Brevet FR2529031A1 — publié le 19831223

APPAREIL DE SOUDAGE la présente invention concerne les machines à sou- der électriques. Il a été proposé par la demanderesse de construire un appareil de soudage comprenant un onduleur avec une fré- quence de sortie supérieure à la gamme des fréquences audi- bles, et un transformateur ayant un enroulement primaire avec une prise centrale connecté à l'onduleur, et un enrou- lement secondaire avec des bornes de sortie pour établir une connexion électrique avec une électrode et une pièce à sou- der. Cette machine à souder constitue le sujet du bre- vet ZA 81/2611 de la demanderesse. Pendant le fonctionnement d'une machine à souder de ce genre, une tension égale au double de la tension d'ali- mentation est appliquée aux bornes de l'enroulement primaire. Si la tension d'alimentation est elle-même obtenue à partir d'une tension alternative triphasée redressée, par exemple de 380 volts, une tension d'environ 1000 volts est appliquée aux bornes de l'enroulement primaire pendant le fonctionne- ment Des dispositifs de commutation à transistors capables de supporter cette tension avec le niveau de courant de fonc- tionnement sont difficiles à obtenir et coûteux. On trouve dans les brevets un certain nombre de configurations de circuit de soudage Les brevets connus de la demanderesse sont les brevets GB 2046537, 2019135, 1591185, 1570614, 1541068, 1530906, 1431379, 1420319, 1362163, 1308695 et 722494, les brevets US 4201906, 4159409, 4117303, - 4048468, 4047096, 4038515, 4004209, 3973165, 3818177, 3728516, 3518401, 3304485, 3231711, 3211953; et le brevet DE 2325793. Un grand nombre de ces circuits souffrent des in- convénients décrits. le brevet GB 2046537 décrit une technique diffé- rente dans laquelle on utilise deux onduleurs à base de thy- ristors, du type à pont commandé, chacun d'eux étant connecté à un enroulement primaire, et les deux onduleurs fonctionnant en parallèle Les onduleurs ne présentent pas l'effet de dou- blement de tension Cependant, du fait que les onduleurs sont commandés, ils fonctionnent, ou sont commutés, à une cadence qui est indépendante de la charge Ceci peut nuire aux com- posants du circuit, et si une surcharge se produit, les thy- ristors peuvent e Atre détruits par un échauffement excessif si on ne prend pas des mesures de précautions supplémentaires. Un but de l'invention est de procurer un appareil de soudage qui soit capable de fonctionner à des fréquences situées au-delà de la gamme des fréquences audibles, et dans lequel les problèmes du type mentionné précédemment soient minimisés. L'invention procure un appareil de soudage qui com- prend des premier et second éléments de commutation branchés en série, des troisième et quatrième éléments de commutation branchés en série, les premier et second éléments de commu- tation et les troisième et quatrième éléments de commutation étant respectivement connectés en parallèle sur une alimenta- tion, un transformateur qui comporte un enroulement primaire et un enroulement secondaire à partir duquel un courant de soudage est-absorbé, l'enroulement primaire étant connecté entre les points de connexion des premier et second éléments de commutation d'une part, et des troisième et quatrième éléments de commutation d'autre part, et des moyens de commu- tation auto-oscillants destinés à débloquer alternativement les premier et quatrième éléments de commutation, et les se- cond et troisième éléments de commutation, pour faire en sorte qu'un courant provenant de l'alimentation circule al- ternativement dans des directions opposées dans l'enroule- ment primaire. L Ies moyens de commutation commandent la fréquence de fonctionnement du transformateur, qui est de préférence dans la gamme audible ou au-dessus de celle-ci, de façon que le circuit magnétique du transformateur puisse avoir une masse faible. L Ies moyens de commutation sont auto-oscillants et fonctionnent donc automatiquement, pendant le fonctionnement de l'appareil de soudage, ce qui fait que le circuit de l'appareil de soudage est essentiellement du type à pont à fonctionnement libre, et le fonctionnement du circuit est - déterminé par la charge elle-m 9 me et est donc auto-protec- teur Par exemple, pendant des conditions de surcharge ou de défaut, le circuit cesse d'osciller, ce qui évite une dété- rioration de ses composants. Les moyens de commutation peuvent comprendre des premier, second, troisième et quatrième moyens de détection, respectivement associés aux premier, second, troisième et quatrième éléments de commutation, pour détecter la tension aux bornes d'une partie au moins de chaque élément de commu- tation, pendant qu'il est conducteur, et pour déclencher le blocage de l'élément si la tension est supérieure à un niveau prédéterminé Le moyen de détection respectif peut déclencher simultanément le blocage de l'autre élément de commutation qui est conducteur. Lies éléments de commutation peuvent 9 tre débloqués par des moyens qui sont en couplage, de préférence inductif, avec l'enroulement primaire. Chaque élément de commutation peut consister en un ou plusieurs transistors - Les moyens de détection de tension mentionnés peu- vent comprendre un interrupteur électronique, comprenant de préférence un transistor à effet de champ, destiné à appli- quer une tension prédéterminée sur la base de chaque transis- tor. L'appareil peut comprendre des moyens de stockage d'énergie, qui sont constitués-de préférence par un seul condensateur, aux bornes de l'enroulement primaire L'énergie de sortie de l'enroulement secondaire du transformateur peut 4 tre redressée pour donner une alimentation de sondage à courant continu. Le courant de soudage peut 9 tre commandé au moyen d'une inductance variable branchée dans un conducteur de sortie de l'enroulement secondaire. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif La suite de la description se réfère au dessin annexé qui est un schéma du circuit d'un appareil de soudage conforme à l'invention. On voit sur le dessin un transformateur de soudage , quatre éléments de commutation à transistors, portant respectivement les références 12, 14, 16 et 18, et des cir- cuits de polarisation 20 et des circuits de détection 22 pour chacun des éléments de commutation à transistors. Le transformateur de soudage 10 comprend un enrou- lement primaire 24 et un enroulement secondaire 26 Un con- densateur 28 est branché en parallèle sur l'enroulement pri- maire et quatre redresseurs, désignés globalement par la ré- férence 30, sont branchés à l'enroulement secondaire, avec une configuration en pont Les redresseurs en pont ont des bornes de sortie respectives 32 et 33 et, pendant l'utilisa- tion ces bornes sont connectées à une électrode de soudage et à une pièce qui doit être soudée. Les circuits de polarisation 20 sont identiques, de m 4 me que les circuits de détection 22 On ne décrira donc ci-après la structure que d'un seul circuit de polarisation et d'un seul circuit de détection 22. Un circuit de polarisation 20 comprend un enroule- ment 34 qui est en couplage inductif avec l'enroulement pri- maire 24 du transformateur de soudage L'enroulement est shunté par un condensateur 36 et une diode branchés en série. L'enroulement est connecté par une diode 40 à la base de l'élément de commutation à transistors associé Il convient de noter à ce point qu'en pratique, chaque élément de commu- tation à transistors est constitué par un certain nombre de transistors appropriés connectés en parallèle, mais, par com- modité, on appellera simplement ci-après "transistor" chaque élément de commutation à transistors. Un circuit de détection 22 comprend un transistor à effet de champ 42 avec une diode zener 44 et un enroule- ment 46 connectés en parallèle entre la grille et la source du transistor La grille est connectée par une seconde diode zener 48 et un réseau RO au collecteur de l'élément de commu- tation à transistors associé. Les enroulements 34 des circuits de polarisation associés aux transistors 12 et 18 sont couplés dans un sens à l'enroulement primaire 24, tandis que les enroulements 34 des deux autres circuits de polarisation qui sont associés aux transistors 14 et 16 sont couplés à l'enroulement primai- re dans un sens différent De plus, les enroulements 46 des circuits de détection 22 associés aux transistors 12 et 18 sont en couplage inductif mutuel, tandis que les enroulements 46 des circuits de détection associés aux transistors 14 et 16 sont en couplage inductif mutuel. Chacun des transistors 12 à 18 est shunté, entre son collecteur et son émetteur, par une diode respective de suppression des surtensions transitoires, 52 à 58. Les transistors 12 à 18, qui sont dans une confi- guration en pont, sont branchés entre la masse et une tension d'alimentation V qui provient par exemple d'une alimentation triphasée à redressement. Pendant le fonctionnement de l'appareil de soudage, les paires de transistors 12 et 18 d'une part et 14 et 16 d'autre part sont alternativement débloquées, de façon que l'alimentation soit connectée à l'enroulement primaire 24 avec des polarités opposées Le flux magnétique alternatif induit une tension dans l'enroulement secondaire 26 et on utilise cette tension pour fournir un courant de soudage à l'électrode de soudage. Le circuit fonctionne de la façon suivante La paire de transistors 12, 18 est débloquée initialement au moyen d'une impulsion qui est appliquée aux bases des deux transistors, par l'intermédiaire d'un élément de commutation qui n'est pas représenté Le courant circule alors de l'ali- mentation V vers la masse en passant par le transistor 12, l'enroulement primaire 24 et le transistor 18 Ensuite, les transistors sont placés dans un état fortement conducteur, jusqu'en saturation, au moyen d'un courant de base absorbé à partir des enroulements 34, qui sont couplés à l'enroule- ment primaire 24. Du fait que les transistors 12 et 18 sont fortement conducteurs, la quasitotalité de la tension d'alimentation V est appliquée aux bornes de l'enroulement primaire 24 et le flux magnétique dans le circuit magnétique du transformateur, qui est un circuit magnétique en ferrite, augmente de façon linéaire Lorsque le flux magnétique se sature, le courant magnétisant absorbé par l'enroulement primaire augmente rapi- dement jusqu'à ce que le courant total absorbé par l'enroule- ment primaire, qui est le courant de collecteur traversant les deux transistors 12 et 18, soit égal à la valeur courante du produit du gain en courant et du courant de base Lorsque le courant de collecteur tend à passer au-dessus de cette valeur, les deux transistors tendent à sortir de la satura- tion et la puissance dissipée augmente. Du fait que les transistors quittent l'état de sa- turation, leurs tensions collecteur-émetteur augmentent Les facteurs de gain en courant des transistors 12 et 18 ne sont pas identiques et, par conséquent, l'un des transistors at- teint son courant de collecteur maximal avant l'autre Ainsi, la tension collecteur-émetteur du transistor concerné augmen- te plus rapidement que celle de l'autre transistor On suppo- sera à titre d'exemple que le transistor concerné soit le transistor 12 la tension collecteur-émetteur de ce transis- tor est contrôlée en permanence par le circuit de détection 22 respectif, et lorsqu'elle dépasse la tension zener de la diode zener 48, le transistor à effet de champ 42 devient conducteur et la base du transistor est ainsi connectée au condensateur 36 qui est chargé de façon négative par l'inter- médiaire de la diode 38 La région de base chargée du tran- sistor est ainsi déchargée et le transistor est bloqué avec une réduction considérable dans la durée de diminution du courant de collecteur. Pendant que le transistor 18 est toujours conduc- teur, le condensateur 28 commence à se décharger le coté droit du condensateur est maintenu à la masse par le tran- sistor 18, et un couranten boucle est ainsi établi dans le condensateur et l'enroulement primaire 24 Il ne circule au- cun courant à partir de la source V ou vers celle-ci Lors- que le condensateur 28 commence à changer de polarité, c'est- à-dire lorsque son côté gauche devient négatif, la diode 54 devient conductrice, à condition que le transistor 18 soit toujours conducteur Un courant circule alors dans le tran- sistor 18 vers la masse et à partir de la masse vers le con- densateur, en passant par la diode 54 Si d'autre part le transistor 18 a été bloqué, entre temps, par l'action des enroulements 46 respectifs en couplage mutuel, la tension entre les deux bornes du condensateur 28 est flottante Lors- que la tension aux bornes du condensateur 28 a complètement changé de polarité et dépasse la tension d'alimentation V,- les diodes 54 et 56 deviennent simultanément conductrices et l'énergie excédentaire est ramenée du transformateur vers l'alimentation. Une fois que l'énergie magnétique stockée a été ramenée vers l'alimentation, les transistors 14 et 16 com- mencent à conduire, en étant débloqués par la tension aux bornes des enroulements de base 34 Le courant provenant de l'alimentation V circule donc dans la direction opposée dans l'enroulement primaire 24 et, en continuant de cette manière, le processus ci-dessus se répète et un champ correspondant à un flux magnétique alternatif est établi dans le circuit ma- gnétique du transformateur. la tension induite dans l'enroulement secondaire 26 est redressée dans le redresseur en pont 30 et elle est appliquée aux bornes 32 et 33 pour le soudage le courant de soudage qui est absorbé peut être commandé au moyen d'une inductance variable 64 qui est branchée dans les conducteurs. de sortie de l'enroulement secondaire. Ia configuration de circuit décrite est celle d'un circuit en pont auto-oscillant On utilise les quatre tran- sistors pour commander la circulation du courant dans des directions opposées et alternées dans l'enroulement primaire 24 On utilise les circuits 20 pour débloquer la paire appro- priée de transistors Les circuits procurent également une tension appropriée pour aider au blocage des transistors respectifs On utilise les circuits de détection 22 pour contrôler la tension collecteur-émetteur de chaque transis- tor, et pour bloquer les paires respectives de transistors lorsque la tension collecteur-émetteur de l'un des transis- tors atteint une valeur prédéterminée Ia vitesse maximale de variation de la tension collecteur-émetteur de n'importe quel transistor est commandée au moyen du condensateur 28, qui établit un chemin pour le courant de charge à l'instant correct et qui fait en sorte que la tension collecteur-émet- teur correcte change à une vitesse commandée pendant la com- mutation Le circuit auto-oscillant a donc un fonctionnement qui dépend de la charge la conception est telle que dans le cas d'une surcharge, ou d'un fonctionnement défectueux, l'action d'oscillation est arretée, ou tout au moins modi- fiée pour limiter le courant absorbé à partir du circuit. Ceci est un avantage important du fait que les composants du circuit sont ainsi entièrement protégés. Dans la configuration de l'invention, la pleine tension d'alimentation est appliquée aux bornes de l'enrou- lement primaire 24 avec des polarités alternativement oppo- sées Il n'y a donc pas d'effet de doublement de tension et les transistors qui sont utilisés en tant qu'éléments de commutation peuvent donc gtre choisis avec une tension nomi- nale égale à la tension d'alimentation le condensateur uni- que 28 qu'on utilise dans un but d'amortissement est égale- ment notablement moins cher et beaucoup moins complexe que les réseaux de récupération équivalents qu'on utilise pour la protection des transistors, et il est aussi efficace. Dans une machine à souder construite conformément aux principes de l'invention, le courant de sortie moyen est de 200 A, avec possibilité de réglage continu de O à 200 A et avec un courant de court-circuit de 300 A La tension en circuit ouvert est de 80 V et la machine à souder a une mas- se de 6 kg la machine à souder fonctionne à partir d'une alimentation triphasée 380 V, 50 Hz, ou d'une alimentation monophasée 220 V, 50 Hz, et sa fréquence de sortie est de à 20 k Hz. Il convient de noter que dans la mesure oh le cir- cuit de l'invention est auto-oscillant, la fréquence de fonc- tionnement exacte est déterminée par les conditions de fonc- tionnement Cependant, en ce qui concerne le circuit magné- tique, la conception du circuit est telle que la fréquence de fonctionnement soit suffisamment élevée pour conduire à un circuit magnétique de masse faible D'autre part, la fré- quence n'est pas élevée au point que les pertes électriques dans le circuit magnétique deviennent importantes. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées à l'appareil décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDIC'ATIONS 1 Appareil de soudage, comprenant des premier et second éléments de commutation ( 12, 14) branchés en série, des troisième et quatrième éléments de commutation ( 16, 18) branchés en série, les premier et second éléments de commu- tation ( 12, 14) et les troisi'ème et quatrième éléments de commutation ( 16, 18), étant respectivement connectés en pa- rallèle sur une alimentation (V), et un transformateur ( 10) qui comporte un enroulement primaire ( 24) et un enroulement secondaire ( 26) à partir duquel un courant de soudage est absorbé, l'enroulement primaire ( 24) étant connecté entre les points de connexion ( 60, 62) des premier et second élé- ments de commutation ( 12, 14) d'une part, et des troisième et quatrième éléments de commutation ( 16, 18) d'autre part, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de commutation auto-oscillants ( 20, 22, 28) destinés à débloquer alternati- vement les premier et quatrième élémentsde commutation ( 12, 18), et les second et troisième éléments de commutation ( 14, 16), pour faire en sorte qu'un courant provenant de l'alimentation (V) circule alternativement dans des direc- tions opposées dans l'enroulement primaire ( 24). 2 Appareil de soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 34) qui sont en couplage avec l'enroulement primaire ( 24) pour débloquer les éléments de commutation ( 12, 14, 16, 18). 3 Appareil de soudage selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de commutation ( 20, 22, 28) comprennent des premier, second, troisième et quatrième moyens de détection ( 22), respecti- vement associés aux premier, second, troisième et quatrième éléments de commutation ( 12, 14, 16, 18), et chacun des moyens de détection ( 22) détecte la tension aux bornes d'une partie au moins de l'élément de commutation respectif pen- dant qu'il est conducteur, et déclenche le blocage de cet élément de commutation si la tension est supérieure à un niveau prédéterminé. 4 Appareil de soudage selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens ( 46) qui cou- plent les premier et quatrième moyens de détection ( 22), et des moyens ( 46) qui couplent les second et troisième moyens de détection ( 22), grâce à quoi lorsque le blocage de l'un des premier et quatrième éléments de commutation ( 12, 18) est déclenché, le blocage de l'autre élément de commutation parmi les premier et quatrième éléments de com- mutation est déclenché de façon pratiquement simultanée, et lorsque le blocage de l'un des second et troisième éléments de commutation ( 14, 16) est déclenché, le blocage de l'au- tre élément de commutation parmi les second et troisième éléments de commutation est déclenché de façon pratiquement simultanée. Appareil de soudage selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que chaque élément de commutation ( 12, 14, 16, 18) comprend au moins un tran- sistor, et chaque moyen de détection ( 22) comprend des moyens de commutation électroniques ( 42) qui appliquent une tension prédéterminée à la base du ou de chaque transistor, lorsque le blocage de l'élément de commutation respectif est déclenché. 6 Appareil de soudage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de stockage d'énergie ( 28) connectés aux bornes de l'enroulement primaire ( 24). 7 Appareil de soudage selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une inductance variable ( 64) branchée dans un conducteur de sortie de l'enroulement secondaire ( 26) pour commander le courant de soudage. 8 Appareil de soudage comprenant quatre éléments de commutation ( 12, 14, 16, 18), et un transformateur ( 10) ayant un enroulement primaire ( 24) et un enroulement secon- daire ( 26) à partir duquel un, courant de soudage est absor- bé, les éléments de commutation et l'enroulement primaire étant connectés en une configuration en pont; caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de commande ( 20, 22, 28) destinés à commuter automatiquement les éléments de commu- tation respectifs à l'état conducteur et à l'état bloqué, pour faire circuler ainsi un courant alternatif dans l'en- roulement primaire ( 24), ces moyens de commande réagissant à la circulation du courant dans l'enroulement primaire de façon que la cadence de commutation des éléments de commuta- tion dépende du courant qui traverse les éléments de commu- tation. 9 Appareil de soudage selon la revendication 8, caractérisé en ce que la tension aux bornes d'une partie au moins de chaque élément de commutation ( 12, 14, 16, 18) dé- pend du courant qui traverse cet élément de commutation, et les moyens de commande ( 20, 22) comprennent des moyens de détection ( 22) qui détectent cette tension et qui déclenchent le blocage de l'élément de commutation considéré lorsque la tension dépasse un niveau prédéterminé.