DE29819251U1 - Wechselstromgenerator mit einer Röhrenanordnung - Google Patents
Wechselstromgenerator mit einer RöhrenanordnungInfo
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Description
Anmelder:
Firma
KUKA Schweissanlagen GmbH Blücherstraße 86165 Augsburg
Vertreter:
Patentanwälte Dipl.-Ing. H.-D. Ernicke Dipl.-Ing. Klaus Ernicke Schwibbogenplatz 2b D-8 6153 Augsburg
Datum:
Akte:
29.10.1998 772-876 er/ha
ABl DE-G-298 19 251.9
BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft einen Wechselstromgenerator mit einer Röhrenanordnung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruches·
&iacgr;&ogr; Ein solcher Wechselstromgenerator ist aus der Praxis bekannt. Er besitzt einen Röhrengenerator mit einer Braunschen Röhrenanordnung nebst Schwingkreis und wird z.B. als Schweißstromquelle eingesetzt. Dem Röhrengenerator ist ein Transformator mit einem Netz-Gleichrichter vorgeschaltet, wobei die Leistungssteuerung über Thyristoren erfolgt. Die Thyristor-Steuerung hat den Nachteil, daß das Ein- und Ausschalten des Röhrengenerators mit einer gewissen Verzögerung erfolgt und außerdem nur im Rhythmus der Netzfrequenz möglich ist. Dies ist z.B. für den Einsatz bei einem Hochfrequenz-Schweißverfahren ungünstig, weil die Zeitspanne zwischen Bewegungsanfang und Berührung der zu verschweißenden Bauteile in der Regel unter 10 ms liegt. Erfolgt die Abschaltung des Stromes zu früh, kann die während des Erwärmungsprozesses entstandene Schmelze vor der Berührung der beiden Bauteile wieder erstarren. Erfolgt die Abschaltung andererseits zu spät, kann es zu einem elektrischen Überschlag kommen, bei dem beide Bauteile zerstört werden. Außerdem verlangt das .
HF-Schweißverfahren extrem kurze Schweißzeiten, bei denen die eingebrachte Energiemenge exakt bemeßbar und reproduzierbar sein muß. Dies ist mit der Thyristor-Steuerung ebenfalls nicht ausreichend gewährleistet. Außerdem ist die Steuerungs- bzw. Regelungstiefe bei einem mehrphasigen Transformator aufgrund seiner magnetischen Unsymmetrie eingeschränkt.
Aus der DE-A-44 26 894 ist eine
Hochfrequenz-Schweißvorrichtung bekannt, bei der die zu verbindenden Werkstücke mit Abstand nebeneinander gehalten und an den Rändern mittels eines solchen Wechselstromgenerators und einem hochfrequenten Wechselstrom erwärmt werden. Bei Erreichen der erforderlichen Schweißtemperatur wird die Schweißstromquelle abgeschaltet und eine Staucheinrichtung
aktiviert/ mit der die Werkstücke an der Kontaktstelle &iacgr;&ogr; zusammengepreßt werden.
Aus der US-PS 5,198,970 und der Literaturstelle "A Novel Unity Power Factor Low-EMI Uninterruptible Power Supply" in IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 34, No. 4, July/August 1998 S. 870 bis 877, sind unterbrechungsfreie Stromversorgungen für Computer und andere elektronische Geräte bekannt, welche bei einem Netzausfall den Absturz des nachgeschalteten Gerätes verhindern sollen. Beide UPS arbeiten mit einer Batterieversorgung, die parallel zur Netzversorgung geschaltet ist. Die Batterieversorgung bei der US-PS 5,198,970 ist über einen Wechselumrichter vor dem Transformator in einem Zwischenkreis zwischen die beiden Einzeltransformatoren geschaltet. Die Batterieversorgung befindet sich auf der Lastseite zwischen einem Gleichrichter und einem über Pulsweisenmodulation steuerbaren niederfrequenten Wechselumrichter. In der US-Schrift ist dem Transformator auch ein sogenannter "Zyklokonverter" nachgeschaltet, der den zugeführten einphasigen Wechselstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom umwandeln soll. Die in der Literaturstelle gezeigte UPS ist ähnlich aufgebaut und arbeitet nach den gleichen Prinzipien.
Aus der WO 93/04566 ist eine Stromquelle für eine Induktionsheizung bekannt, die frequenzunabhängig hohe Leistungen zur Verfügung stellen soll und die wahlweise
mit einer Gleichstrom- oder einer Wechselstromversorgung arbeiten kann. Vor einem Transformator ist ein Leistungswandler geschaltet, der eine zugeführte Gleichspannung oder Pulsweitenmodulation in eine Wechselspannung umrichtet. Die hierbei erzeugte Frequenz soll hoch genug sein, um auf Feedback-Signale aus dem Prozeß reagieren zu können, wobei sie andererseits aber zur Vermeidung von einer Inverter-Überlastung begrenzt sein soll. Der transformierte Wechselstrom soll dann über einen nachgeschalteten sogenannten Kuppler wieder gleichgerichtet werden. Mit dieser Gleichspannung wird ein steuerbarer Frequenzumwandler beaufschlagt, der auf der Leistungsseite angeordnet ist und der eine vom Benutzer einstellbare Prozeßfrequenz erzeugen soll.
Die DE-AS 11 36 033 zeigt schließlich noch einen Hochfrequenzofen für Induktionserhitzung, der einen rückgekoppelten Elektronenröhrenoszillator mit einem im Anodenkreis der Elektronenröhre liegenden abgestimmten Kreis enthält.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen besseren Wechselstromgenerator der genannten Art aufzuzeigen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
Bei dem erfindungsgemäßen Wechselstromgenerator ist statt der Thyristor-Steuerung ein steuerbarer Frequenz-Umrichter vorgesehen. Dieser fungiert als eine Art Schalt-Netzgerät für den Röhrengenerator und hat verschiedene Vorteile. Zum einen kann die durch den Frequenz-Umrichter gelieferte Frequenz des Stromes gegenüber der Netzfrequenz wesentlich gesteigert werden. Sie liegt vorzugsweise in einem Bereich zwischen 500 und 5000 Hz oder höher. Durch die höhere Frequenz kann die Abschaltung des Schweißstromes schneller und vor allem exakt zu dem gewählten und erforderlichen Zeitpunkt erfolgen. Der Leistungstransformator kann einen
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kleineren und einfacheren Aufbau haben und zudem einphasig ausgebildet sein. Bei einem einphasigen System liegen die Abschaltzeiten je nach Frequenz zwischen 10 ms und 1 ms. Bei niedrigen Leistungen und höheren Frequenzen sind diese Zeiten noch kürzer. Außerdem erlaubt der Frequenz-Umrichter eine exakte Bemessung und Reproduktion der dem Prozeß zugeführten Energie, insbesondere Schweißstromenergie. Die Steuerung gegebenenfalls auch Regelung erfolgt z.B. über eine Pulsweitenmodulation.
Zudem können hiermit SpannungsSchwankungen im Netz automatisch kompensiert werden.
Dem Frequenz-Umrichter ist vorzugsweise ein Spannungszwischenkreis mit einer Kondensatoranordnung vorgeschaltet. Dies erlaubt die Kompensation der Blindleistung des Leistungstransformators.
Der röhrenbestückte Wechselstromgenerator läßt sich mit besonderem Vorteil als Wechselstromquelle zum Schweißen, insbesondere HF-Schweißen, zum Löten oder zu anderen Erwärmungs-Prozessen einsetzten.
Die Steuerung des Frequenzumrichters bzw. des Röhrengenerators ist beim Einsatz als HF-Schweißstromquelle mit der Steuerung der Stauchvorrichtung bzw. der HF-Schweißvorrichtung verbunden. Gegebenenfalls ist eine gemeinsame Steuerung vorhanden. Dies ermöglicht es, den Schweißstrom prozeßbezogen und in Abhängigkeit vom Stauchvorgang rechtzeitig abzuschalten und bis dahin die zugeführte Schweißstromenergie exakt zu steuern und gegebenenfalls auch zu regeln.
Der erfindungsgemäße Wechselstromgenerator hat zudem den Vorteil, daß ein weiter Stell- und Regelbereich von 10:1 und höher möglich ist. Dies bietet einen weiten Einsatzbereich. Grundsätzlich ist die Steuerung bzw.
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Regelung im Bereich von 0 bis zur vollen Spannungshöhe möglich. Dies betrifft den Frequenz-Umrichter und den Transformator. Der Stell- und Regelbereich ist im wesentlichen durch die Röhrenanordnung begrenzt, der im Grenzbereich ggf. bis ca. 20:1 ausgedehnt werden kann. Mit der bekannten Thyristor-Steuerung ist ein solcher Stell- und Regelbereich nicht oder nur schwer erreichbar.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:
Figur 1: einen schematischen Schaltplan eines
röhrenbestückten Wechselstromgenerators als Schweißstromquelle zum HF-Schweißen und
&iacgr;&ogr; Figur 2: eine schematische Darstellung einer
HF-Schweißvorrichtung.
In den Zeichnungen ist ein Wechselstromgenerator (1) mit einem geeigneten Röhrengenerator (11), insbesondere einem Hochfrequenz-Röhrengenerator in einem bevorzugten Einsatzbereich als Schweißstromquelle zum Hochfrequenzschweißen schematisch dargestellt. Alternativ kann der Wechselstromgenerator (1) auch für beliebige andere Zwecke eingesetzt werden, z.B. als Stromquelle mit entsprechenden Heizelementen für Lötprozesse, Klebeprozesse oder dgl.-
Figur 2 zeigt eine Hochfrequenz-Schweißvorrichtung (13) zum HF-Schweißen von zwei oder mehr Werkstücken (15,16), die durch einen hochfrequenten Wechselstrom an den einander benachbarten Rändern auf Schmelztemperatur erwärmt und dann durch eine Stauchvorrichtung (14) aufeinander zubewegt und verbunden werden. Die HF-Schweißvorrichtung (13) und das Schweißverfahren entsprechen der aus der DE-A-44 26 894 bekannten Vorrichtung nebst Verfahren. Die Erwärmung der Ränder der vorzugsweise als Platinen oder Profile ausgebildeten Werkstücke (15,16) kann wahlweise konduktiv oder induktiv erfolgen. Vorzugsweise wird die Spannung direkt an die Werkstücke (15,16) für eine konduktive Erwärmung angelegt. Die Werkstücke (15,16) werden mit ihren benachbarten
Rändern unter Spaltbildung auf einem gewissen Abstand gehalten. Die Erwärmung der Werkstückränder erfolgt auf der Basis von zwei physikalischen Effekten, dem Skin-Effekt und dem Nah-Effekt.
Zur Erzeugung des erforderlichen Schweißstroms dient der Wechselstromgenerator (1) als Schweißstromquelle, der im Schaltplan von Figur 1 näher dargestellt ist. Der Wechselstromgenerator (1) hat einen Röhrengenerator (11) und wird von einer Steuerung (6) gesteuert, die zugleich Bestandteil der Maschinensteuerung der HF-Schweißvorrichtung (13) sein kann oder mit dieser Maschinensteuerung verbunden ist. Die Steuerung (6) beaufschlagt vorzugsweise sowohl den Wechselstromgenerator
(1) , wie auch die Stauchvorrichtung (14). Die Steuerung (6) ist vorzugsweise mit ein oder mehreren Mikroprozessoren nebst den dazugehörigen festen und flüchtigen Datenspeichern sowie geeigneten Ein- und Ausgabeeinheiten versehen. In den Steuerungen, z.B. in der Prozeßsteuerung (17) können Stromprogramme für verschiedene Schweißaufgaben, aber auch Technologie-Datenbanken für die Bereitstellung und teilweise auch Berechnung der notwendigen Schweißparameter integriert oder angebunden sein. Ferner können Meß- und Regelsysteme zur Überwachung der Schweißprozesse, der Parameter und der erhaltenen Qualität der Schweißverbindung vorhanden und z.B. integriert sein.
In Figur 1 ist der Wechselstromgenerator (1) bzw. die Schweißstromquelle näher dargestellt. Er weist einen an das Netz (3) angeschlossenen Netz-Gleichrichter (4) auf, dem über einen Gleichstrom-Zwischenkreis (20) der steuerbare Frequenz-Umrichter (5) nachgeschaltet ist. In dem Zwischenkreis (20) kann in den beiden Leitern je eine Filterdrossel (7) angeordnet sein, auf die aber auch verzichtet werden kann. Parallel zum Frequenz-Umrichter (5) ist im Zwischenkreis (20) eine Kondensatoranordnung
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(8) geschaltet. Diese ist vorzugsweise als Kondensatorbatterie ausgebildet und hat eine hohe Kapazität, von z.B. 1 bis 15 mF.
Der Frequenz-Umrichter (5) kann in beliebig geeigneter Weise ausgebildet sein. Vorzugsweise beinhaltet er IGBT-Bausteine (Insulated-gate-bipolar-transistor-Elemente) als elektronische Schaltelemente. Er erzeugt einen mittel- oder hochfrequenten Wechselstrom, der vorzugsweise für die benötigten höheren Leistungen in einem Bereich zwischen 500 und 5000 Hz liegt. Für niedrigere Leistungen kann die Frequenz über die 5000 Hz noch angehoben werden. Die von dem Wechselstromgenerator
(I) für den HF-Schweißprozeß (2) erzeugte Leistung kann über eine Pulsweitenmodulation am Frequenz-Umrichter (5) gesteuert werden. Über den Frequenz-Umrichter (5) kann auch der Schweißstrom abgeschaltet werden, indem z.B. die Pulsweite auf "0" gesteuert wird. Die entsprechenden Steuersignale kommen von der Steuerung (6).
Der vom Frequenz-Umrichter (5) erzeugte Wechselstrom wird über einen Leistungstransformator (9) und einen nachgeordneten Gleichrichter (10) auf den Röhrengenerator
(II) und über diesen auf den HF-Schweißprozeß (2) geschaltet. Der Röhrengenerator (11) hat eine Röhrenanordnung (19) mit ein oder mehreren Braunschen Röhren und einen Schwingkreises (12) . Zwischen Gleichrichter (10) und Röhrenanordnung (19) kann eine weitere Drossel (7) geschaltet sein. Die Röhrenanordnung
(19) ist parallel zu dem mit einer Kapazität und einem Transformator ausgestatteten Schwingkreis (12) geschaltet. In dieser Zuleitung kann zwischen Röhrenanordnung (19) und Schwingkreis (12) noch ein weiterer Kondensator (8) angeordnet sein. Die Schaltung im Bereich des Röhrengenerators (11) kann von konventioneller Bauart sein.
Die aus dem Wechselstromkreis und insbesondere vom Leistungstransformator (9) über den Frequenz-Umrichter (5) zurückwirkende Blindleistung wird durch die im Zwischenkreis (20) angeordnete Kondensatoranordnung (8) vernichtet. Die Größe dieser Kondensatoranordnung (8) richtet sich nach der Größe der Blindleistung.
Der gezeigte Wechselstromgenerator (1) bietet einen Stell- und Regelbereich von 10:1 und mehr. Er ist in seinem
&iacgr;&ogr; Schaltverhalten sehr schnell. Bei dem gezeigten einphasigen System liegen die Abschaltzeiten je nach Frequenz zwischen 10 ms und 1 ms. Bei niedrigeren Leistungen und entsprechend höheren Wechslstromfrequenzen können diese Zeiten noch kürzer sein. Die Kompensation von Spannungsschwankungen erfolgt automatisch online über die Pulsweitenmodulation. Als Bezugswert dient hier die Spannung im Zwischenkreis zwischen Netz-Gleichrichter (4) und Frequenz-Umrichter (5).
Der Wechselstromgenerator (1) kann wie in der dargestellten Ausführungsform als einphasiges System aufgebaut sein. Es kann aber auch mehrphasig ausgebildet sein. In diesem Fall werden mehrere der gezeigten einphasigen Transformatoren (9) in der gewünschten Weise zusammengeschaltet. Die Festlegung der Bezugswerte für die Steuerung und/oder Regelung der Schweißenergie und die Parameterwahl erfolgt vorzugsweise über einen Bildschirm mit einem Personalcomputer oder Mikroprozessor. Dementsprechend können auch eine oder mehrere der Steuerungen (6,17,18) auf PC-Basis ausgebildet sein.
Beim Schweißen der in Figur 2 gezeigten Platinen (15,16) wird über den Wechselstromgenerator (1) der genannte hochfrequente Wechselstrom an die Platinen (15,16) angelegt. Sobald die erforderliche Schweißtemperatur erreicht ist oder die erforderliche Heizenergie in die Werkstücke (15,16) eingebracht ist, wird über die
Prozeßsteuerung (17) die Steuerung (18) der Stauchvorrichtung (14) und die Steuerung (6) des Frequenz-Umrichters (5) bzw. des Wechselstromgenerators (1) beaufschlagt. Durch die Stauchvorrichtung (14) werden die beiden Platinen (15,16) mit ihren benachbarten und erwärmten Rändern aufeinander zubewegt, wobei die Zeitspanne für diesen Weg bei weniger als 10 ms liegt. Vorzugsweise bei Beginn des Stauchvorganges oder kurz danach und rechtzeitig vor Berührung der beiden Werkstücke (15,16) wird über die Steuerung (6) der Frequenz-Umrichter (5) und damit der Schweißstrom abgeschaltet. Im Moment der Berührung sind die Bauteile (15,16) dann stromlos. Mit dem gezeigten Wechselstromgenerator (1) bzw. dessen Steuerung kann die Stromabschaltung im ms-Bereich sehr knapp vor Berührung der Bauteile erfolgen, um ein Erstarren der randseitigen Schmelze der Platinen (15,16) weitestgehend zu vermeiden. Durch den Stauchschlag werden die Platinen (15,16) an der Schweißstelle miteinander verbunden.
Abwandlungen des gezeigten Ausführungsbeispieles sind in verschiedener Weise möglich. Der Röhrengenerator (11) bzw. die Röhrenanordnung (19) sowie die nach dem Frequenz-Umrichter (5) angeordneten Schaltungskomponenten können in beliebig geeigneter Weise variieren. Desgleichen kann auch der vorgeschaltete Zwischenkreis (20) abgewandelt werden. Die Ausbildung der HF-Schweißvorrichtung (13) und deren Teile kann ebenfalls in beliebig geeigneter Weise abgewandelt werden. An die Ausgangsklemmen des Röhrengenerators (11) kann z.B. eine Heizvorrichtung für Lot- und Klebeprozesse oder andere Verfahren angeschlossen sein. Die Heizvorrichtung hat hat z.B. einen Induktor zur Wärmeerzeugung mittels eines mittel- oder hochfrequenten Wechselstromfeldes.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Wechselstromgenerator, Schweißstromquelle
2 HF-Schweißprozeß 3 Netz
4 Netz-Gleichrichter
5 Frequenzumrichter
6 Steuerung Schweißstromquelle
7 Drossel
8 Kondensator, Kondensatorbatterie
9 Transformator
10 Gleichrichter
11 Röhrengenerator
12 Schwingkreis
13 HF-Schweißvorrichtung
14 Stauchvorrichtung
15 Werkstück, Platine
16 Werkstück, Platine
17 Prozeßsteuerung
18 Steuerung, Stauchvorrichtung
19 Röhrenanordnung
20 Gleichstrom-Zwischenkreis
Claims (8)
1. Wechselstromgenerator mit einer Röhrenanordnung, insbesondere einem Röhrengenerator, einem Netzgleichrichter und mindestens einem Leistungstransformator, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstromgenerator (1) einen steuerbaren (6) oder regelbaren Frequenzumrichter (5) zwischen dem Netz-Gleichrichter (4) und dem Leistungstransformator (9) aufweist.
2. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (6) des Frequenzumrichters (5) mit einer Prozeßsteuerung (17) und einer Steuerung (18) einer Stauchvorrichtung (14) einer HF-Schweißvorrichtung (13) verbunden ist.
3. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die HF-Schweißvorrichtung (13) und der Frequenzumrichter (5) eine gemeinsame Steuerung mit mindestens einem Microprozessor aufweisen.
4. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (5) eine Frequenz zwischen 500 und 5.000 Hz oder höher erzeugt.
5. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente des Frequenzumrichters (5) als IGBT-Bausteine ausgebildet sind.
6. Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Frequenzumrichter (5) eine Kondensatoranordnung (8) vorgeschaltet ist.
7. Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Frequenzumrichter (5) ein oder mehrere Drosseln (7) vorgeschaltet sind.
8. Wechselstromgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißstromquelle (1) für niedrigere Leistungen einphasig und für höhere Leistungen mehrphasig ausgebildet ist.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE29819251U DE29819251U1 (de) | 1998-10-29 | 1998-10-29 | Wechselstromgenerator mit einer Röhrenanordnung |
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Publications (1)
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE29819251U1 (de) |
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- 1998-10-29 DE DE29819251U patent/DE29819251U1/de not_active Expired - Lifetime
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