Brevet FR2695584A1 — publié le 19940318

Al 2695584 Cette invention se rapporte à un dispositif de soudure à l'arc utilisé pour une soudure à l'arc en courant alternatif (c a). En général, dans une soudure à l'arc en c a, un courant circulant à travers une charge de soudure alterne sa polarité et passe par sa valeur zéro à chaque moitié de sa période d'alternance, interrompant de ce fait un état d'arc En conséquence, il est nécessaire de rétablir 1 ' état d'arc à chaque fois Quand un matériau de base formant la charge de soudure entre une électrode de soudure est un métal comme l'aluminium, qui est facilement oxydé, et qu'un courant alternatif de forme d'onde sinusoïdale est fourni à la' charge de soudure, un film d'oxyde sur la surface du matériau de base est éliminé par un phénomène de nettoyage pendant une demi période pendant laquelle le matériau de base est négatif et l'électrode est positive, mais il devient difficile de rétablir l' état d'arc puisque l'émission d'électrons est retardée par manque d'énergie directement après une transition de polarité Dans un art antérieur, le dispositif de soudure à l'arc est utilisé pour une soudure à l'arc de ce type, en conséquence, son énergie de rétablissement de l'arc a été améliorée en transformant la forme d'onde sinusoïdale du courant de soudage en une forme d'onde rectangulaire. Un tel dispositif de soudure à l'arc de type de forme d'onde rectangulaire est décrit, par exemple, dans le gazette de publication des modèles d'utilité du Japon No H 3 ( 9 l)-41891 Dans ce dispositif de soudage, comme montré dans la Figure 1, une alimentation en courant alternatif triphasé commerciale fournie aux bornes d'entrée de courant la, lb et lc est redressée et lissée par un redresseur d'entrée triphasé 2 d'une configuration à pont de diodes et un condensateur de filtrage 3 et appliquée ensuite à un dispositif convertisseur en courant alternatif à haute fréquence 4. Le dispositif 4 est composé d'un inverseur à pont intégral incluant des éléments de commutation tels que des transistors bipolaires à grille isolée (ci-après référencés en "IGBT") et des transistors à effet de champ (ci-après référencés en 1 'FET") et commandés par un dispositif de commande d'inverseur de haute fréquence 5 pour transformer le courant continu d'entrée en un courant alternatif de fréquence élevée La sortie de courant alternatif de haute fréquence du dispositif 4 est fournie à un enroulement primaire 6 a du transformateur d'alimentation 6 et la sortie de courant alternatif de haute fréquence de son enroulement secondaire 6 b est redressée par le redresseur principal 7 de configuration à pont de diodes La sortie de courant continu du redresseur 7 à travers ses bornes de sortie positive et négative 7 p et 7 N est lissée par une self en courant continu 8 et fournie à un dispositif convertisseur en courant alternatif de basse fréquence 9 Le dispositif 9 est composé d'un inverseur à pont intégral incluant les éléments de commutation 10, 11, 12 et 13 tels que des IGBT ou FET et commandé par un dispositif de commande d'inverseur à basse fréquence 14 pour convertir le courant continu d'entrée en un courant alternatif de forme d'onde rectangulaire de basse fréquence de dix à plusieurs centaines de helts qui est alors fourni à travers les bornes de sortie 9 a et 9 b à une électrode 20 et à un matériau de base 21 qui forment la charge de soudure 19 entre eux Les éléments de commutation 10, Il, 12 et 13 sont munis de diodes empêchant le contre-courant 15, 16, 17 et 18 respectivement connectées en parallèle avec eux. Dans la Figure 2, A indique une forme d'onde du courant de sortie circulant à travers la charge de soudure 19 Comme montré, le courant de soudage dans ce cas est un courant alternatif ayant une forme d'onde rectangulaire, qui a une grande énergie au moment de la transition de polarité et améliore l'énergie de rétablissement de l'état d'arc Dans le dessin, Ten signale une période de polarité normale pendant laquelle le matériau de base 21 est positif et l'électrode 20 est négative et Tep signale une période de polarité inverse pendant laquelle le matériau de base 21 est négatif et l'électrode 20 est positive Cependant, dans ce cas également, lorsque le courant de soudage est inférieur à ampères, le rétablissement de l'état d'arc est susceptible de devenir difficile spécialement au moment de la transition de polarité normale-à-inverse, puisque l'énergie stockée dans la self à courant continu est insuffisante. Afin de compenser cette insuffisance, le dispositif de la Figure 1 est muni d'une source d'alimentation auxiliaire en courant continu 22 utilisée pour une superposition de tension de rétablissement d'arc comme montré La source d'alimentation en courant continu 22 inclut l'enroulement tertiaire de survolteur 6 c du transformateur d'alimentation 6, un redresseur auxiliaire 24 et un condensateur 25 et une sortie de courant alternatif de l'enroulement tertiaire 6 c du transformateur d'alimentation 6 est redressée et lissée par le redresseur 24 et le condensateur 25 pour produire une tension de rétablissement d'arc auxiliaire qui est plus élevée que la tension principale en courant continu. La tension auxiliaire est fournie à travers une résistance de limitation de courant 26 à l'entrée du dispositif convertisseur en courant alternatif de basse fréquence 9 et superposée à la tension principale en courant continu La tension auxiliaire sert à élever la tension d'amorçage au moment de la transition de polarité de la charge de soudure 19 et à faciliter le rétablissement de i' état d'arc pour éliminer 1 insuffisance mentionnée ci-dessus. Une diode 27 connectée en parallèle à la résistance de limitation de courant 26 est utilisée pour absorber une tension transitoire et sert à empêcher une augmentation transitoire de la tension d'entrée du dispositif convertisseur en courant alternatif de basse fréquence 9 Plus particulièrement, lorsqu'un câble pour connecter les bornes de sortie 9 a et 9 b du dispositif 9 à la charge de soudure 19 est très long et que son inductance n'est pas négligeable, une tension transitoire excessive due à cette inductance est susceptible de se produire à l'entrée du dispositif 9 à l'instant de la transition de polarité de la charge de soudure 19 sur la base de l'opération de commutation des éléments de commutation à 13 A ce moment, cependant, la diode 27 conduit à faire que le condensateur 25 absorbe la tension transitoire, supprimant de ce fait l'augmentation de tension au niveau de l'entrée du dispositif 9. Dans le dispositif de soudure à l'arc de l'art antérieur mentionné ci-dessus, la source d'alimentation en courant continu auxiliaire 22 est toujours connectée par la résistance de limitation de courant 26 à l'entrée du dispositif convertisseur en courant alternatif de basse fréquence 9 D'autre part, il a été confirmé de façon expérimentale que la tension d'amorçage entre l'électrode de soudage 20 et le matériau de base 21 doit être de 200 volts au moins pour rétablir l' état d'arc et elle doit être de 250 volts pour assurer une énergie de rétablissement d' arc stable Puisque le courant continu dans la résistance de limitation de courant 26 est de cinq ampères et que la tension d'arc entre 1 'électrode 20 et le matériau de base 21 est de vingt volts dans une condition générale de soudure, une perte de puissance dans la résistance de limitation de courant 26 atteint ( 250-20)x 5 = 1150 watts si la tension d'amorçage est préétablie à 250 volts Par conséquent, la résistance de limitation de courant 26 doit être d'une grande capacité et d'une grande dimension et le transformateur 6 et le redresseur 24 doivent avoir une constitution d'une grande capacité et d'une grande dimension également Par conséquent, cela retarde le plan de réduction de poids et de taille du dispositif de soudure à l'arc. En conséquence, un but de cette invention est de fournir un dispositif de soudure à l'arc qui puisse être réduit à la fois en dimension et en poids en réduisant la perte d'énergie au moment de la superposition de la tension auxiliaire de récupération d'arc issue de l'alimentation en courant auxiliaire avec la tension principale, en maintenant élevée son énergie de rétablissement d'arc Un autre but de cette invention est d'absorber la tension transitoire excessive se produisant dans le dispositif convertisseur en courant alternatif de basse fréquence dans l'alimentation auxiliaire en énergie en courant continu et également de supprimer l'augmentation de tension auxiliaire suivant cette absorption. Afin de réaliser les buts mentionnés ci- dessus, il est prévu un dispositif de soudure à l'arc qui comprend, comme le dispositif de l'art antérieur mentionné ci-dessus, des redresseurs principal et auxiliaire pour redresser une tension d'alimentation en courant alternatif, une self en courant continu pour lisser la sortie du redresseur principal pour produire une tension continue principale, un dispositif convertisseur en courant alternatif de basse fréquence pour convertir la tension continue principale en une tension alternative de forme d'onde rectangulaire de basse fréquence pour la fournir à une charge de soudure, et un dispositif d'alimentation en courant continu auxiliaire incluant un condensateur pour lisser la sortie du redresseur auxiliaire et produire une tension continue auxiliaire qui soit plus élevée que la tension continue principale. Comme caractéristique de cette invention, cependant, elle comprend, de plus, un dispositif de commutation inséré entre le dispositif d'alimentation en courant continu auxiliaire et le dispositif convertisseur en courant alternatif de basse fréquence, qui conduit seulement à un temps prédéterminé de rétablissement d'un arc qui est plus court que la période de polarité inverse de la charge de soudure pour superposer la tension continue auxiliaire sur la tension de courant continu principale à travers une résistance de limitation de courant lorsque la charge passe de sa polarité normale à la polarité inverse. Selon une autre caractéristique de cette invention, le dispositif de soudure à l'arc peut comprendre en plus une diode connectée en parallèle à la connexion en série de la résistance de limitation de courant et du dispositif de commutation pour répondre à une tension transitoire excessive produite au niveau de l'entrée du dispositif convertisseur en courant alternatif de basse fréquence pour conduire au moment de transition de polarité de la charge de soudure, pour que le condensateur du dispositif d'alimentation en courant auxiliaire absorbe la tension transitoire et un dispositif de commande de conduction pour changer le temps de conduction du dispositif de commutation plus long que le temps de rétablissement d'arc pour évacuer la charge électrique du condensateur vers le dispositif convertisseur en courant alternatif de basse fréquence lorsque la tension de sortie du dispositif d'alimentation en courant auxiliaire augmente à une valeur prédéterminée en raison de l'absorption de la tension transitoire. Maintenant, les caractéristiques ci-dessus et les autres et le fonctionnement de cette invention seront décrits avec plus de détails cidessous en liaison avec quelques uns de ses modes de réalisation avec référence aux dessins d'accompagnement. Dans les dessins La Figure 1 est un schéma montrant, en partie sous forme d'un bloc, une configuration de circuit du dispositif de soudure à l'arc de l'art antérieur; La Figure 2 est un schéma montrant des formes d'onde illustratives d'un fonctionnement du dispositif de soudure à l'arc de cette invention; La Figure 3 est un schéma montrant, en partie sous forme de bloc, un mode de réalisation du dispositif de soudure à l'arc de cette invention; et La Figure 4 est un schéma montrant, en partie sous forme de bloc, un autre mode de réalisation du dispositif de soudure à l'arc de cette invention A travers les dessins, les mêmes numéros de référence sont donnés aux composants structuraux correspondants. Comme dans le dispositif de soudure à l'arc de l'art antérieur de la Figure 1, le mode de réalisation de cette invention comme montré à la Figure 3, est muni d'un dispositif principal d'alimentation en courant continu comprenant un redresseur d'entrée triphasé 2 pour redresser une entrée de courant alternatif de bornes d'alimentation en courant alternatif triphasé la, lb et lc, un condensateur 3 pour lisser la sortie du redresseur 2, un convertisseur en courant alternatif de haute fréquence 4 d'une configuration d'inverseur pour transformer une tension continue à travers le condensateur 3 en une tension alternative de fréquence élevée, un dispositif de commande d'inverseur 5 pour effectuer une commande de commutation de l'inverseur du convertisseur 4, un transformateur d'alimentation 6 pour transformer une sortie alternative du convertisseur 4, un redresseur principal 7 de configuration à pont de diodes pour redresser la sortie du transformateur d'alimentation 6 et une self en courant continu 8 pour lisser la sortie du redresseur principal 7, et un dispositif convertisseur en courant alternatif de basse fréquence 9 de configuration d'inverseur entrainé par un dispositif de commande d'inverseur 14 pour convertir la tension continue de sortie du dispositif principal d'alimentation en courant continu en une tension alternative de forme d'tonde rectangulaire de basse fréquence. Alors que ce dispositif de soudure à l'arc est également muni d'un dispositif auxiliaire d'alimentation en courant continu 22 semblable à celui du dispositif de soudure de la Figure 1, l'entrée de ce dispositif d'alimentation en courant 22 n'est pas alimentée à partir de l'enroulement tertiaire du transformateur 6 mais à partir d'un enroulement secondaire d'un transformateur auxiliaire séparé 23 ayant un enroulement primaire connecté aux bornes d'alimentation en courant alternatif la et lb. Comme une caractéristique de cette invention, le mode de réalisation de la Figure 3 est muni du transistor 28 comme élément de commutation ayant son parcours collecteur- émetteur connecté en série à une résistance de limitation de courant 26, un dispositif de commande de conduction 29 connecté à l'électrode de base g du transistor 28 pour en commander la conduction, une résistance de décharge 30 connectée en parallèle au condensateur 25 à la sortie du redresseur auxiliaire 24 et un détecteur de tension 31 pour contrôler la tension de sortie de l'alimentation auxiliaire en courant continu 22 à travers le condensateur 25. Le dispositif de commande de conduction 29 fournit un signal de commande comme montré par la forme d'onde B dans la Figure 2 sur la base du signal de commande du dispositif de commande de l'inverseur 14 et met le transistor 28 en conduction seulement pour un temps de rétablissement d'arc prédéterminé T 1 qui est plus court que la période de polarité inverse Tep au moment de la transition à partir d'une période de polarité normale Ten o les éléments de commutation 11 et 12 conduisent à la période de polarité inverse Tep à laquelle les éléments de commutation 12 et 13 conduisent Pendant ce temps, par conséquent, la tension auxiliaire de l'alimentation auxiliaire en courant continu 22 est appliquée à travers le transistor 28 et la résistance de limitation de courant 26 au convertisseur en courant alternatif de basse fréquence 9 et superposée à la tension continue principale à partir du redresseur principal 7 Ainsi, le temps d'application de la tension auxiliaire est limité au temps de rétablissement d'arc T 1 et, en conséquence, le temps de conduction de la résistance de limitation de courant 26 est réduit de façon significative en comparaison avec le dispositif de l'art antérieur de la Figure 1 Cette réduction du temps de conduction aboutit à la réduction de la perte dans la résistance 26, le transformateur 23 et le redresseur 24 et permet une réduction sensible de la capacité et de la dimension de ces composants. Comme décrit ci-dessus, la tension transitoire excessive induite à l'entrée du convertisseur 9 par l'inductance de câble lorsque le câble vers la charge de soudage est long, est absorbée par le condensateur 25 à travers la diode 27 et cette absorption a pour résultat une augmentation substantielle de la tension à travers le condensateur 25, à savoir, la tension auxiliaire Bien que cette augmentation de tension auxiliaire soit avantageuse pour un rétablissement de l'arc, elle tend de façon non souhaitable à solliciter une tension de décharge excessivement élevée pour le condensateur 25 et les éléments de commutation 10 à 13 du convertisseur 9 Dans le mode de réalisation de la Figure 3, cependant, la tension de condensateur est déchargée à travers la résistance en parallèle 30 pour supprimer l'augmentation de tension du condensateur 25. A certain moment, cependant, la tension à travers le condensateur 25 peut progressivement augmenter en raison de l'évacuation insuffisante à travers la résistance de décharge 30 Le détecteur de tension 31 contrôle cette tension à travers le condensateur 25 et, si elle dépasse une valeur prédéterminée V 1, il envoie un signal au dispositif de commande de conduction 29 Le dispositif de commande de conduction 29 répond à ce signal pour générer un signal de commande comme montré par une ligne en pointillé C à la Figure 2 pour allonger le temps de conduction du transistor 28 de T 1 à T 2 En conséquence, la charge du condensateur 25 vient à se décharger beaucoup plus vers le dispositif de convertisseur 9 par le transistor 28 pour aboutir à une réduction progressive de la tension à travers le condensateur 25 Lorsque la tension chute au-dessous de la valeur V 1 mentionnée ci- dessus, le détecteur de tension 31 envoie un signal au dispositif de commande de conduction 29, de sorte que le dispositif 29 restaure le signal de commande à la forme d'onde B de la Figure 2. il Lorsque la tension à travers le condensateur n' arrête pas d'augmenter et que sa valeur dépasse une autre valeur prédéterminée T 2 qui est plus élevée que la valeur prédéterminée T 1 sans tenir compte de l'allongement mentionné ci-dessus du temps de conduction du transistor 28 de T 1 à T 2, le détecteur de tension 31 envoie un signal d'arrêt au dispositif de commande de l'inverseur 5 pour arrêter le fonctionnement du disposiif convertisseur en courant alternatif de haute fréquence 4, arrêtant de ce fait la sortie du dispositif de soudure. Dans la suite, la description sera faite d' un autre mode de réalisation de l'invention comme montré à la Figure 4 Dans ce mode de réalisation, l'enroulement secondaire 6 b du transformateur 6 présente une prise centrale qui est connectée à travers une borne de sortie 9 a du dispositif de soudure à une électrode de soudage 20 La tension secondaire du transformateur 6 est appliquée à un circuit en pont de redressement demi onde de quatre diodes 33, 34, 35 et 36, qui constitue un redresseur principal 7 et les bornes positive et négative 7 p et 7 N du redresseur principal 7 sont connectées respectivement à travers des selfs à courant continu de lissage 8 p et 8 N et les transistors 40 et 41 à une autre borne de sortie 9 b du dispositif de soudure qui est connectée au matériau de base 21 Le transformateur 6 a un enroulement tertiaire de survolteur 6 c comme dans le dispositif de la Figure 1 et le dispositif d'alimentation électrique auxiliaire 22 inclut un redresseur auxiliaire 24, un condensateur de lissage 25 et une résistance de décharge 30. Les transistors 40 et 41 constituent un dispositif convertisseur en courant alternatif de basse fréquence 9 et leurs électrodes de base sont connectées à un dispositif de commande de commutation 44 Le dispositif de commande 44 envoie un signal de commutation aux transistors 40 et 41 pour les mettre alternativement en conduction pour produire une tension alternative de forme d'onde rectangulaire de basse fréquence comme montrée par la forme d'onde A en figure 2 entre les bornes de sortie 9 a et 9 b. Comme dans le mode de réalisation de la figure 3, le dispositif d'alimentation auxiliaire en courant continu 22 est connecté par une connexion en série d'une résistance de limitation de courant 26 et d'un transistor 28 au dispositif convertisseur 9, de sorte que la tension auxiliaire est superposée à la tension de soudage au moment de conduction du transistor Le dispositif de commande de commutation 44 envoie un signal au dispositif de commande de conduction 29 au moment du commencement de conduction du transistor 40 et le dispositif de commande de conduction 29 répond au signal pour mettre le transistor 28 en conduction Le temps de conduction du transistor 28 est établi de façon variable en réponse à un signal envoyé depuis le détecteur de tension 31 pour contrôler la tension à travers le condensateur 25, comme dans le mode de réalisation de la Figure 3 Le détecteur de tension 31 envoie aussi un signal d'arrêt au dispositif de commande d'inverseur 5 pour arrêter le fonctionnement du dispositif convertisseur en courant alternatif de haute fréquence 4 en cas d'urgence. Une diode 43 insérée entre la prise centrale du transformateur 6 et le collecteur du transistor 40 est une diode dite d'inertie qui sert à supprimer le flanc de montée d'une inductance de câble suivant l'opération de commutation du transistor 40. Le mode de réalisation de la Figure 4 a des éléments structuraux moins nombreux et de configuration plus simple pour le dispositif convertisseur 9 que le mode de réalisation de la Figure 3 et, en conséquence, il présente un avantage tel qu'il n'est pas seulement petit en dimension et peu élevé en prix, mais il est également capable d'un fonctionnement similaire. Les modes de réalisation mentionnés ci-dessus sont présentés seulement dans le but d'illustrer l'invention et n'apportent aucune limitation de l'invention Il sera évident pour ceux qui sont compétents dans la technique que diverses modifications et divers changements peuvent être appliqués à ces modes de réalisation sans quitter l'esprit ni le domaine de l'invention comme défini dans les revendications jointes. Par exemple, bien que les modes de réalisation ci-dessus utilisent un tel procédé cyclique en ce qu'une tension alternative commerciale triphasée est rédressée, le courant continu résultant est transformé en une tension alternative de fréquence élevée, la tension alternative est redressée à nouveau et ensuite convertie en une tension alternative de basse fréquence pour soudage, ceci dans le but de réduire la taille et le poids du transformateur d'alimentation 6 et n'a aucune liaison avec cette invention En d'autres termes, aucune tension de ligne autre que triphasée ne peut être utilisée directement comme entrée du transformateur 6, ou la tension de ligne peut être redressée directement par le redresseur principal 7 et la tension de sortie du dispositif convertisseur 9 peut être convenablement transformée. REVENDICATIONS 1 Dispositif de soudure à l'arc comprenant un moyen d'alimentation principal ( 2) en courant continu pour préparer une tension continue principale pour soudage, un moyen convertisseur ( 9) pour transformer ladite tension continue principale en une tension alternative de forme d'onde rectangulaire de basse fréquence pour appliquer celle-ci à une charge de soudure, de façon à former des périodes de polarité normale et inverse de ladite charge de soudage, un moyen d'alimentation électrique auxiliaire ( 22) pour préparer une tension continue auxiliaire pour rétablissement d'arc, qui soit plus élevée que ladite tension continue principale, et un moyen ( 26, 28, 9 > favorisant le rétablissement d'arc pour appliquer ladite tension continue auxiliaire audit moyen convertisseur ( 9) pour superposer celle- ci à ladite tension continue principale, caractérisé en ce que ledit moyen favorisant le rétablissement d'arc inclut un moyen de synchronisation ( 29 > pour limiter l'application de ladite tension continue auxiliaire à l'intérieur d'un temps de rétablissement d'arc (Tl) suivant une transition d'une dite période de polarité normale à une période de polarité inverse de ladite charge de soudage, ledit temps de rétablissement d'arc étant plus court que ladite période de polarité inverse (Tep). 2 Dispositif de soudure à l'arc selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de synchronisation inclut un dispositif de commutation commandé par un signal issu dudit moyen convertisseur ( 9 >. 3 Dispositif de soudure à l'arc selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen d'alimentation en courant continu auxiliaire inclut un condensateur de lissage ( 3), et en ce qu'une diode est insérée entre ledit condensateur et l'entrée dudit moyen convertisseur ( 9 > et mise en conduction par une tension transitoire excessive induite à l'entrée dudit moyen convertisseur au moment de la transition de polarité de ladite charge pour que ledit condensateur absorbe ladite tension transitoire, et en ce que ledit moyen de synchronisation inclut un moyen pour détecter une tension à travers ledit condensateur pour produire un signal de détection, et un moyen pour répondre audit signal de détection pour modifier la longueur dudit temps de rétablissement d'arc. 4 Dispositif de soudure à l'arc selon la revendication 3, caractérisé par un moyen pour arrêter le fonctionnement dudit moyen d'alimentation en courant continu principal lorsque la tension à travers ledit condensateur dépasse une valeur prédéterminée.