DE2108104A1

DE2108104A1 - Kondensatorentladungs-Bolzenschweißgerät mit ausgeglichenem Ladestrom

Info

Publication number: DE2108104A1
Application number: DE19712108104
Authority: DE
Inventors: Dankmar Triesenberg Tauern (Lichtenstein)
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 1971-02-19
Filing date: 1971-02-19
Publication date: 1972-08-31
Also published as: AU3917772A; DE2108104C3; NL7201559A; DE2108104B2; DK135103B; FR2125548A1; CA952202A; US3764778A; AU460009B2; IT944603B; GB1363353A; BE779263A; FR2125548B1; CH551837A; DK135103C; AT318084B

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 8O. MAUERKiRCHERSTR. 45

Dr. Bera Dipl.-Ing. Stopf. 8 MOnditn 80, Mouerkircherstroa·, 45 · Ihr Zeichen Ihr Schreiben Unser Zeichen ^Q g-jc ^Daium IQ Anwaltsakte 18 815

Hilti Aktiengesellschaft Schaan / Liechtenstein

Kondensatorentladungs-Bolzensehweißgerät mit ausgeglichenem Ladestrom

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kondensat orentladungs - Bolzenschweißgerät mit einer Kondensatorbatterie in der Hauptschweißleitung zur Speicherung der Schweißenergie und einem Stromversorgungsteil zur Aufladung der Kondensatorbatterie, welcher einen Transformator, dessen Primärwicklung an ein Wechselstromnetz anschließbar ist

vn/ob- 209836/04S6

70 43 <9870 43) 48 3310 (96 3310) Telegramme: BERGSTAPFPATENT München TELEX 05 24 5M BERG d Banki Bayerische Verainsbank München 453100 Postscheck: München 653 43

und eine Gleichrichtereinrichtung, welche an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen ist, aufweist.

Beim Aufladen der entladenen Kondensatorbatterie eines Bolzenschweißgerätes aus einem SfaCamversorgungsgerät mit einem üblichen eng gekoppelten Transformator nimmt die Spannung am Kondensator mit der Zeit exponentiell zu. Das heißt, der Verlauf der Kondensatoraufladung über der Zeit entspricht etwa der Aufladekurve eines Kondensators, der über einen relativ kleinen Widerstand aus einer Stromquelle mit konstanter Spannung aufgeladen wird. Entsprechend fließt am Anfang des Ladevorganges ein sehr hoher Strom, welcher jedoch sehr schnell abklingt. Um den anfänglich sehr hohen Strom etwas zu begrenzen, ist es üblich, wenigsten einen kleinen Widerstand im Ladekreis vorzusehen, was selbstverständlich die Zeitdauer bis zum Erreichen eines bestimmten Ladegrades der Kondensatorbatterie verlängert. Um die Ladezeitdauer kurz zu halten, ist es notwendig, den Stromversorgungsteil für entsprechend hohe Anfangsströme auszulegen. Dies führt zu Stromversorgungsteilen, die gemessen an der von ihnen gelieferten Leistung viel Platz beanspruchen

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und sehr schwer und aufwendig sind.

Die Ladespannung an einem solchen Transformator ist theoretisch konstant, praktisch steigt sie im Verlauf der Ladung etwas an. Durch die mit der Ladung steigende Spannung an der Kondensatorbatterie fällt der Ladestrom dagegen während des Landevorganges sehr schnell und sehr stark ab, um dann langsam auszuklingen. Durch das langsame Ausklingen wird der LadeVorgang stark in die Länge gezogen (theoretisch unendlich).Es ist daher bereits Stand der Technik, die Ausgangsspannung am Stromversorgungsteil höher zu legen, als die maximale Soll-Ladespannung der Kondensatorbatterien und den Ladevorgang bei Erreichen der Sollspannung abzubrechen. Dadurch wird der Ladevorgang zeitlich auf einen endlichen Wert begrenzt. Es tritt jedoch wieder ein hoher Anfangstrom auf, der die Dimensionierung der Schaltung bestimmt.

Durch die Erfindung soll ein Bolzenschweißgerät der eingangs genannten Art mit einer Stromversorgung für die Kondensatorbatterie geschaffen werden, welche einen ausgeglichenen möglichst konstanten Ladestrom an die Kondensatorbatterie abgibt, und welche damit gleichzeitig kleiner, leichter und weniger aufwendig ausgebildet werden kann, als Geräte nach dem Stand der

Technik. _^_

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Dies wird bei einem Bolzenschweißgerät von der eingangs erwähnten Art dadurch erreicht, daß der Transformator zumindest bei höherer sekundärseitiger Belastung zwischen seiner Primärwicklung und seiner Sekundärwicklung lose Kopplung aufweist. Dadurch werden die hohen Stromstärken am Anfang der Ladung vermieden und es kann gleichzeitig erreicht werden, daß die Sekundärspannung des Transformators während des größten Teils der Zeitdauer des Ladevorganges in erster Näherung proportional zu der Spannung an der Kondensatorbatterie ansteigt, wodurch für diesen Teil wiederum in erster Näherung ein konstanter Ladestrom erzielt wird,

Als Transformatoren können gemäß Erfindung solche verwendet werden, deren Konstruktionspronzipien auf denen der kurzschlussfesten Transformatoren oder der Transformatoren für Verbraucher mit negativer Widerstandscharakteristik aufbauen.-Wenn etwas Mehraufwand in Kauf genommen wird, kann jedoch auch ein auf Konstanz-Strom gesteuerter Transduktor verwendet werden.

Durch eine Ausbildung des Transformators gemäß Erfindung kann trotz sehr kleinem Gesamtwiderstand im Ladekreis ein über einen großen Teil der Ladezeitdauer relativ niedriger und hährungsweise konstanter Ladestrom erreicht werden. Weil damit der Ladestrom

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auch im ersten Moment des Ladevorganges verhältnismäßig niedrig ist, brauchen alle im Ladekreis liegenden Schaltelemente, wie z.B. Schalter, Gleichrichter usw., nur für diesen relativ kleinen Ladestrom ausgelegt zu werden, was die Verwendung leichterer, kleinerer und weniger aufwendiger Schaltelemente erlaubt.

Bei Aufladung auf Spitzenspannung, das heißt, bei nicht abgebrochenem Ladevorgang wird die Gesamtladezeit nicht nennenswert vergrößert, da bei zweckentsprechender Auslegung des Transformators lediglich die übergroßen AnfangsStromstärken reduziert sind.

Besonders vorteilhaft wird die Ladeeinrichtung so ausgebildet, daß wenn am Ende des Teils mit dem in erster Näherung konstanten Ladestrom die Sollspannung der Kondensatorbatterie erreicht wird, der Ladevorgang abgebrochen wird. Bei abgebrochenem Ladevorgang erfolgt wegen der mit der Ladung des Kondensators am Stromversorgungsteil ansteigenden Spannung der ganze Ladevorgang trotz eines wesentlich kleineren Transformators relativ schnell.

Sowohl bei Aufladung auf Spitzenspannung als auch bei abgebrochenem Ladevorgang(kann gemäß Erfindung

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neben den übrigen Bauelementen des Stromversorgungsteils der Transformator wesentlich kleiner, leichter und billiger sein, da in keiner Phase des Ladevorganges sehr große Ströme auftreten. Während der Ladevorgang bei Verwendung eines normalen Transformators zu seinem Beginn sehr intensiv verläuft um dann schnell abzuklingen, erfolgt bei Verwendung eines Transformators gemäß Erfindung während der Hauptdauer die Aufladung fast gleichmäßig, und kommt damit dem theoretischen Optimum eines abgebrochenen Ladevorganges mit konstantem Ladestrom sehr nahe.

Bei erfindungsgemäßen Anordnungen müssen keinerlei Schutzwiderstände mehr vorgesehen werden und die Wicklungswiderstände im Transformator können auf das konstruktive Minimum reduziert werden, wodurch sich wiederum Ladezeitverkürzungen und Kosteneinsparungen ergeben.

Versuche haben gezeigt, daß mit Transformatoren gemäß Erfindung mit Aufladeschaltungen für abgebrochenen Ladevorgang die gleichen Ladezeiten zu erreichen sind, wie mit konventionellen eng gekoppelten Transformatoren der doppelten oder zweieinhalbfachen Größe.

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Die einzigen Ohmsehen Widerstände eines Ladekreises mit einem Transformator gemäß Erfindung bilden die Wicklungen des Transformators selbst. Da die Umsetzung elektrischer Energie in Wärme mit dem Quadrat der Stromstärke erfolgt, wird durch das Vermeiden der sehr großen Stromspitzen am Anfang des Ladevorganges mit konventionellen Transformatoren, bei den erfindungsgemäß konstruierten Transformatoren eine wesentlich geringere thermische Belastung des Transformators hervorgerufen, wodurch dieser wesentlich kleiner als bisher dimensioniert werden kann.

Vorteilhaft ist der Transformator ein zweckmäßig dimensionierter Streufeldtransformator üblicher Bauart. Nach einer anderen Ausführungsform kann auch ein Zweischenkel-Transformator verwendet werden, dessen Primärwicklung und dessen Sekundärwicklung auf getrennten Schenkeln des Transformatorkerns sitzen. Diese Transformatoren arbeiten im Belastungsbereich mit loser Kopplung, das heißt, es ist eine von der Dimensionierung des Transformators abhängende maximale Amperewindungszahl vorhanden, welche ΛίΦ§(Γβ Bereiche der Sekundärspannung in erster Näherung konstant bleibt.

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Zur Regulierung des Kopplungsgrades kann der Transformator einen zwischen seiner Primär- und seiner Sekundärwicklung wirksamen magnetischen Nebenschluss aufweisen, welcher gegebenenfalls auch variabel sein kann.

Vorteilhaft ist im Eisen-Magnetkreis ein Luftspalt vorgesehen, durch dessen Größe der Kopplungsgrad ebenfalls beeinflusst werden kann. Der Luftspalt kann auch mit einem magnetischen Nebenschluss kombiniert werden.

Nach einer anderen Ausführungsform kann die Speisung der Energie vom Netz zum Gerät auch durch einen auf konstanten Strom gesteuerten Transduktor erfolgen.

Vorteilhaft sind Hilfswieklungen zur Versorgung anderer Stromkreise mit der Primärwicklung eng gekoppelt. Die Hilfssekundärwicklungen könnten zur Erreichung einer engen Kopplung bei einem Zweischenkeltransformator auf dem gleichen Schenkel wie die Primärwicklung vorgesehen sein.

Vorteilhaft liegt die Leerlaufspannung des Transformators über der Maximalladespannung der Kondensator-

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batterie, wobei eine Schaltung für den Abbruch des ^; Ladevorganges sorgt, wenn die Kondensatorbatterien ihre Soll-Ladespannung erreicht haben. Bei dieser Ausfuhrungsform wird nur im Anfangbereich der Ladekennlinie gearbeitet. In diesem Anfangsbreich treten bei Verwendung eines Nomaltransformators gerade die stärksten Stromänderungen und somit in besonders hohem Maße die oben geschilderten Nachteile auf. Bei einer Transformatoranordnung mit loser Kopplung ändert sich dagegen im Anfangsbereich der Ladekennlinie der Ladestrom am geringsten. Da somit der Ladestrom während der gesamten Ladezeitdauer nahezu den gleichen und zugleich größten konzipierten Wert besitzt, kommt man bei dieser Ausführungsform zu besonders kurzen Aufladezeiten und günstigen Bauteiledimensionierungen.

Nachfolgend wird die Erfinding näher erläutert, wozu auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird.

Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform eines Bolzenschweißgerätes gemäß Erfindung mit einer Kondensatorbatterie

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zur Speicherung der Schweissenergie, und einer Ein richtung zum Abbrechen des Ladevorganges bei Eneichen der Soll-Ladespannung, wobei der Transformator ein Zweischenkel-Transformator ist.

Fig. 2, 3, H zeigen Diagramme von Kenngrößen über der Zeit zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Transformators mit fester Kopplung und ausklingendem Ladevorgang.

Fig. 5,6 und 7 zeigen Diagramme von Kenngrößen über der Zeit zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Streufeld-Transformators gemäß Erfindung mit ausklingendem Ladevorgang.

Fig. 8, 9 und 10 zeigen Diagramme von Kenngrößen über der Zeit zur Erläute- * rung der Arbeitsweise eines Transformators mit fester Kopplung und abgebrochenem Ladevorgang.

Fig. 11, 12 und 13 zeigen Diagramme .von

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Kenngrößen über der Zeit zur Erläuterung der Arbeitsweise eines Streufeldtransformators gemäß Erfindung mit abgebrochenem Ladevorgang.

Das zur Erläuterung in Pig. I gezeigte Bolzenschweißgerät weist einen Zweischenkel-Streufeldtransformator auf, der mit seiner Primärwicklung la an eine Wechselstromquelle 2angeschlossen ist. Mit seiner Sekundärwicklung Ib ist der Streufeldtransformator 1 über einen Gleichrichter 3 und einen Ladekreisschalter 4 an die Kondensatorbatterie 5 angeschlossen, die für alle nachfolgend beschriebenen Beispiele gleiche Kapazität besitzen soll und auf die gleiche Spannung aufgeladen werden soll. Die Kondensatorbatterie 5 nachfolgend kurz Kondensator genannt, kann über einen Schweißstromschalter 6 mit den Schweißklemmen 7 zur Auslösung des Schweißvorganges verbunden werden. Die mit gestrichelten Linien gezeigte und nur wahlweise vorgesehene Einrichtung 8 wird weiter unten näher erläutert.

Zunächst soll der Aufladevorgang für den Kondensator in der Schaltung gemäß Fig. 1 für den Fall beschrieben werden, daß der Streufeldtransformator 1 durch einen Transformator mit fester Kopplung ersetzt ist.

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Dazu wird auf die Pig. 2 bis 4 Bezug genommen» welche den Verlauf der Spannung am Transformator und der Spannung am Kondensator 5» der Differenzspannung zwischen diesen bzw. des Ladestroms für den Kondensator 5 im gleichen Zeitintervall zeigen. Für die nachfolgende Erläuterung soll angenommen werden, daß der Schalter 4 der Schaltung gemäß Pig. I bei zunächst entladenem Kondensator 5 geschlossen wird, wonach der Aufladevorgang stattfindet. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, liefert der Transformator mit fester Kopplung während des gesamten Aufladungsvorgangs eine nahezu konstante Spannung U^., die nur zu Beginn des Aufladevorgangs geringfügig niedriger ist.

Dagegen steigt die Spannung Uc am Kondensator 5»wie dies Fig. 2 zeigt von dem Wert Null bei entladenem Kondensator 5 exponentiell auf seine Maximalspannung Umax an. Der sich durch die Differenzspannung Ud gemäß Fig. 3 zwischen der Transformatorspannung Ut und der Kondensatorspannung Uc ergebende Ladestrom Jc für den Kondensator 5 sinkt gemäß Fig. 4 während des Aufladevorgangs «n einem durch die Ausbildung des Transformators bestimmten Anfangswert etwa exponentiell rasch ab.

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In den F£.5 bis 7 ist der Verlauf der gleichen elektrischen Größen beim AufladungsVorgang wie in den Fig. 2 bis 4 für den Fall gezeigt, daß der Transformator in Fig. 1 ein Streufeldtransformator ist. Wie aus Fig. 5 ersichtlich liefert der Streufeldtransformator eine Ladespannung Ut, die von einem verhältnismäßig niedrigen Anfangswert Uta allmählich auf die Maximalspannung Umax ansteigt. Die Spannung Uc am Kondensator steigt gemäß Fig. 5 wieder von ™

dem Wert Null jedoch langsamer als gemäß Fig. 2 auf die Maximalspannung Umax an. Der sich durch die Differenzspannung Ud gemäß Fig. 6, die sich wesentlich weniger stark als die Differenzspannung Ud gemäß Fig. 3 ändert, ergebende Ladestrom Jc für den Kondensator 5 sinkt gemäß Fig. 7 während des Aufladevorganges von einem verglichen mit Fig. 4 verhältnismäßig niedrigen Anfangswert Jca zunächst sehr langsam und dann etwas rascher ab, um dann M

wieder etwa exponentiell abzuklingen.

Wie ein Vergleich von Fig. 4 mit Fig. 7 zeigt, wird mit einem Streufeldtransformator trotz eines wesentlich geringeren Anfangsladestrome Jca als bei einem fest gekoppelten Transformator in der gleichen Zeit

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die gleiche Ladungsmenge Q in den Kondensator gebracht. Wegen des geringeren Anfangsladestroms Jca werden jedoch die im Ladekreis liegenden Bauteile wesentlich weniger belastet, was die Verwendung kleinerer, leichterer und weniger aufwendiger Bauteile erlaubt.

Nachfolgend sollen die Strom- und Spannungsverhältnisse unter Bezug auf die Big. θ bis 13 für den Pail erläutert werden, daß der AufladeVorgang nach einer vorbestimmten Zeitdauer bzw. nach Erreichen einer vorbestimmten Ladespannung Uc am Kondensator 5 durch die in Fig. 1 mit gestrichelten Linien dargestellte Einrichtung 8 abgebrochen wird. Die Einrichtung 8 kann z. B. eine Steuerschaltung sein, welche die Ladespannung am Kondensator 5 fühlt und bei Erreichen einer vorbestimmten Spannung den Schalter 4 öffnet.

In den Fig. 8 bis 10 sind die Strom- und Spannungsverhältnisse beim Ladevorgang ähnlich wie in den Fig. 2 bis 4 für den Fall gezeigt, daß anstelle des Streufeldtransformators 1 ein Transformator mit fester Kopplung in der Schaltung gemäß Fig. 1 verwendet wird.

Anders als entsprechend den Fig. 2 bis 4 ist die vom

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Transformator gelieferte Spannung Ut gemäß Fig. 8 höher und der Ladevorgang wird vor seinem natürlichen Abklingen im Zeitpunkt t 1 abgebrochen. Dadurch kann der Ladevorgang zeitlich verkürzt werden. Es muß jedoch ein noch höherer Anfangsstrom Jca als gemäß Fig. 4 in Kauf genommen werden.

In den Fig. 11 bis 13 sind die Strom- und Spannungsverhältnisse beim Ladevorgang ähnlich wie in den Fig. 5 bis 7 wieder für den Fall gezeigt, daß der Transformator in Fig. 1 ein Streufeldtransformator 1 ist. Die vom Streufeldtransformator 1 abgegebene Spannung Ut ist entsprechend wieder höher als die Spannung Ut gemäß Fig. 5. Der Ladevorgang wird entsprechend den Fig. 8 bis 10 bei ti abgebrochen. Dadurch kann, wie aus Fig. 13 ersichtlich, eine nahezu ideale Aufladungscharakteristik erreicht werden, d. h. die Aufladung findet mit über die Aufladezeitdauer nahezu konstan-. tem Strom statt, dessen Anfangswert Jca wesentlich unter dem Anfangswert Jca des Ladestroms gemäß Fig. 10 liegt.

-Patentansprüche- -16-

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Claims

-16-Patentansprüche :

* Kondensat orentLadungs-Bolzensehweißgerät zur Bolzen-Lichtbogen-Schweißung mit einer Kondensatorbatterie in der Hauptschweißleitung zur Speicherung der Sehweißenergie und einem Stromversorgungstejl zur Aufladung der Kondensatorbatterie, welcher einen Transformator* dessen Primärwicklung an ein Wechselstromnetz ansehließbar ist, und eine Gleichrichtereinrichtung, welche an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet,daß der Transformator zumindest bei höherer sekundSraeitiger Belastung zwischen seiner Primär- und «wischen seiner Sekundärwicklung lose Kopplung aufweist.

2« BolJzenschweißgerSt nach Anspruch 1, dadurch ge~ kennaei^hnet, daß 4er Transformator ein Streufeldtransformator ist.

3. Bolzens ebwei%er&fc nach Anspruch 2, dadurch , das der Tranfforsiator #i» ift» dessen FriMäntieklvue Sekundärwicklung auf getrennten Schenkeln sitzen*

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4. Bolzenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator einen zwischen seiner Primär- und seiner Sekundärwicklung wirksamen Nebenschluß aufweist.

5. Bolzenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Eisen-Magnetkreis des Tranformators ein Luftspalt vorgesehen ist.

6.Bolzenschweißgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelgrad des Transformators durch einen Transduktor beeinflußt wird.

7. Bolzenschweißgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Hilfssekundärwicklungen zur Versorgung anderer Steuerkreise mit der Primärwicklung eng gekoppelt sind.

8.Bolzenschweißgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daß die sekundärseitige Leerlaufspannung des Transformators über der zulässigen Maximalaufladungsspannung der Kondensatorbatterie liegt, und daß eine Schaltung zur Beendigung der Aufladung der Kondensatorbatterie, wenn diese ihre zulässige Maximalaufladungsspannung erreicht hat, vorgesehen ist.

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