DE10102605A1 - Schweißstromregelung - Google Patents
SchweißstromregelungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Widerstandsschweißen mit Wechselstrom, mit einem für den Betrieb bei Netzfrequenz, insbesondere bei 50 Hz oder 60 Hz, ausgelegten Schweißtransformator, an dessen Sekundärseite die mit Wechselstrom beaufschlagten Schweißelektroden angeschlossen sind und auf dessen Primärseite eine Regelanordnung mit elektronisch steuerbaren Schaltgliedern zwischen dem Schweißtransformator und dem Anschluß an das Stromnetz zur Regelung der an der Primärseite anliegenden Spannung angeordnet ist. DOLLAR A Herkömmliche Netztransformatoren werden üblicherweise an zwei Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossen und über Thyristoren geregelt. Diese Regelung ist wenig flexibel und weist einige Nachteile auf. DOLLAR A Um eine variable Regelung bei Verwendung herkömmlicher Netztransformatoren zu ermöglichen, wird eine Regelanordnung vorgeschlagen, die aus einer an alle drei Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossenen Gleichrichterschaltung und einem steuerbaren Wechselrichter besteht, wobei der Wechselrichter die gleichgerichtete Spannung in Spannungsimpulse wechselnder Polarität mit veränderbarer Frequenz und/oder Impulsweite umwandelt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Wider
standsschweißen mit wechselndem Schweißstrom.
Herkömmliche Wechselstrom-Schweißvorrichtungen umfassen einen für den
Betrieb bei Netzfrequenz, insbesondere bei 50 Hz oder 60 Hz ausgelegten
Schweißtransformator, an dessen Sekundärseite die mit Wechselstrom
beaufschlagten Schweißelektroden angeschlossen sind und auf dessen
Primärseite eine Regelanordnung mit elektronisch steuerbaren Schaltgliedern
zwischen dem Schweißtransformator und dem Anschluß an das Stromnetz
angeordnet ist. Die Regelanordnung dient der Regelung der an der Primär
seite anliegenden Spannung.
Insbesondere ist die vorliegende Erfindung für das Widerstandspunktschwei
ßen bestimmt, bei dem die Schweißelektroden mit einer gewissen Andrück
kraft auf beide Seiten der zu verschweißenden Gegenstände - meist Bleche -
gedrückt werden und zur Erzeugung eines Schweißpunktes mehrere Halb
wellen des Schweißstromes verwendet werden.
Die herkömmlichen Anordnungen zur Erzeugung des Schweißstroms bei
Wechselstrom-Widerstandsschweißvorrichtungen sind aus dem Stand der
Technik gut bekannt und beispielhaft in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen
dargestellt. Hier wird die Spannung zwischen zwei Anschlußklemmen L1
und L2 einem Schweißtransformator 1 zugeführt. Auf der Sekundärseite des
Schweißtransformators 1 sind die mit Wechselstrom beaufschlagten Schweiß
elektroden 2, 3 angeordnet. Auf der Primärseite des Schweißtransformators 1
sind zwei mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung parallel angeordnete
Thyristoren 4, 5 vorgesehen, welche die elektronisch steuerbaren Schaltglie
der bilden.
Die bekannte Anordnung hat den Vorteil, daß sie äußerst einfach und
kostengünstig realisiert werden kann. Die beiden Anschlußklemmen L1 und
L2 können an zwei Phasen oder an den Null-Leiter und eine Phase eines
üblichen Drehstromnetzes mit einer Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz
angeschlossen werden. Bis auf die beiden Thyristoren 4, 5 und den Schweiß
transformator 1 sind keine weiteren elektronischen Bauelemente zur Erzeu
gung des Schweißstroms erforderlich. Thyristoren 4, 5 und Netztransforma
toren, die auf 50 Hz oder 60 Hz ausgelegt sind, sind seit Jahrzehnten als
Standard-Bauelemente bekannt und äußerst robust und langlebig. Die in Fig.
1 dargestellte Anordnung zur Erzeugung eines Schweißstroms ist somit sehr
kostengünstig und betriebssicher.
Allerdings sind die Regelmöglichkeiten durch diese Vorrichtung äußerst
beschränkt. Die Thyristoren 4, 5 können in jeder Halbwelle des primärseiti
gen Stroms nur einmal eingeschaltet werden und schalten sich erst beim
Null-Durchgang des primärseitigen Stroms aus.
Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei verschiedene Regeleinstellungen der Thyristo
ren 4, 5. In Fig. 2 werden die jeweiligen Thyristoren 4, 5 erst relativ spät in
jeder Halbwelle gezündet, d. h. der Phasenanschnittswinkel α ist groß
gewählt. Hieraus ergibt sich, daß das Tastverhältnis, welches das Verhältnis
aus Einschaltdauer während einer Halbwelle und der Gesamtdauer der
Halbwelle definiert ist, recht klein ist. Der fließende primärseitige Strom
und dadurch der sich ergebende sekundärseitige Strom sind recht gering. Es
ist zu erkennen, daß der Schweißstrom in diskreten Impulsen verläuft. Eine
Punktschweißung, die mit mehreren dieser Schweißstromhalbwellen erzeugt
wird, wird mit einem pulsierenden Strom beaufschlagt, was zu schwanken
den Temperaturverläufen in der Schweißlinse führt.
In Fig. 3 wird ein kleiner Einschaltwinkel oder Phasenanschnittswinkel α
gewählt, d. h. die Einschaltdauer entspricht dem größten Teil der Halbwelle,
woraus sich ein großes Tastverhältnis und ein großer Schweißstrom ergibt.
Da Thyristoren erst beim Null-Durchgang des durch sie hindurch fließenden
Stroms gelöscht werden, ist nur ein Schaltvorgang pro Halbwelle möglich.
Ein mehrfaches Regeln, d. h. An- und Ausschalten, der Thyristoren 4, 5 in
einer Halbwelle ist nicht möglich. Dieser Nachteil kann allerdings durch die
Verwendung von GTOs (Gate-Turn-Off-Thyristoren) reduziert werden, die
auch ein mehrfaches Schalten in der Halbwelle ermöglichen. Grundsätzlich
muß die Regelung über Thyristoren jedoch zur Netzfrequenz synchronisiert
werden. Der Regelbeginn und damit der Schweißbeginn ist auf einen
bestimmten Punkt des Netzsignals festgelegt. Bis dieser Punkt erreicht ist,
kann eine Zeitdauer vergehen, die dem Kehrwert der Netzfrequenz ent
spricht. Bei Netzfrequenzen von 50 Hz oder 60 Hz liegt diese Zeitdauer
maximal bei 20 Millisekunden bzw. 16,6 Millisekunden. Bei Wider
stands-Schweißautomaten, die eine große Anzahl (z. B. 10 Schweißungen pro
Sekunde) erzeugen, können diese sich durch die Thyristor-Steuerung
ergebenden Verzögerungen erheblich sein.
Ein weiterer gravierender Nachteil der herkömmlichen, einphasigen
Schweißvorrichtungen ist, daß nur eine oder zwei Phase des Drehstromnet
zes belastet wird. Wenn ein hoher Schweißstrom und damit eine hohe
Schweißleistung erforderlich sind, kann die hieraus resultierende unsymme
trische Netzbelastung einen unzulässigen Wert erreichen. Die Leistung der
einfachen einphasigen Wechselstrom-Schweißmaschinen ist daher begrenzt.
Wenn größere Leistungen erforderlich sind, müssen recht aufwendige
Dreiphasen-Maschinen mit einem aufwendigen Dreiphasen-Transformator
verwendet werden. Der sich hieraus ergebende sekundärseitige Schweiß
strom muß mit Hochstromdioden gleichgerichtet werden, da die Impedanz
der Schweißanlage für den sich sekundärseitig ergebenden Wechselstrom zu
groß ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
Widerstandsschweißen mit wechselndem Schweißstrom eines für den Betrieb
bei Netzfrequenz ausgelegten Schweißtransformators, an dessen Sekundär
seite zwei Schweißelektroden angeschlossen sind, zu schaffen, welches eine
flexible und variable Regelung ermöglicht und auch bei einer hohen Leistung
nicht zu einer asymmetrischen Belastung des Drehstromnetzes führt.
Diese Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß die primärseitige Regelanordnung aus einer an alle drei Phasen
eines Drehstromnetzes angeschlossenen Gleichrichterschaltung und einem
steuerbaren Wechselrichter besteht, wobei der Wechselrichter die gleichge
richtete Spannung in Spannungsimpulse wechselnder Polarität mit veränder
barer Frequenz und/oder Impulsweite umwandelt.
Hieraus ergeben sich die erfinderischen Verfahrensmerkmale, daß die an
dem für die Netzfrequenz ausgelegten Schweißtransformator anliegende
primärseitige Spannung durch die genannte Gleichrichterschaltung gleichge
richtet und anschließend von einem steuerbaren Wechselrichter in Spannungsimpulse
wechselnder Polarität mit veränderbarer Frequenz und/oder
Impulsweite umgewandelt wird.
Grundsätzlich ist die primärseitige Schweißstromregelung durch Gleichrich
tung der Netzspannung eines Drehstromnetzes durch eine sogenannte
B-6-Schaltung, d. h. eine Brückenschaltung mit sechs Dioden, und anschlie
ßendes Zerhacken und Invertieren der resultierenden Gleichspannung durch
einen Wechselrichter bekannt. In Anlehnung an den englischen Sprachge
brauch wird ein Wechselrichter auch als Inverter bezeichnet. So zeigt
beispielsweise die Fig. 4 eine von der Anmelderin in der Vergangenheit
angebotene Gleichstrom-Widerstandsschweißvorrichtung. Es ist die B-6-
Brückenschaltung zu erkennen, an die sich ein Wechselrichter anschließt,
der aus vier elektronisch betätigbaren Schaltgliedern oder Schaltern 7
besteht, die jeweils parallel zu einer Freilaufdiode 8 geschaltet sind. Des
weiteren weist die Schaltung in bekannter Weise einen Glättungskondensator
9 auf.
Als Schalter 7 werden bei den Regelvorrichtungen der Anmelderin Transi
storen verwendet. Insbesondere wird die Verwendung sogenannter IGBTs
(Insolated Gate Bipolar Transistor) bevorzugt, bei denen die Feilaufdiode 8
mit dem als Schalter 7 wirkenden Transistor in ein Bauteil integriert sind. Je
nach Leistungsfähigkeit dieser Schalter 7 erzeugt der Wechselrichter oder
Inverter eine Folge von Rechteck-Impulsen mit alternierender Polarität im
Mittelfrequenzbereich (MF-Bereich) bei beispielsweise 1000 Hz oder im
Hochfrequenzbereich (HF-Bereich) bei beispielsweise 20.000 Hz. Diese
Spannung wird bei den bekannten Schweißvorrichtungen der Anmelderin an
die Primärseite eines für die entsprechende Frequenz ausgelegten
MF-Transformators oder HF-Transformators 10 angelegt. Die mittelfre
quente oder hochfrequente Transformatorspannung wird sekundärseitig
durch Hochstromdioden 11 gleichgerichtet und den Schweißelektroden 2, 3
zugeführt.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform des MF- oder
HF-Transformators 10 handelt es sich um einen Transformator mit Mitten
abgriff an der sekundärseitigen Spule. Es sind daher nur zwei Hochstromdi
oden 11 zur Gleichrichtung der von den beiden Endabgriffspunkten resultie
renden Spannung erforderlich. Alternativ kann bei Verwendung eines MF-
oder HF-Transformators 10 ohne Mittenabgriff eine B-2-Brückenschaltung
zur Gleichrichtung des Sekundärstroms verwendet werden. Hierdurch
verdoppelt sich jedoch die Zahl der erforderlichen Hochstromdioden 11.
Die Fig. 5 und 6 zeigen die Form der Regelung mit einer Anordnung aus der
Fig. 4. Bei einer konstanten Taktfrequenz des Wechselrichters wird das
Tastverhältnis, d. h. das Verhältnis der Einschaltdauer während eines
Spannungsimpulses zur gesamten Impulsdauer variiert. In Fig. 5 wird
sekundärseitig an den Schweißelektroden 2, 3 ein relativ kleiner Schweiß
strom erzeugt, indem primärseitig ein recht kleines Tastverhältnis gewählt
wird. Das heißt, daß die primärseitige Einschaltdauer des Wechselrichters
nur einen Bruchteil der gesamten Impulsdauer (Kehrwert der Taktungsfre
quenz des Wechselrichters) beträgt. In Fig. 6 wird dagegen ein hoher
sekundärseitiger Schweißstrom erzeugt, indem das Tastverhältnis möglichst
gleich 1 ist, d. h. während der gesamten Impulsdauer die Primärspannung
eingeschaltet ist.
Derartige Wechselrichter- oder Inverter-Schaltungen in Verbindung mit MF-
oder HF-Transformatoren haben den Vorteil, daß sie eine sehr genaue und
schnelle Regelung des Schweißstroms ermöglichen. Da die Schalter 7 des
Wechselrichters nahezu verzögerungsfrei elektronisch betätigt werden
können, können primärseitig beliebige Spannungsverläufe generiert und
damit sekundärseitig beliebige Stromverläufe erzeugt werden.
Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung liegt in dem aufwendigen Aufbau
des MF- oder HF-Transformators in Verbindung mit den sekundärseitigen
Hochstromdioden. Transformatoren zur Erzeugung hoher Schweißströme (in
der Größenordnung von mehreren 100 oder 1000 Ampere), die im Mittelfre
quenz- oder Hochfrequenzbereich arbeiten, sind zur Zeit weniger verbreitet
als herkömmliche Netzfrequenz-Transformatoren. Außerdem ist in der Regel
die sekundärseitige Impedanz einer Schweißanlage so hoch, daß ein wech
selnder Schweißstrom mit einer Frequenz im MF-Bereich (z. B. 1000 Hz)
oder im HF-Bereich (z. B. 20.000 Hz) nicht zulässig ist. Es müssen somit
Hochstromdioden 11 zur Gleichrichtung des Schweißstroms verwendet
werden, welche relativ teuer sind und aufgrund der erforderlichen Wasser
kühlung einen hohen Aufwand an Zusatzgeräten und Installationen erfor
dern.
Auch aus dem europäischen Patent EP 0 502 478 B1 und dem korrespondie
renden US-Patent 5,489,757 ist eine primärseitige Regelanordnung mit
Gleichrichter und Wechselrichter, hier Zerhacker oder Chopper genannt,
bekannt.
Dieser Wechselrichter erzeugt die Primärspannung eines speziellen Mittel
frequenz-Transformators zur Erzeugung aufeinanderfolgender Schweiß
punkte beim Rollenschweißen. Beim Rollenschweißen werden zu verschwei
ßende Bleche übereinandergelegt und mit rollenförmigen Elektroden zusam
mengedrückt. Diese Schweißrollen werden mit einem Wechselstrom mit
einer Schweißfrequenz in der Größenordnung von 250 Hz oder 500 Hz
beaufschlagt. Jede Halbwelle dieses Schweißstroms erzeugt in der Regel
einen Schweißpunkt entlang einer aus aufeinanderfolgenden Punkten beste
henden Rollen-Schweißnaht. Ein derartiger Transformator eignet sich in der
Regel nicht für übliche statische Widerstands-Schweißeinrichtungen, die
mehrere Halbwellen des Schweißstroms zur Erzeugung einer Schweißlinse
verwenden.
Gemäß der oben beschriebenen Erfindung wird nun durch Zufuhr der
Ausgangsspannung eines Wechselrichters zu der Primärseite eines üblichen,
für die Netzfrequenz ausgelegten Schweißtransformators eine Vorrichtung
geschaffen, die zum einen ein sehr schnelles und variables Regeln ermög
licht, zum anderen den konstruktiv einfachen und weit verbreiteten Netz
transformator zur Erzeugung des Schweißstroms einsetzt.
Diese Kombination der alten Technologie des Netztransformators mit der
modernen Regelungstechnik in Form eines Gleichrichters mit nachgeschal
tetem Wechselrichter scheint dem Fachmann zunächst unsinnig. Die Folge
rechteckiger Impulse, die der Wechselrichter mit Mittelfrequenz oder
Hochfrequenz erzeugt, eignet sich am besten zur Ansteuerung eines MF-
oder HF-Transformators. Auch scheint es unsinnig, einen für einen einfa
chen Netzanschluß ausgelegten Transformator mit einer komplexen Strom
richterschaltung zu speisen, die die Netzspannung erst gleichrichtet und
dann wieder zerhackt.
Verschiedene Kundenanfragen und die Erfahrung in dem betroffenen
Fachgebiet haben der Anmelderin aber gezeigt, daß zum eine Vorurteile
gegen die neue, vermeintlich aufwendige, teure und anfällige Technik des
Mittelfrequenz- oder Hochfrequenz-Gleichstromschweißens bestehen. Zum
anderen ist es oft aus Kostengründen nicht möglich, große Fertigungsstraßen
beispielsweise im Automobilbau kurzfristig und vollständig auf die Gleich
stromschweißtechnik umzurüsten. Wenn dennoch zumindest bestimmte
Schweißautomaten schnell und flexibel geregelt werden sollen, ergibt sich
die Notwendigkeit, die neue Inverter-Technik parallel zur alten Wechsel
stromschweißtechnik einzusetzen. Diese Erfahrungen führten die Anmelderin
zum Vorschlag, beide Techniken gemäß der Erfindung zu kombinieren.
Hieraus ergeben sich folgende Vorteile:
- - Durch den Einsatz weit verbreiteter und kostengünstiger Netztrans formatoren können erhebliche Kosten erspart werden.
- - Da sekundärseitig aufgrund der geringen Frequenz des Transforma tors keine Dioden erforderlich sind, lassen sich zum einen die hohen Kosten für die Hochstromdioden bekannter MF- oder HF-Gleichstrom- Schweißvorrichtungen sowie für die dazugehörige Peripherie (Kühlwasserzufuhr) sparen. Auch wird die Schweißvorrichtung durch das Fehlen der Dioden weniger störanfällig.
- - Vorhandene Wechselstrom-Schweißanlagen können nachgerüstet werden, indem lediglich das Leistungsteil ausgetauscht wird. Wenn nachfol gend die Umrüstung auf Gleichstrom-Schweißvorrichtungen erwünscht ist, können die bereits installierten Inverter verwendet werden. Es muß nur noch der Transformator gegen einen MF- oder HF-Transformator mit Gleichrich terdioden ausgetauscht werden.
- - Da der primärseitige Gleichrichter an alle drei Phasen eines Dreh stromnetzes angeschlossen ist, erfolgt grundsätzlich eine symmetrische Netzbelastung.
- - Der primärseitige Gleichrichter erzeugt - anders als ein direkt über Thyristoren an das Netz angeschlossener Transformator - keine induktive Netzbelastung, d. h. keinen Blindstrom.
- - Da die Leistung von den drei Phasen eines Drehstromnetzes abge griffen werden, kann der einzelne Anschluß geringer dimensioniert werden, wodurch sich der Installationsaufwand verringert.
- - Da der Wechselrichter als Regeleinrichtung mit Gleichstrom beaufschlagt wird, ist eine Synchronisierung mit der Netzfrequenz nicht erforderlich.
- - Da moderne Wechselrichter sowohl das Tastverhältnis als auch die Taktfrequenz in weiten Bereichen variieren können, ist eine sehr variable und schnelle Regelung möglich.
- - Gegenüber bekannten Schweißstromquellen mit Wechselrichtern, Mittelfrequenztransformatoren und sekundärseitigen Gleichrichterdioden besteht der Vorteil bei Verwendung eines herkömmlichen Wechselstrom transformators ohne Gleichrichtung, daß der Schutzleiteranschlusses am Mittelpunkt der sekundärseitigen Wicklung symmetrisch abgegriffen werden kann. Hierdurch werden unerwünschte Nebenschlußströme über den Schutz leiter verringert.
- - Anders als die herkömmliche Thyristorensteuerung ermöglicht die Regelung des Schweißstroms eines herkömmlichen Netztransformators durch einen Wechselrichter zur Erzeugung der primärseitigen Spannung einen lückenlosen Schweißstromverlauf.
Dabei ist zu beachten, daß übliche an die Netzspannung angeschlossene
Transformatoren nicht grundsätzlich für eine synchron zur Netzspannung
verlaufende Primärspannung ausgelegt sind. Beispielsweise können soge
nannte Frequenzwandler-Transformatoren auch für niedrigere Frequenzen
(im Bereich von 10 Hz) ausgelegt sein. Auch die Verwendung dieser
Transformatoren in erfinderischer Kombination mit einem primärseitigen
Gleichrichter und Wechselrichter weist die erfindungsgemäßen Vorteile auf.
Vorzugsweise bestehen gemäß dem Stand der Technik die Schalter des
Wechselrichters aus in Brückenschaltungen angeordneten Transistoren, zu
denen Freilaufdioden parallel geschaltet sind.
Zur Steuerung des Schweißstroms kann die Impulsdauer beliebig moduliert
werden. Eine Schweißstromsteuerung durch Impulsdauer-Modulation bei
fester Taktrate ist beispielsweise aus der oben genannten EP 0 502 478 B1
für eine Rollenschweißmaschine bekannt. Ähnlich wie dort beschrieben,
können auch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung
eines Netztransformators sehr verschiedene primärseitige Spannungen und
dadurch sehr verschiedene sekundärseitige Stromkurven erzeugt werden.
Zusätzlich zu der in der genannten europäischen Patentschrift beschriebenen
Steuerungsmöglichkeit besteht auch die Möglichkeit der Steuerung des
Schweißstroms durch Modulation der Impulsfrequenz. Dabei kann die
Impedanz des gemäß der Erfindung verwendeten Netztransformators und des
Aufbaus auf der Sekundärseite des Transformators berücksichtigt werden.
Durch Steigerung der primärseitigen Impulsfrequenz kann der sekundär
seiteige Schweißstrom abgesenkt werden. Umgekehrt kann durch Absenken
der Frequenz der Wechselimpulse des Wechselrichters der Schweißstrom
gesteigert werden.
Diese Frequenzregelung des Schweißstroms hat nach Kenntnis der Anmelde
rin kein Vorbild im Stand der Technik. Sie kann allein, das heißt ohne
Regelung weiterer Parameter des Wechselrichters, zur Erzeugung des
gewünschten Schweißstromverlaufs eingesetzt werden. Bei dieser verein
fachten Ausführungsform bleibt das Tastverhältnis, welches das Verhältnis
aus Einschaltdauer zur Gesamtdauer eines Impulses darstellt, konstant. In
einer Ausführungsform mit verbesserten Regelungsmöglichkeiten wird die
Frequenzmodulation mit der Impulsdauermodulation kombiniert. Die
Schweißstromregelung erfolgt somit sowohl durch Variation der Impulsfre
quenz als auch durch Variation des Tastverhältnisses, das heißt des Prozen
tualen Anteils der Einschaltzeit an der Gesamtzeit einer Schweißung.
Zur Erläuterung von Ausführungsformen der Erfindung zeigen:
Fig. 7 den apparativen Aufbau einer erfindungsgemäßen Schweißvorrich
tung,
Fig. 8 eine qualitative Darstellungen der primärseitigen Spannungsansteue
rung und des Schweißstromverlaufs bei einem erfindungsgemäßen
Schweistrom-Regelverfahren und
Fig. 9 eine qualitative Darstellungen der primärseitigen Spannungsansteue
rung und des Schweißstromverlaufs bei einem alternativen erfin
dungsgemäßen Schweistrom-Regelverfahren.
Die Fig. 7 zeigt den aparativen Aufbau einer erfindungsgemäßen Schweiß
vorrichtung. Dabei entspricht der primärseitige Aufbau des Gleichrichters
und des Wechselrichters der Ausführungsform aus Fig. 4. Der Schweißtrans
formator 1 ist ein zum Betrieb bei Netzfrequenz ausgelegter Einphasen-
Transformator. In Europa weisen die Stromnetze in der Regel eine Frequenz
von 50 Hz auf. Z. B. in den U.S.A. liegt die Netzfrequenz bei 60 Hz. Die
Elektroden 2 und 3 sind unmittelbar, d. h. ohne Diodengleichrichter an die
Sekundärseite des Transformators angeschlossen.
Der apparative Aufbau einer Regelvorrichtung für den Wechselrichter auf
der Primärseite des Schweißtransformators ist aus dem Stand der Technik,
z. B. den genannten einander entsprechenden Patenten EP 0 502 478 B1 und
US 5,489,757 bekannt und muß hier nicht erneut abgebildet werden. Über
einen induktiv mit dem Schweißstromkreis auf der Sekundärseite des
Schweißtransformators gekoppelten Messwertaufnehmer wird kontinuierlich
der Schweißwert erfaßt und mit einem vorgegebenen Sollwertverlauf
verglichen. Eine Regeleinrichtung, wie sie z. B. in den Fig. 1 der beiden
genannten Patente zu erkennen ist, wird nach einem vorgebbaren Regelpro
gramm der Wechselrichter geregelt. In den Fig. 2 der genannten Patente
sind die Gate-Treiber zu erkennen, welche den Schaltzustand der als Schal
ter wirkenden Transistoren einstellen.
Wie erwähnt, kann die primärseitig an dem Transformator 1 anliegende
Spannung durch Impulsweitenmodulation geregelt werden, wie es in den
Fig. 4, 5 und 6 der Zeichnungen zu den genannten Patente
EP 0 502 478 B1 und US 5,489,757 dargestellt und in Verbindung mit der
Regelung für einen Mittelfrequenztransformator für eine Rollenschweißma
schine beschrieben ist. Hier wird bei einer vorgegebenen festen Impulsdau
er der Mittelwert der primärseitigen Spannung durch das Tastverhältnis, das
heißt das Verhältnis der Einschaltdauer zu dieser festen Impulsdauer
geregelt. Bei einem Tastverhältnis von 1, das heißt, wenn die Einschaltdauer
gleich der Impulsdauer ist, wird bei der gewählten Polarität der maximale
Spannungswert oder Spannungsanstieg erzielt. Die Fig. 4 und 5 zeigen
zwei verschiedene Ansteuerungsvarianten für die Schalter des Wechselrich
ters. In Fig. 4 werden die Schalter derart betätigt, daß die primärseitige
Spannung ausschließlich zwischen ihrem positiven Maximalwert und ihrem
negativen Maximalwert umgeschaltet wird. Ein mittlerer Spannungswert von
Null stellt sich ein, wenn die positive Einschaltdauer, der negativen Ein
schaltdauer entspricht, d. h. wenn zwei aufeinanderfolgende Impulse mit
entgegengesetzter Polarität das gleiche Tastverhältnis aufweisen. In Fig. 5
wird die Primärspannung zur Erzeugung einer positiven Halbwelle zwischen
dem Nullwert (alle Schalter offen) und dem positiven Spannungswert des
Gleichrichters und zur Erzeugung einer negativen Halbwelle zwischen dem
Nullwert und dem negativen Spannungswert des Gleichrichters umgeschaltet.
Beide Regelvarianten können auch im vorliegenden Verfahren zur Regelung
eines Netztransformators eingesetzt werden. Dabei ist zu beachten, daß der
dargestellte rechteckige Spannungsverlauf, der durch die steuerbaren
Schaltglieder des Wechselrichters angesteuert wird, aufgrund der Impedanz
des Schweißtransformators nicht der tatsächlich an dem Schweißtransforma
tor anliegenden Spannung entsprechen kann.
Zusätzlich ist auch eine Regelung mit veränderlicher Frequenz der Span
nungsimpulse oder mit einer beliebig einstellbaren Impulslänge möglich.
Die Fig. 8 der beigefügten Zeichnungen zeigt die neuartige Möglichkeit der
Schweißstromregelung durch Modulation der Frequenz der durch den
Wechselrichter erzeugten Wechselspannung. Dabei zeigt die Linie 12 die
Rechteck-Ansteuerimpulse der durch den Wechselrichter auf der Primärseite
des Schweißtransformators erzeugten Spannung. Die Linie 13 zeigt den
Schweißstromverlauf und die Linie 14 den Effektivwert des Schweißstroms,
der den Mittelwert jeder Halbwelle des Schweißstroms 13 wiedergibt. Mit
konstantem Tastverhältnis (Verhältnis der Einschaltdauer zur Summe aus
Einschalt- und Ausschaltdauer eines Impulses) wird durch drei verschiedene
Impulsfrequenzen ein unterschiedlicher mittlerer Schweißstromwert erzeugt.
In der linken Bildhälfte wird durch die ersten vier Impulse mit niedgriger
Frequenz und sich daraus ergebender langer Impulsdauer ein hoher mittlerer
Schweißstromwert erzeugt. Bei der höheren Frequenz der folgenden vier
Impulse wird ein kleinerer Schweißstrom erzeugt, der durch weiteres
Anheben der Impulsfrequenz bei den letzten vier Impulsen weiter gesenkt
werden kann. Es ist zu erkennen, daß zwischen den einzelnen Halbwellen
des Schweißstroms kurze Abschnitte verbleiben, in den der Schweißstrom
den Wert Null hat. Dieser Lückenbetrieb mit pulsierendem Schweißstrom
kann bei einigen Schweißanwendungen vorteilhaft sein. In anderen Fällen
wiederum resultieren aus dem pulsierendem Schweißstrom und der hierdurch
schwankenden Energieeinbringung in die Schweißstelle Nachteile, so daß je
nach den Randbedingungen der jeweiligen Schweißung entweder ein lücken
hafter Schweißstrom oder ein Schweißstrom mit lückenlos aufeinander
folgenden Halbwellen wechselnder Polarität erzeugt werden kann.
Bei der Veränderung der Impulsfrequenz des Wechselrichters ist es nicht
erforderlich, das Tastverhältnis konstant zu halten. Es bieten sich auch
Regelverfahren an, bei denen die Einschaltdauer, die Ausschaltdauer sowie
die Polarität beliebig geregelt werden können. Die Darstellung eines
derartigen Regelverfahrens zeigt beispielsweise die Fig. 9. Hier ist eine
sogenannte Toleranzbandregelung gezeigt. Es ist ein Sollwertverlauf 15
vorgegeben sowie ein zulässiger Toleranzwert, um den der Istwert des
Stroms ohne Eingreifen der Regelung von dem Sollwert abweichen darf.
Hieraus ergibt sich ein Toleranzband mit einem oberen Grenzwertverlauf 16
und einem unteren Grenzwertverlauf 17. Erreicht der Schweißstrom 18 den
oberen Grenzwert 16, wird der Wechselrichter derart angesteuert, daß die
primäre Spannung 19 auf ihren negativen Wert wechselt. Erreicht der
Schweißstrom den unteren Grenzwert 17, wird die durch die Schalter des
Wechselrichters durchgelassene Spannung 19 auf ihren positiven Wert
geschaltet. Es ist zu erkennen, daß nach diesem Regelverfahren Span
nungsimpulse ohne vorgegebene Frequenz oder ohne vorgegebenes Tastver
hältnis entstehen. Wenn die Welligkeit der Toleranzbandregelung reduziert
werden soll, kann in einem Abschnitt des Sollwertverlauf, in dem keine
starke Änderung des Schweißstroms erforderlich ist, anstelle der Umschal
tung der Polarität auch ein Folge von Spannungsimpulsen gleicher Polarität
erzeugt werden, die von Spannungslücken (alle Schalter 7 des Wechselrich
ters aus Fig. 7 geöffnet) unterbrochen werden.
1
Schweißtransformator
2
Schweißelektrode
3
Schweißelektrode
4
Thyristor
5
Thyristor
6
Diode
7
Schaltglied, Schalter
8
Freilaufdiode
9
Glättungskondensator
10
MF- oder HF-Transformator
11
Hochstromdiode
12
primärseitige Spannungansteuerung
13
Schweißstromverlauf
14
Effektivwert des Schweißstroms
15
Sollwertkurve
16
Oberer Grenzwert
17
Unterer Grenzwert
18
Stromverlauf
19
primärseitiger Spannungstaktung
α Phasenanschnittswinkel
L1, L2, L3 Anschlußklemme
α Phasenanschnittswinkel
L1, L2, L3 Anschlußklemme
Claims (14)
1. Vorrichtung zum Widerstandsschweißen mit Wechselstrom, mit einem
für den Betrieb bei Netzfrequenz, insbesondere bei 50 Hz oder 60 Hz,
ausgelegten Schweißtransformator, an dessen Sekundärseite die mit Wech
selstrom beaufschlagten Schweißelektroden angeschlossen sind und auf
dessen Primärseite eine Regelanordnung mit elektronisch steuerbaren
Schaltgliedern zwischen dem Schweißtransformator und dem Anschluß an
das Stromnetz zur Regelung der an der Primärseite anliegenden Spannung
angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelanordnung aus einer
an alle drei Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossenen Gleichrichter
schaltung und einem steuerbaren Wechselrichter besteht, wobei der Wech
selrichter die gleichgerichtete Spannung in Spannungsimpulse wechselnder
Polarität mit veränderbarer Frequenz und/oder Impulsweite umwandelt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Wechselrichter eine Brückenschaltung mit Transistoren als Schaltglieder und
zu diesen parallelen Freilaufdioden enthält.
3. Verfahren zum Widerstandsschweißen mit wechselndem Schweiß
strom eines für den Betrieb bei Netzfrequenz, insbesondere bei 50 Hz oder
60 Hz, ausgelegten Schweißtransformators, an dessen Sekundärseite zwei
Schweißelektroden angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die
primärseitige Spannung von einer an alle drei Phasen eines Drehstromnetzes
angeschlossenen Gleichrichterschaltung gleichgerichtet wird und daß die
gleichgerichtete Spannung von einem steuerbaren Wechselrichter in Span
nungsimpulse wechselnder Polarität mit veränderbarer Frequenz und/oder
Impulsweite umgewandelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Steuerung des Schweißstroms die Impulsdauer moduliert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Steuerung des Schweißstroms die Impulsfrequenz moduliert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Senkung des sekundärseitigen Schweißstroms die Frequenz der Wechselim
pulse des Wechselrichters gesteigert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Steigerung des sekundärseitigen Schweißstroms die Frequenz der Wechse
limpulse des Wechselrichters gesenkt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das Tastverhältnis, welches das Verhältnis aus Einschaltdauer zur
Gesamtdauer eines Impulses darstellt, konstant gehalten wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schweißstrom durch einen Meßwertaufnehmer erfaßt wird und der
der Schaltzustand des Wechselrichters in Abhängigkeit von einem vorgege
benen Sollwertverlauf des Schweißstroms geändert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalt
zustand des Wechselrichters geändert wird, wenn die Abweichung des
gemessene Schweißstroms von dem vorgegebenen Sollwert größer ist als ein
vorbestimmter Toleranzwert.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim
Ändern des Schaltzustandes des Wechselrichters die Durchlassrichtung des
Wechselrichters geändert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeich
net, daß beim Ändern des Schaltzustandes der Wechselrichters vom Durch
laßzustand in den Sperrzustand geschaltet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeich
net, daß der Schweißstrom in lückenlos aufeinander folgenden Halbwellen
geregelt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeich
net, daß der Schweißstrom in aufeinander folgenden Halbwellen geregelt
wird, die durch Stromlücken voneinander getrennt sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2001102605 DE10102605A1 (de) | 2001-01-21 | 2001-01-21 | Schweißstromregelung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2001102605 DE10102605A1 (de) | 2001-01-21 | 2001-01-21 | Schweißstromregelung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10102605A1 true DE10102605A1 (de) | 2002-07-25 |
Family
ID=7671258
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2001102605 Withdrawn DE10102605A1 (de) | 2001-01-21 | 2001-01-21 | Schweißstromregelung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10102605A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2913208A1 (fr) * | 2007-03-01 | 2008-09-05 | Saitek Soc Par Actions Simplif | Procede de determination d'un courant de soudage delivre par une machine a souder par resistance, machine utilisant ce procede |
CN110315170A (zh) * | 2019-05-31 | 2019-10-11 | 广汽乘用车有限公司 | 一种用于焊装车间的中频交流焊接***及方法 |
CN111790974A (zh) * | 2019-04-04 | 2020-10-20 | 罗伯特·博世有限公司 | 焊接设备的焊接变压器用的整流器和用于制造这种整流器的方法 |
-
2001
- 2001-01-21 DE DE2001102605 patent/DE10102605A1/de not_active Withdrawn
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