DE102011121836A1

DE102011121836A1 - Verfahren zum Betrieb einer Widerstandsschweißvorrichtung

Info

Publication number: DE102011121836A1
Application number: DE102011121836A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Scholz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2011-12-21
Publication date: 2013-06-27
Also published as: CN103170719B; CN103170719A

Abstract

Die Leistungsübertragung bei Widerstandsschweißvorrichtungen ist nicht immer optimal. Die Erfindung betrifft eine Widerstandsschweißvorrichtung mit einem Schweißtransformator, welcher eine erste und eine zweite miteinander gekoppelte Sekundärwicklung und einer Primärwicklung sowie einen Synchrongleichrichter umfasst. Diese Anordnung wird gemäß einem speziellen Verfahren betrieben, welches die Leitungsübertragung auf Systemebene optimiert.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Widerstandsschweißvorrichtung und eine Widerstandsschweißvorrichtung als solche gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
Beim Widerstandsschweißen mit Gleichstrom werden sehr hohe Ströme gefordert, die im Bereich von mehreren Kiloampere liegen können. Zur Erzeugung dieser Ströme werden üblicherweise Transformatoren verwendet, welche primärseitig mittels einer Vollbrücke angesteuert werden und sekundärseitig mittels eines Diodengleichrichters die Schweißzangen mit Strom versorgen.
Die Verwendung von Diodengleichrichtern hat den Nachteil, dass aufgrund des Durchlasswiderstandes der Dioden hohe Verlustleistungen auftreten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin eine Widerstandsschweißvorrichtung und ein Verfahren zum Betrieb dieser Widerstandsschweißvorrichtung anzugeben, mittels dessen die Systemperformance der Gesamtanordnung gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen merklich verbessert wird.
Die Erfindung schlägt zu diesem Zwecke ein neues Verfahren zur Versorgung einer Widerstandsschweißvorrichtung mit Strom vor.
Die Widerstandsschweißvorrichtung umfasst unter anderem einen Schweißtransformator mit einer ersten und mit einer zweiten Sekundärwicklung. Beide Sekundärwicklungen sind magnetisch miteinander verkoppelt. Zusätzlich ist eine Primärwicklung umfasst, welche mit beiden Sekundärwicklungen magnetisch verkoppelt ist.
Des Weiteren ist ein Synchrongleichrichter vorhanden, welcher einen ersten und einen zweiten Gleichrichterzweig umfasst. Beide Zweige sind jeweils mittels der ersten und der zweiten Sekundärwicklung verbunden und versorgen eine erste und eine zweite Schweißelektrode mit Schweißstrom.
Der Synchrongleichrichter wird erfindungsgemäß mittels Halbleiterschaltelementen, vorzugsweise mittels Feldeffekttransistoren, unter Verwendung einer Ansteuervorrichtung derart angesteuert, dass die in den Gleichrichterzweigen angeordneten Schaltelemente während eines Polaritätswechsels an der Primärwicklung gemeinsam eingeschaltet bleiben, so dass der an den Schweißelektroden der geforderte Schweißstrom kommutieren kann.
Unter dem Begriff Kommutierung versteht man den Übergang des Schweißstroms zwischen beiden Gleichrichterzweigen (Schweißstromkommutierung). Abhängig von der Primärspannung muss der Schweißstrom zumindest hälftig erst auf den jeweils anderen Gleichrichterzweig umkommutieren, so dass Energie zum Schweißen übertragen werden kann.
Mittels der Halbleiterschaltelemente erreicht man eine Reduzierung der Verlustleistung im Vergleich zu bekannten Diodengleichrichtern, welche höhere Durchlasswiderstände aufweisen. Aufgrund der möglichen Parallelschaltung von mehreren Halbleiterschaltelementen in den Synchrongleichrichterzweigen könnten Ströme bis zu 15 kA oder höher geschaltet werden, wobei sich die Verlustleistung gegenüber Diodengleichrichtern um ca. 70% reduziert.
Primärseitig ist eine Vollbrücke vorgesehen. Die Vollbrücke kann hierzu beispielsweise mehrere IGBTs umfassen, die miteinander zu einer Brückenschaltung verschaltet sind. Die Primärwicklung ist zwischen beiden Brückenzweigen angeordnet, und wird mittels wechselseitiger Ansteuerung der Transistoren mit Strom beaufschlagt.
Mittels dieser Vorgehensweise erreicht man eine Reduzierung der Verlustleistung während der aktiven Energieübertragung und es steht eine höhere Spannung während der Kommutierung des Sekundärstromes zur Verfügung.
Dies hat wiederum zur Folge, dass die aktive Energieübertragungszeit und damit auch die Systemperformance verbessert wird.
Bevorzugt wird von der Ansteuervorrichtung unter Verwendung eines Wertes, welcher eine Primärstromschwelle repräsentiert, ein Vergleich des tatsächlich während des Betriebs auftretenden Primärstromes mit der Primärstromschwelle durchgeführt. Die Halbleiterschaltelemente werden abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs geschaltet. Hierdurch kann das Ende der Kommutierung erkannt und somit die Systemperformance weiter gesteigert werden.
Zum Ende der Kommutierung kann auch nur noch eines der beiden Schaltelemente eingeschaltet bleiben. Ein dafür erforderlicher Schaltbefehl wird über die Erfassung der Primärstromschwelle erzeugt. Die Primärstromschwelle kann im Bereich um 70% bis 100% liegen.
Am Schweißtransformator wird bevorzugt ein Magnetfeldsensor angeordnet. Dessen Signale werden von der Ansteuervorrichtung ausgewertet, so dass die Schaltelemente auch unter Verwendung des Auswerteergebnisses geschaltet werden. Mittels des Magnetfeldsensors kann dann ebenfalls Einfluss auf die Kommutierung genommen und die Systemperformance weiter gesteigert werden.
Sowohl die Komponenten des ersten als auch des zweiten Gleichrichterzweiges sind vorzugsweise symmetrisch ausgebildet. Der Anschluss des Synchrongleichrichters an den zweiteiligen Sekundärkreis ist mittels einer sekundärseitigen Mittelanzapfung des Schweißtransformators realisiert. Die Ansteuerung des ersten und des zweiten Gleichrichterzweiges erfolgt mittels im wesentlichen symmetrischer Impulse. Diese symmetrische Ausbildung ermöglicht eine gleichförmige Magnetisierung, was sich vorteilhaft auf die Energieübertragung und die Systemperformance auswirkt.
Die Ansteuervorrichtung umfasst eine Steuerlogik, eine Stromerfassung mit Komparator und eine Gatterschaltung. Beide wirken derart zusammen, dass die zur Ansteuerung erforderlichen Impulse erzeugt werden. Vorteil dieser Lösung ist die Realisierbarkeit einer sehr kompakten Anordnung.
Die Ansteuerung erfolgt vorzugsweise mittels eines integrierten Schaltkreises oder mittels diskreter Bauteile. Die Ansteuervorrichtung kann auch mit Hilfe einen Mikrocontrollers realisiert werden. Sie kann auch in den Schweißtrafo integriert werden. Im Falle der Verwendung eines Mikrocontrollers wäre eine Realisierung auch ohne zusätzliche externe Anschlüsse möglich.
Die Erfindung umfasst auch eine Widerstandsschweißvorrichtung mit einem Schweißtransformator, welcher eine erste und eine zweite miteinander gekoppelte Sekundärwicklung und eine Primärwicklung sowie einen Synchrongleichrichter beinhaltet. Der Synchrongleichrichter umfasst einen ersten und einen zweiten Gleichrichterzweig. Die Gleichrichterzweige sind jeweils mittels der ersten und der zweiten Sekundärwicklung ansteuerbar. Eine Ansteuervorrichtung zur Durchführung eines Betriebs der Widerstabndsschweißvorrichtung gemäß einem der oben genannten Verfahrensmerkmale ist ebenfalls vorgesehen.
Solch eine Widerstandsschweißvorrichtung weist reduzierte Totzeiten im Sekundärkreis auf und hat damit verbesserte Systemeigenschaften im Vergleich zu bekannten Lösungen.
Eine Stromregelung ist vorzugsweise ebenfalls umfasst, welche mittels eines im Primärstromkreis der Primärwicklung oder im Sekundärstromkreis der Sekundärwicklung erfassten Stromes betrieben wird.
Dies ermöglicht eine präzise Regelung der Vorgänge im Sekundärkreis und wirkt sich zusätzlich positiv auf die Systemperformance aus.
Vorzugsweise wird die Ansteuerung der Gleichrichterzweige mit einer Frequenz im Bereits von 1 kHz bis 20 kHz realisiert, insbesondere im Bereich zwischen 1 kHz bis 10 kHz.
Bei diesen Frequenzbereichen wurden optimale Ergebnisse erzielt.
1 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäß optimierten Stromgleichrichters.
2 zeigt die einzelnen Zeitbereiche der verwendeten Impulse.
3 zeigt die Ansteuervorrichtung im Detail.
In 1 ist gezeigt, eine Vollbrücke mit einem Synchrongleichrichter. Beide sind in eine Widerstandsschweißanlage eingebaut (nicht gezeigt).
Die Vollbrücke ist links dargestellt, sie umfasst zwei Brückenzweige. Beide Zweige liegen an einer Gleichspannung (nicht gezeigt). Jeder Zweig umfasst zwei Schalter Q1, Q4 und Q2, Q3 in Form von IGBTs. Die IGBTs werden mittels Impulsfolgen angesteuert. Im Brückenzweig der Anordnung befindet sich die Primärwicklung 4a des Schweißtransformators. Auf der rechten Seite der 1 ist der Synchrongleichrichter gezeigt. Dieser umfasst die beiden Sekundärwicklungen 4b und 4c des Schweißtransformators. Beide Wicklungen 4b, c sind in Serie geschaltet und haben eine Mittelanzapfung. An der Mittelanzapfung ist in diesem Beispiel diejenige Schweißelektrode 5a angeschlossen, welche während des Schweißvorganges positives Potential (+) aufweisen soll. An den jeweiligen anderen Anschlüssen ist in diesem Beispiel (positives Potential an der Mittelanzapfung) diejenige Schweißelektrode 5b angeschlossen, welche während des Schweißvorganges negatives Potential (–) aufweisen soll.
Zwischen den beiden Schweißelektroden 5a, b können Werkstücke 6 angeordnet werden, welche mittels des erfindungsgemäßen Widerstandsschweißverfahrens miteinander verbunden werden können.
Zur Ansteuerung der Schweißelektroden 5a, 5b befinden sich außerdem Feldeffekttransistoren Q5, Q6 in den Zweigen des Synchrongleichrichters, welche mittels der erfindungsgemäßen Impulsfolgen (siehe 2) erzeugt werden.
2 beschreibt die Impulszeitbereiche.
Bereich I: Die Primärspannung Uprim ist positiv. In der Trafosekundärwicklung kommutiert der Strom Isek von dem ersten auf den zweiten Zweig um. Beide Feldeffekttransistoren Q5, Q6 sind zur Leistungsreduzierung eingeschaltet. Am Ende des Zeitabschnittes I wird bei etwa 90% der Stromschwelle der Feldeffekttransistor Q5 ausgeschaltet und der Strom kommutiert auf eine zu dem Feldeffekttransistor Q5 parallel ausgerichtet Freilaufdiode. Dies erfolgt zwar mit höherer Flußspannung, aber vertretbar kleiner Leistung, da der Strom gering ist.
Bereich II: Die Primärspannung Uprim ist positiv. Am Anfang des Zeitabschnittes II endet die Umkommutierung des Sekundärstromes Isek auf den zweiten Zweig. Dadurch fließt kein Strom Isek mehr in der zu Q5 parallelen Freilaufdiode. Der Feldeffekttransistor Q6 bleibt eingeschaltet und leitet den Schweißstrom Isek weiter. Dieser steigt nach der Formel Usek = L·dl/dt + I·R an. In dieser Phase wird aktiv Energie übertragen.
Bereich III: Die Primärspannung Uprim wird auf die Freilaufdioden kommutiert und wird negativ mit dem Freilauf der primären Trafoinduktivität. Der Feldeffekttransistor Q5 wird erneut eingeschaltet und beide Feldeffekttransistoren Q5, Q6 übernehmen bis Ende der Phase III jeweils den halben Schweißstrom Isek (Freilaufphase).
Bereich IV: Keine Primärspannung Uprim wird vorgegeben. Durch die Feldeffekttransistoren Q5, Q6 fließt jeweils der halbe Schweißstrom Isek. Die Ausgangsspannung Usek1 ist auf Grund des Spannungsabfalls über den Feldeffekttransistoren negativ fallend (Freilaufphase).
Bereich V: Die Primärspannung Uprim ist negativ. In der Trafosekundärwicklung kommutiert der Strom Isek von dem ersten auf den zweiten Zweig um. Beide Feldeffekttransistoren Q5, Q6 sind zur Leistungsreduzierung eingeschaltet. Am Ende des Zeitabschnittes V wird bei etwa 90% der Stromschwelle der Feldeffekttransistor Q6 ausgeschaltet und der Strom kommutiert auf eine zu dem Feldeffekttransistor Q6 parallel ausgerichtet Freilaufdiode. Dies erfolgt zwar mit höherer Flußspannung, aber vertretbar kleiner Leistung, da der Strom gering ist.
Bereich VI: Die Primärspannung Uprim ist negativ. Am Anfang des Zeitabschnittes VI endet die Umkommutierung des Sekundärstromes Isek auf den zweiten Zweig. Dadurch fließt kein Strom Isek mehr in der zu Q6 parallelen Freilaufdiode. Der Feldeffekttransistor Q5 bleibt eingeschaltet und leitet den Schweißstrom Isek weiter. Dieser steigt nach der Formel Usek = L·dl/dt + I·R an. in dieser Phase wird aktiv Energie übertragen.
Bereich VII: Die Primärspannung Uprim wird auf die Freilaufdioden kommutiert und wird positiv mit dem Freilauf der primären Trafoinduktivität. Der Feldeffekttransistor Q5 ist eingeschaltet und beide Feldeffekttransistoren Q5, Q6 übernehmen bis Ende der Phase VII jeweils den halben Schweißstrom Isek (Freilaufphase).
Bereich VIII: Keine Primärspannung Uprim wird vorgegeben. Durch die Feldeffekttransistoren Q5, Q6 fließt jeweils der halbe Schweißstrom Isek. Die Ausgangsspannung Usek1 ist auf Grund des Spannungsabfalls über den Feldeffekttransistoren negativ fallend (Freilaufphase).
Hinweis: Die Bezugszeichen Q1 bis Q4 in 2 in Verbindung mit Uprim beziehen sich auf die in 1 gezeigten IGBT's der dort gezeigten Brückenschaltung. Es wird deshalb empfohlen beim Studium der 2 die 1 parallel zu betrachten.
3 zeigt einen integrierten oder diskreten Schaltkreis als Funktionsblockschaltbild, welcher sowohl die Ansteuerimpulsfolgen für die primärseitige Ansteuerung der Wicklungen mittels der Vollbrückenschalter Q1 bis Q4 liefert, als auch die Ansteuerimpulsfolgen zur Ansteuerung der Transistoren Q5 und Q6 des Synchrongleichrichters.

Claims

Verfahren zur Stromversorgung einer Widerstandsschweißvorrichtung mit einem Schweißtransformator, welcher eine erste und eine zweite miteinander gekoppelte Sekundärwicklung und eine Primärwicklung umfasst sowie mit einem Synchrongleichrichter, welcher einen ersten und einen zweiten Gleichrichterzweig umfasst, welcher jeweils mittels der ersten und der zweiten Sekundärwicklung verbunden ist und eine erste und zweite Schweißelektrode mit Schweißstrom versorgt, wobei der Synchrongleichrichter mittels Halbleiterschaltelementen (Q5, Q6) unter Verwendung einer Ansteuervorrichtung derart angesteuert wird, dass die in den Gleichrichterzweigen angeordneten Halbleiterschaltelemente (Q5, Q6) während eines Polaritätswechsels an der Primärwicklung gemeinsam eingeschaltet bleiben.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei von der Ansteuervorrichtung unter Verwendung eines Wertes, welcher eine Primärstromschwelle repräsentiert, ein Vergleich des tatsächlich während des Betriebs auftretenden Primärstromes mit der Primärstromschwelle durchgeführt wird und wobei die Halbleiterschaltelemente (Q5, Q6) auch abhängig von dem Ergebnis des Vergleichs geschaltet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Schweißtransformator ein Magnetfeldsensor angeordnet ist, dessen Signale von der Ansteuervorrichtung ausgewertet werden, wobei die Schaltelemente (Q5, Q6) auch unter Verwendung des Auswerteergebnisses geschaltet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sowohl die Komponenten des ersten als auch des zweiten Gleichrichterzweiges symmetrisch ausgebildet sind und wobei der Anschluss des Synchrongleichrichters an den zweiteiligen Sekundärkreis mittels einer sekundärseitigen Mittelanzapfung des Schweißtransformators realisiert ist, wobei die Ansteuerung des ersten und des zweiten Gleichrichterzweiges mittels im wesentlichen symmetrischer Impulsen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Ansteuervorrichtung eine Steuerlogik (31), eine Stromerfassung mit Komperator (32) und eine Gatterschaltung (33) umfasst, welche derart zusammenwirken, dass die im wesentlichen symmetrischen Impulse erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ansteuerung mittels eines integrierten Schaltkreises oder mittels diskreter Bauteile erfolgt.
Widerstandsschweißvorrichtung mit einem Schweißtransformator, welcher eine erste und eine zweite miteinander gekoppelte Sekundärwicklung und einer Primärwicklung sowie einen Synchrongleichrichter umfasst, wobei der Synchrongleichrichter einen ersten und einen zweiten Gleichrichterzweig umfasst, wobei die Gleichrichterzweige jeweils mittels der ersten und der zweiten Sekundärwicklung ansteuerbar sind und wobei eine Ansteuervorrichtung zur Durchführung eines Betrieb gemäß einem der Verfahrensansprüche 1 bis 6 vorgesehen ist.
Widerstandsschweißvorrichtung nach Anspruch 7, wobei eine Stromregelung umfasst ist, welche mittels eines im Primärstromkreis der Primärwicklung oder im Sekundärstromkreis der Sekundärwicklung erfassten Stromes betrieben ist.
Widerstandsschweißvorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Ansteuerung der Gleichrichterzweige mit einer Frequenz im Bereits von 1 kHz bis 20 kHz erfolgt, insbesondere im Bereich zwischen 1 kHz bis 10 kHz.