CH656083A5 - Schweissvorrichtung und verfahren zu ihrem betrieb. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schweissvorrichtung sowie ein Verfahren zu ihrem Betrieb.

Elektroschweissapparate sind sowohl in der Industrie als auch bei Heimwerkern weit verbreitet. Diese Apparate sind entweder am Einphasen- oder am Dreiphasennetz an-schliessbar, oder sie sind mit einem Generator bzw. einem Gleichstromanschluss ausgerüstet. Es ist normalerweise erforderlich, die Speisespannung auf einen zum Schweissen geeigneten Wert zu transformieren.

Die zu diesem Zweck verwendeten Schweisstransforma-toren sind unförmig und schwer und müssen zwecks Um-schaltung auf unterschiedliche Schweissströme entweder angezapfte Wicklungen oder einen Kern mit veränderlicher Reaktanz haben.

In den US-PS 3 211 953,3231 711,3 304 485,3 518 401, 3 818 177,4 038 515,4 047 096 und 4 117 303 sind schon Schweissapparate geoffenbart.

Aufgabe der Erfindung war die Schaffung einer Schweissvorrichtung, deren Gewicht beträchtlich geringer als dasjenige vergleichbarer, bekannter Apparate ist, die vom Netz gespiesen werden, und deren Abmessungen viel geringer als diejenigen bekannter Schweissapparate sind.

Erfindungsgemäss wird die gestellte Aufgabe durch eine Schweissvorrichtung gelöst, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist.

Die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters liegt demge-mäss oberhalb 3 kHz und beträgt bevorzugt 15 bis 20 kHz. Die genannten Frequenz-Obergrenzen sind so, dass sie sich von Leistungsschaltern noch gut beherrschen lassen. Da es nun schon geeignete Hochfrequenz-Leistungsschalter gibt, kann der Wechselrichter bei Frequenzen betrieben werden, die über 20 kHz liegen und bis zu 100 kHz und darüber betragen. Frequenzen dieser Grössenordnung fallen daher ohne weiteres in den Geltungsbereich der Erfindung.

Der Wechselrichter kann selbstschwingend aufgebaut sein, und es kann ein Rückkopplungszweig zur Steuerung des Wechselrichters mittels eines vom Transformator gelieferten Signals eingebaut sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt der Wechselrichter mindestens zwei Transistoren, die abwechslungsweise aufgesteuert werden, und die Rückkopplung weist mindestens eine Wicklung auf, die mit dem Transformator induktiv gekoppelt ist und den Basisstrom beeinflusst, der den Transistoren zugeleitet wird.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb der Schweissvorrichtung. Dieses Verfahren ist im Patentanspruch 8 definiert.

Die Erfindung soll nun an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter erläutert werden, worin bedeuten:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemässen Schweissvorrichtung und

Fig. 2 ein Schaltschema der Wechselrichter- und Steuerkreise in der erfindungsgemässen Vorrichtung.

In der Fig. 1 ist das allgemeine Schema in Form eines Stromlaufplanes dargestellt, welches die erfindungsgemäss erarbeiteten Grundlagen zeigt.

In Fig. 1 ist eine Wechselstromquelle 10 mit dem Gleichrichter 12 verbunden. Der vom Gleichrichter gelieferte Gleichstrom gelangt zu einem selbstschwingenden Wechselrichter 14. Dieser Wechselrichter 14 liefert ein Ausgangssignal mit einer über 3 kHz liegenden Frequenz, normalerweise im Bereich von 15 bis 20 kHz, d.h. bedeutend oberhalb der normalen Netzfrequenz von 50 oder 60 Hz. Das Ausgangssignal des Wechselrichters liegt an einem Hochfrequenztransformator 16 an. Ein Ausgangsanschluss des Transformators 16 ist mit einer Schweisselektrode 18 verbunden, während der andere Ausgangsanschluss zur Verbindung mit einem zu schweissenden Werkstück 20 dient.

Das wichtigste Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Schweissapparates mit vermindertem Gewicht und geringeren Abmessungen, und dies wird dadurch erreicht, dass bei vergleichsweise hohen Frequenzen gearbeitet wird. Dadurch kann der Transformator kleiner gemacht werden. Der Transformator besitzt mit Vorteil keinen üblichen Kern aus geschichteten Transformatorblechen, sondern einen weichmagnetischen Ferritkern. Dieses Material eignet sich besonders für Hochfrequenz, da es einen sehr hohen spezifischen Widerstand aufweist und Wirbelströme praktisch nicht auftreten. Der Transformator ist zweckmässig mit geeigneter Streureaktanz zwischen Primär- und Sekundärwicklung ausgelegt, so dass bei Kurzschlüssen der Sekundärwicklung der

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Stromanstieg im Wechselrichter auf kontrollierbare Weise vor sich geht und Beschädigungen des Wechselrichters vermieden werden.

Fig. 2 zeigt Details der Schaltung der Schweissvorrichtung. Dabei ist die Schaltung des Gleichrichters 12 im allgemeinen wie üblich aufgebaut und daher in Fig. 2 nicht näher dargestellt. Fig. 2 zeigt vor allem nur den Wechselrichter 14 und den Transformator 16.

Im Wechselrichter sind zwei Schalttransistoren unter Verwendung von mindestens je einem Transistor 22 bzw. 24 eingebaut. Diese dienen zur abwechselnden Verbindung des zugeführten Gleichstroms, dessen Quelle in Fig. 2 mit V bezeichnet ist und der vom Gleichrichter 12 kommt, einmal mit dem einen Wicklungsende 26 und der Mittelanzapfung 28 der Primärwicklung 30 des Transformators 16, und dann mit dem anderen Wicklungsende 32 und wiederum der Mittelanzapfung 28 der Primärwicklung.

Am Kollektor jedes Transistors liegen reaktive Dämpfungsglieder, die die allgemeinen Bezugszeichen 34 bzw. 36 tragen. Jedes Dämpfungsglied besteht aus einem Kondensator 38, den Dioden 40 und 42 sowie einer Induktivität 44. Netzwerke 46 und 48 sind zwischen Basis und Kollektor jedes der beiden Transistoren 22 und 24 geschaltet. Sie dienen dazu, den betreffenden Transistor schnell abzuschalten,

wenn die Reihe an ihm ist, und bestehen aus einer Diode 50, einem Feldeffekttransistor 52 und einem Kondensator 54 in Reihe mit einem Widerstand 56 und parallel zu einer Zener-diode 58.

Eine Basiswicklung 60 ist mit dem Transformator 16 induktiv gekoppelt. Diese Wicklung 60 ist über eine Diode 62 und einen Widerstand 64, dem ein Kondensator 66 parallelgeschaltet ist, mit der Basis jedes der beiden Transistoren verbunden. Dioden 68 und 70 auf je einer Seite der Basiswicklung sind über den Widerstand 72 an Masse gelegt.

Freilaufdioden 74 und 76 liegen antiparallel über der Kollektor-Emmitter-Strecke jedes T ransistors.

Ein Schalter 78 ist zwischen die Gleichstromquelle und einen Punkt 80 eingesetzt, der zwischen der Basiswicklung 60 und dem Transistor 22 liegt.

Es soll besonders daraufhingewiesen werden, dass der Wechselrichter 14 selbstschwingend ist, und dass ausser den FET 52 keine aktiven Komponenten in der Steuerschaltung verwendet sind. Dadurch wird der Aufbau des Schweissap-parates vereinfacht, und man benötigt keine Hilfsstromquellen. Andererseits hat dies zur Folge, dass die Schwingfrequenz des Wechselrichters lastabhängig ist, und es tritt eine Frequenzänderung ein, wenn sich ein Lichtbogen beim Schweissen gebildet hat und die Sekundärwicklung 82 belastet. Im allgemeinen schwingt der Wechselrichter mit einer charakteristischen Frequenz, die von der Primärspannung, der Anzahl der Primärwindungen, dem wirksamen Querschnitt des Weichferritkerns und seiner magnetischen Kraftliniendichte abhängt.

Die Schwingungen werden durch kurzzeitiges Schliessen des Schalters 78 eingeleitet. Dadurch wird die Basisspannung des Transistors 22 hoch, und der Kollektorstrom dieses Transistors steigt an. Der dadurch entstehende Stromfluss in der linken Hälfte der Primärwicklung 30 induziert ein Signal in der Basiswicklung 60, die dann dem Transistor 22 Basisstrom zuführt. Der Magnetfluss im Transformatorkern steigt an, wenn die volle Spannung an den Anschlüssen 26 und 28 anliegt. Wenn der maximale Kollektorstrom erreicht ist, bevor sich der Kern sättigt, steigt die Kollektor-Emitter-Spannung am Transistor 22 ebenfalls an. Wenn sie ihren Höchstwert erreicht hat, tritt bei der Spannung über der Basiswicklung 60 Polaritätsumkehr ein, und der Transistor 24 schaltet ein. Seine Kollektor-Emitter-Spannung fällt, bis die Diode 76 zu leiten beginnt und den Kollektorstrom des

Transistors 22 nach Masse ableitet. In diesem Augenblick beträgt die Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors 22 2V. Nunmehr leitet der Transistor 24, und die Vorgänge laufen in der geschilderten Weise erneut ab.

Die Schaltgeschwindigkeit der Transistoren 22 und 24 ist so gewählt, dass sie im Bereich zwischen 15 und 20 kHz liegt. Bei dieser Frequenz sind die magnetischen Bauteile so klein, wie es praktisch noch möglich ist, und die Schaltung zur Behandlung der Schweissströme auf der Primärseite des Transformators ist beherrschbar und wirtschaftlich. Dadurch erzielt man eine beträchtliche Verminderung der Abmessungen und des Gewichts des Schweissapparates gemäss Erfindung verglichen mit ähnlichen Geräten des Standes der Technik, die mit Netzfrequenz arbeiten. Beispielsweise wiegt ein nach den Angaben der Erfindung aufgebauter Schweissapparat mit einer Leistung von 5 kW nur 5 kg. Die Schwingfrequenz des Wechselrichters, die, wie erwähnt, lastabhängig ist, schwankte zwischen 10 und 20 kHz. Der Raumbedarf der Vorrichtung betrug 220 x 150 x 150 mm.

Der Transformator ist mit einer solchen Streureaktanz zwischen Primär- und Sekundärwicklung versehen, dass die Wahrscheinlichkeit von Beschädigungen äusserst gering ist, falls die Sekundärwicklung kurzgeschlossen wird. Aus Fig. 1 kann entnommen werden, dass die Primärwicklung 30 und die Sekundärwicklung 82 auf entgegengesetzten Schenkeln eines rechteckigen Weichferritkerns 84 angeordnet sind. Die Gesamt-Streureaktanz ist die Summe der Streureaktanz aus dem Abstand zwischen den einzelnen Windungen und der Streureaktanz zwischen den beiden Wicklungen. Letztere ist einstellbar und wird durch entsprechende Wahl der Abmessungen des Transformatorkerns bestimmt.

Wie schon erwähnt wurde, sind reaktive Dämpfungsglieder 34 und 36 vorgesehen, damit die Transistoren beim Durchschalten vor hohen Spannungsspitzen, d.h. hohem dV/dt, geschützt werden. Der Vorteil dieser Art Dämpfungsglieder vor stromverbrauchenden Elementen (RC-Glieder) liegt in der besseren Wirksamkeit. Da der Wechselrichter auch bei Ultraschallfrequenzen arbeiten kann, sind stromverbrauchende Dämpfungsglieder wenig wirksam und führen zu hohen Energieverlusten. Die reaktiven Dämpfungsglieder 34 und 36 führen überschüssige Energie zur Stromquelle V zurück.

Die Basisströme der Transistoren werden von der Spannung geliefert, die in der Basiswicklung 60 induziert wird. Es ist bekannt, dass die Abschaltezeit von Transistoren eine wichtige Rolle bei der Bestimmung von Schaltverlusten spielt, und daher ist es erwünscht, die Abfallzeit der Kollektorströme so kurz wie möglich zu halten. Wenn der betreffende Transistor durchschaltet, so gelangt er in den Sättigungszustand, und die Schaltungen 46 und 48 sind so ausgelegt, dass sie abfühlen, wenn der Transistor nicht mehr gesättigt ist; in diesem Augenblick wird ein negatives Potential auf die Basis gegeben, wodurch die Abfallzeit verkürzt wird. Wenn man z.B. den Transistor 22 betrachtet, so fliesst, sobald die Kollektor-Emitter-Spannung ansteigt, ein Strom durch den Kondensator 54 und hält die Gate-Source-Span-nung des Transistors 52 auf der Zenerspannung der Diode 58. Der Transistor 52 schaltet durch und legt ein negatives Potential, das an der Source anliegt, auf die Basis des Transistors 22. Dies führt zu einer drastischen Verkürzung seiner Abfallzeit. Die negative Sourcespannung erzeugt man bequem mit Hilfe einer einfachen mittelangezapften Windung, die mit dem Transformator 16 gekoppelt ist.

Zur Erzeugung geeigneter Arbeitsfrequenzen des Hochfrequenztransformators 16 können grundsätzlich viele andere Schaltmittel Verwendung finden. Der Einsatz des vorgeschlagenen selbstschwingenden Wechselrichters hat jedoch die besonderen Vorteile der Einfachheit und Wirtschaftlich5

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keit. Der damit aufgebaute Schweissapparat ist, wie schon gesagt, kompakt und leicht. Der vom Transformator 16 abgegebene Effektivstrom kann durch entsprechende Einstellung der Basisströme der Transistoren 22 und 24 leicht eingeregelt werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass man die Werte des Widerstandes 64 oder 72 oder beider regelbar macht. Auf diese Weise können Normwerte von beispielsweise 40,60, 80 und 100 A leicht eingestellt werden, indem man einen Schalter betätigt, durch den verschiedene Werte von einem oder mehreren der genannten Widerstände in den Stromkreis geschaltet werden.

Die Schweissvorrichtung arbeitet bei Frequenzen, die obehalb von 3 kHz insbesondere oberhalb des Audiobereiches liegen. Dadurch wird eine akustische Umweltbelastung vermieden. Beim Betrieb des beschriebenen Schweissappara-tes konnte kein Geräusch in der Schaltung festgestellt werden.

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1 Blall Zeichnungen

Claims (8)

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1. Schweissvorrichtung, gekennzeichnet durch einen Wechselrichter (14) mit einer oberhalb 3 kHz liegenden Ausgangsfrequenz, und durch einen mit dem Wechselrichter verbundenen Transformator mit mittelangezapfter Primärwicklung (30), dessen Sekundärwicklung (82) mit Anschlüssen für die elektrische Verbindung mit einer Elektrode (18) und einem zu schweissenden Werkstück (20) versehen ist.

2. Schweissvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters oberhalb 15 kHz liegt.

3. Schweissvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Rückkopplungszweig (60) zur Steuerung des Betriebes des Wechselrichters über ein vom Transformator kommendes Signal.

4. Schweissvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (14) mindestens zwei Transistoren (22,24) aufweist und im Rückkopplungszweig mindestens eine Spule (60) vorgesehen ist, die induktiv mit dem Transformator gekoppelt ist und den Basisstrom der Transistoren beeinflusst.

5. Schweissvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit dem Wechselrichter verbundene Gleichstrom-Leistungsquelle (V) sowie durch einen induktiv mit dem Transformator gekoppelten Rückkopplungszweig (60) zur Steuerung des Betriebes des Wechselrichters.

6. Schweissvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (14) mindestens zwei Transistoren (22,24) aufweist, die abwechselnd geöffnet und gesättigt sind, wobei der Basisstrom der beiden Transistoren durch den Rückkopplungszweig (60) bestimmt wird, und dass Mittel (46,48) zum Anlegen eines Signals an die Basis jedes Transistors (22,24) zur Verringerung der Abfallzeit, wenn der Transistor den Sättigungszustand verlässt, vorgesehen sind.

7. Schweissvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator einen Ferritmagnetkern (84) besitzt, und dass die primäre und die sekundäre Wicklung (30, 82) auf entgegengesetzten Schenkeln des Kerns angebracht sind.

8. Verfahren zum Betrieb der Schweissvorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Gleichstromquelle (V) abwechselnd einmal an die Mittelanzapfung (28) und ein erstes Wicklungsende (26) und zum anderen an die Mittelanzapfung und ein zweites Wicklungsende (32) der mittelangezapften Primärwicklung (30) des Transformators mit einer Frequenz oberhalb 3 kHz anschaltet, und dass diese Schaltung mittels eines vom Transformator gelieferten Rückkopplungssignals gesteuert wird.