DE4138923A1 - Elektronische vorrichtung zur verwaltung und steuerung des elektrischen speisungsstroms zum widerstandsschweissen, insbesondere von metallenen dosenkoerpern - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektronische Vorrichtung zur Verwaltung und Steuerung des elektrischen Speisungsstroms zum Widerstandsschweißen, insbesondere fügt es sich in den technischen Fachbereich der Maschinen zum elektrischen Widerstandsschweißen mit Rollen der übereinanderliegenden Längskanten von metallenen Dosenkörpern und ähnlichem ein.

Wie man weiß, ist es bei diesem speziellen Schweißmaschinentyp von äußerster Wichtigkeit, ein solches Speisungssystem des elektrischen Stroms an die Schweißrollen vorzusehen, daß verschweißte Verbindungen ohne Unterbrechungen (sogenannte "Schweißlöcher") und Materialspritzern hergestellt werden, sowie mit Abmessungs- und Qualitätseigenschaften soweit wie möglich gleichbleibend auf die Dauer und in Übereinstimmung mit bestimmten Spezifikationen, zum Beispiel müßten alle Schweißpunkte untereinander gleiche Abmessungen aufweisen, sei es in Längsrichtung wie auch in Querrichtung, und auch die gleiche Stärke.

Auf diesem Gebiet werden heutzutage verschiedene Vorrichtungen zur Speisung des elektrischen Stroms verwendet, die in elektrischer und elektronischer Hinsicht mehr oder weniger perfektioniert sind und dazu neigen, die obengenannten Zwecke zu erreichen.

Eine der bedeutendsten Verwirklichungen, die es zuerst erlaubt hat, die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen und folglich eine höhere Produktionsgeschwindigkeit zu erreichen, ist jene, die durch das Ausnutzen von Wechselstrom sinusförmiger Art erhalten wurde, und zwar mit um so viel höheren Frequenzen wie es die erforderliche Schweißgeschwindigkeit ist. Zu diesem Zweck werden häufig rotierende oder statische Frequenzwandler verwendet. Dieser erste Typ bringt jedoch einige Nachteile mit sich, unter anderem auch den der übermäßigen Aufheizung des Gerätes einschließlich des Speisetransformators und allen damit zusammenhängenden Elementen, und zwar unter erheblich hohem Stromverbrauch und damit der größeren Notwendigkeit des Kühlens.

Ein zweiter Verwirklichungstyp neigt dazu, die obengenannten Nachteile zu vermeiden, indem er einen Wechselstrom mit Wellen nicht sinusförmiger Art verwendet, sondern praktisch "quadratisch", welcher gegenüber den sinusförmigen Wellen erhebliche Vorteile bietet. Tatsächlich wird die Energie auf gleichmäßige Weise auf das zu schweißende Material übertragen und es können niedrigere Breitenwerte von Strom und Frequenz angewandt werden, wobei das Aufheizen des Gerätes und der Stromverbrauch zum Schweißen und zum Kühlen des Gerätes selbst drastisch verringert werden. Schließlich kann festgestellt werden, daß die quadratische Welle des Stroms gegenüber einer sinusförmigen Welle "sofort" ihren maximalen Amplitudenwert erreicht und nicht nach etwa einem 1/4 der Periode wie es eben bei der sinusförmigen Welle der Fall ist.

Dieser letzte Typ führt jedoch zu einer Ausbildung der Geräte, die außer sehr umfangreich auch noch überdimensioniert sind, um die maximale Steilheit der quadratischen Schweißwelle erreichen zu können.

Wenn nun die Steilheit ausreichend steil ist, bedeutet dies, daß das Umschalten des Schweißstroms in einer unerheblichen Zeitspanne erfolgt, was folglich zu einer niedrigeren Arbeitsfrequenz führt.

Dieser ist einer der wichtigsten technischen Aspekte, die erreicht werden sollen, da durch die Möglichkeit, mit Strömen von immer niedrigerer Frequenz bei gleicher Produktionsgeschwindigkeit zu arbeiten, alle die Probleme weitestgehend gelöst werden, die insbesondere an den Stromverlust gebunden sind, zum Beispiel bei Wirbelströmen oder sogenannten Foucault-Strömen, welche direkt proportional zu den Induktiverscheinungen sind, die um so höhere induktive Reaktanzen bewirken, je höher die Arbeitsfrequenzen sind.

Infolgedessen wurden erhebliche Vorteile erhalten, indem nur ein einziger statischer Wandler verwendet wurde, welcher seinerseits nur einen Gleichrichter- und Stabilisatorblock enthält, welcher eine kontinuierliche Spannung an einen anschließend angeordneten und vollkommen transistorisierten Umformer liefert, der im Ausgang den Schweißtransformator speist.

Was auch vorher schon erwähnt wurde, weist der Transformator natürlich konstruktive Eigenschaften auf, die in der Lage sind, eine ausreichend schnelle "Umschaltung" des Stromes und minimale Verluste zu sichern.

Der Umformer unterliegt der Wirkung eines elektronischen Reglers, der dazu vorgesehen ist, die Amplitude und die Frequenz des Schweißstroms mit festgelegten Bezugsmustern zu vergleichen, und je nach diesem Vergleich reguliert er den Umformer selbst auf eine Weise, daß die von diesem im Ausgang gelieferte Spannung als die notwendige erscheint, um den gewünschten Strom zu erzeugen. In diesem Falle erreicht die erhaltene Wellenform des Schweißstroms unter Voreinstellung der obengenannten Steuerung und der obengenannten Bemessung des Transformators den vorbestimmten Amplitudenwert in der kürzestmöglichen Zeit und in Übereinstimmung mit der Bemessung des Transformators selbst. Wenn der gewünschte Amplitudenwert erreicht ist, verlischt der erste Impuls und der Strom nimmt mit einer bestimmten Zeitkonstante ab, und zwar solange, bis nicht ein zweiter Impuls auftritt, der den Kreis wieder auflädt usw. bis zum Zeichenwechsel. Auf diese Weise weist die in einer Halbperiode erhaltene Wellenform wenigstens um ihren Spitzenwert herum eine Reihe von miteinander verbundenen Spitzen auf, die den Schweißpunkten entsprechen.

In diesem Falle ist jedoch der Nachteil, der häufig auftritt, daß die Stromspitzen nicht direkt gesteuert sind und sich daher unterschiedlich voneinander erweisen, und zwar zum Nachteil der erhaltenen Qualität der Schweißnaht, deren verschiedene Schweißpunkte voneinander abweichende Abmessungen und Festigkeiten aufweisen können, und die außerdem entlang der übereinanderliegenden Kanten der Dosenkörper nicht gleichmäßig verteilt sind. Außerdem ist auch in diesem Falle stets eine kontinuierliche Komponente des Schweißstroms vorhanden, welche die sogenannten Schweißspritzer bewirkt.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist daher der, eine elektronische Vorrichtung zu liefern, in der Lage, im Ausgang eine Wellenform des Schweißstrom hervorzubringen, welche das Verschweißen der Längskanten von metallenen Dosenkörpern gewährleistet, ohne die oben erwähnten Nachteile aufzuweisen, wobei auch mit hohen Schweißgeschwindigkeiten gearbeitet wird, ohne dabei den Nachteil eines übermäßigen Aufheizens zu haben.

Die Erfindung, die durch die Ansprüche gekennzeichnet ist, löst das Problem, indem sie eine elektronische Vorrichtung zur Verwaltung und Steuerung des elektrischen Speisungsstroms zum Widerstandsschweißen, insbesondere von metallenen Dosenkörpern liefert, vom Typ enthaltend einen Gleichrichterblock, der im Ausgang an den Eingang eines Umschalterblockes angeschlossen ist, welcher mit einer Spannung vt den Primär eines Schweißtransformators speist, der wiederum im Ausgang einen Schweißstrom Is als Funktion der genannten Spannung vt liefert, und in dem der Umschalterblock durch einen Reglerblock verriegelt und verwaltet ist, in der Lage, den genannten Umschalterblock auf solche Weise zu steuern, daß dessen Ausgangsspannung vt zum Speisen des genannten Transformators für jede Halbperiode T/2 von dessen Grundeinheit eine Anzahl von im wesentlichen stufenförmigen und wechselweise positiven und negativen Impulsdoppelten oder -paaren s aufweist, mit einem absoluten eingegebenen maximalen oder Spitzenwert Yv und einer Intervalldauer von bestimmter Zeit τ, so daß der Schweißstrom Is sich als periodisch erweist mit einem absoluten eingegebenen Maximalwert Yi, und daß er in der Halbperiode T/2 seiner Grundeinheit, entsprechend für jede Doppelte oder jedes Paar der genannten stufenförmigen Impulse der Spannung vt, eine Wellenform hat, die einen sägezahnförmigen Impuls von einem absoluten Maximalwert Yi aufweist und im wesentlichen in die Summe von zwei Rampen trennbar ist, und zwar eine erste Steigrampe, die von ihrem Nullwert ausgeht und den Wert Yi in einer Zeit τ erreicht, und eine zweite Abfallrampe, die von dem Ende der ersten Rampe bei dem Wert Yi ausgeht und ihren Nullwert in einer Zeit τ′ erreicht.

Die Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung gehen deutlicher aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung hervor, die unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen gemacht wurde, welche eine rein als Beispiel zu betrachtende und nicht begrenzende Verwirklichungsform darstellen, und von denen

• - Abb. 1 ein Blockschema der betreffenden elektronischen Vorrichtung zeigt;
• - Abb. 2 zeigt das Spannungssignal im Ausgang aus dem Umformer aus der vorstehenden Abbildung;
• - Abb. 3 zeigt den Strom an dem Sekundär des Transformators der betreffenden Vorrichtung;
• - Abb. 4 zeigt das Spannungssignal im Ausgang aus dem Umformer aus der Abb. 1, jedoch mit einer anderen Grundeinheit;
• - Abb. 5 zeigt den Strom an dem Sekundär des Transformators der betreffenden Vorrichtung mit der Spannung am Primär wie in der Abb. 4;
• - Abb. 6 zeigt den Strom an dem Sekundär des Transformators für die gleiche Grundeinheit wie in Abb. 3, jedoch mit einer größeren Zahl von Impulsen.

Übereinstimmend mit den beiliegenden Zeichnungen wird die betreffende Erfindung im wesentlichen aus einem Gleichrichterblock 1 gebildet, der im Ausgang an den Eingang eines vollkommen transistorisierten Umschalterblockes 2 angeschlossen ist, welcher eine Spannung vt an den Primär 5 eines Schweißtransformators 3 liefert, der seinerseits im Ausgang einen Schweißstrom Is als Funktion der Spannung vt an die Schweißrollen 10 liefert.

Der Umschalterblock 2 ist durch einen elektronischen Regler 4 verriegelt und gesteuert, der normalerweise auch eine Rückkopplung auf den Primär 5 oder den Sekundär 6 des Transformators 3 vorsehen kann, und zwar wenigstens mit Bezugsmustern von Amplitude und Frequenz, die schematisch durch den Block 8 dargestellt sind.

Auf sehr originelle Weise sieht die Vorrichtung außerdem einen ersten Schalt- odere Umschaltblock 7 vor, der auf den Umschalterblock 2 wirkt, sowie einen zweiten Schaltblock 9, der auf den Primär 5 des Transformators 3 wirkt, deren Funktionen nachstehend besser verdeutlicht werden. Der Reglerblock 4 erweist sich in der Lage, den Umschalterblock 2 zu steuern, indem er praktisch auf die Logik des Umschalterblockes 2 selbst einwirkt, und zwar in dem Sinne, daß die den Umschalterblock 2 selber bildenden Transistoren erregt und zum Leiten gebracht oder verhindert werden, so daß dessen Ausgangsspannung vt, die den Transformator 3 speist, für jede Halbperiode T/2 ihrer Grundeinheit eine Anzahl von Impulsdoppelten oder -paaren aufweist, im wesentlichen stufenförmig, die in den beiliegenden Zeichnungen mit s bezeichnet und wechselweise positiv und negativ sind und einen absoluten eingegebenen maximalen oder Spitzenwert Yv und eine Intervalldauer mit einer festen Zeit τ haben.

Diese Impulse s sind solche und in der Halbperiode T/2 auf solche Weise verteilt, daß der Schweißstrom Is von einem absoluten eingegebenen Maximalwert Yi sich als periodisch erweist und eine Wellenform hat, die in der Halbperiode T/2 ihrer Grundeinheit und entsprechend für jede Doppelte oder jedes Paar der genannten stufenförmigen Impulse s der Spannung vt einen sägezahnförmigen Impuls aufweist, der in den beiliegenden Abbildungen mit g bezeichnet ist und einen absoluten Maximalwert Yi hat und im wesentlichen in die Summe von zwei Rampen trennbar ist, und zwar eine erste Steigrampe, die vonihrem Nullwert ausgeht und den Wert Yi in einer Zeit τ erreicht, und eine zweite Abfallrampe, die von dem Ende der ersten Rampe ausgeht, welche den Wert Yi erreicht hat, und ihren Nullwert in einer Zeit τ′ erreicht, die natürlich anders sein kann als die Zeit.

Was insbesondere den ersten Schalt- oder Umschaltblock 7 betrifft, so ist dieser in der Lage, die gewünschte Zahl der genannten Impulsdoppelten oder -paare der als Stufe s dargestellten Spannung vt zu bestimmen, welche stets von der gleichen Dauer der bestimmten Zeit sind, und die der Reglerblock 4 bestimmt, an den Umschalterblock 2 auszusenden, unter Steuerung eben von dessen Logik, und zwar in jeder Halbperiode T/2 der Grundeinheit der Spannung vt in Funktion der sägezahnförmigen Impulse g, die in der Halbperiode T/2 der Grundeinheit des Stroms Is gewünscht sind.

Wie aus den beiliegenden Abbildungen ersichtlich ist, sind die sägezahnförmigen Impulse g, welche die Wellenform des Schweißstroms Is bilden, in jeder Halbperiode T/2 der Grundeinheit entweder alle positiv oder alle negativ.

In dem in den Abb. 3 und 5 dargestellten Falle weisen die Impulse des Stroms Is die erste Steigrampe auf, die von ihrem Nullwert ausgeht und den Wert Yi erreicht, und zwar in einer Zeit τ, die mit der Zeit übereinstimmt, in der die zweite Abfallrampe, die von dem Ende der ersten bei Wert Yi ausgeht, ihren Nullwert erreicht. In diesem besonderen Falle, wird als Bezug die 0 genommen und der erste sägezahnförmige Impuls g ausgewertet, kann man behaupten, daß letzterer den absoluten Maximalwert Yi wiedergibt und im wesentlichen in die Summe von zwei Rampen trennbar ist, d. h. eine erste Steigrampe mit einer Steilheit von absolutem Wert Yi/τ, welche dem Zeitmoment t=0 zugeordnet wird, und eine zweite Abfallrampe mit einer Steilheit von -2Yi/τ, welche dem Zeitmoment t=τ zugeordnet ist.

In einem weiteren, hier nicht dargestellten Falle könnte die Wellenform einen Verlauf aufweisen, bei dem wenigstens die zweite Abfallrampe aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Abschnitt besteht, die unterschiedliche Steilheiten zueinander haben. Auf diese Weise kann der Formfaktor reguliert und der geringste Maximalwert abgerufen werden, um den gleichen Wirkungsgrad zu erhalten.

Wie schon oben erwähnt, kann durch die Verwendung des Schalters oder Umschalters 7 eine andere Zahl von Impulsen der Dauer in der Halbperiode T/2 der Spannung vt am Ausgang des Umschalters 2 eingegeben werden, die in dem besonderen Falle der Abb. 4 und 5 die doppelten sind als die in den Abb. 2 und 3 vorhandenen. Auf diese Weise erhält man eine Wellenform des Schweißstroms Is, die in der Halbperiode der Grundeinheit eine größere Zahl von sägezahnförmigen Impulsen g aufweist, und die Frequenz der Grundeinheit selbst wird um die Hälfte geteilt.

An diesem Punkt erweisen sich die erreichten Vorteile als deutlich und von ausgesprochener Wichtigkeit, da die Teilung der Frequenz der Grundeinheit bedeutet, auch die Umschaltfrequenz der magnetischen Strömung geteilt zu haben, und zwar mit dem daraus sich ergebenden Senken der Verluste und dem folglichen Vermeiden der Erhitzung der Maschine selbst. Was außerdem die Schweißgeschwindigkeit der Maschine betrifft, so ist es wichtig zu unterstreichen, daß man, wenn man von einer geteilten Grundfrequenz ausgeht - s. Fall der Abb. 4 und 5, bei dem die gleiche Schweißgeschwindigkeit mit der doppelten Grundfrequenz erhalten wurde -, die Schweißgeschwindigkeit unter Erhöhung der Frequenz erhöhen kann, welche, auch wenn sie sich verdoppelt, die gleiche Grundfrequenz aufweist wie die Grundfrequenz, bei der mit niedriger Geschwindigkeit geschweißt wurde.

Natürlich wird deutlich, daß an dem Punkt, an dem das Umschalten des Schweißstroms Is erfolgt, der Impuls s der Doppelten der Impulse s der Spannung vt, welcher der Umschaltung selbst entspricht, einen Wert der Dauer seines bestimmten Zeitintervalls τ′′ aufweist, der größer ist als die Dauer des bestimmten Zeitintervalls τ und ein solcher, daß die Umwandlung des Zeichens des entsprechenden Impulses g der Grundeinheit des Stromes Is erfolgt, bis dieser seinen Maximalwert in absolutem Wert Yi erreicht hat.

Wie schon vorher erwähnt, gehört zu der betreffenden elektronischen Vorrichtung auch ein zweiter Schalterblock 9, der auf den Primär 5 des Transformators 3 wirkt und in der Lage ist, die Zahl der Windungen zu wählen, die in das Umformverhältnis n=N1/N2 eingreifen. Auf diese Weise ist es möglich, den Maximalwert Yv der genannten Impulse s und die Dauer von deren bestimmter Zeit τ der genannten Spannung vt zu verändern, so daß für eine gleiche Grundeinheit die Zahl der genannten Impulse g des Stromes Is, die in einer gleichen Halbperiode T/2 vorhanden sind, geändert werden kann.

Auf diese Weise ergibt sich, daß einer Erhöhung der Zahl der Windungen der Primärwicklung 5 des Transformators 3 eine größere Zahl von Impulsen g des Stromes Is entspricht, die in einer gleichen Halbperiode T/2 vorhanden sind und umgekehrt.

Die so ausgelegte Erfindung unterliegt zahlreichen Änderungen und Varianten, die jedoch alle in den Bereich des erfinderischen Konzepts fallen. Außerdem können alle Details gegen technisch gleichwertige Elemente ausgetauscht werden.

Claims (8)

1. Elektronische Vorrichtung zur Verwaltung und Steuerung des elektrischen Speisungsstroms zum Widerstandsschweißen, insbesondere von metallenen Dosenkörpern, enthaltend einen Gleichrichterblock (1), der im Ausgang an den Eingang eines Umschalterblockes (2) angeschlossen ist, welcher mit einer Spannung (vt) den Primär eines Schweißtransformators (3) speist, der wiederum im Ausgang einen Schweißstrom (Is) als Funktion der genannten Spannung (vt) liefert, wobei der genannte Umschalterblock (2) durch einen Reglerblock (4) verriegelt und verwaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Reglerblock (4) den genannten Umschalterblock (2) auf solche Weise steuert, daß dessen Ausgangsspannung (vt) zum Speisen des genannten Transformators (3) für jede Halbperiode T/2 von dessen Grundeinheit eine Anzahl von im wesentlichen stufenförmigen und wechselweise positiven und negativen Impulsdoppelten oder -paaren (s) aufweist, mit einem absoluten eingegebenen maximalen oder Spitzenwert Yv und einer Intervalldauer von bestimmter Zeit τ, so daß der Schweißstrom (Is) sich als periodisch erweist mit einem absoluten eingegebenen Maximalwert Yi, und daß er in der Halbperiode T/2 seiner Grundeinheit, entsprechend für jede Doppelte oder jedes Paar der genannten stufenförmigen Impulse (s) der Spannung (vt), eine Wellenform hat, die einen sägezahnförmigen Impuls von einem absoluten Maximalwert Yi aufweist und im wesentlichen in die Summe von zwei Rampen trennbar ist, und zwar eine erste Steigrampe, die von ihrem Nullwert ausgeht und den Wert Yi in einer Zeit τ erreicht, und eine zweite Abfallrampe, die von dem Ende der ersten Rampe bei dem Wert Yi ausgeht und ihren Nullwert in einer Zeit τ′ erreicht.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten sägezahnförmigen Impulse (g) des genannten Schweißstroms (Is) in jeder genannten Halbperiode T/2 der Grundeinheit entweder alle positiv oder alle negativ sind.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte erste Steigrampe, die von ihrem Nullwert ausgeht, den Wert Yi in einer Zeit τ erreicht, die mit der Zeit übereinstimmt, in der die genannte zweite Abfallrampe, die von dem Ende der ersten Rampe beim Wert Yi ausgeht, ihren Nullwert erreicht.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die genannte zweite Abfallrampe aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Abschnitt gebildet wird, die unterschiedliche Steilheiten zueinander aufweisen.

5. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Reglerblock (4) durch einen ersten Schalt- oder Umschaltblock (7) verriegelt wird, in der Lage, die gewünschte Zahl der genannten Impulsdoppelten oder -paare der Spannung (vt) in Stufenform (s) festzulegen, sowie die Dauer einer bestimmten Zeit τ, die der genannte Reglerblock (4) dem genannten Umschaltblock (2) auszugeben befiehlt, und zwar in jeder Halbperiode T/2 der Grundeinheit der Spannung (vt) und in Funktion der gewünschten Zahl von sägezahnartigen Impulsen (g) in der Halbperiode T/2 der Grundeinheit des Stromes (Is).

6. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Impuls (s) der genannten Impulsdoppelten oder -paare (s) der Spannung (vt) einen Wert der Dauer seines bestimmten Zeitintervalls τ′′ aufweist, größer als die Dauer des bestimmten Zeitintervalls und solcher, daß die Umwandlung des Zeichens des entsprechenden Impulses (g) der Grundeinheit des Stromes (Is) erfolgt, bis dieser seinen Maximalwert in absolutem Wert (Yi) erreicht hat.

7. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen zweiten Schaltblock (9) enthält, der auf den Primär (5) des genannten Transformators (5) wirkt und in der Lage ist, die Zahl der Windungen zu wählen, die in das Umformverhältnis n=N1/N2 eingreifen, so daß der Maximalwert (Yv) der genannten Impulse (s) und die Dauer von deren bestimmter Zeit τ der genannten Spannung (vt) verändert wird, so daß für eine gleiche Grundeinheit die Zahl der genannten Impulse (g) des Stromes (Is) geändert werden kann, die in einer gleichen Halbperiode T/2 vorhanden sind, daß einer Erhöhung der Zahl der Windungen der Primärwicklung (5) des Transformators (3) eine größere Zahl von Impulsen (g) des Stromes (Is) entspricht, die in einer gleichen Halbperiode T/2 vorhanden sind und umgekehrt.

8. Vorrichtung nach den vorstehenden Patentansprüchen und nach dem was unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen und zu den erwähnten Zwecken beschrieben wurde.