DE4418864A1 - Lichtbogenschweißgerät - Google Patents
LichtbogenschweißgerätInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Lichtbogenschweißgerät nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Gleichstromquelle ist vorzugsweise eine primär- oder
sekundärgetaktete Inverterstromquelle, mit welcher z. B.
eine dreiphasige 380 V-Netzspannung in eine Gleichspannung
von z. B. 60 V umgewandelt werden kann.
Die vollgesteuerten Wechselrichter bestehen im wesentlichen
aus vier elektronischen Leistungsschaltern (z. B. Schalttran
sistoren, Thyristoren bzw. IGBT′s). Die elektronischen Lei
stungsschalter werden von einer Steuereinrichtung derart
angesteuert, daß durch die am Wechselrichter angeschlossene
Schweißelektrode ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 10
bis 600 Hz fließen kann. Der vollgesteuerte Wechselrichter
kann auch so angesteuert werden, daß durch die Ansteuerung
nur eines diagonal angeordneten Wechselrichterzweiges an
stelle des Wechselstromes ein pulsierender Gleichstrom mit
vorgebbarer Polarität durch die Schweißelektrode fließt.
Weil im Schweißstromkreis in der Regel zusätzliche Indukti
vitäten vorhanden sind (z. B. Schweißdrosseln, Hochfrequenz-
Sperrdrosseln für das berührungslose Zünden bzw. Wiederzün
den eines WIG- bzw. TIG-Lichtbogens) bzw. Leitungsinduktivi
täten vorhanden sind, müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen
werden, um die elektronischen Leistungsschalter zu schützen,
die Einhaltung der Spannungsgrenzwerte für das Arbeiten mit
dem Lichtbogenschweißgerät unter erhöhter elektrischer
Gefährdung entsprechend den Bestimmungen zu gewährleisten,
die Triggerimpulse für die Ansteuerung eines Hochspannungs
zündgerätes für das berührungslose Zünden bzw. Wiederzünden
eines WIG- bzw. TIG-Lichtbogens definiert abzuleiten sowie
eine möglichst hohe Ausgangsspannung innerhalb der zuläs
sigen Grenzen für das gute Wiederzünden des WIG- bzw. TIG-
Lichtbogens während des Schweißens bereitzustellen.
Während der Umschaltphasen der wechselgerichteten Spannung
entstehen Spannungsspitzen, die über den Zwischenkreisspan
nungen liegen, und zwar durch die von den im Schweißstrom
kreis enthaltenen Induktivitäten freigesetzten magnetischen
Energien. Die Umschaltphasen entstehen beim Wechselstrom
schweißen durch den regelmäßigen Polaritätswechsel des
Schweißstromes, der durch die Schweißelektrode fließt.
Die Umschaltphase soll nach Möglichkeit zeitlich sehr kurz
gehalten werden, wird aber durch das Schaltverhalten der
elektronischen Leistungsschalter und der parasitären Indukti
vitäten im Wechselrichter bestimmt. Aus Sicherheitsgründen
wird daher zwischen den positiven und negativen Impulsen der
wechselgerichteten Spannung eine Totzeit der Leitungsphasen
der diagonal angesteuerten elektronischen Leistungsschalter
des Wechselrichters vorgesehen. Durch diese Schaltungsmaß
nahme kann der Schweißelektrode ein hoher Strom für den
Schweißprozeß zur Verfügung gestellt werden.
Ein Problem bei derartigen Lichtbogenschweißgeräten besteht
darin, daß die während der Totzeiten entstehenden induktiv
bedingten Spannungsspitzen sehr hohe Werte erreichen können
und im übrigen erheblichen Schwankungen ausgesetzt sind.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Lichtbogenschweiß
gerät der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei
welchem die in den Totzeiten der vom Wechselrichter
erzeugten wechselgerichteten Spannung auftretenden induktiv
bedingten Spannungsspitzen beherrscht und insbesondere in
bezug auf ihre Amplitude weitgehend voreinstellbar gemacht
werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeich
nenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.
Der Erfindungsgedanke ist also darin zu sehen, daß man die
zur Wiederzündung des Lichtbogens wichtigen Spannungsspitzen
durch ein Hochspannungszündgerät erzeugt und die induktiv
bedingten Spannungsspitzen auf einen festen Amplitudenwert
begrenzt, wodurch im Schweißstromkreis auch während der
Totzeiten definierte Spannungs- und Stromverhältnisse vor
liegen. Erfindungsgemäß wird dabei die in den durch die
Spannungsbegrenzungsschaltung weggeschnittenen Spannungs
spitzen enthaltene Energie insbesondere in dem Strombegren
zungswiderstand in Wärme umgewandelt, bei einigen Ausfüh
rungsformen aber teilweise auch zurückgewonnen.
Eine erste besonders einfach zu realisierende Ausführungs
form der Erfindung ist durch Anspruch 2 gekennzeichnet.
Eine weitere schaltungsmäßig vorteilhafte Ausführungsform
ist im Anspruch 3 angegeben. Praktische Realisierungen
dieses Ausführungsbeispiels entnimmt man Anspruch 4.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist gemäß Anspruch
5 ausgebildet.
In Anspruch 6 sind einige praktische Realisierungen der
Ausführungsformen nach Anspruch 2 oder 5 angegeben.
Besonders vorteilhaft ist die Ausführungsform nach Anspruch
7, weil hierbei ein erheblicher Teil der in den Totzeiten
erzeugten magnetischen Energie zur Aufladung eines Konden
sators verwendet wird. Nur die nach voller Aufladung des
Kondensators noch vorhandenen Energiespitzen werden noch
während der Totzeiten in Widerständen in Wärme umgewandelt.
Die im Kondensator gespeicherte Energie kann dann während
des nächsten positiven oder negativen Impulses entweder über
parallel bzw. in Reihe geschaltete Widerstände in Wärme
umgewandelt oder bevorzugt nach Anspruch 8 in den Schweiß
stromkreis eingespeist werden.
Eine vorteilhafte praktische Realisierung der Ausführungs
form nach Anspruch 8 ist durch Anspruch 9 gekennzeichnet.
Die Maßnahmen des Anspruches 10 ermöglichen die Energieum
wandlung in Wärme über einen längeren Zeitraum.
Bevorzugte Parameter für die Grenzspannungen entnimmt man
den Ansprüchen 11 und 12.
Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in Anspruch 12 definiert. Eine Weiterbildung dieses
Ausführungsbeispiels ist in Anspruch 14 angegeben.
Anspruch 15 definiert eine besonders vorteilhafte
Kombination.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der
Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Grundausführung eines
erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißgerätes,
Fig. 2 drei praktische Ausführungsbeispiele a), b) bzw. c)
für die Spannungsbegrenzungsschaltung nach Fig. 1,
Fig. 3 drei weitere Ausführungsbeispiele a), b) und c) der
Spannungsbegrenzungsschaltung nach Fig. 1,
Fig. 4 zwei weitere Ausführungsbeispiele a) und b) der
Spannungsbegrenzungsschaltung nach Fig. 1,
Fig. 5 eine spezielle Weiterbildung des Lichtbogenschweißge
rätes nach Fig. 1, wobei die Gleichstromquelle,
Steuerstufe und der Schweißstromkreis der
Übersichtlichkeit halber weggelassen sind,
Fig. 6 eine Weiterbildung der Ausführungsform nach Fig. 2,
Fig. 7a eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Lichtbogenschweißgerätes, wobei die Gleichstrom
quelle, die Steuerstufe und der Schweißstromkreis
der Einfachheit halber nicht dargestellt sind,
Fig. 7b eine Weiterbildung der Ausführungsform nach Fig. 7a,
Fig. 8a ein Strom-Zeitdiagramm der am Ausgang der Gleich
stromquelle anstehenden Gleichspannung,
Fig. 8b in ausgezogenen Linien ein Spannungs-Zeitdiagramm
der von den Schalttransistoren erzeugten Rechteck
spannung am Ausgang des Wechselrichters 12 nach Fig.
1 und in gestrichelten Linien ein Strom-Zeitdiagramm
des Stromverlaufs I₂ am Ausgang des Wechselrichters
12 des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißgerätes
und
Fig. 8c ein Spannungs-Zeitdiagramm der Spannung U₂ am Aus
gang des Wechselrichters des erfindungsgemäßen Licht
bogenschweißgerätes.
Nach Fig. 1 ist mittels eines Netzsteckers 66 eine als
primär- oder sekundärgetakteter Inverter ausgebildete
Gleichstromquelle 11 an das Netz angeschlossen. Sie liefert
auf ihre beiden Ausgangsleitungen 50, 51 eine Gleichspannung
U₁ von z. B. 60 V. Der positive Pol liegt an der Ausgangslei
tung 50, der negative an der Ausgangsleitung 51.
An die Leitungen 50, 51 ist ein Wechselrichter 12 angeschlos
sen, der aus vier in Brückenschaltung angeordneten Leistungs
schalttransistoren T₁, T₂, T₃ und T₄ besteht. Es kann sich
hier um vier bipolare Schalttransistoren (NPN) handeln. Zum
genauen Aufbau des Wechselrichters 12 wird auf das Buch von
Joel Redoutey "Grundlagen für die Entwicklung eines
Schaltnetzteiles für den Betrieb am 380 V-Netz" verwiesen.
Eine von der Gleichstromquelle 11 gespeiste Steuerstufe 12
steuert die Basen der vier Transistoren T₁ bis T₄
abwechselnd paarweise derart an, daß an den Ausgangslei
tungen 67, 68 eine in Fig. 8b in ausgezogenen Linien
wiedergegebene Rechteckspannung UA entstehen würde, wenn
keine induktiven Rückwirkungen aus den weiter unten beschrie
benen induktiven Bauelementen 17, 18, 19 auftreten würden.
Zwischen jedem positiven Impuls (+) und jedem negativen
Impuls (-) sieht die Steuerstufe 13 eine Totzeit tt vor,
deren Größenordnung im Bereich von 250 bis 350 µs liegt. Sinn
dieser Totzeit ist es, daß die Leitphasen benachbarter
Leistungsschalttransistoren deutlich entkoppelt sind. Die
Totzeiten tt haben die Folge, daß aufgrund der induktiven
Bauelemente 17, 18, 19 des Schweißstromkreises der Strom I₂
am Ausgang des Wechselrichters 12 prinzipiell den in Fig.
8b gestrichelt wiedergegebenen Verlauf annimmt.
Die Ausgangsleitungen 67, 68 des Wechselrichters 12 speisen
einen Schweißstromkreis 16 mit dem Impulsstrom. Die Ausgangs
leitung 67 ist mit der Serienschaltung einer Schweißdrossel
17 und einer Hochfrequenz-Sperrdrossel 18 verbunden, die
über eine bei 19 zusammengefaßt veranschaulichte Leitungs
induktivitäten und bei 22 zusammengefaßt veranschaulichte
Leitungswiderstände aufweisende Anschlußleitung 25 mit dem
die Schweißelektrode 14 tragenden Schweißelektrodenhalter 23
elektrisch leitend verbunden ist. Die Schweißelektrode 14
ist gegenüber einem zu schweißenden Werkstück 15
dargestellt. Der Schweißlichtbogen ist bei 70 angedeutet.
Das Werkstück 15 ist über eine Anschlußleitung 24 mit der
Ausgangsleitung 68 des Wechselrichters 12 verbunden.
Zwischen der elektrischen Verbindung von Schweißdrossel 17
und Hochfrequenz-Sperrdrossel 18 einerseits und der Anschluß
leitung 24 andererseits ist ein Hochfrequenzschutz 20 ange
ordnet, welcher z. B. durch ein RC-Glied realisiert sein
kann. Parallel dazu ist ein Grundlastwiderstand 21 angeord
net, der z. B. einen Wert von ca. 50 oder 100 Ohm haben
kann.
An die Ausgangsleitungen 67, 68 des Wechselrichters 12 ist
über Triggerleitungen 28, 29 weiter ein Hochspannungs-Zünd
gerät 26 mit einem Spannungseingang 27 und mit einem
Spannungsausgang 78, der über Hochspannungszündleitungen 76,
77 an die Ausgangsklemmen 80, 81 des Lichtbogenschweißgerä
tes 82 angelegt ist, angeschlossen. Das Hochspannungs-Zünd
gerät 26 wird durch die Flanken der Impulsspannung U₂ am
Ausgang des Wechselrichters 12 getriggert und beim Auftreten
jeder Spannungsflanke zur Abgabe eines Zündspannungsimpulses
auf die Hochspannungszündleitungen 76, 77 veranlaßt.
Die Einspeisung der Hochspannungszündimpulse über die Hoch
spannungszündleitungen 76, 77 kann aber auch parallel zur
Hochfrequenz-Sperrdrossel 18 erfolgen. Da die Hochfrequenz-
Sperrdrossel 18 die Hochspannungszündimpulse elektrisch
nicht kurzschließt, also für die Hochspannungszündimpulse
hochohmig ist, werden die Hochspannungszündimpulse über den
Grundlastwiderstand 21 und die Anschlußleitung 24 einerseits
und über die Leitungsinduktivität 19, die Leitungswider
stände 22 und die Anschlußleitung 25 andererseits dem
Schweißlichtbogen 69 zur Verfügung gestellt.
Eine weitere Einspeisungsmöglichkeit für die Hochspannungs
zündimpulse über die Hochspannungszündleitungen 76, 77
besteht darin, daß sie transformatorisch über die Hochspan
nungs-Sperrdrossel 18, welche in diesem Fall aus einer
Primär- und Sekundärspule besteht, eingespeist werden. Auf
diese Weise wird die Hochspannungs-Sperrdrossel 18 zum
elektrischen Übertrager. Das Verhältnis des Übertragers
(Hochspannungs-Sperrdrossel 18) ist in der Regel 1 : 12, d. h.
über eine Windung (Primärspule) wird der Zündimpulsstrom
eingeprägt eingespeist und durch die Sekundärspule wird ein
Hochspannungszündimpuls erzeugt. Der Hochspannungszündimpuls
wird dann über den Grundlastwiderstand 21 und die Anschluß
leitung 24 einerseits und über die Leitungsinduktivität 19,
die Leitungswiderstände 22 und die Anschlußleitung 25
andererseits an den Schweißlichtbogen 69 angelegt.
Aufgrund der Hochspannungs-Sperrdrossel 18 liegen die
Hochspannungszündimpulse des Hochspannungszündgerätes 26 nur
am Lichtbogen 69 an und wirken nicht auf die Ausgangslei
tungen 67, 68 des Wechselrichters 12 zurück.
Das Hochspannungszündgerät 26 wird also durch die Flanken
der Ausgangsspannung des Wechselrichters 11 getriggert.
Dadurch wird das Hochspannungszündgerät 26 veranlaßt, die
zulässigen Spannungsimpulse abzugeben, die bei einer
Nenn-Spitzenspannung von maximal 1000 V maximal 10 µs, bei
einer Nenn-Spitzenspannung von maximal 5000 V maximal 5 µs
und bei einer Nenn-Spitzenspannung von maximal 10 000 V
maximal 2,5 µs lang sein dürfen.
Weiter ist an die Ausgangsleitungen 67, 68 eine erfindungs
gemäße Spannungsbegrenzungsschaltung 30 mit einem zweipo
ligen Eingang 31 angeschlossen.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welches in
Fig. 1 nur angedeutet ist und weiter unten anhand von Fig. 5
im einzelnen beschrieben wird, ist die Spannungsbegrenzungs
schaltung 30 über Leitungen 56, 57 mit der positiven bzw.
negativen Ausgangsleitung 50 bzw. 51 der Gleichstromquelle
11 verbunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zwischen
den Ausgangsleitungen 50, 51 der Gleichstromquelle 11 die
Serienschaltung einer in Durchlaßrichtung gepolten, einen
parallelgeschalteten Widerstand 54 aufweisenden Diode 53 und
eines Kondensators 55 angeordnet.
In den folgenden Figuren bezeichnen gleiche Bezugszahlen
entsprechende Bauelemente wie in Fig. 1.
Nach Fig. 2 ist im Innern der Spannungsbegrenzungsschaltung
30 an den Eingang 31 eine Gleichrichterbrücke 32 angeschlos
sen, deren Ausgang nach dem Ausführungsbeispiel a) mit der
Serienschaltung eines Strombegrenzungswiderstandes 33 und
einer monopolaren Zenerdiode 34 verbunden.
Bei dem Ausführungsbeispiel b) in Fig. 2 tritt an die Stelle
der Zenerdiode 34 ein als Überspannungsschutzdiode
geschalteter monopolarer Selengleichrichter 35.
Statt der Zenerdiode 34 kann nach der Ausführungsform c) mit
dem Strombegrenzungswiderstand 33 an den Ausgang des Gleich
richters 32 auch ein Varistor 36 angeschlossen werden. In
Reihe mit dem Varistor 36 kann in der gestrichelt angedeu
teten Weise ein in Durchlaßrichtung gepolter Gleichrichter
74 geschaltet sein.
Die Arbeitsweise der anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen
Schaltung ist wie folgt:
Nach dem Einschalten der Gleichstromquelle 11 liefert diese eine konstante Ausgangsspannung U₁ gemäß dem Diagramm nach Fig. 8a. Diese wird durch den von der Steuerstufe 13 angesteuerten Wechselrichter 12 zu einer Rechteckspannung UA bzw. zu einem Impuls-Wechselstrom I₂ gemäß Fig. 8b zerhackt. Die zwischen den einzelnen benachbarten Impulsen vorgesehenen Totzeiten tt dienen der Entkopplung der jeweils nacheinander eingeschalteten Schalttransistorpaare T₁, T₂ bzw. T₃, T₄.
Nach dem Einschalten der Gleichstromquelle 11 liefert diese eine konstante Ausgangsspannung U₁ gemäß dem Diagramm nach Fig. 8a. Diese wird durch den von der Steuerstufe 13 angesteuerten Wechselrichter 12 zu einer Rechteckspannung UA bzw. zu einem Impuls-Wechselstrom I₂ gemäß Fig. 8b zerhackt. Die zwischen den einzelnen benachbarten Impulsen vorgesehenen Totzeiten tt dienen der Entkopplung der jeweils nacheinander eingeschalteten Schalttransistorpaare T₁, T₂ bzw. T₃, T₄.
Während der Totzeiten tt entladen sich die in den Indukti
vitäten 17, 18, 19 gespeicherten magnetischen Energien,
welche zu Spannungsspitzen 70 führen, die in dem Spannungs-
Zeitdiagramm der Ausgangsspannung U₂ nach Fig. 8c angedeutet
sind. Diese Spannungsspitzen sind durch den in Fig. 8b bei
71 gestrichelt angedeuteten abfallenden Strom bedingt, der
durch das während der Totzeiten tt in den Induktivitäten
zusammenbrechende Magnetfeld hervorgerufen wird.
Die Spannung U₂ wird in der Strombegrenzungsschaltung 30
nach Fig. 2 in einer Gleichrichterbrücke 32 gleichgerichtet
und dann durch die Zenerdiode 34 oder den Selengleichrichter
35 oder den Varistor 36 auf einen vorbestimmten Maximalwert
begrenzt. Die überschüssige Energie wird insbesondere im
Strombegrenzungswiderstand 33 in Wärme umgewandelt.
Die Grenzspannungen der Zenerdiode 34, des Selengleichrich
ters 35 oder des Varistors 36 sind derart gewählt, daß die
von der Spannungsbegrenzungsschaltung 30 insgesamt zur
Verfügung gestellte Spannungsbegrenzung oberhalb der am
Eingang des Wechselrichters 12 anstehenden Gleichspannung
U₁, aber deutlich unterhalb der durch die Induktivitäten 17,
18, 19 bedingten maximalen Spannungsspitzen liegt. Auf diese
Weise wird gewährleistet, daß im Schweißstromkreis 16 am
Beginn jedes neuen Impulses zwar eine ausreichend hohe
Wiederzündspannung zur Verfügung steht, gleichzeitig aber
diese Wiederzündspannung auf einen eindeutigen und reprodu
zierbaren Wert begrenzt ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist auf die Gleich
richterbrücke 32 nach Fig. 2 verzichtet; stattdessen ist der
Strombegrenzungswiderstand 33 unmittelbar an den einen Pol
des Einganges 31 angeschlossen. Er kann wahlweise über eine
bipolare Zenerdiode 34 (a), einen als Überspannungsschutz
diode geschalteten, bipolaren Selengleichrichter 38 (b) oder
einen Varistor 36 (c) mit dem zweiten Pol des Einganges 31
verbunden sein.
Die Diode 34, der Selengleichrichter 38 bzw. der Varistor 36
gewährleisten in beiden Stromflußrichtungen einen Stromfluß
ab einer bestimmten Überspannung auf den Leitungen 67, 68.
Nach Fig. 4 ist an den Eingang 31 der Spannungsbegrenzungs
schaltung 30 nach dem Ausführungsbeispiel a) die Reihenschal
tung einer Gleichrichterdiode 39, eines Strombegrenzungswi
derstandes 41 und eines Varistors 43 angeschlossen. Dieser
Serienschaltung ist die Serienschaltung einer entgegenge
setzt gepolten Gleichrichterdiode 40, eines weiteren Strombe
grenzungswiderstandes 42 und eines weiteren Varistors 44
parallelgeschaltet.
Normalerweise sollen die beiden Varistoren 43, 44 die
gleiche Grenzspannung aufweisen. Sie können - falls dies
erwünscht sein sollte - aber auch mit unterschiedlichen
Grenzspannungen ausgestattet sein.
Das Ausführungsbeispiel b) nach Fig. 4 unterscheidet sich
von demjenigen nach Fig. 4a) dadurch, daß an die Stelle der
Strombegrenzungswiderstände 41, 42 jeweils ein RC-Glied 46,
45 bzw. 48, 47 getreten ist. Sobald einer der Varistoren 43,
44 bei entsprechender Überspannung leitend wird, wird
zunächst der Kondensator 45 bzw. 47 aufgeladen; erst danach
kommt es zu einem substantiellen Stromfluß durch die Wider
stände 46 bzw. 48. Diese Vorgänge spielen sich innerhalb der
Totzeit tt (Fig. 8b) ab. Während des anschließenden positi
ven Impulses (+) bzw. negativen Impulses (-) kann sich dann
der aufgeladene Kondensator 45 bzw. 47 über den zugeordneten
Widerstand 46 bzw. 48 entladen. Die Umwandlung der während
der Totzeiten tt freigesetzten magnetischen Energie in Wärme
wird so über einen längeren Zeitraum verteilt.
Die Ausführungsform nach Fig. 5 entspricht hinsichtlich der
Spannungsbegrenzung am Ausgang 67, 68 des Wechselrichters 12
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2c).
Zusätzlich ist jedoch - wie das auch in Fig. 1 strichpunk
tiert angedeutet ist - zwischen die Ausgangsleitungen 50, 51
der Gleichstromquelle 11 die Reihenschaltung einer in Durch
laßrichtung gepolten und einem Widerstand 54 parallelgeschal
teten Diode 53 und eines Kondensators 55 angeordnet. Der
negative Pol der Gleichrichterbrücke 32 ist über eine
Leitung 57 mit dem negativen Pol der Gleichstromquelle 11
bzw. mit der Ausgangsleitung 51 verbunden.
Die elektrische Verbindung 49 zwischen dem mit dem positiven
Pol der Gleichrichterbrücke 32 verbundenen Strombegrenzungs
widerstand 33 und dem Varistor 36 ist über einen weiteren
Varistor 52 und eine Leitung 56 mit der positiven Ausgangs
leitung 50 der Gleichstromquelle 11 verbunden.
Die Grenzspannung des Varistors 52 liegt deutlich niedriger
als die des Varistors 36.
Die Grenzspannung des Varistors 52 kann z. B. bei 40 bis 50 V
liegen, während die des Varistors 36 150 bis 200 V betragen
soll.
Aufgrund dieser Ausbildung ist die Funktion des Ausführungs
beispiels nach Fig. 5 wie folgt:
Während der Totzeiten tt (Fig. 8b) bedingen die induktiven
Spannungsspitzen über die Gleichrichterbrücke 32 und den
Strombegrenzungswiderstand 33 sowie den Varistor 52 einen
Strom über die Leitungen 56, 57 und die Diode 53 in den
Kondensator 55, welcher dadurch aufgeladen wird. Voraus
setzung ist, daß die Ausgangsspannung der Gleichrichter
brücke 32 so hoch ist, daß die Grenzspannung des Varistors
52, welche wiederum höher als die Gleichspannung U₁ sein
muß, überschritten wird. Sobald nun der Kondensator 55 voll
aufgeladen ist, ist der Stromfluß über die Leitungen 56, 57
beendet, und die Spannung an der elektrischen Verbindung 49
steigt an, bis die Grenzspannung des Varistors 36 über
schritten wird. Nunmehr fließt aus dem Ausgang des Gleich
richters 32 ein Strom über den Strombegrenzungswiderstand 33
und den Varistor 36, welcher im Strombegrenzungswiderstand
33 in Wärme umgewandelt wird.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 hat den Vorteil, daß ein
großer Teil der in den Totzeiten freiwerdenden induktiven
Energie im Kondensator 55 gespeichert wird und während des
anschließenden Spannungsimpulses über den Widerstand 54 in
den Wechselrichter 12 mit eingespeist wird, so daß diese
Energie abgesehen von den Verlusten im Widerstand 54 für den
Schweißvorgang genutzt wird.
Die einzelnen Spannungswerte der beschriebenen Schaltung
können beispielsweise wie folgt sein:
Ausgangsschaltung U₁ der Gleichstromquelle 11: 60 V
Begrenzungsspannung des Varistors 52: 40 V
Begrenzungsspannung des Varistors 36: 110 V.
Ausgangsschaltung U₁ der Gleichstromquelle 11: 60 V
Begrenzungsspannung des Varistors 52: 40 V
Begrenzungsspannung des Varistors 36: 110 V.
Auf diese Weise wird die maximale Spannung am Ausgang des
Wechselrichters 12 auf 110 V begrenzt.
Die Spannung am Ausgang der Gleichrichterbrücke 32 wird also
z. B. bei Erreichen einer maximal zulässigen Spannung von
110 V an ihrem Ausgang durch das Spannungsbegrenzungselement
36 begrenzt. Die Ausgangsspannung des Brückengleichrichters
32 ist die gleichgerichtete Spannung U₂.
Die Ausführungsform nach Fig. 6 entspricht weitgehend der
nach Fig. 2c), wobei jedoch parallel zu der Serienschaltung
der in Durchlaßrichtung gepolten Diode 74 und des Varistors
36 die Serienschaltung einer weiteren in Durchlaßrichtung
gepolten Diode 75, eines Varistors 52 und eines RC-Gliedes
geschaltet ist, das aus einem Widerstand 72 und einem
parallel geschalteten Kondensator 73 besteht. Wesentlich
ist, daß die Grenzspannung des zweiten Varistors 52 geringer
als die des ersten Varistors 36 ist.
Auf diese Weise wird während einer Totzeit tt zunächst die
Grenzspannung des Varistors 52 überschritten, wodurch es zur
Aufladung des Kondensators 73 kommt. Erst wenn der Kondensa
tor 73 voll aufgeladen ist, wird auch die Grenzspannung des
ersten Varistors 36 überschritten, worauf nur noch ein Strom
fluß durch den Strombegrenzungswiderstand 33, die Diode 74
und den Varistor 36 stattfindet. Nach Abschluß der Totzeit
tt, d. h. beim nächsten positiven Impuls (+) bzw. negativen
Impuls (-) (Fig. 8b) entlädt sich dann der Kondensator 73
über den Widerstand 72, so daß auch die im Kondensator 73
aufgespeicherte Energie in Wärme umgewandelt wird.
Die Ausführungsform nach Fig. 6 hat also den Vorteil, daß
die Energieumwandlung in Wärme praktisch annähernd über die
Zeit einer Halbwelle der Impuls-Wechselspannung verteilt
werden kann.
Nach Fig. 7a ist an die Ausgangsleitungen 67, 68 des Wechsel
richters 12 der Eingang 31 einer Spannungsbegrenzungsschal
tung 30 angelegt sein, welche wie folgt geschaltet ist:
Die von der Ausgangsleitung 67 beaufschlagte Eingangsklemme
83 der Strombegrenzungsschaltung 30 liegt an zwei entgegen
gesetzt parallegeschalteten Dioden 58, 59, die jeweils mit
einer von zwei Sekundärwicklungen 60 bzw. 61 eines Transfor
mators 62 in Reihe geschaltet sind. Die anderen beiden
Anschlüsse der Primärwicklungen 60, 61 liegen gemeinsam an
einem aus einem Kondensator 63 und einem Widerstand 64
bestehenden RC-Glied, dem ein Varistor 36 folgt, welcher
seinerseits mit dem mit der Ausgangsleitung 68 verbundenen
Eingangsklemme 84 der Strombegrenzungsschaltung 30 verbunden
ist.
Die Sekundärwicklung 65 des Transformators 62 liegt am
Eingang eines Brückengleichrichters 32, dessen beiden
Ausgangsklemmen mit einem Strombegrenzungswiderstand 33
verbunden sind.
Auf diese Weise werden während der Totzeiten tt (Fig. 8b)
auftretenden positiven und negativen Spannungsspitzen bei
Überschreitung der Grenzspannung des Varistors 36 entweder
über die Primärwicklung 60 oder die Primärwicklung 61
geleitet und durch den Transformator 62 sowie die Gleich
richterbrücke 32 in einen Gleichstrom umgewandelt, der im
Strombegrenzungswiderstand 33 in Wärme umgewandelt wird. Die
in den unerwünschten Spannungsspitzen enthaltene Energie
wird also auch bei diesem Ausführungsbeispiel in Wärme
umgewandelt.
Um wenigstens einen Teil der in den induktiv bedingten
Spannungsspitzen enthaltenen Energie wiederzugewinnen, kann
die Schaltung nach Fig. 7a gemäß Fig. 7b abgewandelt
werden. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 7a
ist der negative Pol des Brückengleichrichters 32 ggf. über
einen Widerstand 85 an die Ausgangsleitung 51 der Gleich
stromquelle 11 angelegt, während ihr positiver Pol über
einen Widerstand 86 mit der positiven Ausgangsleitung 50
verbunden ist. Zwischen die Ausgangsleitungen 50, 51 ist
analog dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 die Reihenschal
tung einer Parallelschaltung einer in Durchlaßrichtung gepol
ten Diode 53 mit einem Widerstand 54 und eines Kondensators
55 geschaltet.
Auf diese Weise lädt der Brückengleichrichter 32 nach dem
Leitendwerden des Varistors 36 über die Widerstände 85, 86
den Kondensator 55 auf. Sobald der Kondensator 55 aufgeladen
ist, fließt immer noch ein Strom über die Primärwicklungen
60, 61, den Widerstand 64 und den Varistor 36, so daß auch
jetzt noch eine Spannungsbegrenzung durch Energieverbrauch
insbesondere im Widerstand 64 gegeben ist.
Bezugszeichenliste
11 Gleichstromquelle
12 Wechselrichter
13 Steuerstufe
14 Schweißelektrode
15 Werkstück
16 Schweißstromkreis
17 Schweißdrossel
18 Hochfrequenz-Sperrdrossel
19 Leitungsinduktivität
20 Hochfrequenzschutz
21 Grundlastwiderstand
22 Leitungswiderstände
23 Schweißelektrodenhalter
24 Anschlußleitung
25 Anschlußleitung
26 Hochspannungszündgerät
27 Spannungseingang
28 Triggerleitung
29 Triggerleitung
30 Spannungsbegrenzungsschaltung
31 Eingang
32 Brückengleichrichter
33 Strombegrenzungswiderstand
34 monopolare Zenerdiode
35 monopolarer Selengleichrichter
36 Varistor
37 bipolare Zenerdiode
38 bipolarer Selengleichrichter
39 Gleichrichterdiode
40 Gleichrichterdiode
41 Strombegrenzungswiderstand
42 Strombegrenzungswiderstand
43 Varistor
44 Varistor
45 Kondensator
46 Entladewiderstand
47 Kondensator
48 Entladewiderstand
49 Verbindung
50 positive Ausgangsleitung
51 negative Ausgangsleitung
52 Spannungsbegrenzungselement
53 Gleichrichter
54 Widerstand
55 Kondensator
56 Verbindungsleitung
57 Verbindungsleitung
58 Diode
59 Diode
60 Primärwicklung
61 Primärwicklung
62 Transformator
63 Kondensator
64 Widerstand
65 Sekundärwicklung
66 Netzstecker
67 Ausgangsleitung
68 Ausgangsleitung
69 Schweißlichtbogen
70 Spannungsspitze
71 Stromabfall
72 Widerstand
73 Kondensator
74 Gleichrichter
75 Gleichrichter
76 Hochspannungszündleitung
77 Hochspannungszündleitung
78 Spannungsausgang
79
80 Ausgangsklemme
81 Ausgangsklemme
82 Lichtbogenschweißgerät
83 Eingangsklemme
84 Eingangsklemme
85 Widerstand
86 Widerstand
12 Wechselrichter
13 Steuerstufe
14 Schweißelektrode
15 Werkstück
16 Schweißstromkreis
17 Schweißdrossel
18 Hochfrequenz-Sperrdrossel
19 Leitungsinduktivität
20 Hochfrequenzschutz
21 Grundlastwiderstand
22 Leitungswiderstände
23 Schweißelektrodenhalter
24 Anschlußleitung
25 Anschlußleitung
26 Hochspannungszündgerät
27 Spannungseingang
28 Triggerleitung
29 Triggerleitung
30 Spannungsbegrenzungsschaltung
31 Eingang
32 Brückengleichrichter
33 Strombegrenzungswiderstand
34 monopolare Zenerdiode
35 monopolarer Selengleichrichter
36 Varistor
37 bipolare Zenerdiode
38 bipolarer Selengleichrichter
39 Gleichrichterdiode
40 Gleichrichterdiode
41 Strombegrenzungswiderstand
42 Strombegrenzungswiderstand
43 Varistor
44 Varistor
45 Kondensator
46 Entladewiderstand
47 Kondensator
48 Entladewiderstand
49 Verbindung
50 positive Ausgangsleitung
51 negative Ausgangsleitung
52 Spannungsbegrenzungselement
53 Gleichrichter
54 Widerstand
55 Kondensator
56 Verbindungsleitung
57 Verbindungsleitung
58 Diode
59 Diode
60 Primärwicklung
61 Primärwicklung
62 Transformator
63 Kondensator
64 Widerstand
65 Sekundärwicklung
66 Netzstecker
67 Ausgangsleitung
68 Ausgangsleitung
69 Schweißlichtbogen
70 Spannungsspitze
71 Stromabfall
72 Widerstand
73 Kondensator
74 Gleichrichter
75 Gleichrichter
76 Hochspannungszündleitung
77 Hochspannungszündleitung
78 Spannungsausgang
79
80 Ausgangsklemme
81 Ausgangsklemme
82 Lichtbogenschweißgerät
83 Eingangsklemme
84 Eingangsklemme
85 Widerstand
86 Widerstand
Claims (15)
1. Lichtbogenschweißgerät mit einer netzgespeisten Gleich
stromquelle (11), deren eine Gleichspannung (U₁) führen
de Ausgang am Eingang eines voll gesteuerten Wechselrich
ters (12) anliegt, dessen Ausgang eine Impulsspannung
(UA) mit Totzeiten (tt) zwischen benachbarten Spannungs
impulsen (+, -) an einen die Schweißelektrode (14), das
Werkstück (15) und induktive Mittel (17, 18, 19) enthal
tenden Schweißstromkreis (16) liefert und außerdem mit
dem Triggereingang (27) eines Hochspannungs-Zündgerätes
(26) verbunden ist, welches durch die Flanken der Aus
gangsspannung (U₂) des Wechselrichters (12) getriggert
wird und den Schweißstromkreis (16) mit Zündimpulsen
beliefert,
dadurch gekennzeichnet,
daß an den Ausgang des Wechselrichters (12) der Eingang
(31) einer Spannungsbegrenzungsschaltung (30) angeschlos
sen ist, deren Grenzspannung größer als die Ausgangsspan
nung (U₂) des Wechselrichters (12) und kleiner als die
während der Totzeiten (tt) auftretenden, durch die im
Schweißstromkreis (16) enthaltenen induktiven und gege
benenfalls auch kapazitiven Mittel (17, 18, 19) beding
ten Induktions- bzw. Entladungsspannungsspitzen ist.
2. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungsbegrenzungsschaltung (30) einen an
ihrem Eingang (31) anliegenden Brückengleichrichter (32)
umfaßt, an dessen Ausgang über einen Strombegrenzungs
widerstand (33) wenigstens ein erst bei Überschreiten
der Grenzspannung stromleitendes, vorzugsweise monopola
res Spannungsbegrenzungselement (34, 35, 36) angeschlos
sen ist (Fig. 2).
3. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungsbegrenzungsschaltung (30) eine an ihrem
Eingang (31) anliegende Serienschaltung bestehend aus
einem Strombegrenzungswiderstand (33) und wenigstens
einem bipolaren, erst bei Überschreiten der Grenzspan
nung stromleitenden Spannungsbegrenzungselement (36, 37,
38) besteht (Fig. 3).
4. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß das bipolare Spannungsbegrenzungselement ist:
ein Varistor (36) und/oder
eine bipolare Zenerdiode (37) und/oder
ein als Überspannungsschutzdiode geschalteter bipolarer Selengleichrichter (38).
ein Varistor (36) und/oder
eine bipolare Zenerdiode (37) und/oder
ein als Überspannungsschutzdiode geschalteter bipolarer Selengleichrichter (38).
5. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungsbegrenzungsschaltung (30) zwei am Ein
gang (31) anliegende, entgegengesetzt gepolte Serien
schaltungen jeweils bestehend aus einer Gleichrichter
diode (39, 40), einem Strombegrenzungswiderstand (41,
42) oder einem R-C-Glied (45, 46; 47, 48) sowie einem
vorzugsweise monopolaren Spannungsbegrenzungselement
(33, 44) umfaßt (Fig. 4).
6. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 2 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das erst bei Überschreiten der Grenzspannung strom
leitende Spannungsbegrenzungselement ist:
eine monopolare Zenerdiode (34) und/oder
ein als Überspannungsschutzdiode geschalteter mono polarer Selengleichrichter (35) und/oder
ein Varistor (36, 43, 44) .
eine monopolare Zenerdiode (34) und/oder
ein als Überspannungsschutzdiode geschalteter mono polarer Selengleichrichter (35) und/oder
ein Varistor (36, 43, 44) .
7. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest ein Teil der in den Totzeiten (tt) erzeug
ten magnetischen Energie zunächst in einem Kondensator
(45, 47, 55, 63, 63′, 73) gespeichert und erst nach Ende
der Totzeit durch Widerstände (46, 48, 54, 64, 64′, 72)
in Wärme umgewandelt und/oder dem Schweißstromkreis (16)
wieder zugeführt wird.
8. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1, 2 oder 6 und 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der positiven Ausgangsleitung (50) und der
negativen Ausgangsleitung (51) der Gleichstromquelle
(11) die Serienschaltung eines in Durchlaßrichtung
gepolten, mit einem Widerstand (54) parallelgeschalteten
Gleichrichters (53) und eines Kondensators (55) geschal
tet ist und daß Mittel (52) vorgesehen sind, die während
der Totzeiten (tt) mittels der dabei entstehenden Induk
tionsströme den Kondensator (55) aufladen, bevor die
Spannungsbegrenzungsschaltung (30) anspricht.
9. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 2 und 8
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen die zwischen dem Strombegrenzungswiderstand
(33) und dem Spannungsbegrenzungselement (34, 35, 36)
vorhandene elektrische Verbindungsleitung (49) und die
positive Ausgangsleitung (50) der Gleichstromquelle (11)
ein weiteres Spannungsbegrenzungselement (52) geschaltet
ist, dessen Grenzspannung kleiner als die des ersten
Spannungsbegrenzungselementes (34, 35, 36) ist.
10. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 2 oder G und 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß parallel zu dem Spannungsbegrenzungselement (36) die
Serienschaltung eines weiteren Spannungsbegrenzungsele
mentes (52) mit niedrigerer Grenzspannung und eines
RC-Gliedes (72, 73) geschaltet ist (Fig. 6).
11. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Spannungsbegrenzungselement (36) eine
Grenzspannung von 150 bis 250 V, insbesondere etwa 200 V
aufweist.
12. Lichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 9 bis 11
dadurch gekennzeichnet,
daß das zweite Spannungsbegrenzungselement (52) eine
Grenzspannung von 20 bis 70 V, vorzugsweise 30 bis 60 V
und insbesondere 40 bis 50 V aufweist.
13. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1 oder 7
dadurch gekennzeichnet,
daß der Eingang (31) der Spannungsbegrenzungsschal
tung (30) an die Serienschaltung zweier entgegengesetzt
Parallelgeschalteter Dioden (58, 59) und min diesem in
Reihe geschalteten Primärwicklungen (60, 61) eines Trans
formators (62) sowie eines eventuell mit einem Kondensa
tor (63) parallelgeschalteten Widerstandes (64) und
eines die Grenzspannung bestimmenden bipolaren Spannungs
begrenzungselementes, insbesondere eines Varistors (36)
angeschlossen ist und eine Sekundärwicklung (65) des
Transformators (62) vorzugsweise über eine Gleichrichter
brücke (32) an einen Strombegrenzungswiderstand (33, 71)
angelegt ist.
14. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 13
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stromkreis des Strombegrenzungswiderstandes (33)
direkt über den Brückengleichrichter (32) bzw. die Sekun
därwicklung (65) geschlossen ist.
15. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Brückengleichrichter (32) über einen oder zwei
Strombegrenzungswiderstände (85, 86) an die Ausgangslei
tungen (50, 51) der Gleichstromquelle (11) angeschlossen
ist, zwischen denen auch die Serienschaltung aus einer
mit einem Widerstand (54) parallel geschalteten Diode
(53) und einem Kondensator (55) liegt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944418864 DE4418864C2 (de) | 1994-05-30 | 1994-05-30 | Lichtbogenschweißgerät |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19944418864 DE4418864C2 (de) | 1994-05-30 | 1994-05-30 | Lichtbogenschweißgerät |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4418864A1 true DE4418864A1 (de) | 1995-12-07 |
DE4418864C2 DE4418864C2 (de) | 1999-06-24 |
Family
ID=6519343
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19944418864 Expired - Fee Related DE4418864C2 (de) | 1994-05-30 | 1994-05-30 | Lichtbogenschweißgerät |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4418864C2 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
AT502175B1 (de) * | 2002-04-10 | 2007-02-15 | Fronius Int Gmbh | Schweiss- und heftschweissverfahren mit nichtabschmelzender elektrode |
CN100434220C (zh) * | 2004-03-22 | 2008-11-19 | 上海广为杰士电源有限公司 | 逆变直流弧焊机 |
CN102794537A (zh) * | 2011-05-26 | 2012-11-28 | 深圳市富驰机电设备有限公司 | 节能超轻型igbt单管逆变式焊机 |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10245368B4 (de) * | 2002-09-27 | 2006-01-26 | Cloos Innovations - Gmbh | Schweißstromquelle zum Gleich- und Wechselstromschweißen und Verfahren zu dessen Betrieb |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4037348C1 (en) * | 1990-11-20 | 1992-02-13 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt, De | Protective circuitry for power semiconductor switches - uses bridging voltage clamping circuit consisting of diode and Zener diode belonging to rectifier pair |
DE4128175A1 (de) * | 1991-08-24 | 1993-02-25 | Elektro Werk Muendersbach Gmbh | Lichtbogenschweissgeraet |
-
1994
- 1994-05-30 DE DE19944418864 patent/DE4418864C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE4037348C1 (en) * | 1990-11-20 | 1992-02-13 | Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt, De | Protective circuitry for power semiconductor switches - uses bridging voltage clamping circuit consisting of diode and Zener diode belonging to rectifier pair |
DE4128175A1 (de) * | 1991-08-24 | 1993-02-25 | Elektro Werk Muendersbach Gmbh | Lichtbogenschweissgeraet |
Non-Patent Citations (2)
Title |
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HABIGER,E.: Störschutzbeschaltungen für elektro- magnetisch betätigte Geräte - eine Literaturüber- sicht. In: Elektrie 27, 1973, H.5, S.266-268 * |
Veritron-Stromgeräte der BBC Brown Boveri,1975/76,Nr.D GHS 50 466 D, S.11,14 * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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AT502175B1 (de) * | 2002-04-10 | 2007-02-15 | Fronius Int Gmbh | Schweiss- und heftschweissverfahren mit nichtabschmelzender elektrode |
US7256368B2 (en) | 2002-04-10 | 2007-08-14 | Fronius International Gmbh | Welding and tack welding method involving the use of a non-fusing electrode |
CN100434220C (zh) * | 2004-03-22 | 2008-11-19 | 上海广为杰士电源有限公司 | 逆变直流弧焊机 |
CN102794537A (zh) * | 2011-05-26 | 2012-11-28 | 深圳市富驰机电设备有限公司 | 节能超轻型igbt单管逆变式焊机 |
CN102794537B (zh) * | 2011-05-26 | 2015-03-11 | 文佑清 | 节能超轻型igbt单管逆变式焊机 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4418864C2 (de) | 1999-06-24 |
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