调节焊接电流源的方法以及用于实施该方法的焊接电流源

摘要

本发明涉及一种调节焊接电流源的方法以及用于实施该方法的焊接电流源。该变流器在初级侧具有串联谐振电路，而在次级侧具有并联谐振电路，其中，由桥式电路向串联谐振电路供应可变的交流电压，并且并联谐振电路经由整流器向焊接过程提供能量，并且其中，控制单元依赖于焊接电流源的至少一个状态变量来控制桥式电路。为了通过如下方式改进本方法，即，能够实现成本低且尽可能无损耗功率的调节，根据本发明提出：仅将初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量采集作为焊接电流源的电流状态变量，并且将控制信号输送给控制单元，该控制信号依赖于初级电流或者依赖于相应于初级电流的初级侧状态变量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于调节具有变流器的焊接电流源的方法，该变流器在初级侧具有串联谐振电路，而在次级侧具有并联谐振电路，其中，由桥式电路向串联谐振电路供应可变的交流电压，并且并联谐振电路经由整流器向焊接过程提供能量，并且其中，控制单元依赖于焊接电流源的至少一个状态变量来控制桥式电路。

此外，本发明涉及一种用于实施本方法的焊接电流源。

背景技术

电弧焊接方法在不同的设计方案中公知，在该电弧焊接方法中，电弧在焊接电极与工件之间燃烧。在此，在焊接电极与工件之间引燃电弧，该电弧如此剧烈地加热焊接电极的电弧侧端部，以致于材料以点滴的形式转移到工件上。点滴的转移可以在焊接电极与工件之间构成短路，从而从焊接电极流向工件的焊接电流剧烈地升高。为了在材料转移时不形成焊溅(Spritzer)，通常要调节焊接电流源。为此，例如公知以所谓的串联-并联-谐振-转换器形式出现的焊接电流源。该焊接电流源包括变流器(通常为变压器)，该变流器在初级侧具有串联谐振电路，而在次级侧具有并联谐振电路。由桥式电路向串联谐振电路供应可变的交流电压，而并联谐振电路经由整流器向焊接过程提供必要的能量。控制单元依赖于焊接电流源的至少一个状态变量来控制桥式电路。

为了调节焊接电流源，在WO 01/53030A1中提出使用两个用于采集焊接电流源的电流状态变量的测量装置，也就是第一测量装置和第二测量装置，借助第一测量装置可以采集变流器的初级电流，借助第二测量装置可以采集变流器的次级电流。在所提到的文献中公开的调节方法中，为了确定或者计算出交流电压的脉冲宽度，将次级电流包含在内是必要的。次级电流的采集需要分流器(Shunt)或者也可以是测值传感器(Messwertaufnehmer)，该测值传感器的功能基于霍尔原理。分流器的使用与显著的损耗功率联系在一起，而使用根据霍尔原理的测值传感器相对昂贵。

发明内容

因此本发明的任务在于，提供一种调节开头提到的类型的焊接电流源的方法，该方法能够实现对焊接电流的成本低且尽可能无损耗功率的调节。此外，应该提供一种用于实施这种方法的焊接电流源。

根据本发明，在开头提到的类型的方法中通过如下方式解决该任务，即，仅将变流器的初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量采集作为焊接电流源的电流状态变量，并且将控制信号输送给控制单元，该控制信号依赖于初级电流或者依赖于相应于初级电流的初级侧状态变量。

本发明包含如下构思在内，即，在串联-并联-谐振转换器中可以仅通过采集初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量来实现简单的调节。初级电流(也就是说在串联谐振电路中流过的电流)通过变流器的变换比来预先规定变流器的次级电流。由于并联谐振电路，次级电流虽然与焊接电流不同(更确切地说通常只有一部分次级电流流向焊接过程)，但是最大焊接电流由初级电流来预先规定。其原因在于，在焊接电极与工件之间短路的情况下(也就是电弧电阻为零欧姆时)，次级电流实际上与焊接电流相同。因为次级电流通过初级电流的高度来预先规定，所以通过调节初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量也可以预先规定最大焊接电流。为此仅需要在初级侧设置测量装置，而在次级侧无需相应的测量装置。仅通过调节初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量，可以预先规定焊接电流最大值。在此可以在初级侧上使用例如成本低且无损耗功率的磁性变流器。通常出于电流监视以避免损坏桥式电路的原因而已经设置了这种变流器。

例如可以采集初级侧的谐振电路中在电容器上下降的电压，作为相应于初级电流的初级侧状态变量。除了系数和相移之外，该电压相应于初级电流。该电压示出针对初级电流的量度，并且同样可以被提出用于调节。

因此，对焊接电流源的根据本发明的调节示出一种非常低成本的调节方法，在该调节中，仅在初级侧采集状态变量，而不必要在次级侧也采集状态变量。

优点是：将初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量调节至恒定不变的幅值。如已经阐明的那样，通过初级电流的幅值来预先规定焊接电流的最大值。将初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量调节至恒定不变的幅值，这使得：焊接电流依赖于电弧电阻而变化。这意味着：焊接电流在电弧中出现短路时具有其最大值，并且随着增加的电弧电阻而减小。因此，焊接电流的这种特性表明电流源的输出特性曲线，该输出特性曲线示出可用的焊接特性。虽然不能精确地调节焊接电流，这是因为该焊接电流依赖于电弧电阻。但是对于成本低的焊接设备来说这完全是可以接受的。

在根据本发明方法的有利实施方式中，通过如下方式实现一种改进的调节，即，将焊接电流源的谐振频率采集作为另外的状态变量，并且为了形成针对控制单元的控制信号，依赖于谐振频率来校正所采集的初级电流的值或者相应于初级电流的初级侧状态变量的值。在根据本发明方法的这样的设计方案中，除了初级电流的幅值之外，例如还可以确定该初级电流的频率。初级电流的频率与焊接电流源的谐振频率相同。谐振频率取决于并联谐振电路和串联谐振电路的电感、取决于电容并取决于电弧电阻。在低阻抗的电弧的情况下(尤其是在短路时)，谐振频率具有明显不同于高阻抗的电弧的谐振频率的值。因此，对谐振频率的采集能够实现对电弧的当前状态的推导，尤其可以通过对谐振频率的采集在极短暂的时间内识别短路的存在，随后就可以反作用于该短路，以防止在焊接电极与工件之间的材料转移时出现焊溅。对谐振频率的采集也可以通过如下方式进行，即，确定相应于初级电流的初级侧状态变量的频率。该状态变量的频率也与谐振频率相同。

特别的优点是：由所采集的谐振频率来确定焊接过程的电弧电阻，并且依赖于电弧电阻来校正初级电流的所采集的值或者相应于初级电流的初级侧状态变量的所采集的值。如已经提到的那样，谐振频率此外取决于并联谐振电路的电容以及取决于电弧电阻。谐振电路的电容的值和电感的值是恒定的，并且在制造时由使用的构件来预先规定。这能够实现由所采集的谐振频率的值来确定电弧电阻。电弧电阻的大小又可以被提出用于校正所采集的初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量，以便以这种方式实现对焊接电流的改进的调节。

在这里阐述的焊接电流源中(该焊接电流源基于串联-并联-谐振转换器的原理而构建)，焊接电流相对于变流器的次级电流相移了相位角Ф。相移又取决于谐振频率以及也取决于并联谐振电路的电容并且取决于电弧电阻。并联谐振电路的电容是在制造时预先规定。这能够实现：通过采集谐振频率确定相位角Ф。因此在根据本发明方法的有利实施方式中设置：由所采集的谐振频率来确定在变流器的次级电流与焊接电流之间的相位角，并且依赖于相位角来校正初级电流的所采集的值或者相应于初级电流的初级侧状态变量的所采集的值。在短路的情况下，相位角为0°，这是因为全部的次级电流均流经电弧，与此相对，当电弧为高阻抗时，相位角接近大约90°的值。极小的相位角意味着，次级电流实际上与焊接电流相同，并且初级电流的被提出用于调节焊接电流的值仅须以变流器的变换比来校正，但是可以不用考虑附加的校正。可是，如果存在很大的相位角，那么这意味着，次级电流明显偏离焊接电流，因此应该校正初级电流的被提出用于调节焊接电流的值。因此，相位角形成用于对初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量进行必要的校正的量度。

有利的是：针对焊接电流源的预先规定的大小设定(Dimensionierung)，将依赖于电弧电阻的谐振频率和相位角的列表值存储在存储元件中，并且针对谐振频率的所采集的值从存储元件中调用电弧电阻和/或相位角的配属的值，用以校正所采集的测量值。针对焊接电流源的预先规定的大小设定可以计算出依赖于电弧电阻的谐振频率以及相位角的曲线。电弧电阻与谐振频率或者相位角之间的相互依赖性能够以表格的形式存储在存储元件中。如果采集了初级电流的频率或者相应于初级电流的初级侧状态变量的频率并且因此采集了焊接电流的谐振频率，那么从存储元件中可以调用相位角的和/或电弧电阻的配属于该谐振频率的值，并且提出用于校正初级电流的所采集的值或者相应于初级电流的初级侧状态变量的所采集的值。当然，可供选择地还可以设置：在焊接电流源的预先规定的大小设定中，由所采集的谐振频率计算出电弧电阻的值或者在次级电流与焊接电流之间的相位角，用以校正初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量。

例如可以通过如下方式对初级电流的所采集的值或者相应于初级电流的初级侧状态变量的所采集的值进行校正，即，将所采集的值与相位角的余弦相乘。在这里所阐述的类型的焊接电流源中，由次级电流与次级电流和焊接电流之间的相位角的余弦的乘积得出焊接电流。因此，对焊接电流的控制可以以设计上简单的方式通过如下方式来实现，即，采集初级电流的或者相应于初级电流的初级侧状态变量的幅值和频率，在焊接电流源的预先规定大小设定中，由频率确定次级电流与焊接电流之间的相位角，然后将由初级电流的所采集的幅值或者相应于初级电流的初级侧状态变量的所采集的幅值和相位角的余弦的乘积提出用于形成针对焊接电流源的桥式电路的控制信号。

在一种优选设计方案中，通过如下方式实现对根据本发明的调节方法的改进，即，将焊接电流源的供到整流器的输出端上的输出电压采集作为另外的状态变量，并且为了形成针对控制单元的控制信号，依赖于输出电压来校正所采集的初级电流的值或者相应于初级电流的初级侧状态变量的值。输出电压是针对焊接电极与工件之间的焊接电压的量度。输出电压取决于电弧电阻，并且通过采集输出电压可以更好地控制焊接过程。例如可以设置：借助电压评估电路基于所采集的输出电压提供信号，该信号包含在对初级电流的所采集的值或者相应于初级电流的初级侧状态变量的所采集的值的校正中。

优点是：用户能够预先规定确定的焊接电流。该焊接电流形成调节过程的设定值，该调节过程的实际值由初级电流的修正后的值或者相应于初级电流的初级侧状态变量的修正后的值得出。

如开头提到的那样，本发明还涉及一种用于实施前述方法的焊接电流源的设计方案。焊接电流源包括变流器，该变流器在初级侧具有串联谐振电路，而在次级侧具有并联谐振电路。另外，焊接电流源包括桥式电路，该桥式电路向串联谐振电路提供可变的交流电压，以及该焊接电流源包括整流器，该整流器连接到并联谐振电路上，用以向焊接过程提供能量，并且焊接电流源包括控制单元，该控制单元被用以依赖于焊接电流源的至少一个状态变量来控制桥式电路。根据本发明提出：可以仅将变流器的初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量采集作为焊接电流源的电流状态变量，并且焊接电流源具有调节器，用以依赖于初级电流或者依赖于相应于初级电流的初级侧状态变量提供针对控制单元的控制信号。

根据本发明的焊接电流源的特征尤其在于：可以仅采集初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量，而不必也采集次级电流。这能够实现一种非常低成本且无损耗功率的设计方案。仅通过调节初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量可以保证：焊接电流依赖于电弧电阻而发生变化，从而在电弧中出现短路时焊接电流具有其最高的、通过预先规定初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量来界定的值，并且焊接电流随着增大的电弧电阻而变小。

焊接电流源的桥式电路可以被设计为全桥或者也可以被设计为半桥。

以更有利的方式，焊接电流源具有第一评估电路，用以采集初级电流的幅值和频率或者相应于初级电流的初级侧状态变量的幅值和频率。如已经阐述的那样，在初级电流的频率或者相应于初级电流的初级侧状态变量的频率中涉及焊接电流源的谐振频率，并且该谐振频率取决于电弧电阻。因此对谐振频率的采集可以通过如下方式来实现，即，在极短时间内识别出焊接电极与工件之间短路的存在，从而可以界定最大的焊接电流，并且因此可以避免在材料转移时出现焊溅。

以更有利的方式，焊接电流源具有校正电路，用以依赖于谐振频率形成针对初级电流的或者针对相应于初级电流的初级侧状态变量的校正值。谐振频率形成针对次级电流(该次级电流与初级电流成比例关系)与焊接电流(该焊接电流从焊接电极流向工件)之间的差别的量度。依赖于谐振频率可以校正初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量，以便将次级电流与焊接电流之间的偏离考虑在内。

如已经阐述的那样，可以由谐振频率在并联谐振电路的预先规定的电容的情况下计算出电弧电阻。然而特别的优点是：焊接电流源具有存储元件，用以依赖于电弧电阻地保存谐振频率的值以及变流器的次级电流与焊接电流之间的相位角的值。这能够实现：直接从存储元件中获取电弧电阻的和相位角的配属于所采集的谐振频率的值，并且将这些值提出用于校正初级电流或者相应于初级电流的初级侧状态变量。这又允许非常快速地调节焊接过程，从而避免在材料转移时出现焊溅。

在根据本发明的焊接电流源的一种有利的设计方案中，该焊接电流源具有组合元件(Verknüpfungsglied)，用以组合初级电流的所采集的值或者相应于初级电流的初级侧状态变量的所采集的值与校正值。借助组合元件例如可以由初级电流的所采集的值或者相应于初级电流的初级侧状态变量的所采集的值和相位角的余弦形成乘积。该乘积示出在将变流器的变换比考虑在内的情况下的针对焊接电流的量度，并且因此可以形成焊接电流调节的实际值。

优选的是：借助调节器能够依赖于初级电流的校正后的值或者相应于初级电流的初级侧状态变量的校正后的值与焊接电流的能由用户预先规定的值的比较来向控制单元提供控制信号。

在一种有利的设计方案中，焊接电流源具有第二评估电路，用以采集整流器的输出电压，其中，第二评估电路与校正电路相连接。如已经阐述的那样，第二评估电路可以为校正电路提供信号，该信号包含在对初级电流的所采集的值或者与相应于初级电流的初级侧状态变量的所采集的值的校正中。

特别的优点是：焊接电流源具有动态模块，用以处理由校正电路提供的校正值。动态模块被置于校正电路的下游，并且该动态模块能够实现：对焊接电流的调节包含焊接过程的动态过程在内。这样的动态模块是本领域技术人员所公知的。例如在DE-A-32 00 086 A1中已对其进行了描述。

附图说明

对优选实施方式的下列说明结合附图有助于详尽阐述本发明。其中：

图1示出根据本发明的焊接电流源的方框电路图；

图2示出焊接电流源的谐振频率曲线、初级电流曲线和故障电流曲线以及取决于电弧电阻的焊接电流曲线的示意性图示；以及

图3示出谐振频率曲线以及焊接电流源的次级电流与取决于电弧电阻的焊接电流之间的相位角曲线的示意性图示。

具体实施方式

在图1中示意性示出根据本发明的焊接电流源的简化方框电路图。该焊接电流源包括输入侧的整流器11，该整流器11能够以常见的且在图中未明示的方式连接到供电网上，尤其是连接到公用供电网上，例如连接到230V或者400V的交流电网上。在输入侧整流器11中，由供电网提供的交流电压被整流。

输入侧整流器11与桥式电路13连接，并且该桥式电路13供应直流电压。在所示实施例中，桥式电路13构造为全桥并且具有四个开关元件15、16、17、18，这四个开关元件带有配属的续流二极管21、22、23、24。这种桥式电路13对本领域技术人员来说是公知的，因此这里不必详细说明。可供选择的是：桥式电路13也可以构造为仅带有两个开关元件和两个续流二极管的半桥。

借助于控制单元25来实现对桥式电路13的控制，该控制单元25控制开关元件15、16、17、18，从而桥式电路13提供具有可变的频率和可变的脉冲宽度的交流电压。

置于桥式电路13下游的是串联谐振电路27，该串联谐振电路27具有串联的电感28和串联的电容29，该串联谐振电路27被连接到以变压器30的形式出现的电压变换器的初级侧上。变压器的初级线圈31接入到串联谐振电路27中。并联的电容34与变压器30的次级线圈32并联连接，该电容34与次级线圈32组合形成并联谐振电路36。因此，并联谐振电路36设置在变压器30的次级侧上而串联谐振电路27设置在变压器30的初级侧上。

输出侧的整流器38连接在并联谐振电路36上，该整流器38整流串联谐振电路36提供的交流电压，并且该整流器38的输出电压供到焊接电流源的输出端子41、42上。

通常，通过输出端子41、42可以向焊接过程提供能量。焊接过程在图1的等效电路中通过电弧电阻45来示出，该电弧电阻45与平滑电感47串联连接。电弧电阻45示出在焊接电极与待焊接的工件之间引燃的电弧的电阻。该电阻随着时间流逝会发生变化，这是因为在从电焊电极到工件的材料转移时在确定的时间点上导致构成短路，从而电弧电阻极小并且流经电弧电阻的焊接电流具有极高的值，而在后来的时间点上，电弧电阻可以具有更高的值而焊接电流可以很小。

为了调节流经电弧电阻45的焊接电流，图1所示的焊接电流源具有电流变送器49，该电流变送器49连接到第一评估电路50上。评估电路50采集初级电流I₁的(也就是说电流的)幅值和频率，该电流流经串联的电感28、初级线圈31和串联的电容29。第一评估电路50经由第一输出端51将相应于初级电流I₁幅值的信号发送到组合元件54上，并且评估电路50经由第二输出端52将相应于初级电流频率的信号发送到校正电路58的第一输入端56上。经由第二输入端57，校正电路58与第二评估电路60保持电连接，第二评估电路60量取并评估供到输出端子41、42上的焊接电流源的输出电压。

可供选择的是，也可以借助电压采集元件53采集在串联电容29上降低的电压。电压采集元件53可以连接到第一评估电路50上，该第一评估电路50然后可以经由第一输出端51输出相应于所采集的电压的幅值的信号，并且经由第二输出端52输出相应于所采集的电压的频率的信号。该电压采集元件53在图1中用虚线示出。经由串联电容29降低的电压取决于初级电流I₁并且示出相应于初级电流I₁的初级侧状态变量，该初级侧状态变量可以作为对初级电流I₁的可供选择项和/或补充而被评估，并且可以作为实际值被提出用于调节。下面借助于初级电流采集的示例来阐述这种调节，该初级电流采集可以以相应的方式来进行，但也可以通过采集在串联电容29上降低的电压来进行。

置于校正电路58下游的是动态模块64，该动态模块64的输出端同样连接到组合元件54上。

经由设定值输入端65可以向组合元件54输入流经电弧电阻45的焊接电流I_s的设定值。

组合元件54与电流调节器68连接，该电流调节器68经由控制单元25的控制输入端69提供用于控制桥式电路13的控制信号。在所示实施方式中，电流调节器68构造为PI调节器。

在焊接电流源工作期间，初级电流I₁流经串联电感28、初级线圈31和串联电容49。在这里涉及的是交流电，该交流电可以借助电流变送器49以简单方式来采集。初级电流I₁在次级线圈32中感生出次级电流I₂，该次级电流I₂的大小通过变压器30的变压比来预先规定。次级电流I₂分成流经电弧电阻45的焊接电流I_s和流经并联电容34的故障电流I_F。在次级电流I₂和焊接电流I_s之间存在相差相位角Ф的相移，相位角Ф的大小依赖于电弧电阻45以及并联电容34和焊接电流源的谐振频率。在短路的情况下，也就是说在极小的电弧电阻45时，实际上全部的次级电流I₂都流经电弧电阻45，并且相位角为0°。当然，如果存在有限的电弧电阻45，那么次级电流I₂的一部分作为故障电流流经并联电容34。

借助电流评估电路50确定初级电流I₁的幅值和频率。初级电流I₁的频率与焊接电流源的谐振频率ω相同。谐振频率ω取决于电弧电阻45。这也适用于供到输出端子41、42上的输出电压，也就是说该输出电压也取决于电弧电阻45。在焊接电极与待焊接的工件之间存在短路时，输出电压暂时性地崩溃。

对焊接电流I_s的调节基于所采集的初级电流I₁来进行，其中，所采集的值依赖于谐振频率ω并且依赖于输出侧整流器38的输出电压来校正。

为了校正初级电流，从校正电路58的存储元件70中，从表格中获取次级电流I₂与焊接电流I_s之间的相位角Ф的值，该相位角Ф的值相应于在焊接电流源的预先规定的大小设定中所采集的谐振频率ω。另外，初级电流值的校正也还包含供到输出端子41和42上的输出电压在内，并且然后将相应的校正值输入给动态模块64，该动态模块64考虑到焊接过程的动态效果并且从校正值中计算出系数，将初级电流值与该系数相乘。然后将校正后的初级电流值与供到设定值输入端65上的焊接电流进行比较，然后借助电流调节器68形成针对桥式电路13的控制信号，从而该桥式电路13向串联谐振电路27提供交流电压，该交流电压引起初级电流，该初级电流在将变压器30的变压比和当前的相位角Ф考虑在内的情况下预先给定理想的焊接电流。

在图2中形象地说明了谐振频率ω、初级电流I_l、焊接电流I_s、以及流经并联电容34的故障电流I_F的相关性。谐振频率ω与电弧电阻45不具有线性相关性。在低阻抗区域中，也就是说在焊接电极与待焊接的工件之间实际上存在短路的状态下，谐振频率具有如同在电弧的有限电阻的情况下大约一半大小的值。在大约0.3至0.7欧姆的范围内，谐振频率ω存在非常强烈的变化，谐振频率ω因此形成针对电弧电阻45的量度，并且因此形成针对焊接过程的量度。

图2所示的电流曲线清楚表明：在非常低阻抗的电弧时(也就是说尤其在焊接电极与工件之间出现短路的情况下)，焊接电流I_s实际上相应于次级电流I₂，这是因为故障电流I_F极小；与此相反，在电弧的电阻值更大时，在焊接电流I_s与次级电流之间存在明显的偏离。在该区域中，流经并联电容34的故障电流I_F实际上以线性的方式上升。

由图3清楚示出在次级电流I₂和焊接电流I_s之间的相位角Ф的曲线依赖于电弧电阻45。在短路的情况下，相位角实际上为0°，也就是说，次级电流I₂与焊接电流I_s相同。与此相反，在电弧电阻值较高时，相位角Ф具有将近90°的值，在这种情况下，次级电流I₂基本上流经并联电容34，仅有极少部分的次级电流I₂流经电弧。

对初级电流的幅值和频率的采集，或者对相应于初级电流的初级侧状态变量(例如在串联电容29上降低的电压的幅值和频率)的采集，能够说明焊接过程，尤其是能够说明短路的存在，从而可以通过调节初级电流或者相应于该初级电流的初级侧状态变量在极短时间内反作用于焊接电流的不允许的上升。这尤其能够实现：在焊接电极与工件之间的材料转移时防止出现焊溅。