Brevet FR2724860A1 — publié le 19960329

Dispositif de régulation de courant de soudage La présente invention a trait à un dispositif de régulation de courant de soudage pour une soudeuse à la molette. Une telle soudeuse est de type soudeuse par résistance et réalise le soudage grâce à un courant de soudage continu de forte intensité, typiquement entre 10 et 30 KA. Pour assurer la qualité du soudage, il est nécessaire de régler l'intensité du courant de soudage avec le plus de précision possible. Or l'incertitude de réglage du courant de soudage est de l'ordre de 5 kA ce qui est très pénalisant pour la qualité de soudage et/ou pour la vitesse limite de soudage. Une boucle de régulation permet en principe d'augmenter la précision du courant de soudage. Une telle boucle mesure le courant de soudage et rétroagit sur un circuit de réglage de la soudeuse. Cependant, en pratique, le courant de soudage, continu et de forte intensité, est difficile à mesurer si bien que le gain en qualité théorique n'est pas obtenu. La présente invention vise à remédier aux inconvénients de la technique antérieure, en fournissant un dispositif de régulation du courant de soudage qui augmente la précision de réglage du courant de soudage. A cette fin, un dispositif de régulation de courant de soudage pour une soudeuse dans laquelle un circuit de soudage par résistance est alimenté par un circuit de puissance, le circuit de puissance comprenant en cascade un gradateur alimenté par le réseau électrique triphasé, un transformateur et un redresseur, le redresseur délivrant le courant de soudage au circuit de soudage, est caractérisé en ce qu'il comprend - des capteurs de courant pour capter respectivement des courants captés proportionnels à des courants monophasés alimentant le gradateur, - un moyen redresseur pour redresser les courants captés en des courants redressés respectifs, - un moyen sommateur pour sommer les courant redressés en un courant de somme, - un moyen comparateur pour comparer le courant de somme à un courant de consigne afin de délivrer un courant de comparaison, et - un moyen régulateur pour appliquer un signal de commande au gradateur en fonction du courant de comparaison. Le dispositif selon l'invention augmente la précision de réglage du courant de soudage ce qui permet d'augmenter la vitesse de soudage et par conséquent d'augmenter le rendement de la ligne de traitement de métaux dans laquelle la soudeuse est insérée. En outre, le dispositif est robuste vis à vis de perturbations venant du réseau d'alimentation et provoquées par des variations de la charge de la soudeuse, c'est-à-dire des tôles à souder. Avantageusement, les capteurs de courant sont des transformateurs d'intensité reliés entre le réseau triphasé et le gradateur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de plusieurs réalisations préférées de l'invention en référence aux dessins annexés correspondants dans lesquels - la figure 1 est un diagramme schématique d'une ligne d'étamage électrolytique; - la figure 2 est une vue schématique d'une soudeuse à la molette; - la figure 3 est un diagramme d'un circuit de puissance de la soudeuse à la molette; - la figure 4 est un diagramme du circuit de puissance équipé d'un dispositif de régulation selon l'invention; et - la figure 5 est un diagramme schématique d'un comparateur et d'un régulateur selon une réalisation du dispositif de régulation selon l'invention. L'invention est décrite en référence à une soudeuse à la molette équipant une ligne d'étamage électronique. Ce type de soudeuse est utilisé dans de nombreuses lignes de traitement continu de métaux, tel que électrozingage par exemple. En référence à la figure 1, une ligne d'étamage d'acier comprend en amont un dispositif de débobinage 2, qui déroule des bobines de bandes d'acier à étamer. Une soudeuse 3, décrite en détail dans la suite, raboute les bandes de métal provenant d'une bobine en fin de débobinage et d'une bobine en début de débobinage, afin de constituer une bande d'acier continue 1. La bande 1 traverse une tour à boucles 4 qui comprend des rouleaux supérieurs 41 et des rouleaux inférieurs mobiles verticalement 42. La bande 1 passe alternativement sur les rouleaux supérieurs et inférieurs, de sorte que la tour à boucles joue le rôle d'accumulateur de bande. Pendant le soudage de la fin de la bande d'une bobine avec le début de la bande d'une bobine suivante, le défilement de la bande est interrompu au niveau de la soudeuse 3. Les rouleaux inférieurs 42 de la tour à boucles 4 montent progressivement vers les rouleaux supérieurs 41, de manière à diminuer la quantité de bande accumulée et ainsi alimenter sans interruption la partie de la ligne en aval de la tour à boucles 4. Lorsque le soudage est terminé, le défilement de la bande depuis la nouvelle bobine jusqu'à la tour à boucles 4 reprend, et la tour à boucles accumule à nouveau une quantité de bande en abaissant progressivement les rouleaux inférieurs. Ainsi, le changement de bobine et le soudage n'interviennent pas sur le défilement de la bande en aval de la tour à boucles 4, lequel défilement demeure continu. A la suite de la tour à boucles, la bande 1 passe dans une unité de dégraissage 5 et une unité de décapage 6, afin de préparer la surface de la bande à être étamée. La bande 1 traverse ensuite une unité d'étamage 7. Après l'opération d'étamage, la bande entre dans un dispositif de refusion 8, afin de refondre l'étain pour améliorer l'accrochage de l'étain et la résistance à la corrosion. La bande 1 traverse alors un dispositif de traitement chimique 9 pour passiver la surface étamée, par exemple par chromatation. La passivation améliore également la résistance à la corrosion ainsi que notamment l'adhérence de vernis sur la surface étamée. La bande 1 parvient ensuite à une seconde tour à boucles 10 puis à un dispositif de cisaillage et bobinage 11, qui enroule la bande en bobines. La tour à boucles 10 joue un rôle d'accumulateur inverse à celui de la tour 4. Lorsque le dispositif de cisaillage et bobinage 11 termine une bobine avant d'en commencer une nouvelle, la tour à boucles 10 accumule la bande à bobiner jusqu'à ce que le dispositif de bobinage soit prêt à bobiner la nouvelle bobine. Les bobines d'acier étamé sont ensuite découpées, mises en forme et assemblées, pour former par exemple des emballages de produits alimentaires. En référence à la figure 2, la soudeuse 3 réalise un soudage par résistance de deux bandes de métal B1 et B2 provenant respectivement d'une bobine en fin de débobinage et d'une bobine en début de débobinage. Le sens de défilement des bandes Bl et B2 est indiqué par une flèche DEF. Le défilement des bandes de métal dans la soudeuse 3 n'est pas continu et en particulier est interrompu lors du soudage proprement dit. La soudeuse 3 est du type soudeuse à la molette et comprend un circuit de soudage 31 et un circuit de puissance 32. Le circuit de puissance 32 alimente le circuit de soudage 31 par un courant de soudage IS. Le circuit de puissance 32 est décrit en détail en référence à la figure 3. Le circuit de soudage 31 comprend principalement deux électrodes 311 et 312 qui sont des disques plats en cuivre, ou molettes, fixés à rotation sur des paliers conducteurs parallèles 313 et 314. Les molettes 311 et 312 sont situées en vis à vis audessus et au-dessous respectivement de la bande en défilement et s'étendent perpendiculairement à cette dernière. Des moyens d'entraînement mécaniques et électriques non représentés entraînent les molettes 311 et 312 à la fois en rotation en sens inverse autour des paliers 313 et 314 et en translation schématisée par la flèche TR transversalement au sens de défilement de bande DEF. La bande B1 défile à travers la soudeuse 3 suivant la flèche DEF tant que la bobine de la bande B1 n'est pas complètement débobinée par le dispositif de débobinage 2. La soudeuse 3 est alors à l'état de repos, les molettes 311 et 312 sont immobiles à une position écartée de la bande B1 et le courant de soudage IS est nul. Lorsque l'extrémité terminale de la bande B1 parvient dans la soudeuse 3, plus particulièrement en regard des molettes 311 et 312, le défilement de la bande B1 est interrompu. L'extrémité de la bande B2 vient juste recouvrir l'extrémité de la bande B1. Les molettes 311 et 312 accostent les bandes B1 et B2 par un chant longitudinal dans la zone de chevauchement des extrémités des bandes pour serrer ces dernières. Les molettes 311 et 312 sont alors mises en rotation et en translation par les moyens d'entraînement sur toute la largeur des bandes B1 et B2. Simultanément les molettes 311 et 312 sont alimentées par une valeur du courant de soudage IS propre à assurer un soudage satisfaisant des bandes, laquelle valeur est établie par le circuit de puissance 32. Lorsque les molettes ont parcouru toute la largeur des bandes B1 et B2, elles sont écartées des bandes soudées B1 et B2 puis sont immobilisées, le courant IS est annulé et la soudeuse 3 est de nouveau à son état de repos. La qualité du soudage dépend notamment du courant de soudage IS, de la résistance électrique des bandes à souder, de la durée du soudage, et par conséquent de la vitesse de passage des molettes sur les bandes et de la pression de serrage des bandes par les molettes. La résistance des bandes à souder dépend du métal et de l'état de surface des bandes, notamment la rugosité, la propreté, le revêtement, la corrosion et l'huilage. La résistance électrique des molettes dépend de leur composition et est sensiblement constante. La pression de serrage des bandes par les molettes assure un bon contact électrique sans étincelage qui endommagerait les molettes. La pression de serrage dépend de l'épaisseur des bandes, de la vitesse de soudage et de la résistivité des bandes. La vitesse de passage des molettes sur les bandes, ou vitesse de soudage doit être la plus grande possible pour que le soudage ne limite pas la vitesse de défilement de la bande continue 1 dans l'unité d'étamage 7, tout en assurant une soudure de bonne qualité. En fonction de ces différents paramètres, un opérateur choisit la valeur du courant de soudage IS. Pour des bandes B1 et B2 données, une plage de valeurs de courant de soudage est définie entre une valeur minimum en dessous de laquelle la soudure n'est pas réalisée et une valeur maximum au-dessus de laquelle il y a éclaboussure. L'étendue de la plage de valeurs de courant diminue lorsque la vitesse de soudage augmente, si bien que le réglage du courant de soudage est plus délicat et doit être réalisé avec plus de précision pour des vitesses de soudage élevées. En référence à la figure 3, le circuit de puissance 32 qui alimente le circuit de soudage 31 de la soudeuse 3 comprend un gradateur 321 alimenté en énergie par le réseau de distribution électrique triphasé TRI comprenant trois phases P1, P2 et P3. Le gradateur 321 est relié en cascade à un transformateur 322 puis à un redresseur 323 dont des bornes de sortie BS1 et BS2 sont reliées au circuit de soudage 31 pour délivrer le courant de soudage IS. Le gradateur 321 est un gradateur triphasé comprenant trois gradateurs monophasés identiques GR1, GR2 et GR3 en montage étoile symétrique sans neutre, respectivement reliés entre les phases P1 et P2, P2 et P3, et P1 et P3. Chacun des gradateurs monophasés GR1, GR2 et GR3 constitue un contacteur électronique comprenant deux thyristors respectifs montés en antiparallele Thll et Thl2, Th21 et Th22, Th31 et Th32 entre une borne de phase P1, P2, P3 et une borne primaire de transformateur. Le gradateur 321 est un circuit pour régler le courant de soudage IS en fonction d'une tension de commande VC appliquée à une entrée de commande du gradateur reliée aux gâchettes des thyristors. Chacun des gradateurs monophasés GR1, GR2 et GR3 est relié en sortie à un enroulement primaire de l'un respectif de trois transformateurs différentiels TR1, TR2 et TR3 composant le transformateur 322. Le transformateur 322, présente ainsi six phases aux bornes d'enroulements secondaires des transformateurs différentiels. Ces six phases sont redressées dans le redresseur 323 par six diodes polarisées directement D11, D12, D21, D22, D31 et D32 dont les cathodes sont reliées à la première borne de sortie BS1 positive du circuit 32. La seconde borne de sortie BS2 du circuit 32 est reliée aux trois points milieu des enroulements secondaires des transformateurs différentiels TR1, TR2 et TR3.Le circuit de soudage 31 est connecté entre les bornes BS1 et BS2 et est ainsi alimenté par le courant de soudage IS. En référence à la figure 4, trois capteurs de courant, sous la forme de transformateurs d'intensité TI1, TI2 et TI3, captent les courants prélévés des phases P1, P2 et P3 du réseau triphasé TRI et alimentant le gradateur 321, et délivrent respectivement des courants captés IC1, IC2 et IC3 à un circuit redresseur RED. Le courant capté IC1, IC2, IC3 est proportionnel au courant de la phase respective P1, P2, P3. Le circuit redresseur RED redresse chacun des courants captés monophasés IC1, IC2 et IC3 par un pont de diode et fournit trois courants redressés IR1, IR2 et IR3 à un sommateur SOM pour sommer les courants captés et redressés en un courant de somme ISOM. Le sommateur SOM applique le courant de somme ISOM à une entrée négative d'un comparateur CP. En variante, les courants redressés IR1, IR2 et IR3 sont filtrés par des filtres à résistance et condensateur pour diminuer les fluctuations des courants, puis les courants redressés et filtrés sont appliqués au sommateur. Le comparateur CP reçoit un courant de consigne ICS sur une entrée positive et applique un courant ID égal à la différence ICS-ISOM à un régulateur REG. Le régulateur REG est de type proportionnel intégral. Sa fonction de transfert est de la forme F(p)= A.(l + l/z. p) , p étant la variable laplacienne. A et z dénotent des paramètres de gain et constante de temps qui sont déterminés d'après de la fonction de transfert de la soudeuse, plus précisément de la relation entre le courant de soudage IS et la tension de commande VC. Cette relation est fonction des caractéristiques du gradateur 321, du transformateur 322, du redresseur 323 et du circuit de soudage 31. En outre dans cette relation, des perturbations provenant du réseau de distribution électrique TRI et du circuit de soudage 31 sont considérées pour augmenter la robustesse du régulateur REG.En variante, un calculateur adapte au cours du soudage les valeurs des paramètres A et f en fonction du courant de somme ISOM. Le régulateur REG applique la tension de commande VC à l'entrée de commande du gradateur 321. En pratique, le régulateur REG est réalisable de manière analogique ou numérique. Le courant de consigne ICS est par exemple établi par un calculateur qui applique en permanence la valeur de courant de consigne souhaitée. En référence à la figure 5, le comparateur CP et le régulateur REG sont réalisés à titre d'exemple en technologie analogique avec des amplificateurs opérationnels Al, A2, A3 et A4. Le comparateur CP comprend un amplificateur opérationnel Al fonctionnant en inverseur INV1 avec une résistance d'entrée R11 et une résistance de contre-réaction R12, et un amplificateur opérationnel A2 fonctionnant en additionneur AD avec deux résistances d'entrée R21 et R22 et une résistance de contre-réaction R23. Le courant de consigne ICS est appliqué à la résistance d'entrée R11 de l'inverseur INV1. L'amplificateur Al applique un courant de consigne inversé ICI à la résistance d'entrée R22 de l'additionneur AD. Le courant de somme ISOM est appliqué par le sommateur SOM à l'autre résistance d'entrée R21 de l'additionneur AD dont l'amplificateur A2 délivre le courant de différence ID. Un circuit intégrateur INT et un second inverseur INV2 constituent le régulateur REG. Le circuit intégrateur INT comprend l'amplificateur opérationnel A3 avec une résistance d'entrée R31 et une combinaison série de contre-réaction comportant un condensateur C31 et une résistance R32. L'inverseur INV2 comprend l'amplificateur opérationnel A4 avec une résistance d'entrée R41 et une résistance de contre-réaction R42. Le courant de différence ID est appliqué à la résistance d'entrée R31 de l'intégrateur INT. L'amplificateur A3 applique une tension intégrée VIN à la résistance d'entrée R41 du second inverseur INV2 qui délivre en sortie la tension de commande VC au gradateur 321. Le paramètre de gain A est réglé en fonction des valeurs ohmiques des résistances R21, R22 et R23 incluses dans l'additionneur AD. Le paramètre r est réglé en fonction des valeurs ohmiques des résistances R31 et R32 et de la capacité du condensateur C31 inclus dans l'intégrateur INT. Les inverseurs INV1 et INV2 pallient l'inversion de signe de la sortie par rapport à l'entrée dans l'additionneur AD et l'intégrateur INT. Les résistances Roll, R12, R41 et R42 incluses dans les inverseurs INV1 et INV2 sont choisies de préférence égales entr'elles. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de régulation de courant de soudage pour une soudeuse (3) dans laquelle un circuit de soudage par résistance (31) est alimenté par un circuit de puissance (32), ledit circuit de puissance (32) comprenant en cascade un gradateur (321) alimenté par le réseau électrique triphasé (TRI), un transformateur (322) et un redresseur (323), ledit redresseur (323) délivrant le courant de soudage (IS) au circuit de soudage (31), caractérisé en ce qu'il comprend - des capteurs de courant (TI1, TI2, TI3) pour capter respectivement des courants captés (ICl, IC2, IC3) proportionnels à des courants monophasés (P1, P2, P3) alimentant le gradateur (321), - un moyen redresseur (RED) pour redresser les courants captés (IC1, IC2, IC3) en des courants redressés (IR1, IR2, IR3) respectifs, - un moyen sommateur (SOM) pour sommer lesdits courants redressés en un courant de somme (ISOM), - un moyen comparateur (CP) pour comparer le courant de somme (ISOM) à un courant de consigne (ICS) afin de délivrer un courant de comparaison (ID), et - un moyen régulateur (REG) pour appliquer un signal de commande (VC) au gradateur (321) en fonction du courant de comparaison (ID). 2 - Dispositif de régulation conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les capteurs de courant (TI1, TI2, TI3) sont des transformateurs d'intensité reliés entre le réseau triphasé (TRI) et le gradateur (321).