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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des elektrischen
Lichtbogenschweißens und
besonders auf eine Leistungsversorgung für elektrisches Lichtbogenschweißen mit
einem Wechselstrom-Bogenstrom.
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Die
entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgelegte Leistungsversorgung
dient zur Erzeugung von positiven und negativen Stromimpulsen hoher
Intensitat, die im Allgemeinen 1000 Ampere überschreiten. Die einzelnen
Impulse werden durch einen Impulsbreitenmodulator erzeugt, der entsprechend
der üblichen
Praxis Schalter betätigt.
Da die Schalter die Polarität
bei hoher Spannung ändern müssen, ist
die Leistungsversorgung so ausgelegt, dass sie das Umschalten von
einer Polarität
zur nächsten
entgegengesetzten Polarität
bei verringertem Stromniveau durchführt. Die Technik ist in der früheren Anmeldung
US-A-6111216 eingereicht am 19. Januar 1999 für eine andere Art von Stromimpulsen
offenbart. Diese frühere
Anmeldung zeigt eine Technik zum Umschalten der Polarität von Strömen bei
verringertem Niveau in einem Hochstromlichtbogenschweißgerät. Eine
Technik zur Lieferung alternierender Polaritäten in einer Leistungsversorgung mit
Invertern für
das Rohrschweißen
ist in Stava
US 6051810 gezeigt.
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US-A-4292497 offenbart
eine Leistungsversorgung, die an eine Wechselstrom-Netzspannungsquelle
für elektrisches
Lichtbogenschweißen
angeschlossen ist, wobei ein Wechselstrom-Bogenstrom über den
Spalt zwischen einer Elektrode und einem Werkstück fließt, worin die Leistungsversorgung
einen Transformator hoher Kapazität umfasst, um die besagte Netzspannung
in eine Wechselstromausgangspannung umzuformen, einen Gleichrichter
zur Umformung der Wechselstrom-Ausgangsspannung in
eine Gleichspannung zwischen einem positivem Anschluss und einem
gemeinsamen Anschluss im Wesentlichen auf der Spannung null und
einen negativen Anschluss und den gemeinsamen Anschluss.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei
der Herstellung von Rohren mit einer geschweißten Naht ist es üblich, mehrfache
Wechselstromlichtbögen
bei äußerst hohen
Stromniveaus wie über
1000 bis 2000 Ampere einzusetzen. Die kostengünstigere Leistungsversorgung
zur Erzeugung derartiger ultrahohen Schweißströme ist ein Schweißgerät auf Transformatorbasis
mit einem sinusförmigen Ausgangsstrom.
Diese Leistungsversorgung erfordert nur einen großen, schweren
Transformator und die zugehörige
Steuerschaltung. Um jedoch hohe Schweißströme zustande zu bringen, muss
der sinusförmige
Ausgang einen extrem hohen Scheitelstrom aufweisen, verglichen mit
dem Heizstrom, der durch den quadratischen Mittelwert der Sinuswelle bestimmt
ist. Diese relativ kostengünstige
Leistungsversorgung kann den erforderlich hohen Strom erzeugen,
führt jedoch
zu Scheitelströmen,
die den Schweißvorgang
ernsthaft beeinträchtigen.
Um diese Nachteile eines elektrischen Lichtbogenschweißgeräts vom Sinustyp
zu vermeiden, ist es heute übliche Praxis,
Leistungsversorgungen einzusetzen, die auf einer hochfrequenten
Umschalttechnik basieren. Diese Leistungsversorgungen vom Umschalttyp
richten die eingehende Netzspannung gleich, um eine Gleichspannungsverbindung
zu erzeugen. Diese Gleichspannungsverbindung wird auf die Primärspule eines
Ausgangstransformators als alternierende Impulse durchgeschaltet,
um einen Ausgangsstrom zu schaffen, der den Schweißstrom für den Wechselstrombogen
bildet. Impulsbreitenmodulatoren bestimmen die Frequenz in der Primärwicklung
des Ausgangstransformators. Entsprechend sind die Impulse am Ausgang
des Transformators im Wesentlichen Rechteckwellen. Der quadratische
Mittelwert des Sekundärstroms
ist daher im Wesentlichen der gleiche wie der maximale Ausgangsstrom
der Leistungsversorgung. Auf diese Weise benötigt der Schweißstrom keine
hohen Scheitelströme,
um den erwünschten
quadratischen Mittelwert des Stroms zur Erwärmung zu erhalten. Dementsprechend
vermeidet die Leistungsversorgung des Invertertyps den Nachteil
der Leistungsversorgung vom Sinustyp bei der Durchführung von
elektrischen Lichtbogenschweißungen
mit hohem Strom des für
die Nahtschweißung
von Rohren benötigten
Typs. Aus diesem Grund ist man beim Rohrschweißen auf die Invertertechnologie übergegangen.
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Trotz
ihres verbreiteten Einsatzes zum Rohrschweißen bilden die Inverter ein
Dilemma. Die üblichen
Leistungsversorgungen des Invertertyps haben im Allgemeinen eine
maximale Ausgangsleistung im Bereich von 500 Ampere. Zur Bereitstellung
einer Leistungsversorgung vom Invertertyp für hohe Ströme oberhalb 1000 bis 2000 Ampere
müsste
ein spezieller Inverter entworfen und konstruiert werden. Dies beinhaltet
erhebliche Kosten und hochtrainierte Elektriker und Schweißingenieure.
Doch hat eine solche Leistungsversorgung hoher Kapazität ein relativ geringes
Verkaufsvolumen. Hochstrom-Inverter zur Verwendung beim Rohrschweißen sind
daher nicht auf wirtschaftliche Weise bereitstellbar und erfordern eine
lange Entwicklungszeit. Zur Überwindung
dieser Nachteile hat die The Lincoln Electric Company eine Leistungsversorgung
mit einem Hauptinverter entwickelt, wobei ein oder mehrere Folgeinverter
gemeinsam gesteuert und betrieben werden. Wenn der Schweißvorgang
einen Strom oberhalb 1500 Ampere erfordert, arbeiten die drei Inverter
parallel. Der Nenn-Ausgangsstrom
des zusammengesetzten Inverters wird gegenüber einem einzigen im Handel
erhältlichen
Inverter verdreifacht. Eine Erhöhung
der Anzahl gemeinsam betriebener Inverter zwecks Schaffung eines
Hochstrom-Schweißgeräts ist teuer, erreicht
jedoch die gewünschten
Resultate.
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Es
besteht ein Bedarf an einer Hochstrom-Leistungsversorgung, die einen
Schweißwechselstrom
mit einem quadratischen Mittelwert des Stroms von mehr als 1000
bis 2000 Ampere ohne das Erfordernis der Parallelschaltung mehrer üblicher
Inverter für
geringeren Strom aufweist. Derartige Hochstrom-Leistungsversorgungen
zum Einsatz beim elektrischen Lichtbogenschweißen von Rohren dürfen nicht
das Scheitelstromproblem aufweisen, welches von einer Leistungsversorgung
vom Sinustyp gezeigt wird.
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DIE ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Leistungsversorgung
für das
Hochstrom-Lichtbogenschweißen
mit Wechselstrom. Die Leistungsversorgung kann auf der Baustelle
für das Rohrschweißen und
andere Hochstrom-Anwendungen
eingesetzt werden. Ein Transformator wandelt Netz-Wechselspannung,
sei es Einphasen- oder Dreiphasen-Netzspannung, in eine niedrige
Ausgangs-Wechselspannung
um, beispielsweise 70 bis 100 Volt. Diese Ausgangsspannung wird
gleichgerichtet und treibt zwei übliche
Zerhackermodule, die beide durch einen gemeinsamen Impulsbreitenmodulator
betrieben werden. In einigen Fällen
kann jeder Modul durch einen besonderen Impulsbreitenmodulator betrieben
werden. Eine im Wesentlichen übliche
Steuerung mit einer Mikroprozessor-Steuerung stellt die Impulsbreite
und damit die Größe der positiven
und negativen Stromimpulse ein, die den Schweiß-Wechselstrom bilden. Diese relativ kostengünstige Leistungsversorgung
kann größere Invertereinheiten
ersetzen, ohne dass wesentliche Entwicklungszeit erforderlich wäre. Der
einzige Nachteil der Erfindung ist ihr hohes Gewicht aufgrund des
großen Eingangstransformators;
das Gewicht ist jedoch beim Rohrschweißen oder anderen Hochstrom-Anwendungen
kein ernsthaftes Problem. Durch den Einsatz der Erfindung ist die
Leistungsversorgung robust und baulich einfach. Die Leistungsversorgung ist
aus ohne weiteres erhältlichen
Komponenten aufgebaut.
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Entsprechend
der vorliegenden Erfindung ist eine an eine Quelle einer Netz-Wechselspannung anschließbare Leistungsversorgung
geschaffen, die zum elektrischen Lichtbogenschweißen mit
Wechselstrom durch einen Wechselstrombogen über den Spalt zwischen Elektrode
und Werkstück
dient. Die Elektrode liegt in Form eines sich vorwärts bewegenden
Drahtes vor, der durch den Lichtbogen geschmolzen und auf dem Werkstück deponiert
wird. In der Praxis ist das Werkstück der Spalt oder Stoß zwischen
zwei Rohrabschnitten. Die Netzspannung ist einphasig oder dreiphasig
mit einer Spannung zwischen 200 Volt und 600 Volt Wechselstrom.
Die Frequenz ist normalerweise 50 Hertz oder 60 Hertz. Die erfindungsgemäße Leistungsversorgung
verwendet einen großen
Transformator hoher Leistungsfähigkeit zur
Umwandlung der Netzspannung in eine Wechselstrom-Ausgangsspannung
von weniger als ungefähr 100
Volt Wechselstrom. Ein Gleichrichter wandelt die Ausgangs-Wechselspannung
in eine Gleichspannung um. Diese Gleichspannung hat ein positives Potential
an einem ersten und ein negatives Potential an einem zweiten Anschluss.
Der dritte, gemeinschaftliche Anschluss liegt ungefähr auf der
Spannung null. Der Anschluss mit der Spannung null ist vorzugsweise
die Erdung des Systems für
die Gleichrichtung und die Schweißung. Der gemeinschaftliche Anschluss
kann jedoch die Verbindungsstelle zwischen zwei im Wesentlichen
gleichen Kondensatoren sein, die hintereinander zwischen den positiven
und negativen Anschlüssen
des Gleichrichters angeschlossen sind. Dieser gemeinschaftliche
Anschluss oder diese gemeinschaftliche Verbindungsstelle wirkt mit
den positiven und negativen Anschlüssen des Gleichrichters zusammen
und liefert Gleichspannung, entweder positiv oder negativ. Ein Schaltkreis umfasst
einen ersten Schalter zur Verbindung der positiven Anschlüsse mit
dem gemeinschaftlichen Anschluss und über den Spalt, wenn ein Signal
eines Gatters oder eine gegebene Logik dem ersten Schalter zugeführt wird,
und einen zweiten Schalter zur Verbindung des negativen Anschlusses
mit dem gemeinsamen Anschluss und über den Spalt, wenn ein Signal
eines Gatters oder eine gegebene Logik dem zweiten Schalter zugeführt werden.
Ein Impulsbreitenmodulator erzeugt das Signal des Gatters in Form von
Impulsen mit einer Impulsfrequenz von mindestens ungefähr 18 kHz.
Ein erstes logisches Gatter führt
das Signal des Gatters für
eine erste Zeitdauer dem ersten Schalter zu, d. h. einen positiven
Stromteil, und ein zweites logisches Gatter führt das Signal des Gatters
für eine
zweite Zeitdauer dem zweiten Schalter zu, d. h. einen negativen
Stromteil. Eine Steuerung betreibt die logischen Gatter oder Tore
alternierend, um einen Bogen-Wechselstrom zu schaffen, der zwischen
den Stromteilen einander entgegen gesetzter Polarität alterniert.
Die Einschaltzeit des ersten Schalters, d. h. der positive Teil,
kann von der des zweiten Schalters, d. h. dem negativen Teil, verschieden
sein. Zusätzlich
kann die Betriebszeit des Impulsbreitenmodulators während der
ersten Zeit von der während
der zweiten Zeit verschieden sein. Dies ruft eine unterschiedliche
Amplitude für
die alternierenden positiven und negativen Stromteile oder Stromimpulse
hervor, die den Bogen-Wechselstrom über den Luftspalt der Schweißung erzeugen. Der
Bogen schmilzt die sich vorwärts
bewegende Drahtelektrode und deponiert geschmolzenes Metall auf
dem Werkstück,
welches in der Praxis eine Rohrnaht ist.
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Entsprechend
einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Steuerung
für die Leistungsversorgung
einen Ausgangsanschluss, an dem ein Schalter angebracht ist, der
ein Signal eines ersten logischen Zustandes während einer ersten Zeit, d.
h. einen positiven oder negativen Ausgangsstrom, und eines zweiten
logischen Zustand während der
zweiten Zeit, d. h. eine entgegengesetzte Strompolarität, ermöglicht.
Es sind Mittel vorhanden, um die Impulse von dem Impulsbreitenmodulator
während
der ersten Zeit dem ersten Schalter und dann während der zweiten Zeit dem
zweiten Schalter zuzuführen.
Entsprechend einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung
ist parallel zu dem Spalt der Schweißung eine bidirektionale, jedoch
wählbare Freilaufschaltung
vorgesehen. Diese Schaltung ist entweder eine parallele oder eine
Reihenschaltung. Bei jeder Auslegung werden die Dioden während der ersten
und zweiten Zeitabschnitte selektiv aktiviert. Diese wählbaren
Freilaufdioden sind auf der Innenseite des Induktors in der äußeren Schaltung
des Schweißgeräts angebracht.
Alternativ ist ein in der Mitte angezapfter Induktor für die gesteuerte
induktive Impedanz vorgesehen. Bei dieser Architektur sind die Freilaufdiodenschaltungen
an den einander gegenüberliegenden
Enden des in der Mitte angezapften Induktors oder der entsprechenden
Drossel angeordnet.
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Das
Hauptziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Leistungsversorgung,
die zur Erzeugung eines hohen Schweiß-Wechselstroms bei Einsatz
relativ kostengünstige
Komponenten mit geringem Entwicklungsaufwand gestattet.
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Ein
weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer
Leistungsversorgung der vorstehend definierten Art, die einen quadratischen
Mittelwert der Heizleistung ohne die Scheitelströme aufweist, die mit Leistungsversorgungen
vom Sinustyp einhergehen.
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Noch
ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Leistungsversorgung
der vorstehend definierten Art, die den Vorteil von parallel geschalteten
Invertern aufweist, bzw. von großen teuren Invertern, ohne
den Kostenaufwand und die Komplexität derartiger parallel geschalteter
Inverter.
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Noch
ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer
Leistungsversorgung der vorstehend beschriebenen Art die zur Gewinnung
eines Schweiß-Wechselstroms
die Einfachheit eines Zerhackers aufweist.
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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 Schaltbild des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung;
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1A ist
ein Logikdiagramm eines Teils des Schaltbildes nach 1;
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2 ist
ein Teilschaltbild einer Modifikation der bidirektionalen Freilaufschaltung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
ein Impulsdiagramm der dem Schweißvorgang zugeleiteten Impulse
mit ausgeglichener Amplitude und gleicher Breite der Stromanteile
entgegengesetzter Polarität;
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3A ist
ein Stromdiagramm ähnlich 3 mit
einer geringeren Amplitude jedes der Teile des Schweißstroms;
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4 ist
ein Impulsdiagramm ähnlich
jenem aus 3 mit einer geringeren Amplitude
für jeden der
Schweißabschnitte.
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4A ist
ein Stromdiagramm des Stroms, wie er sich aus dem Impulsdiagramm
der 4 ergibt;
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5 ist
ein Impulsdiagramm, welches verschiedene Amplituden für die positiven
und negativen Stromanteile des Schweißwechselstroms erkennen lässt;
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5A ist
ein Stromdiagramm des sich aus dem Impulsdiagramm der 5 ergebenden
Stroms;
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6 ist
ein Impulsdiagramm, welches Stromimpulse unterschiedlicher Größe und Impulsbreite für die Stromanteile
einander entgegengesetzter Polarität erkennen lässt;
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6A ist
ein Stromdiagramm, welches den Strom erkennen lässt, der sich aus dem Impulsdiagramm
nach 6 ergibt;
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7 bis 9 sind
alternative Ausführungsformen
der Erfindung nach 1;
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10 ist
ein kombiniertes Blockschaltbild und Schaltbild einer früheren Leistungsversorgung;
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10A ist ein Stromdiagramm, welches den Schweißwechselstrom
einer Stufe der Stromversorgung nach 10 erkennen
lässt;
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10B ist ein Stromdiagramm, welches den kombinierten
Ausgangs-Schweiß-Wechselstrom der
Leistungsversorgung nach 10 erkennen lässt;
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11 ist
ein Schaltbild einer sehr einfachen Leistungsversorgung zur Erzeugung
hoher Ströme, wie
sie beim Rohrschweißen
Verwendung finden;
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11A ist der Sinuswellenausgangsstrom der in 11 wiedergegeben
Leistungsversorgung des Standes der Technik bei einem mittleren
Ausgangsstrom von 500 Ampere;
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11B ist der Sinuswellenausgangsstrom einer in 11 dargestellten
Leistungsversorgung des Standes der Technik bei einem Ausgangs-Schweiß-Wechselstrom
mit einem Scheitelstrom von 1500 Ampere;
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12 ist
ein Impulsdiagramm einer weiteren Modifikation der Erfindung, welche
eine schrittweise Stromverringerung am Ende jedes Stromanteils des
Schweißstroms
erkennen lässt;
und
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13 ist
eine Darstellung eines einzelnen Gatterimpulses, die die schrittweise
Verringerung in der Breite bei der Modifikation nach 12 erkennen lässt.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In
den Zeichnungen, bei denen die Darstellung nur zum Zweck der Illustration
bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung und nicht zum Zweck von deren Beschränkung dient,
zeigt 1 eine Leistungsversorgung A mit einem Hochfrequenz-Inverter
zur Erzeugung eines Ausgangs-Schweiß-Wechselstroms von wenigstens 1000
bis 2000 Ampere über
den Schweißspalt
zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W, welches in der Praxis
der Stoß zwischen
zwei benachbarten Rohrabschnitten J und K ist. Entsprechend der üblichen
Praxis ist ein Induktor C vorgesehen, der eine induktive Impedanz
aufweist, die den Strom durch die Schweißstelle glättet, die durch die Elektrode
E und das Werkstück
W gegeben ist. Die Elektrode E ist ein sich vorwärts von einer Vorratsspule
R bewegender Draht, der durch den von dem Schweiß-Wechselstrom gebildeten Bogen geschmolzen
wird. Das Werkstück
W mit den Rohrabschnitten J, K ist bei G geerdet. Diese Erdung ist
eine Erdungsschiene oder ein Bus auf der Spannung null, die die positiven
und negativen Stromanteile definieren. Der Wechselstrom der Schweißoperation
wird durch einen Shunt S detektiert bzw. festgestellt, der ein Rückkopplungssignal
erzeugt, welches die Größe des Schweißstroms
steuert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die
Leistungsversorgung A einen Transformator 10 mit einem
Eingang der Netzspannung, die als Dreiphasen-Netzspannung dargestellt ist. Die Netzspannung
hat eine Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz. Diese niedrige Frequenz
und die hohe Leistungsfähigkeit
lassen den Transformator relativ groß werden. Er erzeugt eine Energie
von mindestens 40 bis 50 kW. Am Ausgang des Transformators liegt
eine Ausgangs-Wechselspannung von weniger als 100 Volt. Die Eingangs-Netzspannung
variiert zwischen 220 und 600 Volt Wechselstrom. Die Ausgangsspannung
des Transformators 10 wird dem Gleichrichter 12 zugeführt, der
einen positiven Anschluss 20, einen negativen Anschluss 22 und
eine Nullspannungsanschluss 24 aufweist. Vorzugsweise ist
der Nullspannungsanschluss die Erdung G. Der positive Anschluss 20 ist
mit einer Leistungsleitung 30, der negative Anschluss 22 mit
einer Leistungsleitung 32 verbunden. Der positive Schalter 40 in
Form eines FET oder IGBT umfasst eine antiparallele Diode 40a parallel
zu einer Drossel 40b und gesteuert durch eine gegebene
Logik auf dem Gatter 40c. Die Logik auf dem Gatter 40c macht
den positiven Schalter leitend. Das Fehlen einer Logik oder einer
Spannung auf dem Gatter 40c schaltet den positiven Schalter 40 aus.
In ähnlicher
Weise ist ein negativer Schalter 42 vorhanden, bei dem
eine antiparallele Diode 42a parallel zu einer Drossel 42b liegt
und durch eine gegebene Logik auf dem Gatter 42c gesteuert wird.
Die Logik oder Spannung auf den Gattern 40c, 42c steuern
die Leitfähigkeit
der Leistungsschalter 40 bzw. 42. Die Logik oder
Spannung an den Gattern 40c, 42c steuern die Leitfähigkeit
der Leistungsschalter 40 bzw. 42. Diese Schalter
werden alternierend bei einer Frequenz betätigt, die für den Schweiß-Wechselstrom
erwünscht
ist. Wenn der Schalter 40 leitet, fließt ein positiver Strom durch
den Induktor C über
die Schweißstelle
zum Erdungsanschluss 24 des Gleichrichters 12.
Der negative Schalter 42 veranlasst einen Stromfluss von
der Erdung G in entgegen gesetzten Richtung durch den Schweißspalt und
den Induktor C. Durch abwechselnde Betätigung der Schalter 40 und 42 wird
in dem Schweißspalt
zwischen der Elektrode und dem Werkstück ein Wechselstrom erzeugt.
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Erfindungsgemäß werden
die Schalter
40,
42 für eine Zeitdauer aktiviert,
während
derer der Schalter selbst rasch zwischen dem leitenden in den nichtleitenden
Zustand hin und her geschaltet wird, um hochfrequente Impulse von
den Anschlüssen
20 oder
22 durch
die Schweißstelle
zu leiten. Der Schalter
40 wird für einen ersten Zeitraum eingeschaltet und
der Schalter
42 für
einen zweiten Zeitraum, d. h. den negativen Teil eingeschaltet.
Der „erste
Zeitabschnitt" kann
entweder der positive oder der negative Betriebszustand sein. Durch
hin und her schalten zwischen diesem ersten und zweiten Zeitabschnitt wird
die Frequenz des Schweiß-Wechselstroms
gesteuert. Die Größe des Stroms
wird durch die Strommenge bestimmt, die während des ersten Zeitabschnitts
und des zweiten Zeitabschnitts fließen kann. Zur Steuerung dieses
Betriebs ist eine im Großen und
Ganzen übliche
Steuerung
50 vorgesehen, die einen Rückkopplungseingang
52 des
Bogenstroms umfasst, der die auf der Leitung
52a gemessene Spannung
empfängt,
um ein Maß für den tatsächlichen
Schweißbogenstrom
zu haben. Ein Ausgang
54 der Stromsteuerung wird einem
Fehlerverstärker
60 zugeleitet,
der einen ersten Eingang
62 für das Stromsteuersignal der
Steuerung
50 und einen zweiten Eingang
64 für das tatsächliche
Strom-Rückkopplungssignal
auf der Leitung
52a erhält.
Diese beiden Eingänge
des Verstärkers
erzeugen auf der Ausgangsleitung
66 ein Fehlersignal, welches
dem Spannungssteuereingang des Impulsbreitenmodulators
70 zugeleitet
wird, der von einem Oszillator
72 angetrieben wird, der
bei mindestens 18 kHz arbeitet. Das Spannungsniveau auf der Leitung
62 steuert
die Impulsbreite der Signale auf der Leitung
66. Die Steuerung
50 ist
so programmierbar, dass sie die Spannung auf der Leitung
62 verändert und
für einen gegebenen
Zeitabschnitt in dem Schweißprozess dem
gewünschten
Strom bzw. die gewünschte
Wellenform ergibt. Tatsächlich
kann der Strom während eines
einzigen positiven oder negativen Stromteils variiert werden, wie
es in dem
US Patent 6051810 Stava
gezeigt ist.
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In
der Ausgangsleitung 74 des Impulsbreitenmodulators wird
entsprechend der Standard-Schweißtechnologie ein Gattersignal
aus Impulsen hoher Frequenz erzeugt. Die Impulse auf dieser Leitung
haben eine Breite, die durch das Spannungsniveau auf der Leitung 66 bestimmt
ist um den Arbeitszyklus für
die Impulse zu bestimmen, die das Gattersignal auf der Leitung 74 bilden.
Die Leitung 74 ist am besten in dem Logikdiagramm der 1A wiedergegeben,
worin ein die Signalleitung 80 aktivierender Schalter eine
Logik aufweist, die durch den Aktivierungsausgang 56 mit
der Bezeichnung E an der Steuerung 50 gesteuert wird. Das
logische Signal auf der Leitung 80 steuert die NAND-Gatter 82, 84, die über Puffer 82a, 84a mit
den Gattern 82b, 84b verbunden sind, die als optische
Ankopplungen dargestellt sind. Die Kopplungen sind Standard und
umfassen Empfänger 82c, 84c und
isolierte Leistungsversorgungen (B) 82d, 84d,
die die Schalter 40, 42 durchlässig machen, wenn von den Gattern 82, 84 Impulse
auftreten. Die Leitung 80 ist als Eingangsleitung 90 des
Gatters 82 wiedergegeben. Der Inverter 92 erzeugt
ein entgegengesetztes logisches Signal auf der Leitung 94,
die zu dem Steuergatter 84 führt. Das logische Signal auf
der Leitung 80 wechselt entsprechend der gewünschten
Länge der
positiven und negativen Teile in dem Schweißstrom. Ein logisches Signal
eins auf der Leitung 80 aktiviert das Gatter 82. Ein
logisches Signal null auf der Leitung 80 aktiviert das
Gatter 84 über
die Leitung 94. Es ist daher, wie am besten aus 1A hervorgeht,
entweder der positive Schalter 40 oder der negative Schalter 42 aktiviert.
Während
der Schalteraktivierung betreiben die Impulse auf der Gattersignalleitung 74 schnell
hintereinander den aktivierten Schalter. Die Schalter werden daher
bei einer Frequenz oberhalb 18 kHz betrieben. Der Arbeitszyklus
des Impulsbreitenmodulators 70 bestimmt die Größe des Stroms
entweder während
des positiven Halbzyklus oder negativen Halbzyklus des Schweiß-Wechselstroms.
Der Betrieb der Leistungsversorgung A erfolgt ganz ähnlich dem
eines Zerhackers; die Erfindung erzeugt jedoch sowohl einen positiven
Stromteil als auch einen negativen Stromteil je nach dem logischen
Signal auf der Schalteraktivierungsleitung 80. Aus noch
zu erläuternden Gründen wird
ein positives Auswahlsignal auf der Leitung 96 durch die
optische Kopplung 98 derart aktiviert, dass sie dem logischen
Signal auf der Leitung 90 folgt. Dies liefert ein positives
Steuersignal für
den Selektor. Ein negatives Selektor-Steuersignal wird auf der Leitung 100 durch
die optische Kopplung 102 erzeugt, welche durch das logische
Signal auf der Leitung 94 gesteuert wird.
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Die
Steuerleitung 96 mit dem positiven Auswahlsignal und die
Steuerleitung 100 mit dem negativen Auswahlsignal steuern
den Betrieb des bidirektionalen Freilaufschaltkreises 110,
um einen Freilauf des Stroms während
der positiven und negativen ersten und zweiten Zeitabschnitte zu
erlauben. Der Schaltkreis 110 umfasst Bypassschalter 120, 122, die
vorzugsweise FET oder IGBT Schalter sind. Der Schalter 120 hat
ein Gatter 120a und einen Steuerschalter 120b,
der durch das logische Signal auf der negativen Steuerleitung 100 betrieben
wird. In ähnlicher
Weise hat der Schalter 122 ein Gatter 122a und einen
Schalter 122b, der durch das logische Signal auf der positiven
Steuerleitung 96 gesteuert wird. In Reihe mit den Schaltern 120b, 122b liegen
isolierte Leistungsversorgungen (B') 120c, 122c. Die
Leistungsversorgungen 82d, 84d, 120c und 122c können die
gleichgerichteten Sekundäranschlüsse eines Steuertransformators
sein, wenn sie isoliert sind. Die Widerstände 120d, 122d hindern
die Schalter 120, 122 am Einschalten, wenn kein
Signal auf der Steuerleitung des betreffenden Schalters vorliegt.
Die antiparallelen Dioden 130, 132 der Schalter 120 bzw. 122 sind
die Freilaufdioden für
die Schweißoperation. Diese
Dioden sind entsprechend der Standard-Schweißtechnologie mit Drosseln 140 parallel geschaltet.
Während
des positiven Halbzyklus oder Stromteils schließt das logische Signal auf
der Leitung 96 den Schalter 122b und macht den
Schalter 122 leitend. Auf diese Weise wird die Freilaufdiode 130 aktiviert.
Ein Signal auf der Leitung 100 macht den Schalter 120 leitend
und aktiviert die Freilaufdiode 132. Während des positiven Teils des Schweiß-Wechselstroms
liegt daher die Diode 130 parallel zum Schweißvorgang.
Während
des negativen Teils der Schweißoperation
liegt die Diode 132 parallel zum Schweißvorgang. Die Freilaufdioden sind
daher durch das logische Signal auf den Steuerleitungen 96, 100 wählbar. Ein
alternativer paralleler bidirektionaler wählbarer Freilaufschaltkreis 150 ist
in 2 dargestellt. Die Schalter 152, 154 mit
den Gattern 152a, 154a werden durch das logische
Signal auf den Leitungen 96 bzw. 100 gesteuert.
Während des
positiven Teils des Schweiß-Wechselstroms schließt das logische
Signal auf der Leitung 96 den Schalter 152. Dies
aktiviert die Freilaufdiode 160. In ähnlicher Weise schließt während des
negativen Teils des Schweißstroms
ein logisches Signal auf der Leitung 100 den Schalter 154 und
aktiviert die Freilaufdiode 162. Entweder die hintereinander
liegenden Schalter in 1 oder die parallel liegenden Schalter
in 2 können
selektiv beaufschlagt werden, um während der positiven und negativen
Teile des Schweiß-Wechselstroms
Freilaufdioden zu bilden.
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Die
Betriebsweise der Leistungsversorgung A ist schematisch in 3 bis 6 dargestellt,
wo die Amplitude und die Breite der Stromimpulse und die positive
und die negative Polarität
durch das logische Signal der Steuerung 50 an dem Anschluss
E eingestellt werden. Dieses logische Signal steuert die Stromfrequenz
durch das logische Signal auf der Leitung 80. Der Anschluss 54 steuert
das Spannungsniveau auf der Leitung 62 und darüber die
Impulsbreite der Gatterimpulse auf der Leitung 74. Diese
Signale werden der Steuerung unter Verwendung bekannter Techniken
einprogrammiert und sind im Hinblick auf die gewünschten Stromniveaus und Wellenformen ausgebildet.
In 3 ist der positive Stromteil 200 des
Schweißstroms
nach 3A gleich dem negativen Stromteil 202 und
ergibt eine Frequenz f1. Diese Frequenz
ist bestimmt durch die Frequenz der logischen Alternationen des
Anschlusses E der Steuerung 50. Das Schweißgerät arbeitet
bei maximalem Strom. Die Impulse 210 in der positiven Richtung
haben eine maximale Breite bzw. Zyklusdauer a. In gleicher Weise
haben die negativen Impulse 212 eine maximale Zyklusdauer
a. Dies führt
zu einer Größe a' für den Schweiß-Wechselstrom
Ia, wie in 3A dargestellt.
Da die Stromimpulse 210, 212 rechteckig sind,
ist der quadratische Mittelwert im Wesentlichen gleich dem Scheitelwert
während
der Schweißoperation.
Dies bietet die Vorteile einer Leistungsversorgung des Inverter-Typs
nach 10 bei den niedrigen Kosten eines Lichtbogenschweißgeräts des Sinustyps
nach 11. Um den Strombetrag zu verringern, reduziert
die Steuerung 50 die Spannung auf der Leitung 62.
Hierdurch wird der Arbeitszyklus der individuellen Impulse 210, 212 durch
den Impulsbreitenmodulator 70 reduziert, so dass sie, wie
in 4 gezeigt, die Breite b haben. Dieser geringe
Be triebszyklus bzw. die geringe Breite ergibt eine niedrige Amplitude
b' für den Schweiß-Wechselstrom Ia, wie in 4A gezeigt.
Wenn man die Steuerung 50 die Spannung auf der Leitung 62 umschalten
lässt,
kann in dem positiven Teil 200 ein erster Betriebszyklus
a und der kleine Betriebszyklus b für die Impulse 212 in dem
negativen Teil 202 verwendet werden, wie in 5 gezeigt.
Als Alternative kann die Steuerung 50 einen zweiten Spannungsausgang
zu einem separaten Fehlerverstärker
aufweisen, der einen zweiten Impulsbreitenmodulator betreibt, der
für einen
der Teile 200 oder 202 verwendet werden. Das Aktivierungssignal
an dem Ausgang E steuert die Impulse von beiden Impulsbreitenmodulatoren
zu dem richtigen Schalter 40, 42. Auf diese Weise
wird ein nicht ausgeglichener Schweiß-Wechselstrom Ia gemäß 5A erzeugt.
Der positive Teil 200 hat einen hohen Betrag a' und der negative
Teil 202 hat einen niedrigen Betrag b'. Der hohe Betrag bzw. der niedrige
Betrag könnte
entweder in dem positiven oder in dem negativen Teil des Wechselstroms
vorliegen. Wenn zwei Eingänge
zu dem Impulsbreitenmodulator für
die positiven und negativen Teile des Schweiß-Wechselstroms verwendet werden,
wird das Logikdiagramm nach 1A eingesetzt,
um den richtigen Impulsbreitenmodulatoreingang auszuwählen. Die
Leitung 96 wählt
den Impulsbreitenmodulatoreingang während des positiven Teils des
Schweißwechselstroms.
Die Leitung 100 führt
die Auswahl während
des negativen Teils durch. Das gleiche Konzept findet bei Einsatz
von separaten Impulsbreitenmodulatoren Anwendung. Alle diese Modifikationen liegen
im Bereich des Stands der Technik. Durch Steuerung des ersten Zeitabschnitts
und des zweiten Zeitabschnitts, die durch das logische Signal an
dem Ausgang E erzeugt werden, kann der positive Teil 220 mit
einer geringen Breite m und der negative Teil 222 mit einer
großen
Breite n versehen werden. Durch Kombination dieser Operation mit
einem maximalen Betriebszyklus a für die Impulse 230 und
einem minimalem Betriebszyklus b für die Impulse 232 entsteht
der Schweiß-Wechselstrom
Ia nach 6A. Es
können
verschiedenartige Modifikationen in den Betriebszyklen des ersten
Zeitabschnitts und des zweiten Zeitabschnitts zur Betätigung der
Schalter 40, 42 eingesetzt werden, um den Schweiß-Wechselstrom
im Hinblick auf die Erfordernisse der Schweißoperation zurecht zu schneidern.
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Die
Architektur der Leistungsversorgung nach den 1 und 2 wird
in der Praxis eingesetzt; es werden jedoch Modifikationen in der
Architektur in Erwägung
gezogen. In den 7 bis 9 sind Architekturalternativen
wiedergegeben, bei denen die gleichen Bezugszahlen sich auf die
gleichen Komponenten in drei separaten Leitungsversorgungen beziehen.
In 7 umfasst die Leistungsversorgung A' einen Eingangsmodul 300 mit
einem Transformator und einem Gleichrichter zur Erzeugung einer
Gleichspannung zwischen dem positiven Anschluss 302 und
dem negativen Anschluss 304. Der Modul 300 enthält keinen
geerdeten Anschluss, wie er in den bevorzugten Ausführungsbeispielen
eingesetzt wird. Zur Schaffung des Anschlusses 306 mit der
Spannung null lassen große,
im Wesentlichen gleiche Kondensatoren 310, 312 die
Spannung an dem Anschluss 306 in der Mitte zwischen der
positiven Spannung an dem Anschluss 302 und der negativen
Spannung an dem Anschluss 304 gelegen sein. Auf diese Weise
stellt die Verbindungsstelle 306 einen dritten Anschluss
dar, der im Wesentlichen auf null Volt liegt und dem geerdeten Anschluss 24 in 1 äquivalent
ist. Die Schalter 40, 42 steuern den positiven
Halbzyklus oder Teil und den negativen Halbzyklus oder Teil des
Schweiß-Wechselstroms. Der
Induktor C reduziert die Welligkeit, die durch die hochfrequenten
Impulse während
der positiven und negativen Teile des Schweiß-Wechselstroms verursacht
wird. In der Leistungsversorgung A' wird einer der bidirektionalen Freilauf-Schaltkreise
nach 1 und 2 verwendet. Bei der Leistungsversorgung A'' nach 8 ist die
Architektur geändert
und setzt einen in der Mitte angezapften Induktor 320 mit
einem positiven Teil 322, einem negativen Teil 324 und einer
mittleren Anzapfung 326 ein. Die Betriebsweise der Leistungsversorgung
A'' ist die gleiche
wie vorstehend mit Bezug auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung
diskutiert. Bei dieser besonderen Leistungsversorgung ist jedoch
der bidirektionale Freilauf-Schaltkreis nicht gezeigt. Ein Freilaufschaltkreis
zum Einsatz in der Leistungsversorgung der 8 ist in 9 illustriert.
In dieser Figur umfasst die Leistungsversorgung A''' einen
Eingangstransformator und einen Gleichrichter 340 zur Schaffung
einer positiven Spannung an dem Anschluss 342 und einen
negativen Spannung an dem Anschluss 344. Bei diesem Ausführungsbeispiel
liegt der dritte Anschluss 346 im Wesentlichen auf null
und ist die Erdung G des Systems. Wie bei der Leistungs versorgung
A'' umfasst die Leistungsversorgung
nach 9 einen in der Mitte angezapften Induktor 320. Diese
Architektur illustriert den Typ von Freilauf-Schaltkreisen, die
mit einem in der Mitte angezapften Induktor eingesetzt werden. Der
Freilaufschaltkreis 350 umfasst einen Steuerschalter 352, eine
Freilaufdiode 354 und ein Gatter 356 zur Steuerung
der Diode 354, wenn ein gegebenes logisches Signal auf
der positiven Steuerleitung 96 an dem Gatter 356 erscheint.
Der Schalter 352 ist ein FET oder ein IGBT und hat eine
Ableitungserdung 358. Der negative Freilauf-Schaltkreis 360 umfasst
einen Schalter 362 zur Steuerung der Diode 364 entsprechend dem
logischen Signal an dem Gatter 366. Die Quellenerdung 368 lässt die
Steuerung des Schalters durch das logische Signal auf der Leitung 100 zu.
In einem positiven Halbzyklus bzw. Stromteil ist der Schalter 352 leitend.
Dies bringt die Freilaufdiode 354 in dem Schaltkreis zur
Geltung. Während
des negativen Halbzyklus bzw. Stromteils ist der Schalter 362 leitend
und bringt die Freilaufdiode 364 in der Schaltung zur Geltung.
Die Freilauf-Schaltkreise der 9 können in
der Architektur der 8 eingesetzt werden. Der Anschluss 306 kann
in der 9 eingesetzt werden. Die Komponenten und Architekturen der
verschiedenen wiedergegebenen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung sind also ohne Abweichung von dem angestrebten Geist und
Umfang der Erfindung austauschbar.
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Ein
hoher Heizstrom ist durch den Einsatz mehrerer Inverter zur Bildung
einer Leistungsversorgung erzielbar geworden, wie z. B. die Leistungsversorgung
B nach 10. Diese Leistungsversorgung umfasst
drei Inverter 400, 402, 404, von denen
jeder eine geringe Nennleistung von 500 Ampere aufweist. Von dem
Ausgangsanschluss A jedes Inverters wird der gesteuerte Strom den
Leitungen 410, 412, 414 mit positiver
Spannung zugeleitet, um die gewünschte
Größe des Stroms
an dem positiven Anschluss 420 zu erhalten. In gleicher
Weise sind die Anschlüsse
B negativer Spannung mit den Leitungen 430, 432, 434 verbunden,
um den gewünschten
negativen Strom dem Anschluss 440 zuzuleiten. Der positive Strom
an dem Anschluss 420 und der negative Strom an dem Anschluss 440 werden
entsprechend der vorstehend diskutierten Logik selektiv gehandhabt,
um einen Schweiß-Wechselstrom
zu erzeugen, der die erste Amplitude des Anschlusses 420 und
die zweite Amplitude des Anschlusses 440 aufweist. Die
Steuerung 450 mit einem Fehlerverstärker 452 mit Eingängen 454, 456 vergleicht
das Stromsteuersignal am Eingang 454 mit dem tatsächlichen
Strom des Shunts S, der auf der Leitung 456 erscheint.
Der Steuerbetrag des erwünschten
Stroms auf der Leitung 460 wird auf den Eingang der Impulsbreitenmodulatoren 470, 472, 474 geleitet,
die gemeinsam betrieben werden. Der gewünschte Strom wird aufrecht erhalten,
indem der Beitrag jedes Inverters 400, 402, 404 geändert wird,
die als Meister und zwei Abhängige
betrieben werden. Auf diese Weise wird von allen drei Invertern
ein gleich großer
Strombetrag geliefert. Wenn die Inverter jeweils eine maximale Ausgangsleistung
von 500 Ampere aufweisen, wie es durch den Stromimpuls 500 in 10A dargestellt ist, beträgt die maximale an den Anschlüssen 420, 440 erhältliche
Stromleistung 1500 Ampere, wie als Wechselstrom 510 in 10B dargestellt. Die frühere Einheit nach 10 steuert
die Stromabgabe mehrerer Inverter gemeinsam über eine einzige Steuerung 450.
Eine derartige Anordnung ist der Auslegung mit einem speziellen
Inverter mit einem Ausgangsstrom von 1500 Ampere überlegen.
Zur Erzeugung von 3000 Ampere würde
die Leistungsversorgung B die parallele Betriebsweise von sechs
separaten Invertern erfordern. Die Kombination mehrerer Inverter
im Gegensatz zur Konstruktion eines einzelnen Inverters mit hoher
Kapazität
ist ein Vorteil gegenüber
dem in 11 wiedergegebenen Stand der
Technik. Bei diesem Stand der Technik hat die Leistungsversorgung
D einen Sinus-Ausgang, wie z. B. die Welle 600 in 11A. Es ist ein Spitzenstrom von 500 Ampere erforderlich,
um einen quadratischen Mittelwert des Stroms von 354 Ampere zu erreichen.
Der Unterschied tritt bei höheren
Anforderungen an den Strom wie in 11B dargestellt
noch deutlicher hervor. Bei der Bereitstellung der Sinuswelle 602 der
Leistungsversorgung D mit einem Schweißstrom vom 1000 Ampere wird
ein Spitzenstrom von über
1500 Ampere verursacht. Die hohen Spitzenströme sind beim Rohrschweißen nachteilig.
Hohe Spitzenströme
können
ohne kostspielige Steuerungen keine gleichmäßigen Schweißungen erzeugen.
Die Leistungsversorgung D umfasst lediglich einen Transformator 610,
dessen Strom durch die Differenz zwischen dem gewünschten
Strom und dem tatsächlichen
Strom gesteuert wird, der durch die Spannung auf der Eingangsleitung 612 dargestellt
wird. In beiden Leistungsversorgungen nach den 10 und 11 werden
die Vorteile der vorliegenden Erfindung nicht erreicht.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung wird die Steuerung 50 so programmiert,
dass sie den Impulsbreitenmodulator mit einem Signal auf der Leitung 62 versieht,
welches die Breite der Gatterimpulse am Ende des positiven Teils 200 und
des negativen Teils 202 reduziert. Das Ergebnis dieser
Steuerungseigenschaft ist in 12 dargestellt.
Die Impulse 700 haben eine Breite, dass ein erwünschter
hoher Strom über
den Schweißspalt
geleitet wird. Am Ende der Impulse 200 lässt die
Steuerung 50 die Impulse sich schrittweise auf eine Breite
reduzieren, die als a-x, a-y und dann a-z wiedergegeben ist. Die
Beziehung zwischen diesen Breiten ist in 13 gezeigt.
Die gleiche Verringerung in der Breite der Impulse 702 findet
am Ende des negativen Teils 202 statt. Wenn daher der Schweißstrom seine
Polarität ändern soll,
wird der Schweiß-Wechselstrom schrittweise
verringert. Dies reduziert die elektrische Beanspruchung des Schweißkreises
bei der Änderung
der Richtung des Stromflusses. Dieses Steuerungsmerkmal kann bei
jeder der Leistungsversorgungen A, A', A'' und A''' eingesetzt
werden.