DE4416353C2 - Arc welding device with a transformerless power supply - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Lichtbogenschweißgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiges Lichtbo genschweißgerät ist beispielsweise aus der DE 40 41 448 C2 bekannt.The invention relates to an arc welding device according to the Preamble of claim 1. Such a Lichtbo Gene welding device is for example from DE 40 41 448 C2 known.
Die Zerhackung eines vom Netzgerät gelieferten Gleichstroms hat im allgemeinen den Sinn, durch Wahl einer entsprechend hohen Wechselspannungsfrequenz die baulichen Abmessungen des für das Heruntertransformieren der Gleichspannung erforder lichen Transformators substantiell zu reduzieren. Je höher die Wechselspannungsfrequenz ist, um so leichtgewichtiger und platzsparender kann der verwendete Transformator ausge bildet werden. Die im Wechselrichter vorgesehenen elektro nischen Leistungsschalter sind z. B. Schalttransistoren, Thyristoren, IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder dergleichen. Normalerweise ist zwischen zwei aufeinander folgenden positiven und negativen Impulsen der verwendeten Impuls-Wechselspannung eine kurze Totzeit vorgesehen, die eine Überschneidung der leitenden Phasen von zu unterschied lichen Zeiten leitend werdenden Leistungsschaltern des Wechselrichters sicher verhindern soll.The chopping of a direct current supplied by the power supply generally makes sense by choosing one accordingly high AC voltage frequency the structural dimensions of the required to step down the DC voltage substantial transformer. The higher the AC frequency is the lighter and the space-saving transformer can be used be formed. The electro provided in the inverter African circuit breakers are such. B. switching transistors, Thyristors, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) or the like. Usually is between two on top of each other following positive and negative impulses of the used A short dead time is provided for the pulse AC voltage an overlap of the leading phases from to differ circuit breakers of the Should safely prevent the inverter.
Für sehr hohe Schaltfrequenzen von beispielsweise 10-20 kHz sind Transformatoren mit Ferritkernen erforderlich, da mit der frequenzabhängige induktive Widerstand nicht so hoch wird, daß der Wirkungsgrad des Transformators in nicht mehr akzeptabler Weise herabgesetzt wird.For very high switching frequencies of 10-20 kHz, for example transformers with ferrite cores are required because with the frequency dependent inductive resistance not so high will that the efficiency of the transformer in no more is acceptably reduced.
Ferritkern-Transformatoren sind jedoch vergleichsweise teuer und sind häufig für bestimmte Anwendungen nicht verfügbar. Die wesentlich preiswerteren und in einer Fülle von Variatio nen zur Verfügung stehenden Schnittbandkerntransformatoren können jedoch nur bis zu vergleichsweise niedrigen Wechsel spannungsfrequenzen von beispielsweise 5 kHz verwendet werden.However, ferrite core transformers are comparatively expensive and are often not available for certain applications. The much cheaper and in an abundance of variations available ribbon core transformers however, can only change up to comparatively low voltage frequencies of 5 kHz, for example, are used become.
Grundsätzlich könnte die Frequenz des Wechselrichters zwar auf eine mit der Induktivität eines Schnittbandkerntransfor mators kompatiblen Wert reduziert werden; ein mit Leistungs schaltern arbeitender Wechselrichter ist jedoch nicht oder nur mit großem Aufwand so anzusteuern, daß er eine für die Speisung eines Transformators erforderliche zumindest sinus ähnliche Spannung liefert. Selbst wenn dies aber mit hohem Aufwand gelänge, wäre mit einer derartigen Schaltungsanord nung eine Leistungssteuerung in einem großen Bereich nicht oder ebenfalls nur mit hohem Aufwand möglich.In principle, the frequency of the inverter could to one with the inductance of a ribbon core transfor mators compatible value can be reduced; one with performance switch working inverter is not or only with great effort to control so that it is one for the Feeding a transformer requires at least sine provides similar tension. Even if this is with high Effort would be with such a circuit arrangement power control in a large area or also only possible with great effort.
Beim aus der DE 40 41 448 C2 bekannten Lichtbogenschweißge rät der eingangs genannten Art wird durch eine Frequenzmodu lation der primärseitigen Eingangsspannung am Transformator der sekundärseitige Ausgangsstrom in seiner Höhe einge stellt. Zusätzlich zur Frequenzmodulation kann eine Pulsbreitenmodulation vorgesehen sein, durch die der Mittel wert der Spannung variiert und die betreffende Spannungs/ Strom-Kennlinie verschoben wird.In the arc welding known from DE 40 41 448 C2 advises of the type mentioned is through a frequency mod lation of the primary input voltage on the transformer the secondary-side output current in its height poses. In addition to frequency modulation, a Pulse width modulation can be provided by which the means value of the voltage varies and the voltage / Current characteristic curve is shifted.
Bei einem aus der DE 43 05 243 A1 bekannten vergleichbaren Lichtbogenschweißgerät wird der Gleichrichteranordnung über einen Hochfrequenzübertrager eine hochfrequente Pulsfolge zugeführt.In a comparable known from DE 43 05 243 A1 Arc welder is placed over the rectifier assembly a high frequency transmitter a high frequency pulse train fed.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Lichtbogenschweiß gerät der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem gleichzeitig mit einem nur für die Abgabe von Rechteckimpul sen geeigneten Wechselrichter und einem als Eingangsspannung eine zumindest sinusähnliche Spannung erfordernden Transfor mator gearbeitet werden kann. Ein weiteres Ziel der Erfin dung besteht in der Schaffung eines Lichtbogenschweißgerä tes, bei dem trotz Verwendung eines nur für vergleichsweise niedrige Frequenzen geeigneten, mit einer zumindest sinusähn lichen Spannung anzusteuernden Transformators, insbesondere Schnittbandkerntransformators, eine einfache und wirksame Leistungsregelung möglich ist.The aim of the invention is an arc welding to create device of the type mentioned, in which at the same time with just for delivering rectangular pulse suitable inverter and one as input voltage a transformer requiring at least a sine-like voltage mator can be worked. Another goal of the Erfin is to create an arc welding machine tes, which despite using one only for comparative purposes suitable low frequencies, with an at least sine-like Liche voltage to be controlled transformer, in particular Ribbon core transformer, a simple and effective Power regulation is possible.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeich nenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.To solve this problem, the characteristics of the characteristic ning part of claim 1 provided.
Der Erfindungsgedanke ist also darin zu sehen, daß mit ab wechselnd positiven und negativen Impulsfolgen gearbeitet wird, deren Frequenz so hoch ist, daß innerhalb eines Einzel impulses die Eingangsspannung am Transformator bedingt durch die relativ hohe Induktivität der Primärwicklung nur moderat und jedenfalls nicht bis zu dem theoretisch möglichen Höchst wert ansteigt. Nach Beendigung eines Impulses versucht dann das zusammenbrechende Magnetfeld der Eingangswicklung den Strom weiter aufrechtzuerhalten, so daß er nur langsam ab fällt, bis der nächste Impuls erneut einen weiteren modera ten Anstieg der Eingangsspannung mit sich bringt, wobei das Ausmaß des Impulsanstieges bei jedem einzelnen Impuls durch dessen Breite auf einen vorbestimmten Wert eingestellt wer den kann. Insgesamt kann so durch eine periodische Zu- und Abnahme der Breite der Einzelimpulse und die zyklische Vor zeichenumkehr der Impulsfolgen am Eingang des Transformators eine zumindest sinusähnliche Eingangsspannung erzeugt wer den, deren Frequenz deutlich und vorzugsweise um eine Größen ordnung geringer ist als die Frequenz der Impulse der Impuls folgen.The idea of the invention can be seen in the fact that with alternating positive and negative pulse sequences worked whose frequency is so high that within a single impulses the input voltage at the transformer due to the relatively high inductance of the primary winding is only moderate and at least not up to the theoretically possible maximum value increases. After a pulse then tries the collapsing magnetic field of the input winding Maintain electricity further so that it is slow to decrease falls until the next impulse is another moderate brings with it the increase of the input voltage, whereby the Extent of the impulse increase with every single impulse whose width is set to a predetermined value that can. Overall, a periodic addition and Decrease in the width of the individual pulses and the cyclical forward Character reversal of the pulse sequences at the input of the transformer who generates an at least sine-like input voltage the, whose frequency clearly and preferably by one size order is less than the frequency of the impulses consequences.
Die Erfindung bietet den Vorteil, daß ein nur für die Abgabe von Rechteckimpulsen geeigneter Wechselrichter verwendet wer den kann, gleichwohl aber dem Transformator eine zumindest sinusähnliche Spannung zugeführt werden kann, die auch fre quenzmäßig für die Verarbeitung in einem nur für relativ nie drige Frequenzen geeigneten Transformator in Frage kommt. Aufgrund der sinusförmigen Impulsbreitenmodulation ergibt sich ein optimaler Wirkungsgrad bei der Heruntertransfor mation der so erzeugten Eingangsspannung im Transformator.The invention has the advantage that a for delivery only of rectangular pulses suitable inverters it can, but at least the transformer can sinusoidal voltage can be supplied, which is also fre quasi for processing in one only for relatively never suitable frequencies suitable transformer. Due to the sinusoidal pulse width modulation results optimal efficiency when down-transforming mation of the input voltage generated in the transformer.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.Advantageous further developments of the invention are provided by Subclaims marked.
Da die mittlere Breite der Einzelimpulse mit einfachen elek tronischen Mitteln problemlos auf einen gewünschten Wert ein gestellt werden kann und die Amplitude der am Eingang des Transformators erzeugten Sinusspannung von der mittleren Im pulsbreite abhängt, kann die in den Transformator eingebrach te bzw. von ihm abgegebene Leistung auf besonders einfache und wirtschaftliche Weise auf einen gewünschten Wert einge stellt werden. Die Ausgangsspannung des Netzgerätes kann dabei ebenso unverändert bleiben wie die Amplitude der vom Wechselrichter abgegebenen vorzugsweise rechteckigen Einzel impulse.Since the average width of the individual pulses with simple elec tronic means easily to a desired value can be set and the amplitude of the input of the Transformer generated sine voltage from the middle Im depends on the pulse width, which can be broken into the transformer te or output by him in a particularly simple manner and economically at a desired value be put. The output voltage of the power supply can remain as unchanged as the amplitude of the Inverters delivered preferably rectangular single impulses.
Vorteilhafte Frequenzen entnimmt man den Ansprüchen 4 und 5.Advantageous frequencies can be found in claims 4 and 5.
Das erfindungsgemäße Lichtbogenschweißgerät eignet sich be sonders für die Verwendung von Schnittbandkerntransforma toren nach Anspruch 6.The arc welding device according to the invention is suitable especially for the use of cutting core transformers goals according to claim 6.
Von besonderem Vorteil ist die Erfindung bei den Ausführungs beispielen nach den Ansprüchen 7 und 8. Da dreiphasige Fer ritkerntransformatoren nicht zur Verfügung stehen bzw. sehr kostspielig sind, kann ein mit einem dreiphasigen Wechsel richter und Transformator arbeitendes Lichtbogenschweißgerät nur mit Schnittbandkerntransformatoren realisiert werden, welche Ihrerseits mit einem annehmbaren Wirkungsgrad nur dann arbeiten können, wenn die relativ hohe Frequenz der Impulse erfindungsgemäß deutlich und vorzugsweise auf etwa 1/10 herabgesetzt wird.The invention is of particular advantage in the implementation examples according to claims 7 and 8. Since three-phase Fer Ritkern transformers are not available or very can be expensive, one with a three-phase change Rectifier and transformer working arc welding device can only be realized with cut core transformers, which in turn only with an acceptable level of efficiency then can work when the relatively high frequency of the According to the invention, pulses clearly and preferably to approximately Is reduced 1/10.
Der erfindungsgemäße Wechselrichter ist nach Anspruch 9 be vorzugt voll gesteuert.The inverter according to the invention is be according to claim 9 preferably fully controlled.
Bei Verwendung eines dreiphasigen Wechselrichters können auch drei einzelne Einphasen-Schnittbandkerntransformatoren gemäß Anspruch 11 verwendet werden.When using a three-phase inverter also three individual single-phase cutting core transformers be used according to claim 11.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigtThe invention is described below, for example, with the aid of Drawing described; in this shows
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Lichtbogenschweißgerätes, Fig. 1 is a block diagram of an arc welding machine according to the invention,
Fig. 2 ein Spannungs- bzw. Strom-Zeit-Diagramm der Ansteuerungsspannung U für eine Phase des Wechselrichters nach Fig. 1 und des daraus resultierenden Stromes I in der zugeordneten Eingangswicklung des Drei-Phasen-Transforma tors nach Fig. 1 in Abhängigkeit von der Zeit, wobei der Anschaulichkeit halber die tatsächliche Rechteckimpulsfrequenz, d. h. die Zahl der Rechteckimpulse pro Periode der zu erzeugenden Sinusspannung deutlich herab gesetzt ist, und Fig. 2 is a voltage or current-time diagram of the control voltage U for one phase of the inverter of FIG. 1 and the resulting current I in the associated input winding of the three-phase transformer according to FIG. 1 as a function of Time, for the sake of clarity the actual square pulse frequency, ie the number of square pulses per period of the sine voltage to be generated is significantly reduced, and
Fig. 3 ein Fig. 2 entsprechendes Spannungs-Strom- Zeit-Diagramm mit einer deutlich herabge setzten mittleren Aplitude der Impulsbreiten modulation zur Erzeugung einer geringeren Ausgangsleistung. Fig. 3 is a Fig. 2 corresponding voltage-current-time diagram with a clearly reduced average amplitude of the pulse width modulation to generate a lower output power.
Nach Fig. 1 ist ein Netzgerät 11 mittels eines Steckers 18 an ein Stromnetz anschließbar, welches ein- oder dreiphasig sein kann. Im Netzgerät 11 befindet sich ein Gleichrichter, welcher die Netzspannung in eine Gleichspannung umwandelt. Bevorzugt ist im Netzgerät 11 kein die Spannung herauf- oder heruntertransformierender Transformator vorgesehen.According to Fig. 1, a power supply unit 11 is connected to a power supply by means of a plug 18, which may be single or three phase. There is a rectifier in the power supply 11 , which converts the mains voltage into a DC voltage. Preferably, there is no transformer in the power supply 11 that transforms the voltage up or down.
Die beiden Ausgangsleitungen 20, 21 des Netzgerätes 11, zwischen welche ein Glättungskondensator 19 geschaltet ist, sind an den Eingang eines Dreiphasen-Wechselrichters 12 ange schlossen, welcher in Drei-Phasen-Brückenschaltung sechs elektronische Leistungsschalter T1, T2, T3, T4, T5 und T6 enthält, bei denen es sich um Transistoren, Thyristoren oder dergleichen handeln kann, deren Emitter und Kollektor jeweils durch eine Freilaufiode D1, D2, D3, D4, D5 bzw. D6 verbunden sind und die durch eine Steuerstufe 22 über eine Leitung 33 so angesteuert sind, daß die über die Leitungen 20, 21 angelegte Gleichspannung in alternierend positive und negative Rechteck-Impulsfolgen 34, 35 umgewandelt wird. Die Frequenz der Impulsfolgen 34, 35 ist gleich und konstant, während die Impulsbreiten in der aus Fig. 2 und 3 ersichtlichen Weise sinusförmig breitenmoduliert sind.The two output lines 20 , 21 of the power supply 11 , between which a smoothing capacitor 19 is connected, are connected to the input of a three-phase inverter 12 which, in three-phase bridge circuit, six electronic circuit breakers T 1 , T 2 , T 3 , T 4 , T 5 and T 6 , which can be transistors, thyristors or the like, the emitters and collectors of which are each connected by a free-wheeling diode D 1 , D 2 , D 3 , D 4 , D 5 and D 6 , respectively and which are controlled by a control stage 22 via a line 33 in such a way that the DC voltage applied via the lines 20 , 21 is converted into alternating positive and negative rectangular pulse trains 34 , 35 . The frequency of the pulse trains 34 , 35 is the same and constant, while the pulse widths are modulated sinusoidally in the manner shown in FIGS . 2 and 3.
An den Dreiphasenausgang des Wechselrichters 12 ist der Eingang eines Dreiphasen-Schnittbandkern-Transformators 13 angelegt. Die Freilaufioden D1 bis D6 gewährleisten eine induktive Teil-Entladung der Eingangswicklungen des Drei-Phasen-Transformators 13 in den Impulspausen. Der Ausgang des Drei-Phasen-Schnittbandkern-Transformators 13 speist über eine Dreiphasen-Gleichrichterbrücke 14 die Zuleitungen 25, 26 eines Schweißstromkreises 17, in dem sich eine von einem Schweißelektrodenhalter 23 vorstehende Schweißelektrode 15 und ein Werkstück 16 befinden. Der zwischen Schweißelektrode 15 und Werkstück 16 gebildete Lichtbogen ist bei 24 gestrichelt angedeutet. Die Zulei tungen 25, 26 sind durch eine Freilaufdiode 27 verbunden, damit die Schweißstromdrossel 28 voll wirksam werden kann.The input of a three-phase cutting core transformer 13 is connected to the three-phase output of the inverter 12 . The freewheeling diodes D 1 to D 6 ensure an inductive partial discharge of the input windings of the three-phase transformer 13 in the pulse pauses. The output of the three-phase cutting core transformer 13 feeds the leads 25 , 26 of a welding circuit 17 via a three-phase rectifier bridge 14 , in which a welding electrode 15 protruding from a welding electrode holder 23 and a workpiece 16 are located. The arc formed between welding electrode 15 and workpiece 16 is indicated by dashed lines at 24. The supply lines 25 , 26 are connected by a freewheeling diode 27 so that the welding current choke 28 can be fully effective.
Vor dem Schweißelektrodenhalter 23 ist eine Schweißstrom drossel 28 in den Schweißstromkreis 17 eingeschaltet.Before the welding electrode holder 23 , a welding current choke 28 is turned on in the welding circuit 17 .
Von der die positive Ausgangsspannung führenden Zuleitung 26 führt zur selbständigen Schweißspannungs- bzw. Schweißstrom regelung eine Leitung 29 zu einem Einstellgerät 30, welches ein Sollwert-Einstellpotentiometer 31 sowie eine nicht darge stellte Vergleichsschaltung enthält und über eine Steuerlei tung 32 die Steuerstufe 22 beaufschlagt.From the supply line 26 carrying the positive output voltage leads to the independent welding voltage or welding current control, a line 29 to a setting device 30 , which contains a setpoint setting potentiometer 31 and a comparison circuit, not shown, and acts on the control stage 22 via a control line 32 .
Die Frequenz der von der Steuerstufe 22 über die Leitung 33 dem Wechselrichter 12 zugeführte Rechteck-Impulsfolgen 34, 35 (Fig. 2) beträgt z. B. 1 bis 2 kHz. Im einzelnen erfolgt die Ansteuerung des Wechselrichters 12 mittels der Steuer stufe 22 in der Weise, daß zunächst eine Folge von positiven Impulsen 34 erzeugt wird, deren Breite ausgehend vom Null punkt des Koordinatensystems nach Fig. 2 sinusförmig bis zu einem Maximum zu- und dann wieder bis auf Null abnimmt. Die Pausen zwischen den einzelnen Rechteckimpulsen nehmen ent sprechend ab und nach Erreichen eines Minimums bei maximaler Impulsbreite wieder zu. Die Impulsfrequenz bleibt also trotz der sich sinusförmig verändernden Impulsbreite konstant. Auf die Folge von positiven Impulsen 34 folgt eine Folge 35 von negativen Impulsen gleicher Amplitude, deren Breite von annähernd Null wieder bis zu einem negativen Maximum zunimmt und dann wieder bis auf Null abnimmt. Anschließend folgt dann wieder eine Folge 34 von positiven Impulsen, worauf sich das Arbeitsspiel entsprechend in gleicher Weise zyklisch fortsetzt.The frequency of the rectangular pulse trains 34 , 35 ( FIG. 2) fed from the control stage 22 to the inverter 12 via the line 33 is z. B. 1 to 2 kHz. In particular, the control of the inverter 12 is carried out by means of the control stage 22 in such a way that first a sequence of positive pulses 34 is generated, the width of which starts from the zero point of the coordinate system according to FIG decreases to zero. The pauses between the individual rectangular pulses decrease accordingly and increase again after reaching a minimum at the maximum pulse width. The pulse frequency therefore remains constant despite the sinusoidally changing pulse width. The sequence of positive pulses 34 is followed by a sequence 35 of negative pulses of the same amplitude, the width of which increases from approximately zero again to a negative maximum and then decreases again to zero. A sequence 34 of positive impulses then follows again, whereupon the work cycle continues cyclically in the same way.
Insgesamt ergibt sich so eine sinusförmige Impulsbreiten modulation der positiven und der negativen Impulsfolgen 34, 35. In ausgezogenen Linien ist in Fig. 2 der arithmetische Mittelwert der durch die Impulse und die Impulspausen erzeug ten Spannung wiedergegeben. Bei geeignet hoher Induktivität, wie sie z. B. ein Schnittbandkerntransformator aufweist, kann der Strom in der bzw. den Eingangswicklungen des Trans formators 13 den z. B. eine Frequenz von 20 kHz aufweisenden Impulsen nicht folgen, so daß der resultierende Strom in der bzw. den Eingangswicklungen dem arithmetischen Mittelwert der einzelnen aus Impulsen und Impulspausen bestehenden Impulsperioden entspricht. Der Strom in der bzw. den Ein gangswicklungen des Transformators 13 folgt also im wesent lichen der in Fig. 2 wiedergegebenen Sinuskurve.Overall, this results in a sinusoidal pulse width modulation of the positive and negative pulse trains 34 , 35 . The arithmetic mean of the voltage generated by the pulses and the pulse pauses is shown in solid lines in FIG. 2. With suitably high inductance, as z. B. has a cutting core transformer, the current in the or the input windings of the transformer 13, the z. B. do not follow a frequency of 20 kHz pulses, so that the resulting current in the input winding (s) corresponds to the arithmetic mean of the individual pulse periods consisting of pulses and pulse pauses. The current in the input windings of the transformer 13 thus essentially follows the sine curve shown in FIG. 2.
Der tatsächliche Spannungsverlauf in den Eingangswicklungen des Transformators 13 ist nicht exakt sinusförmig, wie das in ausgezogenen Linien in Fig. 2 dargestellt ist. Tatsäch lich erfährt der Spannungsverlauf am Anfang und Ende jedes Impulses eine sprungartige Veränderung, die jedoch im Mittel auf die in Fig. 2 in ausgezogenen Linien dargestellte Sinusfunktion hinausläuft.The actual voltage curve in the input windings of the transformer 13 is not exactly sinusoidal, as is shown in solid lines in FIG. 2. In fact, the voltage curve at the beginning and end of each pulse undergoes a sudden change, which, however, amounts to the sine function shown in solid lines in FIG. 2.
Durch geeignete Einstellung des Potentiometers 31 kann die mittlere Breite der Rechteck-Impulse eingestellt werden, wie sich das aus dem Vergleich der Fig. 2 (maximale Impuls breite) und der Fig. 3 (minimale Impulsbreite) ergibt. Aufgrund der geringeren Impulsbreiten gemäß Fig. 3 und der entsprechend größeren Impulspausen erniedrigt sich der als ausgezogene Linie dargestellte arithmetische Mittelwert, und am Eingang des Transformators 13 erscheint eine entsprechen de niedrigere Quasi-Sinusspannung.The average width of the square-wave pulses can be set by suitably adjusting the potentiometer 31 , as can be seen from the comparison of FIG. 2 (maximum pulse width) and FIG. 3 (minimum pulse width). Due to the smaller pulse widths according to FIG. 3 and the correspondingly larger pulse pauses, the arithmetic mean value shown as a solid line decreases, and a correspondingly lower quasi-sinusoidal voltage appears at the input of the transformer 13 .
Nachdem mit dem Potentiometer 31 eine bestimmte mittlere Impulsbreite eingestellt worden ist, erfolgt aufgrund des in Fig. 1 dargestellten Regelkreises 29, 30, 32, 22, 33 eine automatische Regelung auf eine konstante Gleichspannung am Ausgang der Gleichrichterbrücke 14, indem über die Leitung 29 dem Einstellgerät 30 die Ist-Spannung am Ausgang der Gleichrichterbrücke 14 gemeldet wird. Diese wird mit dem am Potentiometer 31 eingestellten Sollwert verglichen. Stimmen Ist- und Sollwert überein, bleibt die Ansteuerung der Steuer stufe 22 unverändert. Stellt das Einstellgerät 30 eine zu hohe Ist-Spannung fest, so wird die von der Steuerstufe 22 abgegebene maximale Impulsbreite solange verringert, bis die Ausgangsspannung auf der Leitung 29 dem eingestellten Soll wert entspricht.After the potentiometer 31 a certain mean pulse width has been set, an automatic control is performed due to the shown in Fig. 1 the control circuit 29, 30, 32, 22, 33 to a constant DC voltage at the output of the rectifier bridge 14 by the over line 29 Setting device 30, the actual voltage at the output of the rectifier bridge 14 is reported. This is compared with the setpoint set on the potentiometer 31 . If the actual and target values match, the control of the control stage 22 remains unchanged. If the setting device 30 detects an excessively high actual voltage, the maximum pulse width emitted by the control stage 22 is reduced until the output voltage on the line 29 corresponds to the set value.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Lichtbogenschweiß gerätes wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 erläutert.The operation of the arc welding device according to the invention is explained below with reference to FIGS . 1 to 3.
Aus Fig. 2 erkennt man, daß während der Ansteuerung eines Paares von Leistungsschaltern des Wechselrichters 12, bei spielsweise des Paares T1/T5 (Fig. 1) zunächst eine Folge 34 von positiven Rechteckspannungs-Impulsen einer festen Frequenz und mit nach Art einer positiven Sinushalbwelle modulierter Impulsbreite und anschließend durch Ansteuerung eines weiteren Paares von Leistungsschaltern des Wechsel richters 12, beispielsweise des Paares T4/T2 eine Folge 35 von negativen Rechteckspannungs-Impulsen gleicher Frequenz und Breitenmodulation erzeugt wird, die an eine der Eingangs wicklungen des Transformators 13 angelegt sind. Nach der Folge 35 von negativen Rechteckspannungs-Impulsen folgt wieder eine Folge 34 von positiven Rechteckspannungs- Impulsen usw.From Fig. 2 it can be seen that during the control of a pair of circuit breakers of the inverter 12 , for example the pair T 1 / T 5 ( Fig. 1), first a sequence 34 of positive square-wave voltage pulses of a fixed frequency and with a kind of positive sine half-wave modulated pulse width and then by driving a further pair of circuit breakers of the inverter 12 , for example the pair T 4 / T 2, a sequence 35 of negative square-wave voltage pulses of the same frequency and width modulation is generated, which windings to one of the input of the transformer 13 are created. After the sequence 35 of negative square-wave voltage pulses, another sequence 34 of positive square-wave voltage pulses follows.
Wegen der vergleichsweise hohen Induktivität der Primärwick lungen kann der dort hervorgerufene Strom der Spannung nur allmählich folgen, so daß der Strom am Ende eines jeden Impulses noch nicht annähernd den theoretisch möglichen Maximalwert erreicht hat. Bei der anschließenden Impulspause induziert das zusammenbrechende Magnetfeld in der betreffen den Primärwicklung eine Spannung, die den Strom langsam abfallen läßt, bis der nächste Impuls auftritt, der die Spannung wieder ansteigen läßt. Aufgrund der erfindungs gemäßen sinusförmigen Impulsbreitenmodulation nimmt der Strom eine zunächst zick-zack-förmig ansteigende und dann wieder abfallende Form an, die im Mittel die in Fig. 2 dargestellte Sinuskurve I ergibt, welche den geglätteten arithmetischen Mittelwert der impulsförmigen Spannung darstellt.Because of the comparatively high inductance of the primary windings, the current generated there can only gradually follow the voltage, so that the current at the end of each pulse has not yet approximately reached the theoretically possible maximum value. During the subsequent pause in the pulse, the collapsing magnetic field induces a voltage in the primary winding, which slowly drops the current until the next pulse occurs, which causes the voltage to rise again. On account of the sinusoidal pulse width modulation according to the invention, the current assumes an initially zigzag rising and then decreasing shape, which on average results in the sine curve I shown in FIG. 2, which represents the smoothed arithmetic mean of the pulse-shaped voltage.
Wenn durch Verstellung des Potentiometers 31 die mittlere Impulsbreite unter Beibehaltung der sinusförmigen Impuls breitenmodulation verringert wird, kann gemäß Fig. 3 auch ein quasi-sinusförmiger Eingangsstrom I1 für den Trans formator 13 mit entsprechend herabgesetzter Amplitude erzeugt werden.If, by adjusting the potentiometer 31, the mean pulse width is reduced while maintaining the sinusoidal pulse width modulation, a quasi-sinusoidal input current I 1 for the transformer 13 with a correspondingly reduced amplitude can also be generated according to FIG. 3.
Der Eingangsstrom des Transformators 13 (Sinuskurve I der Fig. 2, 3) wird in der für den Schweißvorgang erforderlichen Weise herauftransformiert und anschließend in der Gleichrich terbrücke 14 gleichgerichtet sowie in dieser Form dem Schweißstromkreis 17 zugeführt wird.The input current of the transformer 13 (sine curve I of Fig. 2, 3) is transformed up in the manner required for the welding process and then rectified in the rectifier terbrücke 14 and supplied to the welding circuit 17 in this form.
Über den Regelkreis 29, 30, 32, 22, 33 wird die mittlere Breite der Impulse der Impulsfolgen 34, 35 auf einen solchen Wert eingeregelt, daß am Ausgang der Gleichrichterbrücke 14 eine vorgegebene Schweißspannung bzw. ein vorgegebener Schweißstrom eingehalten wird.Via the control circuit 29 , 30 , 32 , 22 , 33 , the average width of the pulses of the pulse trains 34 , 35 is adjusted to such a value that a predetermined welding voltage or a predetermined welding current is maintained at the output of the rectifier bridge 14 .
Das Wesen der Erfindung liegt also in einer Vorrichtung zur Umwandlung einer relativ hochfrequenten Rechteckspannung in eine niederfrequente Sinusspannung bzw. einen niederfrequen ten Strom, die bzw. der anschließend von einem Transformator bzw. Stromwandler 13 für eine Potentialtrennung und Reduzierung der Netzeingangsspannung auf schweißtechnisch zugelassene Spannungen bzw. Erhöhung des Eingangsstromes auf schweißtechnisch erforderliche Ströme verarbeitet wird.The essence of the invention thus lies in a device for converting a relatively high-frequency square-wave voltage into a low-frequency sinusoidal voltage or a low-frequency current, which is then used by a transformer or current transformer 13 for electrical isolation and reduction of the mains input voltage to welding-approved voltages or Increasing the input current to welding currents required is processed.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin, daß die Frequenz für die Leistungsschalter im Inverter 12 z. B. 5, 10, 20 oder 50 kHz betragen kann, während die Eingangs frequenz für den Transformator 13 bzw. Stromwandler bei 1 kHz liegt. Der wirtschaftlichste Bereich für z. B. Schnitt bandkerne liegt bei 1 bis 2 kHz, da Schnittbandkerne für höhere Frequenzen und große Leistungen sehr teuer sind. Gut einsetzbare Ferritkerne für hohe Frequenzen sind für große Leistungen nicht lieferbar bzw. zu aufwendig.The advantage of the arrangement according to the invention is that the frequency for the circuit breaker in the inverter 12 z. B. 5, 10, 20 or 50 kHz, while the input frequency for the transformer 13 or current transformer is 1 kHz. The most economical area for e.g. B. Cutting band cores is 1 to 2 kHz, since cutting band cores for higher frequencies and high powers are very expensive. Well-usable ferrite cores for high frequencies are not available for high performance or are too expensive.
Die Transformatorverluste setzen sich zusammen aus den Eisenkernverlusten, die im Kern entstehen, und den Kupfer verlusten in den Wicklungen. Die Eisenverluste im Kernma terial des Schnittbandkerns bestehen aus den drei Komponen ten: Ummagnetisierungs(Hysterese)-Verluste, Wirbelstrom- (Foucaultsche)-Verluste und kleine Restverluste.The transformer losses are made up of the Iron core losses that occur in the core and the copper losses in the windings. The iron losses in the kernel The core of the ribbon consists of the three components ten: magnetic reversal (hysteresis) losses, eddy current (Foucault) losses and small residual losses.
Die Hysterese-Verluste sind in erster Linie von der Art und Beschaffenheit der Bleche abhängig, wobei der Flächeninhalt der Hystereseschleife ein Maß für die Größe dieses Verlustan teils ist. Die Wirbelstromverluste sind proportional der Frequenz und Blechstärke sowie dem Quadrat der magnetischen Induktion, jedoch umgekehrt proportional dem spezifischen Widerstand des Materials.The hysteresis losses are primarily of the type and Depending on the nature of the sheets, the surface area the hysteresis loop is a measure of the magnitude of this loss partly is. The eddy current losses are proportional to the Frequency and sheet thickness as well as the square of the magnetic Induction, but inversely proportional to the specific Resistance of the material.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung wird die hohe An steuerungsfrequenz der Leistungsschalter T1 bis T6 in eine niederfrequente Spannung bzw. einen niederfrequenten Strom für den Transformator bzw. Stromwandler 13 umgewandelt. Damit die Eisenverluste klein gehalten werden, ist als Eingangsspannung für den Transformator bzw. Stromwandler 13 eine sinusförmige Spannung vorgesehen.Because of the arrangement according to the invention, the high control frequency of the circuit breakers T 1 to T 6 is converted into a low-frequency voltage or a low-frequency current for the transformer or current transformer 13 . So that the iron losses are kept small, a sinusoidal voltage is provided as the input voltage for the transformer or current transformer 13 .
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