DE19915396C1

DE19915396C1 - Ladeschaltung mit Kondensatorkopplung

Info

Publication number: DE19915396C1
Application number: DE1999115396
Authority: DE
Inventors: Heinz Jun Soyer; Erwin Mayr
Original assignee: HEINZ SOYER GmbH
Current assignee: BOLZENSCHWEISSTECHNIK HEINZ SOYER GMBH, 82237 , DE
Priority date: 1999-04-06
Filing date: 1999-04-06
Publication date: 2000-08-31
Anticipated expiration: 2019-04-07

Abstract

Eine Schaltungsanordnung zum Laden einer Kondensatoreinheit (6) eines Spitzenzündungs-Bolzenschweißgeräts weist eine Kondensatoreinheit (6), bestehend aus einem oder mehreren parallel geschalteten Kondensatoren (7, 8), auf. Ein Transformator (2) wird mit Netzspannung (1) versorgt und ein Gleichrichter (5) ist zwischen der Sekundärseite des Transformators (2) und der Kondensatoreinheit (6) geschaltet. Ein Koppelkondensator (4) ist zwischen dem Gleichrichter (5) und dem Tranformator (2) geschaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Bolzenschweißgerät mit einer Schaltungsanordnung zum Laden einer Kondensatoreinheit sowie auf ein Verfahren zum Laden einer Kondensatoreinheit eines Bolzenschweißgeräts.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Typen an Bolzenschweiß-Techniken, wie beispielsweise die Spitzenzündung, die Hubzündung sowie die Kurzzeithubzündung. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist insbesondere die Spitzenzündungs- Bolzenschweißtechnik von Interesse. Das Lichtbogenschweißen mit Spitzenzündung dient zum Aufschweißen von Gewindebolzen, Stiften, Innengewindebuchsen, Isoliernägeln, Flachsteckern, Sonderbolzen und Sonderschweißelementen aus den Werkstoffen Stahl, Chromnickel-Stahl, Aluminium und Messing auf metallische Werkstücke. Die unlösbare Schweißverbindung kann halb- oder vollautomatisch ausgeführt werden. Beim Schweißvorgang wird die gespeicherte Energie einer Kondensatorbatterie (d. h. einer Einheit bestehend aus einem oder mehreren parallel geschalteten Kondensatoren) in einer extrem kurzen Zeit von 1 bis 3 ms über die Zündspitze der Schweißelemente entladen. Hilfselemente wie Schutzgase oder Keramikringe werden nicht benötigt.

Bei einem Spitzenzündungs-Bolzenschweißgerät ist daher die Ladeschaltung für die Kondensatorbatterie, die die Energie für den Schweißvorgang speichert, ein wichtiges Bauteil. Bei solchen Ladeschaltungs-Anordnungen wird die Kondensatorbatterie im allgemeinen über einen Transformator und einen Gleichrichter (Gleichrichter- Brückenschaltung) geladen. Die Kondensatorbatterie, die im Einzelfall auch aus einem einzigen Kondensator bestehen kann, ist normalerweise in einem Gehäuse des Bolzenschweißgeräts untergebracht, das über ein sogenanntes Schweißkabel mit der Bolzenschweißpistole verbunden ist.

Zum Laden einer solchen zum Verschweißen von Bolzen vorgesehenen Kondensatorbatterie oder Kondensatoreinheit sind verschiedene Schaltungsanordnungen aus dem Stand der Technik bekannt.

Fig. 3 zeigt eine bekannte Schaltungsanordnung zum Laden einer Kondensatorbatterie 6, bei der die Kondensatorbatterie 6 nach einem Gleichrichter 5 der mittels eines Transformators 2 auf eine entsprechend niedrige Spannung transformierten Netzspannung 1 über eine Widerstandsschaltung 9 bestehend aus parallel geschalteten Ladewiderständen geladen wird. Diese bekannte Schaltungsanordnung hat indessen mehrere Nachteile. Neben der Gefahr, daß bei dieser Schaltung der Transformator 2 am Anfang der Ladephase überlastet wird, wird auf jeden Fall zu Beginn der Ladephase sehr viel Verlustwärme in der zum Laden des Kondensators bzw. der Kondensatoreinheit 6 unbedingt erforderlichen Widerstandsschaltung 9 erzeugt. Ferner ist bei dieser einfachsten Ausführung eine Schaltungsanordnung zum Laden einer Kondensatorbatterie 6 die Zeitkonstante sehr groß, weshalb auch der Ladevorgang entsprechend lang dauert. Auch wenn diese in Fig. 3 gezeigte Ladeschaltung die Vorteile hat, daß sie preiswert und problemlos ist, kann dies dennoch die Nachteile der hohen Wärmeentwicklung der Widerstandsschaltung 9 nicht aufwiegen.

Ausgehend von relativ einfachen Ladeschaltungen wie in Fig. 3 gezeigt, ging die Entwicklung in der letzten Zeit zu immer komplexeren und aufwendigeren Ladeschaltungen. Ein Beispiel für den allgemeinen Trend der Fachwelt, das in deutschen Patentschrift DE-C1-44 45 503 offenbart ist, ist in Fig. 4 gezeigt. Wie in Fig. 4 ersichtlich ist ein Zweiweggleichrichter 10 wechselspannungsseitig mit Anschlußklemmen für eine Netzspannung verbunden. Der positive Ausgangspol des Gleichrichters 10 ist einerseits mit einem Glättungskondensator und andererseits über die Laststrecke eines FET 12 mit einem Primäranschluß eines Hochfrequenzübertragers 14 verbunden. Der negative Ausgangspol des Gleichrichters 10 ist mit dem anderen Anschluß des Glättungskondensators sowie über eine Reihenschaltung aus einem Stromwandler und der Laststrecke eines zweiten FET 13 mit dem anderen Primäranschluß des Hochfrequenzübertragers 14 verschaltet. Eine Steuerschaltung 11 ist vorgesehen. Diese Steuerschaltung 11 ist ein primär getaktetes Schaltnetzteil. Wie leicht einsichtlich ist ein Schaltnetzteil jedoch nachteilig hinsichtlich seines komplexen und verhältnismäßig teuren Aufbaus sowie hinsichtlich von Problemen der elektromagnetischen Verträglichkeit.

Eine weitere Möglichkeit ist eine Ladeschaltung mit einer Phasenanschnitt-Technik zu realisieren. Auch hier gibt es zwar die Vorteile wie bei dem Schaltnetzteil, das nur eine geringe Verlustwärme erzeugt wird, indessen überwiegen aber die Nachteile der elektromagnetischen Verträglichkeit sowie der Belastung des Transformators.

Allgemein kann also gesagt werden, daß der Trend der Fachwelt ausgehend von der einfachen Ladewiderstands-Schaltung zu komplexen Techniken wie beispielsweise der Phasenanschnitt-Technik und der Schaltnetzteil-Technik führt, bei denen nur eine geringe Verlustwärme erzeugt wird, aber gleichzeitig andere Nachteile entstehen.

Aus der DE-OS-21 08 104 ist ein Kondensatorentladungs-Bolzenschweißgerät bekannt, bei dem der Transformator zwischen seiner Primär- und zwischen seiner Sekundärwicklung eine lose Kopplung aufweist.

Aus der DE 40 22 642 A1 ist eine Ladeschaltung für eine akkubetriebene elektrische Zahnbürste bekannt, die eine Ladeschaltung für einen Akkumulator aufweist, bei der ein Koppelkondensator zwischen einem Gleichrichter und einem Transformator geschaltet ist.

Aus der DE 196 53 841 A1 ist eine Einrichtung zur Energieübertragung bei Wegfahrsperren bekannt, die eine Ladeschaltung für einen Kondensator aufweist, wobei ein Koppelkondensator zwischen einen Gleichrichter und einen Transformator geschaltet ist.

Aus der DE-PS 631 992 ist eine Ladeschaltung für Kleinbatterien bekannt, bei der der übliche Abspannungstransformator ganz vermieden ist und durch einen strombegrenzenden Kondensator ersetzt ist.

Aus der DE-OS 14 88 156 ist ein Gleichrichtergerät mit einem Koppelkondensator für kleine Leistungen bekannt, mit dem ein einigermaßen gleichmäßiger Ladestrom erreicht werden kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik zum Laden einer Kondensatorbatterie eines Bolzenschweißgeräts bereitzustellen, die entgegen dem allgemeinen Trend einfach aufgebaut ist und gleichzeitig die eingangs beschriebenen Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist also ein Bolzenschweißgerät mit einer Schaltungsanordnung zum Laden einer Kondensatoreinheit vorgesehen. Die Kondensatoreinheit kann aus einem oder mehreren parallel geschalteten Kondensatoren bestehen. Ein Transformator wird mit Netzspannung versorgt und ein Gleichrichter ist zwischen der Sekundärseite des Transformators und der Kondensatoreinheit geschaltet.

Weiterhin ist ein Koppelkondensator vorgesehen, der zwischen dem Gleichrichter und dem Transformator geschaltet ist.

Zwischen dem Koppelkondensator und dem Transformator kann weiterhin eine Schalteinheit vorgesehen sein, die während des Ladevorgangs der Kondensatoreinheit geschlossen ist und während des Entladungsvorgangs, d. h. des Schweißvorgangs, geöffnet wird.

Der Koppelkondensator kann abhängig von der effektiven Kapazität der Kondensatoreinheit bemessen sein, wobei die Abhängigkeit eine lineare Funktion ist.

Die Kapazität des Koppelkondensators kann bei einer Netzfrequenz von 50 Hz 50 bis 250 µF bei einer effektiven Kapazität der Kondensatoreinheit von 50 bis 150 mF betragen. Die Kapazität des Koppelkondensators wird abhängig von der Netzfrequenz bemessen.

Ein Entladewiderstand kann parallel zu dem Koppelkondensator geschaltet sein.

Der Koppelkondensator kann insbesondere so bemessen sein, daß der Verlauf der resultierenden Spannungs-Ladekurve der Kondensatoreinheit zwischen dem Verlauf einer entsprechenden exponentiellen Ladekurve und dem Verlauf einer Ladekurve mit einem konstanten Ladestrom liegt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Spitzenzündungs- Bolzenschweißgerät vorgesehen, das eine Schaltungsanordnung wie oben ausgeführt aufweist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird weiterhin ein Verfahren zum Laden einer Kondensatoreinheit eines Bolzenschweißgeräts, insbesondere eines Spitzenzündungs- Bolzenschweißgeräts vorgesehen. Das Laden erfolgt dabei mit einer Schaltungsanordnung, die eine Kondensatoreinheit bestehend aus einem oder mehreren parallel geschalteten Kondensatoren aufweist. Ein Transformator wird mit Netzspannung versorgt und ein Gleichrichter zwischen die Sekundärseite des Transformators und die Kondensatoreinheit geschaltet. Ein Koppelkondensator ist zwischen dem Gleichrichter und dem Transformator geschaltet. Der Verlauf der Spannungs-Ladekurve der Kondensatoreinheit liegt dabei zwischen dem Verlauf einer entsprechenden exponentiellen Ladekurve und dem Verlauf einer Ladekurve mit einem konstantem Ladestrom.

Der Transformator wird bei diesem Verfahren sinusförmig belastet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden nunmehr bezugnehmend auf ein Ausführungsbeispiel und anhand der begleitenden Figuren der Zeichnungen näher ersichtlich.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 zeigt verschiedene Ladungskurven für eine Kondensatoreinheit für ein Bolzenschweißgerät,

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung mit Koppelwiderständen gemäß dem Stand der Technik, und

Fig. 4 zeigt eine weitere bekannte Schaltungsanordnung zum Laden einer Kondensatorbatterie eines Bolzenschweißgeräts.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung zum Laden einer Kondensatorbatterie eines Bolzenschweißgeräts, wie insbesondere eines Spitzenzündungs- Bolzenschweißgeräts. Ein Transformator 2 wird primärseitig mit einer Netzspannung 1 versorgt. Die transformierte Netzspannung 1 wird durch einen Gleichrichter 5 gleichgerichtet. Auf der Sekundärseite des Gleichrichters 5 ist die Kondensatoreinheit 6 vorgesehen, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Kondensatoren 7, 8 aufweist. Zwischen dem Transformator 2 und dem Gleichrichter 5 sind eine Schalteinheit 3 sowie ein Koppelkondensator 4 vorgesehen. Die Schalteinheit 3 wird geschlossen, wenn die Kondensatoreinheit 6 geladen werden soll. Während des eigentlichen Schweißvorgangs wird die Schalteinheit 3 geöffnet. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Schalteinheit auch auf der Primärseite des Transformators 2 vorgesehen sein kann.

Ein Entladewiderstand 16 ist aus Personenschutz-Gründen parallel zu dem Koppelkondensator 4 geschaltet.

Durch die Ladeschaltung mit Kondensatorkopplung auf der Wechselspannungsseite wird somit eine preiswerte Ladestufe für die Kondensatoraufladung ohne großen elektronischen Aufwand und mit geringer Verlustleistung geschaffen. Es sei angemerkt, daß die Schalteinheit 3 beispielsweise ein Elektronikrelais sein kann.

Der Koppelkondensator wird abhängig von den Kondensatoren der Kondensatoreinheit 6, daß heißt von der effektiven Kapazität der Kondensatoreinheit 6 bemessen. Die Abhängigkeit der Kapazität des Koppelkondensators von der effektiven Kapazität der Kondensatoreinheit ist dabei eine lineare Funktion. Bei einer Kapazität des Koppelkondensators 4 von 50 µF bis 250 µF kann die effektive Kapazität der Kondensatoreinheit bei einer Netzfrequenz von 50 Hz beispielsweise 50 mF bis 150 mF betragen.

Allgemein wird die Kapazität des Koppelkondensators 4 abhängig von der Netzfrequenz bemessen, die beispielsweise 50 oder 60 Hz betragen kann.

Als Koppelkondensator wird eine sogenannter Wechselstrom-Betriebskondensator verwendet, an dem auch über eine längere Zeit Spannung anliegen darf, und der auf die Netzfrequenz ausgelegt ist. Besonders geeignet sind dabei Folien-Kondensatoren.

Die Trafolast ist bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung sinusförmig, und darüber hinaus ergibt sich keine netzverunreinigende Belastung bzw. Rückwirkung. Es ist keine aufwendige Elektronik notwendig und die Verlustwärme ist nahezu null, da im wesentlichen nur ein Blindwiderstand vorliegt.

Bezugnehmend auf Fig. 2 der begleitenden Zeichnungen soll nunmehr eine Ladekurve gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert werden.

Die Grafik von Fig. 2 zeigt dabei die Spannung der Kondensatoreinheit 6 während des Ladevorgangs abhängig von der Zeit t. Die Kurve K1 zeigt dabei ein lineare Ladekurve, daß heißt einen Ladevorgang mit Konstantstrom, wie es beispielsweise bei der Phasenanschnitt-Technik der Fall ist.

Die Kurve K3 zeigt im wesentlichen exponentielle Ladekurve, die bei der bekannten Ladeschaltung gemäß Fig. 3 erhalten wird.

Die Kurve K2 bezeichnet eine Ladekurve, die bei einer Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung (siehe Fig. 1) erhalten wird. Unter der Voraussetzung, daß die gleiche Entladespannung V_L der Kondensatoreinheit 6 erreicht werden soll, liegt somit die Ladekurve gemäß der vorliegenden Erfindung zwischen der linearen Ladekurve K1 und der im wesentlichen exponentiellen Ladekurve K3. Ein solches Ladeverhalten ist ein sehr guter Kompromiß zwischen der Belastung des Transformators 2 und einem zügigen Aufladen der Kondensatoreinheit 6.

Der Koppelkondensator 4 ist weiterhin so bemessen, daß ein guter Kompromiß zwischen einer kurzen Ladezeit (und damit einer kurzen Schweißrepetitionszeit) und einer möglichst geringen Belastung des Transformators 2 erhalten wird.

Claims

1. Bolzenschweißgerät mit einer Schaltungsanordnung zum Laden einer Kondensatoreinheit, aufweisend:

- eine Kondensatoreinheit (6) bestehend aus einem oder mehreren parallel geschalteten Kondensatoren (7, 8),
- einen mit Netzspannung (1) versorgten Transformator (2), und
- einen Gleichrichter (5) zwischen der Sekundärseite des Transformators (2) und der Kondensatoreinheit (6),

gekennzeichnet durch einen Koppelkondensator (4), der zwischen den Gleichrichter (5) und den Transformator (2) geschaltet ist.

2. Bolzenschweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Koppelkondensator (4) und dem Transformator (2) eine Schalteinheit (3) vorgesehen ist.

3. Bolzenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkondensator (4) abhängig von der effektiven Kapazität der Kondensatoreinheit (6) bemessen ist, wobei die Abhängigkeit eine lineare Funktion ist.

4. Bolzenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Koppelkondensators (4) ca. 50 bis 250 µF bei einer effektiven Kapazität der Kondensatoreinheit (6) von ca. 50 bis 150 mF bei einer Netzfrequenz von 50 Hz beträgt.

5. Bolzenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkondensator (4) so bemessen ist, daß der Verlauf der resultierenden Spannungs-Ladekurve (K2) der Kondensatoreinheit (6) zwischen dem Verlauf einer entsprechenden exponentiellen Ladekurve (K3) und dem Verlauf einer Ladekurve (K1) mit einem konstantem Ladestrom liegt.

6. Bolzenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Entladewiderstand (16) parallel zu dem Koppelkondensator (4) geschaltet ist.

7. Bolzenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität des Koppelkondensators (4) abhängig von der Netzfrequenz bemessen ist.

8. Verfahren zum Laden einer Kondensatoreinheit eines Bolzenschweißgeräts mit einer Schaltungsanordnung, die aufweist:

- eine Kondensatoreinheit (6) bestehend aus einem oder mehreren parallel geschalteten Kondensatoren (7, 8),
- einen mit Netzspannung (1) versorgten Transformator (2), und
- einen Gleichrichter (5) zwischen der Sekundärseite des Transformators (2) und der Kondensatoreinheit (6), und
- einen Koppelkondensator (4), der zwischen den Gleichrichter (5) und den Transformator (2) geschaltet ist,

wobei der Verlauf der Spannungs-Ladekurve (K2) der Kondensatoreinheit (6) zwischen dem Verlauf einer entsprechenden exponentiellen Ladekurve (K3) und dem Verlauf einer Ladekurve (K1) mit einem konstantem Ladestrom liegt.

9. Verfahren zum Laden einer Kondensatoreinheit eines Bolzenschweißgeräts nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (2) sinusförmig belastet wird.