DE4025637C2 - Ultraschallstromversorgung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgung zum Betreiben ei­ nes piezoelektrischen Wandlers.

Eine solche Stromversorgung ist aus der US 42 75 363 bekannt, auf die weiter unten näher eingegangen wird.

Zum Betreiben eines elektroakustischen Wandlers mit dessen Parallel- oder Ultraschallresonanzfrequenz, bei der es sich üblicherweise um eine vorbestimmte Frequenz in dem Bereich zwischen 18 kHz und 60 kHz handelt, wird eine besondere elek­ tronische Stromversorgung benötigt. Die Stromversorgung eines piezoelektrischen Wandlers, der mit einem Schweißhorn verse­ hen ist, muß in der Lage sein, diesen mit dessen Parallelre­ sonanzfrequenz zu speisen. Eine solche Kombination aus Wand­ ler und Schweißhorn wird meistens zum Schweißen von ther­ moplastischen Teilen benutzt, bei dem eine Leistung von meh­ reren hundert Watt bis zu einigen Kilowatt für Zeitintervalle benötigt wird, die von mehreren Millisekunden bis zu einigen Sekunden reicht.

Die o. g. US 42 75 363 zeigt einen piezoelektrischen Wandler zum Ultraschall-Schweißen. Ein Detektorkreis startet bei dem Anlauf eines Frequenzsuchers und stellt einen Oszillator auf eine Anfangs-Resonanzfrequenz ein. Die Stromversorgung ent­ hält auch einen Phasenregelkreis, der die Frequenz bei Drift der Resonanzfrequenz nachstellt. Der Phasenkompensator des Phasenregelkreises vergleicht dabei die Phasenlagen von Ver­ stärker-Ausgangsspannung und Geschwindigkeit des Wandlers.

Ferner ist eine solche Stromversorgung aus der US 29 17 691 bekannt. Es handelt sich um die Stromversorgung eines magne­ tostriktiven Hochfrequenzwandlers. Zur Frequenznachführung ist ein Phasenregelkreis vorgesehen, der den Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung auf Null ausregelt. Es wird aus­ drücklich darauf hingewiesen, daß ein Abweichen von der Reso­ nanzfrequenz auch eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung bewirkt (also reine Wirkleistung nur im Resonanz­ fall).

Eine weitere bekannte Stromversorgung dieses Typs ist in der US 34 32 691 gezeigt.

Die DE 27 26 249 A1 zeigt ebenfalls einen piezoelektrischen Wandler zum Ultraschall-Schweißen. Auch dort sorgt ein Pha­ senregelkreis für die Nachführung der Frequenz bei Drift der Resonanzfrequenz. Ein Phasenvergleicher vergleicht das Aus­ gangssignal eines Transformators mit dem Signal des Oszilla­ tors.

Die US 42 77 710 zeigt einen Piezowandler, dessen Stromver­ sorgung einen Pulswechselrichter enthält, somit pulsweitenmo­ duliert wird. Einen gleichartigen Stand der Technik zeigt JP 1-209 965 (Abstr.), Pat. Abst. of Japan, E 848, Bd. 13/Nr. 518, 1989.

Schließlich ist in Tietze, Schenk: "Halbleiter- Schaltungstechnik" Springer-Verlag 1978, 4. Aufl., S. 683-691 in Kap. 26.4 die Funktion von Phasenreglern (PLL) beschrie­ ben. Ferner ist in Kap. 26.4.2 ein Synchrongleichrichter als ein in Phasenreglern eingesetzter Phasenvergleicher beschrie­ ben. Er multipliziert das Regelsignal mit dem Referenzsignal, um ein für die Phasenverschiebung charakteristisches Aus­ gangssignal zu halten. Der Arbeitspunkt ϕ = 0 (Ausgangssignal entspricht der Wirkkomponente) wird dabei als nicht verwend­ bar, der Arbeitspunkt ϕ = 90° (charakteristisches Ausgangs­ signal gleich Blindkomponente) als geeignet bezeichnet.

Die Stromversorgung, die im folgenden beschrieben ist, bein­ haltet Verbesserungen und neue Merkmale, die die bekannte Stromversorgungen nicht aufweisen, wobei diese Merkmale wegen der Forderung notwendig sind, daß eine Ultraschallschweißvor­ richtung durch Computersteuerung mit hoher Geschwindigkeit und unter Bedingungen hoher Präzision und Wiederholbarkeit bei sich verändernden Werkstücken und Produktionsläufen be­ treibbar sein soll.

Es ist also Aufgabe der Erfindung, eine Stromversorgung der eingangs genannten Art als eine wenig kostende, ein geringes Gewicht aufweisende und sehr schnell ansprechende Schaltung auszubilden, die überdies gestattet, die Schwingungsamplitude während des Schweißvorganges einzustellen, statt diese auf einem voreingestellten Wert zu halten.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Stromversorgung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Erfindung schafft eine Stromversorgung zum Betreiben ei­ nes piezoelektrischen Wandlers, der mit einem Schweißhorn versehen ist, mit dessen Parallelresonanzfrequenz von übli­ cherweise 20 kHz, wobei die Amplitude der mechanischen Schwingungen, die an der Ausgangsfläche des Schweißhorns er­ zeugt werden, eingestellt und auf dem eingestellten Wert kon­ stantgehalten werden kann, wobei die Startsequenz, in welcher der Wandler mit dem Schweißhorn aus dem Stillstand auf seine volle Schwingungsamplitude gebracht wird, schnell und stufen­ los ausgeführt wird, wobei die Resonanzfrequenz der Kombina­ tion aus Wandler und Schweißhorn verfolgt und als Steuersi­ gnal zum Einstellen der Frequenz der Stromversorgung benutzt wird, wobei der Stromfluß in den und aus dem Wandler auf vor­ eingestellte Werte begrenzt wird, und schließlich mit Ein­ richtungen, die höhere Betriebsgeschwindigkeiten (Zahl von Schweißzyklen) zulassen, als es bei den bekannten Vorrichtun­ gen möglich ist.

Piezoelektrische Wandler für Leistungszwecke werden normaler­ weise in ihrer Parallelresonanzbetriebsart betrieben. Durch die Verwendung einer Kompensationsdrossel wird sich die Stromversorgung wie eine Spannungsquelle verhalten. Bei ge­ eigneter Abstimmung ist dann die Amplitude der mechanischen Schwingungen, die an der Wandlerausgangsfläche auftreten, proportional zu der Treiberspannung (Bewegungsspannung), und der Wert des Stroms ist proportional zu der Leistung, die durch das Werkstück verlangt wird. Auf diese Weise kann die Schwingungsamplitude leichter geregelt oder eingestellt wer­ den, und zwar trotz großer Veränderungen in den verlangten Leistungen.

Bei den meisten bekannten Stromversorgungen wird eine zwei­ teilige Schaltung benutzt, um die Schwingungsamplitudenein­ stellung vorzunehmen. (Das hat nichts mit der Verwendung von mechanischen Zusatzschweißhörnern oder von Hörnern mit unter­ schiedlicher mechanischer Verstärkung zu tun, die mit dem Wandler zur Amplitudeneinstellung gekoppelt sind.) Die Haupt­ komponente der Stromversorgung ist ein Wechselrichter, in dem elektrische Schaltvorrichtungen benutzt werden, um eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln, deren Frequenz durch die mechanische Resonanz des Wandlers diktiert wird. Die Amplitude der Wechselspannung wird durch den Wert der Gleichspannung geregelt, welche den Schaltvorrichtungen geliefert wird, und daher ist die Amplitude der Schwingung eine Funktion der Gleichspannungsamplitude. Zum Ändern der Schwingungsamplitude muß der Wert der Gleichspannung geändert werden. Die Gleichspannung wird durch Gleichrichten und Fil­ tern der Netzwechselspannung gewonnen. Um die Wechselspannung veränderlich zu machen, ist entweder ein variabler Spartrans­ formator oder ein Schaltregler benutzt worden. Diese Technik ist ineffizient und teuer, da die Leistung zweimal verarbei­ tet wird und das Ansprechen auf eine Änderung in der Amplitu­ deneinstellung langsam erfolgt.

Im Gegensatz dazu werden bei der Stromversorgung nach der Er­ findung eine Gleichstromversorgung benutzt, die eine Spannung konstanter Amplitude liefert, und ein Wechselrichter, der mit Impulsweitenmodulation arbeitet, um eine Wechselspannung ge­ eigneter Frequenz zum Betreiben des Wandlers zu liefern. Die Netzwechselspannung wird gleichgerichtet, gefiltert und auf einem festen Wert gehalten. Der Wechselrichter erzeugt dann die Betriebsspannung. Die Betriebsspannung wird elektronisch geregelt, indem dieselben Schaltvorrichtungen des Wechsel­ richters benutzt werden. Das Ergebnis ist eine wenig kosten­ de, ein geringes Gewicht aufweisende und sehr schnell anspre­ chende Stromversorgung, die überdies gestattet, die Schwin­ gungsamplitude während des Schweißvorganges einzustellen, statt diese auf einem voreingestellten Wert zu halten.

Durch Verwendung der Impulsweitenmodulation in dem Gleich­ strom in Wechselstrom umwandelnden Wechselrichter kann die Schwingungsamplitude des Wandlers und des Horns leicht elek­ tronisch gesteuert werden. Eine bei der Kompensation verwen­ dete Rückführungsschaltung wird außerdem in der Ausgangsstufe der Stromversorgung benutzt. Diese Schaltung liefert ein Si­ gnal, das einer Bewegungsspannung oder Bewegungsamplitude entspricht, die an einer Wandlerausgangsfläche vorhanden ist. Das Signal wird elektronisch verarbeitet und zur Impulswei­ tenmodulationsschaltung rückgekoppelt. Diese Technik gestat­ tet, die Schwingungsamplitude in bezug auf Netzspannungsände­ rungen und Laständerungen zu regeln. Daher kann ein Steuersi­ gnal benutzt werden, um die Schwingunsgamplitude des Wandlers einzustellen oder zu verändern, und zwar mit wenig oder ohne Beeinflussung durch Netzspannungs- oder Belastungsschwankun­ gen. Das schnelle Ansprechen gestattet die Steuerung der Am­ plitude von Schwingungen während des Schweißvorgangs.

Die Impulsweitenmodulationstechnik, die oben beschrieben ist, wird auch benutzt, um die Schwingungen des Wandlers aus dem Ruhezustand heraus zu starten. Eine Sägezahnspannung wird be­ nutzt, um die Bewegungsspannung auf lineare Weise von null bis auf einen geregelten Wert zu erhöhen. Das ist eine Ver­ besserung gegenüber einer schrittweisen Startmethode, die ge­ mäß der US 34 69 211 angewandt wird. Die Steuerung ist konti­ nuierlich, linear und selbstanpassend.

Unterschiedliche Wandler erfordern unterschiedliche Zeitspan­ nen, um eine Sollamplitude der Schwingung zu erreichen, und zwar wegen der Trägheit und der gespeicherten mechanischen Energie. Bei der Stromversorgung nach der Erfindung wird eine Schaltung benutzt, um den verfügbaren Strom zu überwachen, den die Stromversorgung während des Hochlaufzyklus liefern kann. Dieses Signal wird ebenfalls zu der Impulsweitenmodula­ tionsschaltung rückgekoppelt und benutzt, um das Sägezahnsi­ gnal zu modifizieren. Mit dieser Technik wird die Stromver­ sorgung die Ausgangsleistung selbst einstellen, die an den Wandler abgegeben wird, und den Wandler in der kürzest mögli­ chen Zeit auf die Sollschwingungsamplitude bringen.

Die Eigenbetriebs- oder Eigenresonanzfrequenz eines piezo­ elektrischen Wandlers wird sich mit den Betriebsbedingungen etwas ändern. Zu diesen Bedingungen gehören mechanischer Ver­ schleiß des Schweißhorns, die Temperatur und die mechanische Belastung. Außerdem gibt es eine inhärente Varianz zwischen den einzelnen Wandlern. Bei der Stromversorgung nach der Er­ findung wird ein Phasenregler (PLL) benutzt, um die Phasenbe­ ziehung der Strom- und Spannungs-Grundwellen in der Lei­ stungsschaltung zu erfassen, und die Betriebsfrequenz wird eingestellt als eine Funktin der Resonanzfrequenz des Wand­ lers, wobei bei dieser Frequenz die Phasenverschiebung null ist. Diese Anordnung ergibt die maximale Vorwärtsstromüber­ tragung und den maximalen Betriebswirkungsgrad bei dem ge­ ringsten Ausmaß an Beanspruchung der Schaltungskomponenten. Diese Schaltung ist während des gesamten Schweißzyklus aktiv, d. h. sowohl während des Hochlauf- als auch während des Strom­ übertragungsintervalls.

Die meisten bekannten Stromversorgungen arbeiten auf Impuls­ zeitbasis. Das heißt, die Stromversorgung und der Wandler sind am Anfang in Ruhe. Ein Schweißbefehl startet die Strom­ versorgung, was diese veranlaßt, Leistung an den Wandler und ein mit diesem in Kontakt befindliches Werkstück für eine Zeitspanne abzugeben, woraufhin die Stromversorgung und der Wandler in ihren Ruhezustand zurückkehren. Die Geschwindig­ keit, mit der diese Sequenz ablaufen kann, wird durch mehrere Faktoren begrenzt, wobei einer dieser Faktoren die Leistung ist, die durch die Anlage verbraucht wird, und ein weiterer Faktor die Reaktionszeit der Schaltungen und des Wandlers. Gegenwärtig verfügbare Stromversorgungen sind auf etwa ein­ hundert Operationen pro Minute begrenzt. Die Leistung, die in der Hochlaufsequenz verbraucht wird, wird ein beschränkender Faktor ebenso wie die Ansprechzeit der Steuerschaltung.

Durch die Verwendung eines Sägezahnsignals zum Anfahren und einer Schaltbetriebsartsteuerung der Leistungsschaltung wird die Verlustleistung auf einem Minimum gehalten. Die vorge­ nannte Steuerschaltung ist so ausgelegt, daß sie mit einer schnelleren Geschwindigkeit arbeitet, und der Wechselrichter, der Gleichstrom in Wechselstrom mittels Impulsweitenmodulati­ on umwandelt, ergibt eine viel bessere Steuerung für den Vor­ wärts- und Rückwärtsstrom an dem Wandler, wobei der Rück­ wärtsstrom der Strom ist, der durch den Wandler als Ergebnis von gespeicherter mechanischer Energie erzeugt wird, wenn der dem Wandler zugeführte Strom schnell verringert wird. Infol­ gedessen kann die Stromversorgung nach der Erfindung mit den oben aufgeführten Verbesserungen mit zweihundert Operationen pro Minute arbeiten, was eine wichtige Verbesserung ist, die für sehr schnelle computergesteuerte Produktionsläufe benö­ tigt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Stromversorgung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein elektrisches Schaltbild eines Wechselrichters,

Fig. 3 ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild einer Ausgangsstufe,

Fig. 4 ein vereinfachtes elektrisches Schaltbild eines Stromsensors mit einem Filter,

Fig. 5 ein elektrisches Schaltbild eines Demodulators,

Fig. 6 ein elektrisches Schaltbild eines Phasenreglers,

Fig. 7 ein elektrisches Schaltbild eines spannungsgesteu­ erten Oszillators,

Fig. 8 ein elektrisches Schaltbild eines Spannungsregel­ kreises,

Fig. 9 ein elektrisches Schaltbild eines Stromregelkrei­ ses,

Fig. 10 ein elektrisches Schaltbild einer Verknüpfungs­ schaltung, und

Fig. 11 ein elektrisches Schaltbild einer Modulator- und Treiberschaltung.

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild, das benutzt wird, um den Aufbau einer Stromversorgung zum Betreiben eines piezoelektrischen Wandlers 18 auf allgemeine Weise zu erläu­ tern. Eine Gleichstromversorgung 10, in der herkömmliche Ein­ richtungen benutzt werden, gibt gleichgerichteten und gefil­ terten Gleichstrom über Leiter 12 und 14 an einen Resonanz- Wechselrichter 100 ab, der den Gleichstrom in Wechselstrom umformt. Der Wechselrichter 100 enthält Halbleiterschalter zum Umwandeln der Gleichspannung aus der Stromversorgung 10 in eine Wechselspannung mit Ultraschallfrequenz von üblicher­ weise 20 kHz, eine Frequenz, wie sie üblicherweise zum Be­ treiben von Hochleistungsultraschallschweißvorrichtungen be­ nutzt wird. Die Schaltvorrichtungen in dem Wechselrichter 100 werden in einer Schaltbetriebsart (nichtlinear) betrieben, um sowohl die Frequenz (20 kHz) zu erzeugen, als auch die Aus­ gangsspannung mittels einer Impulsweitenmodulationstechnik zu steuern.

Eine Ausgangsstufe 200 empfängt über Leiter 102 und 104 die Ausgangsspannung mit Ultraschallfrequenz aus dem Wechselrich­ ter 100 und gibt über einen Leiter 16 eine Treiberspannung und einen Treiberstrom an den Wandler 18 ab. Die Ausgangsstu­ fe 200 transformiert die Ausgangsimpedanz des Wechselrichters und paßt sie an die Impedanz des Wandlers 18 an. Die Aus­ gangsstufe 200 enthält elektrische Komponenten, die zusammen mit dem Wandler 18 einen Schwingkreis bilden. Die Ausgangs­ stufe 200 liefert außerdem die Eingangssignale für verschie­ dene Regelkreise.

Der Wandler 18 enthält einen Stapel von piezoelektrischen Scheiben, die zwischen Metallmassen eingespannt sind und mit denen ein Schweißhorn 19 gekuppelt ist zum Koppeln der Schwingungen, die durch die piezoelektrischen Scheiben auf­ grund der zugeführten elektrischen Energie erzeugt werden, mit einem zu schweißenden Werkstück. Der Wandler 18 hat einen herkömmlichen Aufbau und ist auf dem einschlägigen Fachgebiet bekannt.

Ein spannungsgesteuerter Oszillator 300 ist der Hauptfre­ quenz- und -taktgenerator für die gesamte Stromversorgung und deren Regelkreise. Er arbeitet mit einer harmonischen Fre­ quenz der Grundfrequenz des Stroms, 20 kHz bei der hier be­ schriebenen Ausführungsform, und enthält einen digitalen Fre­ quenzteiler zum Gewinnen von Digitalsignalen mit der Grund­ frequenz des Stroms.

Eine Modulator- und Treiberschaltung 400 empfängt drei Ein­ gangssignale aus dem spannungsgesteuerten Oszillator 300, die mit den Bezugszahlen 302, 304 und 306 bezeichnet sind und dem Zweifachen der Grundfrequenz (2f_p), dem um 180 Grad phasen­ verschobenen Zweifachen der Grundfrequenz () und der Grundfrequenz (f_p) entsprechen. Die Modulator- und Treiber­ schaltung 400 enthält lineare und digitale Schaltungen zum Erzeugen von Signalen auf Leitern 402, 404, 406 und 408 zum Steuern des Betriebes des Wechselrichters 100. Ein Zweipha­ sensignal wird durch die Modulatorschaltung erzeugt, welches die Impulsweitenmodulation des Wechselrichters 100 bewirkt. Die Betriebsfrequenz entspricht dem Eingangssignal aus dem spannungsgesteuerten Oszillator 300 und wird zeitlich durch ein Analogeingangssignal aus einem Spannungsregelkreis 500 und einem Stromregelkreis 600 gesteuert. Die Ausgangssignale der Modulatorschaltung werden durch die Treiberschaltung ver­ stärkt und dann zum Steuern der Schaltvorrichtungen des Wech­ selrichters 100 benutzt.

Ein Stromsensor mit einem elektronischen Filter 700 wird be­ nutzt, um das Strom-Grundwellensignal (f_p) zu erzielen. Ein Eingangssignal, das dem Betriebsstrom entspricht, wird von der Ausgangsstufe 200 über Leiter 202 und 204 ausgegeben. Das Eingangssignal enthält die Grundstromfrequenz (f_p) und die ungeraden Harmonischen der Grundfrequenz. Das Filter 700 ist ein besonderes Filter insoweit, als es sich um ein Bandpaß­ filter für einen Bereich von Frequenzen um die Grundfrequenz handelt, das aber die harmonischen Frequenzen dämpft. Gleich­ zeitig ist das Filter 700 für die Grundfrequenz innerhalb des Bandpaßbereiches im wesentlichen phasentransparent, d. h. es erfolgt im wesentlichen keine Phasenverzerrung des durch das Filter hindurchgehenden Signals.

Ein Demodulator 800 ist ein synchroner Analogschalter oder Ringdemodulator. Das gefilterte Signal aus dem Filter 700 auf einem Leiter 702 wird durch digitale Sollsignale zerhackt, die der spannungsgesteuerte Oszillator 300 auf Leitungen 308, 310 abgibt. Die sich ergebenden Ausgangssignale sind zu den Real- und Imaginärstromkomponenten, welche in dem ursprüngli­ chen Stromsignal enthalten sind, proportional. Diese Signale transportieren Information über den Wert und die Phasenbezie­ hung der Stromkomponenten in bezug auf die Grundfrequenztrei­ berspannung. Das Realstrom-Signal wird als ein Eingangssignal über einen Leiter 802 an einen Stromregelkreis 600 angelegt, wogegen das Imaginärstrom-Signal über einen Leiter 804 als ein Eingangssignal an den Stromregelkreis 600 und an einen Phasenregler 900 angelegt wird.

Der Phasenregler 900 ist ein Tiefpaßfilter. Das Imaginär- oder Blindstromsignal auf dem Leiter 804 wird an den Eingang des Phasenreglers angelegt. Das Ausgangssignal des Phasenreg­ lers 900 ist ein Gleichstrom-Regelsignal, das auf einem Lei­ ter 902 geliefert wird und als phasenbezogene Steuer- oder Rückkopplungsspannung für den spannungsgesteuerten Oszillator 300 zum Einstellen von dessen Frequenz benutzt wird. Auf die­ se Weise wird eine phasensynchronisierte Schleife erzeugt, die bestrebt ist, die Spannung und den Strom an den Schaltern des Wechselrichters 100 miteinander in Phase zu halten. Das wird erreicht, indem die Frequenz gesucht wird, für die der Blindstrom auf einem Minimum ist. Maximale Leistungsübertra­ gung erfolgt, wenn minimale Beanspruchung auf die Schaltvor­ richtungen des Wechselrichters 100 ausgeübt wird. Der Phasen­ regelkreis 900 ist ein integraler Bestandteil der PLL- oder phasensynchronisierten Schleife. Seine Parameter diktieren die gesamte Rate der Frequenzkompensation und steuern die Stabilität der Schleife.

Die Kombination von Schaltungen, d. h. der spannungsgesteuerte Oszillator 300, der Demodulator 800 und der Phasenregler 900, die die vorgenannte PLL- oder phasesynchronisierte Schleife bilden, ist bekannt, zum Beispiel aus der DE-OS 27 26 249 oder der US 46 42 581.

Der Spannungsregelkreis 500 wird benutzt, um die gesamte Be­ wegungsspannung zu regeln, welche an den Wandler 18 angelegt wird. Ein Signal, das der Bewegungsspannung entspricht, wird mittels eines Sensors in der Ausgangsstufe 200 gewonnen. Die­ ses Bewegungsspannungssignal wird an den Spannungsregelkreis 500 über den Leiter 206 angelegt, verstärkt und mit der Soll- oder Steuerspannung verglichen. Das Ergebnis dieses Verglei­ ches ist das Eingangssignal, das an die Modulator- und Trei­ berschaltung 400 über eine Verknüpfungsschaltung 20 und Lei­ ter 502 und 22 angelegt wird. Auf diese Weise wird der Lei­ tungswinkel der Schaltvorrichtungen in dem Wechselrichter 100 gesteuert, um eine konstante Bewegungsspannung an dem Wech­ selrichter aufrechtzuerhalten.

Während des Startzyklus wird eine Sägezahn- oder Rampenspan­ nung in dem Spannungsregelkreis 500 erzeugt, so daß die Aus­ gangsamplitude des Signals an der Modulator- oder Treiber­ schaltung 400 mit einer gesteuerten linearen Geschwindigkeit von null auf einen maximalen Grenzwert, der durch eine Span­ nungsregeleinstellung diktiert wird, erhöht wird, damit die Gleichspannung aus dem Wechselrichter 100 ebenfalls von null auf ein Maximum erhöht wird.

Der Stromregelkreis 600 wird benutzt, um die maximale Stärke des Stroms zu regeln, den die Stromversorgung während der Start und der Betriebszyklen liefert. Sowohl die Blind- als auch die Realstromkomponente werden als Eingangssignale über Leiter 802 und 804 empfangen und derart verknüpft, daß die Stromversorgung in verschiedenen Betriebsarten geschützt wird. Der Stromregelkreis 600 enthält eine Gruppe von Diffe­ renzverstärkern zum Begrenzen des Vorwärtsstroms und des Rückwärtsstroms auf vorbestimmte Werte. Die Ausgangssignale auf den Leitern 602 und 604 werden außerdem als ein Rückfüh­ rungssignal an die Modulator- und Treiberschaltung 400 über die Verknüpfungsschaltung 20 angelegt, um den Leitungswinkel der Schaltvorrichtungen in dem Wechselrichter 100 und damit die Bewegungsspannung an dem Wandler zu steuern. Während des Hochlaufzyklus kann die Schaltung das Startsägezahnspannungs­ signal als Funktion der Wandlerkennlinie modifizieren.

Nachdem die Schaltungen allgemein beschrieben worden sind, werden in der folgenden Beschreibung die einzelnen Schaltun­ gen mehr ins einzelne gehend erläutert.

Fig. 2 ist ein Schaltbild des Wechselrichters 100. Er enthält vor allem einen Vollwellenbrückengleichrichter und Gate- Treiberschaltungen zum Steuern des Betriebes der Gleich­ richterschalter. Die Schaltung enthält vier Halbleiterschalt­ vorrichtungen 106, 108, 110 und 112, von denen jede eine Lei­ stungs-MOSFET-Vorrichtung 114 zum Schalten der Leistung und eine Schottky-Diode 116, die mit dem Drain-Anschluß in Reihe geschaltet ist, um zu verhindern, daß die Schottky-Diode in der Vorrichtung 114 Strom in umgekehrter Richtung leitet, enthält. Eine schnelle Diode 118 ist zu der Reihenschaltung aus der MOSFET-Vorrichtung 114 und der Diode 116 parallelge­ schaltet, um Rückwärtsstrom zu leiten, der an der Schaltvor­ richtung auftritt.

Die Schaltvorrichtungen werden durch Treiberstufen 120, 122 aufgrund der Ausgangssignale aus der Modulator- und Treiber­ schaltung 400 betrieben. Der sich ergebende Ausgangs­ wechselstrom wird über die Leiter 102 und 104 abgegeben. Der Wechselrichter 100 ist im wesentlichen ein Modulator, bei dem die Ausgangsspannung eine Funktion der Impulsweitenmodulation ist. Zu jeder Zeit werden zwei Schalter leitend und zwei Schalter nichtleitend sein. Eine Schaltung dieser Konfigura­ tion, die als "Clamped-Mode Resonant Converter" (soviel wie im Klemmbetrieb arbeitender Resonanzstromrichter) bezeichnet wird, ist ausführlich in dem Aufsatz "Constant-Frequency Clamped-Mode Resonant Converters" von F. Tsai et al. IEEE Transactions on Power Electronics, Band 3, Nr. 4, Oktober 1988, Seiten 460-473, Fig. 2, Seite 462, beschrieben.

Die Schalter sind, wie dargestellt, in zwei Halbbrückenschal­ tungen aufgeteilt, und jede Halbbrückenschaltung ist mit ei­ ner gemeinsamen Gate-Treiberschaltung 120, 122 verbunden. Je­ de Gate-Treiberschaltung enthält Schaltungskomponenten zum elektrischen Isolieren jedes Schalters und zur richtigen Pe­ gelerzeugung und Wellenformtaktgebung, um eine Querleitung während Übergangsvorgängen zu verhindern. Die Wellenformen werden durch die Modulator- und Treiberschaltung 400 erzeugt.

Der Vorteil des Wechselrichters 100 liegt in der Tatsache, daß die Amplitudenänderungen der Ausgangsspannung schnell ge­ macht werden können, ohne die Phasenbeziehungen zu stören, die in der phasensynchronisierten Schleife vorhanden sind, welche zum Steuern der Betriebsfrequenz des Wechselrichters und somit der Frequenz des Ausgangswechselstroms benutzt wird. Außerdem ermöglicht der Wechselrichter 100, die Reso­ nanzbelastung mit einem viel größeren Wirkungsgrad zu spei­ sen. Außerdem kann die Leistung in beiden Richtungen gesteu­ ert werden, d. h. in die und aus der Belastung. Schließlich ist das Energiemanagement gut, weil die Leistung, die der Ausgangsstufe und dem Wandler während einer EIN-Periode ge­ liefert wird, kontinuierlich ist.

Fig. 3 ist ein vereinfachtes Schaltbild der Ausgangsstufe 200. Da Ausgangsstufen, die auch als Impedanzanpassungsschal­ tungen bezeichnet werden, bekannt sind und im Stand der Tech­ nik bereits benutzt worden sind, wird die Ausgangsstufe 200 nur kurz beschrieben. Die Ausgangsstufe 200 empfängt über die Leiter 102, 104 den Wechselstrom zum Betreiben des Wandlers 18. Ein Ausgangstransformator 208 paßt die Spannungs- und Stromwerte zwischen dem Wechselrichter 100 und dem Wandler 18 an. Die Komponenten, die in Reihe mit der Primärwicklung des Transformators 208 liegen, werden so gewählt, daß die Primär­ seite zusammen mit der Sekundärseite, mit welcher der Wandler 18 verbunden ist, bei der Parallelresonanzfrequenz des Wand­ lers elektrisch in Resonanz sind. Ein Stromwandler 210, der mit der Primärseite des Transformators 208 verbunden ist, liefert an einem Widerstand 212 ein Signal, das dem Strom entspricht, welcher zu dem Wandler 18 fließt. Dieses Signal ist sowohl linear als auch im wesentlichen phasentransparent bei dem Strom in der Primärseite, und dieses Signal, das sich als eine Spannung an den Leitern 202 und 204 äußert, wird seinerseits zum Steuern des Stroms, der dem Wandler 18 zuge­ führt wird, und zur Frequenzabstimmung benutzt.

Der Sekundärwicklung des Transformators 208 wird ein Aus­ gangssignal über einen Leiter 206 entnommen, das der Bewe­ gungspannung entspricht, mit welcher der Wandler 18 betrieben wird, d. h. der Spannung, die zu der Schwingungsamplitude pro­ portional ist. Diese Spannung wird an den Spannungsregelkreis 500 angelegt und zum Regeln der Bewegungsausgangsamplitude des Wandlers 18 benutzt.

Fig. 4 ist ein vereinfachtes Schaltbild des Stromsensors mit dem Filter 700. Das Filter 700 ist ein elektrisches Bandpaß­ filter, das die Frequenz dämpft, welche außerhalb der Fre­ quenzen des Durchlaßbereiches liegen, das aber Signale durch­ läßt, die innerhalb des gewählten Frequenzbandes oder Durch­ laßbereiches liegen. Ein spezielles Merkmal des Filters 700 ist die Eigenschaft, daß für den Frequenzbereich innerhalb des Durchlaßbandes die Phasenverschiebung eines Signals von dem Eingang zu dem Ausgang minimal sein wird, d. h. das Filter ist phasentransparent.

Die pulsierende Ausgangsspannung aus dem Wechselrichter 100 wird durch die Ausgangsstufe 200 und den Wandler 18 natürlich gefiltert. Das Ausgangssignal enthält verschiedene Fre­ quenzkomponenten, nämlich die Grundfrequenz (20 kHz) und un­ gerade Harmonische der Grundfrequenz. Das führt auf gleiche und bezogene Stromsignale. Von Hauptinteresse ist das Grund­ frequenzstromsignal. Bei Resonanz werden der Grundfre­ quenzstrom und die Grundfrequenzspannung miteinander in Phase sein. Daher ist es die erste Aufgabe des Filters 700, das Grundfrequenzstromsignal durchzulassen, aber die harmonischen Signale zu dämpfen.

Das Stromsignal, das dem Stromfluß zwischen der Ausgangsstufe 200 und dem Wandler 18 entspricht, wird über die Leiter 202, 204 an das Filter 700 angelegt. Das Filter 700 enthält gemäß Fig. 4 zwei gestaffelt abgestimmte Parallelschwingkreise. Die Parallelschwingkreise 704, 706. Die Betriebsfrequenz und Q (der Gütefaktor) jedes Schwingkreises 704, 706 werden so ge­ wählt, daß sie die gleiche und entgegengesetzte Phasenstei­ gung innerhalb des interessierenden Frequenzbandes haben. Zum Beispiel kann bei einer Grundfrequenz von 20 kHz der Schwing­ kreis 704 auf 19 kHz und der Schwingkreis 706 auf 21 kHz ab­ gestimmt sein, was einen Durchlaßbereich und Phasentranspa­ renz für die Grundfrequenz von 20 kHz ergibt. Die Signale aus den Schwingkreisen 704, 706 werden dann in einer Summierschal­ tung 708 summiert, was ein Ausgangssignal auf einem Leiter 702 ergibt, das nur die Information in bezug auf die Grund­ frequenz enthält, weil harmonische Frequenzen oberhalb oder unterhalb der gewählten Bandbreite durch die Resonanz­ schwingkreise 704, 706 gedämpft wurden. Das Signal auf dem Leiter 702 repräsentiert deshalb ein Signal, das der Amplitu­ de und der Phase der Grundfrequenz des Stroms entspricht, welcher zwischen dem Wechselrichter 100 und dem Wandler 18 fließt.

Fig. 5 ist ein Schaltbild des Demodulators 800. Um den Wand­ ler 18 auf seinem Resonanzbetriebspunkt zu halten, müssen der Strom und die Spannung aus dem Wechselrichter 100 in Phase sein. Das Stromsignal, das in dem Filter 700 gefiltert wird, wird über den Leiter 702 an den Demodulator 800 angelegt, um sowohl die Größen als auch die Phaseninformation des Ein­ gangssignals zu gewinnen.

Der Demodulator 800 enthält eine Gruppe von synchronen analo­ gen Multiplizierern 806 und 808. Ein Analogausgangssignal des Filters 700 wird über den Leiter 702 an die beiden analogen Multiplizierer 806 und 808 angelegt, bei denen es sich um im Handel erhältliche integrierte Schaltungsvorrichtungen han­ delt. Der Multiplizierer 806 empfängt außerdem ein Digitalsi­ gnal f'p über einen Leiter 308, das der Grundbetriebsfrequenz entspricht, aber um neunzig Grad phasenverschoben ist. Ebenso empfängt der Multiplizierer 808 ein Digitalsignal f_p über ei­ nen Leiter 310, das der Grundbetriebsfrequenz entspricht, aber keine Phasenverschiebung aufweist. Deshalb wird das Si­ gnal, das durch einen Leiter 804 geliefert wird, die Imagi­ när- oder Blindstromkomponente des Stroms darstellen, welcher zu dem Wandler 18 fließt, wogegen das Signal, welches durch einen Leiter 802 geliefert wird, der Realstromkomponente die­ ses Stroms entspricht. Wenn keine Imaginärstromkomponente in dem Strom vorhanden ist, der zu dem Wandler 18 fließt, wird das Ausgangssignal aus dem Leiter 804 null sein. Wenn eine Imaginärkomponente vorhanden ist, wird das Ausgangssignal auf dem Leiter 804 ein positives oder negatives Spannungssignal sein.

Fig. 6 ist ein elektrisches Schaltbild des Phasenreglers 900. Der Phasenregler 900 ist im wesentlichen ein Tiefpaßfilter und wird benutzt, um das Imaginärstrom-Signal aus dem Demodu­ lator 800 zu verarbeiten. Der Gehalt an harmonischer Frequenz wird blockiert, und eine mittlere Gleichstromfehlerspannung wird gewonnen und als ein Korrektur oder Steuersignal an den Eingang des spannungsgesteuerten Oszillators 300 zum Einstel­ len der Frequenz des Oszillators angelegt. Der Phasenregler 900 enthält eine Integrierschaltung 904, welche das Ausgangs­ signal über den Leiter 804 aus dem Demodulator 800 empfängt, wie oben beschrieben.

Die Integrierschaltung 904 hat gesteuerte Zeitkonstanten, die das gesamte Ansprechen der phasensynchronisierten Schleife regeln und im Hinblick auf Stabilitäts- und Geschwindigkeits­ überlegungen gewählt werden. Eine Phasen und Stromver­ schiebung wird bewirken, daß ein Kondensator 906 der Inte­ grierschaltung 904 sich auflädt oder entlädt. Die resul­ tierende Spannung wird bewirken, daß die Frequenz des span­ nungsgesteuerten Oszillators 300 sich derart ändert, daß die Phasenverschiebung verringert wird. Die Spannung an dem Aus­ gang der Integrierschaltung, Leiter 902, wird sich beruhigen und stabil werden, wenn sich die Phasenverschiebung null nä­ hert (abgestimmter Zustand). Änderungen in der Phasenver­ schiebung werden eine Änderung im Ausgangssignal bewirken, das an den Oszillator 300 angelegt wird, um eine entsprechen­ de Frequenzkorrektur zu bewirken. Die Ausgangsspannung des Phasenreglers 900 ist deshalb ein Spannungssignal, das die Phasenbeziehung zwischen dem Strom und der Spannung reprä­ sentiert, welche an den Wandler 18 angelegt werden, und die­ ses Spannungssignal wird eine konstante Gleichspannung sein, wenn ein Phasenverschiebungszustand von im wesentlichen null vorherrscht, d. h. wenn der spannungsgesteuerte Oszillator 300 die richtige Frequenz für präzisen Parallelresonanzbetrieb des Wandlers 18 liefert.

Fig. 7 ist ein elektrisches Schaltbild des spannungsgesteu­ erten Oszillators 300. Es ist zwar eine besondere Schaltung gezeigt, es könnten jedoch andere Anordnungen benutzt werden, um dieselbe Funktion zu erfüllen. Der Oszillator 300 enthält einen Taktgeber 312, der so angeordnet ist, daß er in einer astabilen Betriebsart arbeitet. Schaltungskomponenten 314, 316, 318 und 320 werden so gewählt, daß der Oszillator 300 mit einer Frequenz 4f_p arbeitet, die das Vierfache der Paral­ lelresonanzfrequenz des Wandlers 18 ist. Die Betriebsfrequenz des Taktgebers 312 ist außerdem eine Funktion des Wertes des Gleichspannungssignals, das an dessen Eingangssteueranschluß über einen Leiter 902 angelegt wird und bei dem es sich um das Signal aus dem Phasenregler 900 handelt. Widerstände 322, 324, 326 und 328 bilden eine Spannungsverschiebungs- und - skalierschaltung, welche die Steuer- oder Rückkopplungsein­ gangsspannung an den Steuersignalstift an dem Taktgeber 312 anlegt. Wenn die Spannung an dem Eingangsstift des Taktgebers 312 positiver gemacht wird, nimmt die Frequenz des Taktgebers ab, und umgekehrt bewirkt eine negativere Steuerspannung, daß die Frequenz zunimmt.

Ein variabler Widerstand 326 wird benutzt, um die Größe der Frequenzabweichung einzustellen, welche die Steuerspannung bewirken wird. Auf diese Weise wird ein Grenzwert für den Be­ reich von Frequenzen (Bandbreite) eingestellt, in welchem die Stromversorgung arbeiten wird. Ein variabler Widerstand 314 wird benutzt, um die Mittenfrequenz einzustellen.

Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 300, der mit dem Vierfachen der Grundfrequenz arbeitet, wird an ein D-Flipflop 330 abgegeben, das so geschaltet ist, daß es eine durch zwei teilende Schaltung bildet. Das Frequenzsignal 4f_p aus dem Oszillator 300 wird somit durch einen Faktor zwei dividiert, um zwei Signale zu liefern, nämlich ein Signal 2f_p auf dem Leiter 302 und dessen komplementäres, um 180 Grad phasenverschobenes Signal auf dem Leiter 304.

Zwei weitere D-Flipflop-Schaltungen 332 und 334 werden be­ nutzt, um Sollsignale zu erzeugen. Das Flipflop 332 ist wie­ der so geschaltet, daß es eine durch zwei teilende Schaltung bildet, wobei das Signal 2f_p an seinen Eingang angelegt wird. Die Ausgangssignale des Flipflops 332 sind das Grundfrequenz­ signal f_p, das auf dem Leiter 306 erscheint, und das komple­ mentäre Signal f_p, das auf dem Leiter 310 erscheint. Diese letztgenannten Signale sind gegeneinander um 180 Grad phasen­ verschoben. Das Signal wirkt als Taktsignal für das Flipflop 334, und das Signal wirkt als Dateneingangs­ signal. Das Ergebnis ist, daß das Flipflop 334 ein Durch­ gangssignal f'_p auf einem Leiter 308 erzeugt, welches ein Grundfrequenzsignal ist, das aber um neunzig Grad phasenver­ schoben ist. Die Signale in digitaler Form auf den Leitern 308 und 310 werden an den Demodulator 800 angelegt, wie oben beschrieben, wogegen die Signale auf den Leitern 302, 304, und 306 an die Modulator- und Treiberschaltung 400 angelegt werden.

Der Spannungsregelkreis 500 ist in Fig. 8 gezeigt. Ein Para­ meter von großer Bedeutung für eine Ultraschallvorrichtung des vorliegenden Typs ist die Amplitude der mechanischen Schwingung, die durch den Wandler 18 und das Schweißhorn 19 erzeugt wird. Ein der Bewegungsamplitude entsprechendes Si­ gnal wird, wie oben beschrieben, durch einen Sensor, hier über den Leiter 206, Fig. 3, in der Ausgangsschaltung gewon­ nen. Dieses Signal ist zu der an den Wandler 18 angelegten Treiberspannung proportional. Diese Spannung wird hier als "Bewegungsspannung" bezeichnet. Die Bewegungsspannung wird skaliert und gleichgerichet. Sie wird dann zu einer Sollspan­ nung addiert, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das Fehlersi­ gnal wird verstärkt und an die Verknüpfungsschaltung 20 sowie an den Eingang der Modulator- und Treiberschaltung 400 ange­ legt. Diese Rückkopplungsschleife hat den Zweck, eine ge­ wünschte Bewegungsamplitudeneinstellung aufrechtzuerhalten. Weil die Bewegungsspannung erfaßt wird, ist die Schaltungsan­ ordnung so, daß eine eingestellte Amplitude ungeändert von Netzspannungsveränderungen und von Belastungsauswirkungen, die auf die Stromversorgung zurückwirken, aufrechterhalten wird.

Vorkehrungen sind getroffen zum Verändern der Sollspannung entweder innerhalb oder außerhalb der Stromversorgung. Auf diese Weise kann die Schwingungsamplitude durch ein Steuerpo­ tentiometer oder durch ein externes Signal, beispielsweise ein aus dem Prozeß gewonnenes Signal, eingestellt werden. Das System hat eine kurze Ansprechzeit, so daß eine Amplituden­ veränderung sogar während eines besonderen Schweißzyklus be­ wirkt werden kann. Während der Hochlaufperiode wird das Soll­ spannungsignal durch einen Hochlaufgeber modifiziert. Das Er­ gebnis ist, daß die Bewegungsspannung und die sich ergebende Schwingungsamplitude ab einem Ruhezustand beginnen und mit einer eingestellten linearen Geschwindigkeit zunehmen, bis der voreingestellte Regelpunkt erreicht ist. Der Wandler 18 wird deshalb veranlaßt, seine Schwingungsamplitude auf eine regelmäßige Weise mit einer linearen Geschwindigkeit statt stufenweise zu vergrößern.

Das Bewegungsspannungssignal auf dem Leiter 206 wird durch einen Gleichrichter 504 gleichgerichtet und durch einen Kon­ densator 506 gefiltert. Das sich ergebende Gleichstromsignal wird an einen integrierenden Regler in Form eines integrie­ renden Verstärkers 508 angelegt. In dem Verstärker 508 wird das Gleichstromsignal aufgrund der an den Wandler 18 angeleg­ ten Treiberspannung mit einer Sollspannungseinstellung ver­ glichen. Der Sollspannungswert kann ein Sollsignal aus einem Amplitudeneinstellpotentiometer 518 oder ein variables Signal wie ein Sägezahnsignal aus einem Rampengenerator 510 sein, der einen Verstärker 512 und einen Kondensator 514 in Ver­ bindung mit einer Spannungsquelle und einem in Reihe ge­ schalteten Schalter 516 enthält, der eine "STOP"-Stellung und eine "BETRIEB"-Stellung hat.

Wenn das der Amplitude entsprechende Signal niedriger als die Sollspannung ist, wird das Ausgangssignal des Verstärkers 508 den Signalwert an der Verknüpfungsschaltung 20 und der Modu­ lator- und Treiberschaltung 400 erhöhen, um zu bewirken, daß die Ausgangsspannung, die durch den Wechselrichter 100 gelie­ fert wird, erhöht wird. Wenn das der Amplitude entsprechende Signal größer als die Sollspannung ist, wird das Ausgangs­ signal des Verstärkers 508 abnehmen und bewirken, daß die an den Wandler 18 angelegte Bewegungsspannung ebenfalls abnimmt.

Zum Starten der Stromversorgung aus dem Ruhezustand heraus wird der Rampengenerator 510 benutzt, um die Sollspannung aus dem Potentiometer 518 zu modifizieren. Im Ruhezustand ist der Schalter 516 in der "STOP"-Stellung, wie dargestellt. Der Rampengenerator 510 klemmt die Sollspannung auf den Wert null. Wenn der Schalter 516 in die "BETRIEB"-Stellung bewegt wird, steigt das Rampengeneratorausgangssignal mit einer li­ nearen Geschwindigkeit langsam an und gestattet der Sollspan­ nung, ebenfalls anzusteigen. Das erfolgt, bis eine Klemmdiode 520 nicht mehr leitend ist, in welchem Zustand die Stromver­ sorgung in einem stationären Zustand arbeitet. Es ist selbst­ verständlich klar, daß der Schalter 516 ein elektronischer Schalter sein wird.

Fig. 9 ist ein Schaltbild des Stromregelkreises 600. Die Schaltungskomponenten des Stromregelkreises 600 regulieren und begrenzen die normalen Ausgangsstromwerte, die durch die Stromversorgung erzeugt werden. Während einer normalen Folge des Stromversorgungsbetriebes gibt es verschiedene Zustände, in welchen diese Schaltungskomponenten in Betrieb kommen.

Während der Betriebszeit kann von der Stromversorgung ver­ langt werden, daß sie mehr Strom liefert, als sie sicher er­ zeugen kann. Der Betriebsstromwert wird in der Ausgangsstufe 200 erfaßt und durch das Filter 700 und durch die Realstrom­ komponentenschaltung des Demodulators 800 verarbeitet. Das sich ergebende Signal wird in dem Stromregelkreis 600 mit ei­ nem Sollsignal verglichen, das einen maximalen Strom fest­ legt. Dieses sich ergebende Differenz- oder Fehlersignal, das einem übermäßigen Strom entspricht, wird benutzt, um die Mo­ dulator- und Treiberschaltung 400 zu steuern, nachdem es durch die Verknüpfungsschaltung 20 hindurchgegangen ist. Der Zweck ist, die Amplitude der Wechselstromausgangsspannung des Wechselrichters 100 zu reduzieren und somit den Strom zu re­ duzieren und auf seinen voreingestellten Maximalwert einzu­ stellen. Diese Steuerung ist in ihrer Charakteristik linear.

Der Wandler 18 ist darüber hinaus eine mechanische Reso­ nanzvorrichtung und wird Energie speichern. Diese Vorrichtung ist bidirektional insofern, als sie Energie, d. h. elektri­ schen Strom sowohl verbraucht als auch erzeugt. Zum Steuern der Schwingungsamplitude des Wandlers 18 mit hoher Geschwin­ digkeit muß die Stromversorgung in der Lage sein, einen ma­ ximalen Strom sowohl zu empfangen als auch zu erzeugen. Das Ausgangssignal aus dem Realstromkomponententeil des Demodu­ lators 800 auf dem Leiter 802 wird seine Polarität und seinen Wert entsprechend der Stärke des Stroms und der Richtung des­ selben zu oder aus dem Wandler 18 ändern. Das Ausgangssignal aus dem Stromregelkreis wird über die Verknüpfungsschaltung 20 die Modulator- und Treiberschaltung 400 steuern, um die effektive Ausgangswechselspannung aus dem Wechselrichter 100 in Abhängigkeit von der Richtung des Stromflusses in den oder aus dem Wandler 18 zu verringern oder zu vergrößern.

Während des Hochlaufzyklus können große Blindstromkomponenten auf dem Stromweg von dem Wechselrichter 100 zu dem Wandler 18 vorhanden sein. In diesem Fall wird ein Abtastwert des Imagi­ när- oder Blindstrom-Signals aus dem Demodulator 800 auf dem Leiter 804 mit dem Realstrom-Signal verknüpft. Das Ergebnis ist eine Belastungskennlinienformung oder -modifizierung des Stromsollwerts, um die Schaltvorrichtungen besser vor einem Versagen zu schützen, das durch übermäßige Energieumschaltung während Perioden von Belastungsübergangszuständen verursacht wird.

Außerdem können während des Hochlaufs große mechanische Schweißhörner übermäßige Energie erfordern, um eine einge­ stellte Schwingungsamplitude zu erreichen. In diesem Fall wird, wenn der Strombedarf zu groß ist, um den Wandler 18 mit dem Schweißhorn 19 die Sollamplitude während eines zugeordne­ ten Zeitintervalls erreichen zu lassen, der Stromregelkreis 600 die Startzykluszeit modifizieren, indem er das Signal an der Modulator- und Treiberschaltung 400 automatisch redu­ ziert. Auf diese Weise wird die Hochlaufzeit verlängert und die Stromversorgung daran gehindert, einen Überlastungszu­ stand zu erreichen.

Die Realstromkomponente des Stromsignals auf dem Leiter 802 aus dem Demodulator 800 wird einen Wert haben, der von der Stromflußrichtung abhängig ist. Ihre Polarität wird positiv sein, wenn der Stromfluß zu dem Wandler 18 gerichtet ist, und negativ, wenn der Stromfluß von dem Wandler weggerichtet ist. Dieses Realstrom-Signal wird an zwei integrierende Verstärker 605 und 606 zusammen mit einem Sollsignal angelegt. Ein Si­ gnal, das dem maximalen zulässigen Vorwärtsstrom entspricht, wird durch ein Potentiometer 608 erzeugt, und das Signal, das dem maximalen zulässigen Rückwärtsstrom entspricht, wird durch ein Potentiometer 610 erzeugt.

Wenn das Istvorwärtsstromsignal den Sollvorwärtssignalwert übersteigt, wird der Verstärker 605 ein Ausgangsspan­ nungssignal an die Verknüpfungsschaltung 20 und an die Mo­ dulator- und Treiberschaltung 400 auf dem Leiter 602 anlegen, um das Ausgangssignal der Stromversorgung durch Verringern der Wechselspannung aus dem Wechselrichter 100 zu verringern. Dieser Zustand wird entweder die Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms an dem Wandler 18 begrenzen oder den Strom auf einen vorbestimmten sicheren Wert reduzieren.

Wenn jedoch das Rückwärtsstromsignal den Sollrückwärts­ signalwert übersteigt, wird der Verstärker 606 ein Aus­ gangsspannungssignal an die Modulator- und Treiberschaltung 400 auf dem Leiter 604 erzeugen, um eine Verstärkung des Stromflusses aus der Stromversorgung zu bewirken, d. h. um die Wechselspannung aus dem Wechselrichter 100 zu erhöhen. Durch diesen Vorgang wird die Abnahmegeschwindigkeit des Stromflus­ ses aus dem Wandler 18 auf einen sicheren Wert begrenzt.

Ein Teil der Imaginär- oder Blindstromkomponente, die aus dem Demodulator 800 über den Leiter 804 empfangen wird, wird mit der Realstromkomponente an einer Verbindungsstelle 612 ad­ diert. Dieser Addiervorgang führt dazu, daß die Gesamtstärke des Vorwärtsstroms während des Hochlaufs der Stromversorgung gesteuert wird, wenn ein verstimmter Zustand vorherrscht.

Fig. 10 zeigt die Verknüpfungsschaltung 20, welche an einer Verbindungsstelle 24 das Ausgangssignal aus dem Spannungsre­ gelkreis 500 auf dem Leiter 502, das Spannungssteuersignal, mit Ausgangssignalen aus dem Stromregelkreis 600 verknüpft, die entweder über den Leiter 602 oder über den Leiter 604 ge­ liefert werden, um über einen Pufferverstärker 26 ein ver­ knüpftes Steuersignal auf einem Leiter 22 zu erzeugen, der zu der Modulator- und Treiberschaltung 400 führt. Dieses Steuer­ signal dient als ein Verbundsteuersignal zum Regeln der Aus­ gangsspannung, die durch den Wechselrichter 100 geliefert wird. Wenn der Wandler 18 innerhalb vorbestimmter Werte des Stromflusses arbeitet, wird nur das Signal auf dem Leiter 502 als Ausgangssignal aus der Verknüpfungsschaltung 22 wirksam sein. Wenn der Stromfluß zu dem Wandler 18 oder aus dem Wand­ ler über dem gewünschten Wert ist, wird das Spannungssteuer­ signal durch das dem Strom entsprechende Signal modifiziert, wie beschrieben.

Fig. 11 ist ein Schaltbild der Modulator- und Treiberschal­ tung 400, die die der Frequenz entsprechenden Signale aus dem spannungsgesteuerten Oszillator 300 und das verknüpfte Span­ nungssteuersignal aus dem Spannungsregelkreis 500 und dem Stromregelkreis 600 empfängt. Deshalb arbeitet die Modulator- und Treiberschaltung 400 mit einem Spannungssteuersignal und den durch den spannungsgesteuerten Osziallator 300 erzeugten Signalen und liefert Ausgangssignale zum geeigneten Steuern des Betriebes des Wechselrichters 100.

Das Taktsignal auf dem Leiter 302 (das Doppelfrequenzsignal 2f_p), das aus dem spannungsgesteuerten Oszillator 300 kommt, wird an eine integrierende Verstärkerschaltung 410 angelegt, die ein dreieckförmiges Ausgangssignal mit gleichen Steigun­ gen hervorruft. Dieses Signal wird seinerseits an eine Kompa­ ratorschaltung 412 angelegt. Die Komparatorschaltung 412 emp­ fängt außerdem über den Leiter 22 das stationäre Verbundsi­ gnal aus der Verknüpfungsschaltung 20, welches ein Spannungs­ steuersignal darstellt. Der Komparator wird benutzt, um die Steuerspannung mit dem dreieckförmigen Signal zu vergleichen. Das Ausgangssignal aus dem Komparator 412 wird an eine NAND- Schaltung 414 und an eine UND-Schaltung 416 angelegt. Die NAND-Schaltung 414 empfängt außerdem das Taktsignal 2f_p über den Leiter 302. Die UND-Schaltung 416 empfängt an ihrem zwei­ ten Eingang das Signal von dem Leiter 304, welches das Signal doppelter Frequenz der Imaginärstromkomponente darstellt. Das Ausgangssignal der NAND-Schaltung 414 und das Ausgangs­ signal der UND-Schaltung 416 werden als Eingangssignale an Flipflops 418 bzw. 420 angelegt, die jeweils auch ein Signal f_p von dem Leiter 306 empfangen, das ein Takt oder Zeitsteu­ ersignal darstellt.

Die Ausgangssignale des Flipflops 418 und des Flipflops 420 haben eine variable gegenseitige Phasenbeziehung, die von ei­ nem Minimum von null Grad, bei dem es sich um die minimale Ausgangsspannung des Wechselrichters 100 handeln wird, bis zu einem Maximum von 180 Grad, welches die maximale Ausgangs­ spannung ergibt, variiert. Die Pufferverstärker 422 bilden Treiberstufen. Die um 180 Grad verschobenen Ausgangssignale, die an den Leitern 402 und 404 und an den Leitern 406 und 408 erscheinen, werden an die Treiberstufentransformatoren 120 und 122 des Wechselrichters 100 angelegt, vgl. Fig. 2. Des­ halb wird der Wechselrichter 100 veranlaßt, durch Impulswei­ tenmodulation eine rückkopplungsgesteuerte Ausgangswech­ selspannung zu liefern, die hinsichtlich der Frequenz, der Amplitude der Bewegungsspannung und des maximalen Stromflus­ ses genau gesteuert ist. Somit hat die Stromversorgung alle gewünschten Eigenschaften, die in der Beschreibungseinleitung angegeben sind.

Claims (19)

1. Stromversorgung zum Betreiben eines piezoelektrischen Wandlers (18), mit

• - einer Gleichstromversorgung (10);
• - einem pulsweitenmodulierten, spannungsbegrenzten Reso­ nanz-Wechselrichter (100), der den piezoelektrischen Wandler (18) mit dessen Parallelresonanzfrequenz speist;
• - einer Ausgangsstufe (200), die die Ausgangsspannung des Wechselrichters (100) in eine Spannung geeigneter Größe für den piezoelektrischen Wandler (18) transformiert und einen Stromsensor mit einem Filter (700) enthält, der ein Strom-Grundwellensignal abgibt,
• - einem Demodulator (800) der das Strom-Grundwellensignal empfängt und außerdem ein Digitalsignal mit der Grund­ frequenz des Stroms, das gegenüber dem Strom um 90° pha­ senverschoben ist, und der ein Signal liefert, das dem Wert der Imaginärstromkomponente der Stromgrundwelle entspricht;
• - einem Phasenregler (900), der das Imaginärstrom-Signal von dem Demodulator (800) empfängt und ein Gleichstrom- Regelsignal abgibt;
• - einem spannungsgesteuerten Oszillator (300), der das Gleichstrom-Regelsignal empfängt, das Digitalsignal an den Demodulator (800) abgibt und weitere Ausgangssignale liefert, die der Betriebsfrequenz des Oszillators (300) entsprechen; und
• - einer Modulator- und Treiberschaltung (400), die die weiteren Ausgangssignale aus dem Oszillator (300) emp­ fängt und Steuersignale an den Wechselrichter (100) ab­ gibt.

2. Stromversorgung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Liefern des ersten Wechselstromsi­ gnals einen Stromwandler (210) aufweist.

3. Stromversorgung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (700) ein Bandpaßfilter ist, das zwei ge­ staffelt abgestimmte Parallelschwingkreise (704, 706) ent­ hält.

4. Stromversorgung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (700) eine Summierschaltung (708) enthält, die die Signale aus den gestaffelt abgestimmten Parallel­ schwingkreisen (704, 706) addiert.

5. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Demodulator (800) analoge Multi­ plizierer (806, 808) enthält.

6. Stromversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenregler (900) eine Integrierschaltung (904) aufweist.

7. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsgesteuerte Oszillator (300) eine Taktgeberschaltung (312) enthält, die im we­ sentlichen mit einem Vielfachen der Grundfrequenz des zwi­ schen dem Wechselrichter (100) und dem Wandler (18) flie­ ßenden Stroms arbeitet.

8. Stromversorgung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktgeberschaltung (312) im wesentlichen mit dem Vierfachen der Frequenz des Stroms arbeitet und Flipflopschaltungen (330, 332, 334) enthält, die das Aus­ gangssignal aus der Taktgeberschaltung (312) empfangen, um die weiteren Ausgangssignale zu liefern, die eine Frequenz haben, welche gleich der Parallelresonanzfrequenz ist, bzw. eine Frequenz, die das Zweifache der Parallelreso­ nanzfrequenz ist.

9. Stromversorgung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulator- und Treiberschaltung (400) eine Gruppe von Torschaltungen (414, 416) enthält zum Empfangen der weiteren Ausgangssignale einfacher und doppelter Parallel­ resonanzfrequenz und eine Gruppe von Flipflopschaltungen (418, 420), die an die Torschaltungen (414, 416) ange­ schlossen sind, um eine Gruppe von phasenverschobenen, pulsweitenmodulierten Signalen zum Betreiben des Wechsel­ richters (100) zu liefern.

10. Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Spannungsregelkreis (500) mit einem Sensor für die am piezoelektrischen Wandler (18) anliegende Spannung, die mit einer Sollspannung verglichen wird.

11. Stromversorgung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollspannung einstellbar ist.

12. Stromversorgung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregelkreis (500) einen Rampengenerator (510) enthält, der den Sollwert beim Anlaufen stetig an­ steigen läßt.

13. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 10 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregelkreis (500) einen integrierenden Regler enthält.

14. Stromversorgung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rampengenerator (510) einen Schalter (516) ent­ hält, der ihn in Betrieb setzt.

15. Stromversorgung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Stromregelkreis (600) der die Real- und die Imagi­ närstromkomponente der Stromgrundwelle aus dem Demodulator (800) erhält und ein Spannungs-Steuersignal an die Modula­ tor- und Treiberschaltung (400) abgibt.

16. Stromversorgung nach Anspruch 10 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregelkreis (500) dem Stromregelkreis (600) überlagert ist.

17. Stromversorgung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregelkreis (600) Potentiometer (608, 610) zur Strombegrenzung aufweist.

18. Stromversorgung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromregelkreis (600) zwei integrierende Verstär­ ker (605, 606) aufweist, von denen jeder den Strom in ei­ ner Richtung begrenzt.

19. Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelresonanzfrequenz in dem Bereich von 18 kHz bis 60 kHz liegt.