SE438109B - Stromkella for ljusbagsvetsning - Google Patents

Description

15 2D 25 30 35 azossso-s 2 spänningar. Vid en nätspänning på 380 V blir exv. den glättade likriktade spänningen över 530 V. Vid halvledar- elementens dimensionering måste bl.a. tas hänsyn till nät- spänningsvariationerna och förekomsten av transienta för- lopp. Vid en nätspänning på 380 V bör därför halvledar- elementets spänningshållfasthet vara minst 600 V och vid en nätspänning på ÅBO V minst 800 V, Särskilt vid mindre strömkällor, som tillverkas i stora serier, utgör kostnaden för halvledarelementen i synner- het vid höga spänningar en betydande andel av totalpriset.

En användning av billigare komponenter med lägre spännings- hållfasthet är därför särskilt önskvärt. Den fortsatta utvecklingen kommer sannolikt att leda till lägre priser för dessa halvledarelement. Prisförhållandet mellan halv- ledarkomponenterna för låg och för hög spänningshållfast- het kommer därigenom knappast att påverkas.

Den Föreliggande uppfinningen, som har till syfte att åstadkomma en billig svetsströmkälla med växelriktare, utmärker sig därigenom, att växelriktaranordningen utgöres av två eller flera enskilda växelriktare, vars ingångar är kopplade i serie och att glättningskondensatoranordningen består av två eller flera seriekopplade kondensatorer med mellan dem anordnade uttag, som är förbundna med motsvar- ande uttag mellan växelriktarna. De seriekopplade kon- densatorerna bildar en spänningsdelare och på var och en av växelriktarna påtryckes endast en del av likspänningen.

Växelriktarnas halvledarelement behöver endast dimensio- neras för dessa delspänningar.

De i handeln förekommande kondensatorerna uppvisar kapa- citanser. som avsevärt skiljer sig från det uppgivna t nominella värdet. När spänningsdelaren består av sådana kondensatorer måste man räkna med stora variationer av delspänningarna mellan de olika strömkällorna, om man inte vill kosta på sig ett tidskrävande urval av kon- densatorer med den rätta kapacitansen. 10 15 20 25 30 8306550-8 3 Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är varje seriekopplad kondensator parallellkopplad med ett motstånd. Resistensvärdet av motstånden avviker endast i mycket liten utsträckning från det uppgivna nominella värdet. Spänningsdelningen bestämmas därmed av motståndens resistens. Tack vare dessa motstånd fördelas spänningarna över kondensatorerna relativt jämnt när växelriktarna går i tomgång, även om magnetiseringsströmmen i växelriktar- transformatorerna är något olika. En alltför stor sned- fördelning av delspänningarna skulle annars kunna leda till spänningsöverbelastning i växelriktare och konden- sator.

Enligt ett annat fördelaktigt utförande av uppfinningen är två likadana växelríktare seriekopplade och växelrík- tarnas styrdon är anordnade att styra halvledarelementen för en omväxlande alstring av spänningspulser vid växel- riktartransformatorernas utgångar, vilka tillsammans med var sin seriekopplad likriktare och svetsinduktor och en med svetsinduktor samverkande fríhjulsdiod är parallell- kopplade med varandra och anslutna till svetsstället.

Det har visat sig att en anslutnign av båda växelriktare till en gemensam svetsinduktor vid obalans av styrpulserna leder till en instabilitet av potentialen hos mittuttaget mellan de båda växelriktarna med påföljd att spänningen av den ena av växelriktarna blir för hög med avseende på dess halvledarelements spänningshâllfasthet. När växel- riktarnas utgångar är seriekopplade med var sin svets- induktor uppkommer inte den nämnda ínstabiliteten.

Ytterligare fördelar av uppfinningen framgår av den följande beskrivningen i samband med den bifogade rit- ningen.

Fig. 1 visar schematiakt ett kopplingsschema av en ström- källa. I fig. 2 visas ett mera detaljerat och något modifierat kopplingsschema. azoessu-8 10 15 20 25 30 35 4 En likriktare 1 är ansluten till ett enfasnät 2. Två medelst en ledning 3 seriekopplade växelriktare 4, 5 är med ledningar 6, 7 anslutna till likriktaren 1.

Växelriktarna är på känt sätt utrustade med styrbara halv- ledarelement. Dessa kan vara tyristorer eller transis- torer. Tyristorerna erfordrar med undantag av släckbara tyristorer (s.k. GTO-tyristorer) särskilda kommuterings- kretsar. Vid de här nämnda driftfrekvenserna på 15 kHz och högre måste växelriktarna utrustas med särskilda Lyristorer, som är dimensíonerade för dessa höga Frekven- SEP.

Två seriekopplade glättnignskondensatorer 8, 9 samt där- till parallellkopplade motstånd 10, 11 är förbundna med ledningarna 6, 7. Seriekopplingens mittuttag 12 är an- slutet till ledningen 3.

Den från växelriktarna 4, 5 avgivna växelspänningen har lämpligen en Frekvens på 15 kHz eller högre. Växelspän- ningen likriktas i respektive likriktare 13, 14 innan den tillföras ett av en elektrod 15 och ett arbetsstycke 16 bildat svetsställe. Tack vare spänningsdelningen genom de båda motstånden 10, 11, spänningen över varje växelriktare ungefär lika med halva som har samma resistens, är likspänningen. Vissa variationer uppträder på grund av den i takt med växelriktarfrekvensen pågående laddningen och urladdningen av respektive kondensator.

I Fig. 2 visas en trefaslikriktare 17, som är ansluten till ett trefasnät 18. Till likriktarens 17 uttag 19, 20 är anslutna två seriekopplade glättningskondensatorer 21, 22 och två seriekopplade växelríktare 23, 24 med sina ingångar 25, 26, 27, 28. Ingångarna 26, 27 är hopkopplade vid en klämma 29, som är förbunden med ett uttag 30 i För- 22. bindelseledningen av de båda kondensatorerna 21, 31, 32, 33, 34 är seriekopplade 38. En över svetsströmmen, när energi- Växelriktarnas utgångar med var sin diod 35, 36 frihjulsdiod 39, 40 tar och svetsinduktor 37, 10 15 20 25 30 35 8306550-s 5 flödet från växelriktaren bryts. De båda utgångskretsarna 55, 37) 39 resp. 36, 38, 40 är parallellkopplade med var- andra och anslutna till en elektrod 41 och ett arbetsstycke 42.

Växelriktarna 23, 24 är identiskt uppbyggda och endast en av dem beskrives nu något närmare. Komponenteran av växe1_ riktaren 24 har därför samma hänvisningssiffror som växel- riktaren 23. Växelríktaren 23 är kopplad som en asymmet- risk halvbrygg-växelriktare. Den är Försedd med två paral- lella grenar, som innehåller var sin diod 43, 44 och var sitt av en styrenhet 45 styrbara halvledarelement 46, 47, som här utgöres av en MDS-fälteffekttransistor. Förkort- ningen M05 står för de engelska orden "metal oxide semi- conductor" (på svenska metalloxidhalvledare). Till skill- nad från den vanliga s.k. bipolära transistorn är styr- strömmen hos MDS-fälteffekttransistorn försumbart liten.

MÜS-fälteffekttransistorn har desutom en positiv tempe- raturkoefficient, d.v.s. dess motstånd ökar med stigande temperatur. Den kan därför, i motsats till bipolära transistorer, parallellkopplas utan särskilda koppligns- element eller hjälpkretsar för en jämn fördelning av strömmen på de enskilda halvledarelementen. Tack vare den positiva temperaturkoefficienten uppstår inte heller några strömrusningar, d.v.s. en okontrollerbar strömökning i halvledaren, eftersom lokala uppvärmningar på grund av överbelastning inom det överbelastade området av MUS- Fälteffekttransistorn leder till en önskad strömminskning i detta område.

Vid den bipolära transistorn finns risken att sådana ström- ökningar kan uppträda vid lokal överhettning av halv- Det är en av den bipolära transistorns ofördel-' aktiga egenskaper. MDS-Fälteffekttransistorn uppvisar således en del fördelaktiga egenskaper, som gör den lämp- lig att använda som styrbart kopplingselement i en växel- Som nackdel måste dock räknas dess ringa spän- visseriigen finns Mos-faiteffeku; ledaren. riktare. ningshållfasthet. transistorer med spärrspänníngar på upp till ca 800 V 10 15 20 25 30 8306550-8 för närvarande tillgängliga. Dessa är dock dyra, i synner- het för de stora strömmar, för vilka de här beskrivna växelriktarna maste dimensioneras. Det är därför önskvärt att använda de väsentligt billigare MÛS-fälteffekttransís- torerna med låg spänningshållhasthet.

I kopplingsschemat visas endast en MÜS-fälteffekttransistor i serie med sin diod. Med hänsyn till de förekommande stora strömmarna måste man dock i allmänhet räkna med en parallellkóppling av flera MOS-fälteffekttransistorer.

En primärlindning 49 av en transformator 48 är kopplad mellan de båda M05-fälteffekttransistorerna. »Motstânden 51, 52 är anslutna mellan ena uttaget på transformatorn A8 och de båda uttagen 25, 29 resp. 29, 28. matorns A8 sekundärlindning S0 är direkt kopplad till De seriekopplade motstånden Transfor- växelriktarens uttag 31, 32. 51, 52 i båda växelriktarna har samma funktion som mot- stånden 10, 11, vilka har beskrivits ovan i samband med fig. 1.

Likriktarens likspänning delas genom de båda motstånds- paren 51, 52, som har samma resistens, i två lika del- spänningar mellan uttagen 25, 29 och 29, 28. Potentialen av uttagen 29, 30 ligger teoretiskt mittemellan utgângens 19, 20 potential. Mindre avvikelser från detta föror- sakas exempelvis av olika pulslängder för MOS-fälteffekt- transistorns pulssignaler och kondensatorns laddnings- strömmar.

Växelriktarens MDS-fälteffekttransistorer påtryckes så- ledes enbart högst en spänning, som motsvarar den halva under driften förekommande likspänningen mellan uttagen 25, 29 och 29, 28 plus ett mindre tillägg med hänsyn till potentialvariationerna vid klämman 29.

Vid fel kan potentialen av uttaget 29 väsentligt avvika från sitt bestämda värde med påföljd att spänningen över någon av växelriktarna 23, 24 blir för stor och MOS- 10 15 20 25 30 8306556-8 7 Fälteffekttransistorerna tar skada. Uppkomsten av ett sådant driftstíllstånd förhindras med hjälp av en sär- skild övervaknignskrets. Spänningen över kondensatorn 22 påtryckes en komparator 53, i vilken kondensatorspän- ningen jämföras med en av ett ställdon 54 inställbar spänning. Üverskrider differensen mellan dessa spän- ningar ett visst värde avger komparatorn 53 en signal till styrenheten 45, som via sina styrledningar 55 blockerar M05-fälteffekttransistorerna 46, 47. Är ström- flödet genom dessa transistorer spärrat Fördelar sig spänningen lika på de Fyra transistorerna och varje trans- sistor belastas enbart med en fjärdedel av spänningen mellan likriktaruttagen 19, 20.

Med en shunt 56 avkännes en mot svetsströmmen svarande spänning, som tillsammans med svetsspänningen medelst ledningarna 57, 58, 59 tillföres dne För båda växel- riktarna 23, 24 gemensamma styrenheten 45. Till styr- enheten 45 är ansluten ett ställdon 60 för inställning av ett börvärde För svetsström och svetsspänning. Det är också tänkbart att utrusta varje växelriktare med en särskild styrenhet.

De båda växelriktarna 23, 24, som här utgöres av asym- metriska halvbrygg-växelriktare, drivs med hjälp av styr- enheten 45 som pulsmodulerade växelriktare i mottakt.

Växelriktarna avger vid sina uttag 31, 32 resp. 33, 34 växelvis spänningspulser av bestämd längd. Vid denna belastning av växelriktarna har det visat sig fördel- aktigt, att, såsom visats, seriekoppla varje växel- riktare 23, 24 med var sin likriktare 35, 36 och svets- induktor 37, 38 innan växelriktarna parallellkopplas och anslutes till elektroden 41 resp. arbetsstycket 42. l

Claims (6)

83Û655Üf8 10 15 ~ k ä n n e t e c k n a d 20, zsg 30 Patentkrav

1. Strömkälla för ljusbågsvetsning med en till ett växelströmsnät anslutbar likriktare (1; 17), till vars Jíkströmsuttag är ansluten en glättningskondensator- anordning (8, 9; 21, 22) och parallellt till den en 'vâxelríktaranordning (4, 5; 23, 24) För omvandling av Vlikspänningen till en växelspänning med en frekvens, som är väsentligen högre än nätfrekvensen, vilken växel- riktaranordning (4, 5; 23, 24) är försedd med kopplinga- organ, som utgöres av halvledarelement (46, 47) anord- nade att styras av ett styrdon (45), och med en trans- formatoranordning (48) För galvanisk separering av växelriktaranordningens ingång från dess utgång, till vilket är anslutbart ett av ett arbetsstycke och en svetselektrod bildat svetsställe, som Fakultativt är seriekopplat med en likrikcare (13, 14;'3s, 36), d ä r a v, att växelriktar- anordningen utgöres av två eller flera enskilda växel- riktare (4, 5; 23, 24), vars ingångar är kopplade i' serie, och att g1ättningskondensatoranordningen består av tvâ eller Flera seriekopplade kondensatorer (8, 9; 21, 22) med mellan dem anordnade uttag (l2; 30), som är förbundna med motsvarande uttag (3; 29) mellan växel- ríktarna. Strömkälla enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - att varje kondensator (B, 9; 21, 22)

2. n a d är kopplad parallellt med ett motstånd (10, 11; 51, 52). d ä r a v,

3. Strömkälla enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k“- n a d -d ä r a v, att motståndet (51, 52) är en del av' växelriktaren (23, 24). Strömkälla_enlígt någon av patentkraven 1 till 3, att två likadana

4. k ä n n e t e c k n a d växelriktare (23, 24) är seriekopplade och växelriktarnas d ä r a v, 15 20 8306550-'8 styrdon (45) är anordnade att styra halvledarelementen (46, 47) för en omväxlande alstring av spänningspulser vid växelriktartransformatorernas (48) utgångar, vilka tillsammans med var sin seriekopplade likriktare (35, 36) och svetsinduktor (37, 38) och en med svetsinduktorn samverkande Frihjulsdiod (39, 40) är parallellkopplade med varandra och anslutna till svetsstället (41, 42).

5. Strömkälla enligt patentkrav 4, k ä n n e t_e c k - n a d dlä r a v, att en komparator (S3) är anordnad för Jämförelse av spänningen över en växelríktare (24) _ med en föregiven, hos ett ställdon (54) inställbar spänning och för alstrlng av ett mot spänningsdifferensen svarande, till styrdonen (45) tillförd utgångssígnal, varvid styrdonen (45) är anordnade att blockera halv- ledarelementens (46, 47) strömflöde, när spännings- differensen är större än det föregivna värdet.

6. Strömkälla enligt något av patentkraven 1 till 5, k ä n nte t e c k n a d d ä r a v, att växelriktarnas (23, 24) halvledarelement utgöresav MOS-fälteffekt- transistorer (46, 47).