DE102005058351A1

DE102005058351A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Schweißinverters

Info

Publication number: DE102005058351A1
Application number: DE200510058351
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Rusch; Heiko Klee; Benjamin Becker
Original assignee: ALIA TECHNIK GmbH
Current assignee: ALIA TECHNIK GmbH
Priority date: 2005-12-06
Filing date: 2005-12-06
Publication date: 2007-06-14

Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Überwachen eines Schweißinverters zum Widerstandsschweißen bereitgestellt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Temperaturverlauf zum Überwachen des Schweißinverters, insbesondere zum Durchführen einer Lebensdauerabschätzung aufgenommen wird. Weiterhin wird ein Schweißinverter vorgeschlagen, der das erfindungsgemäße Verfahren einsetzt und es wird ein Widerstandsschweißgerät mit einem solchen Schweißinverter vorgeschlagen. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden Betriebswerte laufend erfasst, verarbeitet und gespeichert. Die konkreten Werte werden qualitativ und quantitativ berücksichtigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Schweißinverters zum Widerstandsschweißen. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Schweißinverter zum Widerstandsschweißen und ein Widerstandsschweißgerät mit einem Schweißinverter.

Bei einem Widerstandsschweißgerät erfolgt ein Verschweißen mehrerer Gegenstände, insbesondere zweier Metallbleche untereinander, indem diese Gegenstände im Bereich einer geplanten Schweißstelle zusammengedrückt werden und dann zum Verschweißen kurzzeitig ein hoher elektrischer Strom durch diese Gegenstände und insbesondere über die Schweißstelle fließt. Hierzu wird der Strom von zwei Elektroden bereitgestellt, zwischen denen die Schweißstelle angeordnet ist. Die Elektroden werden zunehmend durch Inverterstromquellen versorgt. Hierfür werden Inverter eingesetzt, die in einem ersten Schritt mit einem Netzgleichrichter eine dreiphasige Netzspannung gleichrichten, die dann in einem Gleichspannungszwischenkreis vorliegt. Von diesem Gleichspannungszwischenkreis aus wird die Gleichspannung bzw. der Gleichstrom mit einem Wech selrichter in einen einphasigen Wechselstrom umgerichtet. Dieser umgerichtete einphasige Wechselstrom weist eine höhere Frequenz als die Netzfrequenz auf. Er wird dann in einem Transformator in der Amplitude transformiert, um einen hohen Strom erzielen zu können. Der so transformierte Strom wird schließlich am Ausgang dieses Transformators gleichgerichtet und den Elektroden zur Verfügung gestellt.

Sowohl beim Netzgleichrichter, beim Wechselrichter und beim Sekundärgleichrichter werden Leistungshalbleitermodule wie beispielsweise Leistungsdioden und Thyristoren bei den Gleichrichtern und IGBTs beim Wechselrichter eingesetzt. Die Zuverlässigkeit und somit die Gewährleistung der Funktionalität des Inverters über einen bestimmten Zeitraum hängt wesentlich von den Qualitätsmerkmalen der Leistungsmodule ab. Aufgrund der besonderen Anforderungen in der Widerstandsschweißtechnik, insbesondere der kurzzeitig auftretenden hohen Ströme werden die Leistungsmodule elektrisch und thermisch hoch ausgenutzt und belastet. Ein vorzeitiger Ausfall von Leistungsmodulen kann sowohl eine direkte Gefährdung hervorrufen als auch zu Folgeschäden führen. Je nach Einsatz der Widerstandsschweißgeräte wie beispielsweise in Serienproduktionen können bei einem unvorhergesehenen Ausfall eines Widerstandsschweißgerätes Produktionsausfälle mit den damit verbundenen hohen Kosten die Folge sein.

Es kommt hinzu, dass die Anforderungen an die Lebensdauer von Widerstandsschweißgeräten und entsprechend den eingesetzten Invertern sehr hoch sind. Beispielsweise gibt es Anwender, die von einem Inverter 10 Mio. Schweißpunkte erwarten. Andererseits entsteht durch den zunehmenden Kostendruck der Wunsch nach preiswerteren Leistungsmodulen. Beide Forderungen lassen sich nur schwer vereinbaren.

Für eine Dimensionierung eines Schweißinverters wird gemäß dem Stande der Technik eine Grenzbelastungskennlinie zugrunde gelegt. Eine solche Grenzbelastungskennlinie gibt den Grenzwert für einen Schweißstrom in Abhängigkeit von einer Einschaltdauer an. Die Einschaltdauer bezeichnet das Verhältnis von Stromflusszeit zu gesamter Spieldauer bzw. Dauer eines Zyklus in Prozent. Die Dimensionierung der Leistungsmodule und des Transformators des Schweißinverters erfolgt hierbei so, dass die Grenzbelastungskennlinie über den geplanten Betriebspunkten, also den geplanten Schweißströmen zu den jeweiligen Einschaltdauern liegt. Dabei wird auf Erfahrungswerte zurückgegriffen, die die Leistungsmodule und den Transformator gleichermaßen berücksichtigen. Für den so dimensionierten Schweißinverter bildet diese Grenzbelastungskennlinie einen Grenzwert für den Schweißstrom in Abhängigkeit von der Einschaltdauer, die von dem jeweiligen Schweißstrom nicht überschritten werden soll, da andernfalls eine Zerstörung des Schweißinverters unmittelbar oder innerhalb weniger Zyklen erfolgen kann.

Eine Beschädigung oder zumindest Verkürzung der Lebensdauer eines Schweißinverters wurde somit bisher dadurch vermieden, dass der Schweißinverter so ausgelegt wird, dass die Grenzbelastungskennlinie über den geplanten Betriebspunkten für den Schweißstrom in Abhängigkeit von der Einschaltdauer liegt. Nachteilig ist hierbei, dass weder tatsächlich auftretende Werte des Schweißstroms noch weitere Randbedingungen wie beispielsweise Umgebungstemperaturen berücksichtigt werden. Weiterhin ist nachteilig, dass die Halbleitermodule und der Transformator nur in einer Gesamtbetrachtung berücksichtigt werden.

Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken, erfolgt eine Berücksichtigung eines pauschalen Sicherheitsfaktors, indem die verwendeten Elemente, insbesondere die Leistungshalbleiter überdimensioniert werden. Hierdurch können je nach Anwendungsfall die Kosten für die Bauteile gegenüber einem Optimalfall auf 200% steigen.

Als weitere Verbesserung ist es bekannt, die Einhaltung der Grenzbelastungskennlinie zu überwachen. Hierbei erfolgt vor jedem auszuführenden Schweißpunkt eine Überprüfung, ob der geplante Stromwert für die geplante Einschaltdauer unter dem entsprechenden Wert der Grenzbelastungskennlinie liegt. Ist der geplante Stromwert höher, muss Bediener einen neuen Wert eingeben. Es erfolgt somit eine Überprüfung der Einstellparameter während der Einstellung der Schweißparameter. Diese und andere Überwachungsfunktionen werden von der Schweißsteuerung übernommen, die auch eine Anzeige vorsehen kann.

Als Sicherheitsmaßnahme werden beispielsweise die Temperaturen einiger Kühlkörper gemessen und bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur, wie beispielsweise 60°C, eine Abschaltung des Stromausgangs oder des gesamten Inverters durchgeführt. Weiterhin werden Wasserkühlsysteme auf eine etwaige Verstopfung hin überwacht, indem ihre Durchflussmenge kontrolliert wird. Ein Unterschreiten eines Grenzwertes der gemessenen Durchflussmenge führt zu einer Fehlermeldung und/oder einer Abschaltung der Anlage.

Nachteilig hierbei ist, dass lediglich Notabschaltungen bzw. Begrenzungen auf festgelegte, obere Grenzwerte erfolgen. Weder eine Dimensionierung eines Inverters noch eine Aussage darüber wieweit eine vorgesehene Lebensdauer eingehalten werden kann, war bisher möglich.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Schweißinverter zu überwachen und hinsichtlich der genannten Probleme möglichst zu verbessern. Insbesondere soll ein Schweißinverter hinsichtlich der Kenntnis und/oder Einhaltung einer gewünschten Lebensdauer verbessert werden.

Zur Lösung zumindest einer der genannten Aufgaben wird ein Verfahren zum Überwachen eines Schweißinverters zum Widerstandsschweißen vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens ein Temperaturverlauf zum Durchführen einer Auswertung aufgenommen wird. Zusätzlich oder alternativ wird vorgeschlagen, dass mindestens eine Temperatur des Schweißinverters gemessen wird und/oder mindestens eine Kühlung in Abhängigkeit der mindestens einer gemessenen Temperatur gesteuert wird Erfindungsgemäß liegt die Überlegung zugrunde, dass neben der Einhaltung der Grenzbelastungskennlinie auch die konkreten Betriebsbedingungen, insbesondere die auftretenden Temperaturen einen wesentlichen Einfluss auf die Lebensdauer nehmen. Von besonderer Bedeutung sind hierbei aktive Temperaturhübe, passive Temperaturhübe und die Temperaturlage also die Höhe der Betriebstemperatur.

Bei aktiven Temperaturhüben werden Temperaturveränderungen insbesondere Anstiege durch den Stromfluss in dem jeweiligen Leistungsmodul hervorgerufen. Je nach Betrag der Temperaturhübe kann die Lebensdauererwartung zwischen mehr als 10¹⁰ (bei einen ΔT von ungefähr 10K) und etwa 10⁴ (bei ΔT ungefähr 100K) schwanken. Die aktiven Temperaturhübe können also zu einem Unterschied in der Lebenserwartung von bis zu 6 Zehnerpotenzen führen.

Passive Temperaturhübe entstehen durch den Einfluss der Kühlung, durch den Temperaturänderungen in den Pausenzeiten entstehen, wenn der Strom also null ist. Auch diese passiven Temperaturhübe führen ebenso wie die aktiven Temperaturhübe zur Alterung der Leistungsmodule. Je nach Betrag der passiven Temperaturhübe schwankt die Lebensdauererwartung zwischen mehr als 1000 (bei ΔT ungefähr 10K) und etwa 100 (bei ΔT ungefähr 165K) Arbeitszyklen.

Weiterhin beeinflusst die Temperaturlage, also die absolute Höhe der Betriebstemperatur den Alterungsprozess. In der Regel kann davon ausgegangen werden, dass im Bereich der unteren Betriebstemperatur, die beispielsweise bei 25°C liegen kann, die Alterung langsamer verläuft, als bei der oberen Grenztemperatur, die beispielsweise im Bereich von 125°C liegen kann. Differenzen der Betriebstemperaturen können sich insbesondere auch durch aktive Temperaturhübe ergeben. Solche Differenzen können im Bereich einer Zehnerpotenz, also im Bereich von Faktor 10 auftreten.

Anders ausgedrückt führt jeder Stromfluss, also während eines Schweißpunktes zu einer direkten Temperaturerhöhung im Chip der Leistungshalbleiter, während in den Stromflusspausen, die zwischen den Schweißpunkten auftreten, die Temperatur wieder abnimmt. Bei diesem Zusammenhang handelt es sich um die aktiven Temperaturhübe. Ergeben sich zwischen den Schweißpunkten größere Pause, so führt eine Kühlung zu einer insgesamt sinkenden Temperatur, was als passiver Temperaturhub bezeichnet wird.

Die aktiven Temperaturhübe führen zu Auswirkungen auf die Lebensdauer, die wie beschrieben im erheblichen Maße von der Differenztemperatur ΔT, also zwischen der Temperaturdifferenz zwischen Beginn und Ende eines Temperaturhubs abhängen. Die Differenztemperatur hängt dabei im erheblichen Maße von der Stromhöhe ab. Geht man nun aus von einer gemäß dem Stande der Technik verwendeten Grenzwertkennlinie, so weist diese bei geringen Einschaltdauern beispielsweise im Bereich von 2% hohe Maximalstromwerte von beispielsweise 25kA auf. Bei größeren Einschaltdauern von beispielsweise bis zu 100%, was einem Dauerbetrieb entspräche, lege gemäß einer Grenzbelastungskennlinie der zulässige Schweißstrom deutlich niedriger, wie beispielsweise bei unter 5kA. Geht man nun davon aus, dass die genannten Grenzwerte des Schweißstroms, wie sie der Grenzbelastungskennlinie zu entnehmen sind, tatsächlich eingestellt werden, so ergibt sich durch die aktiven Temperaturhübe bei sehr kleinen Einschaltdauern aufgrund der Stromhöhe eine hohe thermische Belastung für die Leistungshalbleiter. Ebenso würde bei sehr hohen Einschaltdauern nur ein geringer Strom fließen und die aktiven Temperaturhübe ebenfalls nur gering ausfallen und auch nur eine geringe Belastung für die Leistungshalbleiter bedingen.

Bei einem so beschriebenen Betreiben eines Schweißinverters am Rande der Grenzbelastungskennlinie ergibt sich für die Lebensdauererwartung des Schweißinverters ein Zusammenhang zur Einschaltdauer, bei der bei niedriger Einschaltdauer eine geringe Lebensdauererwartung (beispielsweise 100.000 Schweißpunkte bei einer Einschaltdauer von 1 %) und eine hohe Lebensdauererwartung bei einer hohen Einschaltdauer (beispielsweise über 100.000.000 Schweißpunke bei einer Einschaltdauer von 100%) ergibt. In einem Beispiel ergäben sich dann eine geforderte Lebenserwartung von 10.000.000 Schweißpunkten erst bei einer Einschaltdauer von mehr als 10%.

Erfindungsgemäß wird ein Temperaturverlauf zum Durchführen einer Überwachung, insbesondere einer Lebensdauerabschätzung aufgenommen. Es kommt bei der Temperaturmessung somit auf deren quantitativen Verlauf an. Insbesondere kann somit erkannt werden, ob nicht nur ein Grenzwert erreicht oder gar überschritten wird, sondern welcher Abstand von dem Grenzwert eingehalten wird und ebenfalls, wie lange ein Temperaturverlauf wie nah an einen Grenzwert herangereicht hat. Es lassen sich somit Aussagen zur Lebensdauererwartung des Schweißinverters ableiten, da beispielsweise ein ständig kurz unter einem Grenzwert verlaufender Temperaturverlauf eine deutlich höhere Alterung der betroffenen Bauelemente zur Folge hatte, als ein Temperaturverlauf, der regelmäßig einen großen Abstand zu einem Grenzwert hält.

Aufgrund der der Erfindung zugrundeliegenden Erkenntnisse ist zwischen einer Vielzahl von Messstellen und Messgrößen zu unterscheiden, die jede für sich einen unterschiedlichen Einfluss auf die Lebensdauer haben können. Dabei sind im günstigsten Fall die benötigten Werte über die gesamte Einsatzzeit des Schweißinverters aufzunehmen und zu speichern. Es wird somit gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein Verfahren vorgeschlagen, das gekennzeichnet ist durch das Messen, Speichern und/oder Auswerten zumindest einer der Größen:

– Schweißstrom,
– Stromflusszeit des Schweißstroms,
– Pausenzeit sowohl des Schweißstroms zwischen jedem Schweißpunkt als auch zwischen Arbeitszyklen, die jeweils eine Serie von Schweißpunkten umfassen,
– Umgebungstemperatur des Schweißinverters
– Lufttemperatur des Schweißinverters,
– Kühlkörpertemperatur,
– Grundplattentemperatur eines Chips,
– Kühlmitteltemperatur;
– Zwischenkreisspannung und
– Durchgangsspannung an einem Halbleiterbauelement.

Die Messung des Schweißstroms ist von Bedeutung, um genauere Informationen über die Temperatur in den Leistungshalbleitern zu erhalten, da direkt im Halbleiter in aller Regel keine Temperaturmessung durchgeführt werden kann. Ebenfalls kann aus der Durchgangsspannung eines Halbleiterbauelements auf die Temperatur dieses Elements zurückgeschlossenen werden, wenn auch die Genauigkeit eines solchen Rückschlusses begrenzt ist. Besonders gute Rückschlüsse lassen sich immer dann erzielen, wenn eine gute Bauteilkenntnis vorhanden ist und möglichst mehrere Werte wie beispielsweise Strom und Durchgangsspannung und weiterer Oberflächentemperaturen gemessen werden können.

Rückschlüsse über die Temperatur der Leistungshalbleiter lassen sich auch über die Lufttemperatur des Schweißinverters ableiten. Insbesondere wird die Messung einer Lufttemperatur des Schweißinverters vorgeschlagen, um insgesamt eine Beurteilung über eine Aufheizung des Schweißinverters machen zu können.

Kühlkörpertemperaturen liefern weitere Quellen für Temperaturen in den Leistungsbauelementen oder auch Halbleiterchips. Von besonderer Bedeutung ist jedoch, dass Temperaturänderungen der Kühlkörper einen passiven Temperaturhub bedeuten, was sich wiederum nachteilig auf die Lebensdauer der Halbleiterbauelemente und somit des Schweißinverters auswirken kann. Bei der Messung einer Grundplattentemperatur kann es sich auch um eine Messung einer Kühlkörpertemperatur im Bereich des aufgesetzten Chips handeln, soweit ein Kühlkörper eingesetzt wird. Aus der Grundplattentemperatur als auch einer anderen Kühlkörpertemperatur lässt sich die Temperatur entnehmen, auf die der jeweilige Chip sich abkühlen kann.

Eine Kühlmitteltemperatur, die sich beispielsweise auf eine Kühlflüssigkeit wie Wasser als auch auf zum Kühlen eingesetzte Luft beziehen kann, gibt in seltenen Fällen Aufschluss über die Temperatur des jeweiligen Kühlkörpers. Hauptsäch lich lassen sich aus der Kühlmitteltemperatur Störungen des jeweiligen Kühlkreislaufs ablesen. Für eine Steuerung insbesondere Regelung des jeweiligen Kühlmittelkreislaufs kann die Kühlmitteltemperatur von besonderer Bedeutung sein. Darüber hinaus kann die Kühlmitteltemperatur bei einer solchen Regelung als Rückführgröße in Betracht kommen.

Über die Zwischenkreisspannung sind weitere Informationen über die Belastung des Inverters erhältlich.

Grundsätzlich können sämtliche oder auch nur einige der genannten Größen gemessen werden. Welche Größen zur Messung in Frage kommen hängt insbesondere von dem konkreten System ab. Mitunter werden einige oder alle Kühlkörper ohne aktiven Kühlkreislauf mit Kühlflüssigkeit gekühlt, wenn beispielsweise der jeweilige Kühlkörper hierfür eine ausreichende Größe aufweist. Auch für die Leistungshalbleiter ist eine umfassende Überwachung und somit eine Aufnahme von möglichst vielen Messgrößen vorteilhaft, wenn die jeweiligen Bauelemente in ihrer Dimensionierung eng auf den zu erwartenden Anwendungsfall dimensioniert sind.

Bevorzugt wird zumindest eine Kühlung in Abhängigkeit zumindest einer gemessenen Temperatur gesteuert. Zur Vermeidung passiver Temperaturhübe sollte eine solche Steuerung möglichst zum Ziel haben, die Temperatur des jeweils betroffenen Kühlkörpers weitestgehend konstant zu halten. Dies kann neben einer gleichmäßigen Kühlung sogar eine Wärmung oder zumindest Warmhaltung des jeweiligen Kühlkörpers umfassen. Insbesondere bei längeren Pausen zwischen Arbeitszyklen kann hierdurch ein passiver Temperaturhub vermieden oder zumindest gering gehalten werden.

Die Steuerung einer Kühlung hat somit zumindest auch zum Ziele, positiv auf die Lebensdauer des Schweißinverters einzuwirken. Durch eine aktive, gesteuerte Kühlung ist mitunter auch ein in der Größe reduzierter Kühlkörper einsetzbar.

Zum Steuern einer Kühlung gemäß einer Ausführungsform wird ein Lüfter und/oder eine Kühlmittelpumpe gesteuert. Dies kann dadurch erfolgen, dass der Lüfter oder die Pumpe in seiner Leistung erhöht, gesenkt und/oder jeweils belassen wird. In einem einfachen Fall kann auch lediglich eine Pumpe bzw. ein Lüfter bei Bedarf ein- bzw. ausgeschaltet werden, wie beispielsweise bei einer Zweipunktregelung vorgesehen ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden vom Schweißinverter, insbesondere von einem Mikrokontroller des Schweißinverters, Informationen an eine Schweißsteuerung gegeben. Der Schweißinverter, insbesondere ein Mikrokontroller in ihm ist zum Verarbeiten von Betriebsdaten des Schweißinverters eingerichtet. Der Schweißinverter steuert hierbei vorzugsweise auch eine Kühlung wie oben beschrieben. Weiterhin ist das Aufnehmen der beschriebenen Messwerte, insbesondere der diversen Temperaturen vorgesehen. Zum Durchführen eines Widerstandsschweißens ist ein Schweißinverter üblicherweise zumindest mit zwei Elektroden gekoppelt, die meist in einer Schweißzange zusammengefasst sind. Der Schweißinverter liefert den Strom zu diesen Elektroden. Dies erfolgt mittels einer Schweißsteuerung, die üblicherweise den gesamten Schweißvorgang steuert.

Unter die Steuerung des Schweißvorgangs fällt zunächst die Berücksichtigung eines Startsignals, um daraufhin beispielsweise eine Mechanik einer verbundenen Schweißzange anzusteuern, so dass die Zange geschlossen werden kann, um die Elektroden an das bzw. die zuschweißenden Bleche zu führen. Daraufhin sorgt die Schweißsteuerung für das Bereitstellen eines Schweißstroms in Größe und Dauer, in dem beispielsweise Leistungshalbleiter wie IGBTs im Inverter angesteuert werden. Somit kann der eigentliche Schweißvorgang erfolgen. Die weiteren Aufgaben der Schweißsteuerung können das Nachpressen der Schweißzange und schließlich das Öffnen der Zange umfassen. In der Regel sorgt eine Schweißsteuerung auch dafür, dass die Schweißzange für einen gewissen Zeitbereich offen gehalten wird.

Grundsätzlich arbeitet diese Schweißsteuerung von einer Überwachung des Schweißinverters unabhängig. Durch die Überwachung des Schweißinverters können jedoch gegebenenfalls Betriebspunkte bekannt werden, wie beispielsweise eine kritische Temperatur eines Leistungshalbleiters über eine längere Zeitdauer, die einen Eingriff in die Schweißsteuerung erforderlich machen könnten. Hierfür kann der Schweißinverter ein Warnsignal oder ein konkretes Unterbrechungssignal oder weitere Informationen an die Schweißsteuerung geben. Ebenso ist der umgekehrte Fall denkbar, dass der Schweißinverter Betriebszustände erkennt, die eine stärkere Auslastung, wie beispielsweise das Einstellen eines erhöhten Schweißstromes, eine Verkürzung der Pausenzeiten zwischen zwei Schweißpunkten und diverse andere Änderungen des Schweißbetriebs erlauben. Solche Informationen können an die Schweißsteuerung gegeben werden, um die Änderung des Schweißbetriebs im Rahmen der neuen Bedingungen zu ermöglichen.

Bevorzugt können auch beim Auftreten kritischer Zustände vom Schweißinverter Warnsignale beispielsweise optisch durch entsprechende Lampen oder Leuchtdioden oder auf einem Display oder akustisch durch entsprechende Warntöne ausgegeben werden, um einen Benutzer aufmerksam zu machen.

In einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung werden gemessene Temperaturen mit einem Temperaturprofil des Schweißinverters verglichen. Bei solchen Temperaturen kann es sich sowohl um Temperaturen mehrerer örtlich getrennter Messpunkte, als auch um mehrere zeitlich getrennte Temperaturen eines Messpunktes zur Bildung eines Temperaturverlaufs handeln. Für einen Schweißinverter ist oftmals zumindest ein Temperaturprofil bekannt, das sich bei bekannten Rahmenbedingungen, wie beispielsweise Umgebungstemperatur, Aufstellung des Inverters und insbesondere ordnungsgemäß Arbeiten der Kühlung ergibt oder bei der Dimensionierung vorgegeben wird.

Erfindungsgemäß wird somit gemäß einer Ausführungsform beispielsweise die Temperatur an einem Kühlkörper gemessen und mit der Kühlkörpertemperatur, die sich bei dem jeweiligen Betriebszustand typischerweise einstellt, verglichen.

Beispielsweise stellt sich in einem Fall bei einem Schweißbetrieb üblicherweise eine Temperatur von 60°C am Kühlkörper ein. Wird nun eine Temperatur von 70°C gemessen, deutet dies daraufhin, dass der Schweißinverter zur Zeit einer größeren als angenommenen zumindest thermischen Belastung ausgesetzt ist. Hieraus wiederum könnte erkannt werden, dass eine bei der Konzipierung des Schweißinverters angenommene Lebensdauererwartung nicht eingehalten werden kann. Hieraus können Konsequenzen abgeleitet werden, wie beispielsweise bei der Schweißsteuerung den Schweißstrom zu verringern, zu verkürzen oder beispielsweise auch die Pausen zu verlängern. Als weitere Konsequenzen kommt die Durchführung einer Kühlsteuerung in Betracht. Über weitere Messwerte kann mitunter die Ursache für die genannte Abweichung von den typischen Temperaturwert eingegrenzt werden. So deutet beispielsweise eine gleichzeitig niedrige Temperatur des betreffenden Kühlmittels auf ein Problem der Kühlung hin. Wohingegen bei ebenfalls hoher Kühlmitteltemperatur eher eine zu hohe Umgebungstemperatur oder eine schlecht belüftete Aufstellung des Schweißinverters die Ursache sein könnte.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden aus Strommessungen und/oder Durchgangsspannungsmessungen von Halbleiterbauelementen und/oder weiteren Temperaturen aktive Temperaturhübe berechnet. Hierbei wird die erfindungsgemäß zugrundegelegte Erkenntnis berücksichtigt, dass für die Stärke der Alterung von Leistungshalbleitern neben absoluten Temperaturen auch ständige Temperaturschwankungen von entscheidender Bedeutung sein können. Von besonderer Bedeutung ist hierbei die Temperatur in dem Leistungshalbleiter, die in aller Regel nicht direkt gemessen werden kann. Hilfsweise kann eine Messung der Temperatur an einer mehrere Stellen an der Oberfläche des Leistungshalbleiters bzw. Chips vorgenommen werden. Darüber hinaus besteht auch ein Zusammenhang zwischen der Durchgangsspannung und der Temperatur in dem betreffenden Bauelement. Somit kann eine Temperaturerfassung durch eine zusätzliche Messung der Durchgangsspannung verbessert werden. Weiterhin hat der Strom einen Einfluss auf die Temperatur und die Durchgangsspannung des Bauelements. Bei gleichzeitiger Messung des Stromes durch den Leistungshalbleiter und der zugehörigen Durchgangsspannung kann somit die aufgenommene elektrische Leistung und über die Berücksichtigung der Zeit somit die eingebrachte elektrische Energie ermittelt werden, die entscheidenden Einfluss auf den Temperaturverlauf des Bauelements hat.

Aus gleichzeitiger Messung von Strom und Durchgangsspannung lässt sich somit insbesondere auch ein Temperaturanstieg ableiten und bei guter Kenntnis des Halbleiterbauelements auch quantitativ eingrenzen. Es kommt dabei hinzu, dass sich eine Temperatur durch direkte Temperaturmessung an der Oberfläche des Bauelements nur mit einer wenn auch geringen Zeitverzögerung messen lässt, die insbesondere von der Baugröße des Chips abhängt. Ein aktiver Temperaturhub berechnet sich dann als die Differenz des maximalen und minimalen Temperaturwerts im Halbleiterbauelement für einen Stromimpuls bzw. für die Dauer von einem bis zum nächsten Stromimpuls, also für das Vornehmen eines Schweißpunktes.

Weiter bevorzugt ist es, aus zumindest einer gemessenen Temperatur eines Kühlkörpers und/oder eines Kühlmittels passive Temperaturhübe zu berechnen. Ein passiver Temperaturhub stellt sich für größere Pausenzeiten, also insbesondere für Pausen zwischen zwei Serien von Schweißpunkten ein. Hierbei verändert sich nicht nur die Temperatur im Halbleiterbauelement signifikant, sondern auch die Temperatur im betreffenden Kühlkörper. Somit lässt sich ein passiver Temperaturhub aus einer Differenztemperatur eines Kühlkörpers berechnen oder zumindest abschätzen. Der passive Temperaturhub entspricht in diesem Fall im Wesentlich diesem Temperaturunterschied im Kühlkörper zwischen der maximalen und minimalen Kühlkörpertemperatur für den betreffenden Zeitraum. Insbesondere stellt sich ein solcher passiver Temperaturhub auch regelmäßig über längere Standzeiten des Schweißinverters wie beispielsweise über Nacht ein. Wenn gute Zusammenhängt über die Temperatur des Kühlmittels und der Temperatur des betreffenden Kühlkörpers bekannt sind, lässt sich auch aus der Temperatur des Kühlmittels ein passiver Temperaturhub zumindest abschätzen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, eine Abschätzung der Restlebensdauer des Schweißinverters durchzuführen. Für eine solche Abschätzung der Restlebensdauer sind möglichst die hierauf Einfluss nehmenden Parameter und insbesondere Messwerte zu berücksichtigen. Hierbei sind die aktiven Temperaturhübe, die passiven Temperaturhübe und die Temperaturlage, also der Absolutwert der jeweiligen Temperatur von großer Bedeutung. Eine solche Abschätzung sollte dabei von dem am stärksten betroffenen Element bzw. Elementen erfolgen. Dies ist bzw. sind in aller Regel der bzw. die Leistungshalbleiter des Wechselrichters. Es können aber auch die Halbleiter wie beispielsweise Dioden der Gleichrichter oder sogar der Transformator im ausgangsseitigen Gleichrichter von Bedeutung sein. Eine Abschätzung der Restlebensdauer sollte einen möglichst langen Zeitraum, bevorzugt beginnend mit der ersten Inbetriebnahme des Schweißinverters berücksichtigen.

Beispielsweise kann eine Abschätzung der Restlebensdauer erfolgen, indem von einer Anfangs- oder Höchstlebensdauer ausgegangen wird und von dieser aktive Temperaturhübe, passive Temperaturhübe und Temperaturdifferenzen zwischen der Temperaturlage und einem Temperaturprofil sowie Stromdifferenzen zwischen dem Schweißstrom und dem Strom der Grenzbelastungskennlinie jeweils gewichtet und von der Ausgangslebensdauererwartung abgezogen werden. Dabei wird die Lebensdauererwartung um so stärker verringert, umso größer die sowohl aktiven als auch passiven Temperaturhübe ausfallen und je kleiner die Temperaturlagedifferenzen und Stromdifferenzen ausfallen. Diese Zusammenhänge können über eine entsprechende Gewichtung oder Funktion berücksichtigt werden. Bei der Berücksichtigung der Temperaturlage kann auch ihr absoluter Wert abzüglich einer minimalen Temperatur, wie beispielsweise einer üblichen Raumtemperatur von 20°C genommen und gegebenenfalls mit einer Gewichtung versehen werden. Eine mögliche Berechnung der Lebensdauererwartung ist beispielsweise durch die folgende Gleichung gegeben:

Hierbei ist L_E die zu berechnende bzw. abzuschätzende Lebensdauererwartung. L₀ ist ein Anfangswert für eine Lebensdauererwartung, der durch die Dimensionierung und geplante Einsetzung des Schweißinverters vorgegeben ist, und in der gezeigten Gleichung einen Maximalwert für die Lebensdauererwartung hat. Von dieser Anfangslebensdauererwartung wird dann eine Reduzierung der Lebensdauererwartung abgezogen, wie sie durch aktive und passive Temperaturhübe sowie die Temperaturlage und den Schweißstrom bedingt wird. Sollte weder ein aktiver Temperaturhub, noch ein passiver Temperaturhub und auch keine Abweichung der Temperaturlage von einer Idealtemperaturlage oder des Schweißstroms von einem Idealwert vorhanden sein, so wird sich die Anfangslebensdauererwartung nicht ändern, was jedoch eher einen theoretischen Idealfall darstellt.

Ansonsten wird in der ersten Summenbildung der Einfluss aktiver Temperaturhübe berücksichtigt. Es werden 1 bis l Temperaturhübe ΔT_A,i berücksichtigt, die dabei mit einer Gewichtung G_A, die auch eine Normierung der Differenztemperatur umfasst multipliziert. In gleicher Weise werden 1 bis m passive Temperaturhübe ΔT_P,j jeweils mit dem entsprechenden Gewichtungsfaktor G_P multipliziert und aufsummiert. Es erfolgt eine Summierung für 1 bis n Werte der Temperaturlage T_L,k abzüglich einer Grundtemperatur T_L0, was beispielsweise Umgebungstemperatur sein kann, und Gewichtung dieser Differenzen jeweils mit der Gewichtung G_L. Schließlich werden 1 bis p Schweißströme I_S,h von einem Idealverlauf oder Grundverlauf I_Gr abgezogen. I_Gr kann zum Beispiel von einer Grenzbelastungskennlinie ausgehen und jeweils dessen halben Wert annehmen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Schweißstrom durch seine Abweichung zur Grenzbelastungskennlinie zu berücksichtigten, wobei diese Abweichung invers in die Berechnung eingeht.

Die Anzahl der Werte, die jeweils aufgenommen werden, hängt vom jeweiligen Mess- bzw. Berechnungswert ab. Bei den Temperaturhüben wird für jeden Hub ein Wert aufgenommen. Demnach werden bei den aktiven Temperaturhüben für jeden Schweißpunkt und bei den passiven Temperaturhüben für jede Pausenzeit also beispielsweise jede Messpunktserie, die mit einer Pause endet, ein Wert aufgenommen. Die Temperaturmessung folgt hingegen beispielsweise ausgehend von einem Messtakt der 60 Sek. betragen kann. Die Schweißströme können für jeden Schweißpunkt gemessen werden. Im Optimalfall wären alle bisher aufgetretenen aktiven und passiven Temperaturhübe ΔT_A,i und ΔT_P,j und Schweißströme für jeden Schweißpunkt zu berücksichtigen. Bei der Temperaturlage werden Messwerte T_L,k eines Temperaturverlaufs berücksichtigt. Die Menge der Messpunkte ist hierbei in dem Gewichtungsfaktor G_L zu berücksichtigen. Beispielsweise muss bei einer Verdopplung der Messwerte im selben Zeitraum, also einer Halbierung eins Messtaktes der Gewichtungsfaktor halbiert werden, um nicht das Ergebnis zu verfälschen.

Die genannte Gleichung stellt nur ein Beispiel für eine Berechnung dar. In dem Beispiel sind die Gewichtungen G_A, G_P, G_L und G_S als konstante Faktoren vorgesehen. Sie können jedoch ebenso als Funktion vorgesehen sein und dabei mitunter auch von dem jeweils zu gewichtenden Wert abhängen. Beispielsweise kann also G_A eine Funktion von dem aktiven Temperaturhub ΔT_Ai sein. Weiterhin brauchen nicht sämtliche genannten Messgrößer berücksichtigt zu werden. Stellt sich beispielsweise heraus, dass die Lebensdauererwartung in einem Fall eines Schweißinverters im Wesentlichen durch die aktiven Temperaturhübe beeinträchtigt wird, so kann zur Vereinfachung die Berücksichtigung alleine der aktiven Temperaturhübe zur Abschätzung der Lebensdauererwartung ausreichen. Weiterhin können auch weitere Größen berücksichtigt werden wie zum Beispiel die Durchlassspannung.

Die genannte Gleichung gibt eine Berechnungsvorschrift für die zu erwartende Lebensdauer insgesamt wieder. Das Ergebnis kann hierbei beispielsweise eine Anzahl aufbringbarer Schweißpunkte sein, oder der Wert wird auf einen Zeitwert umgerechnet, wenn beispielsweise bekannt ist wie viele Schweißpunkte in einem bestimmten Zeitraum wie beispielsweise einer Woche durchgeführt werden sollen. Weiterhin kann aber auch eine differenzierte Betrachtung der Lebensdauererwartungen erfolgen, indem beispielsweise die aktiven und passiven Temperaturhübe getrennt betrachtet werden. Es kann also berechnet werden, wie viele aktive Temperaturhübe noch etwa mit der Anlage also dem Schweißinverter durchgeführt werden können, was der Anzahl nach möglicher Schweißpunkte entspricht, und es kann darüber hinaus eine Angabe gemacht werden, wie viele passive Temperaturhübe noch durchführbar sind. Hierbei kann letztendlich sowohl die Anzahl noch durchführbarer Schweißpunkte als auch die Anzahl noch akzeptabler passiver Temperaturhübe der jeweils die Lebensdauererwartung des Schweißinverters begrenzende Wert sein.

Bevorzugt ist eine Fernwartung vorgesehen, bei der vorgegebene, gemessene und/oder berechnete Werte mittels einer Datenfernübertragung und/oder über ein portablen Datenträger übertragen oder bereitgestellt werden. Dies kann beispielsweise so erfolgen, dass ein Mikrocomputer im Schweißinverter oder ein angeschlossener Computer des Schweißinverters über eine Internetleitung, eine Standleitung eine drahtlose oder ans Festnetz angebundene Telefonleitung mit einem anderen örtlich entfernten Computer verbunden werden. Die Übertragung von Daten kann hierbei in beiden Richtungen, also sowohl vom Schweißinverters als auch zum Schweißinverter erfolgen. Ebenso ist vorzugsweise eine Offline-Datenübertragung mittels eines Datenträgers wie einer CD oder einem Memorystick vorgesehen. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn insbesondere der Computer beim Schweißinverter selbsttätig vorbestimmte Daten auf einen bereitgestellten Datenträger überträgt, da eine Fernwartung üblicherweise dann durchgeführt wird, wenn vor Ort also beim Schweißinverter kein oder nur ungenügend qualifiziertes Personal ist.

In vorteilhafter Weise ist ein Schweißinverter gemäß Anspruch 11 vorgesehen, der bevorzugt dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchgeführt wird. Ein solcher Schweißinverter weist somit Mittel zum Durchführen zumindest eines der erfindungsgemäßen Verfahren auf.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, ein Widerstandsschweißgerät mit einem Schweißinverter nach einem der Ansprüche 11 oder 12 zu versehen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 das Prinzipschaltbild eines Schweißinverters
2 eine typische Grenzbelastungskennlinie eines Schweißinverters
3 den Temperaturverlauf eines Leistungshalbleiters unter Berücksichtigung des Stromflusses
4 eine Lebensdauerkennlinie in Abhängigkeit der Einschaltdauer
5 eine Überwachung eines Schweißinverters gemäß dem Stande der Technik und
6 eine Betriebsüberwachung eines Schweißinverters gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Schweißinverter gemäß dem Stande der Technik der 1 wird eingangsseitig über eine dreiphasige Wechselspannung an den Leitern L1, L2 und L3 gespeist. Es ist in der Darstellung gemäß 1 jeweils unterhalb der betreffenden Anschlüsse der jeweilige Spannungs- bzw. Stromverlauf an diesen Anschlüssen für einen Zeitausschnitt dargestellt. Für den dreiphasigen Eingang 2 des Netzgleichrichters 4 wird demnach von einem symmetrischen dreiphasigen Spannungsverlauf ausgegangen. In dem Netzrichter 4 erfolgt dann eine Gleichrichtung beispielsweise mittels eines Brückengleichrichters. Am Ausgang 6 des Netzgleichrichters 4 ergibt sich somit ein Gleichstrom mit Oberwellen, wie in dem zugehörigen Zeitdiagramm dargestellt ist. Der Ausgang 6 des Netzgleichrichters 4 liegt am Eingang des Wechselrichters 8 an. Der Wechselrichter führt, sofern er angesteuert wird, eine Umrichtung auf ein höher frequentes Signal durch, das beispielsweise 1 kHz betragen kann. Dieses höher frequente Signal liegt am Ausgang 10 des Wechselrichters 8 an. Das Signal am Ausgang 10 wird in einem Transformator 12 in dem ausgangsseitigen Gleichrichter 14 transformiert, um somit einen hohen Strom zu erreichen. Dieser hohe Strom liegt am Ausgang 16 des ausgangsseitigen Wechselrichters 14 an und wird zu den Elektroden 18 und 20 geführt. Die Elektroden 18 und 20 führen mit diesem hohen Strom eine Ver schweißung der beiden Bleche 22 und 24 bei dem des entstehenden Schweißpunktes 26 durch. Der Stromverlauf weist am Ausgang 16 des ausgangsseitigen Wechselrichters 14 Oberwellen mit einer deutlich höheren Frequenz als bei dem Gleichstrom am Ausgang 6 des Netzgleichrichters 4 auf.
Zur Dimensionierung und Einhaltung eines gesicherten Inverterbetriebs ist bisher von einer Grenzbelastungskennlinie gemäß 2 ausgegangen worden. Die Grenzbelastungskennlinie gibt den maximalen Schweißstrom I_S in kA in Abhängigkeit von der Einschaltdauer ED in Prozent an. Die Einschaltdauer ED gibt dabei das Verhältnis der eingeschalteten Zeit zur Gesamtzeit zur Durchführung eines Schweißpunktes an. Somit bedeuten 100% einen Dauerbetrieb. Aufgrund der Grenzbelastungskennlinie ist der Schweißinverter der jeweiligen Grenzbelastungskennlinie so zu betreiben, dass bei der jeweils vorgesehenen Einschaltdauer ED der gemäß der Grenzbelastungskennlinie angegebene Stromwert nicht überschritten werden darf. Die Schweißsteuerung steuert den Schweißinverter und dabei insbesondere den Wechselrichter 8 so an, dass die durch die Grenzbelastungskennlinie vorgegebenen Werte für den Schweißstrom nicht überschritten werden.
Aus der 3 ist der Einfluss des Stromflusses I auf einen Temperaturverlauf θ in einem betreffenden Halbleiterbauelement veranschaulicht. Die 3 gibt dabei nur einen qualitativen Zusammenhang an. Der Strom I ist mit waagerechten, fetten Strichen angedeutet, die denn zeitlichen Bereich kennzeichnen, in dem der Strom fließt. Entsprechend stellt die Abszisse einen linearen Zeitstrahl dar. Es ist zu erkennen, dass die Temperatur θ bei eingeschaltetem Strom I ansteigt und bei ausgeschalteten Strom I abfällt. Sowohl der Anstieg als auch der Abfall sind nicht linear, sondern würden gegen einen Grenzwert laufen. Bei wiederholt ein- und ausgeschaltetem Strom I stellt sich demnach für den Temperaturverlauf θ ein etwa wellen- oder sägezahnförmige Verlauf ein. Auf diesen etwa sägezahnförmigen Anstieg und Abfall wird als aktiver Temperaturhub Bezug genommen. Dabei bezeichnet der aktive Temperaturhub die Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen Temperaturwert dieses sägezahnartigen Verlaufs.
Wird nun der Strom für eine längere Zeit unterbrochen, also zum Beispiel nach einer Serie mehrerer Schweißpunkte, und somit im Anschluss an einen etwa sägezahnförmigen Temperaturverlauf, so fällt die Temperatur θ weiter kontinuierlich ab. Bei solchen Temperaturhüben zwischen zwei Schweißpunkteserien wird von passiven Temperaturhüben gesprochen. Bei solchen passiven Temperaturhüben stellt sich insbesondere auch eine Temperaturänderung außerhalb des untersuchten Halbleiterbauelements, nämlich dem Kühlkörper ein.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass unter Umständen auch solche aktiven als auch passiven Temperaturhübe Einfluss auf die Lebensdauererwartung des betreffenden Halbleiterbauelements nehmen können. Erfindungsgemäß lässt sich zum Beispiel eine differenzierte Aussage über die zu erwartende Anzahl von Schweißpunkten SP in Abhängigkeit von der Einschaltdauer ED machen. Der Zusammenhang zwischen Anzahl der Schweißpunkte SP und der Einschaltdauer ED gemäß 4 ergibt sich, wenn der Schweißinverter jeweils mit maximalem Strom I_S gemäß 2 betrieben wird. Somit stellt sich bei kleiner Einschaltdauer ED eine Erwartung nur weniger Schweißpunkte ein, da gemäß 2 bei geringer Einschaltdauer ein hoher Strom fließen darf und somit auch fließt. Somit entsteht bei geringer Einschaltdauer eine schnelle Alterung des Halbleiterbauelements, was durch die hohen Ströme und somit die hohen aktiven Temperaturhübe bedingt wird. Bei steigender Einschaltdauer ED nimmt jedoch der gemäß der Grenzbelastungskennlinie der 2 eingestellte Strom ab, wodurch sich die aktiven Temperaturhübe in ihrer Amplitude verringern und entsprechend eine geringere Belastung und somit geringere Alterung bewirken. Die Lebensdauerkennlinie der 4 läuft dabei zu großen Einschaltdauern ED hin gegen einen Grenzwert, der auch dadurch bedingt ist, dass bei großer Einschaltdauer bis hin zum Dauerbetrieb eine Abkühlung des betreffenden Halbleiterbauelements kaum möglich ist, und somit das Halbleiterbauelement insgesamt bei einer hohen Temperatur betrieben wird, die die Alterung erhöht.
Aus der Lebensdauerkennlinie gemäß 4 ergibt sich somit ein Zusammenhang, bei dem die Anzahl zu erwartender Schweißpunkte SP mit zunehmender Einschaltdauer steigt. Beispielsweise wird ein Wert von zu erwartenden 10.000.000 Schweißpunkten SP erst bei einer Einschaltdauer ED von zumindest 10% erreicht.
Gemäß dem Stande der Technik erfolgt eine Überwachung eines Schweißinverters 30 hinsichtlich einer Grenzbelastung des Stromes, eines Grenzwertes einer Temperatur und eines Grenzwertes einer Kühlmitteldurchflussmenge wie in 5 veranschaulicht ist. Die Überwachung des Inverterstromes in Amplitude und Dauer für einen Schweißpunkt erfolgt in Abhängigkeit einer Grenzbelastungskurve gemäß 2. Hierfür wird in dem Stromüberwachungsblock 32 abhängig von der geplanten Einschaltdauer eine Überprüfung, ob der einzustellende Stromwert die Begrenzung gemäß der Grenzbelastungskennlinie einhalten wird. Das Ergebnis der Überprüfung wird an den Stromsteuerblock 34 ausgegeben, so dass in dem Stromsteuerblock 34 der geplante Strom in Amplitude und Dauer eingestellt wird oder eine Fehlerausgabe erfolgt. Die resultierenden Werte wirken dann auf den Inverter 30 ein, indem sie insbesondere das Pulsmuster in dem Wechselrichter einstellen. Entsprechend stellt sich ein Schweißstrom ein, der über den Ausgang 36 an die Elektroden 38 ausgegeben wird.
Gemäß dem Temperaturüberwachungsblock 40 erfolgt eine Überprüfung, ob eine Kühlkörpertemperatur einen Grenzwert erreicht oder überschreitet. Wird ein Grenzwert erreicht oder überschritten erfolgt eine Abschaltung des Inverters und eine Fehleranzeige gemäß dem Fehleranzeigeblock 42. Die genaue Fehlerursache bleibt jedoch unerkannt. Insoweit wirkt die Überwachung der Grenztemperaturen gemäß dem Temperaturüberwachungsblock 40 direkt auf den Schweißinverter 30 ein.
Weiterhin hat eine Luftkühlung gemäß Block 44 Einfluss auf den Schweißinverterbetrieb. Bei einigen Schweißinvertern ist eine Wasserkühlung gemäß Block 46 vorhanden, bei der ein Durchflussgrenzwert in Block 48 überwacht wird. Unterschreitet die Durchflussmenge des Kühlmittels den überwachten Grenzwert, so erfolgt eine Fehleranzeige und eine Abschaltung des Schweißinverters.
Gemäß dem Stande der Technik werden somit lediglich Grenzwerte des Schweißstroms, einer Kühlmitteltemperatur und einer Kühlmitteldurchflussmenge überprüft. Beim Überschreiten bzw. Unterschreiten greift die Überwachung in die Schweißsteuerung ein. Wird kein Grenzwert erreicht so bleibt die Überwachung gemäß des Standes der Technik ohne Funktion.
Die 6 wird verständlich unter Berücksichtigung der folgenden Liste der in dieser Figur enthaltenen Blöcke:

50: Inverter (Netzgleichrichter, Wechselrichter, Transformator, Sekundärgleichrichter)
52: Ausgang: Schweißstrom (entsprechend der eingestellten Parameter)
54: Elektroden
56: Messen der Betriebstemperaturen ((Kühlkörper, Umgebung, Grundplatten
: der Module) aller Halbleiterbaugruppen)
58: Überwachung Temperaturverhalten
60: „Intelligente Kühlung"
62: Erkennen kritischer Betriebszustände
64: Berechnung der passiven Temperaturhübe
66: Schnittstellen
68: Daten speichern
70: Messen des Schweißstromes und der Betriebszeiten und der Zwischenkreisspannung
72: Aufbereiten der Daten
74: Spannungsmessen einer Leistungshalbleiter
76: Überwachung Spannungsverhalten
78: Feststellen von Alterungserscheinungen
80: Berechnung der aktiven Temperaturhübe
82: Steuerung
84: Fehleranzeige und/oder Abschaltung
86: Berechnung der tatsächlich verbleibenden Lebensdauer
88: Fernüberwachung zur Störungserkennung (Frühwarnsystem)
90: Auswertung zur Ursachenuntersuchung von Ausfällen

Eine erfindungsgemäße Betriebsüberwachung eines Schweißinverters wird für einen Schweißinverter 50 eingesetzt, der einen Netzgleichrichter, Wechselrichter, Transformator und Sekundärgleichrichter umfasst. Über den Stromausgang 52 wird der Schweißstrom entsprechend der eingestellten Parameter an die Elektroden 54 ausgegeben.
Zur Berücksichtigung der Betriebstemperaturen erfolgt gemäß dem Temperaturmessblock 56 für alle Halbleiterbaugruppen die Messung einer Kühlkörpertemperatur, einer Umgebungstemperatur und einer Grundplattentemperatur der Leistungsmodule.
Im Block 58 wird ein Temperaturverhalten überwacht. Hierzu erfolgt ein Vergleich gemessener Temperaturen mit typischen Temperaturen oder Vorgabewerten. Ergebnisse dieser Überwachung werden an einzelne Steuer- oder Berechnungsblöcke ausgegeben. Gemäß dem Funktionsblock zum Steuern einer Kühlung 60 („intelligente Kühlung") erfolgt eine Steuerung eines Kühlkreislaufs abhängig von Abweichungen zwischen gemessenem und typischem Verlauf der jeweiligen Kühlmitteltemperatur. So wird bei zu hoher gemessener Kühlmitteltemperatur die Pumpleistung erhöht. Eine solche Erhöhung der Pumpleistung kann auch bei einer im Vergleich zu einem typischen Wert zu hohen Kühlkörpertemperaturen erfolgen. Bei zu niedriger Kühlmitteltemperatur erfolgt eine Verringerung oder zumindest vorübergehend eine Ausschaltung des Kühlmittelflusses.
Weiterhin werden Werte der Überwachung des Temperaturverhaltens, die gemäß dem Funktionsblock 58 ermittelt werden, gemäß dem Block 62 auf das Vorhandensein oder Drohen kritischer Betriebszustände untersucht.
Die gemäß Block 56 gemessenen Betriebstemperaturen werden außerdem zur Berechnung der passiven Temperaturhübe gemäß Block 64 verwendet. Die Berechnung erfolgt hierbei durch die Differenzbildung zwischen maximaler und minimaler Kühlkörpertemperatur während einer Pause zwischen zwei Schweißpunktserien. Diese berechneten passiven Temperaturhübe werden über die Schnittstelle 66 einem Speicher 68 zugeführt und dort für eine weitere Auswertung gespeichert. Über die Schnittstelle 66 werden ebenso die gemäß Block 56 gemessenen Betriebstemperaturen dem Speicher 68 zugeführt und gespeichert.
Als weitere Werte wird der Schweißstrom und die Betriebszeiten gemäß Block 70 gemessen und gemäß Block 72 aufbereitet. Bei dieser Aufbereitung werden auch die Einschaltdauern berechnet. Die so gemäß Block 72 aufbereiteten Daten werden ebenfalls dem Speicher 68 zugeführt und dort gespeichert. Weiterhin werden noch gemäß Block 74 Spannungen aller Leistungshalbleiter, insbesondere Durchgangsspannungen gemessen. Diese gemessenen Spannungen werden ebenfalls dem Speicher 68 zum Speichern zugeführt. Weiterhin erfolgt gemäß Block 76 ausgehend von den gemäß Block 74 gemessenen Spannungen eine Überwachung des Spannungsverhaltens. Hierzu werden Abweichungen gemessener Spannungsverläufe von typischen Spannungsverläufen bestimmt und zur Feststellung von Alterungserscheinungen einer Berechnungseinheit gemäß Block 78 zugeführt. Die Spannungen werden darüber hinaus dem Block 80 zur Berechnung der aktiven Temperaturhübe zugeführt. Hierzu werden zusätzlich die jeweiligen gemessenen Temperaturen der Grundplatten der Module aus dem Speicher 68 dem Block 80 zugeführt. Aus den gemessenen Spannungen und den gemessenen Grundplattentemperaturen lassen sich die Temperaturen in den Leistungshalbleitern schätzen. Aufgrund dieser geschätzten Temperaturen bzw. Temperaturverläufe werden die aktiven Temperaturhübe berechnet. Diese ergeben sich als Differenz zwischen maximaler und minimaler Temperatur des betreffenden Leistungshalbleiters von einem zum nächsten Schweißpunkt innerhalb einer Serie von Schweißpunkten.
Das Erkennen kritischer Betriebszustände gemäß Block 62 erfolgt zusätzlich zu der Berücksichtigung des überwachten Temperaturverhaltens gemäß Block 58 auch unter Berücksichtigung der Feststellung von Alterungserscheinungen gemäß Block 78. So bedeuten sowohl Temperaturen die einen Grenzwert erreicht haben oder sogar überschreiten einen kritischen Betriebszustand. Ebenso deuten zu hohe Durchlassspannungen, insbesondere Durchlassspannungen die über einem kritischen Wert liegen, auf einen kritischen Betriebszustand und sind auch ein Zeichen für Alterungserscheinungen. Solche kritischen Betriebszustände werden an die Steuerung 82 gegeben und können zu einer Fehleranzeige oder Abschaltung gemäß Block 84 führen.
Von zentraler Bedeutung für eine erfindungsgemäße Betriebsüberwachung eines Schweißinverters gemäß 6 ist die Berechnung der tatsächlich verbleibenden Lebensdauer gemäß Block 86. Für diese Berechnung bzw. Abschätzung werden die passiven Temperaturhübe und die aktiven Temperaturhübe, wie sie gemäß Block 64 bzw. 80 berechnet wurden berücksichtigt. Darüber hinaus fließen die Kenntnisse der gemäß Block 78 festgestellten Alterungserscheinungen ein. Auch die Ergebnisse der Schätzung der tatsächlich verbleibenden Lebensdauer gemäß Block 86 können der Steuerung 82 zugeführt werden und gegebenenfalls zu einer Fehleranzeige, zum Beispiel der Anzeige der verbleibenden Lebensdauer führen.
Die im Speicher 68 gespeicherten Daten werden weiterhin verwertet, um eine Fernüberwachung zur Störungserkennung gemäß Block 88 durchzuführen. Eine solche Fernüberwachung dient auch als Frühwarnsystem, um frühzeitig Störungen erkennen zu können um diese möglichst vor einem Ausfall der Anlage insbesondere des Schweißinverters zu verhindern. Weiterhin werden die gespeicherten Daten gemäß Block 90 einer Auswertung zur Ursachenuntersuchung von Ausfällen zugeführt. Hierdurch soll zum Einen bei einem Ausfall nicht nur der konkrete Fehler behoben werden, sondern auch der Grund, der zu dem Fehler geführt hat. Andererseits soll über eine längerfristige Auswertung, in die auch unter Umständen die Daten weiterer Schweißinverter mit einbezogen werden, die Kenntnis über mögliche Fehlerursachen vertieft werden um hierdurch bereits die Konstruktion und insbesondere die Dimensionierung von neuen Schweißinvertern anzupassen.
Erfindungsgemäß wurde somit eine laufenden Betriebsüberwachung eines Inverters geschaffen. Für eine leistungsfähige Betriebsüberwachung wird diese von der Schweißsteuerung getrennt und direkt dem Inverter zugeordnet. Dazu ist der Inverter mit einem Mikrokontroller und entsprechender Software ausgerüstet. Der Inverter führt Messungen und Auswertungen durch und gibt nur Informationen (Messwerte, Fehlermeldungen, Warnungen u. dgl.) an die Schweißsteuerung.
Ein wichtiger Unterschied zur bisher angewendeten Methode besteht darin, dass Betriebswerte laufend erfasst, verarbeitet und gespeichert werden und nicht nur eine Grenzwertüberwachung stattfindet.
Zunächst werden der Schweißstrom (Spitzen- und Durchschnittswerte), Stromfluss und Pausenzeiten gemessen und daraus die Einschaltdauer berechnet und im internen Speicher des Inverters abgelegt.
Der zentrale Punkt der Betriebsüberwachung sind die Temperaturmessungen der Lufttemperatur innerhalb des Inverters (dies ist im Wesentlichen die Umgebungstemperatur der Leistungsmodule), der Kühlkörpertemperaturen der einzelnen Baugruppen und die Grundplattentemperaturen der Module, die ein genaueres Abbild des Temperaturverhaltens liefern.
Zusätzlich werden die Durchgangsspannungen der Leistungshalbleiter während des Stromflusses ermittelt. Diese Werte liefern ein Abbild der thermischen Belastungen des Chips, der ansonsten mit vertretbaren Aufwand nicht zu ermitteln wäre. Außerdem geben die Durchlassspannungen Aufschluss über die Alterungserscheinungen.
Die aktuell gemessenen Temperaturen vergleicht der Kontroller mit dem typischen Temperaturprofil des Inverters (das zum Beispiel während der Endprüfung des Inverters ermittelt und gespeichert wurde). Treten während des Betriebes Abweichungen auf, kann auf Veränderungen innerhalb des Inverters geschlossen werden. Ergeben sich zum Beispiel Veränderungen im Verhältnis vom Kühlkörper- zur Modultemperatur, kämen Alterungserscheinungen der Wärmeleitpaste als Ursache in Frage. Andererseits lassen sich auch Aussagen über die Wirksamkeit der Kühlung ableiten und eine Vielzahl von Störungen (nicht nur Ausfälle) erkennen. Hierzu gehören zu große oder zu kleine Kühlmitteltemperaturen, Leistungseinbußen von Lüftern oder Kühlwasserpumpen, beschmutzte Kühlkör per oder Kühlwasserleitungen und Veränderungen im Strömungskanal (wenn zum Beispiel äußere Lüftungsöffnungen zugestellt werden).
Zusätzlich nutzt man die gemessenen Temperaturen, um die passiven Temperaturhübe zu berechnen. Aus den Strommessungen und den Durchgangsspannungen ermittelt der Kontroller die aktiven Temperaturhübe. Das Berücksichtigen der Spannungen ist hier besonders wichtig, da man so die tatsächlichen Temperaturerhöhungen in die Rechnung einbezieht.
Aus den Werten der aktiven und passiven Temperaturhübe, der Temperaturlage sowie der Aussagen zu den Alterungserscheinungen kann man eine Abschätzung der tatsächlichen Restlebensdauer des Inverters vornehmen. Dieser kann zum Beispiel an die Steuerung weitergeleitet werden. Weiterhin kann er auch zur Durchführung von vorbeugenden Instandsetzungen genutzt werden, wenn die Restlebensdauer sehr klein geworden ist. Dadurch sollen Produktionsausfälle und Kosten für kurzfristige Serviceeinsätze reduziert werden.
Insbesondere aus den festgestellten Alterungserscheinungen und der Überwachung des Temperaturverhaltens sind kritische Betriebszustände zu erkennen, die zum Beispiel an die Schweißsteuerung gemeldet werden können. Ebenso kann mit entsprechenden Warnmeldungen und/oder automatischen Leistungsanpassungen des Inverters auf erkannte kritische Betriebszustände reagiert werden.
Mit den Werten aus der Temperaturüberwachung kann man auch einen aktiven Einfluss auf die Kühlung nehmen, um die passiven Temperaturhübe zu reduzieren. Während einer Betriebspause könnte die Kühlung abgeschaltet werden, wodurch sich die Abkühlung und damit der Temperaturhub verringert, was positive Auswirkungen auf die Lebensdauer der Leistungshalbleiter hat.
Außerdem lässt sich die Kühlung auch direkt an die aktuellen Belastungen des Inverters anpassen, wodurch sich Verschmutzungen reduzieren (was insbesondere bei Luftkühlung auftritt) und die Lebensdauer von Lüftern/Pumpen erhöhen.
Der Datenbestand im Inverter-Kontroller liefert wertvolle Hinweise bei einer gegebenenfalls notwendigen Ursachensuche, wenn der Inverter ausgefallen sein sollte. Es sollen die tatsächlichen Gründe erkannt und Wiederholungsfälle ausgeschlossen werden. Darüber hinaus lässt sich auf der Datenbasis eine Fernüberwachung realisieren, um zum Beispiel Störungen frühzeitig zu erkennen.
Letztendlich lässt sich feststellen, dass mit dem erfindungsgemäßen System der Betriebsüberwachung die tatsächlichen Belastungen des Inverters berücksichtigt werden. Damit die Dimensionierung der Leistungshalbleiter nicht mehr nach den Grenzbelastungen vorgenommen werden. Die Bauteile lassen sich optimieren und Kosten sparen.

Claims

Verfahren zum Überwachen eines Schweißinverters (50) zum Widerstandsschweißen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturverlauf zum Überwachen des Schweißinverters (50), insbesondere zum Durchführen einer Lebensdauerabschätzung, aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messung, eine Speicherung und/oder Auswertung durchgeführt wird für zumindest für eine der Größen: a. Schweißstrom, b. Stromflusszeit eines Schweißstromes, c. Pausenzeit eines Schweißstromes, d. Lufttemperatur des Schweißinverters, e. Umgebungstemperatur des Schweißinverters; f. Temperatur eines Kühlkörpers, g. Temperatur einer Grundplatte, h. Temperatur eins Kühlmittels, i. Zwischenkreisspannung und j. Durchgangsspannung zumindest eines Halbleiters.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung in Abhängigkeit einer gemessenen Temperatur gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Schweißinverter (50), insbesondere von einem Mikrokontroller des Schweißinverters (50), Informationen an eine Schweißsteuerung (82) gegeben werden und/oder Warnsignale ausgegeben werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gemessene Temperaturen mit einem Temperaturprofil des Schweißinverters (50) verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus Strommessungen und/oder Durchgangsspannungsmessungen von Halbleiterbauelementen und/oder weiteren Temperaturen aktive Temperaturhübe berechnet werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus zumindest einer gemessenen Temperatur eines Kühlkörpers und/oder eines Kühlmittels passive Temperaturhübe berechnet oder geschätzt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abschätzung der Restlebensdauer des Schweißinverters (50) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus Werten der aktiven und/oder passiven Temperaturhübe und/oder weiteren Temperaturen eine Abschätzung einer Restlebensdauer erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zum Durchführen einer Fernwartung vorgegebene, gemessene und/oder berechnete Werte mittels einer Datenfernübertragung und/oder über eines portablen Datenträgers übertragen oder bereitgestellt werden.
Schweißinverter (50) zum Widerstandsschweißen, gekennzeichnet durch a. ein Temperaturmessmittel zum Messen einer Temperatur des Schweißinverters (50) und b. einem Mikrokontroller zum Aufnehmen eines Temperaturverlaufs und/oder c. einer Steuerung (82) zum Steuern einer Kühlung in Abhängigkeit zumindest einer Temperatur.
Schweißinverter (50) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10 durchgeführt wird.
Widerstandsschweißgerät mit einem Schweißinverter (50) nach einem der Ansprüche 11 oder 12.