DE102014003868A1 - Hochfrequenz-Oszillator, Hochfrequenz-Schweißanlage und Verfahren zur Frequenzregelung mit einem derartigen Hochfrequenz-Oszillator - Google Patents

Hochfrequenz-Oszillator, Hochfrequenz-Schweißanlage und Verfahren zur Frequenzregelung mit einem derartigen Hochfrequenz-Oszillator Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Oszillator (1) mit einem elektrischen Schwingkreis (2), eine Hochfrequenz-Schweißanlage sowie ein Verfahren zur Frequenzregelung mit einem Hoch-frequenz-Oszillator insbesondere in einer Hochfrequenz-Schweißanlage. Dabei weist der elektrische Schwingkreis (2) mindestens ein elektronisches Bauelement (3) mit einer Induktivität und mindestens einen Kondensator (4) mit einer Kapazität auf. Um eine schnelle und verschleißfreie Regelung der Frequenz des elektrischen Schwingkreises zu ermöglichen, ist dem elektronischen Bauelement (3) mindestens eine zusätzliche Magnetspule (6) zugeordnet, mit der die Induktivität des elektronischen Bauelements (3) elektronisch beeinflussbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Oszillator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Hochfrequenz-Schweißanlage für das Hochfrequenz-Schweißen von Kunststofffolien mit mindestens einem derartigen Hochfrequenz-Oszillator sowie ein Verfahren zur Frequenzregelung mit einem derartigen Hochfrequenz-Oszillator.
  • Zum Hochfrequenz-Schweißen von Kunststoffen, insbesondere von Kunststofffolien, werden üblicherweise Hochfrequenz-Schweißanlagen verwendet. Dabei werden die Kunststoffe zwischen Elektroden durchgeführt und über ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erwärmt. An ihren Kontaktstellen werden die Kunststofffolien so miteinander verschweißt. Dabei wird mittels Hochfrequenz-Oszillatoren eine möglichst stabile Arbeitsfrequenz eingestellt, die beispielsweise im Bereich zwischen 25 und 30 Megahertz liegt.
  • Die dafür verwendeten Hochfrequenz-Oszillatoren sind als sogenannte „Solid-State”-Generatoren aufgebaut, weisen also keine Senderöhren für die Frequenzumwandlung auf, sondern besitzen zur Umwandlung der Gleichleistung in eine Hochfrequenz-Wechselleistung entsprechende Halbleiterbauelemente. Diese Hochfrequenz-Oszillatoren arbeiten weitgehend verschleißfrei und sind relativ unempfindlich gegenüber mechanischer Belastung.
  • Allerdings weisen diese Hochfrequenz-Oszillatoren nur eine relativ geringe Frequenzstabilität, also eine geringe Kreisgüte, auf. Insbesondere bei einer Änderung der Last kann es dabei zu einer Verstimmung der Ausgangsfrequenz kommen. Dadurch verändert sich die Oszillatorfrequenz mehr als vom Gesetzgeber erlaubt. Dementsprechend ist eine Frequenzregelung des Hochfrequenz-Oszillators erforderlich.
  • Üblicherweise wird für diese Regelung die Induktivität des entsprechenden elektronischen Bau-elements des elektrischen Schwingkreises, das in der Regel mindestens durch eine Spule gebildet wird, mechanisch beeinflusst. Dabei wird beispielsweise ein ferromagnetischer Kern mehr oder weniger weit in die Spule bewegt oder das erzeugte magnetische Feld durch einen gut leitenden Kern beeinflusst. Durch eine entsprechende elektromotorisch betriebene Mechanik lässt sich so die Induktivität regeln und der Schwingkreis auch bei Änderungen der Last auf eine Soll-frequenz einstellen.
  • Bei schnellen Lastwechseln gelingt die Nachführung der Frequenz aber nicht ausreichend kurzfristig. Insbesondere können dabei Lastwechsel, die kürzer als 300 Millisekunden sind, nicht nachgeregelt werden, wobei die Regelung zusätzlich durch eine relativ hohe Überschwingneigung erschwert wird. Darüber hinaus unterliegt die erforderliche Mechanik einem Verschleiß.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen und insbesondere eine Möglichkeit anzugeben, mit der eine verschleißfreie Frequenzregelung möglich ist und die auch bei schnellen Lastwechseln eine hohe Regelgüte aufweist.
  • Bei einem Hochfrequenz-Oszillator mit einem elektrischen Schwingkreis, der mindestens ein elektronisches Bauelement mit einer Induktivität und mindestens einen Kondensator aufweist, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass dem elektronischen Bauelement mindestens eine Magnet-spule zugeordnet ist, mit der die Induktivität des elektronischen Bauelements elektronisch beeinflussbar ist.
  • Die Beeinflussung der Induktivität erfolgt also nicht durch mechanisches Bewegen eines ferromagnetischen Kerns oder durch ein Verdrängen des magnetischen Feldes, sondern durch elektronische Beeinflussung. Dabei wird mit mindestens einer Magnetspule ein magnetisches Feld erzeugt, so dass die Induktivität des elektronischen Bauelements beeinflusst wird. Damit ist eine sehr hohe Geschwindigkeit der Frequenznachführung auch bei schnellen Lastwechseln möglich, wobei die Beeinflussung der Induktivität ohne mechanische Verstellung erfolgt und damit keinen mechanischen Verschleiß unterliegt. Es erfolgt also eine magnetische Resonanzkreisabstimmung. Dabei ergibt sich eine sehr genaue Frequenzregelung ohne merkbare Überschwingneigung. Insgesamt ergibt sich damit eine hohe Regelgüte.
  • Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Magnetspule in einem Regelkreis zur Frequenzregelung des Hochfrequenz-Oszillators eingebunden ist. Insbesondere wird dabei die Magnetspule mit Gleichspannung betrieben. Durch entsprechende Stromversorgung der Magnetspule kann die Induktivität stufenlos eingestellt werden. Die maximale Induktivität des elektronischen Bauelements wird ausgenutzt, wenn die Magnetspule stromlos geschaltet wird. Für einen Betrieb des Hochfrequenz-Oszillators mit höchster Frequenz wird die Magnetspule dagegen mit maximalem Strom beaufschlagt und so die Induktivität minimiert. Über eine entsprechende Ansteuerung der Magnetspule lässt sich also die Frequenz des elektrischen Schwingkreises des Hochfrequenz-Oszillators feinfühlig regeln.
  • Dabei ist besonders bevorzugt, dass die Magnetspule aus einem Ring aus ferromagnetischem Material gewickelt ist. Der maximale Strom, der durch die Magnetspule geführt werden kann, hängt dann davon ab, warm der Ring aus ferromagnetischem Material seine Sättigung erreicht.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung weist das elektronische Bauelement mindestens ein Kupfer-rohr auf, das durch die Magnetspule geführt ist. Insbesondere sind dabei mehrere Kupferrohre vorgesehen, die durch eine oder mehrere Magnetspulen geführt sind. Damit sind auch höhere Leistungen regelbar. Durch die Ausbildung des elektronischen Bauelements mit einem oder mehreren Kupferrohren ergibt sich eine Hochfrequenz-Spule mit dementsprechender Güte. Damit lassen sich auch hohe Leistungen umsetzen.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Hochfrequenz-Oszillator als Hochfrequenz-Generator ausgebildet. Damit eignet es sich besonders zum Bereitstellen einer stabilen, hochfrequenten Wechselspannung, wie sie beispielsweise in Hochfrequenz-Schweißanlagen benötigt wird.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird durch eine Hochfrequenz-Schweißanlage für das Hoch-frequenz-Schweißen von Kunststoffen mit mindestens einem Hochfrequenz-Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 6 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Hochfrequenz-Oszillator in einem Hochfrequenz-Kreis und/oder einem Lastkreis der Hochfrequenz-Schweißanlage integriert ist. Vom Hochfrequenz-Kreis wird dabei eine hochfrequente Wechselspannung an den Lastkreis übergeben und dort an Elektrode und Gegenelektrode weitergeleitet. Mit dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Oszillator kann dann zum einen die Ausgangsfrequenz des Hoch-frequenz-Kreises sehr genau geregelt werden, aber auch die Resonanzfrequenz oder Impedanz im Lastkreis. Somit gelingt im Hochfrequenz-Kreis eine gute Frequenzstabilisierung, wobei der Hochfrequenz-Oszillator als Hochfrequenz-Generator arbeitet. Im Lastkreis kann eine gute Resonanzkreisnach-führung und/oder Leistungsregung sowie eine genaue Impedanzeinstellung erfolgen.
  • Vorzugsweise weist die Hochfrequenz-Schweißanlage eine übergeordnete Steuerung für eine Frequenzabstimmung im Hochfrequenz-Kreis und für eine Resonanzfrequenzabstimmung im Lastkreis auf. Damit ist eine hohe Regelgüte erreichbar. So lässt sich eine optimale Arbeitsfrequenz des Lastkreises einstellen, wobei dies gegebenenfalls sogar über einen automatischen Suchlauf erfolgen kann, bei dem durch entsprechende schrittweise Änderung der Induktivität des im Hochfrequenz-Kreis angeordneten Hochfrequenz-Oszillators mit verschiedenen Ausgangsfrequenzen gearbeitet wird, bis ein Optimum erreicht ist.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Frequenzregelung mit einem Hochfrequenz-Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere in einer Hochfrequenz-Schweißanlage nach einem der Ansprüche 7 oder 8 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Frequenz des Hochfrequenz-Oszillators durch elektronische Anpassung einer Induktivität verschleißfrei geregelt wird. Da keine beweglichen Teile erforderlich sind, um die Induktivität zu beeinflussen, tritt kein mechanischer Verschleiß auf. Ferner ist kein Überschwingen auf-grund der Massenträgheit von mechanischen Bauteilen zu befürchten. Somit ist eine sehr kurze Reaktionszeit von weniger als 5 Millisekunden erreichbar, also eine sehr schnelle Frequenzregelung.
  • Bevorzugt wird dabei die Induktivität durch Anlegen einer Gleichspannung an Magnet-spulen angepasst. Damit ist eine sehr schnelle, feinfühlige Beeinflussung der Induktivität und somit der Ausgangsfrequenz des Hochfrequenz-Oszillators möglich.
  • Vorzugsweise wird durch eine Anpassung der Induktivität eine Impedanz des elektrischen Schwingkreises eingestellt. Damit ergeben sich erweiterte Einsatzmöglichkeiten für den Hochfrequenz-Oszillator, beispielsweise im Lastkreis.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung wird die Induktivität in einem automatischen Suchlauf schrittweise oder kontinuierlich verändert, bis eine optimale Frequenz im Lastkreis erhalten wird. Somit kann die Hochfrequenz-Schweißanlage nach Durchlaufen des automatischen Suchlaufs mit der optimalen Arbeitsfrequenz im Lastkreis betrieben werden. Damit sind sehr gute Schweißergebnisse zuverlässig und reproduzierbar erreichbar
  • In einem nicht dargestellten Beispiel wird die elektronische Anpassung der Induktivität zur Abstimmung des Lastkreises von Verstärkern verwendet. Liefert ein Verstärker beispielsweise eine Ausgangsimpedanz von 50 Ohm steht dem ein reeller Widerstand im Lastkreis von 50 Ohm gegenüber. Die Abstimmung des Verstärkers mit dem Lastkreis erfolgt nach dem Stand der Technik mit einstellbaren Vakuumkondensatoren, die beispielsweise über Schrittmotoren verstellt werden. Anstelle der kapazitiven Abstimmung kann die Abstimmung erfindungsgemäß auch induktiv erfolgen.
  • Die Erfindung wird im Folgenden an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindungen mit den Zeichnungen näher beschrieben. Hierin zeigen:
  • 1 eine Prinzipdarstellung des Hochfrequenz-Oszillators und
  • 2 eine Prinzipdarstellung einer Hochfrequenz-Schweißanlage.
  • In 1 ist eine Prinzipdarstellung eines Hochfrequenz-Oszillators 1 dargestellt, der einen elektrischen Schwingkreis 2 umfasst. Im elektrischen Schwingkreis 2 ist als elektronisches Bau-element 3, das eine Induktivität L bereitstellt, eine Spule vorgesehen. Ferner umfasst der Schwingkreis einen Kondensator 4 mit einer Kapazität C. Es handelt sich also vom prinzipiellen Aufbau um einen üblichen LC-Schwingkreis. Bei diesem Beispiel ist das elektronische Bauelement 3 als Spule mit mindestens einem Kupferrohr ausgebildet. Es können aber auch mehrere Spulen sowie mehrere Kondensatoren vorgesehen sein.
  • Das elektronische Bauelement 3 ist durch einen Ring 5 aus einem ferromagnetischen Material geführt, um den eine Magnetspule 6 gewickelt ist. Die Magnetspule 6 ist in einem Regelkreis 8 eingebunden, der eine steuerbare Gleichstromquelle 7 aufweist.
  • Durch entsprechende Ansteuerung der Gleichstromquelle 7 wird über die Magnetspule 6 ein magnetisches Feld erzeugt, das das Feld des elektronischen Bauelements 3 überlagert und so die Induktivität des elektronischen Bauelements 3 beeinflusst. Wenn im Regelkreis 8 kein Strom fließt, erfolgt keine Beeinflussung durch die Magnetspule 6, so dass die Induktivität des elektro-nischen Bauelements 3 maximal ist. Die Frequenz des elektrischen Schwingkreises 2 ist damit minimal. Wenn der Regelkreis 8 derartig betrieben wird, dass der Ring aus ferromagnetischen Material in Sättigung gebracht wird, wird durch die Magnetspule 6 ein entsprechend starkes magnetisches Feld erzeugt und die Induktivität des elektronischen Bauelements 3 maximal verringert. Damit liegt eine Frequenz des elektrischen Schwingkreises 2 sehr hoch. Zwischen diesen beiden Extremen lässt sich durch entsprechende Ansteuerung der Gleichstromquelle 7 die Induktivität des elektronischen Bauelements 3 und damit die Schwingfrequenz des Schwingkreises 2 feinfühlig und sehr schnell steuern.
  • In 2 ist eine schematische Darstellung einer Hochfrequenz-Schweißanlage 9 für das Hoch-frequenz-Schweißen von Kunststofffolien gezeigt, wobei mit einem ersten erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Oszillator in einem Hochfrequenz-Generator 20 eine hochfrequente Ausgangs-schwingung in einem Hochfrequenz-Kreis 21 bereitgestellt wird und über eine Koax-Verbindung 10 an einen Lastkreis 11 übertragen wird.
  • Im Lastkreis 11 befindet sich ein magnetischer Resonanzkreis 12, über den eine Elektrode 13 und eine Gegenelektrode 14 mit entsprechender hochfrequenter Spannung versorgt werden. Zwischen Elektrode 13 und Gegenelektrode 14 wird das zu verschweißende Material durchgeführt. Dabei ist eine Abstimmung auf die anhängige Last erforderlich, die beispielsweise durch die Dicke des zu verschweißenden Materials beeinflusst wird. Dafür ist in 12 ein zweiter erfindungsgemäßer magnetisch verstimmbarer Resonanzkreis vorgesehen, der eine elektronische Beeinflussung seiner Induktivität wie der Hochfrequenz-Oszillator umfasst.
  • Zur Frequenzabstimmung im Hochfrequenz-Kreis 21 mittels des ersten erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Oszillators und für die Einstellung einer Resonanzfrequenz im Lastkreis 11 mittels des zweiten magnetischen Resonanzkreises ist eine übergeordnete Steuerung 15 vorgesehen. Steuer-signale der übergeordneten Steuerung werden über entsprechende Treiberelemente 16, 17 und Verstärker 18, 19 an den Regelkreis 8 zur Frequenzregelung des ersten Hochfrequenz-Oszillators im Hochfrequenz-Kreis 21 beziehungsweise zu einem entsprechenden Regelkreis 22 des im Lastkreis 11 angeordneten zweiten magnetischen Resonanzkreises übertragen. Dadurch ist eine vollständige Regelung der Hochfrequenz-Schweißanlage möglich, wobei eine optimale Arbeitspunktanpassung erfolgt.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erfolgt auch bei schnellen Lastwechseln eine gute Frequenznachführung im Hochfrequenz-Oszillator. Diese unterliegt dabei keinem mechanischen Verschleiß und besitzt keine Überschwingneigung, da keine mechanisch bewegbaren Bauteile vorhanden sind. Vielmehr wird die Frequenz des Schwingkreises des Oszillators durch entsprechende Beeinflussung dessen Induktivität rein elektronisch verändert. Dies erfolgt dabei durch Anlegen einer Gleichspannung an zumindest eine zusätzliche Magnetspule, die die Induktivität des im Schwingkreis vorhandenen elektronischen Bauelements entsprechend beeinflusst.
  • In Abhängigkeit von der Ansteuerung der zusätzlichen Magnetspule ändern sich also die Induktivität und damit auch die Frequenz im Schwingkreis. In gleicher Weise lässt sich der erfindungs-gemäße Hochfrequenz-Oszillator dabei zur Impedanzregelung bzw. Regelung der Resonanzfrequenz im Lastkreis einer Hochfrequenz-Schweißanlage nutzen. Auch dort ist eine sehr hohe Regelgüte und hohe Regelgeschwindigkeit erreichbar. Ein möglicherweise höherer Stromverbrauch kann zu einer erhöhten Temperaturentwicklung führen, die durch eine zusätzliche Kühlung beispielsweise mit Luft oder Wasser aufgefangen werden kann. Insgesamt ergeben sich so eine sehr hohe Frequenzstabilisierung und eine gute Abstimmung des Lastkreises, wobei auch ein automatischer Suchlauf nach der optimalen Arbeitsfrequenz des Lastkreises erfolgen kann. Dabei erfolgt die Nachführung der Resonanzkreisfrequenz verschleißfrei und auf elektronischen Weg. Ebenfalls kann auch die Impedanzeinstellung elektronisch erfolgen. Dabei wird die jeweilige Frequenz des Oszillators durch Magnetspulen elektronisch verstellt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. So können beispielsweise mehrere Magnetspulen mit jeweils einem Ring aus ferromagnetischem Material verwendet werden. Auch ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Oszillators nicht nur als Hochfrequenz-Generator zur Erzeugung hochfrequenter Spannungen beziehungsweise Ströme möglich, sondern beispielsweise auch für feinfühlige Hochpass- oder Tiefpassfilter.

Claims (13)

  1. Hochfrequenz-Oszillator (1) mit einem elektrischen Schwingkreis (2), der mindestens ein elektronisches Bauelement (3) mit einer Induktivität und mindestens einen Kondensator (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem elektronischen Bauelement (3) mindestens eine Magnetspule (6) zugeordnet ist, mit der die Induktivität des elektronischen Bauelements (3) elektronisch beeinflussbar ist.
  2. Hochfrequenz-Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (6) in einen Regelkreis (8) zur Frequenzregelung des Hochfrequenz-Oszillators (1) eingebunden ist.
  3. Hochfrequenz-Oszillator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (6) mit Gleichspannung betreibbar ist.
  4. Hochfrequenz-Oszillator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (6) auf einen Ring (5) aus ferromagnetischen Material gewickelt ist.
  5. Hochfrequenz-Oszillator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauelement (3) mindestens ein Kupferrohr aufweist, das durch die Magnetspule (6) geführt ist.
  6. Hochfrequenz-Oszillator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als Hochfrequenz-Generator oder als Hochfrequenz-Filter ausgebildet ist.
  7. Hochfrequenz-Schweißanlage für das Hochfrequenzschweißen von Kunststoffen mit mindestens einem Hochfrequenz-Oszillator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Oszillator (1) in einem Hochfrequenzkreis (21) und/oder einem Lastkreis (11) der Hochfrequenz-Schweißanlage (9) integriert ist.
  8. Hochfrequenz-Schweißanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine übergeordnete Steuerung (15) für eine Frequenzabstimmung im Hochfrequenzkreis (21) und/oder für eine Resonanzfrequenzabstimmung im Lastkreis (11) aufweist.
  9. Verfahren zur Frequenzregelung mit einem Hochfrequenz-Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere in einer Hochfrequenz-Schweißanlage nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz des Hochfrequenz-Oszillators (1) durch elektronische Anpassung einer Induktivität seines elektrischen Schwingkreises (2) verschleißfrei geregelt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität durch Anlegen einer Gleichspannung an mindestens eine Magnetspule (5) angepasst wird, die dem die Induktivität bereit stellendem elektronischen Bauelement (3) eines elektrischen Schwingkreises (2) zugeordnet ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Anpassung der Induktivität eine Impedanz des elektrischen Schwingkreises (2) eingestellt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einem automatischen Suchlauf die Induktivität schrittweise oder kontinuierlich verändert wird, bis eine optimale Frequenz in einem Lastkreis (11) einer Hochfrequenz-Schweißanlage erhalten wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Resonanzkreisabstimmung bei Hochfrequenz-Schweißanlagen mit Hochfrequenz-Oszillatoren und/oder bei Hochfrequenz-Schweißanlagen mit Solid-State-Verstärkern im Lastkreis als Resonanz- oder Impedanzanpassung genutzt wird.
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