FI75513B

FI75513B - Stroemkaella foer ljusbaogsvetsning.

Info

Publication number: FI75513B
Application number: FI844488A
Authority: FI
Inventors: Rolf Lennart Karlsson
Original assignee: Esab Ab
Priority date: 1983-11-28
Filing date: 1984-11-15
Publication date: 1988-03-31
Also published as: DK149664B; JPH0245952B2; FI75513C; JPS60133978A; NO844724L; SE8306550D0; NO163395C; FI844488A0; EP0146513A3; EP0146513A2; DK555984D0; FI844488L; SE438109B; NO163395B; DK555984A; US4564742A

Description

7551 3 VIRTALÄHDE VALOKAARIHITSAUSTA VARTEN - STRÖMKÄLLA FÖR LJUS- bAgsvetsning

Keksintö kohdistuu hitsausvirtalähteeseen vaihtovirtaverk-5 koon kytkettävine tasasuuntaajineen, sen tasavirtaulosottoon kytkettävine rinnakkaiskytkimineen, joka muodostuu vaihto-suuntaa jalaitteesta tasajännitteen muuttamista varten vaihtojännitteeksi, jonka taajuus on oleellisesti suurempi kuin verkkotaajuus, jolloin vaihtosuuntaajalaite on varustettu 10 puolijohde-elementillä, jota ohjaa ohjauslaite, ja muuntaja-laitteella vaihtosuuntaajalaitteen sisäänmenon galvaanista erottamista varten sen ulosmenosta, johon on tasasuuntaajan vapaaehtoisen sarjaankytkennän jälkeen kytkettävissä työkap-paleesta ja elektrodista muodostettu hitsauskohde.

15

Hitsausvirtalähteet on tavallisesti varustettu muuntajalla verkkojännitteen alentamista varten hitsausjännitteeksi. Oleellisesti korkeamman taajuuden käyttämisen ansiosta tulee muuntajan koko oleellisesti pienemmäksi kuin samantehoisen 20 verkkojännitemuuntajän koko. Oleellisesti suuremmalla taa juudella tarkoitetaan tässä taajuuksia yli ainakin 0,5 kHz. On erikoisen sopivaa valita jaksoluku yli 15 kHz, joka siis : on kuuluvuuskynnyksen yläpuolella. Korkeampi jaksoluku sallii verkko jaksolukuun verrattuna nopeamman hitsauspara--1· 25 metrien säädön, erikoisesti hitsausvirran ja hitsausjännit- teen. Tällaiset hitsausvirtalähteet ovat tulleet tunnetuiksi esim. US 4 159 409 ja GB 2 046 535:stä.

Korkeamman taajuuden käyttö tuo kuitenkin mukanaan myös 30 määrättyjä haittapuolia. Ohjattavat puolijohde-elementit korkeammille taajuuksille ovat kalliita ja niillä on määrätyissä suhteissa huonompi tehokkuus kuin vastaavilla puolijohde-elementeillä pienempiä verkkotaajuuksia varten. Erikoisesti on näillä puolijohde-elementeillä huonommat luon-35 teenomaiset arvot mitä tulee niiden ylikuormitettavuuskykyyn erilaisissa olosuhteissa, esim. nopeissa virran ja jännitteen muutoksissa. Tällaiset puolijohde-elementit normaaleil- 7551 3 2 le verkkojännitteille ovat erittäin kalliita. Tällöin tulee ottaa huomioon, että tasoitettu tasajännite 380 V verkkojän-nitteellä nousee noin 530 V:iin. Kun puolijohde-elementtejä laskettaessa täytyy ottaa huomioon myös verkkojännitteen 5 muutokset ja vaihteleva kulku, on välttämätöntä mitoittaa puolijohde-elementit 380 V verkkojännitteellä noin 600 V jännitteelle ja 500 V verkkojännitteellä noin 800 V:lle.

Erikoisesti pienemmillä hitsausvirtalähteillä, joita valmis-10 tetaan suurissa sarjoissa, vaikuttaa virtalähteen kokonaishintaan oleellisesti puolijohde-elementin hinta näille korkeille jännitteille. Oli siksi erikoisen toivottavaa kehittää virtalähde, joka samalla jännitteellä käyttää hyväksi halvempia puolijohde-elementtejä alempia käyttöjän-15 nitteitä varten. Puolijohde-elementtien jatkuva kehitys johtaa kyllä tulevaisuudessa halvempiin puolijohde-element-teihin korkeita jännitteitä varten. Odotetaan kuitenkin, että hintasuhde puolijohde-elementeillä korkeita ja alhaisia jännitteitä varten tuskin tulee muuttumaan ja siten tulevat 20 myös puolijohde-elementit alempia jännitteitä varten, mitä hintaan tulee, edelleen oleellisesti edullisimmiksi.

Esillä olevalla keksinnöllä on siis tarkoitus aikaansaada halpa hitsausvirtalähde vaihtosuuntaa jineen, jossa näitä ‘ ! 25 hinnaltaan halpoja puolijohde-elementtejä voidaan käyttää normaaleilla verkko jännitteillä. Tehtävän ratkaisu on siinä, "·; että vaihtosuuntaajalaite tehdään kahdesta tai useammasta vaihtosuuntaajasta, joiden sisäänmenot on kytketty sarjaan ja että tasoituskondensaattorilaite palvelee jännitejohtime-30 na, joka muodostuu kahdesta tai useammasta sarjaankytketystä kondensaattorista, jolloin kondensaattorien väliin sijoitetut ulosotot on yhdistetty vastaaviin ulosottoihin sarjaan-kytkettyjen vaihtosuuntaajien välissä. Jokaista vaihtosuun-taajaa kuormitetaan siksi vain osalla koko jännitteestä ja 35 siksi on mahdollista käyttää puolijohde-elementtejä, jotka » · » *;[/ on mitoitettu vain näitä osa jännitteitä varten. 1 · · • · · • · 7551 3 3

On edullista jakaa kokonaisjännite jännitteenjakajalla tasan sarjaankytketyille vaihtosuuntaajille. Tämä jännitteen jako muuttuu kuitenkin tyhjäkäynnissä, jos muuntajien magnetoin-tivirrat ovat erilaisia. Samalla tavalla vaikuttaa toivot-5 tuun jännitteenjakoon epäedullisesti myös kondensaattorien vaihtelevat vuotovirrat.

Tämä häiriö autetaan keksinnön erään toteutusmuodon mukaan sillä, että vastus on rinnankytketty jokaiselle tasoituskon-10 densaattorille. Jännitteen jakautuminen tyhjäkäynnillä on aivan oleellisesti riippuvainen vastuksen resistanssista.

Keksinnön erään toisen edullisen toteutusmuodon mukaan on kahden samanlaisen vaihtosuuntaajan sisäänmenot kytketty 15 sarjaan ja molempien vaihtosuuntaajien ohjauslaitteet on tarkoitettu aikaansaamaan jännitepulssit molempien vaihtosuuntaajien ulosmenoissa, jolloin jokaisen ulosmenon ja hitsauskohdan väliin on kytketty virtapiiri, joka muodostuu tasasuuntaajan sarjaankytkennästä hitsausinduktorin kanssa 20 ja hitsausinduktorin kanssa yhteistoiminnassa olevan tyhjä-käyntidiodin kanssa.

·' : On osoittautunut, että molempien vaihtosuuntaajien liittämi- nen yhteiseksi hitsausinduktoriksi ohjauspulssien puolijoh-·-- 25 de-elementteihin ollessa epätasaisia johtaa jännitteen epästabiliteettiin ulostulossa molempien sarjaankytkettyjen vaihtosuuntaajien välillä sillä seurauksella, että jännit-... teen jakautuminen molemmille vaihtosuuntaajille on epätasai nen ja jännitteen kuormitus on ei-haluttu. Kun molempien 30 vaihtosuuntaajien ulosmenot on kytketty sarjaan kukin hitsa-usinduktorinsa kanssa, ei mainittua epästabilisuutta esiinny.

Keksinnön muut edut käyvät selville seuraavasta keksinnön ·. 35 yhden toteutumisesimerkin selostuksesta yhteydessä oheisen piirustuksen kanssa.

7551 3 4

Kuva 1 esittää kaaviollisesti virtalähteen kytkinkaavan.

Kuva 2 on yksityiskohtaistettu ja hieman muutettu virtalähteen kytkinkaavio.

5

Tasasuuntaaja 1 on kytketty yksivaiheverkkoon 2. Kaksi johdolla 3 sarjaankytkettyä vaihtosuuntaajaa 4, 5 on johdoilla 6, 7 liitetty tasasuuntaajaan 1. Vaihtosuuntaajat on varustettu ohjattavilla puolijohde-elementeillä. Tämän 10 tyyppiset vaihtosuuntaajakytkennät ovat yleisesti tunnettuja. Puolijohde-elementit voivat olla tyristoreja tai transistoreja.

Kaksi sarjaan kytkettyä tasoituskondensaattoria 8, 9 sekä 15 lisäksi rinnankytketyt vastuksen 10, 11 ovat liitetyt johdoilla 6, 7. Sarjaankytkennän keskiulosotto 12 on yhdistetty johtoon 3.

Vaihtosuuntaajien 4, 5 antamalla vaihtojännitteellä on 20 mielellään taajuus 15 kHz tai korkeampi. Vaihtojännite tasasuunnataan vastaavissa tasasuuntaajissa 13, 14 ja viedään elektrodin 15 ja työkappaleen 16 muodostamaan hitsaus-kohtaan. Vastuksilla 10, 11 on sama arvo ja jännite molem-pien vaihtosuuntaajien yli on siksi myös suunnilleen yhtä ’ 1 25 suuri. Pienempiä poikkeamia näistä jännitearvoista esiintyy vaihtosuuntaajataajuuden tahdissa tapahtuvien kondensaatto-"" rien latautumisten ja purkautumisten vuoksi.

'·.* Kuvassa 2 esitetään kolmivaihetasasuuntaa ja 17, joka on 30 kytketty kolmivaiheverkkoon 18. Tasasuuntaajan ulosmenoon on kytketty kaksi sarjaankytkettyä tasoituskondensaattoria 21, 22 ja kaksi sisäänmenoissaan 25, 26, 27, 28 sarjaankyt-kettyä vaihtosuuntaajaa 23, 24. Sisäänmenot 26, 27 on kyt-ketty yhteen liittimellä 29, joka on liitetty liittimeen 30 35 molempien kondensaattorien 21, 22 yhdys johdossa.

* * *

Vaihtosuuntaajien ulosmenot 31, 32, 33, 34 on kytketty :Y: sarjaan kukin diodinsa 35, 36 ja hitsausinduktorin 37, 38 7551 3 5 kanssa. Tyhjäkäyntidiodi 39, 40 ottaa vastaan hitsausvirran, kun energiavirta vaihtosuuntaajasta katkeaa. Molemmat ulos-menopiirit 35, 37, 39 tai 36, 38, 40 on kytketty rinnan toistensa kanssa ja liitetyt elektrodiin 41 ja työkappalee-5 seen 42.

Vaihtosuuntaajien 23, 24 kytkentä on samanlainen ja vain yhtä niistä selostetaan nyt hiukan lähemmin. Vaihtosuuntaajien 23, 24 komponentit on varustettu samoilla viitenume-10 roilla. Vaihtosuuntaajat 23 ovat epäsymmetrisiä puolisilta-vaihtosuuntaajia. Kaksi rinnakkaista haaraa sisältää kumpikin diodin 43, 44 ja kumpikin ohjausyksikön 45 ohjaaman puolijohde-elementin 46, 47. Esitetyssä kytkennässä käytetään MOS-kanavatehotransistoreja, käytetään myös nimitystä 15 mosfet, puolijohde-elementtinä. Päinvastoin kuin normaaleis sa kaksinapaisissa transistoreissa on ohjausvaikutus mos-fetille käytännöllisesti katsoen nolla.

Mosfetilla on positiivinen lämpötilakerroin, ts. sen vastus 20 kasvaa lämpötilan noustessa. Mosfet voidaan siksi, päinvastoin kuin kaksinapainen transistori, kytkeä rinnan ilman erikoisia kytkinelementtejä tai apupiirejä, jolloin virta jakautuu rinnankytkettyjen mosfetien suhteessa. Positiivisen lämpötilakertoimen ansiosta ei ylikuormitus aiheuta mos--:*25 fetissa mitään kontrolloimattomia virtasyöksyjä, kun taas -·* paikalliset lämpenemiset mosfetin ylikuormitetulla alueella johtavat vastaavaan virran pienenemiseen.

Kaksinapaisessa transistorissa on vaarana sellainen kontrol-30 loimaton virrankasvu sen negatiivisen lämpötilakertoimen vuoksi. Mosfetilla on siis joukko etuja kaksinapaiseen transistoriin verrattuna. Haittapuolena on kuitenkin vähäinen jännitteenkestävyys. Nykyään on olemassa mosfeteja, joiden sulku jännitteet ovat 800 V:iin saakka. Nämä mosfet it 35 ovat kuitenkin kalliita, erikoisesti suurille virroille, joille hitsausvirtalähteet täytyy mitoittaa. On siksi ymmärrettävää, että pyritään käyttämään halpoja mosfeteja, joilla on alhainen jännitekestoisuus.

7551 3 6

Esitetyssä kytkinkaavassa on vain yksi mosfet 46, 47 kytkettynä sarjaan kumpikin diodinsa 43, 44 kanssa. Ottaen huomioon korkeat hitsausvirrat ja yksityisen mosfetin edellä mainittu alhainen virtakuormitus täytyy yleensä kytkeä 5 useita mosfeteja rinnan.

Muuntajan 48 primäärikäämitys 49 on kytketty molempien mosfetien väliin. Vastukset 51, 52'on kytketty muuntajan 48 yhden ulosoton ja molempien ulosottojen 25, 29 väliin. 10 Muuntajan sekundäärikäämitys 50 on kytketty suoraan vaihtosuuntaajan ulosottoihin 31, 32. Vastuksilla 51, 52 molemmissa vaihtosuuntaajissa on sama tehtävä kuin vastuksilla 10, 11, joita on selostettu edellä kuvan 1 yhteydessä.

15 Tasasuuntaajan tasajännite jaetaan molemmilla vastuspiireil- lä 51, 52, joilla on sama resistanssi, kahteen yhtä suureen osajännitteeseen ulosottojen 25, 29 ja 29, 28 välillä. Ulosottojen 29, 30 potentiaali on teoreettisesti keskivälillä tasasuuntaajaulosottojen 19, 20 potentiaalia. Ulosottojen 20 29, 30 potentiaalien vähäisemmät vaihtelut johtuvat esimer kiksi mosfetien ohjaussignaalien erilaisista pulssipituuk-sista ja kondensaattorien erilaisista lataus- ja purkausvir-:.V roista. Molempien vaihtosuuntaajien mosfeteja kuormitetaan ·_: : siis yksinomaan puolella käytön aikana esiintyvästä tasajän- ·: 25 nitteestä ulosottojen 25, 29 tai 29, 28 välillä plus vähäi- • j- nen lisä potentiaalivaihteluihin nähden liittimessä 29.

Virheellisen kytkinelementin vuoksi voi ulosoton 29 potentiaali tosin huomattavasti poiketa käyttöarvostaan, jonka 30 vuoksi jännite yhden vaihtosuuntaajan yli voi nousta niin paljon, että mosfetit tulevat vahingollisen yli jännitteen kohteeksi. Tällaisen yli jännitteen tuleminen mosfeteille : '· estetään vartiointipiirin avulla. Kondensaattorin 22 jänni- tettä verrataan komparaattorissa 53 asettelulaitteeseen 54 35 asetettuun jännitteeseen. Jos ero kondensaattori jännitteen Ja asetetun jännitteen välillä ylittää määrätyn arvon, antaa komparaattori signaalin ohjausyksikölle 45, joka ohjausjoh-***-' tojensa 55 kautta välittömästi sulkee mosfetit 46, 47. Kun 7551 3 7 virtavuo mosfetien läpi on katkaistu, määrätään vastuksien 51, 52 jännitteen jakautuminen, joiden tässä edellytetään olevan erisuuria. Jokaista mosfetia kuormitetaan siksi vain neljäsosalla tasajännitteestä ulosottojen 19, 20 välillä, 5 mikäli kondensaattorit ovat virheettömiä.

Kun kuormitettamaton hitsausvirtalähde liitetään verkkoon, jakautuu jännite ensimmäisessä silmänräpäyksessä molempien kondensaattorien ulosottojen 19, 20 välillä kääntäen verran-10 nollisesti niiden kapasitanssiin nähden. Kun kaupasta saatavat, massatuotekondensaattorit omaavat kapasitanssiarvot, jotka sallittujen toleranssien puitteissa voivat poiketa niiden nimellisarvoista, täytyy ottaa huomioon, että vaihtosuuntaajiin ei kytkentähetkellä vaikuta, kuten on tarkoitet-15 tu, samat vaan liian paljon erilaiset osajännitteet. Lyhyen ajan kuluttua asettuvat osajännitteet kuitenkin arvoihin, jotka vaihtosuuntaajien 23, 24 vastukset 51, 52 määräävät. Yli jännitteet kytkemishetkellä voivat johtaa mosfetin rikkoutumiseen. Olisi mahdollista valita kondensaattorit, 20 joilla on yhtä suuret kapasitanssit, mikä kuitenkin aiheuttaa lisäkustannuksia.

* Kun kondensaattorin 22 jännitettä jatkuvasti tarkkaillaan komparaattorilla, johtaa yhden kondensaattorin 21, 22 yli- • 25 jännite eroon kondensaattorin 22 jännitteen ja asettelulait- : teeseen 54 asetellun jännitteen välillä, joka ylittää ennal- : ta annetun arvon. Vastaava ulosmenosignaali komparaattorista 53 ohjausyksikköön 45 johtaa mosfetien välittömään sulkemiseen. Jännite mosfetin yli voi siis epäedullisimmassa käyt-30 tötapauksessa, kun esim. toinen molemmista kondensaattoreis ta on vahingoittunut ja oikosuljettu, nousta korkeintaan puoleen ulosottojen 19, 20 välisestä jännitteestä, kun kuten edellä on edellytetty, vastukset 51, 52 ovat yhtä suuria.

‘35 On myös ajateltavissa, että myös potentiaali ulosotosta 19 ..· kytketään komparaattorin sisäänmenoon ja verrataan molempien kondensaattorien jännitettä ennalta annettuun jännitteeseen.

8 7551 3

Shuntilla 56 tunnistetaan hitsausvirtaa vastaava jännite, joka yhdessä hitsausjännitteen kanssa viedään johdoilla 51, 58, 59 molempia vaihtosuuntaajia 23, 24 varten olevaan yhteiseen ohjausyksikköön 45. Ohjausyksikköön 45 on kytketty 5 asettelulaite 60 hitsausvirran ja/tai hitsausjännitteen pitoarvon asettelemista varten. Vastakohtana tässä esitetylle toteutukselle on myös ajateltavissa varustaa jokainen vaihtosuuntaaja erillisellä ohjausyksiköllä.

10 Molempia vaihtosuuntaajia 23, 24 käytetään sopivasti ohjausyksikön 45 avulla pulssileveysmoduloituna vaihtosuuntaajana vastatahdissa. Vaihtosuuntaajat antavat ulosmenoissaan 31, 32 tai 33, 34 vaihdellen määrätyn pituisia jännitepuls-seja. Jos vaihtosuuntaajia kuormitetaan tällä tavalla, on 15 osoittautunut edulliseksi kytkeä jokaiseen vaihtosuuntaajaan 23, 24 tasasuuntaajansa 35, 36 hitsausinduktori 37, 38 ja tyhjäkäyntidiodi 39, 40 ennenkuin vaihtosuuntaajat kytketään rinnan ja liitetään yhteiseen hitsauskohtaan.

» » » » · * * * # » « » · * 0 0 m 0 0 0 0

Claims

7551 3

1. Hitsausvirtalähde valokaarihitsausta varten vaihtovirta-verkkoon kytkettävine tasasuuntaajineen (1; 17), sen tasa- 5 suuntaajan ulosottoon liitettävine rinnankytkentöineen, jonka mudostaa tasoituskondensaattorilaite (8, 9; 21, 22) ja vaihtosuuntaajalaite (4, 5; 23, 24) tasajännitteen muuttamiseksi vaihtojännitteeksi, jonka taajuus on oleellisesti korkeampi kuin verkkojännitteellä, jolloin vaihtosuuntaaja-10 laite (4, 5; 23, 24) on varustettu puolijohde-elementeillä (46, 47), joita ohjaa ohjauslaite (45), ja muuntajalaitteel-la (48) vaihtosuuntaajalaitteen sisäänmenon galvaanista erottamista varten sen ulosmenosta, johon mahdollisen tasasuuntaajan (13, 14; 35, 36) sarjaankytkennän jälkeen on 15 kytkettävissä työkappaleen ja hitsauselektrodin muodostama hitsauspaikka, tunnettu siitä, että vaihtosuuntaaja-laitteen muodostaa kaksi tai useampia vaihtosuuntaajia (4, 5; 21, 22), joiden sisäänmenot on kytketty sarjaan ja että tasoituskondensaattorilaite toimii jännitteenjakajana, 20 jonka muodostaa kaksi tai useampia sarjaankytkettyjä kondensaattoreita (8, 9; 21, 22), jolloin kondensaattorien väliin sijoitetut ulosotot (12; 30) on yhdistetty vastaaviin ulosottoihin (3; 29) sarjaankytkettyjen vaihtosuuntaajien välillä . : 25

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen hitsausvirtalähde, tunnettu siitä, että vastus (10, 11; 51, 52) on kytketty rinnan kunkin tasoituskondensaattorinsa (8, 9; 21, 22) kanssa. 30

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen hitsausvirtalähde, tunnettu siitä, että vastus (51, 52) muodostaa osan vaihtosuuntaajasta (23, 24).

4. Yhden patenttivaatimuksen 1-3 mukainen hitsausvirtalähde, tunnettu siitä, että kahden vaihtosuuntaajan (23, 24) sisäänmenot (25, 26; 27, 28) on kytketty sarjaan ja molem- 7551 3 pien vaihtosuuntaajien ohjauslaite (45) on tarkoitettu ohjaamaan puolijohde-elementtiä jännitepulssien tuottamiseksi vaihdellen molempien vaihtomuuntajien (48) ulosmenoissa, jolloin jokaisen ulosmenon (31, 32; 33, 34) ja hitsauspaikan 5 (41, 42) väliin on kytketty virtapiiri, jonka muodostaa tasasuuntaajan (35, 36) sarjaankytkentä hitsausinduktorin (37, 38) kanssa ja hitsausinduktorin kanssa yhdessä toimiva tyhjäkäyntidiodi (39, 40).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen virtalähde, tunnet- t u siitä, että komparaattori (53) on tarkoitettu vertaamaan jännitteenjakajan (21, 22) osajännitettä vaihtosuuntaajan (24) yli asettelulaitteeseen (54) aseteltavaan jännitteeseen ja tuottamaan ohjauslaitteeseen (45) vietävän ulosmenosig- 15 naalin ja aseteltavan jännitteen, jolloin ohjauslaite (45) sulkee puolijohde-elementit (46, 47), kun ulosmenosignaali vastaa jännite-eroa, joka on suurempi kuin ennalta annettu arvo.

6. Yhden patenttivaatimuksen 1-5 mukainen hitsausvirtalähde, tunnettu siitä, että ohjauslaitteen (45) ohjaamat puolijohde-elementit tehdään MOS-kanavatehotransistoreista Λ:. (46, 47). • · • · # « · 0 # » f • · » Patentkrav 7551 3