DE69813084T2

DE69813084T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Schweissstromversorgung

Info

Publication number: DE69813084T2
Application number: DE69813084T
Authority: DE
Inventors: Jon O. Reynolds
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1997-06-11
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2018-05-29
Also published as: US6114655A; US6278081B1; EP0884127B1; EP0884127A1; DE69813084D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Technik der Stromversorgungen für das elektrische Lichtbogenschweißen und insbesondere Stromversorgungen für elektrisches Lichtbogenschweißen, die eine Konstantstrom-(CC)-Konstantspannung-(CV)-Ausgabe liefern, die entweder Wechselstrom oder Gleichstrom sein kann, und die sich besonders gut für das Unterpulverschweißen eignen.
Aus der britischen Patentanmeldung GB 2039168 A ist eine Schweißstromversorgung des Stands der Technik gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt.
Unterpulverschweißen (auch als UP-Schweißen bezeichnet) ist eine Art des Lichtbogenschweißens, bei dem der Lichtbogen unsichtbar ist. Das Unterpulverschweißen erzeugt eine Koaleszenz von Metallen, indem sie mit einem Lichtbogen zwischen einer blanken Metallelektrode und dem Werkstück erhitzt werden. Der Lichtbogen und das geschmolzene Metall werden in einer Schicht aus körnigem, schmelzbarem Schmelzmittel auf dem Werkstück eingetaucht. Von der Elektrode (oder von einer Hilfsquelle wie etwa Schweißstäben oder Metallgranulat) wird Zusatzwerkstoff bereitgestellt. Der Lichtbogen ist von dem Schmelzmittel bedeckt.
Viele Unterpulverschweißanwendungen sind automatische Schweißanwendungen, bei dem entweder das Werkstück unter den Schweißkopf bewegt oder der Schweißkopf über dem stationären Werkstück bewegt wird. Derartige automatische Systeme enthalten Drahtzuführeinrichtungen und sind in der Technik wohlbekannt. Beim Unterpulverschweißen verwendete Drahtzuführeinrichtungen können entweder eine konstante oder eine variable Geschwindigkeit auf weisen. Drahtzuführeinrichtungen mit konstanter Geschwindigkeit werden in der Regel mit CV-Stromversorgungen verwendet, und Drahtzuführeinrichtungen mit variabler Geschwindigkeit können mit CC-Stromversorgungen verwendet werden. Jede Art Drahtzuführeinrichtung weist Vor- und Nachteile auf. Bevorzugt sollte sich eine Schweißstromversorgung mit einer Drahtzuführeinrichtung mit konstanter Geschwindigkeit oder mit beiden Arten von Drahtzuführeinrichtungen verwenden lassen.
Frühe Automatikunterpulverschweißanwendungen stellten eine Gleichstromausgabe bereit und verwendeten Stromquellen mit abfallenden VA-Charakteristiken und einer Spannung, die den Drahtzuführeinrichtungen folgte. Später wurden in den Prozeß Gleichstromquellen mit konstanter Spannung (CV) eingeführt und an die Drahtelektrodenzuführeinrichtungen mit konstanter Geschwindigkeit gekoppelt. Jedoch reagieren die vom Gleichstrom-Lichtbogenstrom erzeugten Magnetfelder, die den Lichtbogen umgeben, und das mit den Masseströmen verbundene Feld auf unvorhersagbare Weise miteinander und bewirken, daß sich der Lichtbogen so bewegt, als wenn er auf eine Seite "geblasen" würde. Dies wird als die Blaswirkung des Lichtbogens bezeichnet. Dieser Effekt ist am unangenehmsten beim Schweißen von tiefen Nuten, wenn eine ungleichmäßige Bewegung des Lichtbogens die ordnungsgemäße Ausbildung und Plazierung des Schweißbads stört. Die Blaswirkung des Lichtbogens wird mit zunehmender Stromstärke ein schwerwiegenderes Problem, da die Magnetfelder entsprechend zunehmen.
Die Blaswirkung des Lichtbogens ist weniger problematisch, wenn eine Wechselstromversorgung verwendet wird (da hier kein Gleichstrom- Lichtbogenstrom vorliegt). Eine sinusförmige Ausgabe liefert jedoch in Unterpulverschweißprozessen nicht immer eine gute Leistung, da die sinusförmige Welle einen langsamen Nullübergang aufweist, der zu einer Lichtbogengleichrichtung führen kann.
Rechteckwellen-Schweißstromquellen versuchen die Vorteile des sinusförmigen Wechselstromschweißens zu verwenden, aber mit einem schnellen Nulldurchgang, um die Lichtbogengleichrichtung zu vermeiden. Eine bekannte Rechteckwellen-Schweißstromversorgung ist in US-A-4,038,515 beschrieben. Diese Stromversorgung liefert eine Rechteckwellen-Wechselstrom-Schweißausgabe. Dieses Design liefert eine Konstantstromausgabe (CC-Ausgabe) und kann somit nicht mit einer Drahtzuführeinrichtung mit konstanter Geschwindigkeit verwendet werden. Die Ausgabe dieser Stromversorgung hat eine Frequenz, die gleich der Eingabefrequenz ist.
Eine weitere Unterpulverschweißstromversorgung des Stands der Technik wird in US-A-4,322,602 beschrieben. Es beschreibt eine Wechselstrom-Konstantpotential-(CV)- Stromversorgung, die zum Unterpulverschweißen verwendet werden kann. Die Ausgabe ist eine Wechselstrom-CV- Ausgabe mit einer Frequenz, die gleich der Eingabefrequenz ist, und mit einem schnellen Nulldurchgang. Diese Stromversorgung wird mit einer Drahtzuführeinrichtung mit konstanter Geschwindigkeit verwendet.
Eine WIG-(Wolfram-Inertgas)-Schweißstromversorgung wird in US-A-5,340,963 beschrieben. Es zeigt eine Wechselstromquelle zum Schweißen, die eine Dreiphaseneingabe erhält und eine Einphasen- Wechselstromausgabe mit relativ schnellen Nulldurchgängen liefert, deren Frequenz das 1,5fache der Eingabefrequenz beträgt. Hierbei handelt es sich um eine Art von Aufwärtsdirektumrichter. Dieser Stand der Technik lehrt jedoch weder eine CV-Betriebsart noch eine CC-Steuerung. Dieser Stand der Technik kann in einem Gleichstrommodus betrieben werden, verarbeitet aber nur die Hälfte der sinusförmigen Eingabe (somit müssen die Thyristoren und Sekundärwicklungen in der Lage sein, relativ zu der Stromkapazität, die bei Verwendung der ganzen Eingabe benötigt würde, den doppelten Strom zu handhaben). Dies kann teuer sein und das Gewicht und die Größe der Maschine erhöhen.
Ein "Aufwärtsdirektumrichter", wie er hier verwendet wird, ist ein Direktumrichter mit einer über der Eingabefrequenz liegenden Ausgabefrequenz. Er empfängt eine Wechselstromeingabe mit einer gegebenen Frequenz und liefert eine Wechselstromausgabe mit einer höheren Frequenz. Man erhält diese Umwandlung durch eine Phasensteuerung ohne die Verwendung von Schaltern, die zwangsabgeschaltet werden, wie etwa zwangsgewendete Thyristoren, IGBTs oder FETs. Somit ist ein Gleichrichter, auf den ein Umrichter oder ein Tief- /Hochsetzsteller folgt, kein Direktumrichter. Die Anmelder haben erfahren, daß man durch Unterpulverschweißen, das mit einer größeren Frequenz als die Eingabenetzfrequenz (50 oder 60 Hz) durchgeführt wird, eine bessere Schweißung erhält. Stromquellen, die eine Ausgabe mit mehr als 60 Hz liefern, sind bekannt und sind allgemein Wechselrichter oder andere Umrichter. Bei auf Wechselrichtern basierenden Umrichtern müssen jedoch teure Schalter verwendet werden, die ausgeschaltet werden können, wie etwa I6BTs. Dies gilt insbesondere bei Anwendungen wie etwa dem Unterpulverschweißen, bei dem der gewünschte Strom 1000 A übersteigen kann. Auf Wechselrichtern basierende Stromversorgungen zum Einsatz beim Unterpulverschweißen sind dementsprechend teuer und unpraktisch.
Außerdem ist es wünschenswert, in einer Schweißstromversorgung Flexibilität bereitzustellen, so daß sie für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden kann. So ist es beispielsweise wünschenswert, eine Schweißstromversorgung bereitzustellen, die eine Wechselstrom- oder Gleichstromausgabe liefert. Außerdem ist es wünschenswert, eine Schweißstromversorgung bereitzustellen, die entweder eine Konstantspannungs- (CV)- oder eine Konstantstrom-(CC)-Ausgabe bereitstellt, die mit einer Drahtzuführeinrichtung mit konstanter oder variabler Geschwindigkeit verwendet werden kann. Auf einem Wechselrichter basierende Schweißstromversorgungen können Wechselstrom/Gleichstrom und CC/CV sein, doch können sie, wie oben beschrieben, teuer sein und sich möglicherweise nicht für Unterpulverschweißanwendungen eignen.
Es ist dementsprechend wünschenswert, eine Schweißstromversorgung bereitzustellen, die sich für das Unterpulverschweißen eignet und entweder in einem CC- oder einem CV-Modus betrieben werden kann. Außerdem soll eine derartige Stromversorgung bevorzugt so betrieben werden können, daß sie eine Ausgabe mit einer über der Eingabenetzfreguenz liegenden Frequenz liefert, wenn sie sich im Wechselstrommodus befindet.
Aus GB-A-2039168 und US-A-4435632 sind Aufwärts- Direktumrichter enthaltende Schweißstromversorgungen bekannt.
Dementsprechend besteht unter einem ersten Aspekt die Erfindung aus einer Schweißstromversorgung, die einen Aufwärtsdirektumrichter mit mindestens einem Steuereingang und einer an den Steuereingang angekoppelten Steuerung enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung mindestens zwei Rückkopplungseingänge zum Empfangen von Signalen enthält, die die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom anzeigen,
wobei die Steuerung die Ausgabe des Direktumrichters als Reaktion auf den Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung, der bzw. die von einem Benutzer ausgewählt werden können, steuert, und
die Steuerung einen Stromregler enthält, der das Signal empfängt, das den Ausgangsstrom anzeigt, und einen Spannungsregler, der das Signal empfängt, das die Ausgangsspannung anzeigt, und wobei der Spannungs- und der Stromregler kaskadiert sind, indem der Ausgang des Spannungsreglers an den Eingang des Stromreglers angeschlossen wird, für den Fall, daß der Benutzer auswählt, daß der Direktumrichter als Reaktion auf die Ausgangsspannung gesteuert werden soll.
In einem weiteren Aspekt besteht die Erfindung aus einem Verfahren zum Erzeugen von Lichtbogenschweißstrom, mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen von Eingangsleistung zu einem Direktumrichter; und Heraufsetzen der Frequenz des Stroms unter Verwendung des Direktumrichters;
dadurch gekennzeichnet, daß der Direktumrichter durch das Erzeugen eines Spannungsfehlersignals gesteuert wird; Bereitstellen des Spannungsfehlersignals als Sollwert für einen Stromregler; Erzeugen eines Stromfehlersignals; und Steuern des Direktumrichters als Reaktion auf das Stromfehlersignal.
Die Ausgabe kann bevorzugt zwischen Wechselstrom und Gleichstrom gewählt werden.
Bevorzugt beträgt die Ausgabefrequenz das 1,5fache der Eingabefrequenz.
Bevorzugt enthält die Steuerung einen PI-Stromregler und einen PI-Spannungsregler.
Es werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besondere Ausführungsformen von Schweißstromversorgungen gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schaltplan der Stromversorgung der bevorzugten Ausführungsform, wobei Drahtbrücken die Verbindung entweder für einen Wechselstrom- oder einen Gleichstrommodus zeigen;
Fig. 2 einen Schaltplan der Stromversorgung der bevorzugten Ausführungsform, die im Wechselstrommodus konfiguriert ist;
Fig. 2A einen Schaltplan der Stromversorgung der bevorzugten Ausführungsform, die im Wechselstrommodus konfiguriert ist, wobei die meisten der Nicht- Leistungskomponenten nicht gezeigt sind;
Fig. 3 einen Schaltplan der Stromversorgung der bevorzugten Ausführungsform, die im Gleichstrommodus konfiguriert ist;
Fig. 3A einen Schaltplan der Stromversorgung der bevorzugten Ausführungsform, die im Gleichstrommodus konfiguriert ist, wobei die meisten der Nicht- Leistungskomponenten nicht gezeigt sind;
Fig. 4 ist ein Schaltplan eines in der bevorzugten Ausführungsform verwendeten Stromreglers; und
Fig. 5 ist ein Schaltplan eines in der bevorzugten Ausführungsform verwendeten Spannungsreglers.
Fig. 1 zeigt einen Schaltplan einer gemäß der vorliegenden Erfindung konfigurierten Wechselstrom- /Gleichstrom-CC/CV-Schweißstromversorgung. Diese Schweißstromversorgung ist eine Unterpulverschweißen- Stromversorgung und sollte in der Lage sein, in einem CV-Modus zu arbeiten. An mehreren Eingängen φ2 und φ3 wird eine sinusförmige Dreiphaseneingabe empfangen. Zwischen den Eingängen und Masse sind mehrere Kondensatoren C1, C2 und C3 vorgesehen, die als Hochfrequenzfilter wirken. Mit einem Schaltschütz mit mehreren Kontakten W wird die Eingangsleistung an einen Transformator T1 angeschlossen.
Der Primärtransformator T1 ist in einer Deltaschaltung angeschlossen, obwohl auch eine "Y"-Schaltung verwendet werden könnte. In der bevorzugten Ausführungsform wird eine Deltaschaltung verwendet, da sie mit Drähten einer geringeren Stromtbelestbarkeit ausgelegt ist, aber mit einer größeren Anzahl von Windungen.
Die Sekundärwicklungen des Transformators T1 sind geteilte, mittenabgegriffene Sekundärwicklungen. Eine "geteilte, mittenabgegriffene Sekundärwicklung", so wie der Ausdruck hier verwendet wird, bedeutet eine mittenabgegriffene Sekundärwicklung, bei der zwischen jedem Satz von Wicklungen und dem Mittenabgriff andere Schaltungen (z. B. Thyristoren) angeordnet sein können. Das Windungsverhältnis beträgt in der bevorzugten Ausführungsform etwa 6,5 : 1, so daß 460 Volt an φ1, φ2 und φ3 eine Leerlauf Spannung von etwa 70 Volt erzeugen.
Die Stromversorgung von Fig. 1 kann dazu verwendet werden, entweder eine Wechselstrom- oder Gleichstromausgabe (AC/DC) bereitzustellen. Der Benutzer wählt durch entsprechendes Verbinden von mehreren Drahtbrücken zwischen einer Wechselstrom- und einer Gleichstromausgabe. Ein Kasten 102 zeigt die Position der Drahtbrücken für die Betriebsarten Wechselstrom und Gleichstrom.
Mehrere Thyristoren SCR1-SCR6 sind an die Sekundärwicklungen angeschlossen. Jeder Thyristor ist mit einem Kondensator (C11-C16) und einem Widerstand (R11-R16) versehen, um als ein Überspannungsschutzelement zu wirken. Die Konfiguration der Thyristoren 1-6 hängt von der Betriebsart (Wechselstrom oder Gleichstrom) ab. Eine Steuerung 103 liefert die Ansteuersignale an die Thyristoren 1-6, so daß sie so leiten, wie es in dem Wechselstrommodus des US-Patents 5,340,963 beschrieben ist.
Eine Induktionsspule L1 (400 Mikro-Henry pro Wicklung), die eine Induktionsspule mit Mittenabgriff ist, unterstützt die Bereitstellung einer geglätteten Ausgabe und den schnellen Nulldurchgang, wenn die Stromversorgung im Wechselstroromodus betrieben wird. L1 ist so konfiguriert, daß der Strom unabhängig von der Stromrichtung in der Primärwicklung (und zugeordneten Sekundärwicklung) in der gleichen flußerzeugenden Richtung durch die Induktionsspule fließt. Jeder Schenkel der Induktionsspule L1 besteht aus zwei magnetisch parallelen Wicklungen aus Aluminium, die an gegenüberliegenden Schenkeln eines U-Kerns montiert sind, um in der bevorzugten Ausführungsform das Führen der hohen Stromlast zu unterstützen. Die Induktionsspule L1 wird je nach der ausgewählten Betriebsart (Wechselstrom oder Gleichstrom) auf eine von zwei Weisen (wie in Fig. 2 und 3 gezeigt) angeschaltet.
Ein Paar Widerstände R1 und R2 (20 Ohm) sind vorgesehen, damit die Thyristoren 1-6 bei fehlender Last speichernd setzen können. Ein Hall-Bauelement HD1 ist vorgesehen, um die Stromausgabe zu erfassen und sie Steuerung 103 an einem Eingang RC2-1 zuzuführen. Die Eingänge RC1-1 und RC1-4 führen dem Hall-Bauelement HD1 Strom zu.
Ein Paar Kondensatoren C9 und C10 sind an einer Ausgabeelektrode E und einem Werkstück E vorgesehen. Die Kondensatoren C9 und C10 weisen eine Kapazität von 0,1 uF auf und sind als Hochfrequenzfilter vorgesehen.
Ein Paar Widerstände R3 und R4 (200 Ohm) werden dazu verwendet, die an die Elektrode E und dem Werk [sie] W gelieferte Ausgangsspannung zu erfassen, und sind an der Steuerung 103 an den Eingängen RC2-4 und RC2-5 vorgesehen. Die Steuerung 103 enthält einen Stromregler zum Betrieb im Konstantstrommodus, der die Stromrückkopplung von dem Hall-Bauelement HDl verwendet. Bei der unten unter Bezugnahme auf Fig. 4 ausführlicher beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist ein typischer analoger PI-Stromregler vorgesehen. Die Steuerung 103 enthält außerdem einen Spannungsregler zum Betrieb im CV-Modus, der die Spannungsrückkopplung von den Widerständen R3 und R4 verwendet. In der unten unter Bezugnahme auf Fig. 5 ausführlicher beschriebenen bevorzugten Ausführungsform ist ein typischer analoger PI-Spannungregler vorgesehen.
Die Ausgabe des Leistungskreises kann gesteuert werden, indem der Phasenwinkel gesteuert wird, unter dem die Thyristoren ausgelöst werden. Zur Erhöhung der Ausgabe des Leistungskreises wird die Phase der Thyristoren nach vorne verschoben, so daß sie in jedem Zyklus früher zünden. Umgekehrt wird zur Senkung der Ausgabe die Phase der Thyristoren nach hinten verschoben, so daß sie später zünden. Die Leitungszeit für jeden Thyristor beträgt nominell 120º (des Eingangszyklus), so daß die Ausgangsfrequenz das 1,5fache der Eingangsfrequenz beträgt.
Die Steuerung 103 empfängt einen Eingangsbefehl ISET, der einen von einem Benutzer ausgewählten Ausgangsstrom anzeigt. ISET wird von einem Potentiometer der Bedientafel (oder einer abgesetzten oder anderen Eingabeeinrichtung) der Schweißstromversorgung erhalten, wenn sie im CC-Modus betrieben wird. Die Steuerung 103 vergleicht den ISET mit dem erfaßten Strom und steuert den Zündwinkel der Thyristoren 1-6 dementsprechend. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird im CC-Modus eine Drahtzuführeinrichtung mit variabler Geschwindigkeit verwendet.
Die Steuerung 103 enthält außerdem einen Eingang VSET, der eine von einem Benutzer ausgewählte Ausgangsspannung zum Betrieb im CV-Modus anzeigt. Durch den VSET kann der Benutzer eine Ausgabe mit konstanter Spannung auswählen. Der PI-Spannungsregler der Steuerung 103 weist einen Ausgang auf, der von der Differenz zwischen VSET und der an den Widerständen R3 und R4 erhaltenen Ausgangsspannung abhängt. Die Ausgabe des Spannungsreglers wird (anstelle des von einem Benutzer ausgewählten Ausgangsstroms) als die Sollwerteingabe ISET dem Stromregler zugeführt. Der Stromregler und der Spannungsregler sind somit so kaskadiert, daß man eine CV-Ausgabe erhält. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird eine Drahtzuführeinrichtung mit konstanter Geschwindigkeit im CV-Modus verwendet.
Die Stromversorgung von Fig. 1 ist mit den im Wechselstrommodus angeschlossenen Drahtbrücken in Fig. 2 gezeigt. Mehrere Anschlüsse 47, 87 und 88 sind an das nicht mit einem Punkt versehene Ende eines Zweigs jeder Sekundärwicklung am Transformator T1 angeschlossen. Diese Zweige jeder Sekundärwicklung sind mit dem mit einem Punkt versehenen Ende an die Thyristoren 1, 3 und 5 angeschlossen. Die Thyristoren 1, 3 und 5 sind so konfiguriert, daß sie, wenn sie eingeschaltet sind, einen Stromfluß von dem mit einem Punkt versehenen Ende der Sekundärwicklung zu dem Thyristor gestatten. Die Thyristoren 1, 3 und 5 sind außerdem jeweils über mehrere Anschlüsse 90, 91 und 92 mit einem Anschluß 50 verbunden. Anschluß 50 ist außerdem mit dem Werkstück W verbunden. Das nicht mit einem Punkt versehene Ende dieser Sekundärwicklungen ist mit einem Ende der Induktionsspule L1 verbunden. Der Mittenabgriff der Induktionsspule L1 ist an die Elektrode angeschlossen.
Die anderen Hälften der Sekundärwicklungen sind mit ihren, mit einem Punkt versehenen Enden miteinander verbunden und auch an das andere Ende der Induktionsspule L1 angeschlossen. Die nicht mit einem Punkt versehenen Enden dieser Sekundärwicklungen sind an die Thyristoren 2, 4 und 6 angeschlossen, die, wenn sie eingeschaltet sind, einen Stromfluß in die nicht mit einem Punkt versehenen Enden der Sekundärwicklungen gestatten. Auch die Thyristoren 2, 4 und 6 sind an das Werkstück angeschlossen.
Die Stromwege werden nun bezüglich der Sekundärwicklungen S1A und SIE beschrieben, die der Primärwicklung P1 zugeordnet sind. Wenn SCR6 eingeschaltet ist, dann fließt ein Strom durch SCR6 zu dem nicht mit einem Punkt versehenen Ende der Sekundärwicklung S1A, von dort zu dem mit einem Punkt versehenen Ende der Sekundärwicklung S1A durch die Induktionsspule L1 zur Elektrode E, durch den Lichtbogen zum Werkstück W und zurück zu SCR6. Analoge Stromwege existieren bei den Thyristoren 2 und 4. Wenn SCR5 eingeschaltet ist, fließt Strom von dem mit einem Punkt versehenen Ende der Sekundärwicklung S1B durch SCR5, zum Werkstück W, durch den Lichtbogen zur Elektrode E, durch L1 und zurück zu der nicht mit einem Punkt versehenen Seite der Sekundärwicklung. Ähnliche Stromwege existieren bei den Thyristoren 1 und 3.
Fig. 2A ist ein vereinfachter Schaltplan, der die im Wechselstrommodus geschaltete Stromversorgung der Fig. 1 und 2 zeigt. Fig. 2A zeigt primär jedoch die sekundärseitigen Leistungskomponenten an [lacuna], die im Wechselstrommodus konfiguriert sind, wobei die Überspannungsschutzelemente usw. und die den Gleichstrommodus betreffenden Drahtbrücken weggelassen worden sind.
Fig. 2A zeigt, daß der Leistungskreis der vorliegenden Erfindung im Wechselstrommodus im wesentlichen wie der Leistungskreis des US-Patentes 5,340,963 konfiguriert ist. Insbesondere bei Zündung der Thyristoren in einer Sequenz SCR6, SCR3, SCR2, SCR5, SCR4 und SCR1 leitet jeder Thyristor vor dem Nulldurchgang höchstens 120º, wobei ein Ausgabesignal mit einer Frequenz erzeugt wird, die das 1,5fache der Eingangsnetzfrequenz beträgt. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Leistungskreis jedoch in einem CC- oder einem CV-Modus betrieben werden. Man kann somit erkennen, daß ein Aufwärtsdirektumrichter bereitgestellt ist, der in einem CV- oder einem CC-Modus arbeitet.
Da die Ausgabe durch den L1 Leiter mit Mittenabgriff geliefert wird, so daß der Strom unabhängig von der Richtung des Ausgangsstromflusses immer in der gleichen flußerzeugenden Richtung in L1 fließt, glättet die Induktionsspule L1 den Schweißstrom und unterstützt einen schnellen Nulldurchgang.
Die in einem Gleichstrommodus konfigurierte Stromquelle ist in Fig. 3 gezeigt. Die Thyristoren 1, 3 und 5 sind an eine Sammelschiene 101 angeschlossen, während die Thyristoren 2, 4 und 6 im Gleichstrommodus an das Werkstück angeschlossen sind. Die Thyristoren werden in der gleichen Sequenz wie der für den Wechselstrommodus gezündet. In dieser Konfiguration ist die Ausgabe jedoch eine Gleichstromausgabe. Mit der Induktionsspule L1 wird eine glattere Schweißausgabe geliefert.
Der Strom fließt von der mit einem Punkt versehenen Seite der Sekundärwicklung S1A durch die Induktionsspule L1, durch den Lichtbogen, durch SCR6 und zurück zur Sekundärwicklung S1A. Analoge Stromwege existieren durch die Thyristoren 2 und 4. Ein weiterer Stromweg verläuft von dem mit einem Punkt versehenen Ende der Sekundärwicklung S1B, durch SCR5, durch die Induktionsspule L1 (in der gleichen flußerzeugenden Richtung wie der andere Stromweg), durch den Lichtbogen und zurück zur Sekundärwicklung S1B. Analoge Stromwege existieren durch die Thyristoren 1 und 3.
Fig. 3A ist ein vereinfachtes Schemadiagramm des Leistungskreises der Fig. 1 und 3, in dem die Primärwicklungen und bestimmte zugeordnete Schaltungen wie Überspannungsschutzelemente nicht gezeigt ist. Somit ist ein im Wechselstrom- oder Gleichstrommodus arbeitender Leistungskreis mit einer Steuerung beschrieben worden, die eine CC- oder CV-Ausgabe liefern kann. Die Ausgabe zwischen dem Ausgangsanschluß E und dem Werkstückanschluß W wird bevorzugt beim Unterpulverschweißen verwendet.
Die Steuerung 103 gestattet dem Benutzer die Auswahl zwischen einer CV- und einer CC-Betriebsart. Die Auswahl erfolgt bevorzugt mit einem Kippschalter an der Bedientafel der Stromversorgung (oder unter Verwendung einer Fernbedienung). Zwei Regler sind vorgesehen: ein Stromregler und ein Spannungsregler. Wenn der CC- Betrieb ausgewählt ist, wird mit dem Stromregler die Ausgabe gesteuert und der Spannungsregler wird nicht verwendet. Bei Auswahl des CV-Betriebs wird die Ausgabe des Spannungsreglers als der Sollwert für den Stromregler verwendet. Die Steuerung basiert dann auf der Stromreglerausgabe. Diese kaskadierende Anordnung gestattet dem Benutzer, eine CV-Ausgabe zu wählen und dennoch zum Steuern des Thyristorzündens den Stromregler zu verwenden.
Der Stromregler ist bei der bevorzugten Ausführungsform ein Proportional-Integral-(PI)-Stromregler und ist in Fig. 4 gezeigt. Das Stromrückkopplungssignal wird von dem Hall-Bauelement HD1 auf RC2-1 geliefert (siehe Fig. 1). Das Stromrückkopplungssignal wird an einem Widerstand R31 (5 Ohm) und einem Kondensator C21 (0,1 uF) geliefert, die das Stromrückkopplungssignal filtern.
Das gefilterte Signal wird den Widerständen R33 (475 Ohm), R34 (511 Ohm), R35 (10 Kiloohm), R36 (200 Kiloohm) und einem Operationsverstärker A3B zugeführt. Der Operationsverstärker A3B skaliert das Stromrückkopplungssignal und führt es durch einen Widerstand R25 (39,2 Kiloohm) dem integrierenden Teil des Kreises zu.
Das Stromreferenzsignal (ISET) wird am Anschluß RC2-2 bereitgestellt. Das Stromreferenzsignal wird bei der bevorzugten Ausführungsform von einem Potentiometer an der Bedientafel abgeleitet, wenn die Stromversorgung im CC-Modus betrieben wird. Die Stromreferenzeingabe variiert zwischen 0 und 10 Volt. Die Stromreferenzeingabe am Anschluß RC2-2 wird von der Ausgabe des oben beschriebenen Spannungsreglers abgeleitet, wenn die Stromversorgung im CV-Modus betrieben wird.
Das Stromreferenzsignal (ISET) wird durch eine Induktionsspule L4 (1000 uH) und einen Kondensator C22 (0,1 uF) bereitgestellt, die das ISET filtern und glätten. Das gefilterte ISET wird dann einem Widerstand R22 (100 Kiloohm), einem Widerstand R39 (121 Kiloohm) und einem Operationsverstärker A3A zugeführt. Der Operationsverstärker A3 skaliert das ISET. Ein Widerstand R23 (825 Kiloohm) setzt die kleinste Maschinenausgabe. Ein Relais CR1 schaltet den Regler ab, wenn die Maschine ausgeschaltet ist.
Die Ausgabe des Operationsverstärkers A3A wird über einen Widerstand R40 (43,2 Kiloohm) und einen kalibrierenden Widerstand R70 dem integrierenden Teil des PI-Reglers zugeführt. Der integrierende Teil des Reglers enthält und Operationsverstärker A3C, einen Widerstand R41 (1 Megaohm), einen Kondensator C13 (0,33, uF), einen Widerstand R24 (82,5 Kiloohm), einen Kondensator C18 (560 pF) und Zehner-Dioden D10 und DU. Die Komponenten sind mit dem Operationsverstärker A3C so konfiguriert, daß die Ausgabe des Operationsverstärkers A3C (ein Fehlersignal) ein Signal ist, das von der Differenz zwischen dem Stromreferenz signal und dem Stromrückkopplungssignal und dem Integral dieser Differenz abhängt. Mit dem Ausgangssignal werden dann die Thyristoren ausgelöst.
Wenn der Fehler anzeigt, daß nicht genug Strom geliefert wird, werden die Thyristoren in ihren Zyklen früher ausgelöst und stellen somit mehr Leistung bereit. Wenn das Fehlersignal anzeigt, daß zuviel Leistung bereitgestellt wird, werden die Thyristoren in ihren jeweiligen Zyklen später gezündet.
Der bei der bevorzugten Ausführungsform die CV-Regelung bereitstellende Teil der Steuerung 103 ist in Fig. 5 gezeigt, und es handelt sich um einen PI-Regler, der die Spannung an der Elektrode E und dem Werk W [sic] (die Ausgangsspannung) als Eingaben an den Anschlüssen RC2-4 und RC2-5 erhält. Die Ausgangspannungsrückkopplungssignale werden durch die Induktionsspulen L51 und L52 (1000 uH) und einem Kondensator C59 (0,01)1 F) geliefert, um das Rückkopplungssignal zu glätten und zu filtern. Das geglättete und gefilterte Rückkopplungssignal wird durch eine aus den Dioden D5-D8 bestehende Vollbrücke gleichgerichtet. Das gleichgerichtete Rückkopplungsspannungssignal wird durch ein Filternetz geschickt, das aus den Widerständen R52 (100 Kiloohm), R53 (5,62 Kiloohm), R51 (100 Kiloohm). R55 (5,62 Kiloohm) und den Kondensatoren C51 (0,22, uF) und C52 (0,22 uF) besteht.
Das Signal wird dann dem Operationsverstärker A1A mit den skalierenden Widerständen R54 (100 Kiloohm), R56 (100 Kiloohm), R58 (221 Kiloohm) und R57 (221 Kiloohm) zugeführt. Der Operationsverstärker A1A skaliert das Signal und führt es einem anderen Operationsverstärker A1B mit den Rückkopplungswiderständen R59 (47,5 Kiloohm) und R60 (4,32 Kiloohm) zu. Die Ausgabe des Verstärkers A1B ist ein skaliertes Rückkopplungssignal, und es wird durch einen Widerstand R61 (10 Kiloohm) an den invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers AIC angelegt.
Ein Spannungsreferenzbefehl (VSFT) wird an den Anschluß RC2-9 angelegt, und er wird bevorzugt von einem Potentiometer an der Bedientafel der Stromversorgung erhalten. Um das Spannungsreferenzsignal zu erhalten, können natürlich andere Verfahren wie etwa eine abgesetzte oder digitale Schaltung verwendet werden. VSET ist somit ein Signal, das bei Betrieb im CV-Modus die gewünschte Ausgangsspannung des Benutzers anzeigt.
VSET wird durch eine Induktionsspule L5 (1000 uH), die VSET glättet, an einen Operationsverstärker A1D angelegt, der skalierende Widerstände R69 (150 Kiloohm) und R68 (100 Kiloohm) aufweist. Der skalierte VSET wird durch einen Widerstand R66 (15 Kiloohm) an den Operationsverstärker A1C angelegt.
Der Operationsverstärker A1C führt die Proportionalfunktion und die Integralfunktion aus. Die dem Operationsverstärker A1C zugeordnete Schaltung, mit dem Kondensator C56 (0,001 uF), dem Kondensator C55 (0,22 uF), dem Widerstand R65 (35,7 Kiloohm) und dem Widerstand R64 (332 Kiloohm), sind so konfiguriert, daß sie die gewünschte PI-Regelung liefern. Die Ausgabe des Operationsverstärkers A1C ist ein Fehlersignal, das von der temporalen Differenz zwischen dem Spannungsreferenzsignal und dem Spannungsrückkopplungssignal abhängt. Der Widerstand R62 (61,9 Kiloohm) setzt die kleinste Ausgangsspannung.
Die Fehlerausgabe des Operationsverstärkers A1C wird durch eine Diode D9, einen Kondensator C57 (0,1 uF) und eine Induktionsspule L6 (1000 uH) geschickt. Diese Fehlerausgabe wird am Anschluß RC26 bereitgestellt. Wenn die Stromversorgung im CV-Modus betrieben wird, ist der Anschluß RC2-6 an den Anschluß RC2-2 angeschlossen, so daß ISET die Spannungsreglerausgabe ist.
An den oben beschriebenen Ausführungsformen können Modifikationen vorgenommen werden, einschließlich des Einsatzes digitaler Schaltungen, und außer einem PI- Regler kann ein anderer Regler verwendet werden.

Claims

1. Schweißstromversorgung, die einen Aufwärtsdirektumrichter (T1, SCR1-6) mit mindestens einem Steuereingang und einer an den Steuereingang angekoppelten Steuerung (103) enthält,

dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung mindestens zwei Rückkopplungseingänge zum Empfangen von Signalen enthält, die die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom anzeigen,

wobei die Steuerung die Ausgabe des Direktumrichters als Reaktion auf den Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung, der bzw. die von einem Benutzer ausgewählt werden können, steuert, und

die Steuerung einen Stromregler enthält, der das Signal empfängt, das den Ausgangsstrom anzeigt, und einen Spannungsregler, der das Signal empfängt, das die Ausgangsspannung anzeigt, und wobei der Spannungs- und der Stromregler kaskadiert sind, indem der Ausgang des Spannungsreglers an den Eingang des Stromreglers angeschlossen wird, für den Fall, daß der Benutzer auswählt, daß der Direktumrichter als Reaktion auf die Ausgangsspannung gesteuert werden soll.

2. Schweißstromversorgung nach Anspruch 1, wobei die Stromversorgungsausgabe zwischen Wechselstromleistung oder Gleichstromleistung ausgewählt werden kann.

3. Schweißstromversorgung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, weiterhin mit einer Dreiphaseneingangsschaltung, die eine Dreiphaseneingabe mit einer Eingangsfrequenz empfängt, wobei der Direktumrichter an die Dreiphaseneingangsschaltung angeschlossen ist und eine Einphasenausgabe mit einer Ausgangsfrequenz liefert, die größer ist als die Eingangsfrequenz.

4. Schweißstromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung (103) einen PI- oder Proportional-Integral-Stromregler oder -Spannungsregler enthält und der Ausgabeparameter der Ausgangsstrom bzw. die Ausgangsspannung ist.

5. Verfahren zum Erzeugen von Lichtbogenschweißstrom, mit den folgenden Schritten:

Bereitstellen von Eingangsleistung zu einem Direktumrichter; und Heraufsetzen der Frequenz des Stroms unter Verwendung des Direktumrichters (T1, SCR1-6);

dadurch gekennzeichnet, daß der Direktumrichter durch das Erzeugen eines Spannungsfehlersignals gesteuert wird; Bereitstellen des Spannungsfehlersignals als Sollwert für einen Stromregler; Erzeugen eines Stromfehlersignals; und Steuern des Direktumrichters als Reaktion auf das Stromfehlersignal.

6. Verfahren zum Erzeugen von Lichtbogenschweißstrom nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Bereitsteilens von Eingangsleistung das Bereitstellen von Dreiphaseneingangsleistung umfaßt.

7. Verfahren zum Erzeugen von Lichtbogenschweißstrom nach Anspruch 5 oder 6, weiterhin mit dem Schritt des Bereitstellens von PI- oder Proportional-Integral- Steuerung zu dem Strom- und dem Spannungsregler.