DE4025637C2 - Ultraschallstromversorgung - Google Patents
UltraschallstromversorgungInfo
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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 (2fp), dem um 180 Grad phasen
verschobenen Zweifachen der Grundfrequenz () und der
Grundfrequenz (fp) 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 (fp) zu erzielen. Ein
Eingangssignal, das dem Betriebsstrom entspricht, wird von
der Ausgangsstufe 200 über Leiter 202 und 204 ausgegeben. Das
Eingangssignal enthält die Grundstromfrequenz (fp) 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 fp 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 4fp 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
4fp aus dem Oszillator 300 wird somit durch einen Faktor zwei
dividiert, um zwei Signale zu liefern, nämlich ein Signal 2fp
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 2fp an seinen Eingang angelegt wird.
Die Ausgangssignale des Flipflops 332 sind das Grundfrequenz
signal fp, das auf dem Leiter 306 erscheint, und das komple
mentäre Signal fp, 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
2fp), 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 2fp 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
fp 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.
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