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Anordnung zum Mehrverfahrenbetrieb regelbarer Schweißgleichrichter
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Mehrverfahrenbetrieb, insbesondere Drei-
oder Vierverfahrenbetrieb, eines mindestens aus einem Netztransformator in Stufenschaltung,
einem Gleichrichtersatz und einer Glättungsdxossel bestehenden, vorzugsweise über
eine drehstromseitige Anschnittsteuerung mit antiparallel
geschalteten
Gleichrichtern, regelbaren Schweißgleichrichters.
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Es sind bereits Schweißumformer bekannt, die sowohl für die Hand-
als auch die Sprühlichtbogen-Schweißung gut geeignet sind. Für den Kurzlichtbogenbetrieb
hingegen sind derartige Schweißumformer wegen ihrer zu hohen inneren Induktivität
nicht oder nur schlecht geeignet.
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Ferner sind Schweißgleichrichter mit stromsteuernden Transduktoren
bekannt geworden, die ebenfalls für den Iiandschweißbetrieb gut geeignet sind, die
sich aber nur mit hohem Aufwand zum Sprühlichtbogenbetrieb ertüchtigen lassen. Für
den Kurzlichtbogenbetrieb sind diese Schweißgleichrichter wegen der zu hohen Restinduktivität
der für die volle Spannung ausgelegten Transduktordrosseln überhaupt nicht verwendbar.
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Ähnlich liegen die Verhältnisse bei den bekannten Schweißgleichrichtern
mit spannungssteuernden Transduktoren. Diese sind zwar für den Hand- und Sprühlichtbogenbetrieb
brauchbar, aber aus dem oben angeführten Grund für den Kurzlichtbogenbetrieb nicht
geeignet.
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Weiterhin sind Schweißgleichrichter mit umschaltbaren Transduktor
- Stellgliedern - im Handschweißbetrieb stromsteuernd, im Sprühlichtbogenbetrieb
spannungssteuernd - bekannt geworden. Für den Kurzlichtbogenbetrieb sind diese Schweißgleichrichter
wegen der zu hohen Restinduktivität ebenfalls nicht geeignet.
Schließlich
sind noch Schweißgleichrichter mit festen Kennlinien und einer Umschaltmöglichkeit
der 1_e erlauf- bzw. Lastspannung in Stufen sowie mit festen oder umschaltbaren
Begrenzungsdrosseln bekännt geworden. Derartige Schweißgleichrichter eignen sich
je nach Auslegung entweder besser für den Kurzlichtbogen - oder den Sprühlichtbogenbetrieb,
wegen der fehlenden Strombegrenzung sind sie aber für den Handschweinbetrieb unbrauchbar.
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Außer der nur beschränkten Eignung der bisher bekannten Schweinstromquellen
für mehrere Schweißverfahren, weisen diese Schweißgleichrichter auch bei dem Verfahren,
für das sie am besten geeignet sind, eine Reihe von Nachteilen auf. So besitzen
beiz spielsweise die im Handschweißbetrieb,arbeitenden Stromquellen nur bei Teilströmen
eine spannungsabhängige KonstanGstromkennlinie. Für größere Ströme wird die Neigung
der Stromspannungs-Kennlinie immer geringer, wodurch der Dauerku^zscrlu?strom den
Betriebsstrom nicht unerheblich übersteigt. @:ndererse#.;t.s sind die für den Handschwei9betrieb
geeigneten Stromquellen bei Strömen, die nur etwa 10 bis 20 % der Nennstromstärke
betragen, oft unbrauchbar, weil die wiederkehrende Spannung bei einer Kurzschlu3-Tropfübergang
oder nach dem Loschen des l_ichttbcgens infolge der "Plaswirkung" nur zögernd ansteigt.
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Aufgabe der vorliegenden 'Erfindung ist es, eine Scrweingleichrichteranordnung
zu schaffen, die diese Nachteile nicht aufweist und die die universelle Verwendbarkeit
einer einzigen Stromquelle sowohl für den Hand-, den sprüh- und den Kurzlichtbogenbetrieb
ermöglichen
soll. Ferner soll die gleiche Schweißstromquelle nach einem einfachen Umschaltvorgang
der Sekundärwicklungen des Netz- oder Gleichrichtertransformators auch für die Speisung
von Plasmabrennern für das Schweißen, Schneiden und Besprühen geeignet sein.
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Erfindungsgemäß wird dies durch die kombinierte Anwendung folgender
Merkmale erreicht: a) Die Spannung des Netztransformators ist für den Übergang vom
Hand-, Sprühlichtbogen- oder Plasmabrennerbetrieb in den Kurzlichtbogenbetrieb mittels
eines Umschalters um den Faktor 1:2 veränierbar.
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b) Mindestens je ein Zweig pro Phase des Drehstromstellers ist mit
steuerbaren Ventilen, vorzugsweise Thyristoren, bestückt.
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c) Der ileichrichtertransformator ist sekundärseitig aus zwei gleichen,
in Reihe oder parallelschaltbaren Teilwicklungen je Phase aufgebaut..
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d) Die Glättungsdrossel besteht ebenfalls aus zwei gleichen
in Reihe oder parallelschaltbaren Teilwicklungen.
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Eine derartige Schweißgleichrichteranordnung ermöglicht den universellen
Einsatz einer einzigen Schweißstromquelle für die er-' wähnten vier verschiedenen
Bearbeitungsverfahren trotz deren recht verschiedenartigen physikalischen und technologischen
Erfordernissers. So wird beispielsweise der Übergang vom Hand-oder Sprühlichtbogenbetrieb
(Netztransformator an 22!O Y, .Sekundärwicklungen des Gleichrichtertransformators
parallelgeschaltet
) zum Kurzlichtbogenbetrieb durch Umschalten
des Netztransformators auf 110 V mit einem einzigen Schaltvorgang ermöglicht. Andererseits
ist der Übergang vom Hand- oder Sprühlichtbogenbetrieb in den Plasmabrennerbetrieb
durch Reihenschaltung der Sekundärwicklungen des Gleichrichtertranbformators und
gleichzeitige Reihenschaltung der Teilwicklungen der Glättungsdrossel erreichbar.
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Für der. Handschweißbetrieb bei-im Vergleich zur Nennstromstärke niedrigen
Stromstärken ist es vorteilhaft, daß zur Glättungsdrossel eine zusätzliche Drossel
in Reihe geschaltet ist. Die Zusatzdrossel besitzt günstigerweise etwa den dreifachen
Induktivitätswert wie die Glättungsdrossel. Weiterhin. ist bei einer Schweißgleichrichteranordnung
ohne Verwendung einer Drehstromstellersehaltung vorteilhaft, daß der Netztransformator
sowohl primär- als auch sekundärseitig aus zwei gleichen in. Reihe oder parallelschaltbaren
Wicklungen besteht und der hetz- , tranaformator eine mit Thyristoren bestückte
Gleichrichterschaltung, vorzugsweise eine Drehstrombrüekenschaltung, seist. Schließlich
ist es zur Kontrolle der richtigen Phasenfolge des an dem Netztransformator angeschlossenen
Drehstromstelle; s vorteilhaft, daß parallel zu den Eingangsklemmen des N etztrans-.
formators ein hüftermotor als Drehfeldanzeiger geschaltet ist und auf ein Luftkläppenrelais
einwirkt, dessen Kontakt6 an eine Stromversorgungseinrichtung und deh Impulalöscheingang
' des Gitterateuersstzes angeechlosser.. sind. ' Weitere Einzelheiten und Vorteile
d.er Erfindung werderx an Ausführungebeispelen anhand der Zeichnung näher erläutert.
Figur
;1 zeigt im Diagramm den Anwendungsbereich der Schweißgleichrichteranordnung gemäß
der Erfindung. , Figur 2 zeigt eine Schweißgleichrichteranordnung mit einem Netztransformator
in Stufenschaltung und einen Gleichrichtersatz in Drehstrombrückenschaltung.
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Figur 3 zeigt eine Schweißgleichrichteranordnung mit einem Netztransformator
in Sparschaltung, einem Drehstromsteller,.einem Gleichrichtertransformator sowie
einem Gleichrichtersatz ebenfalls in Drehstrombrückenschaltung..
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Auf der Abseisse des Koordinatensystems in Figur 1 ist der Schweißstrom
Id in (t.) und auf der Ordinate die Schweißspannung Ud in (V) aufgetragen. Die erfindungsgemäße
Schweißgleichrichteranordnung ist demnach sowohl für den Kurzlichtbogenbetrieb K
mit einer Gleichspannung I? d von etwa 16 bis 22 V und einem Schweißstrom Id bis
zu 200 A, als auch den Hand- und Sprühlichtbogenbetrieb H + S mit einer Gleichspannung
Ud von etwa 45 V und einem Schweißstrom Id bis zu 500 A geeignet.
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Nach erfolgter Serienschaltung der sekundärseitigen Wicklungen des
Netz- oder Gleichrichtertransformators sowie der entsprechenden Reihenschaltung
der Glättungsdrossel ist die Schweißgleichrichteranordnung auch für die Speisung
von Plasmabrennern P mit einer Gleichspannung Ud von etwa 90 V und einem Schweißstrom
bis zu 250 A verwendbar. l Zn Figur 2 ist mit 1 ein Netztransformator in Stufenschaltung
bezeichnet, dessen Primärwicklungen 2 beispielsweise an 220,
380
oder 500 V Netzspannung angeschlossen werden können. Die Primärwicklungen 2 des
Netztransformators ' sind in jeder Phase aus zwei gleichen Teilwicklungen 2a und
2b aufgebaut, die mittels eines zeichnerisch nicht dargestellten Umschalters parallel
oder in Serie schaltbar sind. Mit parallelgeschalteten Primärwicklungen 2a und 2b
erreicht man die volle SchweiPleistung, so z. P. bei Hand- und Sprühlichtbogenschweißungen
45 V bei 500 A und bei der Speisung eines Plasmabrenners 9C V bei 250e . Für den
Kurzlichtbogenbetrieb' ( 16 bis 22 V, 200 .') werden die Teilwicklungen 2a und 2b
in Reihe geschaltet. Die ::ekunn;irwicklung 3 des Netztransformators 1 besitzt ebenfalls
in jeder
| Phase zwei gleiche Teilwicklungen 38 und 3b, die keirrielswei^e |
| durchLTmklemmung ebenfalls in Reite oder p@r-:_'_-cralttar. |
| sind. Die Reihenschaltung der Teilwicklungen :'a ":!.i .`.r
;:;t f@:r |
| den rlasmabrennerbetrieb vorgesehen, der im allgeTeinen die |
| doppelte Spannung bei halbem Strom !0 V, 250 .) erfordert. |
| Mit 4 ist ein Gleichrichtersatz in Drehstrom-Tr-:ckenschal
tung |
| bezeichnet, der mit Thyristoren 5 bis 1C bestückt is±. Die |
| Regelung des Stromes und der Spannung erfolgt über je einen |
| Transistor-Spannungsregler 11 und Stromregler 'f, deren |
| Stellgrö2en auf einen Gittersteuersatz 13 gegeben werden. Mit |
| 14 und 15 ist je ein Strom- bzw. Sparnung;---.;c:llwert-@'otentic- |
| meter bezeichnet. Der Istwert des Schwei9sthomes wird an einem |
| Nebenwiderstand 16 abgenommen, der an dem einen-Ausgang
der |
| Gleichrichterschaltung 4 angebracht ist. Der istwert der Schweif'- |
| spannung wird an den Augangsklemmen der Gleichrichterschaltung
4 |
| abgenommen. Grundsätzlich ist es denkbai,die,Gleichrch±erschaltung |
und als halbgesteuerte Drehstrombrückenschaltung austnf(thren,
wobei nur ein Brückenzweig (5 bis 7 bzw. 8 bie 10) mit fhy'rietoren;"
zu bestücken wäre. Eine solche Schaltung erfordert aber
einen Zui.
satzaufwand in Form einer Nulldiode 17 und
der Einfügung
einer
zusätzlichen
Wechselspannung in
die drei Brückenzweige.
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Der Kurzlichtbogenbetrieb mit der hohen Anzahl von Tropfübergängen
bzw. Kurzschlüssen (100 bis 150/s)ist nur dann möglich,
wenn
der Strom bei einem erfolgten Kurzschluß steil aueteiigt. (80 bis 150 Ajms). Diese
Forderung verlangt gemäß der Beziehung
eine kleine Glättungsinduktivität. Mit 18 ist eine Glättungsdrossel bezeichnet,
deren Induktivität nach den Anforderungen des Kurzlichtbogenbetrieb$ ausgelegt
ist. Die Glättungsdrossel 18: kann auch aus zwei Teilwicklungen bestehen, die
mittels eines s Umschalters in Reihe oder parallelschaltbar sind.
Die Reihen-
schaltung ist für die Speisung von Plasmabrennern mit doppelter
:^a:lnung und halben Strom vorteilhaft. Hierdurch wird erreicht, daß die Regler
ohne Umschaltung der Rückführbeschaltungen für alle vier Verfahren weitgehend optimal
arbeiten.
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In Figur 3 ist eine Schweißgleichrichteranordnung mit einer drehstromseitigen
Anschnittsteuerung dargestellt.
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Mit 20 ist ein Netztransformator in Sparschaltung
dargestellt,
der
an verschiedenen Netzspannungen 220, 380, 500 V anschließbar ist. Ein Umschalter
21 dient zum schnellen Umschalten vom Kurzlichtbogenbetrieb (Kontakte a,c überbrückt)
in den Hand-bzw. Sprühlichtbogenbetrieb (Kontakte b-c überbrückt).
Das
Stellglied
22, ein Drehstromsteller
mit antiparällel
geschalteten
| Gleichrichtern 23/24, 25/26, 27/28 verleiht den angesteuerten |
| Ventilen _29 bis 34 die Eigenschaft der praktisch trägheitslosen |
| Steuerbarken. Zu den Primärwicklungen 36 eines Gleichrichter- |
| transformators 35 mit Pekundärwicklungen 37, die aus je zwei |
| Teilwicklungen 37a und 37b pro Phase bestehen, sind Konden- |
| satoren 38 bis 40 in Dreieck oder in Stern geschaltet, die
in |
| bekannter Weise für definierte Verhältnisse im.Magnetisierungs- |
| zustand des Gleichrichtertransformators 35, insbesondere bei |
| Teilaussteuerungen des Drehstromstellers 22 sorgen. Die Wider- |
| stände 41 bis 43 sind als Dämpfungswiderstände zu den Konden- |
| satoren 38 bis 40 in leihe geschaltet. Der Drehstromsteller
22 |
| ist günstigerweise als symmetrischer Drehstromsteller ausge- |
| bildet, d. h. die Ventile 23 bis 28 sind sämtlich steuerbar. |
| Als steuerbare Ventile 23 bis 28 werden Thyristoren verwendet. |
| Die Ventile 29 bis 34 der Gleichrichterschaltung 44, vorzugs- |
| weise eine Drehstrom-Brückenschaltung, sind günstigerwezse |
| angesteuerte Silizium-Gleichrichter. Anstelle der dargestellten |
| Drehstrombrückenschaltung kann natürlich auch eine Mittelpunkt- |
| schaltung; vorgesehen werden, beispielsweise .die Doppelstern- |
| Schaltung mit oder ohne Saugdrossel. An dem einen Ausgang der |
| Gleichrichterschaltung 44 ist eine Glättungsdrossel 45 ange- |
| schlossen, die in vorteilhafter Weise aus zwei gleichen Teil- |
| wicklungen 45a und 45b aufgebaut ist, die über nicht näher
be- |
| zeichnete Kl emmen in leihe oder parallel geschaltet werden
können. |
| Die Glättungsdrossel 45 ist sag bemessen, daß sie der Stromquelle |
| einerseits die für den KurzlichtbogenmSchweiBbetri eb erforder® |
| lichc S°rota@stiegsg@@ch@;7:ändig@@eit (di/dt bis gun 159 A/ms)
ver- |
| leiht, and#Z-Terseits abaV auch dann ein sicheres und leichtes |
| Zünden der @csaa>:ißel<@@@c@@en erlaubt,f@#,-lo die D;erui°@Glei.chn |
| Spannung bei. 5 0 Vp ''aG@3Ti,7 JSJ#@ e' |
bei 36 bis 38 V liegt (ausreichende Energiespeicherung ZI2/2).
Beim Plasmabrennerbetrieb sind sowohl die Teilwicklungen 37a; 37b des Gleichrichtertransformators
35 als auch die Teilwicklungen 45a, 45b der Glättungsdrossel 45 in Reihe geschaltet.
. Die Glättungsdrossel 45 ist thermisch für 500 bzw. 250 A dimensioniert, induktivitätsmäßig
ist sie nach den Anforderungen des Kurzlichtbogenbetriebs ausgelegt. Eine so ausgelegte
Drossel genügt außerdem auch den Bedingungen des Hand- und Sprühlichtbogen-Betriebes.
Für den Handachweißbetrieb bei Stromstärken kleiner als etwa 1/5 des Nennstromes
ist eine höhere Induktivität erforderlich. Hierzu wird mit Vorteil zu der-Glättungsdrossel
45 eine Zusatzdrossel 46 in Reihe geschaltet, die strommäßig für etwa 1/4 der Nennstromstärke'und
induktivitätsmäßig für etwa dem dreifachen der Induktivität der Glättungsdrossel
45 ausgelegt wird. Die Strom- und Spannungsregelung erfolgt über je einen Transistor-Spannungsregler
47 und Stromregler 48, deren Stellgrößen auf einen Gittersteuersatz 49 einwirken,
der die Thyristoren 23 bis 28 des Drehstromstellers 22 steuert. Der Abgriff der
Istwerte von Strom und Spannung erfolgt am Nebenwiderstand 50 bzw.
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am Ausgang des Gleichrichtersatzes 44. Die Verstellung des Spannungs-
bzw. Stromsollwertes erfolgt mit je einem Sollwertpotentiometer 51 und 52. Sowohl
der Spannungs- als auch der Stromsollwert werden aus der gemeinsamen Stromversorgungseinrichtung
53 des Gitterstromsatzes 49 und der Regler 47,48 jeweils über Zenerdioden stabilisiert.
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Der Drehstromsteller 22 kann grundsätzlich auch in unsymmetrischer
Ausführung, also mit nur einem steuerbaren Ventil pro Zweig ver-
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| Bildung der vorliegenden Erfindung parallel zu den Ebngangsklemmen |
| des hetztransforarators 20 eia Drehstrorial='ilfteotor 154,
55 ge- |
| sehAltet» Der Lüfter 55 des .Drehstrommotors. 54 wirkt auf
ein |
| Luftklappenrelais 56- ein. Über die Kontakte 57 und
58 ist das |
| Luftklappenrelsis 56 an die Stromversorgungseinrichtung 53
und |
| den mpulslescheingang des Gittersteuersatzes 49 angeschlossen. |
| Die Wirkungsweise des Lüftermotors 54, 55 und des Luftklappen- |
| relais 56 ist folgende: Solange der Lü ftermotor 54, 55 steht, |
| sich im Hochlaufen befindet oder in Bezug auf die vom Drehstrom- |
| steiler 22 erforderliche Phasenfolge in falscher Richtung läuft, |
| x |
| werden die Zündimpulse des Gittersteuersatzes 49 so verschoben, |
| da3 am Gleichrichter 44 keine Spannung ansteht, oder aber die |
| Gitterimpulse werden gelöscht, wordurch die Gleichspannung
U, |
| gesperrt wird. Diese rperrung oder Löschung der Zündimpulse
über |
| das i.u°tklappenrelais 56 stellt nicht nur eine Verriegelung
der |
| Stromquelle gegen eine falsche Phasenfolge dar, sondern verhindert |
| deichzeitig, daß der mit dem Lastkreis eingeschaltete Gitter- |
| steuersatt während des Spannungsaufbaus in der Stromversorgung |
| falsche Zündimpulse liefert und daß der Gleichrichtertransformator |
| 35 in die Sättigung geht. |
| Abschlie?end seien im Zusammenhang noch weitere Vorteile der |
| erfindungsgemä2en 9chweißgleichrichteranordnung herausgestellt: |
| :'ie Leerlaufspannung ist niedrig und liegt nur etwa 8 bis
10 96 |
| über der Vollastspannung. Insbesondere benötigt man keinerlei |
| Zusatzeinrichtungen, um die Leerlaufspannung niedrig ,t.halten, |
| wie dies bei den bisher bekannten Schweißst'romquelleri der
1a11 |
| ist. Die niedrige Leerlaufspannung ermöglicht vor al1ein.uch
die |
| Anpassung der SchWeißgleichrichteranordnung an die @ditepannung,
.: ,. |
| in beengten Verhältnissen (42 Volt). Durch die niedtige Lebr- |
| laufspannung bedingt, erhält man eine niedrige Altsdhleüleit,tung# |
| einen günstigen Leistungsfaktor, einen guten Wirkungegradl
Ünd, .` |
| ein geringes Leistungsgewicht und Bauvolumen: Tj`;edrige". |
Zeerlaufspannung ist, wie oben ausgeführt, ein leichtes Zünden
des Lichtbogens gewährleistet. Ferner ist beim Handschweißbetrieb die Schweißstromquelle
an die verschiedenartigen Elektroden gut anpaßbar.