ITPD980086A1 - Generatore per saldatrici ad arco in topologia forward con clamp atti vo - Google Patents

Description

GENERATORE PER SALDATRICI AD ARCO IN TOPOLOGIA FORWARD CON CLAMP ATTIVO"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce ad un generatore per saldatrici ad arco in topologia forward con clamp attivo.

Sono noti convertitori CC/CC in topologia forward, di cui uno schema classico è quello illustrato nella figura 1.

I In questa topologia sono presenti due interruttori, indicati con 1 e 2 e questo comporta, nella pratica realizzazione, una notevole complessità circuitale.

Per superare questo problema sono state ideate topologie ad interruttore singolo (Off-Line Single Ended DC/DC Converter) di cui uno schema indicativo è

in figura 2.

In questa soluzione è previsto un trasformatore 3 con' un avvolgimento ausiliario 4 necessario a demagnetizzazione del trasformatore stesso.

Per mantenere contenuto-il dimensionamento in tensione dell'interruttore, in tale configurazione viene adottato, per l'avvolgimento ausiliario, lo stesso numero di spire dell'avvolgimento primario.

Questa configurazione permette di adottare un singolo interruttore ma presenta alcuni inconvenienti:

- il materiale magnetico che realizza il trasformatore non risulta utilizzato efficientemente in quanto la variazione del flusso avviene soltanto verso induzioni positive;

- la presenza dell'avvolgimento ausiliario rende onerosa la realizzazione del trasformatore sia perchè risulta difficoltoso garantire un buon accoppiamento tra avvolgimento primario e secondario, causa di sovratensioni ai capi dell'interruttore, sia perchè la presenza dell'avvolgimento ausiliario tende ad aumentare l'induttanza dispersa fra gli avvolgimenti primario e secondario che risulta dannosa in quanto responsabile di sovratensioni ai capi dei diodi al secondario;

- adottando un numero di spire dell 'avvolgimento ausiliario uguale al numero di spire dell'avvolgimento primario per mantenere la tensione massima ai capi pari al doppio della tensione continua di ingresso, il duty cycle massimo risulta limitato al 50%, il chè rende ridotto il campo di regolazione del convertitore ed impone rapporti di trasformazione ridotti,.

Scopo del presente trovato è quello di mettere a punto un generatore utilizzante ancora un unico interruttore di potenza, ma nel quale siano state eliminati gli inconvenienti sopra evidenziati.

Conseguente primario scopo è quello di rendere più efficiente l'utilizzo del materiale magnetico.

Un secondo scopo è quello di eliminare l'avvolgimento ausiliario del trasformatore.

Un terzo scopo è quello,di limitare gli stress in tensione dell'interruttore di potenza.

Un quarto scopo è quello di aumentare il campo di regolazione del convertitore a duty cycle superiori al 50%.

Un quinto scopo è quello di recuperare l'energia magnetizzante.

Un ulteriore scopo è quello di ridurre le perdite di commutazione presenti nell'interruttore di potenza.

Gli scopi elencati ed altri ancora che si evidenzieranno in seguito sono raggiunti da un generatore per saldatrici ad arco del tipo convertitore CC/CC in topologia forward, con clamp attivo caratterizzato dal fatto di comprendere un trasformatore a due avvolgimenti di cui il primario è interessato dal passaggio di corrente comandato da un interruttore principale pilotato da una unità di controllo sensibile alle caratteristiche della- corrente -di saldatura, su detto primario essendo derivata una rete di ripristino del trasformatore formata da una capacità (capacità di clamp) in serie ad un interruttore ausiliario che gestisce la sola corrente di magnetizzazione, durante il tempo di apertura dell'interruttore principale.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di preferite forme esecutive date a titolo indicativo ma non limitativo ed illustrate, assieme a schemi dello stato della tecnica, nelle allegate tavole di disegni in cui:

la fig. 1 rappresenta uno schema di un convertitore forward noto, del tipo a due interruttori di potenza;

la fig. 2 rappresenta uno schema di un generatore per saldatura di tipo noto, a singolo interruttore di potenza e con trasformatore dotato di avvolgimento ausiliario;

la fig. 3 rappresenta uno schema del generatore secondo il trovato del tipo a configurazione denominata Flyback type;

le figg. 4 e 5 mostrano due schemi varianti di quello di fig. 3 con configurazione denominata "Boost type";

la fig. 6 mostra uno schema di una ulteriore variante in cui l'accensione dell'interruttore principale avviene con tensione ai suoi capi nulla;

la fig. 7 rappresenta uno schema che evidenzia i blocchi funzionali che implementano il_ controllo deigeneratore;

la fig. 8 rappresenta i diagrammi temporali relativi alla gestione dell ' interruttore principale e dell'interruttore ausiliario.

Con riferimento alle tavole di disegno allegate, delle figure 1 e 2 si è già parlato nella presentazione dello stato della tecnica.

In fig. 3 è illustrato lo schema base del generatore secondo il trovato, ove sono evidenziate le componenti fondamentali.

Dalla rete 101 è alimentato un ponte raddrizzatore 102 che raddrizza la corrente inviandola al primario 103 di un trasformatore 104 il cui secondario 105, con l'interposizione di normali sistemi a diodi 106, induttanza 107 e condensatore 108, alimenta i morsetti 109 da cui prende corrente l'arco di saldatura non illustrato.

Sul primario 103 del trasformatore 104 fluisce una corrente nei tempi in cui l'interruttore principale di potenza SI è chiuso e la chiusura di questo interruttore SI è comandata da una unità di controllo 110 che lavora in relazione alla corrente di saldatura rilevata ai capi di resistenza 111 in serie col circuito d'arco

La stessa unità di controllo 110 comanda anche un interruttore ausiliario S2 che chiude il primario 103 su capacità 112 (Cc).

La rete costituita dalla capacità 112 (Cc) e dall'interruttore S2, è la rete di ripristino del trasformatore e si può notare come l'interruttore ausiliario S2 debba gestire solo la corrente magnetizzante del trasformatore durante il tempo di apertura dell'interruttore principale.

Per questa ragione l'interruttore ausiliario S2 non è un interruttore di potenza e la configurazione risulta molto semplificata in quanto non è necessario l'avvolgimento ausiliario sul trasformatore, nè è prevista una rete dissipativa, ovvero una resistenza in serie con l'interruttore ausiliario.

Il circuito di fig. 3 è definibile come "Flyback type" mentre quelli delle figure 4 e 5 sono denominabili "Boost type" .

Il funzionamento di questi circuiti di ripristino illustrati nelle figure 4 e 5, è identico a quello della figura 3, con l'unica differenza che consiste nel fatto che la tensione che si instaura ai capi della capacità 112 (Cc) risulta essere maggiore.

La fig. 6 illustra una ulteriore variante in cui viene utilizzato lo schema di una configurazione forward con cl attivo denominata "Active clamp with Zero Voltage Transition" il quale presenta la particolarità di realizzare l'accensione dell'interruttore principale SI a tensione nulla mediante la risonanza tra l'induttanza 113 e la capacità 114.

I vantaggi di questa configurazioni sono molteplici. In particolare:

- non risultano necessari avvolgimenti ausiliari o reti di clamp dissipative per il ripristino del trasformatore;

- non esistono limitazioni al duty cycle massimo;

- sono possibili elevati valori di rapporto di spire N, ciò che comporta una notevole riduzione degli stress in corrente al primario e degli stress in tensione al secondario;

- l'energia immagazzinata negli elementi parassiti (induttanza di dispersione e capacità parassite degli interruttori) viene convogliata nella capacità di clamp, per poi essere restituita dal lato alimentazione incrementando, in questo modo, il rendimento del generatore e permettendo una riduzione delle emissioni elettromagnetiche;

- gli stress in tensione ai capi dell'interruttore principale risultano ridotti e relativamente costanti in tutta la gamma di variazione della tensione di ingresso;

- risulta possibile ottenere, per gli interruttori principali ed ausiliario, commutazioni a tensione nulla permettendo cosi una riduzione delle perdite in commutazione e la possibilità di operare a frequenze più elevate con la conseguente riduzione delle parti magnetiche del generatore stesso.

Ciò è reso possibile, negli schemi di fig. 3, 4 e 5 dalla presenza dell'induttanza di dispersione del trasformatore Ld e della capacità parassita totale ai capi dell'interruttore principale Ca.

La prima può essere eventualmente aumentata con l'ausilio di un componente esterno oppure riducendo il fattore di accoppiamento tra il primario ed il secondario, mentre la seconda può essere aumentata con l'aggiunta di un componente esterno.

Nello schema di fig. 6 ciò è ottenuto mediante la risonanza dei componenti di induttanza 113 (Lr) e 114 (Cc) che realizzano la rete di ripristino.

In fig. 7 è riportato lo schema del convertitore così come viene realizzato in una preferita forma esecutiva.

La topologia adottata presenta i vantaggi sopra elencati ma in situazioni di transitorio, dovute al variare del carico o a variazioni della tensione di ingresso, possono manifestarsi delle dissimmetrie nella magnetizzazione del trasformatore di potenza dovute al fatto che il suo ripristino risulta essere realizzato dalla tensione presente ai capi della capacità di clamp la quale non può variare il suo valore istantaneamente.

Di conseguenza risultano necessari alcuni cicli di commutazione affinchè il sistema pervenga nuovamente in una condizione di regime ove la magnetizzazione del trasformatore torna ad essere perfettamente simmetrica.

Gli sbilanciamenti descritti possono portare il trasformatore in prossimità della saturazione con il conseguente rischio per i componenti che realizzano gli interruttori.

Nello schema di fig. 7 risultano evidenziati i blocchi funzionali che implementano il controllo del convertitore per risolvere le criticità sopra evidenziate permettendo così di realizzare un generatore per saldatura in topologia forward active clamp.

Il blocco B realizza il controllo "current mode" elaborando i segnali che ad esso sono resi disponibili e comandando opportunamente l'interruttore principale.

In particolare il blocco E genera il segnale a dente di sega Vo riportato in fig. 8.

Tale segnale realizza un riferimento fisso di frequenza doppia rispetto alla frequenza di commutazione desiderata per il convertitore.

il blocco B, pilotato dal segnale Vo, comanda, attraverso il blocco d'interfaccia I, l'accensione dell'interruttore principale SI attivando così, ad ogni ciclo, la fase di "powering" del convertitore, ovvero la fase in cui la potenza viene trasferita dal circuito primario verso il circuito secondario.

Con SI in conduzione, il blocco A converte il segnale di corrente proveniente dal sensore posto a primario, in un segnale di tensione proporzionale alla corrente stessa che scorre al primario.

Tale segnale viene reso disponibile al blocco B, dove viene confrontato con il segnale di riferimento relativo alla corrente di picco proveniente dall'amplificatore d'errore implementato dal blocco F.

In particolare, quando il segnale del blocco A raggiunge il valore impostato dal blocco F, il blocco B comanda lo spegnimento dell'interruttore SI, avviando la fase di ripristino del trasformatore.

Come descritto il blocco F impone il valore di picco della corrente primaria tale da avere, lato secondario, la desiderata corrente di saldatura.

Tale corrente risulta monitorata dal blocco G.

In particolare quest'ultimo stadio preleva un segnale di tensione proporzionale alla corrente di saldatura, lo condiziona e lo rende disponibile al blocco F.

Quindi, la catena formata dai blocchi A, E, G e F coordinati dal blocco B, che genera il segnale di comando OUT1 , assieme al blocco d'interfaccia

pilotaggio dello switch principale implementa il controllo della corrente di saldatura in modalità current mode

L'interruttore ausiliario S2, gestito dal segnale di comando OUT2, riportato in fig. 8, viene invece acceso durante la fase di ripristino del trasformatore che, come sopra descritto, ha inizio nel momento in cui l'interruttore SI viene spento.

A partire dal segnale a dente di sega generato dal blocco E, il blocco C genera le necessarie temporizzazioni di accensione e spegnimento dello switch ausiliario S2.

In particolare, mediante una costante di tempo generata da un circuito RC viene impostato il tempo di ritardo in accensione tdl evidenziato in fig. 8, mentre impostando il segnale di riferimento V è confrontando tale segnale con il segnale Vo, generato dal blocco E, si ottiene il ritardo td2.

Il blocco D, invece, provvede alla sincronizzazione del segnale di comando dello switch ausiliario proveniente dal blocco C con il segnale di comando dello switch principale generato dal blocco B.

Tale sincronizzazione risulta indispensabile e fondamentale per il funzionamento del convertitore, in tutte le situazioni di carico statico e dinamico tipiche della saldatura ad arco, in quanto da essa dipende il corretto ripristino del trasformatore stesso.

Concludendo l'insieme dei blocchi E, C e D genera il segnale di comando 0UT2, riportato in fig. 8, il quale opportunamente interi acciato dal blocco di pilotaggio L realizza la corretta gestione del switch ausiliario S2 responsabile del corretto ripristino, ciclo per ciclo, del trasformatore.

In fig. 8 sono riportati i diagrammi temporali relativi alla gestione degli interruttori SI, segnale (OUT 1) ed S2 segnale (OUT 2).

A partire dal segnale a dente di sega Vo generato dall'oscillatore, con frequenza doppia rispetto alla frequenza di switching desiderate per il generatore, mediante un comparatore veloce si realizza il confronto col segnale di riferimento V

Dal risultato del confronto, segnale COMP, si ricava il segnale di comando OUT 2, cui necessari tempi di ritardo td1 e td2.

in particolare i valori di resistenza e capacità del circuito stabiliscono la durata del tempo tdl, mentre il valore della tensione di riferimento V , permette di determinare la durata del tempo td2.

Il ritardo td2 risulta di fondamentale importanza in quanto opportunamente dimensionato in base alla risonanza fra l'induttanza di dispersione Ld e la capacità dell'interruttore principale Ca permette di realizzare l'accensione dell'interruttore principale a tensione nulla, con la conseguente riduzione delle perdite in commutazione dell'interruttore in questione.

Da quanto descritto ed illustrato si vede come si siano raggiunti tutti gli scopi proposti in modo vantaggioso.

Ovviamente il dimensionamento ed il tipo dei componenti potrà essere scelto in funzione delle potenze di progetto.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1) Generatore per saldatrici ad arco del tipo convertitore CC/CC in topologia forward con clamp attivo, caratterizzato dal fatto di comprendere un trasformatore a due avvolgimenti di cui il primario è interessato dal passaggio di corrente comandata da un interruttore principale pilotato da una unità di controllo sensibile alle caratteristiche della corrente di saldatura, su detto primario essendo derivata una rete di ripristino del trasformatore formata da una capacità (capacità di clamp) in serie ad un interruttore ausiliario che gestisce la sola corrente di magnetizzazione, durante il tempo di apertura dell'interruttore principale.
2. 2) Generatore come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che in una prima forma esecutiva detta rete di ripristino è costituita dall'interruttore ausiliario con in serie la capacità di clamp, derivata ai capi dell'avvolgimento primario del trasformatore.
3. 3) Generatore come alla rivendicazione caratterizzato dal fatto che in una forma esecutiva· equivalente la rete di ripristino costituìta dall'interruttore ausiliario con in serie la capacità di clamp è collegata ai capi dell'interruttore principale, con interruttore secondario connesso al comune fra interruttore principale e il capo dell'avvolgimento primario del trasformatore 4) Generatore come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che in una seconda forma esecutiva equivalente la rete di ripristino, costituita dall'interruttore ausiliario e dalla capacita di clamp, è collegata ai capi dell'interruttore principale con capacità di clamp connessa al comune fra interruttore principale ed il capo dell'avvolgimento primario del trasformatore. 5) Generatore come alla rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di presentare nella rete di ripristino un'induttanza risonante con la capacità di clamp, cosa che permette di accendere l 'interruttore principale quando la tensione ai suoi capi è nulla. 6) Generatore per saldatrici ad arco in topologia forward caratterizzato dal fatto di comprendere una o più delle caratteristiche illustrate e descritte.