SE461137B - Svetsapparat med en stroemkaella innefattande vaexelriktarorgan - Google Patents

Description

461 137 2 transistor för att omväxlande koppla ifrån varje transistor till följd av att dess kollektor/emitterspänning när en förutbestämd spänningsnivå, vilka omkopplingsorgan inne- fattar en fälteffekttransistor tillordnad varje transistor, varvid varje fälteffekttransistor har sin källelektrod an- sluten till den potential som är avsedd att pàläggas på basen hos dess tillhörande transistor, sin styrelektrod- anslutning kopplad via en kondensator till kollektorn hos dess tillhörande transistor och sin kollektoranslutning kopplad till basen hos dess tillhörande transistor.

Transistorerna kopplas företrädesvis till och från vid en frekvens på åtminstone 15 kHz. En sådan frekvens *t är lämplig ur effektomkopplingssynpunkt och ligger över tonfrekvensomrâdet. Då emellertid lämpliga omkopplarelement blir tillgängliga blir det möjligt att arbeta vid frekven- ser väsentligt överstigande 20 kHz, t.ex. av storleksord- ningen 100 kñz eller mer. Även arbetsfrekvenser inom detta omrâde är avsedd att falla under föreliggande uppfinning.

Uppfinningen beskrivs närmare nedan varvid som exem- pel hänvisas till bifogade ritningar.

Fig. 1 är ett blockschema äver en svetsapparat enligt uppfinningen.

Fig. 2 är ett kretsschema över växelriktar- och styrkretsar som utnyttjas i svetsapparaten enligt upp- finningen.

Fig. 1 visar i blockschemaform den princip som ut- nyttjas vid svetsapparaten enligt uppfinningen.

Fig. 1 illustrerar i blockschemaform principen som tillämpas enligt föreliggande uppfinning. Med 10 beteck- nas en växelspänningskälla, vilken är kopplad till en likriktare 12. Likspänningsutsignalen från likriktaren tillförs en själv- 461 157 svängande växelriktare 14. Växelriktaren 14 har en utsignal som överstiger tonfrekvensbandet, typiskt inom området 15-20 kHz, och vilken således väsentligt överstiger den vanliga frekvensen-på 50 eller 60 Hz hos konventionella matningar.

Växelriktarens utsignal tillförs en högfrekvenstransformator 16. En utgângsklämma hos transformatorn är förbunden med en svetselektrod 18, medan den andra utgångsklämman hos trans- formatorn är förbunden med ett arbetsstycke 20, som skall svetsas.

Huvudändamâlet med uppfinningen är att åstadkomma en svetsapparat med reducerad massa och storlek och detta uppnås genom att arbeta vid förhållandevis höga frekvenser, vilket i sin tur medger en motsvarande reduktion av transformatorns storlek. Transformatorn utnyttjar ej konventionella, lami- nerade metallkärnor utan är i stället baserad på utnyttjandet av en kärna av mjukt magnetiskt ferritmaterial. Detta material är speciellt lämpat för högfrekvenstillämpningar, då det har hög resistivitet, vilket medför att man praktiskt taget kan bortse från virvelströmmar. Transformatorn är utförd med ade- kvat primär/sekundär-läckreaktans, så att om dess klämmor kortsluts kommer strömökningen i växelriktaren att ske på kon- trollerat sätt, varigenom man således undviker att växel- riktaren skadas.

I fig. 2 visas den elektriska kretsen hos svetsappa- raten mer i detalj. Det bör här omnämnas, att kretsen för likriktaren 12 är väsentligen konventionell, varför denna ej ytterligare illustreras i fig. 2. Fig. 2 visar således väsent- ligen endast växelriktaren 14 och transformatorn 16.

Växelriktaren innefattar två transistoromkopplare, var och en innefattande åtminstone en transistor 22 resp. 24 för alternativ anslutning av likspänningsutsignalen, betecknad V i fig. 2, från likriktaren l2 mellan en första klämma 26 och ett mittuttag 28 hos en primärlindning 30 hos transforma- torn 16, respektive mellan en andra klämma 32 och mittuttaget 28 hos primärlindningen. 461 137 Till kollektorn hos varje transistor är reaktiva dämpare (eng. snubbers) kopplade, vilka allmänt är betecknade med referensnummer 34 resp. 36. Varje dämpare består av en kondensator 38, dioder 40 resp. 42 och en induktans 44. Nät 46 och 48 är anslutna mellan basen och kollektorn hos varje transistor 22 resp. 24. Varje nät är inrättat att snabbt koppla från respektive transistor, då så är lämpligt, och innefattar en diod 50, en fälteffekttransistor 52 och en kon- densator 54 i seriekoppling samt ett motstånd 56 och en zener- diod 58 parallellkopplade.

En baslindning 60 är induktivt kopplad till transfor- matorn 16. Lindningen 60 är förbunden med basen hos var och en av transistorerna 22 och 24 via en respektive diod 62 och ett motstånd 64 med en parallellkopplad kondensator 66. Dioder 68 resp. 70 på var sida om baslindningen är kopplade till jord via en resistans 72.

Frisvängningsdioder 74 och 76 är inkopplade antiparal- lellt med respektive transistorer 22 och 24 över respektive kol lektor och emitter .

En omkopplare 78 är inkopplad mellan likspänningsmat- ningen och en punkt 80 mellan baslindningen 60 och transistorn 22.

Det bör noteras, att växelriktaren 14 är frisvängande och att bortsett från transistorerna 52 det ej förekommer några aktiva komponenter i dess styrkretsar. Detta förenklar kon- struktionen av svetsapparaten, då mycket lite erfordras av- seende yttre effektmatning. Å andra sidan medför det, att svängningsfrekvensen hos växelriktaren Hir belastningsberoen- de och då en ljusbåge under svetsning tänds över utgångskläm- morna hos transformatorns sekundärlindningar, betecknad 82 i fig. l, ändras utgångsfrekvensen. Allmänt kan sägas, att växel- riktaren svänger vid en karakteristisk frekvens, som är be- roende av primärspänningen, antalet primärvarv, den effektiva tvärsektionsarean hos den mjuka ferritkärnan och på mättnings- flödestätheten hos kärnan. 461 .137 Svängningar startas genom att man momentant sluter omkopplaren 78. Detta medför att basspänningen hos transistorn 22 blir hög och att kollektorströmmen hos transistorn ökar.

Det resulterande strömflödet i den vänstra halvan av primär- lindningen 30 inducerar en signal i baslindningen 60, vilken sedan tillför basström till transistorn 22. Flödet i trans- formatorkärnan ökar, då hela spänningen pâtryckes över kläm- morna 26 och 28. Om maximal kollektorström uppnås innan kärnan mättas, ökar även kollektor/emitterspänningen hos transistorn 22. Då den når ett maximivärde reverseras polariteten hos spänningen över baslindningen 60 och transistorn 24 kopplas till. Dess kollektor/emitter-spänning minskar tills dioden 76 Börjar att leda och åstadkomma en bana till jord för transis- torns 22 kollektOrström. Vid detta skede är transistorns 22 kollektor/emitter-spänning 2V. Transistorn 24 är därvid ledan- de och förloppet fortgår på beskrivet sätt.

Omkopplingshastigheten för transistorerna 22 och 24 är inrättad att ligga inom området från 15 till 20 kHz. Vid den- na frekvens blir de magnetiska komponenterna så små som är praktiskt möjligt och kretsarna för omkoppling av svetsström- marna på transformatorns primärsida är hanterbara och ekono- miska. Detta leder till en signifikant reduktion av dimensio- nerna och massan hos svetsapparaten enligt uppfinningen vid jämförelse med liknande mått för en konventionell svetsappa- rat, som arbetar vid matningsspänningsfrekvensen. Exempelvis hade en svetsapparat konstruerad i enlighet med principerna för föreliggande uppfinning en effektutmatning på upp till kW och en massa av endast 5 kg. Svängningsfrekvensen hos växelriktaren, vilken såsom redan nämnts är belastningsberoen- de, varierande mellan 10 och 20 kHz. Den volym som svets- apparaten upptog var 220 x 150 x 150 mm.

Transformatorn är utförd med en primär/sekundär-läck- reaktans av lämplig storlek, som minimerar sannolikheten för skada på svetsapparaten om sekundärlindningen kortslutes. Av fig. l framgår, att primärlindningen 30 och sekundärlindningen 82 är belägna på motsatta ben hos en rektangulär kärna 84 av 461 137 mjukt ferritmaterial. Den totala läckreaktansen är summan av läckreaktansen som uppträder till följd av avståndet mellan varven hos lindningarna och läckreaktansen till följd av av- ståndet mellan lindningarna. Den senare komponenten är förut- bestämd och anpassad genom variation av dimensionerna hos transformatorkärnan.

Såsom redan omnämnts utnyttjas reaktiva dämpare 34 och 36 för att förhindra att transistorerna under omkoppling 'exponeras för höga drivspänningstoppar, dvs. för att begränsa dv/dt. Fördelen med denna typ av dämpare vid jämförelse med avledningsdämpare (RC) är den högre effektiviteten hos den förra typen. Eftersom växelriktaren arbetar vid ultraljud- frekvenser blir avledningsdämpare ineffektiva och leder till höga energiförluster. De reaktiva dämparna 34 och 36 är re- generativa och återför överskottsenergin till matningskällan V.

Transistorernas basströmmar tillhandahålls av den spänning som induceras i baslindningen 60. Det är känt, att frånkopplingstiden för transistorerna spelar en betydande roll 'vid bestämning av omkopplingsförlusterna och följaktligen är det önskvärt att hålla falltiden för kollektorströmmarna så kort som möjligt. Då varje transistor kopplas till drivs den till mättnad och kretsarna 46 och 48 är inrättade att avkänna, då respektive transistor lämnar mättningstillståndet och att- vid denna tidpunkt pålägga en negativ potential på basen hos respektive transistor för att minska dess falltid. Med referens till exempelvis transistorn 22 kommer således, då kollektor/ emitter-spänningen börjar stiga, en ström att flyta genom kon- densatorn 54 och låsa styrelektrod/käll-spänningen hos tran- sistorn 52 vid zenerspänningen för dioden 58. Transistorn 52 kopplas till och pålägger en negativ potential förbunden med dess källelektrod på basen hos transistorn 22. Detta leder till en drastisk reduktion i transistorns falltid. Den nega- tiva källspänningen erhålls enkelt medelst en enkel ytterliga- re lindning försedd med mittuttag och kopplad till transfor- matorn 16.

Det står klart att även många andra kretsar kan kon- *Ii [r- 461 157 strueras för att åstadkomma lämpliga arbetsfrekvenser för hög- frekvenstransformatorn l6. Utnyttjandet av en frísvängande växelriktare av den typ som beskrivits medför speciella för- delar.avseende enkelhet och ekonomi. Den resulterande svets- apparaten är såsom redan omnämnts hmq2ktcfliharlâg\ált.De1 ak- tuella svetsströmsutsignalen från transformatorn 16 styrs enkelt genom att variera basströmmarna, som tillförs transis- torerna 22 och 24. Detta kan exempelvis ske genom justering av värdena för motstânden 64 eller 72 eller båda. Standardsvets- strömar på exempelvis 40, 60, 80 och 100 ampere kan således enkelt väljas genom att exempelvis påverka en omkopplare, som varierar värdet för en eller flera av dessa motstånd på ett förutbestämt och lämpligt sätt.

Svetsapparaten arbetar vid frekvenser som ligger över tonbandet, vanligen inom utlraljudsområdet. Akustisk miljö- förstöring förhindras således. Vid den ovan omnämnda svets- apparaten alstrade svetskretsarna ej några störande ljud av betydelse.

Claims (2)

'u 461 137 - PATENTKRAV '5

1. Svetsapparat innefattande en transformator med en med mittuttag försedd primärlindning (30), och en sekundärlindning (82) med utgångsklämmor avsedda att ' förbindas elektriskt med en elektrod (18) och ett arbetsstycke (20), som skall svetsas, organ (V) för på- *s läggande av en likspänning på mittutaget, och åtminstone två transistorer (22, 24), vilkas kollektorer är anslutna till varsin av primärlindningens (30) motstående ändar, k ä n n e t e c k n a d av en baslindning (60), som är induktivt kopplad till transformatorn och vilken samman- kopplar transistorernas baser, så att de båda transisto- rerna omväxlande kopplas till och mättas, och omkopplings- organ (46, 48) för att omväxlande pålägga en potential på basen hos varje transistor för att omväxlande koppla ifrån varje transistor till följd av att dess kollektorlemitter- spänning när en förutbestämd spänningsnivå, vilka omkopp- língsorgan innefattar en fälteffekttransistor (52) till- ordnad varje transistor, varvid varje fälteffekttransistor har sin källelektrod ansluten till den potential som är avsedd att påläggas på basen hos dess tillhörande transistor, sin styrelektrodanslutning kopplad via en kondensator (54) till kollektorn hos dess tillhörande transistor och sin kollektoranslutning kopplad till basen hos dess tillhörande transistor.

2. Svetsapparat enligt krav 1, k ä n n e t e o k - n a d av att transistorerna (46, 48) omväxlande kopplas till och från vid en frekvens på åtminstone 15 kHz. f) KI