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MEMOIRE DESCRIPTIF à 1$appui d'une demande de BREVET D'INVENTION " Machine à souder à résistance avec condensateur " la Société dite: Emile HAEFELY & Cie. S.A., Lehenmattstrasse 353, BALE, Suisse.
Faisant l'objet d'une première demande de brevet déposée en SUISSE: le 31 août 1944 - (N 95.845).
Les machines à souder à résistance consistent en un ou plusieurs transformateurs, qui transforment le courant primaire provenant du réseau d'alimentation en un courant secondaire de soudure, dont l'intensité peut atteindre plusieurs milliers d'ampères. Ue cou- rant secondaire est généralement engendré au moyen de courtes impulsions ayant une durée d'une ou plusieurs périodes, à travers le montage du côté du primaire; il est amené par les barres d'amenée du'courant de la machine aux pièces à souder qui s'échauffent sous l'effet du passage du courant et se réunissent d'une manière permanente sous l'effet, d'une pression mécanique.
Les conducteurs de 'la machine à souder entre le transformateur et les pièces à souder forment un circuit en boucle dont l'inductance provoque, en cas de courant de soudure intense, une chute de tension qui exerce une influence défavorable sur le facteur de puissance de la machine à souder.
Pour souder par résistance le fer, les courants de soudure ont une intensité relativement faible et la résistance électrique des pièces parcourues par le courant de soudure est relativement forte. Par suite, la machine à souder a un facteur de puissance de l'ordre de grandeur de 0,8 ind.
Mais s'il s'agit de souder des métaux bons conducteurs de l'électricité, par exemple l'aluminium, les courants de soudure doivent être beaucoup plus intense que dans le cas du fer et la résistance électrique des pièces à souder est faible. Il en résulte que le facteur de puissance de la machine à souder par résis-
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tance diminue et atteint des valeurs comprises entre 5,5 et 0,4 ind.
La charge du réseau électrique d'alimentation devient donc d'autant plus défavorable avec les machines à souaer par résistance que la puissance de la machine est plus forte, par rapport à la capacité de puissance du réseau et que le facteur de puissance devient plus faible. Il est évident qu'au point de connexion avec le réseau des machines à souder par resista@ce l'aluminium et les métaux analogues, il se produit une très forte chute de tension, qui compromet le fonctionnement correct de la macnine et des autres appareils d'utilisation de l'énergie électrique montes en paral- lèle et rend même parfois ce fonctionnement impossible.
On sait qu'on peut remédier aux inconvénients qui résultent de l'emploides machines à souder par résistance, en montant en parallèle un condensateur de déphasage.
Sur le dessin schématique ci-joint, donne uniquement a titre d'exemple :
Les Fig. 1 et 2 représentent schematiquement un dispositif de montage ordinaire.
Les Fig. 3, 4 et 5 représentent des dispositifs de montage suivant l'invention.
Les Fig. 1 et 2 représentent schematiquement \le quelle manière ce condensateur 2 est monté d'habitude en parallèle avec le transformateur de soudure 1. La connexion s'effectue, comme l'indique, la Fig. 1, avant le rhéostat à plots 3 du transformateur de soudure, c'est-à-dire que le condensateur fonctionne à tension constante ou, comme l'indique la Fig. 2, après le rhéostat à plots du transi'or- mateur de soudure 3, c'est-à-dire que le condensateur fonctionne sous tension variable suivant le plot de réglage qui est en circuit.
Sur les Fig. 1 et 2, l'interrupteur de la machine à souder est désigné par 4 et les pièces à souder par 5.
Le condensateur de déphasage monté en parallèle fournit en totalité ou en partie la puissance réactive nécessaire à la machine à souder, qui est déterminée d'une manière appropriée par la boucle de conducteur parcourue par le courant de soudure au côte du secondaire du transformateur. Le montage en parallèle du condensateur diminue l'intensité du courant primaire prélevée sur le réseau et les chutes de tension qui en résultent.
MAis comme la chute de tension dépend, non seulement de l'intensité du courant, mais encore de son décalage de phase par rapport à la tension, l'amelioration du facteur de puissance qui resulte du montage du condensateur en parallèle a pour conséquence de diminuer encore les chutes de tension aux points de connexion de la machine avec le réseau.
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Par contre, le condensateur monté en parallèle avec la machine à souder exerce une influence très nuisible du fait qu'au moment de la mise en circuit de la machine, il fait naître une oscillation de fermeture avec l'inductamce du réseau dont la fréquence est généralement un multiple de la fréquence du réseau. Il est vrai que cette oscillation s'amortit rapidement. Mais étant donné qu'en service, elle se produit à chaque impulsion, de soudure, c'est-à-dire plusieurs fois par seconde, elle peut devenir dangereuse pour le condensateur lui-même et pour le transformateur, car elle donne lieu à des pertes supplémentaires et à des échauffements.
De plus l'interrupteur subit des efforts sensiblement plus considerables du fait des impulsions de courant de fermeture et les isolements de l'installation sont compromis par les surtensions de fermeture.
Un autre inconvénient du condensateur en parallèle consiste dans le fait qu'il fournit toujours la même puissance réactive indépendamment de la charge secondaire du transformateur de soudure.
Par contre pour réaliser une compensation de phase avantageuse il faut que la puissance du condensateur soit réglée suivant le métal à souder et son épaisseur de paroi, c'est-à-dire suivant l'intensité du courant secondaire. Mais ce résultat ne peut être obtenu qu'au prix d'une dépense relativement élevée et de montages compli- qués.
Suivant l'invention on remédie, aux inconvénients de la machine à souder non compensée, ou équipée avec des condensateurs en parallèle en employant un condensateur monté en série dans le circuit de la machine à souder.
En ce qui concerne la compensation de phase et la puissance réactive, le condensateur en série a les mêmes propriétés que le condensateur en parallèle. En améliorant le facteur de puissance, il diminue les impulsions de courant primaire prélevées sur le réseau et empêche ainsi les chutes de tension de prendre des valeurs excessives. Mais un avantage remarquable par rapport aux condensateurs en parallèle consiste dans le fait qu'au moment de la fermeture du courant primaire il ne se produit plus d'oscillation de fermeture à haute fréquence car 1-'oscillation propre du circuit résultant du montage en série du condensateur et de l'inductance de la machine à souder a à peu près la même valeur que la fréquence du réseau.
Mais on évite aussi, de cette manière les pointes de courant de fermeture et an supprime les surtensions de fermeture de façon à décharger les interrupteurs du circuit primaire et à ménager l'isolement de l'enroulement. Un autre avantage encore plus important, du condensateur en série consiste dans le réglage automatique du facteur de puissance. En effet, la puissance réactive fournie par le condensateur en série est proportionnelle au
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carré de l'intensité du courant qui passe. Mais la puissance reactive absorbée par la machine à souder elle-même, varie aussi pratiquement avec le carré de l'intensité secondaire et par suite de l'intensité primaire.
On peut donc faire servir le même condensateur sans réglage de sa capacité à la compensation au l'acteur de puissance à une valeur déterminée, indépendamment de la nature et de l'épaisseur des pièces à souder.
Etant donné que le transformateur de la machine à souder par résistance fonctionne en service pratiquement en court-circuit, on n'a pas à craindre non plus qu'en cas de contact dus armatures uans le circuit primaire le montage d'un condensateur en série provoque des surtensions. L'intensité du courant primaire ne devient qu'insensiblement plus forte que celle des courants de services normaux et ces courants ne mettent pas la macnine en danger puisqu'on service elle fonctionne pratiquement en permanence en court-circuit.
La Fig. 3 représente un exemple de montage d'un condensateur en série. Le condensateur en série y est monté du côté du primaire avant le rhéostat à plots 3 du transformateur (le soudure 1.
Il est possible, dans ces conditions, de ciioisir la capacité du condensateur à volonté de façon à réaliser une compensation du facteur de puissance cos à la valeur de l'unité, une surcompensation, ou une sous compensation. De même le condensateur en série, s'il est convenablement dimensionné, peut aussi être monte dans le circuit secondaire du transformateur de soudage 1 en exerçant la même action. Il est possible et éventuellement nécessaire, lorsqu'on emploie un condensateur en série, de faire varier l'intensi- té du courant de soudure d'une manière connue par un transformateur régulateur ou en choisissant d'une manière appropriée l'emplacement de la prise de courant du transformateur (le soudure.
Liais ce transformateur de soudure régulateur, ou le ciioix (le la prise de courant du transformateur de soudure, peuvent aussi être utilisés simultanément pour faire varier la puissance du condensateur et obtenir ainsi une autre compensation, ainsi que le représente l'exemple de la Fig. 4. Dans ce montage, le condensateur en série 2 est monté après le transformateur régulateur 6. En principe, il est sans importance que le condensateur en série soit monte directement dans le circuit ou soit intercalé dans le circuit d'une manière connue en soit par l'intermédiaire d'un transformateur en série, ainsi que l'indique la Fig.5 à titre d'exemple.
Le transformateur en série 7 peut avoir un rapport de transformation fixe ou peut comporter des prises de courant auxquelles le condensateur 2 est accouplé. On obtient ainsi le réglage déjà representé sur la Fig. 4 de la puissance du condensateur en serie.
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DESCRIPTIVE MEMORY at $ 1 support of an application for a PATENT OF INVENTION "Resistance welding machine with capacitor" the Company known as: Emile HAEFELY & Cie. S.A., Lehenmattstrasse 353, BALE, Switzerland.
The subject of a first patent application filed in SWITZERLAND: August 31, 1944 - (N 95.845).
Resistance welding machines consist of one or more transformers, which transform the primary current from the power supply network into a secondary welding current, the intensity of which can reach several thousand amperes. The secondary current is generally generated by means of short pulses having a duration of one or more periods, through the circuit on the side of the primary; it is brought by the bars for supplying the current of the machine to the parts to be welded, which heat up under the effect of the passage of the current and unite permanently under the effect of mechanical pressure.
The conductors of the welding machine between the transformer and the parts to be welded form a loop circuit whose inductance causes, in the event of intense welding current, a voltage drop which exerts an unfavorable influence on the power factor of the welding machine.
To resistance solder iron, the solder currents have a relatively low intensity and the electrical resistance of the parts through which the solder current passes is relatively high. As a result, the welding machine has a power factor of the order of magnitude of 0.8 ind.
But if it is a question of welding metals which are good conductors of electricity, for example aluminum, the welding currents must be much more intense than in the case of iron and the electrical resistance of the parts to be welded is low. As a result, the power factor of the resistance welding machine
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tance decreases and reaches values between 5.5 and 0.4 ind.
The load on the electrical supply network therefore becomes all the more unfavorable with resistance welding machines as the power of the machine is greater, compared to the power capacity of the network and as the power factor becomes lower. . It is obvious that at the point of connection with the network of welding machines by resistance to aluminum and similar metals, a very strong voltage drop occurs, which compromises the correct functioning of the machine and other devices. use of electrical energy mounted in parallel and sometimes even makes this operation impossible.
It is known that the drawbacks which result from the use of resistance welding machines can be remedied by connecting a phase-shifting capacitor in parallel.
On the attached schematic drawing, gives only as an example:
Figs. 1 and 2 schematically show an ordinary mounting device.
Figs. 3, 4 and 5 show mounting devices according to the invention.
Figs. 1 and 2 show schematically how this capacitor 2 is usually connected in parallel with the welding transformer 1. The connection is made, as shown in FIG. 1, before the pad rheostat 3 of the welding transformer, i.e. the capacitor operates at constant voltage or, as shown in Fig. 2, after the pad rheostat of the welding transformer 3, that is to say that the capacitor operates under variable voltage according to the adjustment pad which is in circuit.
In Figs. 1 and 2, the welding machine switch is designated by 4 and the parts to be welded by 5.
The phase-shifting capacitor connected in parallel supplies all or part of the reactive power required by the welding machine, which is appropriately determined by the conductor loop through which the welding current flows at the side of the secondary of the transformer. Connecting the capacitor in parallel reduces the intensity of the primary current taken from the network and the resulting voltage drops.
BUT as the voltage drop depends not only on the intensity of the current, but also on its phase shift with respect to the voltage, the improvement in the power factor which results from mounting the capacitor in parallel has the consequence of reducing further voltage drops at the points of connection of the machine with the network.
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On the other hand, the capacitor mounted in parallel with the welding machine exerts a very harmful influence due to the fact that when the machine is switched on, it causes a closing oscillation with the inductance of the network, the frequency of which is generally a multiple of the grid frequency. It is true that this oscillation is quickly amortized. But since in service it occurs with every pulse, of soldering, that is, several times per second, it can become dangerous for the capacitor itself and for the transformer, because it gives rise to additional losses and overheating.
In addition, the switch is subjected to significantly greater stresses due to the closing current pulses and the insulation of the installation is compromised by the closing overvoltages.
Another disadvantage of the parallel capacitor is that it always supplies the same reactive power regardless of the secondary load of the welding transformer.
On the other hand, in order to achieve advantageous phase compensation, the power of the capacitor must be adjusted according to the metal to be welded and its wall thickness, that is to say according to the intensity of the secondary current. But this result can only be obtained at the cost of relatively high expense and complicated assemblies.
According to the invention, the drawbacks of the welding machine that is not compensated, or equipped with capacitors in parallel, are remedied by using a capacitor mounted in series in the circuit of the welding machine.
Regarding phase compensation and reactive power, the series capacitor has the same properties as the parallel capacitor. By improving the power factor, it decreases the primary current pulses taken from the network and thus prevents voltage drops from taking excessive values. But a remarkable advantage compared to capacitors in parallel consists in the fact that when the primary current is closed, there is no longer a closing oscillation at high frequency because the proper oscillation of the circuit resulting from the series connection. of the capacitor and inductance of the welding machine has approximately the same value as the network frequency.
In this way, however, closing current peaks are also avoided and closing overvoltages are eliminated so as to discharge the switches of the primary circuit and to protect the insulation of the winding. Another even more important advantage of the series capacitor is the automatic adjustment of the power factor. Indeed, the reactive power supplied by the capacitor in series is proportional to the
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square of the intensity of the passing current. But the reactive power absorbed by the welding machine itself also varies practically with the square of the secondary intensity and consequently of the primary intensity.
The same capacitor can therefore be used without adjusting its capacity to compensate the power actor at a determined value, regardless of the nature and thickness of the parts to be welded.
Since the transformer of the resistance welding machine operates practically in short-circuit in service, there is also no fear that in the event of contact with the armatures in the primary circuit the connection of a capacitor in series causes surges. The intensity of the primary current only becomes imperceptibly stronger than that of the normal service currents and these currents do not endanger the machine since, in service, it operates practically permanently in short-circuit.
Fig. 3 shows an example of mounting a capacitor in series. The series capacitor is mounted there on the primary side before the pad 3 rheostat of the transformer (solder 1.
It is possible, under these conditions, to choose the capacitance of the capacitor at will so as to achieve a compensation of the power factor cos to the value of unity, an over-compensation, or an under-compensation. Likewise, the series capacitor, if it is suitably sized, can also be mounted in the secondary circuit of the welding transformer 1 by exerting the same action. It is possible and possibly necessary, when a capacitor is used in series, to vary the strength of the solder current in a known manner by a regulating transformer or by suitably choosing the location of the solder. transformer socket (solder.
Link this welding transformer regulator, or the ciioix (the socket of the welding transformer, can also be used simultaneously to vary the power of the capacitor and thus obtain another compensation, as shown in the example in Fig. 4. In this arrangement, the series capacitor 2 is mounted after the regulating transformer 6. In principle, it is irrelevant whether the series capacitor is mounted directly in the circuit or is interposed in the circuit in a known manner. or through a series transformer, as shown in Fig. 5 as an example.
The series transformer 7 may have a fixed transformation ratio or may have sockets to which the capacitor 2 is coupled. The adjustment already shown in FIG. 4 of the power of the capacitor in series.