DE602004002391T2

DE602004002391T2 - Generator für lichtbogenschweissvorrichtung mit hochleistungsfaktor

Info

Publication number: DE602004002391T2
Application number: DE602004002391T
Authority: DE
Inventors: Gianni Rossetto; Daniele Taccon; Franco Mela
Original assignee: Selco SpA
Current assignee: Selco SpA
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2024-02-07
Also published as: AU2004212059B2; BRPI0407278A; NO338243B1; CA2515111A1; AU2004212059A1; JP2006518178A; US20060237408A1; PL208241B1; US7576299B2; PL377438A1; RU2355531C2; PT1597012E; DK1597012T3; NO20053823L; EP1597012B1; ATE339269T1; MXPA05008614A; NO20053823D0; ES2273215T3; DE602004002391D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Generator zur Verwendung in einer elektrischen Lichtbogenschweißvorrichtung; insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Generator, der einen ein- oder dreiphasigen Netzwechselstrom in einen Gleichstrom umwandelt, der geregelt und für den Schweißbogen geeignet ist.
Die Probleme, die sich bei Generatoren für Bogenschweißvorrichtungen ergeben, sind hauptsächlich mit dem geringen Leistungsfaktor des von der Netzenergieversorgung abgenommenen Stroms verknüpft.
Außerdem ist ein weiterer Faktor, der einen negativen Effekt auf die Effizienz einer Bogenschweißvorrichtung hat, die gemäß bekannten Auslegungen und Verfahren vorgesehen ist, die unvorhersehbare Schwankung der Energieversorgungsspannung, siehe US-A-5406051 (LAI), die eine solche Bogenschweißvorrichtung offenbart.
Mit Bezug zum Stand der Technik als Beispiel, ist die klassische und verbreitet verwendete Auslegung einer elektronischen Schweißvorrichtung in 1 gezeigt.
Die Auslegung umfasst, auf der Netzseite, eine erste Gleichrichterstufe 1, die nur durch Dioden gebildet ist, gefolgt von einer Reihe von Ausgleichskondensatoren 2.
Der auf diese Weise gleichgerichtete und ausgeglichene Strom speist einen Inverterblock 3, der mittels Hochfrequenzelektronikschaltern vorgesehen ist, der die Primärwicklung eines Transformators 4 speist.
Die Sekundarwicklung des Transformators 4 ist von einer zweiten Gleichrichterstufe 5 gefolgt.
Der von der zweiten Gleichrichterstufe 5 ausgegebene Strom wird durch einen Induktor 6 ausgeglichen und speist einen Schweißbogen 7.
Ein Generator dieser Art nimmt beim Betrieb einen Strom aus dem Netz, der ein Verhalten in der Weise wie in 2 gezeigt aufweist.
Es ist unmittelbar ersichtlich, dass eine Wellenform dieser Art einen hohen Anteil an Oberschwingungen aufweist, was eine geringen Leistungsfaktor nach sich zieht.
In dieser Situation ist es notwendig, einen hohen Effektivwert (RMS) aus dem Netz aufzunehmen, um ein geeignetes Energieniveau im Bogen zu haben.
Dies zieht beträchtliche negative Folgen für das Energieversorgungsnetzwerk nach sich, da der hohe Anteil an Oberschwingungen und der hohe Effektivwert des aufgenommenen Stroms eine zunehmende Erwärmung der Energieversorgungsleiter bewirken und eine beträchtliche Verzerrung der Wellenform der Spannung der Energieversorgungsleitung, was wiederum zu einer Erhöhung der Verluste in den ferromagnetischen Kernen der damit verbundenen Transformatoren führt.
Außerdem bringt die Wellenformverzerrung beträchtliches Rauschen in die Leitung.
Wenn ferner die Schweißgeneratoren begrenzte Leistung aufweisen, wie es bei denen vorkommt, die für Systeme im Hausgebrauch angeboten werden, führt die hohe Intensität des aufgenommenen Effektivstroms zur Intervention des Wärmeschutzes des Systems, obwohl die auf dem Schweißbogen abgegebene Leistung geringer ist als eine äquivalente ohmsche Belastung.
Darüber hinaus ist, wie oben erwähnt, ein Generator mit einer Auslegung des in 1 gezeigten Typs unweigerlich von den Schwankungen in der Eingangsspeisespannung beeinflusst, und dies reduziert das Betriebsverhalten des Generators beträchtlich.
In Hinblick auf diese Probleme wurden Schweißgeneratoren entwickelt, die zusätzliche Stufen aufweisen, die eine Netzstromaufnahme ermöglichen, die so weit wie möglich sinusförmig ist, d. h. den Generator zu einer ohmschen Last äquivalent machen, so dass er in der Lage ist, alle für den Nutzer verfügbare Wirkleistung zu nutzen.
Es wurden auch zusätzliche Stufen eingesetzt, die die Aufgabe haben, automatisch den Generator an die Netzspannungsschwankungen anzupassen, was guten und stabilen Betrieb des Generators gewährleistet.
Generatoren mit Auslegungen dieses Typs können von dem schematisch in 3 gezeigten Typ sein.
Diese Auslegung zeigt deutlich, dass in Bezug auf das Diagram von 1, eine zusätzliche Stufe 8 vorhanden ist, die zwischen den Gleichrichterblock 1 und den Ausgleichsblock 2 eingesetzt ist.
Diese Stufe, PFC genannt, kann auf verschiedene Weise vorgesehen sein.
Generatoren dieses Typs sind in jedem Fall teuer und kompliziert und manchmal kritisch bei der Wahl der Komponenten, die hohen Spannungen widerstehen müssen.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Generator für das Lichtbogenschweißen zur Verfügung zu stellen, der aus dem Netz einen Strom mit einem hohen Leistungsfaktor aufnimmt.
In dieser Aufgabe ist ein Ziel der Erfindung, einen Generator für das Lichtbogenschweißen zur Verfügung zu stellen, der auf Schwankungen in der vom Netz abgezogenen Energieversorgungsspannung nicht empfindlich ist.
Ein weiteres Ziel ist, ein Schaltungssystem zur Verfügung zu stellen, in dem es möglich ist, Komponenten zu verwenden, die geringe Kosten und hohe Effizienz aufweisen.
Diese Aufgabe und diese und andere Ziele, die nachfolgend besser ersichtlich werden, werden durch einen Generator für eine Lichtbogenschweißvorrichtung von dem Typ erreicht, der gebildet ist aus einer Gleichrichterstufe, die vom Netz gespeist wird, gefolgt von einer PFC-Stufe und einer Inverterstufe, beide vom Hochfrequenztyp, wobei die letztere eine Endstufe zum Zuführen von Energie für einen Schweißbogen speist, dadurch gekennzeichnet, dass:
die PFC-Stufe gebildet ist aus: zwei Induktoren, die magnetisch miteinander gekoppelt sind und in Reihe am Ausgang der Gleichrichterstufe angeordnet sind; zwei erste Hochfrequenzregelschalter, die zwischen einem gemeinsamen Knoten und zwei Knoten jeweils an den Ausgängen der beiden Induktoren angeschlossen sind; zwei Dioden mit entgegengesetzten Leitungsrichtungen, die jeweils mit den Knoten zwischen den Schaltern und gemeinsamen Induktoren verbunden sind; zwei Abgleichkondensatoren, die mit den Ausgangsknoten der Dioden und dem gemeinsamen Knoten der ersten Schalter verbunden sind; wobei ferner Mittel vorgesehen sind zum Regeln der Abfolge der An- und Ausschaltungen der beiden ersten Schalter, um den von der Gleichrichterstufe aufgenommenen Strom zu formen, so dass er mit der Wellenform der Netzspannung korreliert;
die Inverterstufe, die zwischen dem gemeinsamen Knoten der ersten Hochfrequenzschalter und dem gemeinsamen Knoten zwischen den Kondensatoren vorgesehen ist, umfasst vier Triaden, jede gebildet aus einem zweiten Regelschalter, einer Diode und einem Kondensator, so verbunden, dass sie fünf Knoten bilden, jeweils einen Zentralknoten, zwei Zwischenknoten und zwei Außenknoten, wobei die Außenknoten mit den Knoten zwischen den ersten Schaltern und den entsprechenden Dioden verbunden sind, wobei die Zwischenknoten mit dem gemeinsamen Knoten der beiden ersten Elektronikschalter verbunden sind, wobei jeweils eine Diode dazwischen gesetzt ist, wobei ein Kondensator zwischen den Zwischenknoten angeschlossen ist, wobei ferner eine Regelvorrichtung für die vier zweiten Schalter vorgesehen ist, wobei der Strom für die Endstufe, der den Schweißbogen speist, zwischen dem gemeinsamen der beiden ersten Schalter und dem Zentralknoten der vier Triaden von zweiten Regelschaltern, Dioden und Kondensatoren gezogen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden besser ersichtlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, die als nicht einschränkendes Beispiel in den begleitenden Zeichnungen dargestellt ist, worin:
1, 2, 3 und 4 Ansichten bekannter Vorrichtungen und ihrer Betriebsdiagramme sind;
5 eine schematische Ansicht des vierstufigen Generators der vorliegenden Erfindung ist, die insbesondere die Anschlüsse darstellt;
6 eine detaillierte Ansicht der PFC-Stufe ist;
7 eine detaillierte Ansicht der Inverterstufe ist.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Mit Bezug zu den Figuren kann der Generator gemäß der Erfindung Idealerweise in vier Stufen eingeteilt werden, die entsprechend durch das Bezugszeichen 100 für die Netzenergiezufuhrstufe, das Bezugszeichen 200 für die PFC-Stufe, das Bezugszeichen 300 für die Inverterstufe und das Bezugszeichen 400 für die End- und Bogenzufuhrstufe bezeichnet sind.
Die Netzenergiezufuhrstufe 100 ist aus einem herkömmlichen Gleichrichterblock mit Dioden 101 gebildet, der von einem Netz 102 gespeist wird und einphasig oder dreiphasig sein kann.
Zwei Ausgangsleiter, die jeweils mit dem Bezugszeichen 103 und 104 bezeichnet sind, führen von der Stufe 101 weg und sind in der PFC-Stufe 200 in zwei Eingangsleitungen 201 und 202 fortgesetzt.
Zwei Induktoren 203 und 204 sind jeweils mit den Eingängen 201 und 202 verbunden und miteinander magnetisch gekoppelt.
Die Ausgänge der beiden Induktoren 203 und 204, mit den Bezugszeichen 205 und 206 bezeichnet, sind jeweils mit einem ersten Knoten 207 und einem zweiten Knoten 208 verbunden.
Der erste Anschluss eines ersten Regelschalters 209 ist mit dem Knoten 207 verbunden und der erste Anschluss eines zweiten Regelschalters 210 ist mit dem Knoten 208 verbunden.
Der zweite Anschluss des ersten Regelschalters 209 und der zweite Anschluss des zweiten Regelschalters 210 sind mit einem gemeinsamen Knoten 211 verbunden.
Der erste Anschluss einer ersten Diode 212 ist mit dem Knoten 207 verbunden und der erste Anschluss einer zweiten Diode 213 ist mit dem Knoten 208 verbunden; die beiden Dioden haben entgegengesetzte Leitungsrichtungen.
Der zweite Anschluss der ersten Diode 212 ist mit einem Knoten 214 verbunden, und der zweite Anschluss der zweiten Diode 213 ist mit einem Knoten 215 verbunden.
Der erste Anschluss eines ersten Ausgleichskondensators 216 ist mit dem Knoten 214 verbunden und der erste Anschluss eines zweiten Ausgleichskondensators 217 ist mit dem Knoten 215 verbunden.
Die beiden Kondensatoren 216 und 217 sind so angeordnet, dass sie einander entgegengesetzte Polaritäten aufweisen und ihre zweiten Anschlüsse sind mit einem Knoten 218 verbunden, der mit dem Knoten 211 verbunden ist.
Die PFC-Stufe 200 weist drei Ausgangsleiter auf, jeweils einen Leiter 219 mit dem Knoten 214 verbunden, einen Leiter 220 mit dem Knoten 215 verbunden und einen Leiter 221 mit dem Knoten 218 verbunden.
Die PFC-Stufe 200 weist eine Steuervorrichtung 222 auf, die das An- und Ausschalten der Schalter 209 und 210 steuert, die vom Typ mit Hochfrequenzsteuerung sind (IGBT oder MOSFET).
Die Vorrichtung 222 zieht ein Spannungssignal Vin aus dem Eingang 201 mittels der Verbindung 223, ein Stromsignal Iin vom Leiter 205 mittels der Verbindung 224, ein Spannungssignal Vc₁ vom Knoten 214 oder vom Kondensator 216 mittels der Verbindung 225 und ein Spannungssignal Vc₂ vom Knoten 215 oder vom Kondensator 217 mittels der Verbindung 226.
In der Figur bezeichnen die Verbindungen 227 und 228 die Steuerung der Schalter 209 und 210.
Mittels einer geeigneten Steuerung der Abfolge der An- und Abschaltungen der beiden Schalter 209 und 210 steuert die Regelvorrichtung 222 den von der Gleichrichterenergiezufuhrstufe 100 aufgenommenen Strom, formt ihn so, dass er der Wellenform der Spannungslinie folgt, die vom Signal Vin erhalten ist, so dass eine sehr geringe Verzerrung und daher ein sehr hoher Leistungsfaktor auftritt.
Durch Schließen der Schalter 209 und 210 nimmt der Strom in den Induktoren 203 und 204 mit einem Anstieg zu, der gleich Vin/(L1 + L2 + M12)ist,
wo M₁₂ ein Koeffizient ist, der die Kopplung der beiden Induktoren berücksichtigt, während die Dioden 212 und 213 ausgeschaltet sind und L₁, L₂ entsprechen jeweils Induktoren 203 und 204.
Durch Öffnen der Schalter 209 und 210 fließt Strom in 203, 212, 216, 217, 213 und 204, so dass die Ausgleichskondensatoren 216 und 217 geladen werden, und mit einem Abstieg gleich –[Vin – (Vc1 + Vc2)]/(L1 + L2 + M12)abnimmt.
Durch die Verbindung zwischen dem Knoten 211 und dem Knoten 218 oder zwischen den beiden Schaltern 209 und 210 mit den Kondensatoren 216 und 217, die gleiche Kapazitäten aufweisen, ist die auf jeden der Schalter aufgebrachte Spannung gleich Vc/2, was die Hälfte der Spannung ist, die in Konfigurationen mit normalen bekannten PFC-Stufen auftritt.
Dies ermöglicht die Verwendung von Schaltern, die eine niedrigere Durchschlagspannung aufweisen und aus Gründen, die mit der Fertigungstechnologie von Elektronikschaltern verknüpft sind, ermöglicht es Arbeit bei höheren Schaltfrequenzen, ermöglicht folglich, die Werte der Induktoren 203 und 204 zu reduzieren und Regelung des aus dem Netz aufgenommenen Stroms zu verbessern.
Wie bekannt ist, steigt mit der Durchschlagspannung von Elektronikschaltern auch die Schaltdauer der Schalter und daher ist es zunehmend notwendig; die Schaltfrequenzen zu senken, um die von den Schaltern abgegebene Energie zu begrenzen.
Die Inverterstufe 300 weist eine hohe Schaltfrequenz auf und umfasst:
einen ersten externen Knoten 301, der mit dem Ausgangsleiter 219 der PFC-Stufe verbunden ist; einen zweiten externen Knoten 302, der mit dem Ausgangsleiter 220 verbunden ist; einen ersten Zwischenknoten 303, der mit dem Ausgangsleiter 221 mit einer dazwischen gesetzten Diode 304 verbunden ist; und einen zweiten Zwischenknoten 305, der mit dem Ausgangsleiter 221 mit einer dazwischen gesetzten Diode 306 verbunden ist.
Die Dioden 304 und 306 sind so angeordnet, dass sie entgegengesetzte Leitungsrichtungen aufweisen.
Eine erste Triade von Komponenten in paralleler Konfiguration, gebildet durch einen Regelschalter 307, eine Diode 308 und einen Kondensator 309 ist zwischen dem ersten externen Knoten 301 und dem ersten Zwischenknoten 303 vorgesehen.
Eine zweite Triade von Komponenten in paralleler Konfiguration, gebildet durch einen Regelschalter 311, eine Diode 312 und einen Konden sator 313 ist zwischen dem ersten Zwischenknoten 303 und einem zentralen Knoten 310 vorgesehen.
Gleichermaßen ist eine Triade von Komponenten in paralleler Konfiguration, gebildet durch einen dritten Regelschalter 314, eine Diode 315 und einen Kondensator 316 zwischen dem zweiten externen Knoten 302 und dem zweiten Zwischenknoten 305 vorgesehen.
Eine Triade von Komponenten in paralleler Konfiguration, gebildet durch einen vierten Regelschalter 317, eine Diode 318 und einen Kondensator 319 ist zwischen dem zweiten Zwischenknoten 305 und dem zentralen Knoten 310 vorgesehen.
Es ist auch ein Kondensator 320 vorhanden, der zwischen den beiden Zwischenknoten 303 und 305 angeschlossen ist.
Die Inverterstufe 300 weist ferner eine Steuervorrichtung 321 zum An- und Abschalten der vier Regelschalter 307, 311, 317 und 314 auf.
Durch die Verbindung zwischen dem Knoten 322, der den Dioden 304 und 306 gemeinsam ist, und dem Knoten 218 wird die maximale Spannung, die jeden Regelschalter beeinflusst, halbiert.
Diese Situation ermöglicht, Komponenten zu verwenden, die viel höhere Schaltfrequenzen und Geschwindigkeiten aufweisen als Schaltungen mit einer bekannten Auslegung, so dass es möglich ist, die Abmessungen der Magnetkomponenten zu reduzieren.
In Hinblick auf die Verbindung zwischen der PFC-Stufe 200 und der Inverterstufe 300 mittels der Leiter 219, 221 und 220 durch eine geeignete Steuerung des An- und Abschaltens der Schalter ist es möglich, den Abgleich der Spannungen auf den Kondensatoren 216 und 217 zu steuern, um nachteilige Beeinflussung des Schweißstroms zu verhindern.
Die Stufe 400 wird vom Knoten 322 und vom Knoten 310 versorgt, dem die primäre Wicklung eines Transformators 401 zugeordnet ist, wobei der Transformator wiederum einem Gleichrichter 402 Energie zuführt, in dem die Ausgabe den Schweißbogen 404 mit einem dazwischen gesetzten Induktor 403 versorgt.

Claims

Generator für eine Lichtbogenschweißvorrichtung von dem Typ, der gebildet ist aus einer Gleichrichterstufe, die vom Netz (100) gespeist wird, gefolgt von einer PFC-Stufe (200) und einer Inverterstufe (300), beide vom Hochfrequenztyp, wobei die letztere eine Endstufe (400) speist zum Zuführen von Energie für einen Schweißbogen (404), dadurch gekennzeichnet, dass: die PFC-Stufe (200) gebildet ist aus: zwei Induktoren (203, 204), die magnetisch miteinander gekoppelt sind und in Reihe am Ausgang der Gleichrichterstufe (100) angeordnet sind; zwei erste Hochfrequenzregelschalter (209, 210), die zwischen einem gemeinsamen Knoten (211) und zwei Knoten (207, 208) jeweils an den Ausgängen der beiden Induktoren (203, 204) angeschlossen sind; zwei Dioden (212, 213) mit entgegengesetzten Leitungsrichtungen, die jeweils mit den Knoten (207, 208) zwischen den Schaltern (209, 210) und gemeinsamen Induktoren (203, 204) verbunden sind; zwei Abgleichkondensatoren (216, 217), die mit den Ausgangsknoten (214, 215) der Dioden (212, 213) und dem gemeinsamen Knoten (211) der ersten Schalter (209, 210) verbunden sind; wobei ferner Mittel (222) vorgesehen sind zum Regeln der Abfolge der An- und Ausschaltungen der beiden ersten Schalter (209, 210), um den von der Gleichrichterstufe aufgenommenen Strom zu formen, so dass er mit der Wellenform der Netzspannung korreliert; die Inverterstufe (300), die zwischen dem gemeinsamen Knoten (211) der ersten Hochfrequenzschalter (209, 210) und dem gemeinsamen Knoten (218) zwischen den Kondensatoren (216, 217) vorgesehen ist, umfasst vier Triaden, jede gebildet aus einem zweiten Regelschalter (307, 311, 317, 314), einer Diode (308, 312, 318, 315) und einem Kondensatore (309, 313, 319, 316), so verbunden, dass sie fünf Knoten bilden, jeweils einen Zentralknoten (310), zwei Zwischenknoten (303, 305) und zwei Außenknoten (301, 302), wobei die Außenknoten (301, 302) mit den Knoten zwischen den ersten Schaltern (209, 210) und den ent sprechenden Dioden (212, 213) verbunden sind, wobei die Zwischenknoten (303, 305) mit dem gemeinsamen Knoten (211) der beiden ersten Elektronikschalter (209, 210) verbunden sind, wobei jeweils eine Diode (304, 306) dazwischen gesetzt ist, wobei ein Kondensator (320) zwischen den Zwischenknoten (303, 305) angeschlossen ist, wobei ferner eine Regelvorrichtung (321) für die vier zweiten Schalter (307, 311, 317, 314) vorgesehen ist, wobei der Strom für die Endstufe (400), der den Schweißbogen speist, zwischen dem gemeinsamen (211) der beiden ersten Schalter (209, 210) und dem Zentralknoten (310) der vier Triaden von zweiten Regelschalter (307, 311, 317, 314), Dioden (308, 312, 318, 315) und Kondensatoren (309, 313, 319, 316) gezogen wird.
Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzenergieversorgung einphasig oder dreiphasig sein kann.
Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ersten Schalter (209, 210) vom als IGBT bekannten Typ sind.
Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden ersten Schalter (209, 210) vom als MOSFET bekannten Typ sind.
Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel zum Steuern des An- und Ausschaltens der ersten Schalter (209, 210) durch eine Vorrichtung (222) gebildet sind, die Spannungs- und Stromsignale (Vin, Vc₁, Vc₂, Iin) zieht und den von der gleichgerichteten Energieversorgungsstufe (100) aufgenommenen Strom regelt, indem die aus dem Signal Vin erhaltene Wellenform geformt wird, um Verzerrung zu reduzieren und einen sehr hohen Leistungsfaktor zu erhalten.
Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dioden (304, 306) der Inverterstufe (300), deren gemeinsamer Knoten (322) mit dem Knoten (218) der PFC-Stufe (200) verbunden ist, ermöglichen, dass die Maximalspannung auf den vier geregelten Schaltern (307, 311, 317, 314) halbiert wird, was die Verwendung von Komponenten ermöglicht, die einen hohe Schaltfrequenz und Geschwindigkeit aufweisen.