DE102017125869A1

DE102017125869A1 - Elektro-Puls-Geber

Info

Publication number: DE102017125869A1
Application number: DE102017125869.8A
Authority: DE
Inventors: Georg Frost; Frank Rabe
Original assignee: Benteler Maschinenbau GmbH
Current assignee: Benteler Maschinenbau GmbH
Priority date: 2017-11-06
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2019-05-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektro-Puls-Geber, insbesondere zum Einsatz in einer Widerstandsschweißanlage oder einer Umformeinrichtung, welcher aus einer Elektrizitätsquelle (1) gespeist wird und über ein Schaltelement (3) bei Bedarf elektrische Energie abgibt , wobei der Elektro-Puls-Geber mindestens eine Metall-Ionen-Zelle (2) aufweist sowie ein Verfahren zum Betreiben des Elektro-Puls-Gebers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektro-Puls-Geber gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Elektro-Puls-Gebers gemäß den Merkmalen im Anspruch 10.
Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus die Verwendung eines Elektro-Puls-Gebers gemäß den Merkmalen im Anspruch 11.
Zum Zwecke des wiederholbaren Bereitstellens von elektrischen Stromstärkepulsen mit einem bestimmten Gehalt an elektrischer Energie sind Kondensatorentladungsgeräte bekannt. Bedingt durch die Wirkweise von Transformatoren, in denen die elektrische Energie durch einen sich zeitlich ändernden magnetischen Fluss übertragen wird, weisen die elektrische Spannung und die elektrische Stromstärke des Pulses einen stoßförmigen zeitlichen Ablauf auf.
Beispielsweise ist aus der DE 161 52 97 A eine Vorrichtung mit einem Kondensator als Energiespeicher bekannt, die einen ersten steuerbaren elektronischen Schalter zum Aufladen des Kondensators aus einer Energiequelle und einen zweiten steuerbaren elektronischen Schalter zum Entladen des Kondensators aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung bereitzustellen, mit der elektrische Energie rückwirkungsarm aufgenommen wird, verlustarm gespeichert wird und bedarfsgerecht an eine elektrische Last abgegeben werden kann.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Elektro-Puls-Geber mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.
Ein verfahrenstechnischer Teil wird weiterhin mit einem Verfahren zum Betreiben des Elektro-Puls-Gebers mit den Merkmalen im Anspruch 10 gelöst.
Der Elektro-Puls-Geber sowie das Verfahren zum Betreiben können dann Verwendung finden in Anwendungsmöglichkeiten, die im Anspruch 11 beschrieben sind.
Demnach betrifft die Erfindung einen Elektro-Puls-Geber, insbesondere zum Einsatz in einer Widerstandsschweißanlage oder in einer Umformeinrichtung, welche aus einer Elektrizitätsquelle gespeist wird und über ein Schaltelement bei Bedarf elektrische Energie abgibt. Erfindungsgemäß zeichnet sich der Elektro-Puls-Geber dadurch aus, dass dieser mindestens eine Metall-Ionen-Zelle aufweist.
Bei der Umformeinrichtung handelt es sich insbesondere um eine mechanische Umformeinrichtung, beispielsweise zur Umformung von Blechen o. ä.
Ein hier als „Elektro-Puls-Geber“ genannter Gegenstand ist eine Vorrichtung, welche Elektrizität rückwirkungsarm aufnimmt, verlustarm speichert und bedarfsgerecht über wenigstens einen, mittels vorzugsweise einer Wirkkette aus den Leistungshalbleiter-Bauteilen Thyristor oder Transistor schaltbarem Ausgangskanal an eine elektrische Last abgibt. In wenigstens einer als (Lithium-) Ionen- Akkumulator oder als (Lithium-) Doppelschicht-Kondensator gestalteten Metall-Ionen-Zelle mit einer Zellenspannung von bis zu 4,2V ist in der Vorrichtung bei einer elektrischen Gleichspannung von bis zu 120V eine ausreichend große Menge an Elektrizität gespeichert, um einen unterbrechungsfreien Betrieb während einem kurzzeitigen Ausfall der Elektrizitäts-Zuführung bzw. -Einspeisung oder, im Falle von mehr als einem Ausgangskanal, auch eine gleichzeitige Abgabe von Energie zu ermöglichen.
Des Weiteren bedingt die Menge an der in den Metall-Ionen-Zellen mit vorzugsweise einer Kapazität von C ≥10F gespeicherten Elektrizität das Erzeugen von Pulsen, deren Energiegehalt gleichwertig ist mit denen von herkömmlichen Kondensator-Entladungs- und Magnetisier-Geräten, wobei je Puls keine vollständige sondern nur eine Teilentladung erfolgt. Aufgrund der Teilentladung und des mehrphasigen elektro-chemischen Entlade-Vorgangs in Metall-Ionen-Zellen wird der Wert der Zellen-Spannung während des Normalbetriebs nicht zu Null sondern mindert sich nur innerhalb der für die Zelle zulässigen Betriebsspannung. In einer Reihe von Elektrizitätsspeichern bewirkt ein schaltbarer Ausgleichkreis die Lade- bzw. Last-Teilung zwischen den Metall-Ionen-Zellen. Im Falle eines Bauteil-Fehlers oder einer Geräte-Störung wird die Vorrichtung durch das Schließen einer allpolig potentialfreien mechanischen Schaltbrücke durch das Entladen und Überbrücken der gefährdeten Metall-Ionen-Zelle in einen sicheren Betriebszustand überführt, in dem das Entstehen eines Folgefehlers oder einer Gefährdung der Umgebung ausgeschlossen werden kann.
Bei dem Entladen der Zelle wirkt die von einem Antrieb mit besonderen (mechanischen, magnetischen, pneumatischen oder pyro-technischen) Eigenschaften kraftbetätigte Schaltbrücke als kaltleitender (PTC-) Lastwiderstand. Ohne eine weitere Transformation oder Filterung der elektrischen Spannung bildet der von den Leistungshalbleiter-Bauteilen geschaltete Elektrizität-Puls bei der annähernd konstanten Spannung an einem ohm'schen Widerstand eine rechteck-, eine trapez- oder eine konvexviereck-förmige Leistung-Zeit-Fläche ab. Der in einer in Bezug auf herkömmliche Kondensator-Entladungs- und Magnetisier-Geräte aus zumeist leistungselektrischen Bauteilen in einer kleinen Menge von wenigen Bauarten kostengünstig, betriebssicher und robust herstellbare Elektro-Puls-Geber kann über einen natürlich kommutierenden Gleichrichter rückwirkungsarm aus einer 1- oder 3-Phasen-Wechselspannungsquelle oder aus einer Gleichspannungsquelle mit einer standardisierten Niederspannung bis einschließlich des Effektivwerts von 1000V gespeist werden. Der elektrische Potentialunterschied aus der Kleinspannung zwischen den Masse-fernen und den Masse-gebundenen elektrischen Leitern, welche den Elektrizitätsspeicher der Vorrichtung umfassen, belastet nicht die elektrische Isolierung, die Sperrschicht der Halbleiter, das Dielektrikum bzw. den Separator des Kondensators und gefährdet keine Personen, die in direkter oder indirekter Berührung stehen mit dem Elektro-Puls-Geber.
Eine weitere Minderung der Bauteilkosten stellt der Markt der Elektrofahrzeuge in Aussicht: Metall-Ionen-Zellen, insbesondere Lithium-Ionen-Akkumulatoren, von denen sich die Bauarten mit einer Elektrode aus Lithium-Eisen-Phosphat oder aus Lithium-Titanat aufgrund der gegenüber Lithium-Ionen-Zellen mit anderen Stoffen großen elektrischen Leistungsdichte von wenigstens 1,8 kW/kg als derzeit am besten eignen für das Erzeugen von Elektrizitäts-Pulsen mit einer für Magnetisier-, Heiz- oder Schweiß-Vorgänge ausreichend großen elektrischen Stromstärke, können nach dem Ablauf der Gebrauchsdauer als mobile Elektrizitätsspeicher noch für den stationären Betrieb genutzt werden.
Der Elektro-Puls-Geber ermöglicht somit eine rückwirkungsarme Energieaufnahme mittels wenigstens eines natürlich kommutierenden Gleichrichters sowie eine verlustarme Energiespeicherung mittels wenigstens einer Metall-Ionen-Zelle. Ferner wird eine bedarfsgerechte Energieabgabe mittels wenigstens einer Wirkkette aus Leistungshalbleiter-Bauteilen ermöglicht. Die elektrische Energieaufnahme aus einer 1- oder 3-Phasen-Wechselspannungsquelle oder aus einer Gleichspannungsquelle mit einer standardisierten Niederspannung ist bis einschließlich des Effektivwerts von 1000V möglich.
Die Speicherung von Elektrizität erfolgt in wenigstens einer als (Lithium-)lonen-Akkumulator oder als (Lithium-)Doppelschicht-Kondensator gestalteten Metall-Ionen-Zelle mit einer Zellenspannung von bis zu 4,2V bei einer elektrischen Gleichspannung im Wertebereich der für Menschen nicht gefährlichen Kleinspannung von bis zu 120V. Die elektrische Energieabgabe erfolgt bei annähernd konstanter Spannung durch das Teilentladen der wenigstens einen Metall-Ionen-Zelle, wobei der Wert der Spannung sich innerhalb der für die Zelle zulässigen Betriebsspannung mindert.
Die Elektrische Energieabgabe kann nach Bedarf durch einen einzelnen Elektrizität-Puls „Single Pulse“ oder durch eine Serie von Elektrizität-Pulsen „Pulse Train“ mit einer annähernd rechteck-, trapez- oder konvexviereck-förmigen Leistung-Zeit-Fläche abgegeben werden.
Auch eine elektrische Energieabgabe im unterbrechungsfreien Betrieb ist möglich, über wenigstens einen Ausgangskanal während einem kurzzeitigen Ausfall der Elektrizitäts-Zuführung bzw. -Einspeisung bzw. zeitgleich oder überlappend durch wenigstens einen weiteren Ausgangskanal.
Weiterhin ist ein gesteuertes Aufnehmen und Abgeben von elektrischer Energie mittels wenigstens einem Paar von einem ein- und ausschaltbaren Leistungshalbleiter-Bauteil „Transistor“, vorzugsweise einem normal-sperrenden Transistor von einem geringen Durchlasswiderstand „R_DS(on)“ mit einer elektrisch isolierten Steuer-Elektrode, z.B. „Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)“ oder „Field-Effect Transistor (FET)“ möglich.
Es entstehen keine Wandlerverluste durch Transformatoren oder durch LC-Filter sowie nur geringe Speicherverluste aufgrund des Betriebs mit der für Menschen nicht gefährlichen Kleinspannung nicht erforderlicher Selbstentlade-Vorrichtung.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie Darstellung. Die schematischen Figuren dienen zum einfacheren Verständnis der Erfindung. Es zeigen:

1 a bis c kennzeichnende Spannungs-Zeitdiagramme der von dem erfindungsgemäßen Elektro-Puls-Geber abgegebenen Pulsspannung mit dem erfindungsgemäßen Elektro-Puls-Geber und
2 einen schematischen Aufbau des Elektro-Puls-Gebers.

In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
1 a bis c zeigen im Falle von 1a die Abgabe einer Spannung über der Zeit als Rechteck-Puls. An einem ohm'schen Widerstand wird somit eine Leistungs-Zeitfläche mit rechteckiger Konfiguration erzeugt. Im Falle von 1 b wird eine Spannung abgegeben als Trapez-Puls und im Falle von 1 c eine Spannung als Puls mit einer konvexviereck-förmigen Zeitfläche. Ferner sind die Spannungen nach folgenden Zeitpunkten eingetragen: 5 = Ladeschluss-Spannung, 6 = Puls-Lade-Spannung, 7 = Puls-Entlade-Spannung, 8 = Entladeschluss-Spannung.
2 zeigt den schematischen Aufbau einer Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Elektro-Puls-Geber. Hierbei wird von einer Elektrizitätsquelle 1 der erfindungsgemäße Elektro-Puls-Geber gespeist. Dieser weist mindestens eine Metall-Ionen-Zelle 2 sowie ein Schaltelement 3 auf. Bei Bedienung des Schaltelements 3 wird somit eine elektrische Energie an einen elektrischen Verbraucher bzw. eine elektrische Last 4 abgegeben.
Bezugszeichenliste

1 -: Elektrizitätsquelle
2 -: Metall-Ionen-Zelle
3 -: Schaltelement
4 -: elektrische Last
5 -: Ladeschluss-Spannung
6 -: Puls-Lade-Spannung
7 -: Puls-Entlade-Spannung
8 -: Entladeschluss-Spannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1615297 A [0005]

Claims

Elektro-Puls-Geber, insbesondere zum Einsatz in einer Widerstandsschweißanlage oder in einer Umformeinrichtung, welcher aus einer Elektrizitätsquelle (1) gespeist wird und über ein Schaltelement (3) bei Bedarf elektrische Energie abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektro-Puls-Geber mindestens eine Metall-Ionen-Zelle (2) aufweist.
Elektro-Puls-Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Ionen-Zelle (2) ein Ionen-Akkumulator oder ein Doppelschicht-Kondensator ist, insbesondere ein Lithium-Ionen-Akkumulator oder ein Lithium-Doppelschicht-Kondensator.
Elektro-Puls-Geber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Ionen-Zelle (2) eine Zellspannung von bis zu 4,2V aufweist und/oder dass mehrere Metall-Ionen-Zellen (2) in Reihe geschaltet sind.
Elektro-Puls-Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektro-Puls-Geber aufladbar ist bis zu einer elektrischen Gleichspannung von 120V, insbesondere sind dazu mehrere Metall-Ionen-Zellen (2) in Reihe geschaltet.
Elektro-Puls-Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Ionen-Zelle (2) eine Kapazität von größer oder gleich 10F aufweist.
Elektro-Puls-Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (3) als potentialfreie mechanische Schaltbrücke, insbesondere als kaltleitender Lastwiderstand ausgebildet ist oder das Schaltelement (3) ein Halbleiterschalter ist, insbesondere ein Thyristor oder ein Transistor.
Elektro-Puls-Geber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Schaltbrücke von einem Antrieb mechanisch, magnetisch, pneumatisch oder pyrotechnisch betätigt ist.
Elektro-Puls-Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren Metall-Ionen-Zellen (2) ein schaltbarer Ausgleichskreis ausgebildet ist, dergestalt, dass ein vollständiges Entladen der Metall-Ionen-Zellen (2) bei Abgabe einer elektrischen Spannung verhindert wird.
Elektro-Puls-Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrizitätsquelle (1) eine Gleichspannungsquelle oder eine Wechselspannungsquelle ist, bevorzugt eine Niederspannungsquelle mit einer Spannung von kleiner oder gleich 1000V, wobei bevorzugt ein Gleichrichter dem Elektro-Puls-Geber vorgeschaltet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Elektro-Puls-Gebers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Schaltelement (1) gesteuert, von der Metall-Ionen-Zelle (2) eine elektrische Spannung als Rechteck-Puls, als Trapez-Puls oder als Konvexviereck-Puls abgegeben wird, wobei die Metall-Ionen-Zelle (2) nicht vollständig entladen wird.
Verwendung eines Elektro-Puls-Gebers nach Anspruch 1 für das elektrische Punkt- oder Buckel-Widerstandschweißen von metallischen Gegenständen, für das Hochenergie- oder Energie-Puls-Umformen oder Zertrümmern von Körpern, für das Magnetisieren von hartmagnetischen Werkstoffen, für das Erzeugen von Mikrowellen, LASER- oder Röntgen-Strahlen.
Verwendung eines Elektro-Puls-Gebers nach Anspruch 1 für das Erregen von elektrischen Maschinen, insbesondere als elektromagnetischer Antrieb für ein Loch- oder Schneidwerkzeug oder einen elektromagnetischen Antrieb nach der Wirkweise von einem Schienengewehr.