Brevet FR2480647A1 — publié le 19811023

La présente invention concerne un générateur de courant continu5pour le soudage - l'arc, du type comprenant un premier redresseur qui alimente en courant continu un onduleur autonome moyenne fréquence a thyristors à commutation à résonance par circuit oscillant du type série, l'inductance et le condensateur du circuit oscillant étant connectés en série, et un transformateur de soudage dont l'enroulement primaire est connecté à la sortie de l'onduleur et dont l'enroulement secondaire est connecté à une électrode de soudage à travers un deuxième redresseur. Dans le soudage à l'arc, la charge est extrêmement variable. En effet, selon les nécessités du soudage à rea-- liser, la puissance nécessaire doit pouvoir être réglée dans de grandes limites, si possible en une seule plage de réglage continu. En outre, lorsque l'arc est interrompu, la charge est nulle .Enfin, l'amorçage de l'arc est pratiquement toujours réalisé par la mise en court-circuit de l'électrode de soudage. Les générateurs de courant continu à onduleur connus pour le soudage à l'arc sont de deux types Dans les générateurs du premier type, un onduleur à transiston alimente un transformateur de soudage à partir du réseau de distribution de l'électricité redressé et filtré-. Cette solution est théoriquement idéale, mais, malheureusement, dans l'état actuel de la technique de fabrication des transistors, ceuxci ne sont pas adaptés aux puissances nécessaires au soudage, aussi bien en tension qu'en intensité, obligeant à l'emploi de montages de transistors en série-parallèle qui sont coûteux et peu fiables.Dans les générateurs du deuxième type, un onduleur à thyristorsà commutation à résonance par circuit oscillant du type série alimente un transformateur de soudage dont l'enroulement primaire est connecté en série avec le condensateur du circuit oscillant. L'onduleur à thyristors à commutation à résonance par circuit oscillant du type série est habituellement préféré à un onduleur à thyristors à commutation à résonance par circuit oscillant du type parallèle, car le premier peut admettre des variations de charge plus importantes que le second.Les thyristors de puissance sont théoriquement bien adaptés aux problèmes du soudage à l'arc. Cependant, les contraintes dues au type d'onduleur par rapport aux conditions de travail très variables (plage de réglage des intensités de soudage très étendue fonctlonnement à vide et fonctionnement en courtcircuit fréquents) réduisent nettement la fiabilité et obligent à une commutation en plusieurs plages de la gamme des intensités. En outre, en marche à vide, les ondur leurs à thyristors à commutation à résonance par circuit oscillant du type série présentent un risque d'emballement en tension.Par ailleurs, la fréquence de ces onduleurs varie dans une large mesure avec l'intensite de soudage, de sorte que le transformateur doit être dimensionné, pour son circuit magnétique, en tenant compte de l'intensité la plus faible (fréquence la plus basse) et, pour ses enroulements, en tenant compte de l'intensité la plus forte (fréquence la plus haute). La présente invention a donc pour but de résoudre les problèmes posés par l'utilisation d'un onduleur à thyristors à commutation à résonance par circuit oscillant du type série dans un générateur de courant continu pour le soudage à l'arc. Selon l'invention, ces problèmes sont résolus par le fait que l'enroulement primaire du transformateur de soudage est connecté en parallèle sur le condensateur du circuit oscillant, et par le fait qu'un circuit auxiliaire de décharge comprenant une inductance saturable et une diode dans chaque branche de l'onduleur est prévu pour décharger rapidement ledit condensateur lorsque la charge est faible ou nulle. Le fait que l'enroulement primaire du transformateur de soudage soit connecté en parallèle sur le condensateur du circuit oscillant revient à mettre la charge en parallèle sur ce condensateur. Cette mise en parallèle de la charge permet l'emploi du circuit auxiliaire de décharge à inductance saturable, lequel permet à son tour d'évacuer rapidement l'énergie contenue dans le condensateur du circuit oscillant quand cette énergie n'est pas nécessaire au soudage (circuit de soudage ouvert ou marche à vide) ou d'évacuer le surplus d'énergie contenue dans ledit condengateur qd d l'énergie nécessaire au soudage est faible. Ceci contribue à réduire le risque d'emballement en tension en marche à vide.En outre, grace au circuit auxiliaire de décharge, le générateur peut débiter sur des charges très variables sans modification de la structure de l'sonduleur, permettant ainsi un réglage continu en une seule plage de 1 'intenaité du courant de sondage.La fré quence varie avec la ch,arge, mais le rapport tension/fréquence reste quasi constant, de sorte que le transformateur de soudage travaille dans les meilleures conditions quelle que soit la charge et peut être dimensionné au plus juste, ce qui permet de réduire son poids et son volume, Pour empêcher la conduction simultanée des thyristors de l'onduleur et éliminer complètement le risque d'emballement, un détecteur de passage par zéro peut être prévu pour détecter le passage par zéro de la tension aux bornes du condensateur du circuit oscillant.Le détecteur de passage par zéro est associé à un dispositif de régulation du type numérique à fonctionnement très rapide qui est agencé pour envoyer une impulsion d'amorçage sur la gâchette des thyristors de l'onduleur seulement lorsque la tension aux bornes du condensateur du circuit oscillant est redevenue nulle. En outre, le dispositif de régulation est agencé pour permettre l'envoi d'une nouvelle impulsion sur la gachette des thyristors seulement lorsque la valeur du signal de sortie du générateur (courant, tension, puissance ou énergie) est inférieure a une valeur de référence présélectionnée.Dans ces conditions, la fréquence de l'onduleur est déterminée non seulement par le choix des composants (inductanceset capacités), mais aussi par la détection du passage par zéro de la tension aux bornes du condensat teur du circuit oscillant et par la comparaison du signal de sortie avec la valeur de référence présélectionnée. Le générateur selon l'invention est donc particulièrement bien adapté au soudage à l'arc puisqu'il permet un fonctionnement stable avec des charges très variables dans une gamme de réglage très étendue, tout en disposant d'un double système de verrouillage de la commande des thyristors (détection de l'annulation de la tension aux bornes du condensateur du circuit oscillant et comparaison du signal de sortie avec une valeur de référence présélectionnée) qui lui confère une très grande fiabilité. En outre, selon le type de régulation utilisé (régulation en courant ou régulation en tension), il permet d'obtenir une caractéristique externe tombante du type anticompound ou une caractéristique externe horizontale.Dans le premier cas, le générateur convient pour le soudage à l'arc avec électrodes manuelles enrobées ou avec électrodes en tungstene sous argon, la tension d'arc étant alors définie par l'électrode. Dans le second cas, le générateur convient pour le soudage à l'arc, sous gaz ou sous flux en poudre, avec fils massifs ou fourrés dévidés à vitesse constante. On décrira maintenant, à titre d'exemple, une forme d'éxécution du générateur selon la présente invention en faisant référence à la figure unique du dessin annexé qui représente le schéma du circuit électrique du générateur. Dans le dessin, le cadre 1 contient un redresseur classique qui est alimenté par le réseau de distribution de l'electri- cité et qui permet d'obtenir une-tension redressée. Selon la conception du générateur, le redresseur 1 peut être, de façon connue, monophasé ou triphasé et constitué de diodes ou de thyristors. Le cadre 2 contient une unité-de filtrage propre à filtrer la tension redressée fournie par le redresseur 1 et à donner une tension continue pour l'alimentation de l'onduleur contenu dans le cadre 3. L'unité de filtrage 2 est constituée par une self de filtrage 21 et par deux condensateurs 22 et 23 montés en série pour servir de diviseur de tension pour l'alimentation de l'onduleur dans chaque alternance. L'onduleur contenu dans le cadre 3 est un onduleur autonome à thyristors à commutation à résonance par circuit oscillant du type série. Dans l'exemple représenté sur le dessin, il comprend deux inductances 31 et 32, un condensateur 33 et deux thyristors 34 et 35 qui sont commandés de façon à être rendus conducteurs alternativement. L'inductance 31, le thyristor 34 et le co n densateur 33 sont connectés en série aux bornes du condensateur 22 de l'unité de filtrage 2, tandis que le condensateur 33, le thyristor 35 et l'inductance 32 sont connectés en série aux bornes du condensateur 23 de l'unité de filtrage.Ainsi, pendant une alternance, c 'est-à-dire pendant que le thyristor 34 est conducteur, le condensateur 33 est chargé à travers l'inductance 31 et le thyristor 34. -De même, pendant l'autre alternance, c'est-à-dire pendant que le thyristor 35 est conducteur, le condensateur 33 est charge à travers l'inductance 32 et le thyristor 35. Pour chaque alternance, l'inductance 31 et le condensateur 33 ou l'inductance 32 et le condensateur 33 forment un circuit oscillant du type série qui permet l'extinction du courant dans le thyristor correspondant 34 ou 35. Le cadre 4 contient un transformateur moyenne fréquence 41 dont l'enroulement primaire est connecté aux bornes du condensateur 33. L'enroulement secondaire du transformateur 41 est connecté par l'intermédiaire d'un deuxième redresseur 5 et d'un circuit de filtrage 6 à une électrode de soudage 7 et à la pièce à souder 8. Du fait de la fréquence relativement élevée du courant délivré par le transformateur 41 (la fréquence la plus basse de l'onduleur étant généralement supérieure à 1.000 Hz), le courant fourni par le transformateur ne peut pas être utilisé directement pour le soudage, d'oh la présence du redresseur 5 et du circuit de filtrage 6. Dans l'exemple de réalisation montré jur le dessin, le redresseur 5 peut comporter deux diodes 51 dont les anodes sont reliées chacune à une extrémité de l'enroulement secondaire du transformateur 41 et dont les cathodes sont reliées à l'électrode de soudage 7. Il va cependant de soi que l'on peut utiliser pour le redresseur 5 tout autre mode de redressement connu à une, deux, quatre ou six diodes. Dans l'exemple représenté sur le dessin, le circuit de filtrage 6 est constitué par une self de filtrage 61 qui est connectée entre la pièce à souder 8 et le point milieu de l'enroulement secondaire du transformateur 41 et qui est dimensionnée de façon connue selon le type de redressement choisi et les caractéristiques du générateur. Du fait que l'enroulement primaire du transformateur 41 est connecté en parallèle sur le condensateur 33, cela revient à mettre la charge (arc de soudage) en parallèle sur le condensateur 33. Cette mise en parallèle de la charge sur le condensateur 33 permet de prévoir dans l'onduleur 3 un circuit auxiliaire de décharge propre à décharger le condensateur 33 lorsque la charge est faible ou nulle. Dans l'exemple représenté sur le dessin, le circuit auxiliaire de décharge comporte essentiellement une inductance saturable 36 et deux diodes 37 et 38.L'une des bornes de l'inductance saturable 36 est connectée au point de jonction entre l'une des armatures du condensateur 33, la cathode du thyristor 34 et l'anode du thyristor 35, tandis que l'autre borne de l'inductance saturable 36 est connectée d'une part, par l'intermédiaire de la diode 37,au point de jonction entre l'inductance 31 et le thyristor 34 et d'autre part, par l'intermédiaire de la diodes 38,au point de jonction entre l'inductance 32 et le thyristor 35. Quand l'électrode de soudage 7 est mise en court-circuit avec la pièce à souder 8 pour l'amorçage de l'arc ou quand l'énergie nécessaire au soudage est importante, la charge présente une impédance nettement plus faible que celle de l'inductance saturable 36.Dans ces conditions, pendant chaque alternance, le condensateur 33 se décharge essentiellement à travers l'enroulement primaire du transformateur de soudage 41 pour alimenter la charge. Par contre, quand la charge est nulle (circuit de soudage ouvert ou marche à vide) ou quand l'énergie nécessaire au soudage est faible, la charge présente une impédance substantiellement plus élevée que dans le premier cas.Dans ces conditions, le condensateur 33 ne pouvant pas se décharger à travers l'enroulement primaire du transformateur de soudage 41 ou pouvant seulement se décharger partiellement à travers ledit enroulement primaire maintient sur l'inductance saturable 36 une tension telle que cette inductance se sature rapidement, ce qui permet au condensateur 33 de renvoyer rapidement l'énergie qu'il contient vers la source 1, 2 à travers la diode 37 et l'inductance 31 ou à travers la diode 38 et l'inductance 32 selon l'alternance considérée. Le générateur selon l'invention comprend en outre un dispositif de régulation 9 conçu pour délivrer des impulsions de commande alternativement aux gâchettes 34a et 35a des deux thyristors 34 et 35 pour les rendre alternativement conducteurs seulement lorsque deux conditions sont réunies. La première condition est que la tension aux bornes du condensateur 33 est redevenue nulle. La seconde condition est que le signal de sortie (courant, tension, puissance ou énergie) du générateur est devenu inférieur à une valeur de consigne ou de référence présélectionnée. Dans l'exemple de réalisation représenté sur le dessin, le signal de sortie du générateur est régulé en puissance. A cet effet, un dispositif de mesure 91 de type connu mesure l'intensité du courant de l'arc de soudage et délivre un signal électrique I proportionnel à ladite intensité. Un autre dispositif de mesure 92 de type connu mesure la tension d'arc et délivre un signal électrique U proportionnel à ladite tension. Les signaux I et U sont appliqués à un multiplicateur 93 de type connu qui délivre sur sa sortie un signal S proportionnel au produit I.U, c'est-à dire proportionnel à la puissance délivrée par le générateur. Le signal S est appliqué à l'une des deux entrées d'un comparateur 94 qui reçoit sur son autre entrée un signal de référence Sref correspondant a une valeur de consigne présélectionnée de la-puissance. La valeur de consigne présélectionnée peut être par exemple la tension disponible sur le curseur d'un potentiomètre. Le comparateur 94 est conçu pour fournir sur sa sortie un signal lorsque la valeur du signal S devient inférieure à la valeur du signal de référence Bref. La sortie du comparateur 94 est connectée à l'une des deux entrées d'une porte ET 95 dont l'autre entrée est connectée à la sortie d'un détecteur de passage par zéro 96 de type connu. Ce détecteur 96 est connecté aux bornes du condensateur 33 et délivre un signal sur sa sortie lorsque la tension aux bornes du condensateur 33 passe par zéro.Lorsque des signaux sont présents à la fois sur la sortie du comparateur 94 et sur celle du détecteur 96., c'est-à-dire sur les deux entrées de la porte ET 95, celle-ci délivre sur sa sortie un signal qui est mis en forme par un circuit de mise en forme 97, constitué par ex Xple par un circuit monostable. Le signal de sortie du circuit 97 est envoyé à un diviseur par deux 98 qui peut être constitue par exemple par une bascule du type D ou du type JK connectée de façon connue en diviseur par deux. Les sorties Q et Q de la bascule 98 sont connectées respectivement aux gâchettes 34a et 35a des thyristors 34 et 35 de façon à les rendre alternativement conducteurs.Avec le dispositif de régulation 9 qui a été décrit ci-dessus, les thyristors 34 et 35 de l'onduleur sont rendus conducteurs seulement quand la puissance disponible à la sortie du générateur est inférieure à la valeur de consigne présélectionnée et quand la tension aux bornes du condensateur 33 passe par zéro. On évite ainsi de faire travailler l'onduleur A au régime lorsque la puissance nécessaire au soudage est faible ou nulle et on évite aussi un emballement en tension de l'onduleur du fait que les thyristors 34 et 35 ne peuvent pas être rendus conducteurs pour charger le condensateur 33 tant que la tension aux bornes de celui-ci n'est pas redevenue nulle. Quel que soit le régime de fonctionnement, le transformateur 41 travaille à une fréquence supérieure à 1.000 Hz et il peut de ce fait être très réduit en dimensions par rapport à un transformateur de soudage a l'arc de puissance égale fonctionnant directement sur le réseau de distribution a 50 Hz. Le générateur selon l'invention peut non seulement être utilisé pour le soudage à l'arc, mais également pour le découpage à l'arc. Dans la forme d'exécution qui a été décrite ci-dessus, l'onduleur 3 est un onduleur monophasé qui représente le système le plus simple et qui est plus particulièrement intéressant pour les faibles puissances. Toutefois, l'invention n'est pas limitée à un tel onduleur monophasé mais est également applicable à des onduleurs polyphasés en demi-pont ou en pont complet. Il est du reste bien entendu que la forme d'exécution de la présente invention qui a été décrite ci-dessus a été donnée à titre d'exemple purement iAdicatXf et nullement limitatif, et que de nombreuses variantes. peuvent être facilement imaginées par 1'homme de l'art sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. C'est ainsi notamment que, au lieu d'utiliser une régulation en puissance, on peut utiliser plus simplement une régulation en courant ou une régulation en tension. Dans le premier cas, le dispositif de mesure 92 et le multiplicateur 93 peuvent être supprimés et le signal de sortie du dispositif de mesure 91 peut appliqué directement à l'une des entrées du comparateur 94. De même, dans le second cas, le dispositif de mesure 91 et le multiplicateur 93 peuvent être supprimés et le signal de sortie du dispositif de mesure 92 peut être appliqué directement à l'une des entrées du comparateur 4. Enfin, on peut aussi utiliser une régulation en énergie par exemple en prévoyant un circuit approprié de réaction entre la sortie et l'entrée du mufti plicateur 93. REVENDICATIONS 1.- Générateur de courant continu pour le soudage à l'arc, du type comprenant un premier redresseur (1) qui alimente en courant continu un onduleur autonome moyenne fréquence (3) à thyristors à commutation à résonance par circuit oscillant du type série, l'inductance (31, 32) et le condensateur (33) du circuit oscillant étant connectés en série, et un transformateur de soudage (41) dont l'enroulement primaire est connecté à la sortie de l'onduleur (3) et dont l'enroue lement secondaire est connecté à une électrode de soudage (7) à travers un deuxième redresseur (5), caractérisé en ce que l'enroulement primaire du transformateur de soudage (41) est connecté en parallèle sur le condensateur (33) du circuit oscillant, et en ce qu'un circuit auxiliaire de décharge (36; ; à 38) comprenant une inductance saturable (36) et une diode (37 ou 38) dans chaque branche de l'onduleur (3) est prévu pour décharger rapidement ledit condensateur (33) lorsque la charge est faible ou nulle. 2.- Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de régulation (9) à fonctionnement très rapide, apte à envoyer des impulsions de commande alternativement sur les gâchettes (34a et 35a) des thyristors (34 et 35) de l'onduleur (3) seulement lorsque deux conditions sont réunies à la fois, à savoir lorsque la tension aux bornes du condensateur (33) du circuit oscillant passe par zéro et lorsque le signal de sortie du générateur devient inférieur à une valeur de référence préréglée.