NO136825B - Maskin for lysbuesveising. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår maskiner for lysbuesveising med en anordning for kontinuerlig strømregulering.

I. Spesielle krav som stilles til strømkilder for lysbue-

sveisinq

Blant spesielle krav som stilles til strømkilder for lysbuesveising til forskjell fra strømkilder for andre formål skal kort nevnes følgende: - Reguleringsområde. Strømstyrken må være regulerbar (helst kontinuerlig regulerbar) slik at minimal strøm er 20% eller mind-

re av maksimal strøm.

- Tomqangsspenning. For maskiner med fallende karakteristikk

bør tomgangsspenningen være mest mulig konstant over hele re-guleringsområdet, og stor nok til tenning av lysbuen for de aktuelle elektroder. Dog må tomgangsspenningen av sikkerhets-hensyn ikke overskride 80 V (effektverdi) vekselspenning eller 100 V (middelverdi) likespenning.

Strømkurveform. Forholdet mellom strøm og spenning. På grunn

av de spesielle forhold i en sveiselysbue stilles det særlige krav til strømkurveform og forholdet mellom strøm og spenning. Hvis lysbuen f.eks. er slukket i tidsintervaller under sveisingen, vil dette påvirke materialtransporten i lysbuen. Man får lav nedsmeltehastighet for elektroden, fare for feil i sveiseavsettet samt sveisesprut. Videre må spenningen til enhver tid være tilstrekkelig stor til å sørge for opprett-holdelse av lysbuen. Sterkest gjør dette seg gjeldende ved vekselstrømsveising. Hvis den nødvendige tennspenningen ved strømmenso-gjennomgang er høyere enn transformatorens momentan-

spenning, vil man risikere at lysbuen slukner i deler av eller hele halvperioden, eventuelt slukner helt. Denne uheldige ef-fekt forsterkes ved at dejonisering av bueplasmaet og tapping av energi fra buesøylen øker nødvendig tennspenning ytterligere. Også ved likestrømsveising stilles det bestemte krav for å oppnå god buestabilitet og lite sprut og magnetblåsing under sveisingen.

Det stilles også bestemte krav til strømmens kurveform ved veksel-strøms ve is ing. Hvis kurvens vinkelkoeffisient ^ ved O-gjennom-gang er for liten, vil lysbuen vise slukningstendenser. Det er heller ikke under alle forhold at sinusfasongen er den beste

kurveform.

En mer detaljert behandling av ovenstående problemer er gitt

i Grunter Hirschfelde, Central Welding Institute, Saale, G.D.R:

"A study of the assessment and improvement of the welding characteristics of transformer welders", utgitt av International Institute bf Welding - Paris 1969, og Dr. Traian Salagoan og Clara Boarna: "Recherches sur le comportement dynamique des transformateurs de soudage". - Nettbelastning. på grunn av den støtvise belastning som opptrer ved sveising, er det viktig at strømkildene er konstruert slik at nettet påvirkes minst mulig under sveisingen.

II. Maskintyper som er aktuelle i forbindelse med denne oppfinnelse

Den gruppe av lysbuesveisernaskiner som er av størst interesse i forbindelse med foreliggende oppfinnelse, er maskiner beregnet bl.a. for manuell buesveising med dekkede elektroder, kullbue-meisling og -skjæring, TIG-sveising, rørtrådssveising uten dekk-gass osv. Herunder regnes således sveisetransformatorer, sveiselikerettere og dobbeltstrømmaskiner, maskiner som gir valgmulighet mellom likestrøm og vekselstrøm, hvilke maskintyper er gjort til gjenstand for vesentlige forbedringer i og med foreliggende oppfinnelse.

Sveisetransformatorer og dobbeltstrømmaskiner lages tradisjonelt énfasetmed tilknytning til to av nettets tre faser. Strømregu-leringen skjer gjerne på en av følgende måter: - Variasjon av spredefeltene i kjernen. Dette kan fore-gå ved hjelp av magnetisk shunt, ved variasjon av avstanden mellom sekundær- og primærspolen, ved hjelp variabelt luftgap eller på annen måte.

- Ved hjelp av transduktor.

- Ved variasjon av maskinens impedans på annen måte, f. eks. ved omkobling av de sekundære og primære vindings-tall, ved innkobling av regulerbar'• serieresistans, serieinduktans o.l.

Sveiselikerettere lages oftest trefaset. Strømreguleringen skjer gjerne på en av følgende måter:

- Variasjon av spredefeltene i kjernen.

- Ved hjelp av transduktor.

- Ved hjelp av styrte halvledere (thyristorer).

- Ved variasjon av maskinens impedans på annen måte.

III. Ulemper med konvensjonelle maskintyper

De kjente lysbuesveisemaskiner er beheftet med en rekke mangler og ulemper som foreliggende oppfinnelse tar sikte på å overvinne. En del av disse mangler og ulemper kan sammenfattes som følger: - Ved maskiner der strømreguleringen foregår kontinuerlig ved bevegelse av magnetisk shunt, ved variabel spoleavstand o.l., oppstår vesentlige konstruksjonsmessige problemer på grunn av de store elektromekaniske krefter som virker på de bevegelige deler. - Maskiner med strømregulering ved hjelp av drossel eller mot-stand som må medbringes til sveisestedet, er uhensiktsmessig, dels på grunn av ekstra styreledning, dels på grunn av trans-portproblemet for operatøren. - Når det dreier seg om maskiner med ikke-kontinuerlig regulering av strømstyrken, foregår reguleringen ved om-, kobling, betjening av ratt, propper e.l. Dette gir ikke muligheter for fjernregulering fra sveisestedet, noe som er en alvorlig ulempe i praksis fordi det ofte er langt mellom operatør og strømkilde. - Ved mange konvensjonelle prinsipper for buesveisemaskiner vil sveisestrøm og buespenning variere proporsjonalt med nett-spenningen. Dette gjør det vanskelig å holde konstant kvali-tet og hastighet, noe som er en vesentlig ulempe der nett-spenningen varierer over kortere eller lengre perioder. - Konvensjonelle sveisemaskiner kan ikke tilkobles likestrøm-nett, noe som kan være en ulempe bl.a. ombord på skip. - Ved konvensjonelle vekselstrømmaskiner er man ved bruk av vekselstrøm under sveisingen bundet til nettfrekvensen, oftest 50 eller 60 Hz. Undersøkelser viser at det ideelle i mange tilfeller er høyere frekvenser, noe avhengig av mate-rial-kvaliteten. Ved vanlige bløte stål tyder mye på at frekvenser fra 300 - 400 Hz er best. - Omskifte mellom likestrøm og vekselstrøm på de konvensjonelle dobbeltstrømmaskiner foregår ved hjelp av en mekanisk vender som må bære hele maskinens sekundærstrøm. - Sveisetransformatorer og dobbelstrømmaskiner må i henhold til den konvensjonelle teknikk tilknyttes ledningsnettet énfaset, og representerer således en vesentlig skjevbelast-ning.

IV. Oppfinnelsen.

Det har foreligget et ønske om og et behov for løsninger som helt eller delvis eliminerer ulemper som beskrevet under punkt III foran. Foreliggende oppfinnelse tar i første rekke sikte på å til-veiebringe løsninger som imøtekommer slike ønsker og behov, og som samtidig tar hensyn til de helt særegne krav som er nevnt under punkt I og som må stilles til strømkilder for lysbuesvéising.

Oppfinnelsen tar utgangspunkt i en maskin for lysbuesveising

med vekselstrøm og/eller likestrøm og innrettet til å kobles til et likestrøm- eller trefase-strømforsyningsnett, omfattende en trefaselikeretter, en vekselretter som mottar effekten fra likeretteren og genererer en vekselstrøm hvis frekvens er vesentlig høyere enn nettfrekvensen, og en transformator- En slik maskin er i hovedtrekkene kjent fra U.S.-patent 3.894.210.

Til forskjell fra den tidligere kjente teknikk har maskinen ifølge foreliggende oppfinnelse som nye og særegne trekk at den omfatter en syklokonverter drevet av vekselretteren over transformatoren og efterfulgt av et filter bestående av ett eller flere lineære kretselementer, og elektroniske styrekretser for vekselretteren og syklokonverteren. Den nevnte høyfrekvente vekselstrøm har fortrinnsvis en frekvens av størrelsesorden 5 kHz til 30 kHz.

Det er ytterligere et trekk ved oppfinnelsen at sveisestrømeffek-ten reguleres ved hjelp av syklokonverteren og tilhørende styrekrets.

I maskinen ifølge oppfinnelsen inngår moderne halvleder-komponenter, men til tross for at slike komponenter og kretser, f.eks. veksel-rettere og syklokonvertere, har vært på markedet en lang rekke år, har tidligere forsøk på å løse de foran nevnte problemer, ikke ført til konstruksjoner som.gir tilsvarende fordeler som foreliggende oppfinnelse. Således representerer denne en betraktelig billigere og enklere løsning på problemer som tidligere har vært løst på en annen og mer komplisert måte.

Et utførelseseksempel på oppfinnelsen er illustrert på tegningen og skal i det følgende forklares nærmere idet også fordelene med maskinen ifølge oppfinnelsen blir ytterligere utdypet.

Sveisemaskinen omfatter en likeretter innrettet til å kobles til strømforsyningsnettet over klemmene R og S samt eventuelt klemmen T i tilfelle av trefase-tilknytning. For trefase-tilknytning an-vendes samtlige dioder Dl til D6, mens induksjonsspolen L6 og kon-densatoren C9 tjener til glatting i tilfelle av énfase-tilknytning.

Likestrømmen fra den beskrevne likeretter-bro går så til en vekselretter basert i hovedsaken på thyristorer SCRl til SCR4 med til-hørende hjelpekomponenter. Disse komponenter omfatter friløps-dioder D7 til Dll samt induksjonsspoler Li til L4 og en kondensator Cl. Det viste nettverk med disse komponenter gjør det mulig å oppnå sinusform på spenningen over klemmene A-A som er veksel-retterens utgangskiemmer.

Thyristorene SCRl til SCR4 styres over respektive innganger, 4, 3, 1, 2 fra en elektronisk styrekrets CCTl med tilsvarende nummererte utganger.. Parallelt med hver thyristor er det anordnet et beskyttelsesnettverk henholdsvis R3/C5, R6/C8, R5/C7 og R4/C6.-

Ved hjelp av styresignalene -fra den elektroniske styrekrets CCTl blir utgangsspenningen over klemmene A-A gitt en frekvens som er vesentlig høyere enn nettfrekvensen, fortrinnsvis av størrelses-orden 5 til 30 kHz...

Med den nevnte frekvens kan den efterfølgende transformator t gjøres meget liten. Transformatoren driver en syklokonverter omfattende i første rekke thyristorer SCR5 til SCR8 som omdanner frekvensen fra transformatoren T til den ønskede frekvens for sveising ved hjelp av sveisestrøm som leveres over maskinens se-kundærklemme C-C, for de tilfeller hvor det dreier seg om sveising med vekselstrøm. Hvis det skal sveises med likestrøm trigges bare to av thyristorene i syklokonverteren parvis; avhengig av hvilken polaritet som ønskes på sveisestedet.

Den angitte syklokonverter arbeider efter i og for seg kjente prinsipper, og får sine styresignaler fra en elektronisk styrekrets CCT2 som likeledes kan være av i og for seg kjent oppbyg-ning. Effekten av sveisestrømmen til sveisestedet kan lett reguleres elektronisk ved hjelp av styresignalene fra kretsen CCT2

til de respektive thyristorer i syklokonverteren.

Også syklokonverteren omfatter beskyttelsesnettverk i form av seriekoblinger av motstander og kondensatorer, henholdsvis R1/C2 og R2/C3. Videre efterfølges den egentlige syklokonverter av en induksjonsspole L5 og en kondensator C4.som har til oppgave å glatte kurveformen av sveisestrømmen både når maskinen benyttes som vekselstrømkilde og når den benyttes som sveiselikeretter.

Sammenlignet med de ovenfor beskrevne strømkilder for lysbue-

sveising, representerer oppfinnelsen dels absolutte nyvinninger på området sveisestrømkilder, dels en kombinasjon av fordeler ved de tidligere kjente konstruksjonsprinsipper:

Det åpnes mulighet for 3-fasetilkobling til ledningsnettet

også for maskiner som i henhold til den konvensjonelle teknikk har blitt tilkoblet nettet 1-faset, så som sveisetransformatorer og dobbeltstrømmaskiner.

I tilfelle man ønsker å benytte vekselstrøm for sveisingen,

gir oppfinnelsen mulighet for valg av frekvens avhengig av hvilket materiale man ønsker å sveise. - Maskinen gir mulighet for valg av kurveform avhengig av hvilken dimensjon og hvilket materiale som skal sveises.

- Omkobling mellom vekselstrøm og likestrøm før sveisingen

skjer meget enkelt elektronisk, i motsetning til de meka-

niske brytere som tidligere har vært benyttet.

Maskinens ytelse til sveisestedet kan meget enkelt gjøres

uavhengig av variasjoner i spenningstilførselen fra lednings-

nettet. Dette skjer ved at det i maskinens kontrollfunksjone.

i henhold til i og for seg kjent teknikk er innlagt en krets som regulerer fasestyringen i syklokonverterkretsen om-vendt proporsjonalt med spenningsvariasjonene på nettet.

Maskinen kan tilknyttes likestrømnett.

- Hovedtransformatoreh som inngår i maskinen kan i forhold

til den klassiske konstruksjon gjøres særdeles liten og lett på grunn av den høye frekvens.

- Strømreguleringen kan skje kontinuerlig og uten anvendelse

av bevegelige deler bortsett fra eventuelle små potensio-

metre.

- Det er mulig å foreta regulering fra sveisestedet ved fjernregulering gjennom sveisekablene. - Fordi strømreguleringen foregår elektronisk tillater maskinen bruk av fjernreguleringssystem med strømskala på reguleringsbrikken og regulering gjennom sveisekablene. - Fordi maskinen reguleres elektronisk tillates en meget enkel hot-start med muligheter for variasjon av både tid og intensitet for overstrømmen ved ensidesveising mot backing. I motsetning til dette har tidligere kjent utstyr for dette formål strømregulering ved inn- og utkob-ling av en stor induktans i serie med sveisestrømkretsen. Da effektreguleringen i en maskin ifølge denne oppfinnelse foregår ved fasestyring, vil en hot-start-anordning meget lett kunne innpasses i de elektroniske styreorganer uten bruk av elektromagnetiske kontaktorer eller store induk-tanser. - Maskinen gir mulighet for benyttelse av digital strømskala mqd lysende tall som over lang avstand klart kan vise den innstilte og eventuelt den faktiske strømstyrke. Dette kan lett oppnås fordi det allerede i maskinen eksisterer en strømforsyningsmulighet til en enhet som styrer en

digital strømskala, samtidig som hele styrings- eller kon-trollopplegget har fordeler som gjør det ekstra enkelt å få plassert en digital strømskala i de allerede eksisterende kretser.

Det skal endelig bemerkes at effektregulering kan skje andre steder i de beskrevne strømkretser enn i syklokonverteren, selv om regulering i syklokonverteren i de fleste tilfelle vil være å foretrekke.

Claims (3)

1. Maskin for lysbuesveising med vekselstrøm og/eller likestrøm og innrettet til å kobles til et likestrøm- eller trefase-strømforsyningsnett, omfattende en trefaselikeretter, en vekselretter som mottar effekten fra likeretteren og genererer en vek-selstrøm hvis frekvens er vesentlig høyere enn nettfrekvensen, og en transformator, karakterisert ved en syklokonverter (SCR5-SCR8) drevet av vekselretteren (SCR1-SCR4) over transformatoren (T) og efterfulgt av et filter bestående av ett eller flere lineære kretselementer (L5, C4), og elektroniske styrekretser (CCTl, CCT2) for vekselretteren og syklokonverteren.

2. Maskin ifølge krav 1, karakterisert ved at den nevnte høyfrekvente vekselstrøm har en frekvens av størrelses-orden 5 kHz til 30kHz.

3. Maskin ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at sveisestrøm-effekten reguleres ved hjelp av syklokonverteren (SCR5-SCR8) og tilhørende styrekrets (CCT2).