estabilizador de arco de alta frecuencia.(es2030431)

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OFICINA ESPAÑOLA DE
PATENTES Y MARCAS
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ES 2 030 431
kInt. Cl. : B23K 9/06
11 N.◦ de publicación:
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ESPAÑA
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TRADUCCION DE PATENTE EUROPEA
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kNúmero de solicitud europea: 87306500.7
kFecha de presentación : 23.07.87
kNúmero de publicación de la solicitud: 0 257 795
kFecha de publicación de la solicitud: 02.03.88
T3
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54 Tı́tulo: Estabilizador de arco de alta frecuencia.
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73 Titular/es: Esab Welding Products, Inc.
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72 Inventor/es: Eldridge, Richard A.
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74 Agente: Curell Suñol, Marcelino
30 Prioridad: 25.08.86 US 900166
Ebenezer Road P.O. Box 100545
Florence, South Carolina 29501-0545, US
45 Fecha de la publicación de la mención BOPI:
01.11.92
45 Fecha de la publicación del folleto de patente:
01.11.92
Aviso:
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En el plazo de nueve meses a contar desde la fecha de publicación en el Boletı́n europeo de patentes,
de la mención de concesión de la patente europea, cualquier persona podrá oponerse ante la Oficina
Europea de Patentes a la patente concedida. La oposición deberá formularse por escrito y estar
motivada; sólo se considerará como formulada una vez que se haya realizado el pago de la tasa de
oposición (art◦ 99.1 del Convenio sobre concesión de Patentes Europeas).
Venta de fascı́culos: Oficina Española de Patentes y Marcas. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid
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DESCRIPCION
La invención se refiere a estabilizadores de
arco de alta frecuencia para soldadores que tienen un oscilador de chispa de alta frecuencia y es
útil particularmente en conexión con los dispositivos soldadores de tig de CA o CC para mantener
la continuidad del arco de soldadura durante las
oscilaciones de la tensión de salida o mientras se
inicia el arco.
Los dispositivos soldadores de tungsteno-gas
inerte (tgi) tanto de CA como de CC se conocen
en general en la técnica. En tales dispositivos, se
proporciona una carcasa hueca con un eléctrodo
de tungsteno posicionado en él. Se expulsa un
gas inerte, tal como el argón, bajo presión del extremo frontal abierto de la carcasa. El gas inerte
rodea el eléctrodo de tungsteno ası́ como la zona
de metal que se ha de soldar.
También es conocido, respecto de la soldadura
con tgi que es necesario suministrar una elevada
tensión, del orden de 3.500 voltios más o menos
para descomponer el gas e iniciar el arco. Convencionalmente, se ha utilizado un oscilador de
chispa en la técnica anterior a este efecto. El oscilador de chispa generará una señal de salida de
relativamente alta frecuencia de 3.500 voltios que
puede utilizarse para ionizar el gas inerte y ası́
iniciar el arco.
Convencionalmente, en los sistemas de la
técnica anterior, se ha excitado el oscilador de
chispa con una tensión de red de 60 Hz a través
de un transformador elevador para generar una
señal de entrada de alta tensión de 60 Hz, del
orden de 3.500 voltios, que luego se utiliza para
accionar el oscilador de chispa. No obstante, se
utilizan también las mismas señales de 60 Hz para
proporcionar la tensión de salida y la corriente al
eléctrodo de tungsteno y a los elementos metálicos
que se suelden.
Como resultado, la entrada de alta tensión al
oscilador chispa puede estar en fase con la tensión
y corriente de salida del dispositivo soldador.
Además de utilizarse para iniciar el arco, en
los equipos de soldadura tgi de CA, la salida del
oscilador chispa es crı́tica para mantener el estado ionizado del gas inerte durante los intervalos de tiempo cuando la tensión de salida atraviesa el cero y cambia de polaridad. Sin la señal
de alta frecuencia procedente del oscilador chispa
durante estos perı́odos de transición, el arco se
extinguirá.
No obstante, la tensión de entrada de C.A.
ha de superar un umbral predeterminado antes
de que el oscilador chispa reciba una tensión lo
bastante elevada para dar como resultado la ruptura de los entrehierros para producir la oscilación
deseada. Existe por lo tanto una zona muerta
cuando la tensión de entrada de CA al oscilador
chispa es inferior a este umbral predeterminado.
Esta zona muerta se producirá durante los mismos intervalos de tiempo que la tensión de salida
también atraviesa el cero, siempre que la tensión
al oscilador chispa esté en fase con la tensión de
salida. Por lo tanto, el momento en que la tensión
de salida deberı́a de estar recibiendo la señal de
alta frecuencia procedente del oscilador chispa a
fin de mantener el gas inerte en su estado ioni2
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zado, es exactamente el momento en que el oscilador chispa dejará de funcionar.
Para evitar este problema, se conoce en general desplazar la fase entre la tensión de salida
de CA y la entrada de tensión CA al oscilador
chispa. Esta solución ha tenido cierto éxito. No
obstante, las máquinas de soldadura tgi más recientes con mandos de equilibrio de onda tienen
puntos variables en que la tensión de salida pasa
a través de cero debido al ajuste de la corriente
de salida y del equilibrio de onda.
En tales máquinas un circuito de desplazamiento de fase no resuelve el problema totalmente. Debido a la forma asimétrica de la onda
de salida puede no ser posible ajustar la fase de
la tensión de entrada al oscilador chispa de modo
que el oscilador funcione cada vez que se produzcan transiciones de salida. De ahı́, que los resultados de esta solución tienden a ser inadecuados.
Ası́, sigue habiendo una necesidad de poder
excitar el oscilador chispa a fin de minimizar o eliminar totalmente las zonas muertas en su salida.
Además, serı́a de desear poder no sólo incorporar
dichos circuitos excitadores en nuevas máquinas
sino también poder modificar las máquinas de
soldar tgi existentes a fin de eliminar esta zona
muerta.
La invención satisface la necesidad antes expuesta proporcionando un estabilizador de arco
de alta frecuencia de la construcción expuesta en
la reivindicación 1.
Preferentemente, el aparato incluye un oscilador de frecuencia relativamente elevada que no
está sincronizado con la tensión de corriente alterna utilizada para accionar el equipo soldador.
Este oscilador está acoplado a través de circuitos
intermedios a fin de formar dos trenes de impulsos, uno invertido respecto del otro. Los dos trenes de impulsos están acoplados a través de un
transformador elevador de alta tensión que genera una onda rectangular de elevada tensión a
los efectos de excitar el oscilador de chispa.
Las transiciones esencialmente instantáneas
de la onda rectangular de alta tensión utilizada para excitar el generador de distancia entre
eléctrodos dan como resultado una salida de alta
frecuencia esencialmente continua de dicho oscilador.
El oscilador no sincronizado puede implementarse con un disparador de Schmitt. La salida
del oscilador puede hacerse pasar a través de disparadores Schmitt primero y segundo estando invertida una de las salidas, para proporcionar dos
señales excitadoras, rectangulares y despasadas.
Las señales excitadoras pueden acoplarse cada
una a una entrada de puerta de un transistor de
efecto de campo MOS. Los transistores de efecto
de campo MOS pueden a su vez estar acoplados
al transformador elevador de alta tensión que a
su vez acciona el oscilador de chispa.
Además, de acuerdo con la invención puede
proporcionarse un método para estabilizar un
arco de soldadura tgi. El método puede incluir las
etapas de: generar una señal eléctrica no sincronizada repetitiva con al menos dos tensiones de valores diferentes produciéndose las transiciones de
una tensión a la otra tensión de forma sustancialmente instantánea; y acoplar esta señal eléctrica
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no sincronizada a un oscilador de chispa de alta
frecuencia que a su vez generará una señal de salida de alta tensión de alta frecuencia esencialmente continua factible para estabilizar el arco.
La invención también proporciona un sistema
para seleccionar las señales excitadoras desfasadas. Suprimiendo las señales excitadoras de impulsos iniciadores de potencia escogidos, la señal
estabilizadora de alta frecuencia y alta tensión
puede limitarse a unos pocos milisegundos durante los cuales la tensión de salida atraviesa el
cero voltios. Como resultado, el sistema de control del soldador está sujeto a un ruido eléctrico
sustancialmente menor.
Numerosas otras ventajas y caracterı́sticas de
la presente invención se harán manifiestas de la
siguiente descripción detallada de la invención y
de sus realizaciones de las reivindicaciones y de los
dibujos anexos en los que se describen los detalles
de la invención total y completamente como parte
de esta memoria.
La Figura 1 es un esquema de bloques de un
sistema estabilizador de arco sustancialmente conocido que puede utilizarse con un equipo de soldar tgi;
la Figura 2 es la gráfica de una entrada de alta
tensión sinusoidal al estabilizador de arco de la
Figura 1 y la gráfica de la salida de alta frecuencia
del oscilador de chispa que ilustra la presencia de
una zona muerta;
la Figura 3 es un diagrama de bloques de un
estabilizador de arco de acuerdo con la presente
invención;
la Figura 4 es un esquema electrónico detallado de un estabilizador de arco de acuerdo con
la presente invención;
la Figura 5 ilustra las tensiones accionadoras
del circuito de la Figura 4 en función de tiempo;
la Figura 6 es un esquema electrónico de un
circuito conmutador utilizable con el estabilizador
de arco de la Figura 4; y
la Figura 7 es un esquema de sincronización
que ilustra diferentes formas de onda halladas en
el circuito conmutador de la Figura 6.
Si bien esta invención es susceptible de realizarse en muchas formas diferentes, se ilustran en
los dibujos y se describirá aquı́ con detalle una
realización especı́fica en el bien entendido de que
la presente descripción ha de considerarse como
un ejemplo de los principios de la invención y no
está destinada a limitar la invención a la realización especı́fica ilustrada.
La Figura 1 ilustra un estabilizador 10 de arco
de alta frecuencia de la técnica anterior de un tipo
conocido en general. El estabilizador de arco 10
incluye un transformador elevador 12 que transforma una entrada de corriente alterna de 115
voltios y 60 Hz a una salida de 3.500 voltios y 60
Hz. El transformador elevador 12 de alta tensión
proporciona una entrada eléctrica a un oscilador
14 de chispa de tipo conocido. La salida de alta
frecuencia del oscilador 14 de chispa se acopla por
una bobina 16 de acoplamiento de alta frecuencia
a la salida 18 del soldador. El sistema 10 podrá
utilizarse con los soldadores de corriente alterna
o de corriente continua.
La Figura 2 ilustra una entrada de alta tensión
sinusoidal al oscilador 14 de chispa en función de
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tiempo y salida de alta frecuencia del oscilador
14 de chispa. Como puede verse de la Figura
2, existe una zona muerta cuando la tensión de
entrada cae por debajo de valores umbral predeterminables ET H , -ET H a medida que se acerca
periódicamente a cero voltios. Ello da como resultado una zona muerta en la salida de alta tensión
y alta frecuencia del oscilador 14 de chispa. Si
se proporciona una onda de entrada rectangular
al oscilador 14 de chispa, que tiene transiciones
esencialmente instantáneas entre niveles primero
y segundo de tensión, puede eliminarse esencialmente la zona muerta de la tensión de salida de
alta frecuencia. El diagrama de bloques de la Figura 3 representa un sistema 20 estabilizador de
arco que elimina la zona muerta en la salida de
alta frecuencia del oscilador 14 de chispa.
El sistema 20 se acciona, a efectos de ilustración, con 115 voltios corriente alterna, 60 Hz.
Se rectifican y se filtran la corriente alterna y
tensión de entrada en una fuente de energı́a 22.
La fuente de energı́a 22 acciona un oscilador astable 24.
El oscilador 24 puede realizarse de distintas
maneras. La realización exacta de este oscilador
no representa una limitación de la presente invención. La señal de salida del oscilador 24 puede
fijarse a una variedad de frecuencias. Una frecuencia que se ha encontrado útil es de 240 Hz. La
frecuencia de salida del oscilador 24 es ası́ncrona
respecto de la señal de entrada de 60 Hz.
Unos circuitos intermedios 26 generan una
señal rectangular afirmada y negada en lı́neas primera y segunda de salida 28 y 30, respectivamente. Las señales excitadoras de las lı́neas 28
y 30 proporcionan una tensión de entrada a las
puertas de los transistores conmutadores 32 y 34,
respectivamente. Preferentemente, los transistores conmutadores 32 y 34 serán transistores de
efecto de campo MOS de potencia que presenten
una impedancia elevada de entrada en cada entrada de puerta.
Los transistores de efecto de campo 32 y 34 excitan alternamente el transformador elevador 12.
La salida del transformador elevador 12, una onda
de alta tensión y alta frecuencia proporciona entonces una entrada al oscilador 14. El uso del
sistema 20 da como resultado el que el oscilador
14 genere una señal de salida de alta frecuencia y
de alta tensión esencialmente continua a la bobina
de acoplamiento 16.
La Figura 4 es un esquema electrónico del sistema 20. La fuente de energı́a 22 incluye un rectificador en puente 40 ası́ como un circuito 42 de
salida. El oscilador libre 24 puede realizarse con
un solo elemento 44 a partir de un disparador
exagonal de Schmitt con un bucle apropiado 46
de realimentación. En este caso, el bucle 46 de
realimentación es una resistencia de 33 K ohm.
La señal de salida de onda cuadrada de 240
Hz procedente del oscilador 24 proporciona una
entrada a los excitadores 50 y 52. Las redes 54 y
56 de resistencia-condensador acopladas a los disparadores 50 y 52 de Schmitt excitadores, respectivamente, serán explicadas a continuación. Se
invierte la salida del excitador 52 y un disparador
58 de Schmitt.
Las formas de onda rectangulares de las lı́neas
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28 y 30 están invertidas esencialmente una respecto de la otra. Las señales eléctricas en las
lı́neas 28 y 30 se acoplan a las entradas de puerta
de los transistores de efecto de campo MOS de
alta potencia 32 y 34, respectivamente. Los transistores 32 y 34 están acoplados a su vez al primario del transformador 12.
El sistema 20 puede instalarse en equipos de
soldadura tgi nuevos y también puede montarse
posteriormente en los equipos de soldadura tgi
existentes.
La función de las redes 54 y 46 de resistenciadiodo es asegurar que el transistor 32 esté totalmente apagado antes de conectar el transistor 34.
La Figura 5 ilustra los efectos de las redes 54 y
56. Como puede verse, la salida en la lı́nea 28
está ligeramente desfasada respecto de la salida
en la lı́nea 30. Las respectivas transiciones están
desfasadas aproximadamente en 20 microsegundos una respecto de otra. Ello asegura que ambos transistores se desconectan antes de que se
intente conectar cualquiera de ellos.
Si bien los circuitos de la Figura 4 son efectivos
para generar las señales estabilizadoras de arco de
alta frecuencia utilizables para arrancar un arco
de tgi de corriente continua y que se requieren
para el mantenimiento continuo del arco de tgi
de corriente alterna, las señales de salida de alta
tensión y alta frecuencia presentes continuamente
y procedentes del oscilador 14 de chispa pueden
perturbar los circuitos de control del sistema de
soldadura.
En las soldadoras que utilicen rectificadores
de silicio para conmutar la corriente de salida,
muy frecuentemente se utiliza una red de temporización que se activa con un detector de paso
por cero. El detector de paso por cero detecta
cuando la tensión secundaria del transformador
principal atraviesa el cero. Transcurrido un intervalo escogido de tiempo, un circuito temporizador entonces genera un impulso de salida que se
utiliza como impulso de entrada de puerta para el
rectificador de silicio apropiado. No obstante, si
el ruido de alta frecuencia generado por el generador 14 de chispa perturba este procedimiento,
pueden generarse impulsos incorrectos de puerta
que pueden provocar el disparo precoz de los rectificadores de silicio.
Serı́a de desear poder conmutar el sistema de
la Figura 4 de modo que las señales excitadoras
en las lı́neas 28 y 30, las entradas de puerta a los
transistores de efecto de campo 32 y 34 se hallen
presentes sólo para cortos perı́odos de tiempo
cuando la tensión de corriente alterna de salida
se acerca a un paso por cero. Un esquema para
un sistema 60 que proporciona una tal función de
conmutación se halla en la Figura 6.
La entrada al sistema 60 procede de un chip
temporizador LM 555 62 que se halla en el equipo
de soldadura tgi existente. El chip 62 genera
señales excitadoras de puerta de rectificador de
silicio en una lı́nea 64 a intervalos apropiados de
tiempo en respuesta a las señales de entrada en
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una lı́nea 66.
La señal descendente en la lı́nea 64 puede utilizarse para conectar un rectificador de silicio seleccionado. La salida del temporizador 62 por la
lı́nea 64 puede utilizarse como entrada a un disparador 66 de Schmitt. El disparador 66 de Schmitt
invierte la señal en la lı́nea 64 y genera una salida
en una lı́nea 68. La señal en sentido positivo por
la lı́nea 68 proporciona una excitación de entrada
a un disparador 70 de Schmitt a través de una
red 72 de resistencia-diodocondensador.
El efecto de la red 72 es estirar el impulso
de salida descendente del disparador Schmitt 70.
Este impulso aparece en una lı́nea 74. La salida de
señal descendente de la lı́nea 74 se acopla a través
de diodos a las lı́neas 50A y 58A de la Figura 4.
La tensión baja o de más en la lı́nea 74 permite
que los disparadores Schmitt 50 y 58 se conmuten y respondan a la señal de entrada de 240 Hz
procedente del oscilador 24. Entonces se dispone
de excitación para los transistores de efecto de
campo 32 y 34. Ello entonces da como resultado
el funcionamiento del oscilador 14 de chispa.
Una alta tensión en la lı́nea 74 inhibirá la conmutación de los disparadores Schmitt 50 y 58, inhibiendo ası́ la excitación de los transistores de
efecto de campo 32 y 34. Ello bloquea el funcionamiento del oscilador 14 de chispa.
La duración de la baja tensión presente en la
lı́nea 74 viene fijada por los valores de la red 72.
Los valores indicados producen una anchura de
impulso de 2 milisegundos en la lı́nea 74.
En la Figura 7, se ilustra la presencia de ruido
de alta frecuencia en la lı́nea 66 durante este intervalo de 2 milisegundos. Este intervalo se termina
antes de que las señales en la lı́nea 66 aumenten
de valor al punto en que pueden generarse falsos
impulsos de disparo de puerta de rectificador de
silicio.
Además de reducir en general el ruido en el
sistema de control, el sistema 60 limita la potencia necesaria para excitar el oscilador 14 de chispa
ya que sólo funciona durante aproximadamente 2
milisegundos durante un semi-perı́odo de 8 milisegundos de la tensión de salida de 60 Hz. Quedará
entendido que el uso de los disparadores Schmitt
66 y 70 se da únicamente a tı́tulo de ejemplo y
no representa una limitación de la presente invención. Unas formas alternativas de circuitos
de conmutación e inversión podrı́an utilizarse sin
separarse del espı́ritu y alcance de la presente invención.
De lo que antecede, se observará que pueden
realizarse numerosas variaciones y modificaciones
sin separarse del verdadero espı́ritu y alcance del
concepto nuevo de la invención. Debe quedar
entendido que no se contempla ni debe inferirse
ninguna limitación respecto del aparato especı́fico
ilustrado aquı́. Naturalmente, es la intención de
abarcar por las reivindicaciones anexas todas las
modificaciones que caigan dentro del alcance de
la invención.
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REIVINDICACIONES
1. Estabilizador (20) de arco de alta frecuencia para un soldador que tiene un oscilador (14)
de chispa de alta frecuencia, caracterizado por
medios adicionales (24) de oscilación que generan
una señal eléctrica no sincronizada repetitiva con
al menos dos valores de tensión diferentes, en el
que las transiciones de uno de estos valores de
tensión al otro valor de tensión se producen de
forma sustancialmente instantánea, y que incluye
medios (26, 28, 30) de salida que proporcionan
salidas primera y segunda del medio (24) de oscilación estando invertida la segunda salida respecto de la primera salida, existiendo medios (32,
34) de alta impedancia que acoplan las salidas
primera y segunda al oscilador (14) de chispa de
alta frecuencia de modo que se genera una señal
de salida de alta frecuencia esencialmente continua por el oscilador de chispa.
2. Estabilizador de arco de alta frecuencia
según la reivindicación 1, caracterizado porque
el medio adicional (24) de oscilación comprende
un oscilador de funcionamiento libre.
3. Estabilizador de arco de alta frecuencia
según la reivindicación 1 o la reivindicación 2,
caracterizado porque los medios (26, 28, 30) de
salida están adaptados para proporcionar salidas
eléctricas rectangulares.
4. Estabilizador de arco de alta frecuencia
según la reivindicación 3, caracterizado porque
los medios (26, 28, 30) de salida están adaptados
para generar ondas primera y segunda esencialmente cuadradas.
5. Estabilizador de arco de alta frecuencia
según la reivindicación 3 o la reivindicación 4,
caracterizado porque el medio adicional (24) de
oscilación comprende un oscilador de onda cuadrada de funcionamiento libre.
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según la reivindicación 5, caracterizado porque
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el medio adicional (24) de oscilación incluye un
disparador Schmitt (44).
7. Estabilizador de arco de alta frecuencia
según la reivindicación 5 o reivindicación 6, caracterizado por un medio intermedio (26) que
compensa una salida del oscilador (24) de onda
cuadrada a fin de formar las salidas eléctricas rectangulares primera y segunda.
8. Estabilizador de arco de alta frecuencia
según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las salidas eléctricas
primera y segunda tienen simultáneamente un valor igual escogido durante intervalos predeterminados de tiempo.
9. Estabilizador de arco de alta frecuencia
según la reivindicación 7, caracterizado porque el medio intermedio (26) incluye disparadores
Schmitt (50, 52).
10. Estabilizador de arco de alta frecuencia
según la reivindicación 7, caracterizado porque el medio intermedio (26) incluye disparadores
Schmitt (50, 52) cada uno dotado de una red de
entrada seleccionada (54, 56).
11. Estabilizador de arco de alta frecuencia
según la reivindicación 10, caracterizado porque las redes de entrada (54, 56) desplazan las
transiciones de salida en el tiempo de los disparadores Schmitt (50, 52) uno respecto del otro.
12. Estabilizador de arco de alta frecuencia
según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios de alta impedancia (32, 34) incluyen transistores de efecto
de campo.
13. Estabilizador de arco de alta frecuencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por medios selectores que
conmutan el medio acoplador (32, 34) en respuesta a una señal seleccionada aplicada a fin de
inhibir la operación del generador (14) de chispa
excepto durante intervalos de tiempo espaciados
seleccionados.
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