Digital gesteuerte Stromquellen für das Lichtbogenschweißen

Abstract

Die digitale Steuerung von Schweißstromquellen für das Lichtbogenschweißen erfordert die Berücksichtigung vieler Thematiken. Es wird zuerst ein Überblick gegeben über die notwendigen physikalischen Anforderungen an eine Schweißstromquelle als Energiequelle, welche sich aus den schweißprozesstechnischen Vorgaben und den plasmaphysikalischen Eigenschaften des Lichtbogens ergeben. Dabei wird deutlich, dass sich nahezu beliebige schweißprozesstechnische Eigenschaften allein durch die Programmierung und Parametrierung der Prozesssteuerung erzielen lassen, solange sich der U-I-Arbeitspunkt des Lichtbogens im möglichen und zulässigen U-I-Kennlinienfeld des Leistungsteils befindet und dessen dynamische Grenzen und andere physikalische Leistungsparameter dies zulassen. Der Stand der Technik und zukünftige Entwicklungstendenzen werden ebenso bei der Darlegung der notwendigen Eigenschaften der Steuerung und dem erforderlichen Informationsmanagement der Schweißstromquelle berücksichtigt. Die vielfältigen möglichen Schaltungstopologien zur Synthese von Leistungsteilen werden systematisiert und besondere Möglichkeiten und Vorteile einer digitalen Ansteuerung fallbezogen dargelegt. Ausgehend von den dynamisch geprägten Lastanforderungen an eine Schweißstromquelle wird eine mehrstufige Methodik dargelegt, welche es ermöglicht, die dynamische Erwärmung der Leistungshalbleiter mit Hilfe bestimmter Funktionen einer digitalen Steuerung während des Schweißens zu berücksichtigen. Weiterhin wird gezeigt, dass sich auf derselben Abstraktions­ebene das temperaturtransiente Verhalten ausgedehnter Kühlkörper ebenso wie die thermische Impedanz von leistungselektronischen Komponenten in die Rechnung einbinden lässt. Durch Vereinfachungen der Gesamtrechnung werden die Form und die Koeffizienten von echtzeit­fähigen Funktionen bestimmt, unter deren Nutzung innerhalb einer digitalen Steuerung die näherungsweise Berechnung der Sperrschichttemperatur von Leistungshalbleitern möglich ist. Anhand von Simulationen wird gezeigt, dass die entworfenen echtzeitfähigen Näherungsrechnungen den Verlauf der Sperrschichttemperatur im Sinne des Systemschutzes sicher abbilden. Die somit mögliche abgesicherte quasistationäre Erweiterung des U-I-Kennlinienfeldes der Schweißstromquelle ohne zusätzlichen Bauelementeaufwand wurde anhand der Berechnung von thermischen Grenzen des U-I-Kennlinienfeldes bestätigt. Des weiteren wird eine Methode dargelegt, welche die effiziente Berechnung der thermisch begrenzten Einschaltdauer einer Schweißstromquelle ermöglicht. Der prinzipielle Aufbau und die praktische Realisierung einer digitalen Steuerung werden erläutert. Es wird ein sicheres Systemkonzept für eine digital gesteuerte Schweißstromquelle beschrieben. Die Darlegung der Anforderungen und Möglichkeiten einer digital gesteuerten Schweißstromquelle in Bezug auf ihre Wechselwirkung mit der Umgebung gibt Einblick in die Komplexität der Systemkonzeption und Programmierung. Es wird hierbei neben anwendungs- und sicherheitstechnischen Anforderungen auch ein Einblick gegeben bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit und abzusehenden Expositionsbeschränkungen elektromagnetischer Felder.

The digital control of electrical power sources for arc welding requires the consideration of many topics. At first an overview is given of the physical requirements of a welding power supply as an electrical energy source which result from the assignments of the technological welding process and from the physical characteristics of the arc plasma. Noticeably almost arbitrary characteristics of the welding process can be achieved simply by changing parameters of the process control unit provided that both arc welding voltage and current lie within the feasible and permissible area of the dynamic and static limits of the power source. The necessary characteristics of the control and the information management are considered from the state of the art to future trends. The various possible topologies for the synthesis of electrical power sources are systematized and special chances and advantages of a digital control are shown by examples. The dynamically determinated demands of the load are taken as a start to develope a methodology which allows the evaluation of the dynamic heating up of power semiconductors during welding based on special adapted mathematical calculations. On top of that level of abstraction the transient behaviour of large heat sinks and the thermal impedance of power components is included into the calculations. The reduction of the amount of calculations leads to the determination of the sort and the parameters of real time numerical functions, which are usable within a digital signal processing unit for the approximation of the junction temperature of semiconductors. The results of numerical simulations show, also from the point of system protection, that the designed approximations do reflect sufficiently the junction temperature gradient. Consequently the simulation proves the possibility to enlarge the permissible area of output current and voltage of the power source for short periods without additional expenditure regarding the electrical power components. Further a method is described which allows the efficient calculation of the duty cycle of welding machines limited by the element temperature. Furthermore the structure in principle and the practical realization of a digital control are analysed. Additionally, the concept of a durable and safe control system due to features of self protection is developed, especially for welding process control. The explanation of the requirements and possibilities of digital controlled welding machines concerning their environmental interaction gives insight into the complexity of system design and programming. Doing this, besides application demands and safety requirements, aspects of the electromagnetic capability (EMC) and electromagnetic fields are also considered.