DE112014005054T5 - Systeme und Verfahren zum Bereitstellen einer Niederstromregelung für Wechselstrom-Lichtbogenschweissprozesse - Google Patents

Systeme und Verfahren zum Bereitstellen einer Niederstromregelung für Wechselstrom-Lichtbogenschweissprozesse Download PDF

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George Bradley KOPRIVNAK
Robert L. Dodge
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Abstract

Systeme und Verfahren, die eine Niederstromregelung für Wechselstrom-Lichtbogenschweißprozesse zum Regeln der Lichtbogenschweißleistung bereitstellen. In Lichtbogenschweißstromquellen(100)-Ausführungsformen erlauben Konfigurationen von Brücken(160)- und Lichtbogen-Regelungskreisen (170) eine Richtungsumschaltung des Schweißausgangsstroms durch den Schweißausgangsstromkreispfad und ein Induzieren einer Spannung zwischen der Elektrode (E) und dem Werkstück (W) des Schweißausgangsstromkreis(170)-Pfades, die ausreicht, den Lichtbogen während eines Polaritätsübergangs des Ausgangsstroms wieder zu entzünden. Der Lichtbogen-Regelungskreis stellt einen hohen Induktivitätspegel zum Speichern von Energie in beiden Polaritäten bereit, der den Spannungspegel zum Wiederentzünden des Lichtbogens während des Nulldurchgangs des Ausgangsstroms induziert und eine Stabilisierung des Lichtbogenstroms am unteren Ende bereitstellt.

Description

  • QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/900,635, eingereicht am 6. November 2013, sowie der US-Patentanmeldung Nr. 14/248,410, eingereicht am 4. April 2014, und ist eine Teilweiterbehandlung der US-Patentanmeldung Nr. 13/625,177, eingereicht am 24. September 2012, von denen jede hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
  • TECHNISCHES GEBIET
  • Bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen das Lichtbogenschweißen. Genauer gesagt, betreffen bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Systeme und Verfahren zum Bereitstellen einer Niederstromregelung für Wechselstrom-Lichtbogenschweißprozesse zum Regeln der Lichtbogenschweißleistung.
  • HINTERGRUND
  • Bestimmte Schweißsysteme des Standes der Technik verwenden Brückentopologien in einer Schweißstromquelle zum Bereitstellen einer Wechselstromschweißfähigkeit. Eine Halbbrückentopologie kann in einer Schweißstromquelle verwendet werden, die duale Ausgangsstrompfade aufweist, die dafür konfiguriert sind, einen gemeinsamen Pfad gemeinsam zu nutzen, dergestalt, dass jeder Ausgang einen Fluss von entgegengesetzter Polarität in dem gemeinsam genutzten Pfad induzieren kann. In der Praxis sind viele Schweißstromquellen in dieser Weise konfiguriert und erfordern möglicherweise nur die Hinzufügung eines zweiten Satzes Gleichrichtervorrichtungen zum Vervollständigen des zweiten Pfades. Ein Schalter kann in dem nicht gemeinsam genutzten Pfad jedes Stromquellenabschnitts angeordnet werden, und die Richtung des Stromflusses durch einen verbundenen Schweißausgangsstromkreispfad wird durch den aktiven Abschnitt bestimmt. Eine Vollbrückentopologie kann mit nahezu jeder Stromquellentopologie, Flexibilität und dem Potenzial, zu vorhandenen konstruierten Stromquellen hinzugefügt zu werden, verwendet werden. Die Vollbrückentopologie erlaubt eine einfache Implementierung von Nulldurchgangsassistenzkreisen. Eine Sperrdiode kann verwendet werden, um die Bauelemente in der Stromquelle vor Hochspannungstransienten zu schützen, die während des Nulldurchgangs auftreten. Für viele Schweißprozesse, wie zum Beispiel einen Wechselstrom-Gas-Wolfram-Lichtbogenschweiß(GTAW oder WIG)-Prozess oder einen Gas-Metall-Lichtbogenschweiß(GMAW oder MIG)-Prozess, ist es wünschenswert, dass der Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück in der entgegengesetzten Polaritätsrichtung rasch neu gezündet wird, wenn der Schweißstrom einen Nulldurchgang ausführt.
  • Eine Schweißstromquelle kann einen maximalen Spannungspegel (zum Beispiel 100 V–) haben, für dessen Ausgabe sie ausgelegt ist. Wenn ein Schweißwechselstrom einen Nulldurchgang ausführt (d. h. seine Polarität ändert), so kann eine höhere Spannung (zum Beispiel 300 V–) von der Stromquelle abgefordert werden, als die Stromquelle liefern kann, um den Lichtbogen aufrecht zu halten und den Lichtbogen stabiler zu machen, wenn der Lichtbogenstrom niedrig ist, und den Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück neu zu zünden. Infolge dessen kann der Lichtbogen erlöschen und möglicherweise nicht wiederhergestellt werden. Wenn beim WIG-Schweißen (wo es keine Drahtelektrode gibt) der Lichtbogen erlischt, so muss die Schweißstromquelle möglicherweise den gesamten Lichtbogenherstellungsprozess wiederholen, bevor das Schweißen fortgesetzt werden kann, was einen ineffizienten Schweißprozess zur Folge hat. Im Allgemeinen neigt die Plasmasäule, die beim Niederstrom-Lichtbogenschweißen entsteht, zur Instabilität und kann zu unerwünschten Lichtbogenausfällen führen.
  • Weitere Einschränkungen und Nachteile herkömmlicher, traditioneller und vorgeschlagener Lösungsansätze erkennt der Fachmann durch Vergleichen solcher Lösungsansätze mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im übrigen Teil der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt sind.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten Systeme und Verfahren zum Bereitstellen einer Niederstromregelung für Gleichstrom- und Wechselstrom-Lichtbogenschweißprozesse zum Regeln der Lichtbogenschweißleistung durch Regeln des Schweißausgangsstroms sowie zum Bereitstellen eines Mittels zum Generieren einer Spannung zum Neuzünden während eines Polaritätsübergangs, um das Wiederentzünden des Lichtbogens sicherzustellen. Das Anlegen eines höheren Spannungspegels zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück bei und in der Nähe des Polaritätsübergangs des Schweißstroms dient dem Zweck, den Lichtbogen sofort und zuverlässig in der entgegengesetzten Polarität wieder zu entzünden, selbst wenn die Spannung von der Stromquelle begrenzt ist. Wechselstromschweißen, polaritätsvariables Schweißen (zum Beispiel Gleichstromschweißen in jeder Polarität) und andere Hybridschweißprozesse werden unterstützt. Konfigurationen von polaritätsumkehrenden Brückenkreisen und Lichtbogen-Regelungskreisen erlauben die Richtungsumschaltung des ausgegebenen Schweißstroms durch den Schweißausgangsstromkreispfad, während sie außerdem eine verbesserte Niederstromregelung und das schnelle Wiederentzünden des Lichtbogens erlauben, wenn der Schweißstrom die Polarität ändert. Ein Lichtbogen-Regelungskreis, der einen Induktor und eine Konstantstromquelle aufweist, liefert die Spannung, die während eines Strompolaritätsübergangs gebraucht wird, um den Lichtbogen rasch und zuverlässig wieder zu entzünden. In einigen Ausführungsformen kann ein Überlagerungskondensator zusätzliche gespeicherte Energie bereitstellen, um das Wiederentzünden des Lichtbogens während eines oder beider Polaritätsübergänge zu unterstützen.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Schweißstromquelle. Die Schweißstromquelle enthält eine Steuereinheit und einen Leistungswandlungskreis, der dafür konfiguriert ist, einen Eingangsstrom in einen Ausgangsstrom umzuwandeln. Der Leistungswandlungskreis kann Transformator-basiert und mit einer Halbbrückenausgangstopologie ausgestattet sein. Der Leistungswandlungskreis kann eine Gleichstromausgangstopologie enthalten. Der Leistungswandlungskreis kann zum Beispiel ein Inverter-basierter Kreis oder ein Zerhacker-basierter Kreis sein. Die Schweißstromquelle enthält außerdem einen Brückenkreis, der mit dem Leistungswandlungskreis wirkverbunden ist und dafür konfiguriert ist, auf Befehl der Steuereinheit eine Richtung des Ausgangsstroms durch einen Schweißausgangsstromkreispfad umzuschalten, der mit einem Schweißausgang der Schweißstromquelle wirkverbunden ist. Der Brückenkreis kann zum Beispiel als ein Halbbrückenkreis oder als ein Vollbrückenkreis konfiguriert sein. Der Brückenkreis kann zum Beispiel mindestens zwei Schalttransistoren enthalten. Die Schweißstromquelle enthält des Weiteren einen Lichtbogen-Regelungskreis, der mit dem Brückenkreis wirkverbunden ist und dafür konfiguriert ist, eine Spannung zwischen einer Elektrode und einem Werkstück des Schweißausgangsstromkreispfades zu induzieren, die für ein Wiederentzünden des Lichtbogens während eines Polaritätsübergangs des Ausgangsstroms ausreichend ist. Der Lichtbogen-Regelungskreis kann zum Beispiel mindestens einen Induktor und mindestens eine Konstantstromquelle enthalten. Die Konstantstromquelle stellt einen geregelten Konstantstrom zwischen beispielsweise 2 und 10 A am Lichtbogen bereit, um eine Niedrigausgangsstromregelung zu ermöglichen. Der Wert des mindestens einen Induktors kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen zwischen etwa 10 und 100 Millihenry (zum Beispiel 20 Millihenry) betragen. Der Leistungswandlungskreis, der Brückenkreis und der Lichtbogen-Regelungskreis können dafür konfiguriert sein, auf Befehl der Steuereinheit der Schweißstromquelle einen Gleichstrom-positiven Schweißvorgang, einen Gleichstrom-negativen Schweißvorgang oder einen Wechselstromschweißvorgang bereitzustellen. Gemäß einer alternativen Ausführungsform können sich der Brückenkreis und der Lichtbogen-Regelungskreis außerhalb der Schweißstromquelle befinden – zum Beispiel in Form eines Moduls, das mit der Schweißstromquelle wirkverbunden ist.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Schweißstromquelle. Die Schweißstromquelle enthält ein Mittel zum Konvertieren eines Eingangsstrom zu einem Ausgangsstrom und ein Mittel zum Umschalten einer Richtung des Ausgangsstroms durch einen Schweißausgangsstromkreispfad, der mit einem Schweißausgang der Schweißstromquelle wirkverbunden ist, um mindestens einen Wechselstromschweißvorgang bereitzustellen. Die Schweißstromquelle enthält außerdem ein Mittel zum Induzieren einer Spannung zwischen einer Schweißelektrode und einem Schweißwerkstück des Schweißausgangsstromkreispfades während eines Polaritätsübergangs des Ausgangsstroms zur automatischen Wiederherstellung eines Lichtbogens zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück mit einer entgegengesetzten Polarität.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren. Das Verfahren enthält das Umwandeln eines Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom in einer Schweißstromquelle. Das Verfahren enthält außerdem das Umschalten einer Richtung des Ausgangsstroms durch einen Schweißausgangsstromkreispfad, der mit einem Schweißausgang der Schweißstromquelle wirkverbunden ist, von einer ersten Richtung zu einer zweiten Richtung auf Befehl einer Steuereinheit der Schweißstromquelle. Das Verfahren enthält des Weiteren das Induzieren eines Spannungspegels zwischen einer Schweißelektrode und einem Werkstück des Schweißausgangsstromkreispfades, der ausreichend ist, um einen Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück in der zweiten Richtung als Teil des Umschaltens in die zweite Richtung automatisch wieder zu entzünden. Das Verfahren kann außerdem Folgendes enthalten: Umschalten einer Richtung des Ausgangsstroms durch den Schweißausgangsstromkreispfad von der zweiten Richtung zu der ersten Richtung auf Befehl der Steuereinheit der Schweißstromquelle, und des Weiteren Induzieren eines Spannungspegels zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück des Schweißausgangsstromkreispfades, der ausreichend ist, um einen Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück in der ersten Richtung als Teil des Umschaltens zu der ersten Richtung automatisch wieder zu entzünden. Die Schritte des Induzierens eines Spannungspegels können durch einen Lichtbogen-Regelungskreis erreicht werden, der mindestens einen Induktor und mindestens eine Konstantstromquelle aufweist.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Schweißstromquelle. Die Schweißstromquelle enthält einen Brückenkreis, der dafür konfiguriert ist, einen Wechselstrom-Schweißausgangsstrom bereitzustellen. Die Schweißstromquelle enthält des Weiteren einen Lichtbogen-Regelungskreis, der mit dem Brückenkreis wirkverbunden und dafür konfiguriert ist, eine Spannung an einem Schweißausgang der Schweißstromquelle zu induzieren, die eine ausreichende Größenordnung besitzt, um einen Lichtbogen in einem Ausgangsstromkreispfad, der mit dem Schweißausgang verbunden ist, bei Umkehr einer Polarität eines Schweißausgangsstroms durch den Ausgangsstromkreispfad automatisch wieder zu entzünden. Der Lichtbogen-Regelungskreis kann mindestens einen Induktor und mindestens eine Konstantstromquelle enthalten.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Schweißstromquelle. Die Schweißstromquelle enthält einen Stromumschaltkreis, der mindestens einen Induktor und mindestens eine Konstantstromquelle aufweist, wobei der mindestens eine Induktor und die mindestens eine Konstantstromquelle dafür konfiguriert sind, an einer Last, die mit einem Schweißausgang der Schweißstromquelle verbunden ist, eine Spannung zu induzieren, die ausreichend ist, um einen Schweißlichtbogen an der Last bei Umkehr einer Polarität eines Schweißausgangsstroms durch die Last wieder zu entzünden. Der Stromumschaltkreis kann zum Beispiel als ein Halbbrückenkreis oder ein Vollbrückenkreis konfiguriert sein. Weitere Ausführungsformen können aus der folgenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen abgeleitet werden.
  • Details veranschaulichter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnungen besser verstanden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 veranschaulicht ein Blockschaubild einer beispielhaften Ausführungsform einer Schweißstromquelle, die mit einer Schweißelektrode und einem Werkstück wirkverbunden ist;
  • 2 veranschaulicht ein Schaubild einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines Abschnitts der Schweißstromquelle von 1, die einen Brückenkreis und einen bipolaren Lichtbogen-Regelungskreis aufweist;
  • 3A–3C veranschaulichen den Betrieb der Schweißstromquelle in 2 im Fall der Implementierung einer Wechselstrom-Schweißausgangsstromwellenform;
  • 4 veranschaulicht ein Schaubild einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Abschnitts der Schweißstromquelle von 1, die einen Brückenkreis und einen bipolaren Lichtbogen-Regelungskreis aufweist;
  • 5 veranschaulicht ein Schaubild einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Abschnitts der Schweißstromquelle von 1, die einen Brückenkreis und einen bipolaren Lichtbogen-Regelungskreis aufweist;
  • 6 veranschaulicht ein Schaubild einer vierten beispielhaften Ausführungsform eines Abschnitts der Schweißstromquelle von 1, die einen Brückenkreis und einen bipolaren Lichtbogen-Regelungskreis aufweist;
  • 7A–7B veranschaulichen den Betrieb der Schweißstromquelle in 2, die den optionalen Überlagerungskondensator enthält, im Fall der Implementierung einer Wechselstrom-Schweißausgangsstromwellenform;
  • 8A–8B veranschaulichen den Betrieb einer weiteren Ausführungsform einer Schweißstromquelle, die einen Überlagerungskondensator enthält, im Fall der Implementierung einer Wechselstrom-Schweißausgangsstromwellenform; und
  • 9A–9C veranschaulichen den Betrieb einer weiteren Ausführungsform einer Schweißstromquelle, die eine unabhängige Entladungssteuerung eines Überlagerungskondensators enthält, im Fall der Implementierung einer Wechselstrom-Schweißausgangsstromwellenform.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es folgen Definitionen beispielhafter Begriffe, die innerhalb der Offenbarung verwendet werden können. Sowohl die Einzahl- als auch die Mehrzahlformen aller Begriffe fallen in die jeweilige Bedeutung:
    „Software” oder „Computerprogramm” im Sinne des vorliegenden Textes beinhaltet beispielsweise eine oder mehrere computerlesbare und/oder -ausführbare Anweisungen, die einen Computer oder eine andere elektronische Vorrichtung veranlassen, gewünschte Funktionen oder Aktionen auszuführen und/oder sich in einer gewünschten Weise zu verhalten. Die Anweisungen können in verschiedenen Formen verkörpert sein, wie zum in Beispiel Routinen, Algorithmen, Modulen oder Programmen, die separate Anwendungen oder Code von dynamisch verlinkten Bibliotheken enthalten. Software kann ebenfalls in verschiedenen Formen implementiert werden, wie zum Beispiel als ein eigenständiges Programm, ein Funktionsruf, ein Servlet, ein Applet, eine Anwendung, Anweisungen, die in einem Speicher gespeichert sind, ein Teil eines Betriebssystems oder irgend eine andere Art von ausführbaren Anweisungen. Dem Durchschnittsfachmann leuchtet ein, dass die Form der Software zum Beispiel von den Anforderungen einer gewünschten Anwendung, der Umgebung, in der sie abläuft, und/oder den Vorstellungen eines Designers oder Programmierers oder dergleichen abhängig ist.
  • „Computer” oder „Verarbeitungselement” oder „Computervorrichtung” im Sinne des vorliegenden Textes beinhaltet beispielsweise eine beliebige programmierte oder programmierbare elektronische Vorrichtung, die Daten speichern, abrufen und verarbeiten kann. Zu „nicht-transitorischen computerlesbaren Medien” gehören beispielsweise eine CD-ROM, eine Flash-Wechselspeicherkarte, ein Festplattenlaufwerk, ein Magnetband und eine Floppy-Disk.
  • „Schweißwerkzeug” meint im Sinne des vorliegenden Textes beispielsweise eine Schweißpistole, einen Schweißbrenner oder eine sonstige Schweißvorrichtung, die eine aufzehrbare oder nicht-aufzehrbare Schweißelektrode aufnimmt, um von einer Schweißstromquelle kommende elektrische Leistung an die Schweißelektrode anzulegen.
  • „Schweißausgangsstromkreispfad” meint im Sinne des vorliegenden Textes den elektrischen Pfad von einer ersten Seite des Schweißausgangs einer Schweißstromquelle durch ein erstes Schweißkabel (oder eine erste Seite eines Schweißkabels) zu einer Schweißelektrode, zu einem Werkstück (entweder durch einen Kurzschluss oder einen Lichtbogen zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück), durch ein zweites Schweißkabel (oder eine zweite Seite eines Schweißkabels) und zurück zu einer zweiten Seite des Schweißausgangs der Schweißstromquelle.
  • „Schweißkabel” meint im Sinne des vorliegenden Textes das elektrische Kabel, das zwischen einer Schweißstromquelle und einer Schweißelektrode und dem Werkstück (zum Beispiel durch eine Schweißdrahtzuführvorrichtung) verbunden sein kann, um elektrischen Strom bereitzustellen, um einen Lichtbogen zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück zu erzeugen.
  • „Schweißausgang” kann sich im Sinne des vorliegenden Textes auf die elektrischen Ausgangsschaltungen oder den elektrischen Ausgangsport oder die elektrischen Ausgangsanschlüsse einer Schweißstromquelle oder auf die elektrische Leistung, die elektrische Spannung oder den elektrischen Strom beziehen, die bzw. der durch die elektrischen Ausgangsschaltungen oder den elektrischen Ausgangsport einer Schweißstromquelle bereitgestellt wird, oder auf die Last, die an einen Ausgang einer Schweißstromquelle angeschlossen ist.
  • „Computerspeicher” meint im Sinne des vorliegenden Textes eine Speichervorrichtung, die dafür konfiguriert ist, digitale Daten oder Informationen zu speichern, die durch einen Computer oder ein Verarbeitungselement abgerufen werden können.
  • „Steuereinheit” meint im Sinne des vorliegenden Textes die Logikschaltungen und/oder Verarbeitungselemente und zugehörige Software oder ein zugehöriges Programm, die bzw. das an der Steuerung einer Schweißstromquelle beteiligt ist.
  • Die Begriffe „Signal”, „Daten” und „Informationen” können im vorliegenden Text austauschbar verwendet werden und können in digitaler oder analoger Form vorliegen.
  • Der Begriff „Wechselstromschweißen” wird im vorliegenden Text in einem allgemein Sinn verwendet und kann sich sowohl auf echtes Wechselstromschweißen, Gleichstromschweißen mit positiven und negativen Polaritäten, polaritätsvariables Schweißen und andere Hybridschweißprozesse beziehen.
  • Die Plasmasäule, die beim Niederstrom-Lichtbogenschweißen entsteht, neigt zur Instabilität und kann zu unerwünschten Lichtbogenausfällen führen. Bei Wechselstromschweißprozessen stoppt zusätzlich der Lichtbogenstrom und ändert seine Richtung während des Null-Übergangs. In Abhängigkeit vom Zustand des Lichtbogenplasmas und der Gase, die die Schweißnaht umgeben, kann sich der Lichtbogen wieder entzünden oder auch nicht. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthalten einen Niederstromlichtbogen-Regelungskreis, der einen exakt gesteuerten Strom mit einem signifikanten Betrag an Induktivität bereitstellt, der eine Hochenergie-Konstantstromquelle zum Stabilisieren des Lichtbogenplasmas darstellt. Während eines Polaritätswechsels klingt der Lichtbogenstrom auf null ab, bevor er in der entgegengesetzten Polarität weiterfließt. Während dieser Polaritätsübergangszeit fließt sowohl der Strom vom Lichtbogen als auch vom Lichtbogen-Regelungskreis in einen Hochspannungs-Snubberkreis. Die durch den Snubberkreis erzeugte Hochspannung erschöpft rasch die gesamte Lichtbogenenergie. Jedoch wird nur ein kleiner Teil der Energie des Lichtbogen-Regelungskreises erschöpft. Wenn die Energie der Schweißstromkreis-Induktivität erschöpft ist, so ist der Schweißausgang in der Lage, die Polarität umzukehren. Die Lichtbogen-Neuzündungsspannung wird durch Energie bereitgestellt, die im Induktor des Lichtbogen-Regelungskreises gespeichert ist, und wird durch den Hochspannungs-Snubberkreis begrenzt. Sobald der Lichtbogen wiederhergestellt ist, wird der Strom von dem Lichtbogen-Regelungskreis zurück zum Lichtbogen umgelenkt, und die Spannung kollabiert zurück zu jener, die erforderlich ist, um den Lichtbogen aufrecht zu erhalten.
  • 1 veranschaulicht ein Blockschaubild einer beispielhaften Ausführungsform einer Schweißstromquelle 100, die mit einer Schweißelektrode E und einem Werkstück W wirkverbunden ist. Die Schweißstromquelle 100 enthält einen Leistungswandlungskreis 110, der eine Schweißausgangsleistung zwischen der Schweißelektrode E und dem Werkstück W bereitstellt. Der Leistungswandlungskreis 110 kann Transformatorbasiert sein und eine Halbbrückenausgangstopologie aufweisen. Zum Beispiel kann der Leistungswandlungskreis 110 von einem Inverter-Typ sein, der zum Beispiel eine Eingangsleistungsseite und eine Ausgangsleistungsseite enthält, die durch die primäre bzw. die sekundäre Seite eines Schweißtransformators abgegrenzt wird. Es sind auch andere Typen von Leistungswandlungskreisen möglich, wie zum Beispiel ein Zerhacker-Typ, der eine Gleichstromausgangstopologie aufweist. Eine optionale Drahtzufuhrvorrichtung 5 kann eine aufzehrbare Draht-Schweißelektrode E in Richtung des Werkstücks W zuführen. Alternativ kann die Elektrode E, wie in einem GTAW-Prozess, nicht-aufzehrbar sein, und die Drahtzufuhrvorrichtung 5 braucht nicht verwendet zu werden, oder kann dafür verwendet werden, einen Fülldraht in Richtung des Werkstücks W zu leiten. Die Drahtzufuhrvorrichtung 5, die aufzehrbare Schweißelektrode E und das Werkstück W sind nicht Teil der Schweißstromquelle 100, können aber mit der Schweißstromquelle 100 über ein Schweißausgangskabel wirkverbunden sein.
  • Die Stromquelle 100 enthält des Weiteren einen Wellenformgenerator 120 und eine Steuereinheit 130. Der Wellenformgenerator 120 generiert Schweißwellenformen auf Anweisung der Steuereinheit 130. Eine durch den Wellenformgenerator 120 erzeugte Wellenform moduliert das Ausgangssignal des Leistungswandlerkreises 110, um den Schweißausgangsstrom zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W zu erzeugen.
  • Die Schweißstromquelle 100 enthält des Weiteren einen Spannungsrückmeldungskreis 140 und einen Stromrückmeldungskreis 150 zum Überwachen der Schweißausgangsspannung und des Schweißausgangsstroms zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W und zum Zurückmelden der überwachten Spannung und des überwachten Stroms an die Steuereinheit 130. Die zurückgemeldete Spannung und der zurückgemeldete Strom können durch die Steuereinheit 130 verwendet werden, um Entscheidungen mit Bezug auf das Modifizieren der durch den Wellenformgenerator 120 erzeugten Schweißwellenform zu treffen und/oder andere Entscheidungen zu treffen, die zum Beispiel den Betrieb der Schweißstromquelle 100 beeinflussen.
  • Die Schweißstromquelle 100 enthält außerdem einen Stromumschaltkreis 180, der einen Brückenkreis 160 und einen Lichtbogen-Regelungskreis 170 aufweist. Der Brückenkreis 160 ist mit dem Leistungswandlungskreis 110 wirkverbunden und ist dafür konfiguriert, auf Befehl der Steuereinheit 130 eine Richtung des Ausgangsstroms durch einen Niedrigimpedanz-Schweißausgangsstromkreispfad (der die Elektrode E und das Werkstück W enthält), der mit einem Schweißausgang der Schweißstromquelle 100 wirkverbunden ist, umzuschalten. Der Lichtbogen-Regelungskreis ist mit dem Brückenkreis wirkverbunden und dafür konfiguriert, eine exakt geregelte Niedrigwert-Stromzufuhr bereitzustellen, um Schweißen am unteren Ende zu stabilisieren und Strompolaritätsübergänge um null herum zu unterstützen (zum Beispiel durch Induzieren einer Spannung zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W des Schweißausgangsstromkreispfades, die ausreicht, um den Lichtbogen während eines Polaritätsübergangs des Ausgangsstroms wieder zu entzünden). Detaillierte Beispiele und die Funktionsweise solcher Brücken- und Lichtbogenregelungskreise werden weiter unten noch ausführlich beschrieben.
  • 2 veranschaulicht ein Schaubild einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines Abschnitts der Schweißstromquelle 100 von 1, die einen Brückenkreis 160 und einen bipolaren Lichtbogen-Regelungskreis 170 aufweist. Des Weiteren ist in 2 ein Abschnitt 210 des Leistungswandlungskreises 110 veranschaulicht, wobei der Leistungswandlungskreis 110 eine in der Mitte abgegriffene oder Halbbrückentopologie (zum Beispiel ein Inverter-basierter Stromkreis) ist. Der Stromumschaltkreis 180 von 2 hat die Form einer Halbbrückentopologie, wobei der Leistungswandlungskreis 110 duale Ausgangsstrompfade bereitstellt, die dafür konfiguriert sind, einen gemeinsamen Pfad gemeinsam zu nutzen, dergestalt, dass jeder Ausgangspfad eines Fluss von entgegengesetzter Polarität in dem gemeinsam genutzten Pfad induzieren kann.
  • Der Brückenkreis 160 enthält Schalttransistoren 211 und 212. Der Lichtbogenregulierungskreis 170 enthält Schalttransistoren 213 und 214, einen Induktor 215, eine Konstantstromquelle 216, Dioden 217–220 und einen optionalen Überlagerungskondensator 221. Gemäß einer Ausführungsform sind die Schalttransistoren Bipolartransistoren mit isolierter Sperrelektrode (IGBTs). Jedoch können gemäß anderen Ausführungsformen auch andere Typen von Schalttransistoren verwendet werden (zum Beispiel Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren oder MOSFETs). Gemäß einer Ausführungsform kann die Konstantstromquelle justierbar sein (zum Beispiel zwischen 2 A und 10 A). Ein aktiver Snubberkreis 181, der eine Diode 182 und einen Kondensator 183 aufweist, wird dafür verwendet, die Spannung am Stromumschaltkreis 180 zu begrenzen (zum Beispiel irgendwo zwischen 300 V und 600 V), um den Ausgangsstrom durch den Ausgangsstromkreispfad zu veranlassen, rasch abzuklingen, und den Lichtbogen-Neuzündungsspannungspegel zu begrenzen. Die anti-parallelen Dioden der Schalttransistoren 211 und 212 transportieren den Snubber-/Abklingstrom. Ein Vorladen des Induktors (zum Beispiel durch Kurzschließen der Transistoren des Lichtbogen-Regelungskreises 170) kann erwünscht sein, dergestalt, dass der Induktor gespeicherte Energie hat und bereit ist, initiale Lichtbogenentzündungsfunktionen (am Beginn des Schweißprozesses) oder Lichtbogen-Neuzündungsfunktionen (bei Nulldurchgängen) rascher ausführen.
  • Der optionale Überlagerungskondensator 221 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 kann dafür verwendet werden, einen moderaten Overshoot durch Null-Strom während eines Polaritätswechsels bereitzustellen. Der Kondensator 221 kann Energie von dem Induktor des Lichtbogen-Regelungskreises während der Brückentotzeit speichern. Die Energie kann freigesetzt werden, wenn der Lichtbogen in der entgegengesetzten Polarität wiederhergestellt ist, wodurch eine zusätzliche Verstärkung oder ein Overshoot zusätzlich zu dem Strom bereitgestellt wird, der durch die Konstantstromquelle und den Induktor bereitgestellt wird. In 2 ist der Kondensator direkt mit der Stromquelle 216 und dem Induktor 215 verbunden. Der Induktor lädt den Kondensator während der Totzeit, und der Kondensator gibt Energie an die Last ab, wenn der Brückenkreis 160 sich wieder EIN-schaltet. Dieser Zyklus vollzieht sich bei jedem Polaritätswechsel. Die Oberseite des Kondensators 221 kann mit der Katode der Diode 217 anstelle des Induktors 215 verbunden werden, wodurch immer noch ein Laden in beiden Halbzyklen möglich ist, aber Energie nur beim Negativ-zu-positiv-Übergang abgegeben wird, wodurch die erforderliche Totzeit pro Zyklus zum Laden minimiert wird, während die gespeicherte Energie maximiert wird.
  • Der Stromumschaltkreis 180 von 2 erlaubt einen Wechselstromschweißvorgang und induziert eine Spannung am Schweißausgang der Schweißstromquelle, die eine ausreichende Größenordnung besitzt, um den Schweißlichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W während Polaritätsumkehrungen des Schweißprozess wiederherzustellen, wie im vorliegenden Text mit Bezug auf die 3A–3C beschrieben, und zwar ohne den optionalen Überlagerungskondensator 221. Es sind Schweißausgangsanschlüsse 191 und 192 gezeigt, die den Schweißausgang der Schweißstromquelle darstellen, mit dem die Elektrode E und das Werkstück W durch einen Schweißkabelpfad verbunden werden können.
  • Gemäß einer Ausführungsform hat der Induktor 215 einen Induktivitätswert zwischen etwa 10 und 100 Millihenry (gewöhnlich viel größer als die Gesamtinduktivität des Schweißausgangsstromkreispfades), und die Konstantstromquelle 216 stellt einen Konstantstrom im Bereich von 2 A bis 10 A bereit. Die Konstantstromquelle 216 kann eine beliebige von mehreren verschiedenen Typen sein, einschließlich beispielsweise ein Chopper-Buck-Regler oder eine einfache Spannungsquelle und ein Widerstand. Der Induktor ist so bemessen, dass er einen relativ stabilen Strom bereitstellt, während er eine hinreichend große Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück induziert, um den Lichtbogen rasch und zuverlässig sofort wieder zu entzünden, nachdem der Lichtbogen aufgrund der Ausgangsstrom-Umschaltrichtung ausgeht (Polaritätsumkehr/-umschaltung). Während des Nullstromdurchgangs (Polaritätsumkehr/-umschaltung) erlischt der Lichtbogen, wenn der Strom null erreicht, und die Hochspannung (zum Beispiel 200 bis 400 V–), die durch die Energie des Induktors 215 des Lichtbogenregulierungskreises 170 induziert wird, wird verwendet, um den Lichtbogen in der entgegengesetzten Polarität wiederherzustellen. Der Induktor 215 lässt den Strom weiter fließen und induziert die Hochspannung bis zu der durch den Snubberkreis 181 eingestellten Grenze (zum Beispiel 400 V–). Der Induktor 215 ist in der Lage, den Hochspannungspegel in jeder Polarität zu induzieren, die durch den Zustand der Schalttransistoren 213 und 214 in Verbindung mit den Schalttransistoren 211 und 212 bestimmt wird (d. h. beim Durchgang durch den Nullstrompunkt von jeder Richtung aus).
  • Gemäß einer Ausführungsform transportieren die Schalttransistoren und die Dioden in dem Lichtbogen-Regelungskreis nur einen Hintergrundstrom (zum Beispiel weniger als 2–10 A), und die Schalttransistoren des Brückenkreises werden gemeinsam genutzt, um den Vollbrückenpfad des Lichtbogen-Regelungskreises zu vervollständigen. Die Dioden in dem Lichtbogen-Regelungskreis blockieren sowohl den Stromquellenstrom als auch den unbeabsichtigten Freilaufstrompfad, der durch die Schenkel des Lichtbogen-Regelungskreises gebildet wird. Die Schalttransistoren in dem Lichtbogen-Regelungskreis können verwendet werden, um eine einfache Boost-Versorgung zu bilden, die verwendet werden kann, um den Kondensator des Snubberkreises (mit AUS-geschaltetem Brückenkreis) vorzuladen. In ähnlicher Weise können die Schalttransistoren in dem Lichtbogen-Regelungskreis verwendet werden, um den Induktor des Lichtbogen-Regelungskreises vorzuladen. Gemäß einer Ausführungsform kann ein Induktor von 100 Millihenry in etwa 20 Millisekunden auf 10 A geladen werden (unter der Annahme eines Unterschiedes von 50 V zwischen der Lichtbogenspannung und der Spannungsversorgung für die Stromquelle). Darum sollte die Zeit zum Starten und Stabilisieren eines GTAW-Prozesses (oder irgend eines sonstigen Prozesses) mit Gleichstrom mehr als ausreichend sein, um den Induktor des Lichtbogen-Regelungskreises ohne zusätzliche Mittel vorzuladen.
  • 3A–3C veranschaulichen den Betrieb der Schweißstromquelle in 2 im Fall der Implementierung einer Wechselstrom-Schweißausgangsstromwellenform (zum Beispiel als eine einfache Rechteckwellenform dargestellt) ohne den optionalen Überlagerungskondensator 221. Die in den 3A–3C gezeigte Last 230 repräsentiert den Widerstand und die Induktivität des Lichtbogens zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W und des Schweißkabelpfades, der die Elektrode E und das Werkstück W mit der Schweißstromquelle verbindet (d. h. der Schweißausgangsstromkreispfad). Die Elektrode E, das Werkstück W und der Schweißkabelpfad sind jedoch nicht Teil der Schweißstromquelle.
  • Wenden wir uns dem oberen Teil von 3A zu. Während des positiven Stromabschnitts einer Wechselstromwellenform 300 (siehe die dickeren dunklen Linien der Wellenform 300), die durch die Schweißstromquelle erzeugt wird, fließt Strom überwiegend von dem Leistungswandlungskreis 210 durch den Umschalttransistor 211 des Brückenkreises 160, durch die Last 230 (in der positiven Richtung) und zurück zu dem Leistungswandlungskreis 210 durch den gemeinsamen Pfad (siehe dicke Pfeile). Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215 (und speichert Energie in dem Induktor), durch die Diode 217 durch den Umschalttransistor 211 des Brückenkreises 160, durch die Last 230 (in der positiven Richtung), durch die Diode 219 und den Umschalttransistor 214 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 und zurück zu der Konstantstromquelle 216 (siehe die dünneren Pfeile).
  • Wenden wir uns dem unteren Teil von 3A zu. Während des positiven Stromabklingabschnitts der Wechselstromwellenform 300 (siehe die dickere dunkle Linie der Wellenform 300) fungiert die Last 230 effektiv als eine Stromquelle, die versucht, den Strom am Fließen zu halten. Strom fließt von der Last 230 durch den Leistungswandlungskreis 210 (in einer freilaufenden Weise), durch den aktiven Snubberkreis 181, durch die anti-parallele Diode des Umschalttransistors 212 des Brückenkreises 160 und zurück zur Last 230 (in der positiven Richtung, siehe die dicken Pfeile), bis der Strom vollständig abklingt. Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216, durch den Induktor 215 (wobei Energie in dem Induktor gespeichert wird), durch die Diode 217, durch den Snubberkreis 181, durch die Diode 220 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 und zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe die dünneren Pfeile). Selbst wenn der Strom durch die Last 230 vollständig abgeklungen ist, fließt der Strom von dem Lichtbogen-Regulatorkreis 170 weiter, wie beschrieben.
  • Während des Abklingens des Stroms wechselt der Brückenkreis 160 die Polarität. Solange jedoch der Lichtbogenstrom immer noch positiv ist, leitet der Induktor 215 durch den Hochspannungspfad ab, der durch den Snubberkreis 181 gebildet wird. Der Lichtbogen-Regelungskreis 170 speist 2–10 A in den Snubberkreis 181 ein. Wenn der Strom durch die Last in Richtung null abfällt, erlischt der Lichtbogen, und der Lichtbogen-Regelungskreis legt eine Hochspannung an die Last an, um den Lichtbogen in der entgegengesetzten Polarität wieder zu entzünden.
  • Wir wenden uns 3B zu. Während des Polaritätsübergangsabschnitts der Wechselstromwellenform 300 (siehe die dickere dunkle Linie der Wellenform 300) wird kein signifikanter Strom durch den Leistungswandlungskreis 210 bereitgestellt. Der Lichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W erlischt kurz. Jedoch induziert in dem Induktor 215 gespeicherte Energie eine Lichtbogenzündspannung zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W. Strom von dem Leistungswandlungskreis kann wieder beginnen, durch die Last in der entgegengesetzten Richtung zu fließen. Der Lichtbogenstrom wird rasch wiederhergestellt, und jeglicher Undershoot oder Overshoot des Schweißausgangsstroms wird durch den Induktor 215 gesteuert. Ohne den Lichtbogen-Regelungskreis würde der Leistungswandlungskreis versuchen, den Lichtbogen wiederherzustellen. Da jedoch die Spannung, die durch den Leistungswandlungskreis bereitgestellt wird, gewöhnlich begrenzt ist (zum Beispiel auf 100 V–), kann keine Wiederherstellung des Lichtbogens stattfinden. Wenn die Energie von dem Induktor 215 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 abgegeben wird, so fließt Strom von dem Induktor 215 durch den Umschalttransistor 213, durch die Diode 218, durch die Last 230 (in der negativen Richtung), durch den Umschalttransistor 212 des Brückenkreises 160, durch die Diode 220, durch die Konstantstromquelle 216 und zurück zum Induktor 215 (siehe Pfeile). Infolge dessen wird der Lichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W rasch in der negativen Richtung wieder entzündet und schwingt sich auf einen Spannungspegel ein, der niedrig genug ist, damit die Stromquelle einen Strom bereitstellen kann.
  • Wir wenden uns dem oberen Abschnitt von 3C zu. Während des negativen Stromabschnitts der Wechselstromwellenform 300 (siehe die dickeren dunklen Linien der Wellenform 300), die durch die Schweißstromquelle erzeugt wird, fließt Strom überwiegend vom Leistungswandlungskreis 210 durch die Last 230 (in der negativen Richtung), durch den Umschalttransistor 212 des Brückenkreises 160 und zurück zum Leistungswandlungskreis 210 (siehe die dicken Pfeile). Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, die Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215 (wobei Energie in dem Induktor gespeichert wird), durch den Umschalttransistor 213, durch die Diode 218, durch die Last 230 (in der negativen Richtung), durch den Umschalttransistor 212 des Brückenkreises 160, durch die Diode 220 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 und zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe die dünneren Pfeile).
  • Wir wenden uns dem unteren Teil von 3C zu. Während des negativen Stromabklingabschnitts der Wechselstromwellenform 300 (siehe die dickere dunkle Linie der Wellenform 300) fungiert die Last 230 effektiv als eine Stromquelle, die versucht, den Strom am Fließen zu halten. Strom fließt von der Last 230 durch die anti-parallele Diode des Umschalttransistors 211 des Brückenkreises 160, durch den aktiven Snubberkreis 181, durch den Leistungswandlungskreis 210 (in einer freilaufenden Weise) und zurück zur Last 230 (siehe die dicken Pfeile). Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215 (wobei Energie in dem Induktor gespeichert wird), durch die Diode 217, durch den Snubberkreis 181, durch die Diode 220 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 und zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe die dünneren Pfeile). Selbst wenn der Strom durch die Last 230 vollständig abgeklungen ist, fließt der Strom von dem Lichtbogen-Regulatorkreis 170 weiter, wie beschrieben.
  • Beim Übergang zurück zum positiven Abschnitt der Wellenform 300 (d. h. die Wellenform wiederholt sich) gibt der Induktor 215 in einer ähnlichen Weise wie in 3B seine gespeicherte Energie durch die Last (aber in der positiven Richtung) über die Diode 217, den Umschalttransistor 211, die Diode 219, den Umschalttransistor 214 und die Konstantstromquelle 216 ab, was zur Folge hat, dass der Lichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W sich rasch in der positiven Richtung wieder entzündet. Der Lichtbogen-Regelungskreis 170 addiert kontinuierlich einen exakt geregelten Niedrigwert von Strom zu dem Schweißausgangsstrom, der durch die Stromquelle bereitgestellt wird, um den Lichtbogen zu stabilisieren, während der Strom, der durch den Leistungswandlungskreis bereitgestellt wird, in Richtung null abnimmt, und um den Lichtbogen in der entgegengesetzten Polarität sofort wieder zu entzünden.
  • 4 veranschaulicht ein Schaubild einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines Abschnitts der Schweißstromquelle 100 von 1, die einen Brückenkreis 160 und einen bipolaren Lichtbogen-Regelungskreis 170 aufweist. Des Weiteren ist in 4 ein Abschnitt 210 des Leistungswandlungskreises 110 veranschaulicht, wobei der Leistungswandlungskreis 110 eine in der Mitte abgegriffene oder Halbbrückentopologie ist (zum Beispiel ein Inverter-basierter Kreis). Der Stromumschaltkreis 180 von 4 hat die Form einer Halbbrückentopologie, wobei der Leistungswandlungskreis 110 duale Ausgangsstrompfade bereitstellt, die dafür konfiguriert sind, einen gemeinsamen Pfad gemeinsam zu nutzen, dergestalt, dass jeder Ausgangspfad einen Fluss von entgegengesetzter Polarität in dem gemeinsam genutzten Pfad induzieren kann. Die Funktionsweise des Schweißstromquellenabschnitts von 4 ist ähnlich der von 2. Jedoch stellt 4 einen Vollbrücken-Lichtbogen-Regelungskreis 170 bereit, der vier Schalttransistoren aufweist, was zu einer geringfügig komplizierteren Implementierung führt, die eine verbesserte Niederstromregelung und Lichtbogenzündleistung gegenüber der Konfiguration von 2 haben kann.
  • Der Brückenkreis 160 enthält Schalttransistoren 411 und 412. Der Lichtbogenregulierungskreis 170 enthält Schalttransistoren 413, 414, 415 und 416, einen Induktor 417, eine Konstantstromquelle 418, eine Diode 419 und optional einen Vorlade-Umschalttransistor 420. Gemäß einer Ausführungsform sind die Schalttransistoren Bipolartransistoren mit isolierter Sperrelektrode (IGBTs). Jedoch können gemäß anderen Ausführungsformen auch andere Typen von Schalttransistoren verwendet werden (zum Beispiel Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren oder MOSFETs). Ein aktiver Snubberkreis 481, der eine Diode 482 und einen Kondensator 483 aufweist, wird verwendet, um die Spannung an dem Stromumschaltkreis 180 zu begrenzen (zum Beispiel irgendwo zwischen 300 V und 600 V), um zu veranlassen, dass der Ausgangsstrom durch den Ausgangsstromkreispfad rasch abklingt, und den Lichtbogenwiederentzündungsspannungspegel zu begrenzen. Die anti-parallelen Dioden der Schalttransistoren 411 und 412 transportieren den Snubber-/Abklingstrom. Der optionale Vorlade-Umschalttransistor 420 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 kann dafür verwendet werden, den Induktor 417 mit Energie vorzuladen. Wenn der Vorladungstransistor 420 ein ist, so fließt Strom von dem Induktor 417 durch den Vorladungstransistor 420. Als eine alternative Option kann das Vorladen des Induktors durch Kurzschließen der Transistoren des Lichtbogen-Regelungskreises 170 (zum Beispiel 413 und 414 oder 415 und 416) bewerkstelligt werden. Das Vorladen des Induktors kann dergestalt gewünscht werden, dass der Induktor gespeicherte Energie hat und bereit ist, initiale Lichtbogenentzündungsfunktionen (am Beginn des Schweißprozesses) oder Lichtbogen-Neuzündungsfunktionen (bei Nulldurchgängen) rascher auszuführen.
  • Der Stromumschaltkreis 180 von 4 ermöglicht einen Wechselstromschweißvorgang und induziert eine Spannung an dem Schweißausgang der Schweißstromquelle, die eine ausreichende Größenordnung besitzt, um den Schweißlichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W während Polaritätsumkehrungen des Schweißprozesses wiederherzustellen. Schweißausgangsanschlüsse 191 und 192 sind gezeigt und repräsentieren den Schweißausgang der Schweißstromquelle, mit dem die Elektrode E und das Werkstück W durch einen Schweißkabelpfad verbunden werden können.
  • Gemäß einer Ausführungsform hat der Induktor 417 einen Induktivitätswert zwischen etwa 10 und 100 Millihenry, und die Konstantstromquelle 418 stellt einen Konstantstrom im Bereich von 2 A bis 10 A bereit. Die Konstantstromquelle 418 kann eine beliebige von mehreren verschiedenen Typen sein, einschließlich beispielsweise ein Chopper-Buck-Regler oder eine einfache Spannungsquelle und ein Widerstand. Der Induktor ist so bemessen, dass er einen relativ stabilen Strom bereitstellt, während er eine hinreichend große Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück induziert, um den Lichtbogen sofort rasch und zuverlässig wieder zu entzünden, nachdem der Lichtbogen aufgrund der Ausgangsstrom-Umschaltrichtung (Polaritätsumkehr/-umschaltung) ausgeht.
  • Während des Nullstromdurchgangs (Polaritätsumkehr/-umschaltung) erlischt der Lichtbogen, und die Hochspannung, die durch die Energie des Induktors 417 des Lichtbogenregulierungskreises 170 induziert wird, wird verwendet, um den Lichtbogen in der entgegengesetzten Polarität wiederherzustellen. Der Induktor 417 hält den Strom am Fließen und induziert die Hochspannung bis zu der Grenze, die durch den Snubberkreis 481 eingestellt wurde (zum Beispiel 400 V–). Der Induktor 417 induziert den Hochspannungspegel in jeder Polarität, die durch den Zustand der Schalttransistoren bestimmt wird (d. h. beim Durchgang durch den Nullstrompunkt aus der einen oder der anderen Richtung).
  • 5 veranschaulicht ein Schaubild einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines Abschnitts der Schweißstromquelle 100 von 1, die einen Brückenkreis 160 und einen bipolaren Lichtbogen-Regelungskreis 170 aufweist. Des Weiteren ist in 5 ein Abschnitt 210 des Leistungswandlungskreises 110 veranschaulicht, wobei der Leistungswandlungskreis 110 eine in der Mitte abgegriffene oder Halbbrückentopologie ist (zum Beispiel ein Inverter-basierter Kreis). Der Stromumschaltkreis 180 von 5 hat die Form einer Halbbrückentopologie, wobei der Leistungswandlungskreis 110 duale Ausgangsstrompfade bereitstellt, die dafür konfiguriert sind, einen gemeinsamen Pfad gemeinsam zu nutzen, dergestalt, dass jeder Ausgangspfad einen Fluss von entgegengesetzter Polarität in dem gemeinsam genutzten Pfad induzieren kann. Die Funktionsweise des Schweißstromquellenabschnitts von 5 ist ähnlich der von 2. Jedoch stellt 5 einen dualen Lichtbogen-Regelungskreis 170 bereit, der zwei gekoppelte Induktoren und zwei Konstantstromquellen aufweist, was eine kompliziertere Implementierung zur Folge hat, die eine verbesserte Niederstromregelung und Lichtbogen-Regelungsleistung gegenüber der Konfiguration von 2 ermöglichen kann.
  • Der Brückenkreis 160 enthält Schalttransistoren 511 und 512. Der Lichtbogenregulierungskreis 170 enthält gekoppelte Induktoren 513 und 514, Konstantstromquellen 515 und 516, Dioden 517 und 519 und einen optionalen Vorlade-Umschalttransistor 518. Gemäß einer Ausführungsform sind die Schalttransistoren Bipolartransistoren mit isolierter Sperrelektrode (IGBTs). Jedoch können gemäß anderen Ausführungsformen auch andere Typen von Schalttransistoren verwendet werden (zum Beispiel Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren oder MOSFETs). Ein aktiver Snubberkreis 581, der eine Diode 582 und einen Kondensator 583 aufweist, wird verwendet, um die Spannung an dem Stromumschaltkreis 180 zu begrenzen (zum Beispiel irgendwo zwischen 300 V und 600 V), um zu veranlassen, dass der Ausgangsstrom durch den Ausgangsstromkreispfad rasch abklingt, und den Lichtbogen-Neuzündungsspannungspegel zu begrenzen. Die anti-parallelen Dioden der Schalttransistoren 511 und 512 transportieren den Snubber-/Abklingstrom. Der optionale Vorlade-Umschalttransistor 518 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 kann dafür verwendet werden, die Induktoren 513 und 514 mit Energie vorzuladen. Wenn der Vorladungstransistor 518 ein ist, so fließt Strom von den Induktoren durch den Vorladungstransistor. Als eine Alternative kann das Vorladen durch Kurzschließen der Schalttransistoren ausgeführt werden. Das Vorladen der Induktoren kann dergestalt gewünscht werden, dass die Induktoren gespeicherte Energie haben und bereit sind, initiale Lichtbogenentzündungsfunktionen (am Beginn des Schweißprozesses) oder Lichtbogen-Neuzündungsfunktionen (bei Nulldurchgängen) rascher auszuführen.
  • Der Stromumschaltkreis 180 von 5 ermöglicht einen Wechselstromschweißvorgang und induziert eine Spannung an dem Schweißausgang der Schweißstromquelle, die eine ausreichende Größenordnung besitzt, um den Schweißlichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W während Polaritätsumkehrungen des Schweißprozesses wiederherzustellen. Schweißausgangsanschlüsse 191 und 192 sind gezeigt und repräsentieren den Schweißausgang der Schweißstromquelle, mit dem die Elektrode E und das Werkstück W durch einen Schweißkabelpfad verbunden werden können.
  • Gemäß einer Ausführungsform haben die Induktoren 513 und 514 jeweils einen Induktivitätswert zwischen etwa 10 und 100 Millihenry, und die Konstantstromquellen 515 und 516 stellen jeweils einen Konstantstrom im Bereich von 2 A bis 10 A bereit. Die Konstantstromquellen 515 und 516 können beliebige von mehreren verschiedenen Typen sein, einschließlich beispielsweise ein Chopper-Buck-Regler oder eine einfache Spannungsquelle und ein Widerstand. Die Induktoren sind so bemessen, dass sie eine hinreichend große Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück induzieren, um den Lichtbogen sofort rasch und zuverlässig wieder zu entzünden, nachdem der Lichtbogen aufgrund der Ausgangsstrom-Umschaltrichtung (Polaritätsumkehr/-umschaltung) ausgeht.
  • Während des Nullstromdurchgangs (Polaritätsumkehr/-umschaltung) erlischt der Lichtbogen, und die Hochspannung, die durch die Energie von einem entsprechenden Induktor des Lichtbogenregulierungskreises 170 induziert wird, wird verwendet, um den Lichtbogen in der entgegengesetzten Polarität wiederherzustellen. Die Induktoren halten den Strom am Fließen und induzieren die Hochspannung bis zu der Grenze, die durch den Snubberkreis 581 eingestellt wurde (zum Beispiel 400 V–). Die Induktoren induzieren den Hochspannungspegel in jeder Polarität, die durch den Zustand der Schalttransistoren bestimmt wird (d. h. beim Durchgang durch den Nullstrompunkt aus der einen oder der anderen Richtung).
  • 6 veranschaulicht ein Schaubild einer vierten beispielhaften Ausführungsform eines Abschnitts der Schweißstromquelle 100 von 1, die einen Brückenkreis 160 und einen bipolaren Lichtbogen-Regelungskreis 170 aufweist. Des Weiteren ist in 6 ein Abschnitt 610 des Leistungswandlungskreises 110 veranschaulicht, wobei der Leistungswandlungskreis 110 einen Gleichstrom + Ausgang (zum Beispiel einen Zerhacker-basierten Kreis) bereitstellt. Der Stromumschaltkreis 180 von 6 hat die Form einer Vollbrückentopologie, die mit fast jeder Stromquellentopologie verwendet werden kann, was Flexibilität und die Möglichkeit bereitstellt, zu existierenden konstruierten Stromquellen hinzugefügt zu werden. 6 stellt eine gemeinsam genutzte H-Brückenschalttopologie bereit, die zu einer Implementierung gehört, die eine verbesserte Niederstromregelung und Lichtbogen-Neuzündungsleistung gegenüber der Konfiguration von 2 ermöglichen kann.
  • Der Brückenkreis 160 enthält Schalttransistoren 611, 612, 613 und 614, die eine Voll-H-Brückenkonfiguration bilden. Der Lichtbogenregulierungskreis 170 enthält einen Induktor 615, eine Konstantstromquelle 616, eine Diode 617 und einen optionalen Vorlade-Umschalttransistor 618. Gemäß einer Ausführungsform sind die Schalttransistoren Bipolartransistoren mit isolierter Sperrelektrode (IGBTs). Jedoch können gemäß anderen Ausführungsformen auch andere Typen von Schalttransistoren verwendet werden (zum Beispiel Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren oder MOSFETs). Ein aktiver Snubberkreis 681, der eine Diode 682 und einen Kondensator 683 aufweist, wird verwendet, um die Spannung an dem Stromumschaltkreis 180 zu begrenzen (zum Beispiel irgendwo zwischen 300 V und 600 V), um zu veranlassen, dass der Ausgangsstrom durch den Ausgangsstromkreispfad rasch abklingt, und die Lichtbogen-Wiederentzündungsspannung zu begrenzen. Die anti-parallelen Dioden der Schalttransistoren 611–614 transportieren den Snubber-/Abklingstrom. Der optionale Vorlade-Umschalttransistor 618 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 kann dafür verwendet werden, den Induktor 615 mit Energie vorzuladen. Wenn der Vorladungstransistor 618 ein ist, so fließt Strom von dem Induktor durch den Vorladetransistor. Auch hier kann wieder, als eine Alternative, das Vorladen durch Kurzschließen der Schalttransistoren ausgeführt werden. Das Vorladen der Induktoren kann dergestalt gewünscht werden, dass der Induktor gespeicherte Energie hat und bereit ist, initiale Lichtbogenentzündungsfunktionen (am Beginn des Schweißprozesses) oder Lichtbogen-Neuzündungsfunktionen (bei Nulldurchgängen) rascher auszuführen.
  • Der Stromumschaltkreis 180 von 6 ermöglicht einen Wechselstromschweißvorgang und induziert eine Spannung an dem Schweißausgang der Schweißstromquelle, die eine ausreichende Größenordnung besitzt, um den Schweißlichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W während Polaritätsumkehrungen des Schweißprozesses wiederherzustellen. Schweißausgangsanschlüsse 191 und 192 sind gezeigt und repräsentieren den Schweißausgang der Schweißstromquelle, mit dem die Elektrode E und das Werkstück W durch einen Schweißkabelpfad verbunden werden können.
  • Gemäß einer Ausführungsform hat der Induktor 615 einen Induktivitätswert zwischen etwa 10 und 100 Millihenry, und die Konstantstromquelle 616 stellt einen Konstantstrom im Bereich von 2 A bis 10 A bereit. Die Konstantstromquelle 616 kann eine beliebige von mehreren verschiedenen Typen sein, einschließlich beispielsweise ein Chopper-Buck-Regler oder eine einfache Spannungsquelle und ein Widerstand. Der Induktor ist so bemessen, dass er einen relativ stabilen Strom bereitstellt, während er eine hinreichend große Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück induziert, um den Lichtbogen sofort rasch und zuverlässig wieder zu entzünden, nachdem der Lichtbogen aufgrund der Ausgangsstrom-Umschaltrichtung (Polaritätsumkehr/-umschaltung) ausgeht.
  • Während des Nullstromdurchgangs (Polaritätsumkehr/-umschaltung) erlischt der Lichtbogen, und die Hochspannung, die durch die Energie von dem Induktor des Lichtbogenregulierungskreises 170 induziert wird, wird verwendet, um den Lichtbogen in der entgegengesetzten Polarität wiederherzustellen. Der Induktor hält den Strom am Fließen und induziert die Hochspannung bis zu der Grenze, die durch den Snubberkreis 681 eingestellt wurde (zum Beispiel 400 V–). Der Induktor induziert den Hochspannungspegel in jeder Polarität, die durch den Zustand der Schalttransistoren bestimmt wird (d. h. beim Durchgang durch den Nullstrompunkt aus der einen oder der anderen Richtung).
  • Gemäß einigen Ausführungsformen speichert der Lichtbogen-Regelungskreis Energie und gibt die gespeicherte Energie als einen zusätzlichen Spannungsstoß zum Ermöglichen einer Neuzündung des Lichtbogens ab. Der zusätzliche Spannungsstoß kann bei Polaritätsübergängen in beiden Richtungen bereitgestellt werden oder kann auf nur eine Richtung des Polaritätsübergangs begrenzt werden, wie zum Beispiel der Negativ-zu-positiv-Übergang, der sich in der Regel schwieriger realisieren lässt. In den 7–9 sind jene Komponenten, die denen der 2–3 gleich sind, in der folgenden Besprechung mit den gleichen Bezugszahlen versehen, aber sind in einigen Fällen auch in den 7–9 weggelassen, um die Übersichtlichkeit der Figuren nicht zu beeinträchtigen.
  • 7A–7B veranschaulichen den Betrieb der Schweißstromquelle in 2 im Fall der Implementierung einer Wechselstrom-Schweißausgangsstromwellenform (zum Beispiel als eine einfache Rechteckwellenform dargestellt), die die Verwendung des optionalen Überlagerungskondensators 721 enthält. Der Lichtbogen-Regelungskreis 170, der den Überlagerungskondensator 721 enthält, wie in den 7A–7B beschrieben, lädt den Überlagerungskondensator während der vorgegebenen Totzeit zwischen Polaritäten und gibt die Energie an die Last ab, wenn der Brückenkreis 160 wieder in der einen oder anderen Polarität eingeschaltet wird. Der Ausgangsstrom 700 und die Kondensatorspannung 710 sind während des Betriebes der Schweißstromquelle veranschaulicht, wie unten beschrieben.
  • Die in den 7A–7B gezeigte Last 230 repräsentiert den Widerstand und die Induktivität des Lichtbogens zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W und den Schweißkabelpfad, der die Elektrode E und das Werkstück W mit der Schweißstromquelle verbindet (d. h. der Schweißausgangsstromkreispfad). Die Elektrode E, das Werkstück W und der Schweißkabelpfad sind jedoch nicht Teil der Schweißstromquelle.
  • Wir wenden uns dem oberen Abschnitt von 7A zu. Während des positiven Stromabschnitts einer Wechselstromwellenform 700 (siehe die dickeren dunklen Linien der Wellenform 700), die durch die Schweißstromquelle erzeugt wird, fließt Strom überwiegend vom Leistungswandlungskreis 210 durch den Umschalttransistor 211 des Brückenkreises 160, durch die Last 230 (in der positiven Richtung) und zurück zum Leistungswandlungskreis 210 durch den gemeinsamen Pfad (siehe die dicken Pfeile). Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215 (wobei Energie in dem Induktor gespeichert wird), durch die Diode 217, durch den Umschalttransistor 211 des Brückenkreises 160, durch die Last 230 (in der positiven Richtung), durch die Diode 219 und den Umschalttransistor 214 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 und zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe die dünneren Pfeile). Außerdem entlädt sich der Überlagerungskondensator 721, um zusätzlichen Strom bereitzustellen, durch die Diode 217, durch den Umschalttransistor 211 des Brückenkreises 160, durch die Last (in der positiven Richtung), durch die Diode 219 und den Umschalttransistor 214 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 und zurück zum Überlagerungskondensator 721 (siehe Strichlinienpfeile). Die Entladung des Überlagerungskondensators 721 stellt einen initialen Spannungsstoß im Ausgangsstrom bereit, während der Ausgangsstrom in die positive Richtung übergeht, um den Lichtbogen zu bilden oder wieder zu bilden. Der Kondensator ist bereits durch die Totzeit geladen, die dem Impuls vorangeht. Während der Wiederherstellung wird der positive Gleichrichter 210 durch die in dem Kondensator gespeicherte Spannung in der Sperrrichtung vorgespannt. Darum fließt Strom zu dem Lichtbogen von dem Kondensator und der restlichen Energie, die in dem Niederstrom-Hintergrundkreisinduktor 215 gespeichert ist. Der Überlagerungskondensator stellt den initialen Spannungsstoß (nur durch die Lichtbogenimpedanz begrenzt) bereit, die in dem Wellenformschaubild in 7A dargestellt ist. Sobald die Kondensatorspannung unter die maximale Ausgangsspannung der Stromquelle 210 abklingt, spannt der positive Gleichrichter erneut in die Durchlassrichtung vor, und die Stromquelle kann wieder den Lichtbogenstrom ausgeben.
  • Wir wenden uns dem unteren Teil von 7A zu. Während des positiven Stromabklingabschnitts der Wechselstromwellenform 700 (siehe die dickere dunkle Linie der Wellenform 700) fungiert die Last 230 effektiv als eine Stromquelle, die versucht, den Strom am Fließen zu halten. Strom fließt von der Last 230 durch den Leistungswandlungskreis 210 (in einer freilaufenden Weise), durch den aktiven Snubberkreis 181, durch die anti-parallele Diode des Umschalttransistors 212 des Brückenkreises 160 und zurück zur Last 230 (in der positiven Richtung, siehe die dicken Pfeile), bis der Strom vollständig abklingt. Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215, durch den Überlagerungskondensator 721 (und lädt den Kondensator) und zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe Strichlinienpfeile). Energie ist bereits in dem Induktor 215 gespeichert. Sobald die Überlagerungskondensatorspannung die maximale Versorgungsspannung der Stromquelle überschreitet, ist es die Energie in dem Induktor, die den Kondensator weiterhin lädt (und die ganze Zeit abklingt, während er die Energie an den Kondensator abgibt). Selbst wenn der Strom durch die Last 230 vollständig abgeklungen ist, fließt der Strom von dem Lichtbogen-Regulatorkreis 170 weiter, wie beschrieben, um den Überlagerungskondensator 721 während der Totzeit des Polaritätswechsels zu laden. Die Totzeit während des Polaritätswechsels kann justiert werden, um die gewünschte Ladung für den Überlagerungskondensator bereitzustellen.
  • Während des Stromabklingens ändert der Brückenkreis 160 die Polarität. Wenn der Strom durch die Last in Richtung null abfällt, erlischt der Lichtbogen, und der Lichtbogen-Regelungskreis mit dem Überlagerungskondensator legt eine Hochspannung an die Last an, um den Lichtbogen in der entgegengesetzten Polarität neu zu zünden.
  • Wir wenden uns dem oberen Abschnitt von 7B zu. Während des Polaritätsübergangsabschnitts der Wechselstromwellenform 700 (siehe die dickere dunkle Linie der Wellenform 700) wird kein signifikanter Strom durch den Leistungswandlungskreis 210 bereitgestellt. Der Lichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W erlischt kurz. Jedoch kombinieren sich die in dem Induktor 215 gespeicherte Energie und die in dem Überlagerungskondensator 721 gespeicherte Energie, um eine Lichtbogenzündspannung zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W zu induzieren. Sobald eine Neuzündung stattfindet, wird die in dem Überlagerungskondensator gespeicherte Energie an den Lichtbogen angelegt, um ein Niedrigimpedanzplasma zu erzeugen. Sobald die Lichtbogenspannung unter die maximale Ausgangsspannung der Stromquelle 210 abfällt, spannt der negative Gleichrichter erneut in Durchlassrichtung vor, und die Stromquelle kann wieder den Lichtbogenstrom ausgeben. Strom von dem Leistungswandlungskreis kann wieder durch die Last in der entgegengesetzten Richtung zu fließen beginnen. Ohne den Lichtbogen-Regelungskreis würde der Leistungswandlungskreis versuchen, den Lichtbogen wiederherzustellen. Da jedoch die Spannung, die durch den Leistungswandlungskreis bereitgestellt wird, gewöhnlich begrenzt ist (zum Beispiel auf 100 V–), kann eine Wiederherstellung des Lichtbogens nicht stattfinden. Wenn die Energie von dem Induktor 215 und dem Überlagerungskondensator 721 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 abgegeben wird, so fließt Strom von dem Induktor 215 und dem Überlagerungskondensator 721 durch den Umschalttransistor 213, durch die Diode 218, durch die Last 230 (in der negativen Richtung), durch den Umschalttransistor 212 des Brückenkreises 160, durch die Diode 220, zurück zum Kondensator 721 und durch die Konstantstromquelle 216 zurück zum Induktor 215 (siehe Pfeile). Die Entladung des Überlagerungskondensators 721 stellt einen initialen Spannungsstoß in dem Ausgangsstrom bereit, wenn der Ausgangsstrom zur negativen Richtung übergeht, um den Lichtbogen zu bilden oder erneut zu bilden. Infolge dessen zündet der Lichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W rasch neu in der negativen Richtung und schwingt sich auf einen Spannungspegel ein, der niedrig genug ist, damit die Stromquelle Strom ausgeben kann.
  • Wir bleiben beim oberen Abschnitt von 7B. Während des negativen Stromabschnitts der Wechselstromwellenform 700 (siehe die dickeren dunklen Linien der Wellenform 700), die durch die Schweißstromquelle erzeugt wird, fließt Strom überwiegend vom Leistungswandlungskreis 210 durch die Last 230 (in der negativen Richtung) durch den Umschalttransistor 212 des Brückenkreises 160 und zurück zum Leistungswandlungskreis 210 (siehe die dicken Pfeile). Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215 (wobei Energie in dem Induktor gespeichert wird), durch den Umschalttransistor 213, durch die Diode 218, durch die Last 230 (in der negativen Richtung), durch den Umschalttransistor 212 des Brückenkreises 160, durch die Diode 220 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 und zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe die dünneren Pfeile). Außerdem entlädt sich der Überlagerungskondensator 721, um zusätzlichen Strom bereitzustellen, durch den Umschalttransistor 213, durch die Diode 218, durch die Last 230 (in der negativen Richtung), durch den Umschalttransistor 212 des Brückenkreises 160, durch die Diode 220 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 und zurück zum Überlagerungskondensator 721 (siehe Strichlinienpfeile), und tritt während des initialen Abschnitts der Halbwelle ein, bis die Energie in dem Kondensator erschöpft (entladen) ist.
  • Wir wenden uns dem unteren Teil von 7B zu. Während des negativen Stromabklingabschnitts der Wechselstromwellenform 700 (siehe die dickere dunkle Linie der Wellenform 700) fungiert die Last 230 effektiv als eine Stromquelle, die versucht, den Strom am Fließen zu halten. Strom fließt von der Last 230 durch die anti-parallele Diode des Umschalttransistors 211 des Brückenkreises 160 durch den aktiven Snubberkreis 181, durch den Leistungswandlungskreis 210 (in einer freilaufenden Weise) und zurück zur Last 230 (siehe die dicken Pfeile). Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215, durch den Überlagerungskondensator 721 (und lädt den Kondensator) zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe Strichlinienpfeile). Die Energie ist bereits in dem Induktor 215 gespeichert. Sobald die Überlagerungskondensatorspannung die maximale Versorgungsspannung der Stromquelle überschreitet, ist es die Energie in dem Induktor, die den Kondensator weiterhin lädt (und die ganze Zeit abklingt, während er die Energie an den Kondensator abgibt). Selbst wenn der Strom durch die Last 230 vollständig abgeklungen ist, fließt der Strom von dem Lichtbogen-Regulatorkreis 170 weiter, wie beschrieben, um den Überlagerungskondensator 721 während der Totzeit des Polaritätswechsels zu laden. Die Totzeit während des Polaritätswechsels kann justiert werden, um ein adäquates Laden des Überlagerungskondensators zu ermöglichen.
  • Beim Übergang zurück zum positiven Abschnitt der Wellenform 700 (d. h. die Wellenform wiederholt sich), wie oben für 7A beschrieben, geben der Induktor 215 und der Überlagerungskondensator 721 beide die gespeicherte Energie durch die Last (aber in der positiven Richtung) über die Diode 217, den Umschalttransistor 211, die Diode 219, den Umschalttransistor 214 und die Konstantstromquelle 216 ab, was zur Folge hat, dass der Lichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W sich in der positiven Richtung rasch wieder entzündet. Der Lichtbogen-Regelungskreis 170 addiert kontinuierlich einen exakt geregelten Niedrigwert von Strom zu dem Schweißausgangsstrom, der durch die Stromquelle bereitgestellt wird, um den Lichtbogen zu stabilisieren, wenn der Strom, der durch den Leistungswandlungskreis bereitgestellt wird, in Richtung null abnimmt, und den Lichtbogen in der entgegengesetzten Polarität sofort nach der vorgeschriebenen Totzeit neu zu entzünden, indem die Energie abgegeben wird, die sowohl in dem Induktor als auch in dem Überlagerungskondensator gespeichert ist.
  • 8A–8B veranschaulichen den Betrieb einer weiteren Ausführungsform einer Schweißstromquelle im Fall der Implementierung einer Wechselstrom-Schweißausgangsstromwellenform (zum Beispiel als eine einfache Rechteckwellenform dargestellt), die die Verwendung eines Überlagerungskondensators 821 enthält, der mit der Katode von Diode 217 verbunden ist. Der Lichtbogen-Regelungskreis 170, der den Überlagerungskondensator 821 enthält, wie in den 8A–8B veranschaulicht, lädt den Überlagerungskondensator während der vorgegebenen Totzeit zwischen Polaritäten und gibt die Energie an die Last während des Negativ-zu-positiv-Übergangs ab, der herkömmlicherweise am schwierigsten wiederherzustellen war. Zweimaliges Laden und einmaliges Entladen pro Zyklus kann die Totzeit reduzieren, die pro Zyklus zum Laden des Überlagerungskondensators erforderlich ist, während die gespeicherte Energie erhöht wird, die zum Wiederentzünden des Lichtbogens während des Negativ-zu-positiv-Übergangs zur Verfügung steht. Der Ausgangsstrom 800 und die Kondensatorspannung 810 sind während des Betriebes der Schweißstromquelle veranschaulicht, wie unten beschrieben.
  • Die in den 8A–8B gezeigte Last 230 repräsentiert den Widerstand und die Induktivität des Lichtbogens zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W und des Schweißkabelpfades, der die Elektrode E und das Werkstück W mit der Schweißstromquelle verbindet (d. h. der Schweißausgangsstromkreispfad). Die Elektrode E, das Werkstück W und der Schweißkabelpfad sind jedoch nicht Teil der Schweißstromquelle.
  • Wir wenden uns dem oberen Abschnitt von 8A zu. Während des positiven Stromabschnitts einer Wechselstromwellenform 800 (siehe die dickeren dunklen Linien der Wellenform 800), die durch die Schweißstromquelle erzeugt wird, fließt Strom überwiegend vom Leistungswandlungskreis 210 durch den Umschalttransistor 211 des Brückenkreises 160, durch die Last 230 (in der positiven Richtung) und zurück zum Leistungswandlungskreis 210 durch den gemeinsamen Pfad (siehe die dicken Pfeile). Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215 (wobei Energie in dem Induktor gespeichert wird), durch die Diode 217, durch den Umschalttransistor 211 des Brückenkreises 160, durch die Last 230 (in der positiven Richtung), durch die Diode 219 und den Umschalttransistor 214 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 und zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe die dünneren Pfeile). Außerdem entlädt sich der Überlagerungskondensator 821, um zusätzlichen Strom für die positive Sammelschiene bereitzustellen, durch den Umschalttransistor 211 des Brückenkreises 160, durch die Last (in der positiven Richtung), durch die Diode 219 und den Umschalttransistor 214 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 und zurück zum Überlagerungskondensator 821 (siehe Strichlinienpfeile). Die Entladung des Überlagerungskondensators 821 stellt einen initialen Spannungsstoß in dem Ausgangsstrom 800 bereit, während der Ausgangsstrom zu der positiven Richtung übergeht, um den Lichtbogen zu bilden oder erneut zu bilden. Der Kondensator ist bereits durch die Totzeit geladen, die dem Impuls vorangeht. Während der Wiederherstellung wird der positive Gleichrichter 210 durch die in dem Kondensator gespeicherte Spannung in der Sperrrichtung vorgespannt. Darum fließt Strom zu dem Lichtbogen von dem Kondensator und der restlichen Energie, die in dem Niederstrom-Hintergrundkreisinduktor 215 gespeichert ist. Der Überlagerungskondensator stellt den initialen Spannungsstoß bereit (nur durch die Lichtbogenimpedanz begrenzt), der in dem Wellenformschaubild in 8A dargestellt ist. Sobald die Kondensatorspannung unter die maximale Ausgangsspannung der Stromquelle 210 abklingt, spannt der positive Gleichrichter erneut in Durchlassrichtung vor, und die Stromquelle kann wieder den Lichtbogenstrom ausgeben.
  • Wir wenden uns dem unteren Teil von 8A zu. Während des positiven Stromabklingabschnitts der Wechselstromwellenform 800 (siehe die dickere dunkle Linie der Wellenform 800) fungiert die Last 230 effektiv als eine Stromquelle, die versucht, den Strom am Fließen zu halten. Strom fließt von der Last 230 durch den Leistungswandlungskreis 210 (in einer freilaufenden Weise), durch den aktiven Snubberkreis 181, durch die anti-parallele Diode des Umschalttransistors 212 des Brückenkreises 160 und zurück zur Last 230 (in der positiven Richtung, siehe die dicken Pfeile), bis der Strom vollständig abklingt. Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215, durch die Diode 217, durch den Überlagerungskondensator 821 (und lädt den Kondensator) und zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe Strichlinienpfeile). Energie ist bereits in dem Induktor 215 gespeichert. Sobald die Überlagerungskondensatorspannung die maximale Versorgungsspannung der Stromquelle überschreitet, ist es die Energie in dem Induktor, die weiterhin den Kondensator lädt (und die ganze Zeit abklingt, während er die Energie an den Kondensator abgibt). Selbst wenn der Strom durch die Last 230 vollständig abgeklungen ist, fließt der Strom von dem Lichtbogen-Regulatorkreis 170 weiter, wie beschrieben, um den Überlagerungskondensator 821 während der Totzeit des Polaritätswechsels zu laden. Die Totzeit während des Polaritätswechsels kann justiert werden, um die gewünschte Ladung für den Überlagerungskondensator bereitzustellen.
  • Während des Stromabklingens ändert der Brückenkreis 160 die Polarität. Wenn der Strom durch die Last in Richtung null abfällt, so erlischt der Lichtbogen, und der Induktor des Lichtbogen-Regelungskreises legt eine Hochspannung an die Last an, um den Lichtbogen in der entgegengesetzten Polarität wieder zu entzünden.
  • Wir wenden uns dem oberen Abschnitt von 8B zu. Während des Polaritätsübergangsabschnitts der Wechselstromwellenform 800 (siehe die dickere dunkle Linie der Wellenform 800) wird kein signifikanter Strom durch den Leistungswandlungskreis 210 bereitgestellt. Der Lichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W erlischt kurz. Jedoch induziert die in dem Induktor 215 gespeicherte Energie eine Lichtbogenzündspannung zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W. Strom von dem Leistungswandlungskreis kann erneut durch die Last in entgegengesetzter Richtung zu fließen beginnen. Ein Undershoot am Lichtbogen wird durch den Induktor begrenzt. Ein Overshoot wird nicht durch den Induktor begrenzt, da nicht der gesamte Lichtbogenstrom durch den Induktor fließt. Ohne den Lichtbogen-Regelungskreis würde der Leistungswandlungskreis versuchen, den Lichtbogen wiederherzustellen. Da jedoch die Spannung, die durch den Leistungswandlungskreis bereitgestellt wird, gewöhnlich begrenzt ist (zum Beispiel auf 100 V–), kann keine Wiederherstellung des Lichtbogens stattfinden. Wenn die Energie von dem Induktor 215 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 abgegeben wird, so fließt Strom von dem Induktor 215 durch den Umschalttransistor 213, durch die Diode 218, durch die Last 230 (in der negativen Richtung), durch den Umschalttransistor 212 des Brückenkreises 160, durch die Diode 220, durch die Konstantstromquelle 216 und zurück zum Induktor 215 (siehe Pfeile). Infolge dessen entzündet sich der Lichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W rasch wieder in der negativen Richtung und schwingt sich auf einen Spannungspegel ein, der niedrig genug ist, damit die Stromquelle Strom ausgeben kann. Der Überlagerungskondensator 821, der mit der Katode von Diode 217 verbunden ist, entlädt sich nicht, wenn der Ausgangsstrom zur negativen Richtung übergeht, um den Lichtbogen zu bilden oder wieder zu bilden, wodurch der Überlagerungskondensator 821 die gespeicherte Energie behalten kann, die er während der Totzeit während des Polaritätsübergangs gespeichert hat.
  • Wir bleiben beim oberen Abschnitt von 8B. Während des negativen Stromabschnitts der Wechselstromwellenform 800 (siehe die dickeren dunklen Linien der Wellenform 800), die durch die Schweißstromquelle erzeugt wird, fließt Strom überwiegend vom Leistungswandlungskreis 210 durch die Last 230 (in der negativen Richtung), durch den Umschalttransistor 212 des Brückenkreises 160 und zurück zum Leistungswandlungskreis 210 (siehe die dicken Pfeile). Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215 (wobei Energie in dem Induktor gespeichert wird), durch den Umschalttransistor 213, durch die Diode 218, durch die Last 230 (in der negativen Richtung), durch den Umschalttransistor 212 des Brückenkreises 160, durch die Diode 220 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 und zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe die dünneren Pfeile). Der Überlagerungskondensator 821 entlädt sich nicht während des negativen Stromabschnitts der Wechselstromwellenform 800 und behält die gespeicherte Energie, wie durch die Kondensatorspannungswellenform 810 veranschaulicht.
  • Wir wenden uns dem unteren Teil von 8B zu. Während des negativen Stromabklingabschnitts der Wechselstromwellenform 800 (siehe die dickere dunkle Linie der Wellenform 800) fungiert die Last 230 effektiv als eine Stromquelle, die versucht, den Strom am Fließen zu halten. Strom fließt von der Last 230 durch die anti-parallele Diode des Umschalttransistors 211 des Brückenkreises 160 durch den aktiven Snubberkreis 181, durch den Leistungswandlungskreis 210 (in einer freilaufenden Weise) und zurück zur Last 230 (siehe die dicken Pfeile). Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215, durch die Diode 217, durch den Überlagerungskondensator 821 (und lädt den Kondensator) zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe die dünneren Pfeile). Energie ist bereits in dem Induktor gespeichert. Sobald die Überlagerungskondensatorspannung die maximale Versorgungsspannung der Stromquelle überschreitet, ist es die Energie in dem Induktor, die weiterhin den Kondensator lädt (und die ganze Zeit abklingt, während er die Energie an den Kondensator abgibt). Selbst wenn der Strom durch die Last 230 vollständig abgeklungen ist, fließt der Strom von dem Lichtbogen-Regulatorkreis 170 weiter, wie beschrieben, um den Überlagerungskondensator 821 während der Totzeit des Polaritätswechsels. Die Totzeit während des Polaritätswechsels kann justiert werden, um ein adäquates Laden des Überlagerungskondensators bereitzustellen.
  • Beim Übergang zurück zum positiven Abschnitt der Wellenform 800 (d. h. die Wellenform wiederholt sich), wie oben für 8A beschrieben, geben der Induktor 215 und der Überlagerungskondensator 821 gespeicherte Energie durch die Last ab (aber in der positiven Richtung), was zur Folge hat, dass der Lichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W sich in der positiven Richtung rasch wieder entzündet. Der Lichtbogen-Regelungskreis 170 addiert kontinuierlich einen exakt geregelten Niedrigwert von Strom zu dem Schweißausgangsstrom, der durch die Stromquelle bereitgestellt wird, um den Lichtbogen zu stabilisieren, während der durch den Leistungswandlungskreis bereitgestellte Strom in Richtung null abnimmt, und um den Lichtbogen sofort in der entgegengesetzten Polarität wieder zu entzünden.
  • 9A–9C veranschaulichen den Betrieb einer weiteren Ausführungsform einer Schweißstromquelle im Fall der Implementierung einer Wechselstrom-Schweißausgangsstromwellenform (zum Beispiel als eine einfache Rechteckwellenform dargestellt), die für eine unabhängige Entladungssteuerung eines Überlagerungskondensators 921 durch einen Umschalttransistor 922 konfiguriert ist. Der Lichtbogen-Regelungskreis 170, der den Überlagerungskondensator 921 enthält, wie in den 9A–9C veranschaulicht, lädt den Überlagerungskondensator während der vorgegebenen Totzeit zwischen Polaritäten und gibt die Energie an die Last während des Negativ-zu-positiv-Übergangs ab, der herkömmlicherweise am schwierigsten wiederherzustellen war. Zweimaliges Laden und einmaliges Entladen pro Zyklus kann die Totzeit reduzieren, die pro Zyklus zum Laden des Überlagerungskondensators erforderlich ist, während die gespeicherte Energie erhöht wird, die zum Wiederentzünden des Lichtbogens während des Negativ-zu-positiv-Übergangs zur Verfügung steht. Der unabhängige Entladungssteuerungs-Umschalttransistor 922 wird eingeschaltet, um den Überlagerungskondensator 921 während des Negativ-zu-positiv-Übergangs zu entladen, und beseitigt einen unbeabsichtigten freilaufenden Pfad durch den Kondensator 821, wie in den 8A–8B veranschaulicht. Der Ausgangsstrom 900 und die Kondensatorspannung 910 sind während des Betriebes der Schweißstromquelle veranschaulicht, wie unten beschrieben.
  • Die in den 9A–9C gezeigte Last 230 repräsentiert den Widerstand und die Induktivität des Lichtbogens zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W und des Schweißkabelpfades, der die Elektrode E und das Werkstück W mit der Schweißstromquelle verbindet (d. h. der Schweißausgangsstromkreispfad). Die Elektrode E, das Werkstück W und der Schweißkabelpfad sind jedoch nicht Teil der Schweißstromquelle.
  • Wir wenden uns dem oberen Abschnitt von 9A zu. Während des positiven Stromabschnitts einer Wechselstromwellenform 900 (siehe die dickeren dunklen Linien der Wellenform 900), die durch die Schweißstromquelle erzeugt wird, fließt Strom überwiegend vom Leistungswandlungskreis 210 durch den Umschalttransistor 211 des Brückenkreises 160, durch die Last 230 (in der positiven Richtung) und zurück zum Leistungswandlungskreis 210 durch den gemeinsamen Pfad (siehe die dicken Pfeile). Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215 (wobei Energie in dem Induktor gespeichert wird), durch die Diode 217, durch den Umschalttransistor 211 des Brückenkreises 160, durch die Last 230 (in der positiven Richtung), durch die Diode 219 und den Umschalttransistor 214 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 und zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe die dünneren Pfeile). Der unabhängige Entladungssteuerungs-Umschalttransistor 922 verhindert, dass der Überlagerungskondensator 921 sich während des positiven Stromabschnitts entlädt, und der Überlagerungskondensator 921 lädt zu der Lichtbogenspannung, wie in der Kondensatorspannungswellenform 910 veranschaulicht.
  • Wir wenden uns dem unteren Teil von 9A zu. Während des positiven Stromabklingabschnitts der Wechselstromwellenform 900 (siehe die dickere dunkle Linie der Wellenform 900) fungiert die Last 230 effektiv als eine Stromquelle, die versucht, den Strom am Fließen zu halten. Strom fließt von der Last 230 durch den Leistungswandlungskreis 210 (in einer freilaufenden Weise) durch den aktiven Snubberkreis 181, durch die anti-parallele Diode des Umschalttransistors 212 des Brückenkreises 160 und zurück zur Last 230 (in der positiven Richtung, siehe die dicken Pfeile), bis der Strom vollständig abklingt. Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215, durch die Diode 923, durch den Überlagerungskondensator 921 (und lädt den Kondensator) und zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe die dünneren Pfeile). Energie ist bereits in dem Induktor gespeichert. Sobald die Überlagerungskondensatorspannung die maximale Versorgungsspannung der Stromquelle überschreitet, ist es die Energie in dem Induktor, die weiterhin den Kondensator lädt (und die ganze Zeit abklingt, während er die Energie an den Kondensator abgibt). Selbst wenn der Strom durch die Last 230 vollständig abgeklungen ist, fließt der Strom von dem Lichtbogen-Regulatorkreis 170 weiter, wie beschrieben, um den Überlagerungskondensator 921 während der Totzeit des Polaritätswechsels zu laden. Die Totzeit während des Polaritätswechsels kann justiert werden, um die gewünschte Ladung für den Überlagerungskondensator bereitzustellen.
  • Während des Stromabklingens ändert der Brückenkreis 160 die Polarität. Wenn der Strom durch die Last in Richtung null abfällt, so erlischt der Lichtbogen, und der Lichtbogen-Regelungskreis legt eine Hochspannung an die Last an, um den Lichtbogen in der entgegengesetzten Polarität wieder zu entzünden.
  • Wir wenden uns dem oberen Abschnitt von 9B zu. Während des Polaritätsübergangsabschnitts der Wechselstromwellenform 900 (siehe die dickere dunkle Linie der Wellenform 900) wird kein signifikanter Strom durch den Leistungswandlungskreis 210 bereitgestellt. Der Lichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W erlischt kurz. Jedoch induziert gespeicherte Energie in dem Induktor 215 eine Lichtbogenzündspannung zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W. Strom von dem Leistungswandlungskreis kann erneut durch die Last in entgegengesetzter Richtung zu fließen beginnen. Ein Undershoot am Lichtbogen wird durch den Induktor begrenzt. Ein Overshoot wird nicht durch den Induktor begrenzt, da nicht der gesamte Lichtbogenstrom durch den Induktor fließt. Ohne den Lichtbogen-Regelungskreis würde der Leistungswandlungskreis versuchen, den Lichtbogen wiederherzustellen. Da jedoch die Spannung, die durch den Leistungswandlungskreis bereitgestellt wird, gewöhnlich begrenzt ist (zum Beispiel auf 100 V–), kann keine Wiederherstellung des Lichtbogens stattfinden. Wenn die Energie von dem Induktor 215 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 abgegeben wird, so fließt Strom von dem Induktor 215 durch den Umschalttransistor 213, durch die Diode 218, durch die Last 230 (in der negativen Richtung), durch den Umschalttransistor 212 des Brückenkreises 160, durch die Diode 220, durch die Konstantstromquelle 216 und zurück zum Induktor 215 (siehe Pfeile). Infolge dessen entzündet sich der Lichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W rasch wieder in der negativen Richtung und schwingt sich auf einen Spannungspegel ein, der niedrig genug ist, damit die Stromquelle Strom ausgeben kann. Der unabhängige Entladungssteuerungs-Umschalttransistor 922 verhindert, dass der Überlagerungskondensator 921 sich entlädt, wenn der Ausgangsstrom zur negativen Richtung übergeht, so dass der Überlagerungskondensator 921 die gespeicherte Energie während der Totzeit während des vorherigen Polaritätsübergangs und des positiven Stromabschnitt der Wellenform 900 behalten kann.
  • Wir bleiben beim oberen Abschnitt von 9B. Während des negativen Stromabschnitts der Wechselstromwellenform 900 (siehe die dickeren dunklen Linien der Wellenform 900), die durch die Schweißstromquelle erzeugt wird, fließt Strom überwiegend vom Leistungswandlungskreis 210, durch die Last 230 (in der negativen Richtung), durch den Umschalttransistor 212 des Brückenkreises 160 und zurück zum Leistungswandlungskreis 210 (siehe die dicken Pfeile). Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215 (wobei Energie in dem Induktor gespeichert wird), durch den Umschalttransistor 213, durch die Diode 218, durch die Last 230 (in der negativen Richtung), durch den Umschalttransistor 212 des Brückenkreises 160, durch die Diode 220 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 und zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe die dünneren Pfeile). Der Überlagerungskondensator 921 entlädt sich nicht während des negativen Stromabschnitts der Wechselstromwellenform 900 und behält die gespeicherte Energie, wie durch die Kondensatorspannungswellenform 910 veranschaulicht.
  • Wir wenden uns dem unteren Teil von 9B zu. Während des negativen Stromabklingabschnitts der Wechselstromwellenform 900 (siehe die dickere dunkle Linie der Wellenform 900) fungiert die Last 230 effektiv als eine Stromquelle, die versucht, den Strom am Fließen zu halten. Strom fließt von der Last 230 durch die anti-parallele Diode des Umschalttransistors 211 des Brückenkreises 160, durch den aktiven Snubberkreis 181, durch den Leistungswandlungskreis 210 (in einer freilaufenden Weise) und zurück zur Last 230 (siehe die dicken Pfeile). Außerdem fließt ein niedriger geregelter Strom, der durch den Lichtbogen-Regulatorkreis 170 bereitgestellt wird, von der Konstantstromquelle 216 durch den Induktor 215, durch die Diode 923, durch den Überlagerungskondensator 921 (und lädt den Kondensator) zurück zur Konstantstromquelle 216 (siehe die dünneren Pfeile). Energie ist bereits in dem Induktor gespeichert. Sobald die Überlagerungskondensatorspannung die maximale Versorgungsspannung der Stromquelle überschreitet, ist es die Energie in dem Induktor, die weiterhin den Kondensator lädt (und die ganze Zeit abklingt, während er die Energie an den Kondensator abgibt). Selbst wenn der Strom durch die Last 230 vollständig abgeklungen ist, fließt der Strom von dem Lichtbogen-Regulatorkreis 170 weiter, wie beschrieben, um den Überlagerungskondensator 921 während der Totzeit des Polaritätswechsels zu laden. Die Totzeit während des Polaritätswechsels kann justiert werden, um ein adäquates Laden des Überlagerungskondensators bereitzustellen.
  • Wir wenden uns 9C zu. Beim Übergang zurück zum positiven Abschnitt der Wellenform 900 (d. h. die Wellenform wiederholt sich) gibt der Induktor 215 gespeicherte Energie durch die Last (aber in der positiven Richtung) ab, was zur Folge hat, dass der Lichtbogen zwischen der Elektrode E und dem Werkstück W sich in der positiven Richtung rasch wieder entzündet, wie oben für 9A beschrieben. Außerdem entlädt sich der Überlagerungskondensator 921 durch den Umschalttransistor 922, durch die Last 230 (in der positiven Richtung), durch die Diode 219 und den Umschalttransistor 214 des Lichtbogen-Regelungskreises 170 und zurück zum Überlagerungskondensator 921 (siehe Strichlinienpfeile). Der Überlagerungskondensator 921 stellt einen zusätzlichen Energiestoß bereit, um das Herstellen und Wiederherstellen des Lichtbogens in der positiven Richtung zu unterstützen. Sobald der Lichtbogen hergestellt ist, wird der Umschalttransistor 922 auf AUS geschaltet, um das Entladen des Überlagerungskondensators 921 zu unterbrechen, und der Prozess wiederholt sich, wie oben beschrieben. Auf diese Weise addiert der Lichtbogen-Regelungskreis 170 kontinuierlich einen exakt geregelten Niedrigwert von Strom zu dem Schweißausgangsstrom, der durch die Stromquelle bereitgestellt wird, um den Lichtbogen zu stabilisieren, während der durch den Leistungswandlungskreis bereitgestellte Strom in Richtung null abnimmt, und sofort den Lichtbogen in der entgegengesetzten Polarität neu zu entzünden.
  • Kurz gesagt, werden Systeme und Verfahren offenbart, die eine Niederstromregelung für Wechselstrom-Lichtbogenschweißprozesse zum Regeln der Lichtbogenschweißleistung bereitstellen. In Lichtbogenschweißstromquellen-Ausführungsformen erlauben Konfigurationen von Brücken- und Lichtbogen-Regelungskreisen eine Richtungsumschaltung des Schweißausgangsstroms durch den Schweißausgangsstromkreispfad und induzieren eine Spannung zwischen der Elektrode und dem Werkstück des Schweißausgangsstromkreispfades, die ausreicht, den Lichtbogen während eines Polaritätsübergangs des Ausgangsstroms wieder zu entzünden. Der Lichtbogen-Regelungskreis stellt einen hohen Induktivitätspegel zum Speichern von Energie in beiden Polaritäten bereit, die den Spannungspegel zum Wiederentzünden des Lichtbogens während des Nulldurchgangs des Ausgangsstroms induziert und eine Stabilisierung von Lichtbogenstrom am unteren Ende bereitstellt.
  • In den beigefügten Ansprüchen werden die Begriffe „enthalten” und „aufweisen” als direkte sprachliche Äquivalente des Begriffes „umfassen” verwendet; die Formulierung „bei denen” ist äquivalent zu „wobei”. Darüber hinaus werden in den beigefügten Ansprüchen die Begriffe „erster”, „zweiter”, „dritter”, „oberer”, „unterer”, „unten”, „oben” usw. lediglich als Bezeichner verwendet und dienen nicht dazu, numerische oder positionale Anforderungen an ihre Objekte zu stellen. Des Weiteren sind die Einschränkungen der beigefügten Ansprüche nicht im Mittel-plus-Funktion-Format geschrieben, und es besteht nicht die Absicht, dass sie im Sinne von 35 U.S.C. § 112, sechster Absatz, ausgelegt werden, sofern nicht – und bis – solche Anspruchseinschränkungen ausdrücklich die Phrase „Mittel für” verwenden, gefolgt von einer Darlegung der Funktion ohne weitere Struktur. Im Sinne des vorliegenden Textes ist ein Element oder Schritt, das bzw. der in der Einzahl mit vorangestelltem „ein” oder „eine” genannt wird, nicht so zu verstehen, als sei die Mehrzahl der Elemente oder Schritte ausgeschlossen, sofern nicht ein solcher Ausschluss ausdrücklich angegeben ist. Des Weiteren sind Verweise auf „eine Ausführungsform” der vorliegenden Erfindung nicht so zu verstehen, als würden sie die Existenz weiterer Ausführungsformen, die ebenfalls die zitierten Merkmale enthalten, ausschließen. Darüber hinaus können, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes ausgesagt wird, Ausführungsformen, die ein Element oder mehrere Elemente mit einer bestimmten Eigenschaft „umfassen”, „enthalten” oder „aufweisen”, weitere derartige Elemente ohne jene Eigenschaft enthalten. Darüber hinaus können bestimmte Ausführungsformen so dargestellt werden, dass sie gleiche oder ähnliche Elemente aufweisen; das dient jedoch lediglich Veranschaulichungszwecken, und solche Ausführungsformen brauchen nicht unbedingt die gleichen Elemente zu haben, sofern dies nicht in den Ansprüchen ausgesagt wird.
  • Im Sinne des vorliegenden Textes bezeichnen die Begriffe „können” und „können sein” die Möglichkeit eines Eintretens innerhalb einer Gruppe von Umständen; den Besitz einer spezifizierten Eigenschaft, eines spezifizierten Merkmals oder einer spezifizierten Funktion; und/oder sie qualifizieren ein anderes Verb durch Ausdrücken einer Fähigkeit und/oder Eignung oder Möglichkeit, die dem qualifizierten Verb eigen ist. Dementsprechend bezeichnet der Gebrauch von „können” und „kann sein”, dass ein modifizierter Begriff für eine angegebene Eigenschaft, Funktion oder Nutzung augenscheinlich zweckmäßig, brauchbar oder geeignet ist, wobei die Möglichkeit berücksichtigt wird, dass der modifizierte Begriff unter einigen Umständen nicht unbedingt zweckmäßig, brauchbar oder geeignet sein muss. Zum Beispiel kann unter einigen Umständen ein Ereignis oder eine Fähigkeit erwartet werden, während das Ereignis oder die Fähigkeit unter anderen Umständen nicht eintritt. Diese Unterscheidung wird durch die Begriffe „können” und „kann sein” erfasst.
  • Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele zum Offenbaren der Erfindung, einschließlich des besten Modus, und außerdem, um es dem Durchschnittsfachmann zu ermöglichen, die Erfindung zu praktizieren, einschließlich des Herstellens und Verwendens jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und des Ausführens der hier enthaltenen Verfahren. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und kann andere Beispiele enthalten, die dem Durchschnittsfachmann einfallen. Es ist beabsichtigt, dass solche anderen Beispiele in den Schutzumfang der Ansprüche fallen, wenn sie strukturelle Elemente haben, die sich nicht von der wörtlichen Formulierung der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie vergleichbare strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von den wörtlichen Formulierungen der Ansprüche enthalten.
  • Obgleich der beanspruchte Gegenstand der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben wurde, leuchtet dem Fachmann ein, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und dass Äquivalente substituiert werden können, ohne vom Schutzumfang des beanspruchten Gegenstandes abzuweichen. Außerdem können viele Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren des beanspruchten Gegenstands anzupassen, ohne seinen Schutzumfang zu verlassen. Daher ist es beabsichtigt, dass der beanspruchte Gegenstand nicht auf die konkret offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass der beanspruchte Gegenstand alle Ausführungsformen beinhaltet, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.
  • Bezugszeichenliste
    • 100
    Schweißstromquelle
    110
    Stromkreis
    120
    Generator
    130
    Steuereinheit
    140
    Rückmeldungskreis
    150
    Rückmeldungskreis
    160
    Brückenkreis
    170
    Regelungskreis
    180
    Umschaltkreis
    181
    Snubberkreis
    182
    Diode
    183
    Kondensator
    191
    Anschluss
    192
    Anschluss
    210
    Abschnitt
    211
    Transistor
    212
    Transistor
    213
    Transistor
    214
    Transistor
    215
    Induktor
    216
    Quelle
    217
    Diode
    218
    Diode
    219
    Diode
    220
    Diode
    221
    Kondensator
    230
    Last
    300
    Wellenform
    411
    Transistor
    412
    Transistor
    413
    Transistor
    414
    Transistor
    415
    Transistor
    416
    Transistor
    417
    Induktor
    418
    Quelle
    419
    Diode
    420
    Transistor
    481
    Snubberkreis
    482
    Diode
    483
    Kondensator
    511
    Transistor
    512
    Transistor
    513
    Induktor
    514
    Induktor
    515
    Quelle
    516
    Quelle
    517
    Diode
    518
    Transistor
    519
    Diode
    581
    Snubberkreis
    582
    Diode
    611
    Transistor
    612
    Transistor
    613
    Transistor
    614
    Transistor
    615
    Induktor
    616
    Quelle
    617
    Diode
    618
    Transistor
    681
    Snubberkreis
    682
    Diode
    683
    Kondensator
    700
    Strom
    710
    Spannung
    721
    Kondensator
    800
    Strom
    810
    Spannung
    821
    Kondensator
    900
    Strom
    910
    Spannung
    921
    Kondensator
    922
    Transistor
    923
    Diode
    E
    Elektrode
    W
    Werkstück

Claims (18)

  1. Schweißstromquelle (100), die Folgendes umfasst: einen Leistungswandlungskreis (110), der dafür konfiguriert ist, einen Eingangsstrom in einen Ausgangsstrom umzuwandeln; eine Steuereinheit (130); einen Brückenkreis (160), der mit dem Leistungswandlungskreis (110) wirkverbunden und dafür konfiguriert ist, eine Richtung des Ausgangsstroms durch einen Schweißausgangsstromkreispfad, der mit einem Schweißausgang der Schweißstromquelle wirkverbunden (100) ist, auf Befehl der Steuereinheit (130) umzuschalten; einen Lichtbogen-Regelungskreis (170), der mit dem Brückenkreis (160) wirkverbunden ist und dafür konfiguriert ist, eine Spannung zwischen einer Elektrode (E) und einem Werkstück (W) des Schweißausgangsstromkreispfades zu induzieren, die für eine Lichtbogen-Neuzündung während eines Polaritätsübergangs des Ausgangsstroms ausreichend ist, und des Weiteren dafür konfiguriert ist, einen Overshoot-Strom zu induzieren, um eine Lichtbogen-Neuzündung während mindestens eines Negativ-zu-positiv-Polaritätsübergangs des Ausgangsstroms zu ermöglichen.
  2. Schweißstromquelle nach Anspruch 1, wobei der Lichtbogen-Regelungskreis (170) einen Überlagerungskondensator enthält, der dafür konfiguriert ist, den Overshoot-Strom bereitzustellen.
  3. Schweißstromquelle nach Anspruch 2, wobei der Lichtbogen-Regelungskreis (170) einen unabhängigen Entladungssteuerungsschalter enthält, der dafür konfiguriert ist, selektiv zu entladen der Überlagerungskondensator während des Negativ-zu-positiv-Polaritätsübergang des Ausgangsstroms.
  4. Schweißstromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Lichtbogen-Regelungskreis (170) mindestens einen Induktor und mindestens eine Konstantstromquelle enthält.
  5. Schweißstromquelle nach Anspruch 3, wobei ein Induktivitätswert des mindestens einen Induktors zwischen etwa 10 und 100 Millihenry liegt.
  6. Schweißstromquelle nach Anspruch 3, wobei die Konstantstromquelle einen geregelten Konstantstrom zwischen 2 A und 10 A bereitstellt.
  7. Schweißstromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Leistungswandlungskreis (110), der Brückenkreis (160) und der Lichtbogen-Regelungskreis (170) dafür konfiguriert sind, auf Befehl der Steuereinheit (130) der Schweißstromquelle (100) einen Gleichstrom-positiven Schweißvorgang, einen Gleichstrom-negativen Schweißvorgang oder einen Wechselstromschweißvorgang bereitzustellen.
  8. Schweißstromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Leistungswandlungskreis (110) Transformator-basiert ist und eine Halbbrückenausgangstopologie aufweist, wobei der Leistungswandlungskreis (110) eine Gleichstromausgangstopologie enthält, wobei der Leistungswandlungskreis (110) ein Inverter-basierter Kreis ist, und/oder wobei der Leistungswandlungskreis ein Zerhacker-basierter Kreis ist.
  9. Schweißstromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Brückenkreis (160) als ein Halbbrückenkreis konfiguriert ist, oder wobei der Brückenkreis (160) als ein Vollbrückenkreis konfiguriert ist.
  10. Schweißstromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Brückenkreis (160) mindestens zwei Schalttransistoren enthält.
  11. Schweißstromquelle, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die Folgendes umfasst: ein Mittel zum Konvertieren eines Eingangsstroms zu einem Ausgangsstrom; ein Mittel zum Umschalten einer Richtung des Ausgangsstroms durch einen Schweißausgangsstromkreispfad, der mit einem Schweißausgang der Schweißstromquelle wirkverbunden ist, um mindestens einen Wechselstromschweißvorgang bereitzustellen; ein Mittel zum Induzieren einer Spannung zwischen einer Schweißelektrode und einem Schweißwerkstück des Schweißausgangsstromkreispfades während eines Polaritätsübergangs des Ausgangsstroms zur automatischen Wiederherstellung eines Lichtbogens zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück mit einer entgegengesetzten Polarität; und ein Mittel zum Induzieren eines Overshoot-Stroms zum Ermöglichen einer Lichtbogen-Neuzündung während mindestens eines Negativ-zu-positiv-Polaritätsübergangs des Ausgangsstroms.
  12. Schweißstromquelle, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die Folgendes umfasst: einen Brückenkreis, der dafür konfiguriert ist, einen Wechselstrom-Schweißausgangsstrom bereitzustellen; und einen Lichtbogen-Regelungskreis, der mit dem Brückenkreis wirkverbunden und dafür konfiguriert ist, eine Spannung an einem Schweißausgang der Schweißstromquelle zu induzieren, die eine ausreichende Größenordnung besitzt, um einen Lichtbogen in einem Ausgangsstromkreispfad, der mit dem Schweißausgang verbunden ist, bei Umkehr einer Polarität des Schweißausgangsstroms durch den Ausgangsstromkreispfad automatisch wieder zu entzünden, und des Weiteren dafür konfiguriert ist, einen Overshoot-Strom zum Ermöglichen einer Lichtbogen-Neuzündung während mindestens eines Negativ-zu-positiv-Polaritätsübergangs des Ausgangsstroms zu induzieren.
  13. Schweißstromquelle, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 12, die einen Stromumschaltkreis umfasst, der mindestens einen Induktor, mindestens eine Konstantstromquelle und mindestens einen Überlagerungskondensator aufweist, wobei der mindestens eine Induktor, die mindestens eine Konstantstromquelle und der mindestens eine Überlagerungskondensator dafür konfiguriert sind, an einer Last, die mit einem Schweißausgang der Schweißstromquelle verbunden ist, eine Spannung zu induzieren, die ausreichend ist, um einen Schweißlichtbogen an der Last bei Umkehr einer Polarität eines Schweißausgangsstroms durch die Last wieder zu entzünden, wobei der Stromumschaltkreis bevorzugt als ein Halbbrückenkreis oder ein Vollbrückenkreis konfiguriert ist.
  14. Verfahren, das Folgendes umfasst: Umwandeln eines Eingangsstroms in einen Ausgangsstrom in einer Schweißstromquelle; Umschalten einer Richtung des Ausgangsstroms durch einen Schweißausgangsstromkreispfad, der mit einem Schweißausgang der Schweißstromquelle wirkverbunden ist, von einer ersten Richtung zu einer zweiten Richtung auf Befehl einer Steuereinheit der Schweißstromquelle; und Induzieren eines Spannungspegels zwischen einer Schweißelektrode und einem Werkstück des Schweißausgangsstromkreispfades, der ausreichend ist, um einen Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück in der zweiten Richtung als Teil des Umschaltens in die zweite Richtung automatisch wieder zu entzünden; und Induzieren eines Overshoot-Stroms zum Ermöglichen einer Lichtbogen-Neuzündung während mindestens eines Negativ-zu-positiv-Polaritätsübergangs des Ausgangsstroms.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, das des Weiteren Folgendes umfasst: Umschalten einer Richtung des Ausgangsstroms durch den Schweißausgangsstromkreispfad von der zweiten Richtung zu der ersten Richtung auf Befehl der Steuereinheit der Schweißstromquelle; und Induzieren eines Spannungspegels zwischen der Schweißelektrode und dem Werkstück des Schweißausgangsstromkreispfades, der ausreichend ist, um einen Lichtbogen zwischen der Elektrode und dem Werkstück in der ersten Richtung als Teil des Umschaltens zu der ersten Richtung automatisch wieder zu entzünden.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Schritte des Induzierens eines Spannungspegels durch einen Lichtbogen-Regelungskreis erreicht werden, der mindestens einen Induktor und mindestens eine Konstantstromquelle aufweist.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 16, wobei die Schritte des Induzierens eines Spannungspegels durch einen Lichtbogen-Regelungskreis erreicht werden, der mindestens einen Induktor und mindestens eine Konstantstromquelle aufweist.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei der Schritt des Induzierens eines Overshoot-Stroms durch einen Lichtbogen-Regelungskreis erreicht wird, der mindestens einen Überlagerungskondensator aufweist.
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