ITPD20000136A1 - Generatore per saldatura ad arco con stadio regolatore ad adattamentodi tensione di ingresso - Google Patents

Description

"GENERATORE PER SALDATURA AD ARCO CON STADIO

REGOLATORE AD ADATTAMENTO DI TENSIONE DI INGRESSO"

DESCRIZIONE

Forma oggetto del presente brevetto un generatore per saldatura ad arco con stadio regolatore ad adattamento di tensione di ingresso.

Uno schema classico di saldatrice ad arco, secondo la tecnica nota, è quello illustrato in fig. 1 ed è costituito da uno stadio raddrizzatore 1, seguito da un banco di condensatori di livellamento 2 a cui segue un blocco inverter 3, a commutatori elettronici ad alta frequenza, che pilota un trasformatore 4.

II secondario del trasformatore 4 è seguito da uno stadio rettificatore 5 ed ha una induttanza di livellamento della corrente d'uscita 6.

L'arco si forma fra l'induttanza 6 ed il comune dèlio stadio rettificatore.

La tensione applicata al blocco inverter 3 è la tensione presente ai capi del banco di condensatori di livellamento 2 che è alimentato dallo stadio rettificatore di ingresso 1.

Questo significa che il valore massimo di tensione presente ai capi del banco di condensatori 2, coincide con il valore di picco della tensione raddrizzata presente in uscita dello stadio di raddrizzamento 1.

In queste condizioni gli interruttori elettronici dello stadio inverter 3, devono essere dimensionati per poter sopportare tale valore di picco di tensione.

Risulta evidente che per garantire il funzionamento del generatore per tensioni di alimentazioni più elevate rispeto alla tensione nominale di alimentazione è necessario sovradimensionare in tensione gli interrutori elettronici dell'inverter con la conseguente perdita di efficienza complessiva del generatore.

Questo è necessario perché si deve prevedere che la saldatrice possa trovarsi ad operare con alimentazioni ove la tensione può variare per ragioni dovute al fatto che la linea non sia controllata, che si tratti di una linea di cantiere, che in certi momenti del giorno vi siano variazioni dovute al disinserimento di carichi o perché la potenza viene derivata da un generatore autonomo azionato da un motore.

Stessi problemi si possono manifestare in linee molto lunghe ove può esserci risonanza con le induttanze ed i condensatori della macchina.

E' evidente che l'utilizzo di interrutori elettronici capaci di sopportare alte tensioni comporti un calo di efficienza perché questi dispositivi eletronici hanno perdite che aumentano con l'aumento della loro tensione massima di funzionamento.

Volendo ancora garantire il funzionamento del generatore per tensione di alimentazione inferiori alla tensione nominale senza perdite di prestazioni, ovvero a parità di potenza erogata, risulterà necessario sovradimensionare in corrente gli interruttori elettronici dell'inverter.

Questo avviene ad esempio quando vi sono notevoli cadute in linea in impianti di distribuzione non sufficienti in relazione ai carichi inseriti.

Questo sovradimensionamento in corrente comporta un aumento della potenz nominale degli interrutori ed ancora una perdita di efficienza globale dello stadii inverter che viene su di essi dimensionato.

Quanto sopra ha portato allo sviluppo di struture per generatori di saldatura ad arco che presentano l'adozione di stadi intermedi di regolazione i quali permettono di ottenere una tensione di ingresso per lo stadio inverter 3, presente ai capi del banco di condensatori 2, stabile al variare della tensione dell 'alimentazione del generatore stesso.

Un esempio di quanto sopra è riportato nella figura 2 dove è evidenziato uno stadio intermedio tra il blocco raddrizzatore 1 e il banco di condensatori 2, denominato stadio "BOOST" ottenuto con una induttanza 7.1, un commutatore elettronico 7.2 ed un diodo 7.3.

Questo stadio mediante un opportuno dispositivo di controllo, riesce a stabilizzare una tensione costante ai capi dei condensatori 2.

Lo stadio suddetto però, riesce a lavorare per tensione di alimentazioni presenti in ingresso al blocco 1 che abbiano un valore di picco inferiore al valore della tensione stabilizzata presente ai capi del condensatore 2, ma non è permesso il funzionamento per tensioni di valore superiore.

Questo implica che la tensione che si deve stabilizzare ai capi del blocco 2, per garantire il funzionamento con tensioni elevate di alimentazione, risulta essere elevata con la conseguenza che è comunque necessario sovradimensionare in tensione gli interruttori elettronici dello stadio inverter anche in presenza di uno stadio regolatore con le conseguenze di calo di efficienza che si sono già evidenziate.

Una ulteriore soluzione nota è illustrata nella figura 3, ove l'elemento fondamentale del sistema è uno stadio adattatore di tensione 101 interposto fra il blocco raddrizzatore 102 ed il banco di condensatori 103.

A valle dei condensatori 103 che hanno funzione di livellamento, vi è un usuale blocco inverter 104, il trasformatore adattatore 105, lo stadio rettificatore 106 e l'induttanza 107 all'uscita della quale si forma l'arco 108.

Lo stadio adattatore di tensione 101 è costituito da un interruttore elettronico 109 da una induttanza 110 e da un diodo 111, connessi come indicato in figura 3.

Un dispositivo di controllo, non indicato, permette di mantenere costante la tensione V0 rilevata ai capi del blocco dei condensatori 103, al variare della tensione Vi rilevata all'uscita dello stadio raddrizzatore 102, sia nel caso di Vi<V0, sia nel caso di Vi<V0.

In sostanza il dispositivo di controllo agisce sull'apertura e sulla chiusura dell'interruttore 109 mantenendo le condizioni indicate.

In questo schema circuitale la tensione V0 risulta però negativa rispetto alla tensione Vi, e la tensione di blocco dell'interruttore 109 e del diodo 111 risulta essere Vb+Vo che è elevata per tensioni di ingresso elevate.

Ciò implica l'utilizzo di componenti con tensioni di blocco elevate che possono comportare perdite in conduzione e un rendimento non ottimale dello stadio adattatore.

Inoltre il valore Vi+V0 per ampie gamme della tensione di ingresso, può raggiungere valori superiore alla capacità di blocco dei dispositivi normalmente utilizzati in queste macchine con la conseguente necessità di utilizzare componenti connessi in serie cosa che può comportare complicazioni legate alla difficoltà di garantire una distribuzione simmetrica delle tensioni ai capi dei componenti stessi.

Scopo del presente trovato è quello di mettere a punto un generatore per saldatura che risolva o comunque riduca grandemente le problematiche che si sono evidenziate.

Conseguente primario scopo è quello di mettere a punto un generatore di saldatura che sia in grado di garantire il funzionamento del generatore senza perdite di prestazioni al variare della tensione di alimentazione, sia che essa sia trifase o monofase, in un'ampia gamma di valori.

Un ulteriore scopo è quello di realizzare un generatore per saldatura capace di funzionare sia con valori inferiori che superiori rispetto alla tensione nominale pur mantenendo ai capi del banco dei condensatori un valore di tensione stabile.

Un ulteriore scopo è quello di mettere a punto un generatore per saldatura strutturato in modo da permettere il dimensionamento ottimale degli interruttori elettronici dello stadio inverter nell'ottica di migliorare lefficienza di questo stadio e quindi dell'intero generatore.

Un altro scopo ancora è quello di realizzare un generatore da saldatura ove sia possibile ottimizzare il dimensionamento dei dispositivi a semiconduttore in esso contenuti, ed in particolare presenti nello stadio adattatore in modo che si abbia una elevata efficienza complessiva del generatore.

Questi ed altri scopi ancora che più chiaramente appariranno in seguito sono raggiunti da un generatore per saldatura con stadio regolatore ad adattamento di tensione di ingresso del tipo comprendente uno stadio raddrizzatore di ingresso, un banco di condensatori di livellamento, un blocco inverter, un trasformatore, uno stadio rettificatore ed una induttanza a valle della quale si forma l'arco, caratterizzato dal fatto che detto stadio regolatore presenta in serie all'uscita di detto stadio raddrizzatore di ingresso, un primo interruttore elettronico controllato alla cui uscita è connesso un primo diodo facente capo alla linea comune, a valle di detto primo interruttore elettronico controllato essendo presente in serie, una induttanza la cui uscita è collegata fra la stessa e la linea comune, un secondo interruttore elettronico controllato ed un secondo diodo connesso al banco dei condensatori livellatori, detta disposizione determinando che la tensione Vi misurata all'uscita dello stadio raddrizzatore di ingresso ha lo stesso verso della tensione V0 misurata ai capi del banco dei condensatori livellatori.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla dettagliata descrizione sia dello stato della tecnica già definito in premessa che in alcune forme realizzative preferite ma non esclusive illustrate nelle allegate tavole di disegni in cui:

la fig. 1 rappresenta, come già detto, uno schema di generatore per saldatura secondo la tecnica nota;

la fig. 2 rappresenta un secondo tipo di saldatrice elettronica secondo lo stato della tecnica con stadio preregolatore di tipo "BOOST";

la fig. 3 mostra un terzo tipo di generatore per saldatura secondo lo stato della tecnica con stadio preregolatore a singolo switch con tensione invertita ai capi del banco di condensatori;

la fig. 4 mostra lo schema di un generatore per saldatura secondo il trovato con stadio preregolatore di tipo a doppio switch;

la fig. 5 rappresenta una variante dello stadio preregolatore di tipo a doppio switch.

le fig. 6, 7, 8 e 9 mostrano gli andamenti tipici della corrente di linea in macchine trifasi e monofasi realizzate secondo la tecnica nota e secondo il trovato.

Con riferimento alle figure citate si è già detto che le figure 1, 2 e 3 rappresentano schemi di saldatrici secondo la tecnica nota.

Il trovato nella sua forma base è illustrato nella figura 4.

In questo schema lo stadio adattatore ora indicato con 201 presenta due interruttori elettronici rispettivamente 202 e 203 e due diodi rispettivamente 204 e 205 ed un induttanza 206 disposti come illustrato in figura 4.

In sostanza il diodo 204 è connesso fra l'uscita del primo interruttore 202 e la linea comune 207, l'induttanza 206 è in serie all'uscita del primo interruttore 202, il secondo interruttore 203 è connesso fra l'uscita dell'induttanza 206 e la linea comune 207 mentre il diodo 205 è in serie fra l'uscita dell'induttanza 206 ed il blocco dei condensatori 208.

Come si può notare in questa disposizione la tensione V0 che si misura ai capi del blocco condensatori 208 risulta nello stesso verso della tensione che si misura all'uscita del blocco raddrizzatore ora indicato con 209.

Gli interruttori 202 e 203 come i diodi 204 e 205 presentano tensione inversa ai loro capi rispettivamente Vi e V0.

Questo permette l'impiego di componenti con caratteristiche in tensione ottimali con conseguente recupero nell'efficienza dello stadio adattatore 201.

In figura 5 è illustrata una variante dello stadio adattatore ora globalmente indicato con 301.

In questo caso vi sono ancora due interruttori elettronici rispettivamente 302 e 303 e due diodi 304 e 305 mentre sono presenti due induttanze ora indicate con 306 e 307.

Anche in questo caso la tensione misurata in uscita dello stadio raddrizzatore non indicato ha lo stesso verso della tensione V0 misurata ai capi del blocco condensatori ora indicato con 308.

Nelle figure 6 ed 8 sono riportati gli andamenti tipici dell’ assorbimento della corrente di linea per un generatore monofase e trifase che mostrano come l'assorbimento tipico avvenga con un elevato valore efficace dovuto ai picchi di corrente e al loro contenuto armonico.

Tale assorbimento può esser reso praticamente sinusoidale mediante l'impiego del regolatore secondo il trovato opportunamente controllato rendendo quindi il generatore equivalente ad un carico resistivo.

Gli andamenti tipici che si ottengono con l'impiego del preregolatore sono riportati in fig. 7 per un carico monofase e in fig. 9 per un carico trifase.

Ciò permette oltre che ad ottenere un assorbimento della linea a basso contenuto armonico, di ottimizzare il dimensionamento del ponte raddrizzatore in ingresso in quanto i picchi di corrente risultano nettamente ridotti.

Da quanto descritto ed illustrato si nota come si siano raggiunti tutti gli scopi proposti ed in particolare si sia realizzato un generatore per saldatura ad arco dotato di uno stadio adattatore di tensione che permette il funzionamento del generatore sia monofase che trifase, al variare della tensione di alimentazione in una ampia gamma rispetto alla tensione nominale.

In questo modo l'ottimizzazione del circuito consente di utilizzare componenti con caratteristiche in tensioni ottimali e con conseguente recupero nell'efficienza sia dello stadio in sé sia dell'intera macchina.

Ovviamente il concetto inventivo espresso ed illustrato nella descrizione e nelle figure potrà concretizzarsi in forme diverse pur mantenendo la stessa logica di funzionamento.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1) Generatore per saldatura con stadio regolatore ad adattamento di tensione di ingresso del tipo comprendente uno stadio raddrizzatore di ingresso, un banco di condensatori di livellamento, un blocco inverter, un trasformatore, uno stadio rettificatore ed una induttanza a valle della quale si forma l'arco, caratterizzato dal fatto che detto stadio regolatore presenta in serie all'uscita di detto stadio raddrizzatore di ingresso, un primo interruttore elettronico controllato alla cui uscita è connesso un primo diodo facente capo alia linea comune, a valle di detto primo interruttore elettronico controllato essendo presente in serie, una induttanza la cui uscita è collegata fra la stessa e la linea comune, un secondo interruttore elettronico controllato ed un secondo diodo connesso al banco dei condensatori livellatori, detta disposizione determinando che la tensione Vi misurata all'uscita dello stadio raddrizzatore di ingresso ha lo stesso verso della tensione V0 misurata ai capi del banco dei condensatori livellatori.
2. 2) Generatore come alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che in una seconda forma realizzativa equivalente, detto stadio regolatore presenta un primo interruttore elettronico controllato che agisce sulla linea comune, un primo diodo interposto a valle di detto primo interruttore e l'uscita dello stadio di raddrizzamento, due induttanze interposte una nella linea comune ed una nella linea d'uscita dello stadio di raddrizzamento a valle del nodo di inserzione del detto primo diodo, un secondo interruttore elettronico controllato inserito fra le uscite di dette due induttanze ed un secondo diodo inserito fra l'uscita dell'induttanza della linea di uscita dello stadio di raddrizzamento ed il banco dei condensatori di livellamento.
3. 3) Generatore per saldatura ad arco con stadio regolatore ad adattamento di tensione di ingresso caratterizzato dal fatto di presentare gli schemi secondo quanto descritto ed illustrato.