DE10102605A1 - Schweißstromregelung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Widerstandsschweißen mit Wechselstrom, mit einem für den Betrieb bei Netzfrequenz, insbesondere bei 50 Hz oder 60 Hz, ausgelegten Schweißtransformator, an dessen Sekundärseite die mit Wechselstrom beaufschlagten Schweißelektroden angeschlossen sind und auf dessen Primärseite eine Regelanordnung mit elektronisch steuerbaren Schaltgliedern zwischen dem Schweißtransformator und dem Anschluß an das Stromnetz zur Regelung der an der Primärseite anliegenden Spannung angeordnet ist. DOLLAR A Herkömmliche Netztransformatoren werden üblicherweise an zwei Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossen und über Thyristoren geregelt. Diese Regelung ist wenig flexibel und weist einige Nachteile auf. DOLLAR A Um eine variable Regelung bei Verwendung herkömmlicher Netztransformatoren zu ermöglichen, wird eine Regelanordnung vorgeschlagen, die aus einer an alle drei Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossenen Gleichrichterschaltung und einem steuerbaren Wechselrichter besteht, wobei der Wechselrichter die gleichgerichtete Spannung in Spannungsimpulse wechselnder Polarität mit veränderbarer Frequenz und/oder Impulsweite umwandelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Wider­ standsschweißen mit wechselndem Schweißstrom.

Herkömmliche Wechselstrom-Schweißvorrichtungen umfassen einen für den Betrieb bei Netzfrequenz, insbesondere bei 50 Hz oder 60 Hz ausgelegten Schweißtransformator, an dessen Sekundärseite die mit Wechselstrom beaufschlagten Schweißelektroden angeschlossen sind und auf dessen Primärseite eine Regelanordnung mit elektronisch steuerbaren Schaltgliedern zwischen dem Schweißtransformator und dem Anschluß an das Stromnetz angeordnet ist. Die Regelanordnung dient der Regelung der an der Primär­ seite anliegenden Spannung.

Insbesondere ist die vorliegende Erfindung für das Widerstandspunktschwei­ ßen bestimmt, bei dem die Schweißelektroden mit einer gewissen Andrück­ kraft auf beide Seiten der zu verschweißenden Gegenstände - meist Bleche - gedrückt werden und zur Erzeugung eines Schweißpunktes mehrere Halb­ wellen des Schweißstromes verwendet werden.

Die herkömmlichen Anordnungen zur Erzeugung des Schweißstroms bei Wechselstrom-Widerstandsschweißvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik gut bekannt und beispielhaft in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen dargestellt. Hier wird die Spannung zwischen zwei Anschlußklemmen L1 und L2 einem Schweißtransformator 1 zugeführt. Auf der Sekundärseite des Schweißtransformators 1 sind die mit Wechselstrom beaufschlagten Schweiß­ elektroden 2, 3 angeordnet. Auf der Primärseite des Schweißtransformators 1 sind zwei mit entgegengesetzter Durchlaßrichtung parallel angeordnete Thyristoren 4, 5 vorgesehen, welche die elektronisch steuerbaren Schaltglie­ der bilden.

Die bekannte Anordnung hat den Vorteil, daß sie äußerst einfach und kostengünstig realisiert werden kann. Die beiden Anschlußklemmen L1 und L2 können an zwei Phasen oder an den Null-Leiter und eine Phase eines üblichen Drehstromnetzes mit einer Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz angeschlossen werden. Bis auf die beiden Thyristoren 4, 5 und den Schweiß­ transformator 1 sind keine weiteren elektronischen Bauelemente zur Erzeu­ gung des Schweißstroms erforderlich. Thyristoren 4, 5 und Netztransforma­ toren, die auf 50 Hz oder 60 Hz ausgelegt sind, sind seit Jahrzehnten als Standard-Bauelemente bekannt und äußerst robust und langlebig. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zur Erzeugung eines Schweißstroms ist somit sehr kostengünstig und betriebssicher.

Allerdings sind die Regelmöglichkeiten durch diese Vorrichtung äußerst beschränkt. Die Thyristoren 4, 5 können in jeder Halbwelle des primärseiti­ gen Stroms nur einmal eingeschaltet werden und schalten sich erst beim Null-Durchgang des primärseitigen Stroms aus.

Die Fig. 2 und 3 zeigen zwei verschiedene Regeleinstellungen der Thyristo­ ren 4, 5. In Fig. 2 werden die jeweiligen Thyristoren 4, 5 erst relativ spät in jeder Halbwelle gezündet, d. h. der Phasenanschnittswinkel α ist groß gewählt. Hieraus ergibt sich, daß das Tastverhältnis, welches das Verhältnis aus Einschaltdauer während einer Halbwelle und der Gesamtdauer der Halbwelle definiert ist, recht klein ist. Der fließende primärseitige Strom und dadurch der sich ergebende sekundärseitige Strom sind recht gering. Es ist zu erkennen, daß der Schweißstrom in diskreten Impulsen verläuft. Eine Punktschweißung, die mit mehreren dieser Schweißstromhalbwellen erzeugt wird, wird mit einem pulsierenden Strom beaufschlagt, was zu schwanken­ den Temperaturverläufen in der Schweißlinse führt.

In Fig. 3 wird ein kleiner Einschaltwinkel oder Phasenanschnittswinkel α gewählt, d. h. die Einschaltdauer entspricht dem größten Teil der Halbwelle, woraus sich ein großes Tastverhältnis und ein großer Schweißstrom ergibt.

Da Thyristoren erst beim Null-Durchgang des durch sie hindurch fließenden Stroms gelöscht werden, ist nur ein Schaltvorgang pro Halbwelle möglich. Ein mehrfaches Regeln, d. h. An- und Ausschalten, der Thyristoren 4, 5 in einer Halbwelle ist nicht möglich. Dieser Nachteil kann allerdings durch die Verwendung von GTOs (Gate-Turn-Off-Thyristoren) reduziert werden, die auch ein mehrfaches Schalten in der Halbwelle ermöglichen. Grundsätzlich muß die Regelung über Thyristoren jedoch zur Netzfrequenz synchronisiert werden. Der Regelbeginn und damit der Schweißbeginn ist auf einen bestimmten Punkt des Netzsignals festgelegt. Bis dieser Punkt erreicht ist, kann eine Zeitdauer vergehen, die dem Kehrwert der Netzfrequenz ent­ spricht. Bei Netzfrequenzen von 50 Hz oder 60 Hz liegt diese Zeitdauer maximal bei 20 Millisekunden bzw. 16,6 Millisekunden. Bei Wider­ stands-Schweißautomaten, die eine große Anzahl (z. B. 10 Schweißungen pro Sekunde) erzeugen, können diese sich durch die Thyristor-Steuerung ergebenden Verzögerungen erheblich sein.

Ein weiterer gravierender Nachteil der herkömmlichen, einphasigen Schweißvorrichtungen ist, daß nur eine oder zwei Phase des Drehstromnet­ zes belastet wird. Wenn ein hoher Schweißstrom und damit eine hohe Schweißleistung erforderlich sind, kann die hieraus resultierende unsymme­ trische Netzbelastung einen unzulässigen Wert erreichen. Die Leistung der einfachen einphasigen Wechselstrom-Schweißmaschinen ist daher begrenzt. Wenn größere Leistungen erforderlich sind, müssen recht aufwendige Dreiphasen-Maschinen mit einem aufwendigen Dreiphasen-Transformator verwendet werden. Der sich hieraus ergebende sekundärseitige Schweiß­ strom muß mit Hochstromdioden gleichgerichtet werden, da die Impedanz der Schweißanlage für den sich sekundärseitig ergebenden Wechselstrom zu groß ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Widerstandsschweißen mit wechselndem Schweißstrom eines für den Betrieb bei Netzfrequenz ausgelegten Schweißtransformators, an dessen Sekundär­ seite zwei Schweißelektroden angeschlossen sind, zu schaffen, welches eine flexible und variable Regelung ermöglicht und auch bei einer hohen Leistung nicht zu einer asymmetrischen Belastung des Drehstromnetzes führt.

Diese Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die primärseitige Regelanordnung aus einer an alle drei Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossenen Gleichrichterschaltung und einem steuerbaren Wechselrichter besteht, wobei der Wechselrichter die gleichge­ richtete Spannung in Spannungsimpulse wechselnder Polarität mit veränder­ barer Frequenz und/oder Impulsweite umwandelt.

Hieraus ergeben sich die erfinderischen Verfahrensmerkmale, daß die an dem für die Netzfrequenz ausgelegten Schweißtransformator anliegende primärseitige Spannung durch die genannte Gleichrichterschaltung gleichge­ richtet und anschließend von einem steuerbaren Wechselrichter in Spannungsimpulse wechselnder Polarität mit veränderbarer Frequenz und/oder Impulsweite umgewandelt wird.

Grundsätzlich ist die primärseitige Schweißstromregelung durch Gleichrich­ tung der Netzspannung eines Drehstromnetzes durch eine sogenannte B-6-Schaltung, d. h. eine Brückenschaltung mit sechs Dioden, und anschlie­ ßendes Zerhacken und Invertieren der resultierenden Gleichspannung durch einen Wechselrichter bekannt. In Anlehnung an den englischen Sprachge­ brauch wird ein Wechselrichter auch als Inverter bezeichnet. So zeigt beispielsweise die Fig. 4 eine von der Anmelderin in der Vergangenheit angebotene Gleichstrom-Widerstandsschweißvorrichtung. Es ist die B-6- Brückenschaltung zu erkennen, an die sich ein Wechselrichter anschließt, der aus vier elektronisch betätigbaren Schaltgliedern oder Schaltern 7 besteht, die jeweils parallel zu einer Freilaufdiode 8 geschaltet sind. Des weiteren weist die Schaltung in bekannter Weise einen Glättungskondensator 9 auf.

Als Schalter 7 werden bei den Regelvorrichtungen der Anmelderin Transi­ storen verwendet. Insbesondere wird die Verwendung sogenannter IGBTs (Insolated Gate Bipolar Transistor) bevorzugt, bei denen die Feilaufdiode 8 mit dem als Schalter 7 wirkenden Transistor in ein Bauteil integriert sind. Je nach Leistungsfähigkeit dieser Schalter 7 erzeugt der Wechselrichter oder Inverter eine Folge von Rechteck-Impulsen mit alternierender Polarität im Mittelfrequenzbereich (MF-Bereich) bei beispielsweise 1000 Hz oder im Hochfrequenzbereich (HF-Bereich) bei beispielsweise 20.000 Hz. Diese Spannung wird bei den bekannten Schweißvorrichtungen der Anmelderin an die Primärseite eines für die entsprechende Frequenz ausgelegten MF-Transformators oder HF-Transformators 10 angelegt. Die mittelfre­ quente oder hochfrequente Transformatorspannung wird sekundärseitig durch Hochstromdioden 11 gleichgerichtet und den Schweißelektroden 2, 3 zugeführt.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform des MF- oder HF-Transformators 10 handelt es sich um einen Transformator mit Mitten­ abgriff an der sekundärseitigen Spule. Es sind daher nur zwei Hochstromdi­ oden 11 zur Gleichrichtung der von den beiden Endabgriffspunkten resultie­ renden Spannung erforderlich. Alternativ kann bei Verwendung eines MF- oder HF-Transformators 10 ohne Mittenabgriff eine B-2-Brückenschaltung zur Gleichrichtung des Sekundärstroms verwendet werden. Hierdurch verdoppelt sich jedoch die Zahl der erforderlichen Hochstromdioden 11.

Die Fig. 5 und 6 zeigen die Form der Regelung mit einer Anordnung aus der Fig. 4. Bei einer konstanten Taktfrequenz des Wechselrichters wird das Tastverhältnis, d. h. das Verhältnis der Einschaltdauer während eines Spannungsimpulses zur gesamten Impulsdauer variiert. In Fig. 5 wird sekundärseitig an den Schweißelektroden 2, 3 ein relativ kleiner Schweiß­ strom erzeugt, indem primärseitig ein recht kleines Tastverhältnis gewählt wird. Das heißt, daß die primärseitige Einschaltdauer des Wechselrichters nur einen Bruchteil der gesamten Impulsdauer (Kehrwert der Taktungsfre­ quenz des Wechselrichters) beträgt. In Fig. 6 wird dagegen ein hoher sekundärseitiger Schweißstrom erzeugt, indem das Tastverhältnis möglichst gleich 1 ist, d. h. während der gesamten Impulsdauer die Primärspannung eingeschaltet ist.

Derartige Wechselrichter- oder Inverter-Schaltungen in Verbindung mit MF- oder HF-Transformatoren haben den Vorteil, daß sie eine sehr genaue und schnelle Regelung des Schweißstroms ermöglichen. Da die Schalter 7 des Wechselrichters nahezu verzögerungsfrei elektronisch betätigt werden können, können primärseitig beliebige Spannungsverläufe generiert und damit sekundärseitig beliebige Stromverläufe erzeugt werden.

Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung liegt in dem aufwendigen Aufbau des MF- oder HF-Transformators in Verbindung mit den sekundärseitigen Hochstromdioden. Transformatoren zur Erzeugung hoher Schweißströme (in der Größenordnung von mehreren 100 oder 1000 Ampere), die im Mittelfre­ quenz- oder Hochfrequenzbereich arbeiten, sind zur Zeit weniger verbreitet als herkömmliche Netzfrequenz-Transformatoren. Außerdem ist in der Regel die sekundärseitige Impedanz einer Schweißanlage so hoch, daß ein wech­ selnder Schweißstrom mit einer Frequenz im MF-Bereich (z. B. 1000 Hz) oder im HF-Bereich (z. B. 20.000 Hz) nicht zulässig ist. Es müssen somit Hochstromdioden 11 zur Gleichrichtung des Schweißstroms verwendet werden, welche relativ teuer sind und aufgrund der erforderlichen Wasser­ kühlung einen hohen Aufwand an Zusatzgeräten und Installationen erfor­ dern.

Auch aus dem europäischen Patent EP 0 502 478 B1 und dem korrespondie­ renden US-Patent 5,489,757 ist eine primärseitige Regelanordnung mit Gleichrichter und Wechselrichter, hier Zerhacker oder Chopper genannt, bekannt.

Dieser Wechselrichter erzeugt die Primärspannung eines speziellen Mittel­ frequenz-Transformators zur Erzeugung aufeinanderfolgender Schweiß­ punkte beim Rollenschweißen. Beim Rollenschweißen werden zu verschwei­ ßende Bleche übereinandergelegt und mit rollenförmigen Elektroden zusam­ mengedrückt. Diese Schweißrollen werden mit einem Wechselstrom mit einer Schweißfrequenz in der Größenordnung von 250 Hz oder 500 Hz beaufschlagt. Jede Halbwelle dieses Schweißstroms erzeugt in der Regel einen Schweißpunkt entlang einer aus aufeinanderfolgenden Punkten beste­ henden Rollen-Schweißnaht. Ein derartiger Transformator eignet sich in der Regel nicht für übliche statische Widerstands-Schweißeinrichtungen, die mehrere Halbwellen des Schweißstroms zur Erzeugung einer Schweißlinse verwenden.

Gemäß der oben beschriebenen Erfindung wird nun durch Zufuhr der Ausgangsspannung eines Wechselrichters zu der Primärseite eines üblichen, für die Netzfrequenz ausgelegten Schweißtransformators eine Vorrichtung geschaffen, die zum einen ein sehr schnelles und variables Regeln ermög­ licht, zum anderen den konstruktiv einfachen und weit verbreiteten Netz­ transformator zur Erzeugung des Schweißstroms einsetzt.

Diese Kombination der alten Technologie des Netztransformators mit der modernen Regelungstechnik in Form eines Gleichrichters mit nachgeschal­ tetem Wechselrichter scheint dem Fachmann zunächst unsinnig. Die Folge rechteckiger Impulse, die der Wechselrichter mit Mittelfrequenz oder Hochfrequenz erzeugt, eignet sich am besten zur Ansteuerung eines MF- oder HF-Transformators. Auch scheint es unsinnig, einen für einen einfa­ chen Netzanschluß ausgelegten Transformator mit einer komplexen Strom­ richterschaltung zu speisen, die die Netzspannung erst gleichrichtet und dann wieder zerhackt.

Verschiedene Kundenanfragen und die Erfahrung in dem betroffenen Fachgebiet haben der Anmelderin aber gezeigt, daß zum eine Vorurteile gegen die neue, vermeintlich aufwendige, teure und anfällige Technik des Mittelfrequenz- oder Hochfrequenz-Gleichstromschweißens bestehen. Zum anderen ist es oft aus Kostengründen nicht möglich, große Fertigungsstraßen beispielsweise im Automobilbau kurzfristig und vollständig auf die Gleich­ stromschweißtechnik umzurüsten. Wenn dennoch zumindest bestimmte Schweißautomaten schnell und flexibel geregelt werden sollen, ergibt sich die Notwendigkeit, die neue Inverter-Technik parallel zur alten Wechsel­ stromschweißtechnik einzusetzen. Diese Erfahrungen führten die Anmelderin zum Vorschlag, beide Techniken gemäß der Erfindung zu kombinieren.

Hieraus ergeben sich folgende Vorteile:

• - Durch den Einsatz weit verbreiteter und kostengünstiger Netztrans­ formatoren können erhebliche Kosten erspart werden.
• - Da sekundärseitig aufgrund der geringen Frequenz des Transforma­ tors keine Dioden erforderlich sind, lassen sich zum einen die hohen Kosten für die Hochstromdioden bekannter MF- oder HF-Gleichstrom- Schweißvorrichtungen sowie für die dazugehörige Peripherie (Kühlwasserzufuhr) sparen. Auch wird die Schweißvorrichtung durch das Fehlen der Dioden weniger störanfällig.
• - Vorhandene Wechselstrom-Schweißanlagen können nachgerüstet werden, indem lediglich das Leistungsteil ausgetauscht wird. Wenn nachfol­ gend die Umrüstung auf Gleichstrom-Schweißvorrichtungen erwünscht ist, können die bereits installierten Inverter verwendet werden. Es muß nur noch der Transformator gegen einen MF- oder HF-Transformator mit Gleichrich­ terdioden ausgetauscht werden.
• - Da der primärseitige Gleichrichter an alle drei Phasen eines Dreh­ stromnetzes angeschlossen ist, erfolgt grundsätzlich eine symmetrische Netzbelastung.
• - Der primärseitige Gleichrichter erzeugt - anders als ein direkt über Thyristoren an das Netz angeschlossener Transformator - keine induktive Netzbelastung, d. h. keinen Blindstrom.
• - Da die Leistung von den drei Phasen eines Drehstromnetzes abge­ griffen werden, kann der einzelne Anschluß geringer dimensioniert werden, wodurch sich der Installationsaufwand verringert.
• - Da der Wechselrichter als Regeleinrichtung mit Gleichstrom beaufschlagt wird, ist eine Synchronisierung mit der Netzfrequenz nicht erforderlich.
• - Da moderne Wechselrichter sowohl das Tastverhältnis als auch die Taktfrequenz in weiten Bereichen variieren können, ist eine sehr variable und schnelle Regelung möglich.
• - Gegenüber bekannten Schweißstromquellen mit Wechselrichtern, Mittelfrequenztransformatoren und sekundärseitigen Gleichrichterdioden besteht der Vorteil bei Verwendung eines herkömmlichen Wechselstrom­ transformators ohne Gleichrichtung, daß der Schutzleiteranschlusses am Mittelpunkt der sekundärseitigen Wicklung symmetrisch abgegriffen werden kann. Hierdurch werden unerwünschte Nebenschlußströme über den Schutz­ leiter verringert.
• - Anders als die herkömmliche Thyristorensteuerung ermöglicht die Regelung des Schweißstroms eines herkömmlichen Netztransformators durch einen Wechselrichter zur Erzeugung der primärseitigen Spannung einen lückenlosen Schweißstromverlauf.

Dabei ist zu beachten, daß übliche an die Netzspannung angeschlossene Transformatoren nicht grundsätzlich für eine synchron zur Netzspannung verlaufende Primärspannung ausgelegt sind. Beispielsweise können soge­ nannte Frequenzwandler-Transformatoren auch für niedrigere Frequenzen (im Bereich von 10 Hz) ausgelegt sein. Auch die Verwendung dieser Transformatoren in erfinderischer Kombination mit einem primärseitigen Gleichrichter und Wechselrichter weist die erfindungsgemäßen Vorteile auf.

Vorzugsweise bestehen gemäß dem Stand der Technik die Schalter des Wechselrichters aus in Brückenschaltungen angeordneten Transistoren, zu denen Freilaufdioden parallel geschaltet sind.

Zur Steuerung des Schweißstroms kann die Impulsdauer beliebig moduliert werden. Eine Schweißstromsteuerung durch Impulsdauer-Modulation bei fester Taktrate ist beispielsweise aus der oben genannten EP 0 502 478 B1 für eine Rollenschweißmaschine bekannt. Ähnlich wie dort beschrieben, können auch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung eines Netztransformators sehr verschiedene primärseitige Spannungen und dadurch sehr verschiedene sekundärseitige Stromkurven erzeugt werden.

Zusätzlich zu der in der genannten europäischen Patentschrift beschriebenen Steuerungsmöglichkeit besteht auch die Möglichkeit der Steuerung des Schweißstroms durch Modulation der Impulsfrequenz. Dabei kann die Impedanz des gemäß der Erfindung verwendeten Netztransformators und des Aufbaus auf der Sekundärseite des Transformators berücksichtigt werden. Durch Steigerung der primärseitigen Impulsfrequenz kann der sekundär­ seiteige Schweißstrom abgesenkt werden. Umgekehrt kann durch Absenken der Frequenz der Wechselimpulse des Wechselrichters der Schweißstrom gesteigert werden.

Diese Frequenzregelung des Schweißstroms hat nach Kenntnis der Anmelde­ rin kein Vorbild im Stand der Technik. Sie kann allein, das heißt ohne Regelung weiterer Parameter des Wechselrichters, zur Erzeugung des gewünschten Schweißstromverlaufs eingesetzt werden. Bei dieser verein­ fachten Ausführungsform bleibt das Tastverhältnis, welches das Verhältnis aus Einschaltdauer zur Gesamtdauer eines Impulses darstellt, konstant. In einer Ausführungsform mit verbesserten Regelungsmöglichkeiten wird die Frequenzmodulation mit der Impulsdauermodulation kombiniert. Die Schweißstromregelung erfolgt somit sowohl durch Variation der Impulsfre­ quenz als auch durch Variation des Tastverhältnisses, das heißt des Prozen­ tualen Anteils der Einschaltzeit an der Gesamtzeit einer Schweißung.

Zur Erläuterung von Ausführungsformen der Erfindung zeigen:

Fig. 7 den apparativen Aufbau einer erfindungsgemäßen Schweißvorrich­ tung,

Fig. 8 eine qualitative Darstellungen der primärseitigen Spannungsansteue­ rung und des Schweißstromverlaufs bei einem erfindungsgemäßen Schweistrom-Regelverfahren und

Fig. 9 eine qualitative Darstellungen der primärseitigen Spannungsansteue­ rung und des Schweißstromverlaufs bei einem alternativen erfin­ dungsgemäßen Schweistrom-Regelverfahren.

Die Fig. 7 zeigt den aparativen Aufbau einer erfindungsgemäßen Schweiß­ vorrichtung. Dabei entspricht der primärseitige Aufbau des Gleichrichters und des Wechselrichters der Ausführungsform aus Fig. 4. Der Schweißtrans­ formator 1 ist ein zum Betrieb bei Netzfrequenz ausgelegter Einphasen- Transformator. In Europa weisen die Stromnetze in der Regel eine Frequenz von 50 Hz auf. Z. B. in den U.S.A. liegt die Netzfrequenz bei 60 Hz. Die Elektroden 2 und 3 sind unmittelbar, d. h. ohne Diodengleichrichter an die Sekundärseite des Transformators angeschlossen.

Der apparative Aufbau einer Regelvorrichtung für den Wechselrichter auf der Primärseite des Schweißtransformators ist aus dem Stand der Technik, z. B. den genannten einander entsprechenden Patenten EP 0 502 478 B1 und US 5,489,757 bekannt und muß hier nicht erneut abgebildet werden. Über einen induktiv mit dem Schweißstromkreis auf der Sekundärseite des Schweißtransformators gekoppelten Messwertaufnehmer wird kontinuierlich der Schweißwert erfaßt und mit einem vorgegebenen Sollwertverlauf verglichen. Eine Regeleinrichtung, wie sie z. B. in den Fig. 1 der beiden genannten Patente zu erkennen ist, wird nach einem vorgebbaren Regelpro­ gramm der Wechselrichter geregelt. In den Fig. 2 der genannten Patente sind die Gate-Treiber zu erkennen, welche den Schaltzustand der als Schal­ ter wirkenden Transistoren einstellen.

Wie erwähnt, kann die primärseitig an dem Transformator 1 anliegende Spannung durch Impulsweitenmodulation geregelt werden, wie es in den Fig. 4, 5 und 6 der Zeichnungen zu den genannten Patente EP 0 502 478 B1 und US 5,489,757 dargestellt und in Verbindung mit der Regelung für einen Mittelfrequenztransformator für eine Rollenschweißma­ schine beschrieben ist. Hier wird bei einer vorgegebenen festen Impulsdau­ er der Mittelwert der primärseitigen Spannung durch das Tastverhältnis, das heißt das Verhältnis der Einschaltdauer zu dieser festen Impulsdauer geregelt. Bei einem Tastverhältnis von 1, das heißt, wenn die Einschaltdauer gleich der Impulsdauer ist, wird bei der gewählten Polarität der maximale Spannungswert oder Spannungsanstieg erzielt. Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei verschiedene Ansteuerungsvarianten für die Schalter des Wechselrich­ ters. In Fig. 4 werden die Schalter derart betätigt, daß die primärseitige Spannung ausschließlich zwischen ihrem positiven Maximalwert und ihrem negativen Maximalwert umgeschaltet wird. Ein mittlerer Spannungswert von Null stellt sich ein, wenn die positive Einschaltdauer, der negativen Ein­ schaltdauer entspricht, d. h. wenn zwei aufeinanderfolgende Impulse mit entgegengesetzter Polarität das gleiche Tastverhältnis aufweisen. In Fig. 5 wird die Primärspannung zur Erzeugung einer positiven Halbwelle zwischen dem Nullwert (alle Schalter offen) und dem positiven Spannungswert des Gleichrichters und zur Erzeugung einer negativen Halbwelle zwischen dem Nullwert und dem negativen Spannungswert des Gleichrichters umgeschaltet. Beide Regelvarianten können auch im vorliegenden Verfahren zur Regelung eines Netztransformators eingesetzt werden. Dabei ist zu beachten, daß der dargestellte rechteckige Spannungsverlauf, der durch die steuerbaren Schaltglieder des Wechselrichters angesteuert wird, aufgrund der Impedanz des Schweißtransformators nicht der tatsächlich an dem Schweißtransforma­ tor anliegenden Spannung entsprechen kann.

Zusätzlich ist auch eine Regelung mit veränderlicher Frequenz der Span­ nungsimpulse oder mit einer beliebig einstellbaren Impulslänge möglich.

Die Fig. 8 der beigefügten Zeichnungen zeigt die neuartige Möglichkeit der Schweißstromregelung durch Modulation der Frequenz der durch den Wechselrichter erzeugten Wechselspannung. Dabei zeigt die Linie 12 die Rechteck-Ansteuerimpulse der durch den Wechselrichter auf der Primärseite des Schweißtransformators erzeugten Spannung. Die Linie 13 zeigt den Schweißstromverlauf und die Linie 14 den Effektivwert des Schweißstroms, der den Mittelwert jeder Halbwelle des Schweißstroms 13 wiedergibt. Mit konstantem Tastverhältnis (Verhältnis der Einschaltdauer zur Summe aus Einschalt- und Ausschaltdauer eines Impulses) wird durch drei verschiedene Impulsfrequenzen ein unterschiedlicher mittlerer Schweißstromwert erzeugt. In der linken Bildhälfte wird durch die ersten vier Impulse mit niedgriger Frequenz und sich daraus ergebender langer Impulsdauer ein hoher mittlerer Schweißstromwert erzeugt. Bei der höheren Frequenz der folgenden vier Impulse wird ein kleinerer Schweißstrom erzeugt, der durch weiteres Anheben der Impulsfrequenz bei den letzten vier Impulsen weiter gesenkt werden kann. Es ist zu erkennen, daß zwischen den einzelnen Halbwellen des Schweißstroms kurze Abschnitte verbleiben, in den der Schweißstrom den Wert Null hat. Dieser Lückenbetrieb mit pulsierendem Schweißstrom kann bei einigen Schweißanwendungen vorteilhaft sein. In anderen Fällen wiederum resultieren aus dem pulsierendem Schweißstrom und der hierdurch schwankenden Energieeinbringung in die Schweißstelle Nachteile, so daß je nach den Randbedingungen der jeweiligen Schweißung entweder ein lücken­ hafter Schweißstrom oder ein Schweißstrom mit lückenlos aufeinander folgenden Halbwellen wechselnder Polarität erzeugt werden kann.

Bei der Veränderung der Impulsfrequenz des Wechselrichters ist es nicht erforderlich, das Tastverhältnis konstant zu halten. Es bieten sich auch Regelverfahren an, bei denen die Einschaltdauer, die Ausschaltdauer sowie die Polarität beliebig geregelt werden können. Die Darstellung eines derartigen Regelverfahrens zeigt beispielsweise die Fig. 9. Hier ist eine sogenannte Toleranzbandregelung gezeigt. Es ist ein Sollwertverlauf 15 vorgegeben sowie ein zulässiger Toleranzwert, um den der Istwert des Stroms ohne Eingreifen der Regelung von dem Sollwert abweichen darf. Hieraus ergibt sich ein Toleranzband mit einem oberen Grenzwertverlauf 16 und einem unteren Grenzwertverlauf 17. Erreicht der Schweißstrom 18 den oberen Grenzwert 16, wird der Wechselrichter derart angesteuert, daß die primäre Spannung 19 auf ihren negativen Wert wechselt. Erreicht der Schweißstrom den unteren Grenzwert 17, wird die durch die Schalter des Wechselrichters durchgelassene Spannung 19 auf ihren positiven Wert geschaltet. Es ist zu erkennen, daß nach diesem Regelverfahren Span­ nungsimpulse ohne vorgegebene Frequenz oder ohne vorgegebenes Tastver­ hältnis entstehen. Wenn die Welligkeit der Toleranzbandregelung reduziert werden soll, kann in einem Abschnitt des Sollwertverlauf, in dem keine starke Änderung des Schweißstroms erforderlich ist, anstelle der Umschal­ tung der Polarität auch ein Folge von Spannungsimpulsen gleicher Polarität erzeugt werden, die von Spannungslücken (alle Schalter 7 des Wechselrich­ ters aus Fig. 7 geöffnet) unterbrochen werden.

Bezugszeichenliste

1

Schweißtransformator

2

Schweißelektrode

3

Schweißelektrode

4

Thyristor

5

Thyristor

6

Diode

7

Schaltglied, Schalter

8

Freilaufdiode

9

Glättungskondensator

10

MF- oder HF-Transformator

11

Hochstromdiode

12

primärseitige Spannungansteuerung

13

Schweißstromverlauf

14

Effektivwert des Schweißstroms

15

Sollwertkurve

16

Oberer Grenzwert

17

Unterer Grenzwert

18

Stromverlauf

19

primärseitiger Spannungstaktung
α Phasenanschnittswinkel
L1, L2, L3 Anschlußklemme

Claims (14)

1. Vorrichtung zum Widerstandsschweißen mit Wechselstrom, mit einem für den Betrieb bei Netzfrequenz, insbesondere bei 50 Hz oder 60 Hz, ausgelegten Schweißtransformator, an dessen Sekundärseite die mit Wech­ selstrom beaufschlagten Schweißelektroden angeschlossen sind und auf dessen Primärseite eine Regelanordnung mit elektronisch steuerbaren Schaltgliedern zwischen dem Schweißtransformator und dem Anschluß an das Stromnetz zur Regelung der an der Primärseite anliegenden Spannung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelanordnung aus einer an alle drei Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossenen Gleichrichter­ schaltung und einem steuerbaren Wechselrichter besteht, wobei der Wech­ selrichter die gleichgerichtete Spannung in Spannungsimpulse wechselnder Polarität mit veränderbarer Frequenz und/oder Impulsweite umwandelt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter eine Brückenschaltung mit Transistoren als Schaltglieder und zu diesen parallelen Freilaufdioden enthält.

3. Verfahren zum Widerstandsschweißen mit wechselndem Schweiß­ strom eines für den Betrieb bei Netzfrequenz, insbesondere bei 50 Hz oder 60 Hz, ausgelegten Schweißtransformators, an dessen Sekundärseite zwei Schweißelektroden angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die primärseitige Spannung von einer an alle drei Phasen eines Drehstromnetzes angeschlossenen Gleichrichterschaltung gleichgerichtet wird und daß die gleichgerichtete Spannung von einem steuerbaren Wechselrichter in Span­ nungsimpulse wechselnder Polarität mit veränderbarer Frequenz und/oder Impulsweite umgewandelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Schweißstroms die Impulsdauer moduliert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Schweißstroms die Impulsfrequenz moduliert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Senkung des sekundärseitigen Schweißstroms die Frequenz der Wechselim­ pulse des Wechselrichters gesteigert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steigerung des sekundärseitigen Schweißstroms die Frequenz der Wechse­ limpulse des Wechselrichters gesenkt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis, welches das Verhältnis aus Einschaltdauer zur Gesamtdauer eines Impulses darstellt, konstant gehalten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißstrom durch einen Meßwertaufnehmer erfaßt wird und der der Schaltzustand des Wechselrichters in Abhängigkeit von einem vorgege­ benen Sollwertverlauf des Schweißstroms geändert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalt­ zustand des Wechselrichters geändert wird, wenn die Abweichung des gemessene Schweißstroms von dem vorgegebenen Sollwert größer ist als ein vorbestimmter Toleranzwert.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ändern des Schaltzustandes des Wechselrichters die Durchlassrichtung des Wechselrichters geändert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß beim Ändern des Schaltzustandes der Wechselrichters vom Durch­ laßzustand in den Sperrzustand geschaltet wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schweißstrom in lückenlos aufeinander folgenden Halbwellen geregelt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schweißstrom in aufeinander folgenden Halbwellen geregelt wird, die durch Stromlücken voneinander getrennt sind.