DE4006201C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drossel für WIG-Schweißmaschinen oder Plasmaschneidanlagen, bei denen getaktete Stromquellen verwendet werden und bei denen Hochspannungs-Zündgeräte Verwendung finden, wobei die Drossel gleichzeitig als Glättungsdrossel für die getaktete Stromquelle und als Zündübertrager für das Zündgerät verwendet werden kann.

Beim Aufbau von getakteten Stromquellen, vorzugsweise in der Schweißtechnik, findet meistens am Ausgang zum Schweißbrenner eine Glättungsdrossel Verwendung. Es ist ebenso üblich, zur Erzeugung von Hochspannungsimpulsen parallel zum Ausgang, also parallel zur Lichtbogenstrecke, ein Zündgerät einzusetzen, das durch die hohe Spannung die Luftstrecke durchschlägt und einen ionisierten, leitenden Kanal für den Schweißstrom bahnt. Bei einer anderen möglichen Ausführung wird die Drossel selber als Zündübertrager verwendet. Dabei erhält sie eine zweite Wicklung, welche an ein Zündgerät angeschlossen wird. Für die weitere Betrachtung ist es ohne Belang, welche der beiden Möglichkeiten gewählt wird.

Die Drossel hat nun neben der Glättung auch die Aufgabe, durch ihre Induktivität die kurzen Zündimpulse zu sperren und ihnen einen so hohen induktiven Widerstand entgegenzusetzen, daß die Hochspannung nicht kurzgeschlossen wird. Die Energie der Zündimpulse darf deswegen nicht zu hoch sein weil es gelegentlich vorkommt, daß ein Schweißer mit ihnen in Berührung kommt. Dabei darf er nicht zu Schaden kommen, obwohl er einen elektrischen Schlag erhält. Um mit der begrenzten Energie eine möglichst hohe Spannung zu erreichen, ist es deshalb notwendig, die Hochspannungsimpulse sehr kurz auszubilden. Ein typischer Impuls hat einen Spannungswert von etwa 8 bis 10 kV und eine Dauer von 1 bis 2 µs. Hat eine Glättungsdrossel zu wenig Induktivität, dann belastet sie das Zündgerät zu stark und die erzeugte Impulsspannung fällt z. B. auf 6 kV ab. Das führt dazu, daß das Zündverhalten der Maschine drastisch schlechter wird.

An die Drossel werden also zwei Anforderungen gleichzeitig gestellt:

• 1. Ihre Induktivität muß so optimiert sein, daß sie als Glättungsdrossel bei gegebener Schaltfrequenz von z. B. 25 kHz zu dem gewünschten Betrag der Welligkeit des Ausgangsstromes führt. Gleichzeitig wird damit die Dynamik der Stromregelung eingestellt. Ferner muß der ohmsche Widerstand der Drossel klein sein, damit keine nennenswerten ohmschen Verluste an der Drossel auftreten. Will man diese Forderung erfüllen, bietet sich eine Bauform als Stabkerndrossel mit einem Kern aus Trafoblechen an.
• 2. Ihre Induktivität muß so bemessen sein, daß sie die Zündimpulse des Hochspannungs-Zündgerätes optimal sperrt. Diese Anforderung spricht für eine Bauform mit einem Ferritkern, der für die hohe Impulsfrequenz geeignet ist.

Leider ist es nun so, daß die beiden dafür notwendigen Induktivitätswerte nur sehr wenig miteinander zu tun haben, denn die Werte liegen z. B. um den Faktor 5 auseinander.

Benötigt wird also eine Drossel, welche bei hohen Frequenzen (z. B. 500 kHz) und kleinen Strömen (z. B. 10 A) eine hohe Induktivität und bei mittleren Frequenzen (z. B. 25 kHz) und großen Strömen (z. B. 30 bis 400 A) eine reduzierte Induktivität bei minimalem Widerstand aufweist.

Es ist bekannt, wie man sogenannte Sättigungsdrosseln realisieren kann, bei denen der Kern so dimensioniert ist, daß er über einem bestimmten Drosselstrom in die Sättigung geht. Damit sinkt, abhängig vom gewählten Kernmaterial, die Induktivität maximal bis zur Induktivität einer Luftdrossel ab.

Stand der Technik ist es, die Glättungsdrossel ganz mit einem Ferritkern auszurüsten. Der Ferritkern muß dann so bemessen sein, daß er selbst bei vollem Laststrom am Ende noch z. B. ein Fünftel der Anfangspermeabilität besitzt. Dazu wird sehr viel Ferrit benötigt. Diese Lösung ist daher entsprechend teuer.

Der andere Weg besteht darin, die Drossel so zu bemessen, daß sie als Luftdrossel den Wert besitzt, der für ihre Funktion als Glättungsdrossel benötigt wird. Dann wird durch Einfügen eines Ferritkernes für den Bereich kleiner Ströme die Induktivität z. B. um den Faktor 5 angehoben, so daß sie die Zündimpulse sperrt. Dieser Ferritkern geht dann bei höheren Strömen hart in die Sättigung. Wählt man jedoch diesen Weg, so wird die Größe der Drossel nicht optimal, da eine Luftdrossel eine wesentlich größere Bauform als eine Drossel mit Kern besitzt, dadurch steigt auch der ohmsche Widerstand unvorteilhaft an.

Der Einsatz einer Drossel bei einer WIG-Schweißanlage ist aus der DE 20 24 276 bekannt, während ihr Einsatz bei einer Plasmaschneidmaschine aus der DE 24 35 020 A1 bekannt ist.

Aus der US 41 03 221 ist es bekannt, den Kern einer Spule aus unterschiedlichen Kernmaterialien zusammenzusetzen, um den Einfluß einer Gleichstrommagnetisierung auf das Wechselstromverhalten zu kompensieren.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Drossel zu schaffen, welche eine kleine Bauform mit niedrigem ohmschen Widerstand besitzt, mit möglichst wenig teurem Ferritmaterial ausgestattet ist und trotzdem beim Einsatz in einer WIG-Schweißanlage oder eine Plasmaschneidanlage als Glättungsdrossel für die Schaltfrequenz und als Sperrdrossel für die Zündimpulse wirkt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Kern der Drossel aus mindestens einem Ferritkern und aus Trafoblech zusammengesetzt ist.

Es herrscht heute ein gewisses Vorurteil, daß eine Hochfrequenzdrossel keinen Kern aus Trafoblech besitzen kann, da nach allgemeinem Wissen Trafoblech bei höheren Frequenzen hohe Wirbelstromverluste besitzt. In Wirklichkeit handelt es sich bei der Anwendung in der Schweißmaschine jedoch nicht um eine dauernde Belastung mit Hochfrequenz, sondern die Zündimpulse sind Einzelimpulse mit extrem kurzer Dauer (1 bis 2 µs). Untersucht man das Verhalten von Luftdrosseln, welche an das Zündgerät angeschlossen sind, so stellt man überraschenderweise fest, daß das Einführen eines Stabkernes aus einem Paket Trafoblech die Zündeigenschaften in keiner Weise beeinflußt. Es läßt sich weder eine Dämpfung noch eine Verstärkung feststellen. Die Impulse sind so kurz, daß die Elementarmagnete des Trafobleches keine Zeit zur Reaktion haben. Diese Versuche und die daraus folgende Erkenntnis erlauben es somit, die Drossel als Stabkerndrossel optimal an die Erfordernisse der Glättung anzupassen und ihre Induktivität darauf abzustimmen. Mit einem zusätzlichen Ferritkern wird jetzt im niedrigen Strombereich die Induktivität für die Hochfrequenzimpulse z. B. um den Faktor 5 angehoben. Dieser Ferritkern kann klein sein, denn er darf schon z. B. ab 10 Ampere in die Sättigung gehen.

Die Vorteile liegen also darin, daß durch die Verwendung des sehr preisgünstigen Stabkernes aus Trafoblech eine kleine und widerstandsarme Bauform gefunden ist. Von der preislichen Seite stellt sich das so dar, daß Ferrit z. Z. etwa 20 mal so teuer ist, wie Trafoblech und daß Ferrit nur etwa 1/8 der Induktion aufnehmen kann. Das wahre Preisverhältnis liegt also bei 1:160 allein beim Kernmaterial.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen nun näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 den Einsatz einer Drossel nach der Erfindung in einer getakteten Schweißmaschine,

Fig. 2 das Schaltbild der Drossel und

Fig. 3 einen möglichen konstruktiven Aufbau.

Fig. 1 zeigt das Grundschaltbild einer getakteten Stromquelle, wobei die Drossel am Ausgang liegt. Gleichzeitig eingezeichnet ist ein Zündgerät, das seine Impulsströme auf eine zusätzliche Wicklung der Drossel überträgt. Da die Diode bei richtiger Polung leitet, tritt die in der Drossel induzierte Hochspannung über der Lichtbogenstrecke auf.

Fig. 2 zeigt das Schaltbild der Drossel. N1 ist die eigentliche Drosselwicklung und N2 sind z. B. drei Windungen, über die das Hochspannungs-Zündgerät seine Impulsströme einkoppeln kann. Das Verhältnis von N1 zu N2 ist das Spannungsübersetzungsverhältnis für die Zündschaltung.

Fig. 3 zeigt einen möglichen konstruktiven Aufbau einer Drossel mit Zündwicklung. Auf einem ersten Spulenkörper ist die Wicklung 3 der Drossel mit der Windungszahl N1 aufgebracht. Die wenigen Windungen der zweiten Wicklung 4 sind auf einem zweiten Spulenkörper aufgebracht. Als Kerne für die beiden Spulenkörper finden zwei Stabpakete aus Trafoblech 2 Verwendung, die durch die beiden Spulenkörper geführt sind. Der geschlossene Ferritkern 1 ist aus zwei U-förmigen Kernteilen zusammengesetzt, die von beiden Seiten her in die beiden Spulenkörper eingeführt sind.

Der Ferritkern 2 erzeugt die Anfangsinduktivität für die Zündimpulse.

Claims (1)

1. Drossel für WIG-Schweißmaschinen oder Plasmaschneidanlagen, bei denen getaktete Stromquellen verwendet werden und bei denen Hochspannungs-Zündgeräte Verwendung finden, wobei die Drossel gleichzeitig als Glättungsdrossel für die getaktete Stromquelle und als Zündübertrager für das Zündgerät verwendet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern der Drossel aus mindestens einem Ferritkern (1) und aus Trafoblech (2) zusammengesetzt ist.