Brevet FR2125548A1 — publié le 19720929

-î- 2125548 L'invention concerne un appareil électrique à souder des boulons ou chevilles par décharge de condensateur avec une batterie de condensateurs dans la ligne de soudage principale pour l'emmagasinage de l'énergie de soudage et un bloc d'ali-5 mentation pour la charge de la batterie de condensateurs qui présente tin transformateur dont l'enroulement primaire peut être branché evir un réseau de courant alternatif, et un dispositif redresseur relié à l'enroulement secondaire du transformateur. Lors de la recharge de la batterie de condensateurs 10 déchargée d'un appareil à souder des boulons à partir d'un bloc d'alimentation avec un transformateur habituel en couplage serré, la tension appliquée au condensateur augmente exponentiel-lement avec le temps . Cela signifie que 1'allure de la charge du condensateur en fonction du. "temps correspond à peu près à la 15 courbe de charge dr'un condensateur qui, par l'intermédiaire d'une résistance relativement faible, est chargé à partir d'une source de courant avec une tension constante. Au début de l'opération de charge, il circule donc un courant très élevé qui s'évanouit cependant très rapidement. Pour limiter légèrement le courant 20 initialement très élevé, on prévoit habituellement au moins une faible résistance dans le circuit de charge, ce qui entraîne naturellement l'augmentation de la durée jusqu'à l'obtention d'un degré de charge déterminé de la batterie de condensateurs. Pour maintenir faible la durée de charge, il est nécessaire de réali-25 ser le bloc d'alimentation pour des courants initiaux élevés en conséquence. Cela conduit à des blocs d'alimentation qui, par rapport à la puissance fournie par eux, demandent beaucoup de place et sont très lourds et coûteux. Théoriquement, la tension de charge appliquée à un tel 30 transformateur est constante, mais dans la pratique, elle augmente légèrement au cours de la charge. Par contre, en raison de la tension appliquée à la batterie de condensateurs et augmentant avec la charge, le courant de charge diminue très rapidement et très fortement pendant l'opération de charge pour 35 s'évanouir ensuite lentement. Etant donné l'évanouissement lent, l'opération de charge traîne fortement en longueur (théoriquement jusqu'à l'infini). C'est pourquoi il est déjà de technique courante de donner à la tension de sortie du bloc d'alimentation une valeur supérieure à la tension de charge théorique maximale 40 des batteries de condensateurs et d'interrompre l'opération de 72 05335 -2- 2125548 charge dès que» la tension théorique est atteinte. De co fait, l'opération de cliarge est limitée dans le temps à une valeur finie. Toutefois, il se produit à nouveau un courant initial élevé qui détermine le dimensionnement du montage. 5 L'invention a pour but de créer un appareil à souder des boulons du type cité au début avec une alimentation pour la batterie de condensateurs qui fournit à celle-ci un courant de charge égalisé aussi constant que possible et qui permet ainsi en môme temps une réalisation plus petite, plus légère et moins 10 coûteuse que celle des appareils correspondant au niveau antue1 de* la technique. * Dans un appareil à souder des boulons du type précité, ce but est atteint par le fait que le transformateur présente un couplage lâche entre son enroulement primaire et son enroule-15 ment secondaire, du moins dans le cas d'une charge asses élevée du côté secondaire. De ce fait, on évite les fortes intensités de courant au début de la charge et on peut obtenir en mSme temps que, pendant la plus grande partie de la durée de la charge, la tension secondaire du transformateur augmente, en 20 première approximation, proportionnellement à la tension aux bornes de la batterie de condensateurs, ce qui permet d'obtenir pour cette partie, à nouveau en première approximation, vin courant de charge constant. Selon l'invention, on peut utiliser comme transformateurs 25 ceux dont les principes dei .construction se basent sur ceux des transformateurs résistant aux courts-circuits ou des transformateurs pour des consommateurs présentant une caractéristique de résistance négative. Toutefois, si l'on accepte un léger surcroît de dépenses, il est également possible d'utiliser vin 30 transducteur à courant constant. Une réalisation du transformateur selon l'invention permet malgré la résistance totale très faible dans le circuit de charge, d'obtenir un courant de charge relativement faible et approximativement constant sur une grande partie de la durée de 35 charge. Etant donné qu'ainsi le courant de charge est relativement faible môme au premier moment de l'opération de charge, il suffit de calculer tous les éléments de commutation montés dans le circuit de charge, par exemple les interrupteurs, redresseurs etc ..., pour ce courant de,charge, relativement faible, ce qui 40 autorise l'utilisation d'éléments de commutation plus légers. 72 05335 -3- 2125548 plus petits et moins coûteux. Lors de la charge à la tension de crête, c'est-à-dire dans le cas d'une opération de charge non interrompue, la durée totale de charge n'est pas sensiblement augmentée étant 5 donné que, pour une conception convenable du transformateur, seules les intensités initiales exagérS-ss sont réduites. Il est particulièrement avantageux de réaliser le dispositif de charge de telle façon que l'opération de charge est interrompue dès que la tension théorique de la batterie de condensait) teurs est atteinte à la fin de la partie présentant le courant de charge constant en première approximation. L'opération de charge éteint interrompue, l'ensemble de la charge s'effectue relativement vitu malgré l'utilisation d'un transformateur considérablement plus petit, et cela en raison de la tension du 15 bloc d'alimentation qui augmente avec la charge du condensateur. Selon l'invention, outre les autres éléments du bloc d'alimentation, le transformateur peut être considérablement plus petit, plus léger et moins cher pour la.charge à la tension de crête aussi bien que pour l'opération de charge interrompue, 20 étant donné que dos courants très élevés ne se produisent cfens aucune phase de l'opération de charge. Alors que, dans le cas de l'utilisation d'un transformateur normal, la charge est très intensive au début pour diminuer ensuite rapidement, 11utilisation d'un transformateur selon l'invention a pour effet 25 qie, pendant la durée principale, la charge s'effectue presque uniformément et approche ainsi très fortement de l'optimum théorique d'une opération de charge interrompue avec un courant de charge constant. Dans les systèmes selon l'invention, il n'est plus néces-30 saire de prévoir des résistances protectrices et les- résistances d'enroulement dans le transformateur peuvent être réduites au minimum constructif, ce qui entraîne de nouvelles réduction de la durée de charge et des dépenses. Des essais ont démontré que des transformateurs selon 35 l'invention, en combinaison avec des dispositifs de charge pour une opération de charge interrompue, permettent d'obtenir les mêmes temps de charge que ceux réalisés avec des transformateurs conventionnels à couplage serré dont les dimensions sont deux ou deux fois et demie plus grandes. 40 Les .seules résistances ohmiques d'un circuit de charge • 72 05335 -4- 2125548 avec un transformateur selon l'invention sont constituées par les enroulements du transformateur lui-même. Etant donné que la transformation de l'énergie électrique en chaleur se fait avec le carré de l'intensité du courant, l'élimination des 5 très grandes pointes de courant au début de l'opération de charge avec des transformateurs conventionnels provoque, dans le cas des trans formateurs selon l'invention, une charge thermique beaucoup plus faible du transformateur, ce qui permet de donner à celui-ci des dimensions beaucoup plus faibles que lO dans le passé. Il est avantageux de prévoir comme transformateur, un transformateur à champ de dispersion de construction habituelle convenablement dimensionné. Selon un autre mode de réalisation, on peut également utiliser un transformateur à deux culasses 15 dont l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire sont montés sur des branches séparées du noyau de transformateur. A l'intérieur de la plage de charge, ces transformateurs fonctionnent en couplage lâche, c'est-à-dire qu'il existe un nombre d'ampères-tours maximum qui dépend du dimensionnement du trans-20 formateur et qui, en première approximation, reste constant sur de larges plages de la tension secondaire. Pour régler le coefficient de couplage, le transformateur peut présenter une dérivation magnétique entre son enroulement primaire et son enroulement secondaire qui peut également être 25 variable le cas échéant. Il est avantageux de prévoir dans le circuit magnétique dans le fer un entrefer dont la grandeur permet également d'agir sur le coefficient de couplage. De même, il est possible de combiner l'entrefer avec une dérivation magnétique. 30 Dans un autre mode de réalisation, l'alimentation de l'appareil à partir du réseau peut également être effectuée à l'aide d'un transducteur à courant constant. Il est avantageux de prévoir entre les enroulements auxiliaires pour l'alimentation d'autres circuits et l'enroulement 35 primaire, un couplage serré. Pour l'obtention d'un couplage serré, les enroulements secondaires auxiliaires pourraient être prévus, dans le cas d'un transformateur à deux culasses, sur la même branche que l'enroulement primaire. De préférence, la tension à vide du transformateur dépasse 40 la tension de charge maximale de la batterie de condensateurs. 72 05335 -5- 2125548 une commutation assurant l'interruption de l'opération de charge dès que les batteries de condensateurs ont atteint leur tension de charge théorique. Dans ce mode de réalisation, on ne travaille qu'à l'intérieur de la section initiale de la 5 caractéristique de charge. Dans le cas de l'utilisation d'un transformateur étalon, les variations de courant les plus importantes et les inconvénients précités se produisent précisément et d'une manière particulièrement accentuée à l'intérieur de cette section initiale. Par contre, dans un montage de transit) formateur à couplage lâche, le courant de charge présente les plus faibles variations à l'intérieur de la section initiale de la caractéristique de charge. Etant donné qu'ainsi le courant de charge présente, pendant toute la durée de'la charge, la valeur approximativement constante et en même temps maximale, 15 ce mode de réalisation permet d'obtenir des durées de charge particulièrement courtes et vin dimensionnement favorable des éléments. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples, fera mieux comprendre comment 20 l'invention peut être mise en pratique. La figure 1 montre un schéma de montage d'un mode de réalisation d'un appareil à souder des boulons selon l'invention arec une batterie de condensateurs pour l'alimentation en énergie de soudage et un système pour 11 interruption de 1'opération 25 de charge dès que la tension de charge théorique est atteinte, le transformateur étant un transformateur à deux branches. Les figures 2, 3 et 4 montrent des diagrammes des grandeurs caractéristiques en fonction du temps pour expliquer le principe de fonctionnement d'un transformateur avec couplage 30 serré et charge décroissante. Les figures 5, 6 et 7 montrent des diagrammes des grandeurs caractéristiques en fonction du. temps pour expliquer le principe de fonctionnement d'un transformateur à champ de dispersion selon l'invention avec charge décroissante. 35 Les figures 8, 9 et 10 montrent des diagrammes des gran deurs caractéristiques en fonction du temps pour expliquer le principe de fonctionnement d'un transformateur avec couplage serré et charge interrompue. Les figures 11, 12 et 13 montrent des diagrammes des gran-40 deurs caractéristiques en fonction du temps pour expliquer le 72 05335 -6 2125548 principe de fonctionnement d'un transformateur à champ de dispersion selon l'invention avec charge interrompue. L'appareil à souder des boulons qui est représenté dans la figure 1 à titre d'exemple comprend un transformateur à 5 champ de dispersion à deux culasses 1 dont l'enroulement primaire la est relié à une source de courant alternatif 2. Par son enroulement secondaire 1b, le transformateur à champ de dispersion 1 est relié, par l'intermédiaire d'un redresseur 3 et d'un interrupteur de circuit de charge 4» à la batterie de condensait) teurs 5 qui, pour tous les exemples décrits ci-après, doit avoir la même capacité et être chargée à la même tension. La batterie de condensateurs 5, appeléeci-après brièvement condensateur, peut être reliée, par l'intermédiaire d'un interrupteur de courant de soudage 6, aux bornes de soudage 7 pour le déclenche-15 ment de l'opération de soudage. Le dispositif 8 indiqué en pointillé qui n'est prévu que facultativement sera expliqué plus loin. L'opération de charge pour le condensateur 5 dans le montage selon la figure 1 sera tout d'abord décrite pour le cas 20 où le transformateur à champ de dispersion 1 est remplacé par un transformateur à couplage serré. Pour cela, on se réfère aux figures 2 à 4 qui montrent l'allure de la tension au transformateur et de la tension au condensateur 5, de la tension différentielle entre ces deux 25 tensions, respectivement, du courant de charge pour le condensateur 5 pendant le même intervalle de temps. Pour l'explication ci-après, on admet que l'interrupteur 4 du montage selon la figure 1 est tout d'abord fermé pendant la décharge du condensateur 5 à laquelle succède l'opération de charge. Comme il ressort 30 de la figure 2, le transformateur à couplage serré fournit pendant l'ensemble de l'opération de charge une tension Ut presque constante qui n'est légèrement inférieure qu'au début de l'opération de charge. Par contre, comme le montre la figure 2, la tension Uc 35 appliquée au condensateur 5 passe, selon une loi exponentielle, de la valeur zéro pour le condensateur 5 déchargé à sa tension maximale U „ . Selon la figure 4, le courant de charge I pour max c le condensateur 5 résultant de la tension différentielle selon la figure 3 entre la tension de transformateur Ut et la 40 tension de condensateur diminue rapidement et à peu près 72 05335 -7- 2125548 exponentiellement pendant l'opération de charge en partant d'ione valeur initiale déterminée par la conception du transformateur. Les figures 5 à 7 montrent pour l'opération de charge l'allure des mômes grandeurs électriques que celles indiquées 5 dans les figures 2 à 4 pour le cas où le transformateur dans la figure 1 est un transformateur à champ de dispersion. Comme il ressort de la figure 5, le transformateur à champ de dispersion fournit une tension de charge Ut qui, en partant d'une valeur initiale U. relativement faible, passe progressivement wcl lO à la tension maximale U . Selon la figure 5, la tension U max c appliquée au condensateur augmente à nouveau à partir de la valeur zéro, mais plus lentement que dans la figure 2 jusqu'à ce qu'elle atteigne la tension maximale Umax. Selon la figure 7 le courant de charge Jc pour le condensateur 5 résultant de 15 la tension différentielle selon la figure 6 qui varie beaucoup moins fortement que la tension différentielle selon la figure 3, diminue pendant l'opération de charge à partir d'une valeur initiale Jca relativement faible par rapport à la figure 4, à savoir tout d'abord très lentement, puis un peu plus vite 20 pour s'évanouir ensuite à nouveau de manière à peu près exponentielle. Comme il ressort d'une comparaison de la figure 4 avec la figure 7, un transformateur à champ de dispersion permet, malgré un courant de charge initial Jca beaucoup plus faible 25 que dans le cas d'un transformateur à couplage serré de fournir en un temps égal la même quantité de charge Q au condensateur. Toutefois, en raison du courant de charge initial ûT plus Ca faible, les éléments situés dans le circuit de charge subissent des efforts considérablement plus faibles, ce qui permet l'utili-30 sation des éléments plus petits, plus légers et moins coûteux. En se référant aux figures 8 à 13, les conditions de courant et de tension sont expliquées ci-après pour le cas où le dispositif 8 représenté on pointillé dans ïa figure 1 interrompt l'opération de charge après un intervalle de temps pré-35 déterminé ou bien après l'atteinte d'une tension de charge Uc prédéterminée aux bornes du condensateur 5. Le dispositif 8 peut être constitué, par exemple, par un circuit de commande qui détecte la tension de charge aux bornes du condensateur 5 et ouvre l'interrupteur 4 dès qu'une tension prédéterminée est 40 atteinte. 72 05335 -8- 2125548 Les figures 8 à 10 indiquent les conditions de courant et de tension lors de l'opération de charge de manière analogue aux figures 2 à 4 pour le cas où le transformateur à champ de dispersion 1 est remplacé par un transformateur à couplage serré 5 dans le montage selon la figure 1. Contrairement aux figures 2 à 4, la tension selon la figure 8 fournie par le transformateur est plus élevée et la charge est interrompue à l'instant t^, c'est-à-dire avant son évanouissement naturel. De ce fait, il est possible de réduire 10 la durée de l'opération de charge. Toutefois, il faut accepter un courant initial Jca plus élevé que dans le cas de la figure 4. Par analogie avec les figures 5 à 7, les figures 11 à 13 indiquent à nouveau les conditions de courant et de tension lors de l'opération de charge pour le cas où le transformateur 15 dans la figure 1 est un transformateur à champ de dispersion 1. Par conséquent, la tension Ufc fournie par le transformateur à champ de dispersion 1 est à nouveau plus élevée que la tension Ufc selon la figure 5. Conformément aux figures 8 à 10, l'opération de charge est interrompue en t^. Comme il ressort de 20 la figure 13, cela permet d'obtenir une caractéristique de charge presque idéale, c'est-à-dire que la charge s'effectue pendant toute la durée de la charge avec un courant presque constant dont la valeur initiale J est considérablement infé- ca rieure à la valeur initiale J du courant de charge selon la ca 25 figure 10. 72 05335 -9- 2125543 REVEHDICATIOHS 1. Appareil à souder des boulons par décharge de condensateur pour la soudure à l'arc des boulons avec une batterie de condensateurs dans le circuit principal de soudage pour 5 l'emmagasinage de l'énergie de soudage et avec un bloc d'alimentation pour la charge de la batterie de condensateurs gui comporte tin transformateur dont l'enroulement primaire peut Ôtre relié à un réseau de courant alternatif ainsi qu'un dispositif redresseur relié à 1'enroulement secondaire du transformait) teur, caractérisé par le fait que le transformateur présente un couplage lâche entre son enroulement primaire et son enroulement secondaire, au moins dans le cas d'une charge assez grande du côté secondaire. 2. Appareil à souder des boulons selon la revendication 1, 15 caractérisé par le fait que le transformateur est un transformateur à champ de dispersion. 3. Appareil à souder des boulons selon la revendication 2, caractérisé par le fait que le transformateur est un transformateur à deux culasses dont l'enroulement primaire et I'enroulement 20 secondaire sont montés sur des branches séparées. 4. Appareil à souder des boulons selon 1'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le transformateur présente une dérivation agissant entre son enroulement primaire et son enroulement secondaire. 25 5. Appareil à souder des boulons selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'un entrefer est prévu dans le circuit magnétique dans le fer du transformateur. 6. Appareil à souder des boulons selon la revendication 1, 30 caractérisé par le fait que le coefficient de couplage du transformateur est influencé par un transducteur. 7. Appareil à souder des boulons selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que des enroulements secondaires auxiliaires pour 1'alimentation d'autres 35 circuits de commande sont montés en couplage serré avec l'enroulement primaire. 8. Appareil à souder des boulons selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que la tension à vide du côté secondaire du transformateur est supérieure à la 40 tension de charge maximale admissible de la batterie de 72 05335 -10- 21 condensateurs et qu'un montage est prévu pour terminer la charge de la batterie de condensateurs lorsque celle-ci a atteint sa tension de charge maximale admissible. ËF/19617