DK149664B - Stroemforsyning til lysbuesvejsning - Google Patents

Description

i 149664 o

Opfindelsen angår en strømforsyning til lysbuesvejsning med en ensretter, som kan tilsluttes vekselstrømsnettet, en med ensretterens jævnstrømsklemmer forbundet parallelkreds indbefattende en udglatningskondensa-5 torindretning og en vekselretterindretning til ændring af jævnspændingen til en vekselspænding med en væsentlig højere frekvens end netfrekvensen, idet vekselretterindretningen er tilvejebragt med halvlederelementer, som styres fra et styringsanlæg, og med en transformatorindretning til galvanisk ad-10 skillelse af vekselretterindretningens indgang fra dens udgang, med hvilken udgang et af arbejdsemnet og en svejseelektrode tilvejebragt svejsested, via en egnet ensretterserieforbindelse, er forbundet. Svejsestrømforsyningen er på sædvanlig vis udformet med en transformator til nedsættelse af netspændingen 15 til den lavere svejsespænding. Takket være anvendelsen af en væsentlig højere frekvens er det fysiske omfang af transformatoren sammenlignet med det fysiske omfang af en transformator med samme ydelse til netfrekvensen væsentligt formindsket. En væsentlig højere frekvens forstås her som en 20 frekvens på mindst 0,5 kHz. Det er især hensigtsmæssigt at vælge en frekvens, som er større end 15 kHz og således ligger over høregrænsen. Den højere frekvens tilvejebringer sammenlignet med netfrekvensen en hurtigere regulering af svejseparametre, især svejsestrøm og svejsespænding. Svejsestrøm-25 forsyninger af denne art er eksempelvis offentliggjort i US patentskrift 4.159.409 og GB patentskrift 2.046.535.

Anvendelsen af en højere frekvens tilvejebringer dog også ulemper. De styrbare halvlederelementer til højere frekvenser er dyrere og har i mange forbindelser dårligere 30 driftsværdier end tilsvarende halvlederelementer til almindelige netfrekvenser. Især har disse halvlederelemehter dårligere data hvad angår deres evne til at imødegå overbelastning gennem udjævningsprocesser, f.eks. hurtige strøm- og spændingsændringer. Lignende halvlederelementer til normale 35 netspændinger er særligt dyre. Det må i den forbindelse bemærkes, at ved en netvekselspænding på 380 V andrager den 149664

O

2 udjævnede jævnspænding ca. 530 V. Da man ved dimensionering af halvlederelementerne også må tage hensyn til ændringer i netspændingen og udjævningsprocesser, må der ved en netspænding på 380 V regnes med halviederelementer til ca. 600 V, 5 og Ved en netspænding på 500 V må der regnes med halvleder-elementer til ca. 800 V.

Omkostningerne ved halvlederelementer til disse høje spændinger er især af betydning for den samlede pris af mindre svejsestrømsforsyninger, hvilke forsyninger frem-10 stilles i store serier. Det er således især ønskeligt at udvikle en strømforsyning, som for den samme netspænding kan anvende de billigere halvlederelementer til lavere driftsspændinger. Den videreudvikling af halvlederelementerne vil antagelig i fremtiden føre til en billiggørrelse af halvleder-15 elementer til høje spændinger. Det må dog forventes, at prisforholdet mellem halvlederelementer til høje og lave spændinger næppe bliver ændret, hvorved halvlederelementerne til lavere spændinger også fortsat prismæssigt vil være væsentligt mere fordelagtige.

20 Det er formålet med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe en billig svejsestrømsforsyning med vekselretter, i hvilken forsyning de prismæssigt mest fordelagtige halvlederelementer kan anvendes ved almindelige netspændinger. Det angivne formål opnås med et anlæg af den indledningsvis omhandlede 25 art, som ifølge opfindelsen er ejendommelig ved den i krav l's kendetegnende del angivne udformning, idet der tilvejebringes en vekselretterindretning, som er opbygget af to eller flere vek-selrettere, hvis indgange er forbundet i serie, og idet udglatningskondensatorindretningen virker som spændingsdeler, hvilken 30 kondensatorindretning er tilvejebragt med to eller flere i serie forbundne kondensatorer således, at mellem kondensatorerne tilvejebragte kredsløbspunkter er forbundet med modsvarende punkter mellem de i serie forbundne vekselrettere. Således ligger kun en del af den samlede spænding over den enkelte veksel-35 retter, og der kan således anvendes halvlederelementer, som kun er udformet til disse delspændinger.

Det er hensigtsmæssigt at fordele den samlede spænding 149664

O

3 ved spændingsdeleren ensartet på de i serie forbundne veksel-rettere. Denne spændingsopdeling ødelægges ganske vist i tomgang, når transformatorernes magnetiseringsstfømme. er forskellige. På lignende vis påvirkes den ønskede spæn-5 dingsopdeling også ved forskelle i kondensatorernes lækstrømme på ufordelagtig vis. Disse forstyrrelser bliver i den ved opfindelsen tilvejebragte udførelsesform afhjulpet derved, at enhver udglatningskondensator har en med kondensatoren parallelforbundet modstand. Spændingsopdelingen i 10 tomgang er hovedsagelig bestemt af størrelsen af modstandene.

I en yderligere fordelagtig udførelsesform af opfindelsen er indgangene på to ens vekselrettere forbundet i serie, og der er tilvejebragt styreindretninger til begge vekselrettere til styring af halvlederelementerne til vekselvis frembringelse af 15 spændingsimpulser på begge vekselretteres udgange, hvorhos der mellem hver udgang og svejsestedet er tilvejebragt en strømkreds med en serieforbindelse af ensrettere og svejseinduktor og en med svejseinduktoren samvirkende kortslutningsdiode.

Det har vist sig, at en tilslutning af begge vekselrettere 20 til en fælles svejseinduktor, ved forskellige styreimpulser på vekselretternes halvlederelementer, fører til en ustabilitet af potentialerne på forbindelsesklemmerne mellem de to serieforbundne vekselrettere, hvilket medfører en ulige spændingsfordeling på de to vekselrettere og en uønsket spændingsbelastning. Når 25 dér forbindes en svejseinduktor i serie med udgangene på hver sin vekselretter, optræder denne ustabilitet ikke.

En ved opfindelsen tilvejebragt udførelsesform forklares i det følgende nærmere med dertil ved opfindelsen tilvejebragte fordele under henvisning til tegningen, på hvilken 30 fig. 1 er et skematisk koblingsdiagram af en strømfor syning ifølge opfindelsen, fig. 2 er et detaljeret og noget modificeret koblingsdiagram af strømforsyningen.

En ensretter 1 er forbundet med det enfasede forsynings-35 net 2. To med en leder 3 i serie forbundne vekselrettere 4, 5 er forbundet med ensretteren 1 ved ledere 6, 7. Vekselretterne

U966A

O

4 er udformet med styrbare halvlederelementer. Vekselretterforbindelser af denne art er almindelig kendt. Halvlederelementerne kan være thyris torer og transistorer.

To i serie forbundne udglatningskondenstorer 8, 9 5 og de med disse parallelforbundne modstande 10, 11 er forbundet ved lederne 6, 7. Kredsløbspunktet 12 mellem kondensatorerne 8,i. 9 er forbundet med lederen 3. Frekvensen af den fra vekselretterne 4, 5 afgivne vekselspænding er fortrinsvis 15 kHz eller højere. Vekselspændingen bliver ensrettet i 10 en modsvarende ensretter 13, 14 og tilføres et af en elektrode 15 og et arbejdsemne 16 tilvejebragt svejsested. Modstandene 10, 11 er lige store, og spændingen over hver af de to vekselrettere er således også nogenlunde den samme. Meget små afvigelser i disse spændingsstørrelser optræder på grund af den i takt 15 med vekselretterfrekvensen stedfundne opladning og afladning af kondensatorerne.

I fig. 2 ses en trefaseensretter 17, som er forbundet med et trefasenet 18. På to ensretterudgange 19, 20 er to i serie forbundne udglatningskondensatorer 21, 22 og to med 20 deres indgange 25, 26, 27, 28 i serie forbundne vekselrettere 23, 24 tilsluttede. Indgangene 26, 27 er forbundne via en klemme 29, hvilken klemme er forbundet med en klemme 30 på forbindelseslederen mellem de to kondensatorer 21, 22.

Udgange 31, 32, 33, 34 på omformerne er hver serie-25 forbundet med en diode 35, 36 og en svejseinduktor 37, 38. En kortslutningsdiode 39, 40 på hver udgang overtager svejsestrømmen, når energistrømmen fra vekselretteren bliver afbrudt. De to udgangskredse 35, 37, 39 henholdsvis 36, 38, 40 er parallelforbundne og forbundet med en svejseelek-30 trode 41 og et arbejdsemne 42.

Opbygningen af de to vekselrettere 23, 24 er identiske og herefter bliver kun én af de to vekselrettere nærmere beskrevet. Vekselretteren 23 er en asymmetrisk halvbrovekselretter. To parallelle kredse indbefatter hver en diode 43, 44 og hver et 35 af en styreindretning 45 styret halvlederelement 46, 47.

O

5

U966A

I det foreliggende kredsløb bliver som halvlederelementer anvendt MOS-felteffekttransistorer, også kort benævnt MOSFET, hvilke halvlederelementer i modsætning til de normale bipolare transistorer kan styres praktisk taget uden effekt.

5 En MOSPET er tilvejebragt med en positiv temperatur koefficient, dvs. at dens modstand stiger med tiltagende temperatur. En MOSFET kan således i modsætning til bipolare transistorer parallelkoblés uden særlige indkoblingselementer eller hjælpekredse, idet strømmen fordeler sig i forhold til 10 modstandsstørrelserne i de parallelkoblede MOSFET'er.

På grund af den positive temperaturkoefficient kan overbelastning i eh ^MOSPET ikke tilvejebringe -ukontrallferbare strømstigninger, idet lokal opvarmning omkring den overbelastede MOSPET frembringer et tilsvarende fald i strømstørrelsen.

15 Ved bipolare transistorer eksisterer risikoen for en sådan ukontrollerbar strømstigning, idet bipolare transistorer har en negativ temperaturkoefficient. En MOSFET har således flere fordele i forhold til den bipolare transistor.

En ulempe er dog den begrænsede tilladte maksimale spænding.

20 Dog kan der i dag fremskaffes MOSFET'er med en spærrespænding indtil 800 V. Disse MOSFET'er er dog dyre, især for de høje strømstyrker, til hvilke svejsestrømforsyninger skal dimensioneres. Det er således indlysende, at anvendelsen af billigere MOSFET'er med mindre tilladelig spærrespænding er ønskelig.

25 I det foreliggende koblingsdiagram er kun vist en enkelt MOSFET 46, 47 i serie med den dertil knyttede diode 43, 44.

Med henblik på højere svejsestrømme og den ovenfor nævnte begrænsede tilladelige strømbelastning af en enkelt MOSFET, skal der i almindelighed parallelkobles flere MOSFET'er.

30 Primærviklingen 49 på en transformator 48 er forbundet med de to MOSFET'er. Modstande 51, 52 er forbundet mellem den ene klemme på transformatoren 48 og de to klemmer 25, 29. Transformatorens sekundærvikling 50 er forbundet direkte med udgangen Bl, 32 på vekselretteren. Modstandene 51, 52 i de 35 to vekselrettére virker på samme måde som beskrevet ovenfor for modstandene 10, 11 i fig. 1.

149664

O

6 Jævnspændingen fra ensretteren 17 opdeles gennem de to modstandspar 51, 52, som har den samme modstand, i to lige store delspændinger mellem klemmerne 25, 29 og 29, 28. Potentialet på klemmerne 29, 30 ligger således 5 teoretisk mellem de to potentialer på ensretterudgangene 19, 20; Der optræder dog ganske små potentialsvingninger på klemmerne 29, 30, f.eks. forårsaget af forskellig impulslængde på styresignalerne på MOSFET'erne og gennem forskellige opladnings- og afladningsstrømme på kondensatorerne. MOSFET'erne 10 på de to vekselrettere 23, 24 udsættes således kun for den halve af den mellem klemmerne 25, 29 henholdsvis 29, 28 optrædende driftsjævnspænding plus et ringe tillæg fra de på klemmen 29 optrædende potentialsvingninger.

Ved fejl forårsaget af beskadigede koblingselementer 15 kan potentialet på klemmen 29 dog afvige stærkt fra sin driftsværdi, hvorved spændingen på en af vekselretterne kan blive forhøjet således, at MOSFET'erne udsættes for en ødelæggende overspænding. Tilvejebringelsen af en sådan overspænding på MOSFET'erne undgås dog ved en overvågningskreds. Spændingen på kondensatoren 20 22 sammenlignes i en komparator 53 med en i en indstillings kreds 54 indstillet spænding. Overstiger forskellen mellem kondensatorspændingen og den indstillede spænding en bestemt størrelse, afgiver komparatoren 53 et signal til styreindretningen, som straks afspærrer MOSFET'erne 46, 47 over en styreleder 25 55. Når strømmen gennem MOSFET'erne er afbrudt bestemmes opde lingen af spændingen kun af modstandene 51, 52, hvilke modstan-.de her forudsættes at være lige store. Hver MOSFET belastes herefter kun med ca. en fjerdedel af den mellem udgangsklemmerne 19, 20 tilvejebragte jævnspænding, forudsat at kondensatorerne 30 er fejlfri.

Når den ubelastede svejsestrømsforsyning tilsluttes netspændingen fordeler spændingen mellem klemmer 19, 20 sig i første øjeblik over de to kondensatorer omvendt i forhold til deres kapacitet. Da de i handelen tilgængelige, masseproduce-35 rede kondensatorer fremviser kapacitetstørrelser, som inden for de.tilladelige tolerancer kan afvige væsentligt fra deres nominelle værdi, må det forventes, at omformerne i indkoblingsøjeblikket ikke, som forudset, påtrykkes den samme, men en stærkt 149664

O

7 afvigende delspænding. Dog vil delspændingerne efter kort tid indstille sig på en værdi, som er bestemt af modstandene 51, 52 i omskifterne 23, 24. Overspændingen i indkoblingsøjeblikket kunne medføre en beskadigelse af MOSFET'erne.

5 Det vil dog være muligt at udvælge egnede kondensatorer med den samme kapacitetsstørrelse, hvilket dog medfører forøgede omkostninger.

Eftersom spændingen over kondensatoren 22 løbende overvåges af komparatoren, medfører en overspænding på en 10 af de to kondensatorer 21, 22, at spændingsforskellen mellem kondensatoren 22 og den af indstillingskredsen 54 på kompara-toren indstillede spænding overskrider en forudbestemt størrelse. Et tilsvarende udgangssignal fra komparatoren 53 til styreindretningen 45 medfører en umiddelbar spærring af 15 MOSFET'erne. Spændingen over en MOSFET kan således i ugunstigste fald - når f.eks. en af de to kondensatorer 21, 22 er beskadiget og kortsluttet - højst andrage halvdelen af spændingen mellem klemmen 19, 20, eftersom modstandene 51, 52, som ovenfor forudsat, er lige store.

20 Det er også tænkeligt, at potentialet på klemmen 19 ligeledes overføres til en indgang på komparatoren, hvorved spændingen på begge kondensatorerne 21, 22 sammenlignes med en forud fastsat spænding.

En svejsestrømmen modsvarende spænding aftastes over 25 en shunt 56, hvilken spænding sammen med svejsespændingen over lederen 51, 58, 59 overføres til den for begge vekselrettere fælles styreindretning 45. På styreindretningen er tilvejebragt en indstillingskreds 60 til indstilling af den ønskede størrelse af svejsestrøm og/eller svejsespænding. I modsætning til, hvad 30 der er vist, er det også tænkeligt, at tilvejebringe egen styreindretning for hver vekselretter.

De to vekselrettere 23, 24 kan med fordel drives af styreindretningen som impulsbreddemodulerede vekselrettere i modtakt.

Vekselretterne afgiver derved på deres udgange 31, 32 35 henholdsvis 33, 34 vekselvise spændingsimpulser af bestemt længde. Når vekselrettere af denne art bliver belastet, har det vist stig fordelagtigt, at vekselretterne 23, 24 forbindes med hver 149664

O

8 sin ensretter 35, 36, hver sin svejseinduktor 37, 38 og hver sin kortslutningsdiode 39, 40, før de to vekselrettere parallelforbindes og forbindes med det fælles svejsested 41, 42.

Claims (4)

1. Svejsestrømsforsyning til lysbuesvejsning med en ensretter (1,17)/ som kan tilsluttes et vekselstrømsnet, et med ensretterens jævnstrømsklemmer forbundet parallel-5 kredsløb indbefattende en udglatningskondensatorindretning (8/9,21,22) og en vekselretterindretning (4,5,23,24) til vekselretning af jævnspændingen til en vekselspænding med en frekvens, som er væsentlig højere end netfrekvensen, idet vekselretter-indretningerne (4,5,23,24) er tilvejebragt med af en styre-10 indretning (45) styrede halvlederelementer (46,47), og med en transformatorindretning (48) til galvanisk adskillelse af vekselretterindretningens indgang fra dens udgang, til hvilken udgang, efter egnet serieforbindelse af en ensretter (13,14,35,36), et svejsested indbefattende et arbejdsemne og en svejseelektrode 15 er forbundet, kendetegnet ved, at vekselretterindretning gen indbefatter to eller flere vekselrettere (4,5,21,22), hvis indgange er forbundet i serie, og at udglatningskondensatorindretningen virker som spændingsdeler, hvilken indretning er tilvejebragt ' med to eller flere serieforbundne kondensatorer (8,9,21,22), 20 idet mellem kondensatorerne tilvejebragte klemmer (12,30) er forbundet med modsvarende klemmer (3,29) mellem de i serie forbundne vekselrettere.

2. Svejsestrømsforsyning ifølge krav ^kendetegnet ved, at hver udglatningskondensator (8,9,21,22) 25 er parallelforbundet med en modstand (10,11,51,52).

3. Svejsestrømsforsyning ifølge krav 2, kendetegnet ved, at modstanden (51,52). er tilvejebragt som en del af vekselretteren (23, 24).

4. Svejsestrømsforsyning ifølge krav 1-3, kende-30 tegnet ved, at indgangene (25,26,27,28) på to ensartede vekselrettere (23,24) er forbundne i serie og at der er tilvejebragt styreindretninger (45) for begge vekselrettere til styring af halvlederelementerne til vekselvis tilvejebringelse af spændingsimpulser på begge udgange på de to vekselrettertransforma-35 torer (48), hvorhos der mellem hver udgang (31,32,33,34) og svejsestedet (41,42) er tilvejebragt en strømkreds indbefattende en serieforbindelse af ensretter (35,36) og svejseinduktor