DE2530381A1 - Geraet zur erzeugung regelbarer stroeme hoher stromstaerken, insbesondere schweissgeraet - Google Patents

Geraet zur erzeugung regelbarer stroeme hoher stromstaerken, insbesondere schweissgeraet

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DE2530381A1 DE19752530381 DE2530381A DE2530381A1 DE 2530381 A1 DE2530381 A1 DE 2530381A1 DE 19752530381 DE19752530381 DE 19752530381 DE 2530381 A DE2530381 A DE 2530381A DE 2530381 A1 DE2530381 A1 DE 2530381A1
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Description

DipL-Pfjys. M. Becker Patentanwältin
Auf dem Haigst 19
Patentanwältin Dipl.-Phys. M. Becker, 7000Stuttgart 70. Post/ach 152 1 8ICfOTl [U/ll; ÖU Oj UO
Telegram!:.' · lndefe".de-ce
Posßdjetk 5:u:cijjr: ■ h.-nro 4S843-7O3
(BLZ. 600 692 95' ^ or.:: J-H
Dresdner Ea^.k Sinr.gart
(BLZ.6OO6OCOC; hcr.to N2i.--fOÖ
A 2137 Stuttgart, den 8. Juli 1975
WKS - Schweißtechnik Willy Kalnbach
Aalen Röntgenstrasse 16
Gerät lur Erzeugung regelbarer Ströme hoher StromstärkeVinsbesondere Schweißgerät
Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Erzeugung regelbarer Ströme hoher Stromstärke, insbesondere Schweißgerät, mit über einen Trafo verbundenen Primärkreis und Sekundärkreis.
609829/0490
253038Ί
Bei einem Schweißgerät herkömmlicher Bauart, das im folgenden stellvertretend für alle derartigen Geräte betrachtet wird, wird der Schweißstrom durch mechanische Regulierung der Leerlaufspannung oder Zündspannung eingestellt. Beim Betrieb dieser Schweißgeräte kommt es zu Kurzschlußströmen, die um 10 % bis 40 % über dem maximalen Schweißstrom liegen und das Gerät selbst und das Netz belasten. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn das Gerät für Auftauarbeiten eingesetzt wird oder beim Einschaltvorgang des Geräts. Um diesen hohen Kurzschlußströmen gewachsen zu sein, müssen die Leistungsquerschnitte, die Trafowicklungen und die Netzsicherungen höher dimensioniert werden, als es eigentlich für den maximalen Schweißstrom erforderlich wäre.
Eine weitere Beeinträchtigung beim praktischen Einsatz bilden Betriebsstörungen durch unzulässige Erhitzung des Schweißtrafos und dadurch verursachte Schäden, z.B. durch Kurzschlüsse beim Auftauen von Wasserleitungen.
Die Handhabung der Schweißgeräte herkömmlicher Bauart, insbesondere die Regulierung des Schweißstroms, ist aufgrund der mechanischen Regelbauteile, die meist eine Kurbel oder ein Handrad aufweisen, schwerfällig und ungenau.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beim Betrieb und bei der Handhabung von derartigen Geräten auftretenden Nachteile zu beseitigen und ein Gerät zu schaffen, bei welchem eine einfache manuelle Betätigung der Verstellvorrichtung möglich ist. Dies ist deshalb sehr nützlich, weil der Schweißer beim Schweißvorgang die Elektrodenhaiterungen in der Hand halten muß.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß im Primärkreis eine Anti-Parallelschaltung von zwei Thyristoren liegt, daß zu dieser Anti-Parallelschaltung eine Drossel parallel
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liegt, daß ein Steuerteil mit dem Steuerkreis der Thyristoren zur Phasenanschnittsteuerung mittels eines Potentiometers verbunden ist und daß das Steuerteil Bauteile zur Begrenzung der Kurzschlußströme und Wicklungstemperaturen des Trafos enthält. Das erfindungsgemäße Gerät gestattet durch die elektronische Regelung mittels des Phasenanschnittverfahrens die einfache und präzise Einstellung des Sekundärstromes durch ein Potentiometer, wobei Leerlauf- und Zündspannung über den gesamten Regelbe-reich konstant bleiben.
Der Kurzschlußstrom kann auf die Höhe des maximalen Sekundärstroms begrenzt werden und braucht bei der Dimensionierung des Geräts und der Anschlußwerte nicht mehr besonders berücksichtigt zu werden, wodurch eine Kostenersparnis durch geringeren Materialbedarf (z.B. kleinerer Trafo) und geringeren Leistungsbedarf gegenüber herkömmlichen Geräten mit gleicher Sekundärleistung erzielt wird.
Außerdem ist das Gerät voll gegen Zerstörungen durch Kurzschlüsse gesichert. Ein weiterer praktischer Vorteil bei der Verwendung dieses Geräts als Schweißgerät liegt darin, daß die Elektroden nicht mehr am Schweißgut kleben bleiben und Dünnbleche problemlos verarbeitet werden können.
Ausgestaltungen und vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Geräts sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nun anhand von Schaltbildern beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ausführung des erfindungsgemäßen
Geräts als Schweißgerät,
Figur 2 ein Schaltbild des Steuerteils des Geräts nach Fig.
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' 253038/
Wie aus Fig. 1, welche den Aufbau des erfindungsgemäßen Geräts zeigt, hervorgeht, besteht der Primärkreis aus Anschlüssen AS und SB, einer Anti-Parallelschaltung von zwei Thyristoren T1 und T2, zu der eine Drossel Dr parallel liegt, sowie der Primärwicklung des Schweißtrafos S-TO.
Der Sekundärkreis besteht aus der Sekundärwicklung des Schweißtrafos S-TO und Elektrodenanschlüssen X und Y. Die Schaltung ist beispielsweise so ausgelegt, daß ein Netzstrom beim Schweißen von 34,8 A einen Schweißstrom von 250 A erzeugt. Zur kontinuierlichen Regelung des Schweißstroms, die die Erfindung ermöglicht, ist der Steuerkreis der Thyristoren T1 und T2 mit Anschlüssen 1...4 eines Steuerteils SG verbunden. Das benutzte Steuerverfahren ist unter der Bezeichnung "Phasenanschnittsteuerung" zur Stromregelung bekannt. Es arbeitet im wesentlichen nach folgendem Prinzip:
Legt man einen Thyristor (auch Vierschichtdiode bezeichnet) an eine Wechselspannung, liegt eine Halbwelle immer im Sperrbereich des Thyristors. Es kann dann keine Steuerung erfolgen; diese Halbwelle wird nicht durchgelassen. Die andere Halbwelle kann zur Regelung dienen, indem man die typische Eigenschaft des Thyristors ausnutzt, der nämlich außerdem über einen Blockierbereich und einen Durchlaßbereich verfügt. Der Obergang vom Blockierbereich in den Durchlaßbereich erfolgt bei einer Spannung (Kippspannung), die dem Steuerstrom an der Steuerelektrode umgekehrt proportional ist. Durch Anlegen eines Steuerimpulses an die Steuerelektrode läßt sich der Thyristor vom Blockierbereich in den Durchlaßbereich steuern und bleibt so lange im Durchlaßbereich, bis ein bestimmter Strom (Haltestrom) nicht unterschritten wird. Durch Wahl des Zeitpunktes des Steuerimpulses kann man demnach erreichen, daß ein bestimmter Teil dieser Ilalbwelle durchgelassen wird, und kann dadurch den Effektivwert des Stroms regeln.
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Der Steuerteil SG dient zur Erzeugung dieser Steuerimpulse. Hierzu gibt es mehrere Möglichkeiten, die z.T. in allgemeiner Form bekannt sind. Es ist z.B. möglich, den Thyristor durch Ableitung der Steuerimpulse aus dem zu regelnden Wechselstrom mit Hilfe einer Kapazität, einem Potentiometer und einer Zweiwegschaltdiode (Diac) zu steuern.
Die Erfindung benutzt ein Steuerverfahren, das einen Unijunctionstransformator vorsieht und unter Fig. 2 näher erläutert wird. Die Anti-Parallelschaltung der beiden Thyristoren T1 und T2 dient zur Ausnutzung beider Halbwellen des Primärstroms, d.h. ein Thyristor kann jeweils in den Durchlaßbereich gesteuert werden, während der andere Thyristor in dieser Halbwelle im Sperrbereich ist. Durch die Steuerung des Primärstroms läßt sich dann in obigem Zahlenbeispiel der Schweißstrom von 30 A bis 250 A stufenlos elektronisch regeln, was gegenüber der bisherigen mechanischen Regelung, die oft umständlich und zwangsläufig reparaturanfällig ist, einen beachtlichen Vorteil darstellt.
Die parallelgeschaltete Drossel Dr besitzt einen relativ großen Luftspalt und hält die Leerlaufspannung auf konstantem Wert. Außerdem werden durch sie die raschen Stromanstiege nach Schaltung eines Thyristors in den Durchlaßbereich abgerundet, was seinerseits weniger Oberwellen und keine Radio- und TV-Störungen bewirkt. Weiterhin verhindert die Drossel Dr große Anlaufströme vor der Einschaltung der Thyristoren.
Die Dimensionierung der Drossel hängt wesentlich vom verwendeten Schweißtrafo S-TO ab. Man kann durch optimale Anpassung eine konstante Leerlaufspannung erreichen, und zwar bei allen Schweißströmen, was bisher nicht möglich war. Als besonders vorteilhaft erweist sich ein relativ großer Luftspalt der Drossel Dr, ungefähr im Bereich von 1 mm bis 2 mm.
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Die elektronische Regelung durch das Phasenanschnittverfahren wird von der Erfindung weiterhin ausgenutzt, um eine durchgreifende Verbesserung der gesamten Betriebseigenschaften des Geräts zu erreichen. Zu diesem Zweck sind im Steuerteil SG weitere Bauteile enthalten, deren Wirkungen nachstehend erläutert werden.
Der Steuerteil SG ist über Anschlüsse E und F mit dem Sekundärkreis verbunden und überprüft die Sekundärspannung. Bei einem Kurzschluß, der bei Kontaktnahme der Schweißelektroden auftreten kann, wird der Sekundärstrom auf einen maximalen Wert begrenzt (250 A) oder auf einen darunterliegenden Wert eingestellt (im Beispiel unten: 100 A). Dieser Wert kann vom Hersteller entsprechend den Anforderungen an das Gerät oder dessen Einsatzbedingungen nach dem Bedarf des Abnehmers gewählt werden.
Zur Verdeutlichung der Kurzschlußstrombegrenzung dient nachstehende Tabelle, die die charakteristischen Werte eines Schweißgeräts gemäß der Erfindung mit einer Begrenzung des sekundären Kurzschlußstroms auf 100 A und eines Schweißgeräts herkömmlicher Bauart mit mechanischer Regelung ohne derartige Begrenzung gegenüberstellt, wobei von einem Regelbereich von 30 bis 250 A bei einer Netzspannung von 380 V ausgegangen wird (alle Angaben in A) :
Schweißstrom Netzstrom
beim
Schweißen		 prim.Kurzschluß
strom
konvent. erf.gem.		 sek.Kurzschluß-
strom
konvent. erf.gem.		 38
100
30
100		 8,5
21,5		 12,7 12,7
28,8 21,5		 38
122		 100
150 27,2 36,3 21,5 177 100
250 34,8 48,1 21,5 286
Die unterstrichenen Werte zeigen die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Geräts.
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Die Begrenzung des primären KurzSchlußstroms auf 21,5 A durch entsprechende Phasenanschnittsteuerung führt zu einem niedrigeren Anschlußwert des Geräts $ der Querschnitt der Kupferzuleitungen und Wicklungen kann somit kleiner gewählt werden. Der Sicherungswert des Geräts entspricht nur noch dem maximalen Netzstrom beim Schweißen, im Tabellenbeispiel 34,8 A gegenüber dem maximalen primären Kurzschlußstrom von 48,1 A beim herkömmlichen Gerät. Außerdem werden die Rückwirkungen von hohen Kurzschlußströmen auf das Netz, verbunden mit hohem Blindstromanteil, weitgehend vermieden.
Der Steuerteil SG ist weiterhin über einen Anschluß Th mit dem Trafo S-TO verbunden, bzw. mit einem an^fen Wicklungen angebrachten Temperaturfühler. Oberschreitet der vom Temperaturfühler angegebene Meßstrom einen kritischen Wert, beeinflußt dieser den Steuerteil SG derart, daß mit der Phasenanschnittsteuerung der niedrigste Schweißstrom eingestellt oder aber das Gerät ganz abgeschaltet wird.
Die Anschlüsse A und B dienen zur Versorgung des Steuerteils SG mit Netzstrom.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Steuerteils SG, mit dem sich die oben beschriebenen Lösungen (Phasenanschnittverfahren, Kurzschlußüberwachung, Temperaturüberwachung) realisieren lassen« Dabei ist das Potentiometer POT mit einbezogen; es kann aber zur Erhöhung des Bedienungskomforts getrennt vom Steuerteil SG angeordnet werden, wie in Fig. 1 angedeutet.
Im einzelnen zeigt Fig. 2 zwei Eingangswiderstände R1 und R2, über die der Netzstrom von den Anschlüssen A und B zu einem Brückengleichrichter G1 gelangt, der den Netzwechselstrom in pulsierenden Gleichstrom umwandelt. Parallel zur Gleichstromseite liegt eine Zenerdiode Z1, die die Eingangsspannung
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(pulsierende Gleichspannung) auf 20 V stabilisiert. Der Eingangsstrom beträgt nur wenige mA, da die Eingangswiderstände R1 und R2 sehr hoch gewählt sind (zusammen größer )> 100 K JTU). Die gleichgerichteten Halbwellen des Eingangsstroms laden über Widerstände R7, R8 und das Potentiometer POT einen Kondensator C1, dessen Spannung dementsprechend ansteigt. Zur Erzeugung der Steuerimpulse für die Thyristoren T1 und T2 ist ein Unijunctiontransistor UT vorgesehen. Ein solcher Unijunctiontransistor besitzt in dieser Schaltung zusammen mit dem Kondensator C1 die Eigenschaft eines schnellen Schalters. Diese Eigenschaft läßt sich aus seiner Kennlinie ablesen, deren charakteristischer Punkt die sogenannte Höckerspannung ist. Oberschreitet die angelegte Spannung diese Hockerspannung, schaltet der Unijunctiontransistor durch und der Kondensator C1 entlädt sich über den Unijunctiontransistor UT. Dieser Entladeimpuls wird über einen Transformator T01 und Gatewiderwände R5 und R6 und die Anschlüsse 1...4 zu den Thyristoren T1 und T2 gegeben. Dort schaltet dieser Impuls einen der Thyristoren durch, worauf der Rest der anliegenden Halbwelle des Primärstroms durchgelassen wird. Mit Hilfe des Potentiometers POT kann der Spannungsabfall über dem Kondensator C1 und damit der Zeitpunkt, an dem die Kondensatorspannung die Höckerspannung des Unijunctiontransistors UT erreicht, innerhalb einer Halbwelle geregelt werden. Damit verschiebt sich die Zeitlage der Steuerimpulse innerhalb der Halbwelle und damit verändern sich auch die Anteile einer Halbwelle, die von den Thyristoren T1 und T2 durchgelassen werden, was schließlich die Regelung des Effektivstroms darstellt. Die Widerstände R3 und R4 dienen als Spannungsteiler zur Spannungsversorgung des Unijunctiontransistors UT.
Zur oben erwähnten Kurzschlußüberwachung, die der Steuerteil SG durchführt, dienen die im rechten Teil der Fig. 2 aufgeführten Bauteile, die nun in ihrer Funktion beschrieben werden.
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— y —
Obersteigt die Spannung im Normalbetrieb im Sekundärkreis, d.h. zwischen den Anschlüssen E und F, einen vorgegebenen Wert, z.B. 15 V, speisen Zenerdioden Z2 und Z3 einen Trafo TO2; die Sekundärspannung des Trafos wird von einem Gleichrichter G2 gleichgerichtet und einem RC-Glied (R9 + R1O) C2 zugeführt. Dies bewirkt, daß ein Schalttransistor T durchschaltet und den Widerstand R8 kurzschließt. Dadurch ist der Widerstand R8 für die Phasenanschnittsteuerung wirkungslos. Diese wird allein vom Potentiometer POT und dem Trimmwiderstand R7 bestimmt.
Treten nun aber zwischen E und F Kurzschlußbedingungen auf, d.h. sinkt die Spannung zwischen E und F z.B. unter 15 V, sperren die Zenerdioden Z2 und Z3; als Folge davon sperrt auch der Schalttransistor T und der Widerstand R8 wird wirksam. Er vermindert den Ladestrom des Kondensators CI, verschiebt damit den Impuls des Unijunctiontransistors UT und verringert dadurch den Primärstrom auf einen Wert, der durch den Trimmwiderstand R7 entsprechend den jeweiligen Erfordernissen beim Betrieb angepaßt werden kann z.B. derart, daß der in obiger Tabelle angegebene sekundäre Kurzschlußstrom 100 A nicht überschreitet.
Diese Anordnung besitzt einen weiteren Vorteil: Beim Einschalten des Geräts ist der Kondensator C2 noch ohne Ladung, der Schalttransistor T im Sperrzustand und der Widerstand R8 ist für wenige Perioden wirksam und unterbindet hohe Induktionsströme beim Einschalten, was zur zusätzlichen Schonung von Trafo, Sicherungen und Netz beiträgt.
Zur oben erwähnten Temperaturüberwachung ist ein Thermoschalter TS vorgesehen, der zur Eingangsseite des Gleichrichters G1 parallel liegt. Überschreitet die Transformatorwicklung die zulässige Temperatur, schließt der Thermoschalter TS den Steuerteil kurz. Damit v/erden keine Steuerimpulse mehr erzeugt und der Schweißstrom fällt auf einen Minimalwert.
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253038t - ίο -
Im Vorangehenden wurde als Ausführungsform des erfindungsgemäßen Geräts ein Schweißgerät beschrieben. Es ist aber ohne weiteres möglich, die Erfindung überall dort nutzbringend mit all ihren Vorteilen einzusetzen, \to unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen hohe Ströme gesteuert werden sollen. Als Beispiel sei die Verwendung von Elektromotoren und Gleichrichteranlagen genannt.
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Claims (9)

  1. Patentansprüche
    Gerät zur Erzeugung regelbarer Ströme hoher Stromstärke, insbesondere Schweißgerät, mit über einen Trafo verbundenem Primärlcreis und Sekundärkreis,
    dadurch gekennzeichnet ,
    daß im Primärkreis eine Anti-Parallelschaltung von zwei Thyristoren (TI, T2) liegt, daß zu dieser Anti-Parallelschaltung eine Drossel (Dr) parallel liegt, daß ein Steuerteil (SG) mit dem Steuerkreis der Thyristoren (T1, T2) zur Phasenanschnittsteuerung mittels eines Potentiometers (POT) verbunden ist, und daß das Steuerteil (SG) Bauteile zur Begrenzung der Kurzschlußströme und Wicklungstemperaturen des Trafos enthält.
  2. 2. Gerät nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß zur Phasenanschnittsteuerung ein Unijunctiontransistor (UT) vorgesehen ist, der vom Netzstrom über Eingangswiderstände (Rl, R2) einen Trimmwiderstand (R7), einen Widerstand (R8), das Potentiometer (POT) und einen Kondensator (C1) durch periodische Aufladung des Kondensators (C1) Steuerimpulse an die Thyristoren (T1, T2) abgibt, deren zeitlicher Bezug zu den Halbwellen an den Thyristoren (Tl, T2) vom Gesamtwert der Widerstände (R7, R8, POT) abhängt.
  3. 3. Gerät nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Eingangswiderstände (R1, R2) in der Größenordnung 1O5 bis 1O6_Q_ liegen.
    -12-
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  4. 4. Gerät nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Potentiometer (POT) außerhalb des Steuerteils (SG) angeordnet ist.
  5. 5. Gerät nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Drossel (Dr) einen Luftspalt von 1 bis 2 mm aufweist.
  6. 6. Gerä7t nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Sekundärkreis mit dem Steuerteil (SG) verbunden ist und daß die Bauteile zur Begrenzung der Kurzschlußströme einen parallel zum Widerstand (R8) liegenden Schalttransistor (T) beinhalten, der diesen Widerstand (R8) kurzschließt, wenn die Sekundärspannung über einem vorgegebenen Wert liegt.
  7. 7. Gerät nach Anspruch 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Bauteile zur Begrenzung der Wicklungstemperaturen des Trafos einen parallel zur Eingangsseite des Gleichrichters (G1) liegenden Thermoschalter (TS) beinhalten, der bei Temperaturüberschreitung den Gleichrichter (G1) kurzschließt und die Stromversorgung des Steuerteils (SG) unterbricht.
  8. 8. Gerät nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch seine Verwendung mit Elektromotoren.
  9. 9. Gerät nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet durch seine Verwendung mit Gleichrichteranlagen.
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    Leerseite
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