DE4418864C2

DE4418864C2 - Lichtbogenschweißgerät

Info

Publication number: DE4418864C2
Application number: DE19944418864
Authority: DE
Inventors: Klaus-P Schmidt
Original assignee: Dalex Werke Niepenberg GmbH and Co KG
Current assignee: Dalex Werke Niepenberg GmbH and Co KG
Priority date: 1994-05-30
Filing date: 1994-05-30
Publication date: 1999-06-24
Anticipated expiration: 2014-05-31
Also published as: DE4418864A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtbogenschweißgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gattungsgemäßes Lichtbogenschweißgerät, bei dem aller dings zwischen die Inverterstromquelle und den Wechselrich ter eine weitere Wechsel-Gleichrichtungsstufe geschaltet ist, ist aus der DE 41 28 175 A1 bekannt. Die Gleichstrom quelle ist dabei vorzugsweise eine primär- oder sekundärge taktete Inverterstromquelle, mit welcher z. B. eine drei phasige 380 V-Netzspannung in eine Gleichspannung von z. B. 60 V umgewandelt werden kann. Die vollgesteuerten Wechsel richter bestehen im wesentlichen aus vier elektronischen Leistungsschaltern (z. B. Schalttransistoren, Thyristoren bzw. IGBT's). Die elektronischen Leistungsschalter 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 ange steuert werden, daß durch die Ansteuerung nur eines diagonal angeordneten Wechselrichterzweiges anstelle des Wechselstro mes ein pulsierender Gleichstrom mit vorgebbarer Polarität durch die Schweißelektrode fließt. Weil im Schweißstromkreis in der Regel zusätzliche Induktivitäten vorhanden sind (z. B. Schweißdrosseln, Hochfrequenz-Sperrdrosseln für das berüh rungslose Zünden bzw. Wiederzünden eines WIG- bzw. TIG-Licht bogens) bzw. Leitungsinduktivitäten vorhanden sind, müssen zusätzliche Maßnahmen getroffen werden, um die elektroni schen Leistungsschalter zu schützen, die Einhaltung der Spannungsgrenzwerte für das Arbeiten mit dem Lichtbogen schweißgerät unter erhöhter elektrischer Gefährdung entspre chend den Bestimmungen zu gewährleisten, die Triggerimpulse für die Ansteuerung eines Hochspannungszündgerätes für das berührungslose Zünden bzw. Wiederzünden eines WIG- bzw. TIG-Lichtbogens definiert abzuleiten sowie eine möglichst hohe Ausgangsspannung innerhalb der zulässigen Grenzen für das gute Wiederzünden des WIG- bzw. TIG-Lichtbogens während des Schweißens bereitszustellen.

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.

Bei dem vorbekannten Lichtbogenschweißgerät ist parallel zu den Eingangsklemmen des Wechselrichters, dessen vier in Brückenschaltung betriebene Schalttransistoren jeweils von einer Freilaufdiode überbrückt sind, eine Reihenschaltung aus einem Gleichrichter und einem Kondensator angeschlossen, wobei parallel zum Kondensator ein Ohmscher Widerstand liegt. Für den gemeinsamen Anschluß von Gleichrichter und Kondensator ist eine Hilfsdiode vorgesehen, deren anderer Anschluß am Ausgang der Inverterstromquelle liegt. Der parallel zu den Klemmen des Kondensators angeschlossene Widerstand dient dazu, die aus den Induktivitäten in den Kondensator entladene Energie in Wärme umzusetzen. Durch die betreffende Schaltung soll der Lichtbogenbetrieb sicherge stellt werden, ohne daß jedoch unzulässig hohe Sperrspannun gen die Halbleiterschalter in den Wechselrichterdiagonalen zerstören könnten.

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. Durch den Einbau einer Schutzschaltung auf der Eingangsseite des Wechselrichters bei dem bekannten Lichtbogenschweißgerät werden jedoch die auftretenden Spannungsspitzen nicht ausrei chend beherrscht, wobei insbesondere das Problem besteht, daß die vom Hochspannungs-Zündgerät erzeugten Zündimpulse nicht beeinträchtigt werden dürfen.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Lichtbogenschweiß gerät der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei wel chem die in den Totzeiten der vom Wechselrichter erzeugten wechselgerichteten Spannung auftretenden induktiv bedingten Spannungsspitzen beherrscht und dabei in bezug auf ihre Amplitude mit einfachen Mitteln voreinstellbar gemacht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeich nenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.

Im Gegensatz zu dem bekannten Lichtbogenschweißgerät sind erfindungsgemäß Maßnahmen am Ausgang des Wechselrichters getroffen, um die während der Totzeiten entstehenden induk tiv bedingten Spannungsspitzen unschädlich zu machen, wobei aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung die vom Hochspan nungszündgerät erzeugten Zündimpulse nicht beeinträchtigt werden.

Der Erfindungsgedanke ist also darin zu sehen, daß man ohne Beeinträchtigung der zur Wiederzündung des Lichtbogens wich tigen Spannungsspitzen die induktiv bedingten Spannungsspit zen auf einen festen Amplitudenwert begrenzt, wodurch im Schweißstromkreis auch während der Totzeiten definierte Span nungs- und Stromverhältnisse vorliegen. Erfindungsgemäß wird dabei die in den durch die Spannungsbegrenzungsschaltung weggeschnittenen Spannungsspitzen enthaltene Energie insbe sondere in dem Strombegrenzungswiderstand in Wärme umgewan delt, bei einigen Ausführungsformen aber teilweise auch zu rückgewonnen.

Für die Zwecke der Erfindung geeignete Spannungsbegrenzungs schaltungen, die eine Bedämpfung induktiver Abschaltüberspan nungen ermöglichen, sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt (Habiger E.: Störschutzschaltungen für elektromagnetisch betätigte Geräte - eine Literaturübersicht; Elektrie 27 (1973) Heft 5, Seiten 266 bis 268). Eine Schaltungsanordnung zum Schutz von Leistungshalbleiterschaltern in Stromrichtern ist aus der DE 40 37 348 C1 bekannt.

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 die ses 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 bei einer Anordnung nach Anspruch 8 gemäß Anspruch 9 bis 11 in den Schweißstromkreis eingespeist werden.

Die Maßnahmen des Anspruches 12 ermöglichen die Energieum wandlung in Wärme über einen längeren Zeitraum.

Bevorzugte Parameter für die Grenzspannungen entnimmt man den Ansprüchen 13 bis 17.

Ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Anspruch 17 definiert. Weiterbildungen dieses Ausfüh rungsbeispiels sind den Ansprüchen 19 bis 23 zu entnehmen.

Im Gegensatz zu der bekannten Anordnung nach der DE 41 28 175 A1 sollen erfindungsgemäß nach Anspruch 24 die gesteuerten Halbleiterschalter nicht durch Freilaufdioden überbrückt sein, weil letztere einen unkontrollierten Strom fluß für eine zwar nur kurze, aber ebenfalls unkontrollierte Zeit auch noch nach Unterbrechung der Halbleiterschalter aufrechterhalten.

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 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 U_A 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 t_t 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 t_t 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 10000 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 U_A bzw. zu einem Impuls-Wechselstrom I₂ gemäß Fig. 8b zerhackt. Die zwischen den einzelnen benachbarten Impulsen vorgesehenen Totzeiten t_t dienen der Entkopplung der jeweils nacheinander eingeschalteten Schalttransistorpaare T₁, T₂ bzw. T₃, T₄.

Während der Totzeiten t_t 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 t_t 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 Schweißstromkreiss 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 nachdem 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 t_t (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 t_t 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 t_t (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.

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 79 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 79 geringer als die des ersten Varistors 36 ist.

Auf diese Weise wird während einer Totzeit t_t zunächst die Grenzspannung des Varistors 79 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 t_t, 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 parallelgeschalteten 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 PC-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 t_t (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

Spannungsbegrenzungselement

80

Ausgangsklemme

81

Ausgangsklemme

82

Lichtbogenschweißgerät

83

Eingangsklemme

84

Eingangsklemme

85

Widerstand

86

Widerstand

Claims

1. Lichtbogenschweißgerät, das eine in Wechselrichterbetrieb arbeitende Schweißstrom quelle aufweist, mit einer netzgespeisten Gleichstromquelle (11), deren eine Gleich spannung (U₁) führender Ausgang am Eingang eines voll gesteuerten Wechselrichters (12) anliegt, dessen Ausgang eine Impulsspannung (U_A) mit Totzeiten (t_t) zwischen benachbarten Spannungsimpulsen (+, -) an einen die Schweißelektrode (14), das Werkstück (15) und induktive Mittel (17, 18, 19) enthaltenden Schweißstromkreis (16) liefert und außerdem mit dem Triggereingang (27) eines Hochspannungs-Zündgerätes (26) verbunden ist, welches 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 (t_t) auftretenden, durch die im Schweißstromkreis (16) enthaltenen induktiven und gege benenfalls auch kapazitiven Mittel (17, 18, 19) beding ten Induktions- bzw. Entladungsspannungsspitzen ist, und daß das Hochspannungs-Zündgerät (26) derart durch die Flanken der Ausgangsspannung (U₂) des Wechsel richters (12) getriggert wird, daß die Triggerschwelle unterhalb und nahe der Grenzspannung liegt.

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).

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).

7. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der in den Totzeiten (t_t) erzeug ten magnetischen Energie zunächst in einem Kondensator (45, 47, 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 einem der vorhergehenden Ansprüche, 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 weiteren Kondensators (55) geschaltet ist.

9. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Spannungsbegrenzungsschaltung (30) Mittel (52) vorgesehen sind, die während der Totzeiten (t_t) mittels der darin entstehenden Induktionsströme den weiteren Kondensator (55) aufladen, bevor weitere Bauelemente (36) der Spannungsbegrenzungsschaltung ansprechen.

10. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsbegrenzungsschaltung (30) über Leitungen (56, 57) mit der Serienschaltung verbunden ist, um den weiteren Kondensator (55) mittels der während der Totzeiten (t_t) entstehenden Induktionsströme aufzuladen.

11. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 2 und 8, 9 oder 10, 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.

12. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 2 oder 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu dem Spannungsbegrenzungselement (36) die Serienschaltung eines weiteren Spannungsbegrenzungs elementes (79) mit niedrigerer Grenzspannung und eines RC-Gliedes (72, 73) geschaltet ist (Fig. 6).

13. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Spannungsbegrenzungselement (36) eine Grenzspannung von 150 bis 250 V aufweist.

14. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzspannung etwa 200 V beträgt.

15. Lichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Spannungsbegrenzungselement (52, 79) eine Grenzspannung von 20 bis 70 V aufweist.

16. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzspannung 30 bis 60 V beträgt.

17. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzspannung 40 bis 50 V beträgt.

18. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang (31) der Spannungsbegrenzungsschaltung (30) an die Serienschaltung zweier entgegengesetzt parallelgeschalteter Dioden (58, 59) und mit diesen in Reihe geschalteten Primärwicklungen (60, 61) eines Trans formators (62) sowie eines Widerstandes (64) und eines die Grenzspannung bestimmenden bipolaren Spannungsbegren zungselementes (36) angeschlossen ist und eine Sekundär wicklung (65) des Transformators (62) an einen Strombe grenzungswiderstand (33, 71) angelegt ist.

19. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (64) mit einem Kondensator (63) parallel geschaltet ist.

20. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das bipolare Spannungsbegrenzungselement ein Vari stor (36) ist.

21. Lichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (65) des Transformators (62) über eine Gleichrichterbrücke (32) an einen oder zwei Strombegrenzungswiderstände (33; 85, 86) angelegt ist.

22. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromkreis des Strombegrenzungswiderstandes (33) direkt über den Brückengleichrichter (32) bzw. die Sekun därwicklung (65) geschlossen ist.

23. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 21, 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 dem weiteren Kondensator (55) liegt.

24. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter aus vier in Brückenschaltung angeordneten Leistungsschalttransistoren (T₁, T₂, T₃ und T₄) ohne parallel geschaltete Freilaufdioden besteht.