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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Regel-
Einrichtung zur Versorgung einer
Widerstandsschweißanlage mit elektrischer Energie.
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Solche eine Vorrichtung enthält einen Frequenzwandler,
welcher die Primärwicklung des Schweißtransformators mit
einer Ausgangsspannung mit einer Wellenform beliefert,
die durch eine Impulsfolge von gleichbleibender Amplitude
gekennzeichnet ist, sowie einen elektronischen Regler,
der dazu bestimmt ist, ein zu Amplitude und Frequenz des
Schweißstromes proportioniertes Rückkopplungssignal mit
seinen eigenen eingestellten Bezugsdaten zu vergleichen;
auf der Basis dieses Vergleichs wird der Wandler auf eine
solche Weise eingestellt, daß die der Primärwicklung
zugeführte Spannung des Transformators von einer solchen
Amplitude und Frequenz ist, daß der erforderliche
Schweißstrom erzeugt wird.
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Bei dieser Art von Widerstandsschweißanlagen,
insbesondere bei solchen, die zum Flachschweißen der Längskanten
von Metallboxen und ähnlichem verwendet werden, muß das
System, durch das elektrischer Strom an die Schweißrollen
geführt wird, in der Lage sein, Schweißverbindungen zu
erzeugen, die frei von Fehlern sind und Abmessungs- und
Qualitätseigenschaften aufweisen, die langzeitlich
gesehen konstant bleiben und den vorgegebenen
Spezifikationen entsprechen, so weit dies durchführbar ist.
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Der Stand der Technik umfaßt verschiedene
Stromversorgungseinrichtungen, dazu bestimmt, die vorgenannten
Zwecke zu erfüllen.
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Bei einer dieser Vorrichtungen wird Strom geliefert durch
die Ausnutzung von Wechselstrom mit einer Sinuswellenform
und in einem solchen Masse ansteigender Frequenz, daß
diese der erforderlichen Schweißgeschwindigkeit angepaßt
wird, wobei häufig rotierende oder statische
Frequenzwandler zu diesem Zweck verwendet werden.
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Ein erster Typ der Vorrichtung weist jedoch verschiedene
Nachteile auf, unter anderem den, daß eine reguläre
Stromübertragung fehlt und dazu noch die Verwendung
solcher Stromeigenschaften notwendig ist, wie zum Beispiel
die Arbeitsfrequenz, wodurch es nicht erlaubt wird, unter
einen gewissen Schwellwert zu gehen; dadurch wiederum
entsteht ein übermäßiges Erhitzen der Anlage und somit
natürlich ein hoher Energieverbrauch.
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Ein zweiter Typ der Vorrichtung, wie er in US-A-3 636 298
beschrieben wird, verwendet Wechselstrom nicht mit
Sinuswellen, sondern eine Rechteckwellenform. Bei dieser
Lösung wird eine Widerstandsschweißanlage verwendet, die
aus einem Spannungswandler, einer
Frequenzsteuereinrichtung, einem Spannungskomparator und einem festen
Rechteckwellenerzeuge besteht, so kombiniert, daß ein
Transformator gespeist wird, dessen Ausgang etwa einer
Rechteckwelle entspricht.
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Rechteckwellen bieten einen deutlichen Vorteil gegenüber
Sinuswellen, da Strom auf das Schweißmaterial in einer
gleichbleibenderen Form übertragen werden kann und
geringere Werte von Stromamplituden und Frequenzen
verwendet werden können, wobei eine rigorose Herabsetzung
der Neigung der Anlage zum überhitzen sowie des
Stromverbrauchs für den Schweißvorgang und zum Abkühlen der
Anlage erhalten wird.
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Dieser zweite Typ der Anlage erfordert jedoch einen
besonderen Platzbedarf und eine schwere Anlage, und direkt
verbunden mit diesem Nachteil ist das spezifische
Hindernis, daß zum Erhalten einer optimalen
Neigungssteuerung der Rechteckwellen des Schweißstroms die
Verwendung von zwei oder mehr Frequenzwandlern
erforderlich ist, deren Wechsel-Ausgangsspannungen in Phase
Integriert werden, so daß ein Rechteckwellenstrom
entsteht, der eine maximale Neigung aufweist, so wie in EP
Nr. 0064570 gezeigt wird.
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Wenn die Steigung ausreichend steil ist, erfolgt die
Umwandlung des Schweißstromes tatsächlich in einer zu
vernachlässigenden Zeitspanne, und es kann somit eine
geringere Arbeitsfrequenz angewandt werden.
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Ein deutlicher Fortschritt wurde erreicht mit einem
dritten Typ der Vorrichtung, welcher im wesentlichen aus
einem Wandler besteht, der an eine Energiequelle
angeschlossen ist, und der eine Impulsfolge am Ausgang
erzeugt, die eine konstante Amplitude aufweist und
abwechselnd in positive und negative Impulsgruppen
aufgeteilt ist. Der erzeugte Strom erreicht die erforderliche
Amplitude während einer jeden positiven oder negativen
Halbperiode und innerhalb kürzestmöglicher Zeit. Solch
eine Vorrichtung enthält einen elektronischen Regler,
welcher die Amplitude und die Frequenz des Schweißstroms
mit seinen eigenen voreingestellten Bezugswerten
vergleicht, und auf der Basis dieses Vergleichs den Wandler
auf solche Weise reguliert, daß die an den Transformator
gelieferte Spannung von einer Amplitude und einer
Frequenz ist, daß der vorgeschriebene Schweißstrom erzeugt
werden kann, wie in IT Nr. 1.171.9 beschrieben ist.
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Mit einer Vorrichtung von diesem Typ ist es notwendig,
mit der Sekundärwicklung des Transformators zu arbeiten,
und zwar mit einer ziemlich hohen Spannung, da der aus
dem Wandler austretende und im wesentlichen eine
Rechteckwellenform aufweisende Strom eine steile
Steigungseigenschaft zeigt. Dadurch ist es möglich, den größten
Teil der mit dem Flachschweißen zusammenhängenden
Probleme zu vermeiden, und mit dem Ausgang in
Rechteckwellenform reduziert ein Arbeiten mit einer niedrigeren
Frequenz die Neigung der Anlage zur Überhitzung.
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Trotzdem sind mit diesem dritten Typ einer vorgezogenen
Vorrichtung verbundene Nachteile vorhanden, von denen
einer von der Tatsache herrührt, daß mit einer hohen
Voltzahl gearbeitet werden muß, die durch die
Sekundärwicklung des Transformators geht. Dies erfordert das
Aufstellen von großen Transformatoren und dadurch auch
eine reichliche Bemessung des Wandlers, da der durch die
Primärwicklung laufende Strom eher stark ist.
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Ebenfalls sind in diesem Falle auch Grenzen bezüglich der
Schweißgeschwindigkeit vorhanden, da von einer gewissen
Geschwindigkeit aufwärts auch die Probleme der Fehler
wieder auftreten; damit ist gemeint, daß, auch wenn mit
einer hohen Voltzahl an der Sekundärwicklung des
Transformators gearbeitet wird, notwendigerweise die
Arbeitsfrequenz erhöht werden muß, wobei die daraus sich
ergebenden überhitzungsbezogenen Nachteile akzeptiert werden
müssen.
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Hauptzweck der vorliegenden Erfindung ist, die
beschriebenen Nachteile zu vermeiden, indem die mit den
Widerstandsschweißfehlern zusammenhängenden Probleme umfassend
gelöst werden und ein Arbeiten mit niederen Voltzahlen
vorgesehen ist, die durch die Sekundärwicklung des
Transformators gehen, so daß Wandler und Transformatoren in
Standardgrößen verwendet werden können.
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Die Vorteile, die sich aus der Einrichtung nach der
vorliegenden Erfindung ergeben, sind folgende:
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- Das Vermeiden der Überhitzungsprobleme, hervorgerufen
durch Foucault-Ströme, die somit auf ein Minimum
reduziert werden, das heißt auf 25-30% des Niveaus der
bisherigen Einrichtungen;
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- maximale Wirtschaftlichkeit in Bezug auf den
Energieverbrauch beim Schweißen und auch beim Kühlen, wobei der
einzige Verlust durch den Joule-Effekt und den
Schweißstrom entsteht;
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- verbesserte Schweißqualität, da der Strom an die
Schweißrollen gleichmäßiger und sanfter herangeführt
wird, wobei jede beliebige Schweißgeschwindigkeit
angewandt werden kann, da nicht mehr die Notwendigkeit
besteht, die Frequenz zu erhöhen, da die Arbeitsfrequenz
bereits ausreichend hoch ist und je nach Anforderung
verändert werden kann.
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Die beschriebene Einrichtung enthält einen einzigen
Wandlerblock, der im Ausgang eine Impulsfolge von
konstanter Amplitude erzeugt, von welcher die einzelnen
Impulse zwischen positiven und negativen wechseln. Der
Ausgangsstrom aus dem Wandler zeigt sich typischerweise
als eine periodische Welle mit einem mittleren Nullwert,
der sich in Übereinstimmung mit der Zeitkonstanten der
gesamten Einrichtung während der Dauer eines jeden
positiven oder negativen Impulses auflädt, und der sich dann
in Übereinstimmung mit der gleichen Zeitkonstante
zwischen dem Ende des einen Impulses und dem Anfang des
nächsten wieder entlädt.
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Der von der Sekundärwicklung des Transformators fließende
Strom wird durch einen Gleichrichterblock gerichtet,
und zwar auf solche Weise, daß ein Impulsstrom mit einem
positiven (oder negativen) Mittelwert entsteht, bei
welchem die Größenveränderung eher deutlich ist. Der
Reglerblock befindet sich in Aufnahme eines
Rückkopplungssignals, das von der Primär- oder der
Sekundärwicklung des Transformators entnommen wurde, und erlaubt die
Veränderung sei es der Frequenz wie auch der Amplitude
der Ausgangsspannung aus dem Wandler auf solche Weise,
daß an den Schweißrollen Strom erzeugt wird, der je nach
Frequenz- und Amplitudenschwingungen des Impulsstromes
verändert werden kann
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Mit einer so ausgelegten Einrichtung kann mit jeder
Geschwindigkeit gearbeitet werden, die durch die
Anforderungen gegeben ist, da die Schweißfrequenz hoch bleibt
und auf jeden Fall durch den Regler leicht eingestellt
werden kann. Eine hohe Frequenz wirkt sich nicht auf die
Schweißanlage
aus, was eine Überhitzung betrifft, denn
tatsächlich ist die Neigung zur Überhitzung auf ein
Minimum begrenzt. Bei bestimmten Anwendungen wird ein
optimales Schweißen durch die Größenveränderung des
Impulsstromes erhalten, und zwar zwischen den verfügbaren
maximalen und minimalen Gradzahlen höher oder niedriger
eingestellt.
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Mit einer Einrichtung nach der Erfindung kann man mit
niedrigen Spannungsstufen arbeiten, die an der
Sekundärwicklung verfügbar sind, wodurch Überhitzungsprobleme an
der Schweißanlage vermieden werden, sowie mit einer
hohen Frequenz, wodurch die Probleme der fehlerhaften
Schweißungen gelöst werden.
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Die Möglichkeit der Veränderung der Impulsamplituden des
an die Schweißrollen gelieferten Stromes, sowie die
Änderung deren Frequenz, wenn es geeignet erscheint, zeigt
offensichtlich, daß die Einrichtung voll wirksam und
fehlerlos arbeitend für jede beliebige
Widerstandsschweißarbeit eingesetzt werden kann.
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Die Erfindung wird nun im Detail durch ein Beispiel
beschrieben, und zwar unter Zuhilfenahme der beiliegenden
Zeichnungen, von denen
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- Abb. 1 ein Blockdiagramm der beschriebenen
elektronischen Einrichtung zeigt;
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- Abb. 2 zeigt ein Spannungs-Ausgangssignal aus dem
Wandler aus Abbildung 1;
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- Abb. 3 zeigt den Ausgangsstrom aus der
Sekundarwicklung des Transformators der Einrichtung;
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- Abb. 4 zeigt den Schweißstrom, wie er von der
Einrichtung geliefert wird.
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Unter Bezugnahme auf die bei liegenden Zeichnungen, und
auf die Abbildung 1 insbesondere, besteht die
beschriebene Einrichtung aus einem einzigen statischen
Frequenzwandler 7, welcher einen einzigen Gleichrichter-
und Stabilisierblock 1 enthält, in der Lage, eine
ununterbrochene Ausgangsspannung an den Eingang eines
volltransistorierten Frequenzwandlerblock 2 zu liefern, und
einen elektronischen Regler 3 in Aufnahme eines
Stromrückkopplungssignals von der Primär- 6 wie auch der
Sekundärwicklung 9 des Transformators 8. Der Regler ist
an Amplituden- und Frequenz-Bezugsquellen 4 und 5
angeschlossen, die in Abbildung 1 als Potentiometer
dargestellt werden.
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Die wesentliche und originelle Eigenschaft der
elektronischen Einrichtung ist, daß sie ebenfalls einen
zusätzlichen Gleichrichterblock 11 enthält, der an der
Sekundärwindung 9 des Transformators 8 und kaskadenartig
zu den Schweißrollen 10 angeordnet ist, und dessen
Aufgabe noch verdeutlicht wird.
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Der Wandlerblock 2 liefert eine Ausgangsspannung u (s.
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Abb. 2) an die Primärwicklung 6 des Transformators 8,
deren Impulsfolge eine konstante Amplitude aufweist. Die
Impulsdauer variiert automatisch je nach dem Widerstand
des zu schweißenden Materials, und zwar nicht sehr
stark, da die Einrichtung keine Eigenschaften für-den
Betrieb mit hohen Spannungsstufen von der Sekundärwicklung
des Transformators aufweist. Die einzelnen Impulse der
Ausgangsspannung u wechseln sich zwischen positiven und
negativen ab.
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Der Ausgangsstrom 11 aus dem Wandler 7, der in Bezug auf
die Wellenform proportional zu dem Strom 12 ist, welcher
durch die Sekundärwicklung 9 des Transformators und in
den Gleichrichterblock 11 geht, erscheint wie in
Abbildung 3 dargestellt. Ein Aufladen des Stromes 11 erfolgt
während der Dauer eines jeden positiven oder negativen
Impulses der Spannung u in Übereinstimmung mit der
Zeitkonstanten der Einrichtung, wogegen das Entladen während
der Zeitspanne erfolgt, die zwischen dem Ende eines
einzelnen Impulses und dem Anfang des nächsten liegt.
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Der zusätzliche Gleichrichterblock 11 richtet den durch
die Sekundärwicklung 9 des Transformators 8 gehenden
Strom 12 und erzeugt im Ausgang den Schweißstrom IR,
dessen Wellenform in Abbildung 4 dargestellt ist. Die
Wellenform des Schweißstroms IR kann somit als eine mit
einem mittleren Wert Im, positiv oder negativ, und
pulsierend
beschrieben und kann mit einem Wellenstrom
verglichen werden, dessen Größenveränderung ΔIR eher
deutlich ist. Wenn daher die Frequenz des Stromes 11 oder
12 f ist, dann ist die Frequenz des Schweißstromes IR
gleich 2f.
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Aufgrund verschiedener Versuche konnte festgestellt
werden, daß der Schweißstrom IR durch hohe
Arbeitsfrequenzen gekennzeichnet sein kann (500 bis 2000 Hz), ohne daß
die Anlage auch nur minimal überhitzt wird, und
tatsächlich werden die Aufheizwerte bei etwa 25-30% der
Aufheizwerte gehalten, denen man bei den herkömmlichen
Einrichtungen begegnet.
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Außerdem hat man festgestellt, daß die Eigenschaft des
ΔIR (der, wie bereits erwähnt, eher bedeutend sein
muß) zu einem besseren und wirksameren Schweißen
beiträgt.
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Um den optimalen Schweißstrom IR je nach dem zu schweißenden
Material und der Schweißgeschwindigkeit zu wählen,
ist die Verwendung der Potentiometer 4 und 5 vorgesehen,
um den Regler 3 auf Amplituden- und Frequenzwerte
einzustellen; kalkuliert für den richtigen Eingang in den
Wandlerblock 2 -viz, und unter Veränderung der Amplitude,
ist die Veränderung von ΔIR möglich, und unter
Veränderung der Frequenz kann die Frequenz des
Schweißstromes IR eingestellt werden. Solche Einstellungen
erfolgen auf der Basis eines Rückkopplungssignals, das an
den Regler 3 von der Primär- wie auch der
Sekundärwicklung des Transformators erfolgt. In letzterem Falle kann
der Startpunkt an der Eingangs- oder der Ausgangsseite
des Gleichrichterblocks 11 liegen.
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Für einen Fachmann ist es klar genug, daß für den Fall,
sollte der Schweißstrom nicht genau auf die gewählten
Amplituden- und Frequenzparameter ansprechen, der
elektronische Regler 3 fast unverzüglich die
Wiederherstellung vornimmt.
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So ausgelegt, erlaubt die Einrichtung ein Arbeiten mit
niedrigen Spannungsstufen über die Sekundärwicklung des
Transformators, da eine steile Stromsteigung bei jeder
Umwandlung beim Arbeiten mit einer hohen Frequenz nicht
erforderlich ist. Die mit dem fehlerhaften Schweißen
zusammenhängenden Probleme sind somit behoben. Es muß
schließlich noch darauf hingewiesen werden, daß bei
niedrigen Spannungsstufen durch die Sekundärwicklung die
Schweißanlage aus Transformatoren und Wandlern mit
Standardabmessungen bestehen kann.
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Natürlich können bei der Auslegung der Wandler 7 und der
Gleichrichterblöcke 11 verschiedene Schaltoptionen
berücksichtigt werden, die jedoch alle in den Bereich der
Erfindung fallen und zu den beschriebenen und nachstehend
beanspruchten Eigenschaften gehören.