DE4330805A1 - Wechselstromquelle für Lichtbogenschweißprozesse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine modulare Wechselstromquelle für Lichtbo­ genschweißprozesse, die aus einer elektrischen Stromquelle mit Induk­ tivität, dem Stromquellen-Modul, und einem Vollbrückenkommutator, dem Kommutator-Modul, besteht. Der Kommutator wird beim Polaritäts­ wechsel intelligent gesteuert, so daß sicheres Wiederzünden auch bei unterschiedlichen Schweißkabellängen, die mit einer Induktivität L_S belastet sind, gewährleistet ist.

Die Anordnung kann auf herkömmliche Hilfszündgeräte (HF oder Impuls) für den Umpolvorgang verzichten. Weiterhin kann der Umpol­ vorgang mit niedrigen genauso wie mit hohen Schweißströmen (5 bis 500 A) problemlos bewerkstelligt werden. Dadurch kann der Kurven­ verlauf des Stromes vor und nach dem Polaritätswechsel so gestaltet werden, daß die davon abhängige Geräuschentwicklung und Belästi­ gung weitgehend vermindert ist. Durch den Wegfall konventioneller HF- und Impulszündgeräte wird eine starke Verringerung der elektro­ magnetischen Störstrahlung erreicht.

Die Bestimmung des Stromniveaus, auf dem umkommutiert wird, führt bei Verwendung entsprechend steuerbarer Stromquellen zu einer tech­ nologisch anpaßbaren Lichtbogencharakteristik, also von weichem zu hartem, treibenden Lichtbogen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Wechsel­ stromquelle mit den Modulen Gleichstromquelle Q, Kommutator V, Controller C, Sollwertgeber S - hier mit einem einfachen Sollwertpotentiometer versehen -, Spannungsbegrenzer L so­ wie den Stromsensor D und Spannungssensor U,

Fig. 2 den Aufbau des Kommutators V mit vier Ventilen in Brückenschaltung und den Spannungsbegrenzer L,

Fig. 3 den typischen zeitlichen Verlauf der Kenngrößen während eines vollständigen Kommutierungsvorgangs,

Fig. 4 eine mögliche Sollwertführung vor, während und nach dem Kommutierungsvorgang für kleine Schweißströme.

Der Aufbau ist modular und klar gegliedert. Als Stromquelle und Modul kann jede Gleichstromquelle Q, vorzugsweise elektronische Stromquellen mit einem Sollwert-Eingang E_Q und einem Sollwertgeber S auf Analog-, Schaltverstärker- oder Inverterbasis eingesetzt werden. Für die Funktion ist die Quelle Q mit einer kleinen Drossel L_Q im Ausgangskreis zu versehen. L_Q kann mit 5-15 Windungen auf üblichem Eisenkern mit geringem Luftspalt ausgeführt werden, so daß Ströme bis 100 A oder darüber ohne Sättigungserscheinung gefahren werden können.

Der Sollwertgeber S, der in konventioneller Elektronik oder aber mittels Mikroprozessor realisiert sein kann, steuert beispielsweise über Potentiometer P und seinem Ausgang A_Q den Stromwert der Quelle Q. Vorteilhafterweise besitzt der Sollwertgeber S einen Aus­ gang A_POL zur Steuerung des Polaritätssignals und einen Eingang E_RPOL, der die Fertigmeldung RPOL vom Controller C entgegen nimmt. RPOL signalisiert die erfolgte Umkommutierung.

Der Kommutator V ist ein Vierpol, der an die Schweißstromquellen­ klemmen 1, 2 angeschlossen wird (Fig. 1). Am Ausgang des Kommuta­ tors V 3, 4 wird der Schweißprozeß angeschlossen, dessen Leitungen die Induktivität L_S beinhalten.

Der Kommutator V wird von einem Controller C gesteuert, der das Polaritätssignal POL an seinem Eingang E_POL entgegennimmt und mittels eines Detektors D, vorzugsweise ein Stromsensor, prozeß­ abhängig den Kommutierungsvorgang steuert. Das Signal des Sensors D liegt am Eingang E_D des Controllers C.

Der Kommutator V selbst besteht aus steuerbaren Ventilen V₁, V₁′, V₂ und V₂′, wie Thyristoren, Transistoren, vorzugsweise IGBT, die in Vollbrücke verschaltet sind (Fig. 2), wobei die Ventile jeweils mit einer zugeordneten Freilaufdiode FD₁, FD₁′, FD₂, FD₂′ versehen sind.

Bei Verwendung von Thyristoren muß in bekannter Weise für die Löschbarkeit gesorgt werden oder es müssen abschaltbare Thyristoren verwendet werden. Die Ventile V₁, V₁′, V₂, V₂′ werden vom Control­ ler C über die Ausgänge A₁, A₁′, A₂, A₂′ gesteuert, der das Polaritätssignal POL entgegennimmt und das Detektorsignal D auswer­ tet. Ein Spannungsbegrenzer L in an sich bekanntem Aufbau begrenzt die Kommutierungsspitze, die an den Klemmen 1 und 2 entsteht, auf vorzugsweise 300-500 V.

Es sei angenommen, die Ventile V₁ und V₁′ sind über die Ausgänge A₁ und A₁′ leitend, der Prozeß befindet sich also in der positiven Phase. Sobald die übergeordnete Prozeßsteuerung S zur Zeit t₀ am Ausgang APOL nun das Steuersignal POL für die negative Phase erzeugt und an EPOL liefert, steuert der Controller C zusätzlich die Ventile V₂ und V₂′ über die Ausgänge A₂ und A₂′ in den leitenden Zustand.

Damit kann die im Schweißkreis in L_S gespeicherte Energie im noch in der positiven Phase sich befindenden Lichtbogen abgebaut werden, der Schweißstrom I_S nimmt ab. Ein Stromsensor D liefert über Ein­ gang E_D den momentanen Schweißstrom I_S an den Controller C, der bei Unterschreiten eines Minimalbetrags I_min zur Zeit t₁ die Venti­ le V₁ und V₁′ nun abschaltet, während V₂ und V₂′ leitend geschaltet bleiben. Infolgedessen liefert die Stromquelleninduktivität L_Q nun einen Spannungspuls, der sich über die weitgehend entladene Lei­ tungsinduktivität L_S zum Prozeß hin durchsetzen kann. Die Umkommu­ tierung ist damit abgeschlossen. Entsprechend wird der Polaritäts­ wechsel in die andere Richtung gesteuert. Die Zeit vom Polwechsel­ signal POL bis zum tatsächlichen Polaritätswechsel t₁-t₀ stellt sich somit automatisch ein und berücksichtigt die Prozeßgegebenheiten, insbesondere Kabellängen und prozeßabhängige emissionsstützende Restwärme in der Schweiß-Elektrode.

Vor Einleiten der Umkommutierung kann der Lichtbogenstrom über den Sollwert E_Q auf einen beliebigen Wert gesteuert werden. Damit läßt sich der Polwechsel sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Strömen durchführen. Auch kann die Stromstärke vor und nach Polwechsel unterschiedlich und frei vorgegeben werden.

Vorteilhafterweise wird bei niedrigen Schweißströmen unter ca. 50 A unmittelbar mit dem Beginn der Phase, in der alle vier Ventile zum Verbrauchen der Schweißkreisenergie leitend geschaltet werden, der Strom der sich nun im Kurzschluß befindenden Quelle Q durch die Steuerung S über den Sollwerteingang E_Q erhöht, so daß in der Induktivität L_Q eine genügend hohe Energie für eine sichere Wieder­ zündung des Lichtbogens gespeichert wird (Fig. 4). Natürlich kann dieser Strom auf demselben oder einem höheren oder geringeren Niveau auch in der ersten Zeit nach dem Wiederzünden des Lichtbo­ gens eingesetzt werden und danach auf den vorgegebenen Schweiß­ strom zurückgeführt werden. Dieser Übergang ist sprunghaft oder kann auch mit einer beliebigen Zeitfunktion erfolgen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung wertet der Controller C über einen Eingang E_U die Höhe der Spannungsspitze über einen Spannungssensor U an den Anschlüssen 1 und 2 beim Wiederzünden des Lichtbogens aus, also sobald nach der Durchsteuerung aller Ventile V₁, V₁′, V₂, V₂′ das jeweilige für die neue Phase benötigte Ventilpaar allein eingeschaltet ist. Die Höhe der in diesem Moment auftretenden Spannungsspitze hängt wesentlich von der Größe der Schweißkreisinduktivität L_S ab. Bei großen Kabellängen mit entspre­ chend großem L_S kann die in der Quelleninduktivität L_Q gespeicherte Energie nicht als Wirkleistung den Lichtbogen erreichen. Vielmehr muß ein großer Teil dieser Energie im Spannungsbegrenzer umgesetzt werden und zwar in der Regel in Wärme, wenn als Stromquelle ein Inverter eingesetzt wird. Bei Analog- und Schaltverstärkern kann die Energie über einen bekannten Tiefsteller in den dort vorhandenen Ladekondensator zurückgeführt werden.

Um die im Spannungsbegrenzer L umgesetzte Energie gering zu halten, wird der Strom der Quelle Q vor Einleiten des Umpolvorgangs über den Ausgang A_Q des Sollwertgebers S herabgesetzt und das Einschwingen des Lichtbogenstromes abgewartet. Dadurch wird die Restenergie in der induktivitätsbehafteten Schweißleitung begrenzt. Über einen an sich bekannten Regelalgorithmus kann auch selbsttätig der Minimalstrom i_min, auf den der Schweißkreisstrom, der sich während des Durchschaltens aller vier Ventile ergibt, überwacht wird, auf einen bestimmten Wert eingestellt werden. Dieser Wert wird über den Regelalgorithmus so geführt, daß die sich beim Wiederzün­ den ergebende Spannungsspitze an den Klemmen 1 und 2 einen gewünschten Maximalwert nicht überschreitet. Der Spannungswert wird über den Sensor U dem Eingang E_U des Controllers C zugeführt. Vorteilhafterweise wird dieser Wert unterhalb der Ansprechschwelle des Begrenzers L gewählt. Damit adaptiert sich der Polaritätswech­ selzyklus des Controllers C selbsttätig an die momentante Kabellänge. Der Sollwertgeber S gibt also den Zeitpunkt des Starts des Umkommu­ tierungsvorgangs vor. Der Controller C führt die entsprechenden Ventilsteuerungen, Schwellwertüberwachungen und Adaptionen aus und gibt nach erfolgtem Ablauf den Zeitpunkt des in der neuen Polarität laufenden Lichtbogens über die Meldung RPOL an den Sollwertgeber zurück.

Der Polwechsel ohne zusätzliche HF-Impulse gelingt bei allen denk­ baren Schweißstromverläufen, wie Rechteck, Sinus, Dreieck und ande­ ren. Damit lassen sich sowohl "weiche" als auch "harte", treibende Lichtbogencharakteristiken erzeugen.

Insbesondere ist von Vorteil, daß die im Schweißkreis gespeicherte Energie nicht in elektronischen Bauelementen vernichtet werden muß, sondern diese einfach noch kontrolliert dem Schweißprozeß zugeführt wird.

Für den Fall eines vom Schweißer herbeigeführten Lichtbogenabrisses wird die durch die in L_Q gespeicherte Energie entstehende Span­ nungsspitze in dem Spannungsbegrenzer L limitiert (Fig. 2). Der Spannungsbegrenzer kann auf Basis von Leistungszenerdioden oder eines elektronischen Schalters mit Komparator in bekannter Weise ausgeführt sein.

Sowohl der Controller C als auch die Sollwertsteuerung S für Schweißstrom und Wechselfrequenz können in bekannter Weise in diskreter Elektronik oder in µ-Prozessor-Technik aufgebaut werden.

Im letzteren Fall übernehmen dem Ablauf entsprechende Programme über einen oder mehrere Prozessoren die erfindungsgemäßen Steuerun­ gen. Sollwertgeber S und Controller C können in einem Prozessor oder in Multiprozessortechnik realisiert werden.

Claims (6)

1. Wechselstromquelle zum Betreiben von Schweißlichtbögen mit Wiederzündung des Lichtbogens nach dem Polaritätswechsel ohne zusätzliche Impuls- oder HF-Zündhilfen, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Lichtbogen aus einer induktivi­ tätsbehafteten Stromquelle (Q) über eine Vollbrücke (V) aus steuer­ baren Ventilpaaren (V₁, V₁′, V₂, V₂′) mit Freilaufdioden (FD₁, FD₁′, FD₂, FD₂′) betrieben ist, die differenziert ein- und ausschaltbar sind, daß mittels einer intelligenten Steuerung bei Start des Polari­ tätswechsels zunächst alle Brücken-Ventile (V₁, V₁′, V₂, V₂′) leitend schaltbar sind, so daß der Quellenstrom kurzgeschlossen wird und die im Schweißkreis mit deren Kreisinduktivität L_S gespei­ cherte Energie sich über den Lichtbogen und die kurzgeschlossenen Ventile (V₁, V₁′, V₂, V₂′) sowie deren Freilaufdioden (FD₁, FD₁′, FD₂, FD₂′) über der Zeit abbaubar ist, daß mittels eines Detektors (D) der Zeitpunkt des Abbaus der Schweißkreisenergie feststellbar ist und daß in Abhängigkeit davon nur noch das entsprechende für die kommende Polaritätsphase erforderliche Ventilpaar (V₁, V₁′ bzw. V₂, V₂′) einschaltbar ist, so daß die in der Quelleninduktivität L_Q gespeicherte Energie zu einer die Wiederzündung einleitenden Spannungsspitze führt.

2. Wechselstromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Spannungs-Limitier-Einheit (L) die Höhe der wiederkehrenden Spannung hinter der Quelleninduktivität (L_Q) begrenzbar ist.

3. Wechselstromquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß über eine steuerbare Stromquelle (Q) der Stromwert und der Stromverlauf vor, während sowie nach der erfolgten Umpolung belie­ big steuerbar sind.

4. Wechselstromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitpunkt des Verbrauchs der Schweißkreis­ energie bei gleichzeitiger Durchsteuerung aller vier Ventile (V₁, V₁′, V₂, V₂′) im Lichtbogen mittels Detektor durch einen im Schweißkreis liegenden Stromsensor (D) feststellbar ist.

5. Wechselstromquelle nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß in Abhängigkeit von der Höhe des beim Wiederzünden des Lichtbogens entstehenden Spannungsspitze ein Signal zur Steuerung des Quellenstroms während oder vor und während des Umpolvorgangs erzeugbar und dadurch die im Spannungsbegrenzer (L) umgesetzte Energie minimierbar ist.

6. Wechselstromquelle nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der Höhe der beim Wieder­ zünden des Lichtbogens entstehenden Spannungsspitze über einen Regelalgorithmus ein Schwellenstrom bildbar ist, auf den der Schwei­ ßstrom überwacht wird und bei dessen Erreichen der Umkommu­ tierungsvorgang abgeschlossen wird, wobei sich die Schwelle so einrichtet, daß die entstehende Spannungsspitze einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.