Ausgang des Wechselrichters vorgesehen, in dessen erster Stellung ein Gleichstrombetrieb ermöglicht wird und in dessen zweiter Stellung ein Wechselstrombetrieb. Obgleich die bekannte Schaltung den Vorteil besitzt, daß auf einfache Weise von Gleich- auf Wechselstrombetrieb und umgekehrt umgeschaltet werden kann, hat sich in der Praxis gezeigt, daß insbesondere bei hohen Ausgangsströmen, die Gestaltung des Umschalters einen beträchtlichen Aufwand erfordert.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Lichtbogenschweißgerät der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß der mechanische Umschalter entfallen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der induktiv an die Inverterstromquelle angekoppelte Wechselrichter als Brückenschaltung ausgeführt ist, wobei in jeder seiner vier Brückendiagonalen jeweils ein Halbleiterschalter mit einer parallel hierzu geschalteten Freilaufdiode vorgesehen ist und daß dem Wechselrichter eine Schutzschaltung zugeordnet ist, mittels der während der Kommutierungsphase die Sperrspannungen an den Halbleiterschaltern auf einen vorgebbaren Spannungswert einstellbar sind.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß einerseits durch die Verwendung eines an sich bekannten Wechselrichters in Brückenschaltung eine hohe Stromstärke für den Schweißprozeß zur Verfügung gestellt werden kann. Gleichzeitig werden durch die Freilaufdioden parallel zu den Halbleiterschaltern der einzelnen Brückendiagonalen Rückstromkreise aufgebaut, durch die zu Beginn der jeweiligen Kommutierungsphasen die in der induktiven Last gespeicherte magnetische Energie abgebaut werden kann. Die dem Wechselrichter zugeordnete Schutzschaltung sorgt dafür, daß die an den einzelnen Halbleiterschaltern anliegende Sperrspannung auf einen vorgebbaren Wert beschränkt ist, so daß eine Zerstörung der Halbleiterschalter aufgrund von Oberspannungen vermieden wird. Andererseits ist durch die Einstellbarkeit des Spannungswertes die Sicherheit gegeben, daß der Schweißprozeß aufrechterhalten bleibt. Beim Wechselstromschweißen muß nämlich nach jedem Nulldurchgang des Stromes von einem entsprechend getriggerten Hochspannungsimpulsgeber ein erneuter Zündimpuls gegeben werden. Damit nach der durch den Zündimpuls bedingten Ionisierung der Lichtbogen auf Dauer erhalten werden kann, muß zu diesem Zeitpunkt eine Ausgangsspannung vom Wechselrichter bereit gestellt werden, die höher ist als die Betriebsbrennspannung, die außerhalb der Kommutierungsphasen am Schweißprozeß anliegt. Durch die erfindungsgemäße Schutzschaltung läßt sich der Spannungswert am Wechselrichterausgang entsprechend so festlegen, daß er zum Zeitpunkt der Ionisierung hoch genug ist, um den Lichtbogen aufrecht zu erhalten, aber gleichzeitig die Sperrspannung der Halbleiterschalter nicht überschreitet.

Eine einfache schaltungstechnische Realisierung ergibt sich, wenn die Schutzschaltung gebildet ist aus einer parallel zu den Einspeisepunkten des Wechselrichters geschalteten Reihenschaltung aus einem Stromventil und einem Kondensator, dem der vorgebbare Spannungswert aufgeprägt ist.

Der vorgebbare Spannungswert für die Begrenzung der Sperrspannung an den Halbleiterschaltern wird nach einer bevorzugten Ausführungsform dadurch gebildet, daß dem Kondensator eine variierbare Gleichspannungsquelle parallel geschaltet ist. Alternativ kann hierzu auch eine den Kondensator ladende Stromquelle verwendet werden.

In einer besonders einfach zu realisierenden Schaltungsvariante wird anstelle der variierbaren Gleichspannungsquelle über eine Hilfsdiode die am Ausgang des sekundärseitigen Gleichrichters der Inverterstromquelle anliegende Spitzenspannung in Höhe von zum Beispiel 80 V dem Kondensator aufgeprägt.

Eine praktikable Realisierung des Wechselrichters besteht darin, daß die Bauelemente in den einzelnen Brückendiagonalen durch Halbleiterschalter mit integrierten parallelen Dioden gebildet sind.

Im Rahmen der Erfindung ist es ebenfalls denkbar, anstelle einer Inverterstromquelle eine Stromquelle herkömmlicher Art zu verwenden, die beispielsweise dadurch gebildet ist, daß die Netzspannung mittels eines Vollwellen-Brückengleichrichters gleichgerichtet wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 4 Pegeldiagramme der Schweißspannung U_S, des Schweißstromes I_S und des Hochspannungsimpulses des Zündgerätes.

Fig. 1 zeigt einen von einem Dreiphasennetz L1, L2, L3 gespeisten Gleichrichter 1, der einen einen Zwischenkreis bildenden Kondensator 2 speist, welcher seinerseits einen ihm nachgeordneten Stromwandler 4 versorgt. Der Stromwandler 4 wird primärseitig über Halbleiterschalter 3a, 3b getaktet, derart, daß primärseitig eine Taktfrequenz im Mittelfrequenzbereich von zum Beispiel 25-60 kHz entsteht.

Sekundärseitig ist der Stromwandler 4 an eine Gleichrichterdiode 5 angeschlossen, wobei der Reihenschaltung aus Sekundärwicklung des Stromwandlers 4 und Gleichrichterdiode 5 eine Freilaufdiode 6 parallel geschaltet ist.

Die bis hierhin beschriebene Schaltung stellt eine sogenannte Inverterstromquelle dar, welche den im folgenden zu beschreibenden Schaltungsteil mit Gleichstrom versorgt.

Zur Glättung des Ausgangsstromes der Inverterstromquelle ist eine Glättungsdrossel 7 vorgesehen, der ein Wechselrichter nachgeordnet ist. Der Wechselrichter wird gebildet durch eine Brückenschaltung aus vier Halbleiterschaltern 12a bis 12d, die beispielsweise als Transistoren ausgebildet sein können. Jedem der Halbleiterschalter 12a bis 12d ist eine Freilaufdiode 13a bis 13d parallel geschaltet. Am Ausgang des Wechselrichters ist der Schweißprozeß angeschlossen, welcher durch die Schweißelektrode 15 und den Masseanschluß 16 zeichnerisch dargestellt ist. Parallel zum Wechselrichterausgang ist ein Hochspannungsimpulsgeber 19 geschaltet, der bei Beginn des Schweißprozesses und nach jedem Nulldurchgang des Schweißstromes einen Hochspannungsimpuls abgibt. Zur Entkopplung der Hochspannungsimpulse vom Wechselrichterausgang ist eine Sperrdrossel 14 in Reihe geschaltet.

Parallel zu den Eingangsklemmen des Wechselrichters ist eine Reihenschaltung aus einem Stromventil 9 und einem Kondensator 10 angeschlossen, wobei parallel zum Kondensator 10 ein Ohmscher Widerstand 11 liegt. Für den gemeinsamen Anschluß von Stromventil 9 und Kondensator 10 ist eine Hilfsdiode 8 angeschlossen, deren anderer Anschluß am Ausgang der Inverterstromquelle liegt.

Die Funktion der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Pegeldiagramme von Fig. 4 näher erläutert:

Zur Versorgung des Schweißprozesses 15, 16 mit einem Wechselstrom I_S der gewünschten Wechselfrequenz, beispielsweise 50 bis 500 Hz, werden die Halbleiterschalter 12a bis 12d entsprechend an ihren Basisanschlüssen so getaktet, daß in einer ersten Schalterstellung die aus den Halbleiterschaltern 12a und 12d gebildete Diagonale des Wechselrichters stromführend und die aus den Halbleiterschaltern 12b und 12c gebildete Diagonale stromlos ist (Fig. 4, oberes Plateau von I_S) In dieser Phase fließt der Strom aus der Inverterstromquelle über die Glättungsdrossel 7, den Halbleiterschalter 12a, die Induktivität 14, den Schweißprozeß 15, 16 und über den Halbleiterschalter 12d.

Während der zweiten Halbwelle des Wechselstromes (unteres Plateau von I_S in Fig. 4) ist die durch die Halbleiterschalter 12b und 12c gebildete Brückendiagonale stromführend und die durch die Halbleiterschalter 12a und 12d gebildete Brückendiagonale stromlos. Daher fließt in der zweiten Halbwelle Strom aus der Inverterstromquelle über die Glättungsdrossel 7, den Halbleiterschalter 12b, den Schweißprozeß 16, 15, die Induktivität 14 und den Halbleiterschalter 12c.

Die Kommutierung, also der Übergang von einer Brückendiagonalen auf die andere, erfolgt nun derart, daß zunächst die zuvor geschlossenen Halbleiterschalter 12a, 12d bzw. 12b, 12c geöffnet werden und nach Ablauf der Kommutierungszeit die Halbleiterschalter der danach stromführenden Brückendiagonale geschlossen werden. Zum Zeitpunkt des Kommutierungsbeginns ist daher in den Induktivitäten 14 und 7 magnetische Energie gespeichert. Diese wird nach der erfindungsgemäßen Schaltung während der Kommutierungsphase wie folgt abgebaut:

Nach dem Öffnen der zuvor geschlossenen Halbleiterschalter 12a, 12d fließt der in der Induktivität 14 zuvor geschlossene Schweißstrom weiter über die Freilaufdiode 13b, das Stromventil 9, den Kondensator 10 und die Freilaufdiode 13c.

Bei zuvor geschlossenen Schaltern 12b, 12c fließt nach dem Öffnen dieser Schalter der Schweißstrom weiter über die Freilaufdiode 13a, das Stromventil 9, den Kondensator 10 und die Freilaufdiode 13d.

Die in der Induktivität 7 gespeicherte magnetische Energie wird dabei über den durch die Elemente 9, 10, 6 gebildeten Stromkreis abgebaut.

In dieser Zeit, während der durch die gespeicherte magnetische Energie bewirkte Ausgleichstrom fließt, liegt am Kondensator 10 ständig eine konstante Gleichspannung an. Diese ist dadurch bedingt, daß über die Hilfsdiode 8 eine Gleichspannung dem Kondensator 10 aufgeprägt wird, die der Leerlaufausgangsspannung des sekundärseitigen Anschlusses des Stromwandlers 4 entspricht. Die Einprägung dieses Gleichspannungswertes hat zur Folge, daß zum Zeitpunkt des in Fig. 4 im unteren Diagramm dargestellten Zündimpulses die Ausgangsspannung U₁₀ ( vgl. oberes Diagramm in Fig. 4) des Wechselrichters auf einen bestimmten Wert, z. B. 80 V, fixiert ist, der oberhalb der außerhalb der Kommutierungszeit vom Wechselrichter ausgegebenen Brennspannung UB (z. B. 20 V) liegt. Dieser erhöhte Spannungswert reicht aus, um den Lichtbogen nach dem Zünden aufrecht zu erhalten. Andererseits sorgt die Einprägung des Gleichspannungswertes dafür, daß an den Halbleiterschaltern 12a bis 12d, die zu den jeweils ausgebildeten Rückstrommaschen gehören, die Sperrspannung auf den am Kondensator 10 anliegenden Spannungswert begrenzt ist. Eine Überschreitung der zulässigen Sperrspannung aufgrund der durch die Lastinduktivität 14 hervorgerufenen Ausgleichsvorgänge wird somit wirksam vermieden.

Der parallel zu den Klemmen des Kondensators 10 angeschlossene Ohmsche Widerstand 11 dient dabei dazu, die aus den Induktivitäten 7 bzw. 14 in den Kondensator 10 entladene Energie in Wärme umzusetzen.

Die erfindungsgemäße Schaltung ermöglicht also den Einsatz von Wechselrichtern bei Lichtbogenschweißgeräten unter Sicherstellung des Lichtbogenbetriebes, ohne daß jedoch unzulässig hohe Sperrspannungen die Halbleiterschalter in den Wechselrichterdiagonalen zerstören könnten.

Die in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Erfindung unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform lediglich dadurch, daß anstelle der Hilfsdiode 8 eine variable Gleichspannungsquelle 17 vorgesehen ist, die über eine Entkopplungsdiode 18 parallel zu den Klemmen des Kondensators 10 bzw. des Ohmschen Widerstandes 11 geschaltet ist. Hierdurch wird ebenfalls dem Kondensator 10 eine Gleichspannung aufgeprägt, wobei auch hier der Wert der aufgeprägten Gleichspannung die an den in der jeweiligen Masche angeordneten Halbleiterschaltern 12a bis 12d anliegende Sperrspannung begrenzen. Durch die Variabilität der Gleichspannungsquelle 17 ergibt sich im Unterschied zum in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Unabhängigkeit der aufgeprägten Kondensatorspannung vom Ausgang des Sekundäranschlusses des Stromwandlers 4. Die übrigen Vorteile bleiben erhalten.

Schließlich unterscheidet sich das in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung von demjenigen der Fig. 2 dadurch, daß anstelle einer Spannungsquelle eine Konstantstromquelle 17 vorgesehen ist, die über eine weitere Entkopplungsdiode 21 die aus den Elementen 10 und 9 gebildete Schutzschaltung versorgt. Die Konstantstromquelle 17 beaufschlagt den Kondensator 10 mit einem Ladestrom derart, daß dieser die dem vorgebbaren Spannungswert entsprechende Ladung erhält. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 erfolgt die Einspeisung des Ladestromes über die weitere Entkopplungsdiode 21 an dem dem Wechselrichter zugewandten Anschlußpunkt der Induktivität 7.

Claims (8)

1. Lichtbogenschweißgerät bestehend aus einer Inverterstromquelle mit einem netzspannungsgespeisten Gleichrichter (1), einem Zwischenkreis (2), einem primärseitig getakteten Stromwandler (4) und einem sekundärseitig des Stromwandlers (4) angeordneten Gleichrichter (5) und einem von der Inverterstromquelle gespeisten Wechselrichter, an dessen Ausgang eine Schweißelektrode (15, 16) induktiv angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der an die Inverterstromquelle induktiv angekoppelte Wechselrichter als Brückenschaltung ausgeführt ist, wobei in jeder seiner vier Brückendiagonalen jeweils ein Halbleiterschalter (12a-12d) mit einer parallel hierzu geschalteten Freilaufdiode (13a-13d) vorgesehen ist und daß dem Wechselrichter eine Schutzschaltung (9, 10, 11) zugeordnet ist, mittels der während der Kommutierungsphase die Sperrspannungen an den Halbleiterschaltern (13a-13d) auf einen vorgebbaren Spannungswert einstellbar sind.

2. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inverterstromquelle primärseitig zwei wechselweise getaktete Stromwandler enthält.

3. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung gebildet ist aus einer parallel zu den Einspeisepunkten des Wechselrichters geschalteten Reihenschaltung aus einem Stromventil (9) und einem Kondensator (10), dem der vorgebbare Spannungswert aufgeprägt ist.

4. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgebbare Spannungswert durch eine insbesondere variierbare Gleichspannungsquelle gebildet ist.

5. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgebbare Spannungswert durch eine Hilfsdiode (8) gebildet ist, welche an dem gemeinsamen Anschlußpunkt von Stromventil (9) und Kondensator (10) angeschlossen ist und mit ihrem zweiten Anschluß an den Ausgang des sekundärseitig des Stromwandlers (4) angeordneten Gleichrichters (5) angeschlossen ist.

6. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgebbare Spannungswert durch eine den Kondensator (10) ladende Gleichstromquelle (20) gebildet ist.

7. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Halbleiterschalter mit seiner zu ihm parallel geschalteten Freilaufdiode integriert ausgeführt ist.

8. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Inverterstromquelle eine herkömmliche Stromquelle mit einem netzspannungsgespeisten Vollwellen-Gleichrichter verwendet wird.