Brevet FR2329098A1 — publié le 19770520

La présente invention concerne un dispositif pour la production d'un courant alternatif rectangulaire à partir d'un courant continu, pour le soudage a l'arc électrique, et notamment en liaison avec une source pour le soudage en courant alternatif ou continu au choix. Alors que le soudage à l'arc d'alliages légers exige généralement une source de courant alternatif, le soudage de métaux lourds impose une source de courant continu. On sait que les meilleurs résultats de soudage sont obtenus en courant continu avec une source délivrant un courant continu constant et aussi bien filtré que possible. Pour le soudage l'arc en courant alternatif, et notamment pour l'obtention d'un arc stable, il convient de disposer d'un courant alternatif présentant un passage par zéro aussi abrupt que possible. La forme idéale est dans ce cas celle d'un courant alternatif rectangulaire. En pratique, on s'efforce de fournir des sources utilisables de façon aussi universelle que possible pour le soudage en courant continu aussi bien qu'en courant alternatif. Les sources disponibles jusqu a présent ne satisfont toutefois qu'imparfaitement aux exigences découlant du processus de soudage. Lorsque les sources connues délivrent une tension continue constante ou bien filtrée, elles ne conviennent généralement pas pour le soudage en courant alternatif, par suite de la forme des impulsions. Inversement, une forme acceptable des impulsions du courant alternatif s'accompagne d'un courant continu fortement pulsatoire et par suite défavorable pour le soudage en courant continu. Toutes les sources connues à courant de soudage sinusoïdal présentent l'inconvénient d'imposer un générateur d'impulsions haute tension pour la stabilisation de l'arc, car ce dernier doit être amorcé de nouveau à chaque alternance. Des condensateurs de filtrage sont en outre nécessaires pour symétriser les alternances sinusoidales positives et négatives, afin d'éviter la saturation unilatérale du transformateur. Cette batterie de condensateurs réduit les propriétés d'amorçage. Un courant asymétrique permet en outre une meilleure solution de nombreux problèmes de soudage, mais ne peut etre utilise par suite de la saturation unilatérale du transformateur de soudage. L'invention a pour objet un dispositif permettant de produire un courant alternatif rectangulaire à partir d'un courant continu, se prê- tant particulièrement bien au soudage à l'arc et de préférence a fréquence variable et/ou facteur de durée variable des impulsions rectangulaires positives et négatives. En vue de la production pour le soudage à l'arc d'un courant alternatif rectangulaire, à partir du courant continu délivré par une source également utilisable le cas échéant pour le soudage en courant continu, et selon une caractéristique essentielle de l'invention, un montage inverseur est prévu et constitué par un pont, alimenté en courant continu, d'interrupteurs électroniques amenés à l'état passant en croix et reliés par paire à la sortie commune, et de préférence par un pont de thyristors muni d'un circuit de commande. Le courant alternatif rectangulaire délivré par le montage inverseur selon l'invention se prête particulièrement bien au soudage à l'arc, par suite des passages par zéro rapides et abrupts. Le générateur d'impulsions habituellement nécessaire pour la stabilisation de l'arc peut être supprimé. Un autre avantage réside dans la possibilité de faire varier la fréquence et la symétrie du courant alternatif entre de larges limites, en vue de l'obtention de résultats de soudage optimaux. Le courant alternatif rectangulaire étant produit à partir d'un courant continu, prélevé de préférence sur le réseau triphasé à l'aide de redresseurs appropriés ou commandés, tous les problèmes découlant de la dissymétrie du transformateur des sources de courant de soudage connues sont supprimés. D'autres avantages résultent de ce que le démarrage le plus sur de l'inverseur selon l'invention est obtenu en charge. Lors du démarrage, c' est-à-dire de l'amorçage de l'arc, une seule branche de thyristors est déclenchée, à savoir celle dont l'électrode constitue la borne négative. L'inverseur n'est pleinement commandé alternativement qu'après l'amorçage. Il en résulte pour le soudage l'avantage de meilleures propriétés d'amor çage. Un autre avantage en résulte pour les spécifications de sécurité du soudage dans des espaces restreints : seule une tension continue apparaît obligatoirement à vide; sa valeur admissible est de 100 V, au lieu de 42 V seulement pour l'alternatif, ce qui améliore de nouveau les propriétés d'amorçage et rend inutiles les coûteux dispositifs de protection connus. Des thyristors sont de préférence utilisés comme interrupteurs électroniques commandés, mais des thyristors de commutation sont également utilisables le cas échéant. Dans une forme de réalisation préférentielle, le montage comporte deux paires de thyristors, dont l'entrée est reliée à la source de courant continu de façon que les thyristors d'une paire soient connectés à la borne positive et les thyristors de l'autre paire la borne négative de la source. A la sortie, les thyristors des deux paires sont par contre connectés par paire aux deux bornes du circuit alternatif (circuit de charge ou de soudage). La disposition est telle que deux thyristors, à savoir un de chaque paire, sont commandés ou amorcés simultanément. La commande alternée des thyristors permet ainsi d'obtenir un courant alternatif rectangulaire dans le circuit de charge ou de soudage. Il va de soi que les thyristors précédemment a 1' étant passant doivent Entre éteints lors du déclenchement des autres thyristors. Il est recommandé de prévoir pour l'extinction de la paire de thyristors & l'état passant un condensateur d'extinction, qui se décharge dans le circuit de charge. Il convient de brancher un condensateur d'extinction en parallèle avec les sorties des thyristors dont l'entrée est reliée à la même borne de la tension continue d'alimentation. Des diodes de découplage spéciales sont -utilement prévues pour l'équilibrage des deux circuits d'extinction.Il est en outre recommandé de brancher dans le montage inverseur une inductance avec le circuit de l'arc, afin de garantir que la durée de l'impulsion du courant de décharge des condensateurs d'extinction est au moins égale à celle nécessaire pour l'extinction des thyristors. L'inductance contribue en outre à optimiser la forme rectangulaire du courant alternatif délivré par l'inverseur. Le circuit de commande du pont de thyristors est réalisable de diverses façons. Il comporte de préférence, pour chaque paire de thyristors du pont, un oscillateur avec un transistor unijonction et un condensateur d'impulsions de déchargeant sur ce dernier et dont les impulsions de décharge amorcent les thyristors correspondants de la paire. Les oscillateurs sont connectés de préférence à la tension continue, avec les transistors unijonctions et les condensateurs d'impulsions. Pour la transmission des impulsions d'amorçage des oscillateurs, il est recommandé de prévoir des transformateurs d'impulsions, dont les enroulements secondaires sont connectés a la gâchette des thyristors. Un condensateur de couplage est en outre utilement prévu pour la synchronisation des deux transistors unijonctions. Cette réalisation du circuit de commande permet de prévoir dans ce dernier un organe de réglage, et de préférence un potentiomètre, pour le décalage relatif des alternances positives et négatives du courant alternatif produit. Un autre circuit de réglage peut en outre être prévu dans le circuit de commande, pour l'ajustage de la fréquence du courant alternatif produit. Cet organe de réglage est utilement constitué aussi par un potentiomètre. Le dispositif selon l'invention permet ainsi de produire a un cout raisonnable, à partir d'un courant continu, un courant alternatif rectangulaire, de forme optimale notamment pour le soudage a l'arc. Des dispositions simples permettent en outre d'ajuster continûment, entre de larges limites, la fréquence du courant alternatif produit et/ou les pourcentages relatifs des alternances positives et négatives de ce courant, a l'aide par exemple de potentiomètres simples, insérés dans le circuit de commande comme précédemment indiqué. La source de courant alternatif selon l'invention peut être com binée avec une source de courant continu; afin de réaliser en particulier une source universelle, utilisable pour le soudage aussi bien en continu qu'en alternatif, avec une caractéristique de fonctionnement favorable dans tous les domaines d'emploi. Le montage inverseur selon l'invention permet aussi d'utiliser des thyristors apparus récemment, que des impulsions de déclenchement positivas du circuit de commande amènent à l'état passant et des impulsions négatives à l'état bloqué. L'emploi de ces composants permet de réaliser un montage inverseur beaucoup plus simple, grâce à la suppression notamment des condensateurs d'extinction, diodes de découplage, etc. Il est également possible d'utiliser comme composants de commutation électriques des transistors, commutables alternativement par paire et dont la base est connectée à un étage d'attaque. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exemples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente un dispositif selon l'invention pour la production d'un courant alternatif rectangulaire à partir d'un courant continu et constitué par un montage inverseur avec un pont de thyristors, la figure 2 représente le schéma d'une forme de réalisation appropriée d'un circuit de commande des montages inverseurs selon figures i et 4; la figure 3 représente le schéma de la forme rectangulaire du courant alternatif obtenue avec le montage inverseur selon l'invention, et dont la fréquence et le facture de durée sont variables entre de larges limites; la figure 4 représente un second exemple de réalisation d'un montage inverseur avec thyristors en pont; et la figure 5 représenta un troisième exemple de réalisation d'un montage inverseur avec transistors en pont. Le montage inverseur de la figure 1 produit un courant alternatif rectangulaire à partir d'un courant continu filtré. -PI et P2 sont les deux pelas d'une source de courant continu quelconque. Le montage inversaur est constitué par un pont de quatre thyristors SCR1, SCR2, SCR3 et SCR4, qui peuvent être amorcés ou commandés en croix. Les anodes des thyristors SCR1 et SCR3 sont reliées par le fil commun Li a la borne positive Pi de la source de courant continu et les cathodes des thyristors SCR2 et SCR4 par le fil commun L2 à la borne négative P2. Du coté de la sortie, les thyristors SCR1 et SCR4 ainsi que SCR2 et SCR3 sont reliés par un fil L3 ou L4 et connectés aux deux bornes de sortie P3 et P4 du circuit de charge et de soudage à courant alternatif.Le trajet de l'arc dans le circuit de soudage est indiqué en LB. Les condensateurs d'extinction Ci et C2 sont branchés en parallèle avec les sorties des thyristors SCR1, SCR3 ou SCR2 et SCR4, entre les fils L3 et L4. Une inductance I1 est utilement branchée en série avec l'arc LB, afin de garantir une durée de l'impulsion du courant de décharge des condensateurs d'extinction au moins égale à celle nécessaire à l'extinction des thyristors. L'inductance produit simultanément une optimisation de la forme rectangulaire du courant délivré par l'inverseur. Les diodes D1, D2 et D3, D4 insérées dans les fils L3 et L4 sont des diodes de découplage, qui équilibrent les deux circuits des condensateurs d'extinction Ci et C2. Sur la figure 1, les bornes de gâchette des quatre thyristors sont en outre désignées par A, B; C-, D; E, F; G, H. En service, les thyristors SCRI et SCR2 d'une part et SCR3 et SCR4 d'autre part sont amenés simultanément & 1 état passant, à tour de roula. Lorsque les thyristors SCR1 et SCR2 par exemple sont déclenchés simulta ment, le courant circule de la borne positive Pi de la tension d'alimentation dans le thyristor SCRI, vers la borne P3 et par suite dans le circuit de charge, dont la borne P4 est reliée par le thyristor SCR2 amorcé a la borne négative P2. Lors du déclenchement simultané suivant des deux autres thyristors SCR3 et SCR4, les thyristors précédemment à l'état passant SCR1 et SCR2 sont éteints, a l'aide des condensateurs d'extinction Ci et C2. On voit que les condensateurs d'extinction Ci et C2, chargés a la polarité instantanée de la tension, se déchargent dans le courant de charge, l'impulsion du courant de décharge des condensateurs d'extinction étant supérieure au courant de charge instantané.Les thyristors SCR1 et SCR2 se trouvant alors à l'état passant sont par suite éteints et seul circule la~courant dans les thyristors SCR3 et SCR4 qui viennent d'être déclenchés. Cet état se conserve jusqu'au nouveau déclenchement des thyristors SCR1 et SCR2, puis le phénomène se répète en sens inverse. Un courant ou une tension alternatif rectangulaire est ainsi produit entre les bornes P3, P4 du circuit alternatif ou de charge, dont la fréquence et la symétrie peuvent être librement choisies & l'aide de la commande des paires de thyristors. La figure 3 représente la forme rectangulaire du courant alternatif obtenu, de fréquence f et de facteur de durée t; on appelle facteur de durée le rapport de l'impulsion rectangulaire positive à l'impulsion rectangulaire négative pendant une période. Les lignes en tirets et en pointillé indiquent que le facteur de durée est variable entre de larges limites, telles qu'une faible valeur t1 et une valeur multiple t2, ces valeurs t1 et t2 pouvant se rapporter au choix à l'alternance positive ou negåtive. La fréquence f du courant alternatif est en outre variable entre de larges limites. La figure 2 représente un circuit de commande préférentiel, qui permet d'obtenir les possibilités précitées de réglage de la fréquence et du facteur de durée. La tension prélevée entre les bornes Pi et P2 de la source de courant continu est stabilisée par une résistance RB et une diode de Zener ZD. Le circuit de commande comporte pour chaque paire de thyristors un oscillateur avec un transistor uni jonction programmable PUT1 ou PUT2. Les deux transistors unijonctions sont synchronisés par un condensateur C3, inséré dans un fil L5 reliant une des bornes de base de ces transistors. Les autres bornes de base des deux transistors unijonctions PUT1 et PUT2 sont reliées par un fil commun L6 au curseur d'un potentiomètre RV2. Le condensateur C3 est en parallèle avec un potentiomètre RV1 et des résistances d'équilibre R1 et R2; le curseur de ce potentiomètre est relié au fil L7 du circuit de commande, connecté a la borne positive P1 de la source de courant continu. Les condensateurs d'impulsions C4 et C5 des deux oscillateurs sont branchés entre le fil L5 et le fil L8 relié la borne négative de la source. Les bornes d'émetteur des transistors unijonctions PUT1 et PUT2 sont reliées chacune par l'enroulement primaire d'un transformateur de déclenchement IT1 ou IT2 au fil L8. Les enroulements secondaires de ces transformateurs de déclen- chement servent à l'amorçage des thyristors correspondants SCR1, SCR2 ou SCR3, SCR4. Les condensateurs d'impulsions C4 et C5 se déchargent alternativement par le transistor unijonction correspondant PUTI ou PUT2 sur l'enroulement primaire du transformateur de déclenchement correspondant ITI ou IT2. Des impulsions sont donc produites alternativement dans les transformateurs de déclenchement, avec une fréquence fonction de la pro gradation des transistors unijonctions, c'est- -dire du réglage instantane du potentiomètre RV2. Le potentiomètre RV1 permet par contre d'ajuster le facteur de durée, c'est-à-dire le rapport de l'alternance positive a l'alternance négative de chaque période. Le montage inverseur selon figure I permet aussi d'utiliser des thyristors apparus récemment, qui sont amorcés par des impulsions de déclenchementpositives et éteints par des impulsions négatives. On obtient dans ce cas un montage particulièrement simple, car il est possible de supprimer les condensateurs d'extinction et les diodes de découplage prévus dans le montage inverseur de la figure 1. La figure 4 représenta un tel montage inverseur modifie, avec les transformateurs de declenchement IT1 et 1T2 fonctionnant dans l'ordre de déclenchement approprié. Le circuit de commande peut être identique a celui de la figure 2. Outre le montage du cte secondaire des deux transformateurs de déclenchement IT1 et IT2, avec les bornes de-déclenchement a et b du thyristor SCR'1, c et d du thyristor SCR'2, e et f du thyristor SCR'3 et g et h du thyristor SCR'4, la figure 4 représenta l'interconnexion des enroulements secondaires des deux transformateurs de déclenchement par les diodes d' insérées dans ce cas. On voit que pour une impulsion dans le transformateur de déclenchement IT1, les thyristors SCR'1 et SCR'2 reçoivent un signal de gâchette positif, tandis que les thyristors SCR'3 et SCR'4 reçoivent un signal de gâchette de polarité négative.Les thyristors SCR'1 et SCR'2 sont ainsi commandés à l'état passant, tandis que les thyristors SCR'3 et SCR'4 se bloquent. Pour une impulsion suivante délivrée par le transformateur de déclenchement IT2, les thyristors SCR'1 et SCR'2 précédemment passants sont déconnectés par une impulsion de gachette négative, tandis que les thyristors SCR'3 etSCR'4 reçoivent une impulsion positive et deviennent donc passants. La figure 5 représente un troisième exemple de réalisation d'un montage inverseur, comportant un pont de transistors TRI, TR2, TR3 et TR4, commandés en croix. Les bases des transistors sont reliées par des fils TLl a TL4 aux sorties de commande d'un étage d'attaque TS. Les collecteurs des transistors TRI et TR3 sont reliés au fil Li connecté à la borne positive P1 de la source de courant continu, tandis que les émetteurs des transistors- TR2 et TR4 sont relies par le fil L2 a la borne négative P2.L'émetteur du transistor TRI. et le collecteur du transistor TR4 sont connectés par le fil commun L3 a une sortie du circuit de soudage, tandis que l'émetteur du transistor TR3 et le collecteur du transistor TR2 sont connectés par le fil commun L4 à l'autre sortie P4 du circuit de soudage. Comme précédemment indiqué, les transistors TRI et TR2 ainsi que les transistors TR3 et TR4 sont commandés et bloqués simultanément, en alternance. Le courant alternatif rectangulaire indiqué sur la figure apparaît ainsi sur les deux sorties P3 et P4 du circuit de soudage. Les transistors de haute puissance actuellement commercialisés exigeant un circuit de commande et d'attaque coûteux par suite du courant de base élevé requis, il est envisagé de constituer l'étage d'attaque des bases des transistors de puissance à l'aide de thyristors déconnectables. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Dispositif pour la production d'un courant alternatif rectangulaire à partir d'un courant continu pour le soudage à l'arc électrique, et notamment en liaison avec une source pour le soudage en courant continu ou alternatif au choix, ledit dispositif étant caractérisé par un pont, alimente en courant continu, d'interrupteurs électroniques amenés à l'état passant en croix et reliés par paire à une sortie commune du circuit de soudage, et de préférence par un pont de thyristors muni d'un circuit de commande. 2. Dispositif selon revendication 1, caractérisé par la commande simultanée à l'état passant et en alternance de deux thyristors à la- fois, dont un est relié par son anode à la borne positive de la source de courant continu et l'autre par sa cathode à la borne négative. 3. Dispositif selon une des revendications 1 et 2, caractérisé par des condensateurs d'extinction, se déchargeant dans le circuit de charge, pour l'extinction de la paire de thyristors se trouvant à l'état passant. 4. Dispositif selon revendication 3, caractérisé par le branchement d'un condensateur d'extinction en parallèle avec les sorties de chaque paire de thyristors dont l'entrée est connectée à la même borne de la source de courant continu. 5. Dispositif selon une des revendications 3 ou 4, caractérisé par des diodes de découplage, insérées dans le circuit de charge des thyristors et séparant les circuits des condensateurs d'extinction. 6. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par une inductance branchée-en série avec le trajet de l'arc. 7. Dispositif selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le montage inverseur comporte des thyristors, que des impulsions de déclenchement positives du circuit de commande amènent dans l'état passant et que des impulsions négatives bloquent. 8. Dispositif selon revendication -1, caractérisé en ce que les organes de commutation électroniques sont constitués par des transistors, commutables alternativement par paire et dont les bases sont reliées à un étage d'attaque. 9. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 a 7, caractérisé en ce que le circuit de commande du pont de thyristors comporte pour chaque paire de thyristors un oscillateur, avec un transistor unijonction et un condensateur d'impulsions, se déchargeant sur ce dernier et dont les impulsions de décharge amorcent les thyristors correspondants de la paire considérée. 10. Dispositif selon revendication 9, caractérisé par un condensateur de couplage, synchronisant les deux transistors unijonctions. 11. Dispositif selon une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que les oscillateurs sont reliés à la tension continue avec les transistors unijonctions et les condensateurs d'impulsions. 12. Dispositif selon une quelconque des revendications 9 a 11, caractérisé en ce que des transformateurs d'impulsions, dont les enroulements secondaires sont connectés à la gâchette des thyristors, sont prévus pour la transmission des impulsions d'amorçage délivrées par les oscillateurs. 13. Dispositif selon une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé par un organe da réglage, constitué de préférence par un potentio- mètre, permettant un décalage relatif des alternances positives et négatives du courant alternatif produit. 14. Dispositif selon une quelconque des revendications 9 a 13, caractérisé par un organe de réglage, inséré dans le circuit de commande des thyristors en pont et constitué de préférence par un potentiomètre, pour le réglage de la fréquence du courant alternatif produit.