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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das elektrische Lichtbogenschweißen und
insbesondere auf ein verbessertes elektrisches Lichtbogenschweißgerät mit mehreren
separaten Leistungsversorgungen.
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Das
US-Patent 4,503,316, welches als nächstliegender Stand der Technik
angesehen wird, zeigt ein derartiges Lichtbogenschweißgerät.
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EINBEZIEHUNG
DURCH BEZUGNAHME
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Die
Erfindung ist besonders einsetzbar bei einer Schweißstation
mit zwei Transistorschaltern zum Umwandeln eines Gleichstroms in
einen Wechselstrom als Schweißstrom.
Es ist daher ein zweiter Aspekt der Erfindung, dass das Umschalten
der Transistorschalter zwischen dem leitenden Zustand und dem nicht
leitenden Zustand bei einem reduzierten Strom stattfindet, um die
Notwendigkeit einer großen
Dämpfungsanordnung
um jeden Ausgangsschalter herum zu verringern. Dieses Konzept ist
zusammen mit der Leistungsversorgung des Invertertyps, die bei der
vorliegenden Erfindung praktiziert wird, in der früheren US-Patentanmeldung
No. 233,235 vom 19. Januar 1999 offenbart. Diese Anmeldung wird
durch Bezugnahme hier als Hintergrundinformation hinsichtlich des
Typus der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Inverter-Leistungsversorgung
und des Konzepts des Abschaltens der Transistorschalter der Schweißstation
auf einem reduzierten Stromniveau einbezogen. Die Erfindung steuert
eine Schweißstation
mit Schaltern und hohem Eingangsstrom. Die Schalter werden nur ausgeschaltet,
wenn ein niedriger Strom fließt.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist besonders anwendbar für das Rohrschweißen und
insbesondere für
Tandemelektroden oder Seite an Seite angeordnete Elektroden, die
beim Rohrschweißen
eingesetzt werden. Sie wird mit besonderer Bezugnahme hierauf beschrieben;
die Erfindung hat jedoch einen viel breiteren Anwendungsrahmen und
kann auch für elektrische
Lichtbogenschweißanlagen
mit einer einzigen Elektrode und extrem hohen Strömen eingesetzt
werden, z.B. bei Schweißströmen oberhalb 1000
bis 3000 Ampere.
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Elektrische
Lichtbogenschweißgeräte für Rohrschweißungen und ähnliche
Anwendungen erfordern oft Schweißströme oberhalb 1000 bis 2000 Ampere.
In der Vergangenheit wurden Schweißgeräte zur Entwicklung derart hoher
Schweißströme besonders
konstruiert. Wenn jedoch der erforderliche Schweißstrom über die
Konstruktionsparameter einer bestimmten Leistungsversorgung gesteigert
wurde, musste ein Lichtbogenschweißgerät mit höherer Kapazität konstruiert
und hergestellt werden. Beispielsweise konnten elektrische Lichtbogenschweißgeräte mit einem
Maximalstrom von 1000 bis 1500 Ampere nicht für eine Schweißoperation
eingesetzt werden, die 2000 Ampere erforderte. Sobald ein Schweißgerät mit höherer Kapazität hergestellt
und erhältlich
gemacht worden war, war es wiederum durch seine maximale Stromkapazität beschränkt. Wenn
daher erhöhte
Ströme
für eine
Schweißoperation
wie z.B. Decklagenschweißung
erforderlich wurden, wurden teuere Schweißgeräte herkömmlichen Designs benötigt.
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Da
höhere
Schweißströme neu konstruierte und
hergestellte Schweißgeräte erforderten,
konnten wegen der beschränkten
Stromkapazität
der zur Verfügung
stehenden Leistungsquellen Feldanwendungen nicht optimiert werden.
Es sind Versuche unternommen, Schweißgeräte hoher Kapazität zu schaffen,
indem mehrere Schweißgeräte niedriger
Kapazität
mit der Ausgangs-Schweißstation
verbunden wurden. Diese Versuche waren jedoch nicht erfolgreich, da
es sich als schwierig erwies, die dynamischen Stromaufteilungseigenschaften
zweier oder mehrerer Leistungsquellen auszubalancieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Nachteile früherer
Versuche zur Schaffung von Hochstrom-Leistungsquellen, insbesondere für das Rohrschweißen, sind
durch die vorliegende Erfindung überwunden
worden. Sie schafft ein elektrisches Lichtbogenschweißgerät mit einer
Leistungsfähigkeit
des Ausgangsstroms, die drastisch erhöht ist, indem lediglich mehrere
Leistungsquellen hinzugefügt
werden, wobei dennoch ausgezeichnete statische und dynamische Fähigkeiten
zur Stromaufteilung zwischen den parallelen Leistungsquellen erhalten
werden. Das erfindungsgemäße elektrische Lichtbogenschweißgerät minimiert
die ungleichmäßige Stromaufteilung
zwischen zwei oder mehreren Leistungsquellen. In früheren Systemen
erforderten die einzelnen Leistungsquellen jeweils ein Eingangs-Steuersignal,
seine eigene Rückkopplung
und eine Steuerschaltung zur Fehlerverstärkung. Sie litten daher unter
einem Mangel an dynamischer Stromaufteilung zwischen den Leistungsquellen
aufgrund von Unterschieden der Komponenten. Die vorliegende Erfindung
setzt den Fehlerverstärker
einer Leistungsquelle, die als Master-Leistungsquelle bezeichnet
wird, nicht nur zur Steuerung dieser Leistungsquelle ein, sondern
leitet das gleiche Master-Stromsignal auch den anderen Leistungsquellen zu.
Die anderen Leistungsquellen haben keine Schaltung zur Bildung eines
eigenen Steuersignals und keine eigene Fehlerverstärkung. Es
ist also nur ein Fehlerverstärker
und eine Rückkopplungsschaltung
in den elektrischen Lichtbogen-Schweißgeräten vorhanden. Es ist also
nicht jeweils ein eigener Fehlerverstärker und eine eigene Rückkopplungsschaltung
für jede
der zur Erhöhung
der Strom-Leistungsfähigkeit
parallel geschalteten einzelnen Leistungsquellen vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist gemäß Anspruch
1 ein elektrisches Lichtbogen-Schweißgerät vorgesehen, welches
mehrere Leistungsquellen zur Bereitstellung eines Gleichstroms vorgegebener
Größe umfasst, der
durch ein einziges einstellbares Steuersignal gesteuert wird. Der
Gleichstrom wird in einer Schweißstation mit einem Gleichstromeingang
und einem Ausgang verwendet, um einen Lichtbogenschweißstrom zwischen
einer Elektrode und einem Werkstück
fließen
zu lassen. Ein Sensor wie ein Shunt stellt den Bogenstrom fest.
Die mehreren Leistungsquellen umfassen eine Master-Leistungsquelle
und eine oder mehrere abhängige
Leistungsquellen. Die Master-Leistungsquelle
umfasst einen ersten Hochgeschwindigkeitsinverter vom Schaltertyp
mit einem Ausgangstransformator und einem Ausgangsgleichrichter
zur Herstellung eines Gleichstroms einer durch ein Master-Stromsignal
bestimmten Größe und einen
ersten Pulsbreitenmodulator, der mit hoher Frequenz betrieben wird
und einen Eingang für
eine Steuerspannung für
den Strom aufweist, der durch das Master-Stromsignal gesteuert wird
und einen Fehlerverstärker
zur Erzeugung eines Masterstromsignals, wel ches auf dem Vergleich
des einzigen Steuersignals und des festgestellten Bogenstroms am
Ausgang der Schweißstation
beruht. Die Master-Leistungsversorgung umfasst also ein Steuersignal
und eine Steuerschaltung zur Rückkopplung
des Fehlerverstärkers
zur Steuerung des Pulsbreitenmodulators in der Master-Leistungsversorgung.
Die mehreren Leistungsversorgungen, die das Schweißgerät bilden,
umfassen mindestens eine abhängige Leistungsversorgung,
die ebenfalls einen Inverter des Schaltertyps enthält, der
einen Ausgangstransformator und einen Ausgangsgleichrichter aufweist und
einen zweiten Gleichstrom einer Größe erzeugt, die durch das gleiche
Master-Stromsignal bestimmt ist, welches in der Master-Leistungsversorgung
verwendet wird, sowie einen zweiten Pulsbreitenmodulator, der bei
hoher Frequenz betrieben wird, der eine Eingangsspannung zur Steuerung
des Stroms aufweist, die mit dem Master-Stromsignal der Master-Leistungsversorgung
verbunden ist. Auf diese Weise werden die ersten und zweiten Gleichströme kombiniert
und bilden zumindest einen Teil des Eingangs-Gleichstroms der Schweißstation.
Wenn zwei Leistungsversorgungen die „mehreren Leistungsversorgungen" des elektrischen
Lichtbogenschweißgeräts bilden,
beträgt
in der Praxis der erste Gleichstrom 50% des erforderlichen Eingangsstroms.
Der zweite Gleichstrom der abhängigen
Leistungsversorgung liefert die anderen 50% des Stroms. Wenn in dem
elektrischen Lichtbogenschweißgerät drei Leistungsversorgungen
eingesetzt sind, liefert jede dieser Leistungsversorgungen 33,3%
des Eingangsstroms für
die Ausgangs-Schweißstation.
Die Anzahl der Leistungsversorgungen in dem elektrischen Lichtbogenschweißgerät bestimmt
somit automatisch den Anteil an dem zum Betrieb der Schweißstation
verwendeten Gleichstrom, wobei der Strom automatisch ausbalanciert
wird, da jede der Leistungsversorgungen das gleiche Master-Stromsignal
als Eingang seines Pulsbreitenmodulators verwendet. Es wird nur
ein einziges Steuersignal für
das elektrische Lichtbogenschweißgerät verwendet und nur ein einziger
Rückkopplungskreis
eingesetzt. Durch Anwendung dieser neuartigen Konzepte kann eine
Anzahl von relativ kleinen Leistungsversorgungen, beispielsweise
500 Ampere Leistungsversorgungen, in beliebiger Anzahl kombiniert
werden um den gewünschten
maximalen Schweißstrom
zustande zubringen. Sechs kleine Leistungsversorgungen von je maximal 500
Ampere werden zur Erzeugung eines Schweißstroms von 3000 Ampere kombiniert.
Durch die vorliegende Erfindung wird die Möglichkeit zur Kombination kleinerer
Leistungsversorgungen geschaffen, um ein elektrisches Lichtbogenschweißgerät mit extrem hohem
Ausgangs-Schweißstrom
zu schaffen. Es besteht keine Notwendigkeit, jedes Mal eine neue
Leistungsversorgung zu konstruieren, wenn die Stromanforderung erhöht wird.
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Entsprechend
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beträgt die hohe
Frequenz, die für
den Pulsbreitenmodulator der einzelnen Leistungsvorsorgungen eingesetzt
wird, wenigstens 18 kHz. Außerdem
umfasst die durch die mehreren Leistungsversorgungen angetriebene
individuelle Schweißstation
erste und zweite Transistorschaltungen wie z.B. IGBTs, die durch
die Torlogik auf zwei Steuerleitungen zwischen einem leitenden Zustand und
einem nicht leitenden Zustand hin und her geschaltet werden. Entsprechend
einem zweiten Aspekt der Erfindung können die Schalter nicht von
dem leitenden in den nicht leitenden Zustand umgeschaltet werden,
sofern nicht der Bogenstrom einen gegebenen Wert unterschreitet.
In der Praxis beträgt
der gegebene Wert ungefähr
100 bis 150 Ampere. Die Erfindung verwendet mehrere Leistungsvorsorgungen
an einer einzigen Schweißstation,
so dass große Schalter
notwendig sind und eine einzige Steuerung das Signal zum Umschalten
aus dem leitenden in den nicht leitenden Zustand bei dem ausgewählten gegebenen
Wert erzeugt. Die Master-Leistungsversorgung steuert das Umschalten
und die abhängige Leistungsversorgung
oder die abhängigen
Leistungsversorgungen fügen
lediglich Strom hinzu.
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Entsprechend
einem noch weiteren Aspekt der Erfindung umfasst der Ausgangstransformator
jeder der Leistungsversorgungen eine Wicklung, speziell eine Primärwicklung,
einen der Wicklung zugeordneten Stromsensor, wobei der Pulsbreitenmodulator der
individuellen Leistungsversorgung mindestens einen der Schalter
für eine
Zeit im nicht leitenden Zustand hält, während derer der Strom in der
Wicklung einen gegebenen Strom übersteigt.
Dies wird als die Antisättigungsschaltung
für den
Wickelkern bezeichnet, die in einen üblichen Standardpulsbreitenmodulatorchip
inkorporiert ist und zur Vermeidung von Überströmen in der Ausgangs-Schweißstation
verwendet wird.
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Entsprechend
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das neue elektrische Lichtbogenschweißgerät bei einer
Tandemschweißmaschine oder
einer Seite-an-Seite-Schweißmaschine
wie z.B. einer Rohrschweißeinrichtung
eingesetzt.
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Das
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines elektrischen
Lichtbogenschweißgerätes, welches
zur Erzeugung von hohen Schweißströmen zusammengesetzt
wird, indem mehrere individuelle kleinere Schweißleistungsquellen derart kombiniert
werden, dass die Aufteilung des Stroms auf die Leistungsquellen
zwangsweise gleichmäßig erfolgt.
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Noch
ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines elektrischen
Lichtbogenschweißgerätes wie
vorstehend beschrieben, welches mehrere parallel geschaltete Leistungsquellen
enthält,
wobei eine exzellente statische und dynamische Stromaufteilung zwischen
den einzelnen Leistungsquellen erhalten wird.
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Noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
elektrischen Lichtbogenschweißgerätes wie
vorstehend beschrieben, welches ein einziges Stromsteuerungssignal
und ebenso einen einzigen Fehlerverstärker und einen einzigen Rückkopplungskreis,
in analoger oder digitaler Form zur Steuerung der individuellen
Leistungsquellen zwecks genauer Aufteilung der Stromerfordernisse
des elektrischen Lichtbogenschweißgerätes verwendet.
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Diese
und weitere Ziele und Vorteile gehen aus der folgenden Beschreibung
im Zusammenhang mit den beigefügten
Zeichnungen hervor.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein kombiniertes Verdrahtungs- und Blockschaltbild des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung;
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2 ist
ein vereinfachtes Verdrahtungsschaubild des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung, wenn das Schweißgerät mehr als
zwei Leistungsversorgungen einsetzt;
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3 ist
ein Diagramm der von einem elektrischen Lichtbogenschweißgerät gemäß der Erfindung
mit zwei Leistungsquellen gelieferten Gleichströme;
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4 ist
ein Diagramm ähnlich 3,
welches die mangelhafte Stromaufteilung des Standes der Technik
wiedergibt;
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5 ist
ein Teil-Blockschaubild, welches den Einsatz der Antisättigungsschaltung
für den
Wickelkern des Pulsbreitenmodulatorchips der individuellen Leistungsquellen
gemäß 1 erkennen
lässt;
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6 ist
ein Blockschaubild des Einsatzes der vorliegenden Erfindung für eine Tandemanordnung
bzw. eine Anordnung Seite an Seite mehrerer Elektroden beim Rohrschweißen;
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7 ist
eine vergrößerte Ansicht
teilweise im Schnitt von Seite-an-Seite angeordneten und im Tandem
montierten Elektroden zum Einsatz der vorliegenden Erfindung gemäß 5.
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BEVORZUGTES
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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Die
Darstellungen in der Zeichnung dienen nur dem Zweck der Illustration
bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung und nicht dem Zweck ihrer Beschränkung. 1 zeigt
ein elektrisches Lichtbogenschweißgerät 10 zur Aufbringung
eines Schweißgleichstroms
Ia auf eine Schweißstation 12 des Schaltertyps,
die Transistorschalter Q1, Q2 zur Leitung des Schweißstroms über eine
Elektrode 14 und ein Werkstück 16 aufweist. Die
Schweißnaht wird
von den beiden Enden einer Rohrsektion, die zusammengeschweißt werden
sollen, oder durch eine Längsnaht
einer Rohrleitung gebildet. Das elektrische Lichtbogenschweißgerät besitzt
mehrere Leistungsversorgungen vom Invertertyp, von denen zwei in 1 als
Leistungsversorgung PSA und Leistungsversorgung PSB dargestellt
sind. Die Leistungsversorgung PSA ist eine besondere Leistungsversorgung,
die von der Anmelderin Lincoln Electric Company eingesetzt wird
und die Verwirklichung der vorliegenden Erfindung zur Aufbringung
eines Gleichstroms am Eingang der Schweißstation 12 erlaubt.
Die Leistungsversorgung PSA umfasst einen Inverter 20 des
Schaltertyps mit einem Standardhochfrequenzschaltsystem zur Bereitstellung
eines Gleichstroms an der Ausgangsstufe 22 ausgehend von
Energie des Gleichrichters 24, der von einer üblichen
Dreiphasenspannung auf den Leitungen L1, L2 und L3 angetrieben wird.
Die Ausgangsstufe 22 bildet einen Gleichstrom an den Eingangsanschlüssen 30 und 32 der
Schweißstation 12.
Die Ausgangsstufe umfasst einen Transformator 40 mit einer
Primärwicklung 42 und
einer Sekundärwicklung 44 mit einer
geerdeten Mittenanzapfung 46. Die Gleichrichterstufe 50 umfasst
in der in 1 wiedergegebenen Weise gepolte
Dioden 52, 54, 56 und 58 zur
Bildung des Gleichstroms an den Anschlüssen 30, 32 entsprechend
den Impulssignal auf der Eingangsleitung 60 zu einem Standard-Pulsbreitenmodulator 70,
der mit hoher Frequenz betrieben wird. Die hohe Frequenz beläuft sich
auf mehr als 18 kHz und wird durch den Oszillator 72 gesteuert.
In der Praxis wird eine digitale Ausführung eingesetzt. Der Eingang 74, der
analog ist, ist daher mit einem Gleichstrom/Wechselstromkonverter 76 versehen.
Impulse auf der Leitung 60 steuern den Ausgangsgleichstrom auf
den Anschlüssen 30, 32 und
die Höhe
des Stroms wird durch die Spannung des Master-Stromsignals auf der
Leitung 80 bestimmt. Die Größe der Spannung auf der Leitung 80 bestimmt
daher den Gleichstrom, der durch die Leistungsversorgung PSA auf
die Eingangsanschlüsse 30, 32 der
Schweißstation 12 geliefert
wird. Entsprechend der Erfindung wird das Master-Stromsignal auf der Leitung 80 durch
die Steuerung 100 erzeugt, die ein digitaler Steuerkreis
ist. Analoge Signale für
die Steuerung 100 müssen
daher umgewandelt werden. Die Verwendung der digitalen Form der
Spannung auf der Leitung 80 ist vorzuziehen. Die digitale
Form erlaubt eine Übertragung
mit geringem Geräusch.
Die Steuerung 100 hat ein Standard-Steuer-Eingangssignal, das
analog dargestellt werden kann als Ausgang des Potentiometers 102 zur
Steuerung der Spannung auf der Leitung 104. Ein derartiges
analoges Steuersignal wird durch die Steuerung 100 benutzt,
um den Betrieb am Ausgang zur Schweißstation 12 zu bestimmen.
Die analoge Spannung wird in der Steuerung 100 in eine
digitale Form umgewandelt. Bei der bevorzugten Ausführungs form
der vorliegenden Erfindung ist das Steuersignal ein digitales Signal
auf der zu der Steuerung 100 führenden Leitung 110. Eine
im wesentlichen standardmäßige Rückkopplung verwendet
einen Schweißstromsensor 120,
der als Shunt dargestellt ist, um auf der Leitung 122 eine
den Bogenstrom darstellende Spannung zu liefern. Dieses analoge
Signal wird der Steuerung 100 zugeführt, wo es in ein digitales
Signal zur Verarbeitung mit einer Standard-Software umgewandelt
wird. Eine digitale Fehlerverstärkungsschaltung 150 empfängt ein
Steuersignal, welches durch das Signal auf der Leitung 104 oder 110 gesteuert
wird, um einen Zusatzwert auf der ersten Eingangsleitung 152 des
Fehlerverstärkers 100 zu
bilden. Der andere Eingang 154 ist ein digitales Signal
des Konverters 156 worin die analoge Wiedergabe auf der
Leitung 122 in eine digitale Zahl umgewandelt wird. Die
beiden digitalen Zahlen auf den Leitungen 152, 154 werden
mittels üblicher
Technologie verarbeitet, was schematisch als der Fehlerverstärker 150 dargestellt
ist, um das Master-Stromsignal zubilden, welches eine digitale Zahl
auf der Leitung 80 ist. Die Schweißstation 12 umfasst
Transistorschalter Q1 und Q2, beispielsweise IGBTs, die zwischen
dem leitenden und nicht leitenden Zustand hin- und hergestaltet werden. Die Größe dieser
Schalter ist so gewählt,
dass sie den gesamten Schweißstrom
aufnehmen können.
Die Tor-Logik auf den Leitungen 170, 172 wird
durch die Steuerung 100 der PSA erzeugt. Diese Struktur
ist in der früheren
Anmeldung No. 233,235 wiedergegeben, die durch Bezugnahme hier eingeschlossen sein
soll. Die Steuerung erzeugt ferner einen synchronisierenden Ausgang
auf der Leitung 180, der dazu dient, eine Anzahl von separaten
Schweißgeräten entweder üblicher
Konstruktion oder unter Verwendung der vorliegenden Erfindung zu
koordinieren, wie es in 6 dargestellt ist. Durch die
Verwendung der Software einer einzigen Steuerung 100 ist die
Eigenschaft des reduzierten Umschaltstroms ermöglicht.
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Entsprechend
der bisherigen Beschreibung liefert die Leistungsquelle PSA, die
als „Master"-Leistungsquelle
anzusehen ist, Gleichstrom an die Anschlüsse 30, 32 entsprechend
dem Master-Stromsignal auf der Leitung 80. Die Erfindung
setzt mehrere Leistungsquellen ein, was mindestens eine abhängige Leistungsquelle
umfasst, die als Leistungsquelle PSB dargestellt ist. Diese abhängige Leistungsquelle ist
im wesentlichen die gleiche wie die Master-Leistungsquelle PSA,
mit der Ausnahme, dass sie nicht eine separate Steuerung 100 oder
eine separate Rückkopplung
umfasst. PSB enthält
einen Standardumschalt-Konverter 200 wie den Inverter 20,
mit einer Ausgangsstufe 202, die im wesentlichen die gleiche
wie die Ausgangsstufe 22 des Inverters 20 ist. Der
Gleichstrom auf den Leitungen 204 und 206 wird den
Eingangsanschlüssen 30, 32 der
Schweißstation 12 zugeleitet,
so dass die Ströme
von PSA und von PSB kombiniert werden und so den Eingangsstrom für die Schweißstation
bilden. Wie bei der Leistungsquelle PSA umfasst die Leistungsquelle
PSB einen Gleichrichter 210, der durch die Dreiphasenleitungsspannung
L1, L2 und L3 in einer Weise betrieben wird, dass die Impulse auf
der Eingangsleitung 212 den mit hoher Frequenz oberhalb
18 kHz betriebenen Pulsbreitenmodulator 220 steuern, der
durch die Frequenz des Oszillators 222 gesteuert wird.
Der Ausgangsstrom auf den Leitungen 204 und 206 wird durch
das digitale Spannungsbildende Stromsignal auf der Leitung 80 gesteuert,
welches durch den Konverter 224 in ein analoges Signal
umgewandelt worden ist. Die Erfindung beinhaltet die Verwendung
von mehr als zwei Leistungsquellen bei einem elektrischen Lichtbogenschweißgerät 10.
Die Leitung 80 für das
Master-Stromsignal ist daher fortführend dargestellt. Diese Leitung
dient dann zur Steuerung einer dritten Leistungsquelle PSC, wie
in 2 dargestellt. Die dritte Leistungsquelle erzeugt
ihren eigenen Strom auf den Leitungen 230, 232 die
parallel an die Eingangsanschlüsse 30, 32 angeschlossen
sind.
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Im
Betrieb wird die Schweißstation 12 durch Steuersignale
auf den Leitungen 104 oder 110 gesteuert. Der
digitale Rückkopplungskreis
führt den gemessenen
Bogenstrom in digitaler Form auf der Leitung 154 zum Vergleich
mit der digitalen Information auf der Leitung 152, um das
digitale Master-Stromsignal auf der Leitung 80 zu bilden.
Natürlich
sind die „Leitungen" der 1 Darstellungen
der Softwareverarbeitung von digitalen Daten. Das Master-Stromsignal
ist repräsentativ
für die
Differenz zwischen dem gewünschten
Strom und dem tatsächlichen
Ausgangsstrom. Dieses Signal ist im allgemeinen reziprok zur Zahl
der Leistungsquellen in dem elektrischen Lichtbogenschweißgerät 10.
In der Darstellung der 1 ist das Master-Stromsignal
ein solches, welches von jeder der Leistungsquellen die Hälfte des
gewünschten
Stroms verlangt. In 2 verlangt das Master-Stromsignal
von jeder Leistungsquelle ein Drittel des gewünschten Stroms. Infolgedessen
wird jede der Leistungsquellen die gleiche Strommenge liefern, wobei
die Strommengen an den Eingängen 30, 32 zur
Bildung des gewünschten Schweißstroms
addiert werden. Das Schweißgerät 10 besitzt
exzellente statische Eigenschaften der Aufteilung des Stroms und
erlaubt die Kombination einer großen Zahl von Leistungsquellen
mit geringem Nennstrom zur Bildung von hohen Ausgangsströmen für das elektrische
Lichtbogenschweißgerät 10.
Die Betriebsweise des Lichtbogenschweißgeräts 10 ist schematisch
in 3 dargestellt, worin die Kurve 300 der
Gesamt-Lichtbogenschweißstrom
ist, der 50% von der Leistungsquelle PSA, dargestellt durch die
Kurve 302, und 50% von der Leistungsquelle PSB, dargestellt
durch die Kurve 304, umfasst. Durch Verwendung eines einzigen
digitalen Master-Stromsignals, dargestellt durch die Leitung 80,
zur Steuerung aller das Schweißgerät bildender
Leistungsquellen, produziert jede Leistungsquelle einen gleichen
Anteil des Gesamtstroms. Ein einziger Rückkopplungsschaltkreis stellt
diesen Strombetrag ein. Es können
kleine Leistungsquellen kombiniert werden, um ein Schweißgerät mit Ausgangsströmen von mehr
als 2000 bis 3000 Ampere zu bilden. Beim Stand der Technik gemäß 4 haben
die Ausgangsströme
parallel geschalteter Leistungsquellen ihrer eigenen Steuersignale,
Steuerungen und Rückkopplungsschaltkreise,
was in den Kurven 310, 312 resultiert, die keine
gleichen Strombeiträge
darstellen.
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1A illustriert
eine geringfügige
Modifikation der Schweißstation 12 des
elektrischen Lichtbogenschweißgeräts 10.
Obwohl die Schweißstation nicht
Teil der Erfindung ist, ist eine alternative Schweißstation 12a dargestellt.
In dieser Station liefern die Transistorschalter Q1, Q2 Schweißstrom Ia an einen Ausgangskreis mit einer in Reihe
geschalteten Drossel 374a anstelle der in der Mitte angezapften
Drossel 174 des bevorzugten Ausführungsbeispiels. Beide Ausführungsformen
der Schweißstation verwenden
mehrere Leistungsquellen, wie PBSA, PBSB, PBSC, etc.
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Beim
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist jede der Leistungsquellen mit einem
Schaltkreis zur Vermeidung von Überströmen insbesondere
während
der Startphase versehen. Der für
die Leistungsquellen eingesetzte Schaltkreis ist zum Einsatz in
der Leistungsquelle PSA wiedergegeben. In der Praxis wird der gleiche
Schaltkreis für
alle Leistungsquellen verwendet. Der Pulsbreitenmodulator 70 umfasst
einen Standardantisättigungskreis,
der durch das Spannungsniveau an dem Anschluss AS betätigt wird.
Der Ausgangstransformator 40 umfasst einen Strom wandler 320 zur
Ermittlung des Stroms Ip in der Primärwicklung,
wie durch den Kasten 322 angedeutet. Die Spannung auf der
Leitung 324 hat einen den Strom in der Primärwicklung
darstellenden Wert. Wenn die Spannung auf der Leitung 324 über einen
bestimmten Wert hinaus zunimmt, blockiert der Antisättigungsschaltkreis in
dem PWM-Chip den
Betrieb eines der Schalter oder FET in dem Inverter 20,
um den Ausgangsstrom in der Primärwicklung 42 zu
reduzieren. Auf diese Weise wird im Sinne der üblichen Praxis der Ausgangsstrom
der Leistungsquelle beschränkt,
um einen Betrieb unter Überstrom
zu vermeiden.
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Wie
in den 6 und 7 dargestellt ist, besitzt die
Erfindung eine beträchtliche
Anpassungsfähigkeit
und kann in vielen Anwendungsfällen
eingesetzt werden, die hohe Schweißströme erfordern. Die 6 und 7 zeigen
2 separate elektrische Lichtbogenschweißgeräte 10 und 10a,
die beide entsprechend der Erfindung aufgebaut sind. Das Schweißgerät 10b ist
ein Standardschweißgerät, welches
nur die Master-Leistungsquelle aufweist. Die Schweißgeräte 10, 10a, 10b werden
beim Rohrschweißen
eingesetzt, wobei drei Elektroden 14, 330 und 332 entlang
dem Spalt zwischen den das Werkstück 16 bildenden Platten 340, 342 bewegt
werden. Die Elektroden sind Seite an Seite, aber auch als Tandem
dargestellt und werden zu gemeinsamer Bewegung auf einem Wagen 350 gehalten,
der gestrichelt dargestellt ist. Die drei Elektroden werden durch
einen Wagen 350 zusammengehalten, der in der durch den Pfeil
a bezeichneten Richtung entlang der Fügestelle zwischen den Platten 340, 342 bewegt
wird. Die drei Elektroden sind so dargestellt, dass sie durch drei
separate elektrische Lichtbogenschweißgeräte 10, 10a und 10b betrieben
werden, um eine einheitliche Schweißoperation zu vollführen. Natürlich kann
eine Einzelelektrode, können
Elektroden Seite an Seite und/oder eine Tandemanordnung von zwei
oder mehr Elektroden mit separatem elektrischem Lichtbogenschweißgerät verwendet
werden. Beim Einsatz von separaten Schweißgeräten für die Elektroden werden die
Schweißstationen 12 entweder
bei unterschiedlichen Frequenzen oder bei der gleichen Frequenz
mit einer entsprechend justierten Phase betrieben, wie es bei 360, 362 in 6 dargestellt
ist. Jedes der Schweißgeräte 10, 10a und 10b umfasst seine
eigene Steuerung 100, 100a und 100b,
die die Frequenz der logischen Torsignale auf den Leitungen 170, 172 steuern.
Das Synchronisierungssignal 180 steuert die Lage der Ausgangs-Stromimpulse unter Einsatz
der Steuerungen 100a und 100b. Die Phase oder
die Versetzung bei den Schweißgeräten 10a und 10b wird
durch die Phaseneinsteller 360, 362 eingestellt.
Auf diese Weise ist die niederfrequente Umschaltung der Transistorschalter
Q1, Q2 für
alle Schweißgeräte in verschiedener
Phase. Dies verhindert eine Interterenz zwischen den die Elektroden durchsetzenden
Ströme.
Erfindungsgemäß können an
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, wie z.B. die Auswahl
der Anzahl der Leistungsquellen, die durch ein einziges Master-Stromsignal
betrieben werden und die Auswahl der Art der Schweißstationen
und Elektrodenanordnungen. Sie können
analog oder digital betrieben werden.
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Das
Verarbeitungsformat ist digital; es ist jedoch analog dargestellt
und kann analog sein. Tatsächlich
sind die PWM Clips 70, 220 analog. Sie können in
der nachfolgenden Generation der Erfindung digitalisiert sein.