DE102009041404A1

DE102009041404A1 - Eigensicherer Transformator

Info

Publication number: DE102009041404A1
Application number: DE102009041404A
Authority: DE
Inventors: Willi Völker
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2009-09-12
Publication date: 2010-11-25

Abstract

Die Erfindung schlägt eine Überwachungseinrichtung zum Schutz eines elektrischen Transformators (201, 203) vor, wobei eine Recheneinheit (205) die für die Belastung des Transformators charakteristischen Messdaten während des Betriebes des Transformators (201, 203) mit einer in einem Speicher abgelegten Vergleichsdatenreihe vergleicht und unter Berücksichtigung des Vergleichsergebnisses eine Signalisierung der Belastung erzeugt. Mittels der Erfindung kann somit ein eigensicherer Transformator realisiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Transformatoren, insbesondere Transformatoren für Widerstandsschweißanwendungen. Die Erfindung schlägt gemäß den unabhängigen Ansprüchen Anordnungen und Verfahren vor, welche den Zweck der Überwachung derartiger Transformatoren verfolgen.
Schweißtransformatoren für Widerstandsschweißanwendungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Patentschrift Nr. 683 645 des Reichspatentamts zeigt beispielsweise einen Schweißtransformator, welcher insbesondere für Mittelfrequenzstrom und Hochfrequenzstrom geeignet ist.
Der Schweißtransformator hat die Aufgabe die Netzspannung auf eine niedrigere Sekundärspannung herabzusetzen, um den Schweißstrom auf eine Stromstärke von mehreren tausend Ampere zu erhöhen.
Hierbei kommt es weniger auf die Dauerleistung an. Hohe Spitzenleistungen bei minimalen Einschaltdauern sind gerade in der Kleinserienfertigung erforderlich. Häufig bildet eine elektronische Leistungsstufe mit Gleichrichterdioden zur Ansteuerung des Transformators zusammen mit dem Transformator eine bauliche Einheit. Um die aufgrund des Pulsbetriebes bei sehr hohen Strömen auftretenden Temperaturerhöhungen der Anordnung im Betrieb entgegen zu wirken, sind diese in der Regel mit einer Wasserkühlung und einer Temperaturüberwachung versehen, denn zu hohe Temperaturen können sowohl das Wicklungspaket des Transformators, als auch die für die Ansteuerung des Transformators verwendeten Halbleiterbauteile beschädigen und zum Ausfall der gesamten Anordnung führen. Die Temperaturüberwachung wird üblicherweise mittels Kaltleitern (PTCs) realisiert, welche in die Wicklungen der Primär und Sekundärseite des Transformators eingebracht werden und somit die Wicklungstemperatur überwachen.
Der Nachteil einer solchen Lösung besteht darin, dass die Überwachung der Anordnung den dynamischen Laständerungen im Betrieb nicht gerecht werden kann und in erster Linie als Notbehelf zu betrachten ist, um die Anordnung vor einer Zerstörung zu schützen.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen eine Überwachungseinrichtung zum Schutz der Anordnung bzw. eines Bauelementes vor Überlastung vorzusehen. Diese Überwachungseinrichtung umfasst eine Recheneinheit und eine Speichereinheit zur Speicherung von zumindest einer die zulässige Belastung charakterisierenden Datenreihe. Die Recheneinheit ist dabei derart realisiert, dass mittels der Recheneinheit erfassbare Messdaten bezüglich der während des Betriebes auftretenden Belastung mit der im Speicher abgelegten Datenreihe vergleichbar sind, so dass unter Berücksichtigung des Vergleichsergebnisses eine der momentanen Belastung angemessene Signalisierung dieser Belastung realisierbar ist.
Gerade in Verbindung mit beispielsweise einer mittels eines Roboters betriebenen Widerstandsschweißanlage in der Automobilindustrie, welche häufig aufgrund sich ändernder Anforderungen umgerüstet werden muss, bietet die Erfindung erhebliche Vorteile. Die Erfindung ermöglicht nämlich die Realisierung einer eigensicheren Stromquelle für die Widerstandsschweißanlage, welche eine Überwachung für unterschiedlichste Lastanforderungen umfasst.
Vorzugsweise erfolgt die Ermittlung des Vergleichsergebnisses in Echtzeit nach Maßgabe eines vorgebbaren Taktrasters, beispielsweise abgeleitet von einem festen Maschinenrhytmus. Die Überwachungseinrichtung umfasst eine Anschlussmöglichkeit für eine als Messeinrichtung fungierende Messspule zur Erfassung eines in der Anordnung auftretenden Stromes. Die Messwerte der Messspule können zur Weiterverarbeitung an die Recheneinheit überführt werden. Ebenso ist ein Eingang zum Anschluss einer Steuerspannung und ein Ausgang zur Ausgabe einer Steuerspannung vorgesehen, wobei eine am Eingang anliegende Steuerspannung unter Berücksichtigung des Vergleichsergebnisses gleichzeitig am Ausgang zur Verfügung gestellt werden kann.
Besonders bevorzugt wird ein Speichermittel zur temporären Speicherung von Messdaten vorgesehen. Dieses Speichermittel kann als Register (z. B. FIFO-Prinzip) realisiert sein, welches gemäß dem Maschinenrythmus oder gemäß eines vorgebbaren Taktes mit den Messdaten befüllt wird. Bei den Messdaten kann es sich beispielsweise um die Einschaltdauer für den Schweißstrom halten, so dass in dem Register über einen definierten Zeitraum die Einschaltdauer für einzelne Schweißvorgänge erfasst und zwischengespeichert werden kann.
Wie zuvor schon angedeutet kann es sich bei der Anordnung bzw. dem elektrischen Bauteil um einen Gleichrichter und/oder einen Transformator handeln, wobei es sich beiden Messwerten um die Einschaltzeiten für einen in den Gleichrichtern und/oder in dem Transformator auftretenden elektrischen Strom handelt und wobei eine erste Datenreihe das Belastungsdiagramm einer Gleichrichterdiode und/oder eine zweite Datenreihe eine Transformatorkennlinie beschreibt. Die Prozeßgröße dabei ist der Schweißstrom und dessen Tastverhältnis abhängig von dem Maschinenrhytmus.
Realisierbar wäre die Erfindung dann beispielsweise so, dass mittels der Messeinrichtung innerhalb eines Schweißtransformators die Einschaltdauer des Schweißstromes für die Leistungshalbleiter im Kurzzeitbereich sowie im Langzeitbereich unter Zuhilfenahme der Recheneinheit erfasst wird. Aus dieser gemessenen Einschaltdauer und dem Puls/-Pausenverhältnis sowie dem aktuellen Betriebszustand der Anordnung lassen sich die Einschaltdauern für die Leistungshalbleiter und den Transformator mittels der Recheneinheit ableiten. Diesen Einschaltdauern kann dann ein maximal zulässiger Strom zugeordnet werden. Die Recheneinheit könnte während des Betriebes die jeweils aktuell gemessenen Werte mit den abgespeicherten Werten vergleichen und lastabhängig geeignete Schutzmaßnahmen einleiten, beispielsweise durch zyklische Abschaltung der Last.
Die Erfindung schlägt ebenfalls ein Verfahren zum Schutz eines elektrischen Bauelementes bzw. einer Anordnung vor Überlastung mittels einer Überwachungseinrichtung vor. Die Überwachungseinrichtung erfasst im Rahmen des Verfahrens Messdaten bezüglich der aktuellen Belastung des Bauelementes bzw. der Anordnung und vergleicht diese mit einer in einem Speicher abgelegten Messdatenreihe. Unter Berücksichtigung des Vergleichsergebnisses wird anschließend eine Signalisierung der Belastung realisiert und/oder geeignete Schutzmaßnahmen werden abgeleitet. Vorzugsweise werden eine Anzahl von Messdaten in einem Speichermittel temporär abgespeichert. Es können sowohl einzelne im Speicher abgelegte Messwerte, als auch ein aus mehreren Messwerten gebildeter und die Gesamtheit dieser Messwerte repräsentierender Wert für voneinander unabhängig durchgeführte Vergleichsoperationen herangezogen werden. Das Ergebnis der Vergleichsoperationen wird dann bei der Signalisierung berücksichtigt. Der repräsentierende Wert könnte beispielsweise das gewichtete arithmetische Mittel der ermittelten Einschaltdauern sein, welche unter Berücksichtigung des Maschinenrhytmus ermittelt wurden.
Die Erfindung beinhaltet ebenfalls ein Verfahren zur Nachrüstung einer Überwachungseinrichtung an einem Transformator, insbesondere einem Schweißtransformator, mit Primärteil, Sekundärteil, Gleichrichter und mit Stromerfassungsmittel, wobei eine Überwachungseinrichtung wie zuvor beschrieben an dem Transformator angeordnet wird und mit dem Stromerfassungsmittel elektrisch verbunden wird.
Die Versorgung der nachrüstbaren Überwachungseinrichtung könnte in der Form realisiert werden, daß über das elektromagnetische Feld des Transformators, in einer Spule im Nachrüstsatz eine Spannung induziert wird, welche einen Strom treibt und einen Akkumulator im Nachrüstsatz lädt. Dadurch würde die Notwendigkeit einer separaten Spannungsversorgung entfallen. Der Nachrüstsatz hätte dann nur einen Eingang für eine Stromspule und einen den Ein- bzw. Ausgang für die Signalisierung.
Bei vorhandenen Schweißtransformatoren sind Anschlüsse für die Stromspule sowie für Temperaturschalter in der Regel zugänglich.
Die erfindungsgemäße Idee ermöglicht es daher auch einen Nachrüstsatz anzubieten. Damit ist es möglich die Betriebssicherheit bereits im Betrieb befindlicher Transformatoren weiter zu erhöhen und die Ausfallsicherheit der mittels der Transformatoren betriebenen Vorrichtungen zu verbessern. Es wird ausdrücklich erwähnt, dass das erfindungsgemäße Konzept nicht auf das Gebiet der Schweißtechnik beschränkt ist. Anstelle der Einschaltdauer für Schweißimpulse könnten auch andere für die Belastung eines Transformators charakteristischen Daten erfasst und zum Betrieb der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung verwendet werden.
Die Erfindung umfasst ebenfalls ein Programm, welches gemäß des zuvor genannten Verfahrens auf der zuvor erwähnten Recheneinheit oder einer anderen Recheneinheit, wie beispielsweise einem Industrie-PC, ausgeführt wird.
1 zeigt schematisch die prinzipielle Funktionsweise der Erfindung.
2 zeigt als Anwendungsmöglichkeit der Erfindung deren Verwendung bei einem Schweißtransformator. Die Erfindung ist auf diese Anwendung jedoch nicht beschränkt.
3 zeigt eine Diodenkennlinienschar.
4 zeigt eine Transformatorkennlinie.
5 zeigt die Widerstandskennlinie eines Transformators.
6 zeigt die Diodeneinschaltdauer relativ zum Maschinentakt
7 zeigt die Prozesszeit
8 zeigt erfindungsgemäße Verfahrenschritte
1 visualisiert die prinzipielle Funktionsweise der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung 100 zum Schutz beispielsweise eines Schweißtransformators einer Widerstandsschweißanlage vor Überlastung. Die Speichereinheit 101 mit vorzugsweise FIFO-Struktur dient der Speicherung einer Reihe von mittels der Recheneinheit 102 errechneten Einschaltdauern E_D für die Gleichrichterdioden des Schweißtransformators während eines definierbaren Zeitraums von beispielsweise 60 Sekunden.
Eine Diodeneinschaltdauer E_D wird wie folgt mittels der Recheneinheit 102 ermittelt. Die Recheneinheit 102 erkennt mittels Auswertung der von einer Strommessspule (nicht gezeigt, am Eingang 103 anschließbar) stammenden Signale, wie lange ein Werkstück mit Schweißstrom beaufschlagt wird. Diese Zeitdauer entspricht auch der Schweißzeit.
Mittels der relativen Betrachtung dieser Zeitdauer zu dem sogenannten Maschinentakt, kann die relative Einshaltdauer berechnet werden. Der Maschinentakt kann beispielsweise durch das Zeitintervall definiert sein, welches maximal zwischen zwei Schweißvorgängen verstreichen darf (z. B. 2 Sekunden). Es gilt: ED [in %] = (Diodeneinschaltdauer/Maschinentakt)·100
Da der Recheneinheit 102 sowohl der Maschinentakt, als auch die mittels der Messspule ermittelbare Schweißzeit bekannt ist, ist diese in der Lage während einer Zeitbasis von beispielsweise 60 Sekunden die Speichereinheit mit den ermittelten E_D-Werten zu befüllen.
Die sogenannte Prozesszeit E_DP kann durch die Betrachtung der Diodeneinschaltdauer E_D, multipliziert mit der Anzahl der Schweißpunkte, relativ zum der weiter oben genannten Zeitbasis von beispielsweise 60 Sekunden ermittelt werden.
Es gilt: EDP [in %] = ((ED·Anzahl Schweißpunkte)/Zeitbasis)·100
Die Anzahl der Schweißpunkte ist ebenfalls aus den Signalen der Strommessspule mittels, der Recheneinheit 102 ableitbar, da bei jeder Strombeaufschlagung ein Schweißpunkt entsteht. Somit entspricht die Anzahl der gespeicherten E_D-Werte [%] gleichzeitig auch der Anzahl der Schweißpunkte.
In einem geeigneten Speicher sind sowohl die die Dioden (3), als auch die den Transformator (4) charakterisierenden Wertepaare gespeichert.
Die Recheneinheit 102 ermittelt unter Berücksichtigung der in der Speichereinheit 101 abgelegten E_D-Werte [%] den zulässigen Diodenstrom mittels der Wertepaare (105), welche die Dioden charakterisieren. Die Wertepaare (105) sind für unterschiedliche Stromzeiten separat voneinander im Speicher abgelegt und bilden die in 3 gezeigte Kennlinienschar.
Die Recheneinheit 102 ermittelt unter Berücksichtigung der in der Speichereinheit 101 abgelegten E_D-Werte [%] auch den zulässigen Transformatorstrom mittels der Wertepaare (104), welche charakteristisch für den Transformator sind (4).
Der Transformatorstrom und der Diodenstrom stellen die jeweils zulässigen oberen Grenzwerte für den Strom dar, welcher in den Dioden bzw. dem Transformator auftreten darf.
Wird einer dieser beiden Werte oder der niedrigere der beiden Stromwerte überschritten, so bewirkt die Recheneinheit mittels des Vergleichsgliedes 106, dass ein Schalter 109 betätigt wird, welcher eine am Eingang E (107) der Überwachungseinrichtung 100 anschließbare Versorgungsspannung an den Ausgang A der Überwachungseinrichtung 100 durchschaltet. Der Vergleich erfolgt unter Berücksichtigung der abgespeicherten Wertepaare für die Diodenkennlinie und die Transformatorkennlinie.
Es wird somit möglich abhängig von diesem Vergleichsergebnis eine Signalisierung in Form eines Schaltsignals oder dergleichen durchzuführen.
Die Erstbefüllung des FIFO-Speichers 101 bzw. zur Initialisierung der Überwachungseinrichtung könnte man mittels eines minimalen Stromes realisieren, um mittels der Messspule die Einschaltdauern für die Gleichrichterdioden und den Transformator zu definieren. Aus diesen ermittelten Werten könnte man dann den maximalen Stromwert für den Gleichrichter und den Transformator ableiten, und als Grenzwert abspeichern.
Die Erstbefüllung könnte wie folgt ablaufen:

1.) Abfahren des Anlagenablaufes (Teach modus) mit kleinem Strom zur Ermittlung der Einschaltdauer für das Gleichrichterpaket und den Transformator.
2.) Ermittlung der jeweiligen Einschaltdauern für das Gleichrichterpaket von Punkt zu Punkt und der Einschaltundauer für den kompletten Maschinenablauf. Zuordnung des maximal möglichen Schweißstromes im Rahmen der jeweiligen Punkt zu Punktbetrachtung und unter Berücksichtigung des kompletten Maschinenablaufes.
3.) Speichern der einzelnen Werte unter Berücksichtigung des jeweiligen Maschinenzustandes (Punkt zu Punkt und kompletter Ablauf).

Die Überwachungseinrichtung wird mittels des Anschlusses 110 mittels des Schweißtransformators (nicht gezeigt) beispielsweise mit einer 9 Volt Gleichspannung oder wie weiter vorne beschrieben induktiv versorgt.
2 zeigt eine Vorrichtung 200 umfassend einen Schweißtransformator 201, mit Primärwicklung (links im Bild) und mit Sekundärwicklung (rechts im Bild), mit einer Mittelanzapfung an der Sekundärwicklung, einen Diodengleichrichter 203 und eine Strommessspule 204 zur Messung der Höhe des Gleichstromes im Schweißkreis. Weiter sind umfasst, ein Temperaturschalter 206 zur thermischen Überwachung des Transformators und ein Mikroprozessor 205 zur Realisierung der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung wie im Rahmen der Figurenbeschreibung zu 1 zuvor schon beschrieben.
Der Mikroprozessor 205 wird mittels einer Spannungsversorgung von beispielsweise 9 Volt über Klemmen 211 versorgt. Diese Spannungsversorgung wird nach der Gleichrichtung von der Sekundärwicklung des Transformators abgegriffen. Die primäre Aufgabe des Schweißtransformators 201 ist es, den Schweißstrom Is zu liefern, so dass dieser mittels der an einer Schweißzange angebrachten Elektroden 209, 210 auf zwei miteinander zu verbindende Werkstücke 207, 208 einwirken kann.
Die Strommessspule 204 ist in der Lage die Höhe des Schweißstromes Is messtechnisch zu erfassen. Dieser Schweißstrom Is kann mehrere kA betragen. Der Mikroprozessor 205 ist in der Lage das mittels der Strommessspule 204 erfasste Signal zu verarbeiten, wie schon zuvor im Rahmen der Beschreibung zu 1 ausführlich erläutert wurde.
Der Schweißtransformator 201 wird mittels der Klemmen U/V 202 mit einer Wechselspannung (z. B. 1 kHz, 500 V) von einem Umrichter 213 versorgt. Der Umrichter 213 ist zusätzlich mittels der Klemmen 212 mit der den Schweißtransformator 201 umfassenden Vorrichtung 200 verbunden.
Diese Klemmen 212 führen eine mittels des Mikroprozessors 205 steuerbare Spannung, wobei diese Spannung (z. B. 24 Volt, Gleichspannung) ebenfalls vom Umrichter 213 zur Verfügung gestellt wird. Der erste Anschluss der Klemmen 212 stellt einen Spannungseingang zur Verfügung (Pfeil nach links, oben) und der zweite Anschluss der Klemmen 212 stellt einen Spannungsausgang zur Verfügung (Pfeil nach rechts, unten). Die Eingangs- und Auggangsklemmen können mittels des Temperaturüberwachungsschalters 206 und des Mikroprozessors 205 miteinander verbunden werden. Der Temperaturüberwachungsschalter 206 ist dabei mit einem mittels des Mikroprozessors 205 realisierten Schalters in Reihe geschaltet. Nur wenn beide Schalter 205, 206 geschlossen sind, wird die am Ausgang des Umrichters 213 anliegende Spannung mittels der Vorrichtung 200 an den Eingang zurück geführt.
Detektiert der Umrichter die an seinem Steuerausgang gelieferte Steuerspannung (Pfeil nach rechts) wieder an seinem Steuerspannungseingang (Pfeil nach links), so kann der Umrichter 213 die mittels der Klemmen U/V 202 bereitgestellte Versorgungsspannung für den Transformator 201 abschalten und somit den Transformator vor Beschädigungen durch Überstrom schützen.
Die Erfindung liefert somit eine Möglichkeit zur Herstellung einer Überwachungseinrichtung für Transformatoren, die entweder zusätzlich zu einer vorhandenen Temperaturüberwachung oder alternativ zu einer solchen vorhandenen Temperaturüberwachung als Schutz vor Überlastung des Transformators dient. Die Erfindung stellt eine Sicherheitsmaßnahme dar, welche Parameter des Schweißprozesses mit einbezieht. Die Erfindung ermöglichst somit die Realisierung eigensicherer Transformatoren.
Folgende Parameter können unter anderem mittels der Recheneinheit während des Überwachungsprozesses berücksichtigt werden:

* Anzahl der Schweißpunkte pro Minute
* Gesamtschweißzeit
* Schweißstrom
* Punkt zu Punkt Schweißzeit
* Durchflussmenge der Wasserkühlung
* Sekundärer Gesamtwiderstand
* Anzahl der Schweißpunkte/Maschinentakt
* Pausen zwischen zwei Maschinentakten
* Anzahl der Schweißpunkte/Minute

In 3 ist eine Diodenkennlinienschar gezeigt. Zur Visualisierung der Diodenkennlinien werden diese in einem kartesischen Koordinatensystem dargestellt, wobei die Abszisse Diodeneinschaltwerte E_D-Werte [%], wie im Rahmen der Beschreibung zu 1 bereits schon beschrieben, und die Ordinate Sekundärkreisströme in kA abbildet.
Jedes Wertepaar bestehend aus Diodeneinschaltwert in E_D [%] und Sekundärkreisstrom [kA] bildet einen Punkt auf einer der Kennlinien. Die Lage der Kennlinien einer Kennlinienschar innerhalb des Koordinatensystems fällt abhängig von der Schweißstromzeit unterschiedlich aus.

Kenlinie 301: Schweißstromzeit 60 ms
Kenlinie 302: Schweißstromzeit t 100 ms
Kenlinie 303: Schweißstromzeit 200 ms
Kenlinie 304: Schweißstromzeit 400 ms
Kenlinie 305: Schweißstromzeit 2000 ms

Die Wertepaare einer Diodenkennlinie sind zur Bildung der unterschiedlichen Diodenkennlinien selbstverständlich auch im Speicher für unterschiedliche Schweißstromzeiten abspeicherbar.
Die Kennlinien repräsentieren die elektrischen Eigenschaften des Diodengleichrichters. Ist entweder die Einschaltzeit E_D [%] oder der Strom [kA] bekannt, so kann mittels der abgespeicherten Wertepaare der jeweils zugeordnete Wert aus der Kenntnis der Kennlinie mittels der Recheneinheit ermittelt werden.
4 dient zur Visualisierung der Transformatorkennlinie. Diese wird in einem kartesischen Koordinatensystem dargestellt, wobei die Abszisse Diodeneinschaltwerte E_D-Werte [%] wie bereits weiter oben definiert und die Ordinate den Sekundärkreisstrom, ebenfalls wie weiter oben bereits definiert, abbildet. Die Transformatorkennlinie repräsentiert die längerfristigen und thermischen Eigenschaften des Transformators unter Berücksichtigung des Schweißprozesses. Die Wertepaare dieser Transformatorkennlinie können ebenfalls in einem Speicher abgespeichert werden.
Die Kennlinie repräsentiert die elektrischen Eigenschaften des Transformators. Ist entweder der Diodeneinschaltwerte E_D [%] oder der Strom [kA] bekannt, so kann mittels der abgespeicherten Wertepaare der jeweils zugeordnete Wert aus der Kenntnis der Kennlinie heraus mittels der Recheneinheit ermittelt werden.
5 dient zur Visualisierung einer Widerstandskennlinie des Schweißtransformators. Die Abszisse bildet dabei den Sekundärkreisstrom Is und die Ordinate den Sekundärkreiswiderstand in Mikroohm ab. Diese Werte können zur Bildung der Widerstandskennlinie in der Speichereinrichtung ebenfalls als Wertepaare abgespeichert sein.
Aus der Widerstandskennlinie kann der zulässige Widerstand im Sekundärkreis abgelesen werden, welcher unter Berücksichtigung der Sekundärkreisspannung des Schweißtransformators und unter Berücksichtigung des gewünschten Schweißstromes nicht überschritten werden darf. Wird dieser Wert dennoch überschritten, so kann der Transformator den erforderlichen Schweißstrom ggf. nicht mehr liefern und es müsste gegebenenfalls eine höhere Sekundärspannung und damit ein leistungsfähigerer Schweißtransformator gewählt werden.
Zusätzlich zu der im Rahmen der Figurenbeschreibung zu 1 beschriebenen Funktionsweise der Überwachungseinrichtung könnte die Überwachungseinrichtung auch eine Signalisierung unter Berücksichtigung dieser Widerstandskennlinie derart ableiten, dass diese beispielsweise den Wert des Widerstandes unter Berücksichtigung des Schweißstromes überwacht.
6 zeigt die Diodeneinschaltdauer relativ zum Maschinentakt. Die Diodeneinschaltdauer beträgt hier beispielhaft 400 ms, d. h. während dieser Zeit ist der Diodengleichrichter leitend geschaltet und führt Strom zu den Schweißelektroden. Die Punkt zu Punkt Zeit, d. h. die Zeit die vergeht, bis beispielsweise ein Schweißroboter zwei Schweißpunkte realisiert, kann beispielsweise 2000 ms betragen. Die Einschaltdauer des Diodengleichrichters errechnet sich somit zu 20% (400 ms/2000 ms·100). Bei einer Einschaltdauer von 20% und einer Diodeneinschaltdauer von 400 ms kann aus der Kennlinie 304 (3) ein maximal zulässiger Schweißstrom von ca. 19 kA abgelesen werden, bzw. von der Recheneinheit mittels der im Speicher abgelegten Kennlinienwertepaare ermittelt werden.
7 zeigt die Prozesszeit basierend auf einer Zeitbasis von 60 Sekunden. Pro 60 Sekunden werden 15 Schweißpunkte mit dem zuvor in 6 beschriebenen Diodeneinschaltwert E_D [%] ausgeführt. Zusätzlich ist eine Pausenzeit von 30 Sekunden vorgesehen. Die Prozesszeit E_DP beträgt hier 10% (15·400 ms/60000 ms·100). Aus der Transformatorkennlinie (siehe auch 4) kann bei einer Prozesszeit E_DP von 10% ein maximal zulässiger Schweißstrom von ca. 17.5 kA abgelesen werden, bzw. von der Recheneinheit ermittelt werden.
Zur Überwachung des Transformators mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der niedrigste oder ein noch niedrigerer Wert bezogen auf die aus den beiden Tabellen ermittelbaren Schweißstromwert gewählt. In diesem Falle liegen z. B. 15 kA unter den aus den Tabellen ersichtlichen 17,5 und 19 kA. Aus der Widerstandskennlinie (5) ist mittels des gewählten Schweißstromwertes von 15 kA ableitbar, dass der Gesamtwiderstand der Anordnung ca. 420 μOhm nicht überschreiten darf.
Die Auswertung der Diodeneinschaltdauern über den Zeitraum von 60 Sekunden könnte beispielsweise mittels auch des arithmetischen gewichteten Mittels der einzelnen Diodeneinschaltdauern erfolgen.
8 zeigt einige erfindungsgemäße Verfahrenschritte, nämlich:

Schritt 801: Erfassung von Messdaten mittels der Überwachungseinrichtung unter Berücksichtigung der aktuellen Belastung des Diodengleichrichters und/oder des Transformators;
Schritt 802: Vergleich der Messdaten mit einer in einem Speicher abgelegten Messdatenreihe, insbesondere einer Messdatenreihe für Diodenkennlinien und/oder Transformatorkennlinien und/oder Widerstandskennlinien;
Schritt 803: Signalisierung der Belastung unter Berücksichtigung des Vergleichsergebnisses mittels eines Signalisierungssignals.
Schritt 804: Weitere Verfahrensschritte gemäß den abhängigen Verfahrensansprüchen.

Ergänzend könnte man auch die Auswirkungen eines momentanen Kühlmittelflusses für das Transformatorverhalten und/oder die Gleichrichterdioden durch im Speicher/der Recheneinheit hinterlegte Tabellen berücksichtigen. Bei bekanntem Kühlmittelfluss (entweder mittels des Mikroprozessors gemessen oder vorprogrammiert) kann dann die Recheneinheit die entsprechende Kurve auswählen und auswerten.
Bei bekanntem Temperaturhub in der Diode könnte man ebenfalls auf die Lebensdauer der Diode schließen (z. B. Hub = 60 grd K bedeutet etwa 10 Millionen Schweißungen). Hierzu müsste die Temperatur im PN-Übergang der Diode erfasst werden (Junctiontemperatur). Die Halbleitertheorie besagt nämlich, dass die Lebensdauer eines Halbleiters vom Temperaturhub des PN-Überganges abhängt. Da bedeutet, bei einer Auswertung der beispielsweise mittleren Junctiontemperatur konnte man ans dem Ergebnis ableiten, wie viele Schweißungen noch mit diesem Trafo durchgeführt werden könnten bis zum nächsten Wartungsintervall. Die Ablage dieser Informationen wäre ebenfalls in einem Speicher möglich. Für Möglichkeiten der Erfassung der Junctiontemperatur kann sich der Fachmann aus dem Stand der Technik bedienen.
Die Erfindung kommt insbesondere zum Einsatz im Bereich der Mittelfrequenztransformatoren, der Wechselstromtransformatoren, insbesondere im Rahmen der Antriebstechnik oder der Schweißtechnik. Die Erfindung bewirkt, dass der Transformator sein Wicklungspaket und seinen Gleichrichter selbsttätig auf Überlast überwacht. Insbesondere einer thermischen Überlastung der Dioden, der Transformatorwicklung und des Transformatorkerns wird vorgebeugt.

Claims

Überwachungseinrichtung zum Schutz mindestens eines elektrischen Bauelementes (201, 203) vor Überlastung, umfassend eine Recheneinheit (205) und mindestens eine Speichereinheit (101) zur Speicherung von Betriebsdaten des Bauelementes (201, 203), wobei die Recheneinheit (205) derart realisiert ist, dass mittels der Recheneinheit (205) die Datenreihe mit einer auch im Speicher abgelegten Vergleichsdatenreihe vergleichbar ist, wobei unter Berücksichtigung des Vergleichsergebnisses eine Signalisierung der Belastung des Bauelementes (201, 203) realisiert ist.
Überwachungseinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Ermittlung des Vergleichsergebnisses nach Maßgabe eines vorgebbaren Taktes erfolgt.
Überwachungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Messspule (204) zur Erfassung eines im Bauelement (201, 203) auftretenden Stromes vorgesehen ist, wobei die Messwerte der Messspule (204) von der Recheneinheit (205) weiterverarbeitbar sind.
Überwachungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Eingang (212) zum Anschluss einer Steuerspannung und ein Ausgang (212) zur Ausgabe einer Steuerspannung vorgesehen sind, wobei eine am Eingang anliegende Steuerspannung unter Berücksichtigung des Vergleichsergebnisses am Ausgang zur Verfügung gestellt werden kann.
Überwachungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Bauelement (201, 203) um einen Gleichrichter (203) oder um einen Transformator (201) handelt und wobei es sich bei den Messwerten um die Einschaltzeiten für einen in dem Gleichrichter (203) oder in dem Transformator (201) auftretenden elektrischen Strom handelt, wobei zumindest eine Vergleichsdatenreihe das Belastungsdiagramm der Gleichrichterdiode (203) und/oder eine Transformatorkennlinie (201) beschreibt und wobei vorzugsweise zumindest zwei Vergleichsdatenreihen zur Beschreibung beider Bauelemente (201, 203) im Speicherabgelegt sind.
Verfahren zum Schutz eines elektrischen Bauelementes (201, 203) vor Überlastung mittels einer Überwachungseinrichtung, wobei die Überwachungseinrichtung Betriebsdaten des Bauelementes (201, 203) erfasst und mit einer in einem Speicher (101) abgelegten Vergleichsdatenreihe vergleicht, wobei unter Berücksichtigung des Vergleichsergebnisses ein Signal zur Signalisierung der Belastung des Bauelementes (201, 203) erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei eine Anzahl von Messdaten in dem Speichermittel (101) abgespeichert wird, wobei zumindest ein im Speicher (101) abgelegter Messwert für zumindest eine Vergleichsoperation herangezogen wird, wobei das Ergebnis der Vergleichsoperationen bei der Signalisierung berücksichtigt wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei es sich bei dem elektrischen Bauteil (201, 203) um einen Gleichrichter (203) und/oder einen Transformator (201) handelt, wobei eine erste Datenreihe das Belastungsdiagramm für den Gleichrichter (203) und/oder eine zweite Datenreihe eine Transformatorkennlinie beschreibt, wobei es sich bei den Messwerten um Einschaltzeiten des in dem Gleichrichter (203) und/oder dem Transformator (201) auftretenden elektrischen Stromes handelt und wobei diese Datenreihen zur Signalisierung herangezogen werden.
Verfahren gemäß dem vorhergehenden Verfahrensanspruch 9, wobei mittels der Einschaltzeiten der für das Bauteil (201, 203) zulässige Strom unter Verwendung zumindest einer Vergleichsdatenreihe ermittelt und das Ergebnis mit dem mittels einer Messspule (204) ermittelten und tatsächlich im Bauteil (201, 203) auftretenden Strom verglichen wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, wobei neben der Einschaltzeiten auch die Pausenzeiten zwischen zwei Einschaltvorgängen ermittelt und bei der Vergleichsoperation berücksichtigt werden.
Transformator, insbesondere Schweißtransformator, mit Primärteil, Sekundärteil, Gleichrichter und Stromerfassungsmittel, von dem eine Überwachungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 umfasst ist.
Verfahren zur Nachrüstung einer Überwachungseinrichtung an einen Transformator, insbesondere an einen Schweißtransformator, mit Primärteil, Sekundärteil, Gleichrichter und mit Stromerfassungsmittel, wobei eine Überwachungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 an dem Transformator angeordnet wird.
Programm, welches gemäß eines Verfahrens nach Anspruch 7 bis 11 arbeitet, während es auf einer Recheneinheit (205) ausgeführt wird.