DE4411227A1

DE4411227A1 - Lichtbogenschweißgerät mit Resonanzschaltkreis

Info

Publication number: DE4411227A1
Application number: DE19944411227
Authority: DE
Inventors: Michael Szczesny
Original assignee: ELEKTRO WERK MUENDERSBACH GmbH
Current assignee: ELEKTRO WERK MUENDERSBACH GmbH
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1994-03-31
Publication date: 1995-10-05

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtbogenschweißgerät bestehend aus einer Inverterstromquelle mit einem netzspannungsgespeisten Gleichrichter, einem Zwischenkreis einem primärseitig getaktetem Stromwandler und einem sekundärseitig des Stromwandlers angeordneten Gleichrichter, an den ein Schweißprozeß angekoppelt ist, wobei die Taktung des Stromwandlers über Halbleiterschalter erfolgt, die während eines vorgegebenen Schaltintervalls elektrisch leitend sind.

Ein Lichtbogenschweißgerät der eingangs genannten Art ist aus der DE P 41 28 175 bekannt. Dieses verfügt über eine Inverterstromquelle zur Versorgung des Schweißprozesses. Es ist nun erwünscht, ein solches Lichtbogenschweißgerät mit einer möglichst großen Schaltfrequenz des Stromwandlers zu betreiben. Dem sind allerdings in der Praxis Grenzen gesetzt dadurch, daß bei jedem Schaltvorgang in den Halbleiterschaltern Schaltverluste entstehen. Daher sind diese Schaltverluste frequenzproportional, so daß eine Erhöhung der Schaltfrequenz gleichbedeutend ist mit einer Erhöhung der Schaltverluste.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß sie mit einer höheren Schaltfrequenz betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem getakteten Stromwandler ein Resonanzschaltkreis zugeordnet ist, dessen Resonanzfrequenz mit dem vorgegebbaren Schaltintervall der Halbleiterschalter in Verbindung steht nach der Beziehung

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, die bekannte Inverterstromquelle um einen Resonanzkreis erweitert ist, dessen Eigenfrequenz so bemessen ist, daß der im Resonanzkreis fließende Strom bzw. die an ihm anliegende Spannung auf Null geführt wird, bevor der nächste Schaltvorgang im Halbleiterschalter T1 bzw. T2 stattfindet. Dadurch, daß eine der beiden Größen Strom oder Spannung im Umschaltzeitpunkt des Transistors Null ist, sind auch die Schaltverluste zu diesem Zeitpunkt Null. Dies bedeutet, daß das Lichtbogenschweißgerät mit einer höheren Stromwandlerfrequenz betrieben werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die EMV-Störstrahlung wesentlich verringert wird, weil das Ausschalten der Transistoren T1 und T2 entweder bei I = 0 A oder U = 0 V erfolgt, so daß kein di/dt oder du/dt auftritt. Es spielt dabei erfindungsgemäß keine Rolle, ob der Resonanzschaltkreis sekundär- oder primärseitig im Bezug auf den Stromwandler angeordnet ist. Entscheidend ist die frequenzmäßige Zuordnung im Bezug auf das Schaltintervall der Halbleiterschalter des Stromwandlers entsprechend den oben dargestellten Bedingungen.

Dabei sind als Varianten denkbar, daß entweder ein Stromresonanzschaltkreis verwendet wird, wobei die Halbleiterschalter geschaltet werden, wenn der Schwingkreisstrom zu Null geworden ist, oder ein Spannungsresonanzschaltkreis, bei dem dann geschaltet wird, wenn die Spannung am Resonanzkreis zu Null geworden ist.

Für die Realisierung des erfindungsgemäßen Schweißgerätes eignen sich als Halbleiterschalter vorzugsweise IGBT′s, da bei Schaltern dieser Art die frequenzabhängigen Verluste ansonsten merklich sind.

Eine weitere besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das induktive Element des Resonanzschaltkreises durch die Streuinduktivität des Stromwandlers gebildet ist. Dies führt zu einer Bauteilevereinfachung, da zur Bildung des Resonanzkreises nur noch ein Kondensator ergänzt werden muß.

Die erfindungsgemäße Lösung läßt sich für alle Arten von Stromwandlern realisieren, beispielsweise für Eintaktwandler, Doppel-Durchflußwandler, Brückenwandler oder Halbbrückenwandler.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Schaltkreisdiagramm eines Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Lichtbogenschweißgerät und

Fig. 2 zeitliche Signalverläufe zur Erläuterung der Funktion des Schaltkreises nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt einen von einem Dreiphasennetz L1, L2, L3 gespeisten Gleichrichter 1, der einen einen Zwischenkreis bildenden Kondensator 2 über eine zwischengeschaltete Induktivität speist. Der Zwischenkreis 2 versorgt seinerseits einen ihm nachgeordneten Stromwandler 4. Der Stromwandler 4 wird primärseitig über Halbleiterschalter 3a, 3b getaktet derart, daß primärseitig eine Taktfrequenz im Mittelfrequenzbereich (25 bis 100 kHz) entsteht.

Sekundärseitig ist der Stromwandler 4 an eine Gleichrichterdiode angeschlossen, der ein aus einer Reiheninduktivität L_R und einem parallel angeordneten Kondensator C_R gebildeter Schwingkreis nachgeordnet ist.

Parallel zum Schwingkreiskondensator C_R ist eine Freilaufdiode 6 angeordnet. An den Ausgang dieser so ausgebildeten Inverterstromquelle ist über eine Kapazität 7 und eine Induktivität 8 ein Schweißprozeß 9 angeschlossen, welcher durch eine Schweißelektrode und einen Massenanschluß zeichnerisch dargestellt ist.

Die Ansteuerung der Halbleiterschalter T1 bzw. T2 (3a, 3b) erfolgt über nicht dargestellte Ansteuereinrichtungen. Das rechteckförmige Steuersignal für die Halbleiterschalter T1 bzw. T2 ist im oberen Diagramm von Fig. 2 dargestellt. Dem Impulsdiagramm ist entnehmbar, daß der Rechteckimpuls eine bestimmte Breite aufweist, die dem Schaltintervall der vorzugsweise als IGBT′s ausgebildeten Halbleiterschalter T1, T2 entspricht. Außerhalb der Schaltintervalle ist das Aussteuersignal für die Transistoren T1, T2 auf den niedrigen Wert der Basisspannung begrenzt.

Der im mittleren Bild in Fig. 2 dargestellte Verlauf zeigt die am Halbleiterschalter T2 anliegende Kollektor-Emit terspannung U_T, welche ihrem Verlauf nach dem im oberen Diagramm dargestellten Aussteuersignal entspricht.

Aufgrund des dem Stromwandler 4 zugeordneten Resonanzschaltkreises, der aus den Elementen L_R und C_R besteht, weist der Kollektorstrom des Halbleiterschalters T2 den im unteren Diagramm in Fig. 2 dargestellten zeitlichen Verlauf auf. Dieser folgt einer Sinusfunktion, nachdem der Halbleiterschalter T2 durch den Spannungssprung an der Basis durchgeschaltet wurde. Der Strom durchläuft nun gemäß dem Diagramm zunächst sein Maximum und klingt dann auf den Wert Null ab. Dieser Wert wird noch entlang eines kurzen Zeitabschnittes beibehalten, bevor das Ausschalten des Halbleiterschalters T2 erfolgt. Im Zeitbereich zwischen dem Abklingen des Stromes auf Null und dem Umschalten wird der Strom zwangsweise auf Null gehalten.

Die im unteren Diagramm von Fig. 2 dargestellte Bedingung des Herabführens des Stroms i_T auf Null, bevor der Ausschaltvorgang am Halbleiterschalter T2 erfolgt, kann nur dann erreicht werden, wenn die Ungleichung

erfüllt ist.

Dabei ist eine Mindestreserve an verbleibendem Zeitintervall erforderlich, damit der Strom sicher auf Null geführt ist, so daß keine Schaltverluste entstehen.

Claims

1. Lichtbogenschweißgerät bestehend aus einer Inverterstromquelle mit einem netzspannungsgespeisten Gleichrichter (1), einem Zwischenkreis (2), einem primärseitig getaktetem Stromwandler (4) und einem sekundärseitig des Stromwandlers (4) angeordneten Gleichrichter (5), an den ein Schweißprozeß (9) angekoppelt ist, wobei die Taktung des Stromwandlers (4) über Halbleiterschalter (T1, T2) erfolgt, die während eines vorgegebenen Schaltintervalls (T_ein) elektrisch leitend sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem getakteten Stromwandler (4) ein Resonanzschaltkreis (L_R, C_R) zugeordnet ist, dessen Resonanzfrequenz (f_R) mit dem vorgegebbaren Schaltintervall der Halbleiterschalter (T1, T2) in Verbindung steht nach der Beziehung

2. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis ein Stromresonanzkreis ist, wobei die Taktung des Stromwandlers jeweils zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem der Strom (i_T) im Resonanzkreis zu Null geworden ist.

3. Lichtbogenschweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis ein Spannungsresonanzkreis ist, wobei die Taktung des Stromwandlers jeweils zu einem Zeitpunkt erfolgt, zu dem die Spannung (u_T) im Resonanzkreis zu Null geworden ist.

4. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter (T1, T2) IGBT′s sind.

5. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das induktive Element (L_R) des Resonanzschaltkreises durch die Streuinduktivität des Stromwandlers (4) gebildet ist.

6. Lichtbogenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzschaltkreis auf der Sekundärseite des Stromwandlers (4) angeordnet ist.

7. Lichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzschaltkreis auf der Primärseite des Stromwandlers angeordnet ist.

8. Lichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler (4) ein Eintaktwandler ist.

9. Lichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler ein Doppel-Durchflußwandler ist.

10. Lichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler ein Brückenwandler ist.

11. Lichtbogenschweißgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromwandler ein Halbbrückenwandler ist.