DE4434106A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Stromstößen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dabei ist es unerheblich, ob beim Entladen der Kondensatorbatterie die elektrische Wirkung wie beim Widerstandsschweißen oder die mag­ netische Wirkung oder beide ausgenutzt werden.

Die Vorteile bekannter Impulsschweißverfahren sind insbesondere kleine Wärmeeinbringung, die bei verzinkten Blechen von besonderer Bedeutung ist, außerordentlich kurze Schweißzeiten, dadurch niedrige Elektrodenbelastung und hohe Elektrodenstandfestigkeit, und die Möglichkeit, mit herkömmlichen Verfahren nicht verschweißbare Werk­ stoffe zu verschweißen.

Impulsschweißverfahren fordern einen auf- und entlad­ baren Energiespeicher, der üblicherweise als Kondensator­ batterie ausgebildet ist.

Der Ladekreis einer Kondensatorbatterie beinhaltet bei herkömmlichen Anlagen folgende Elemente:

Eine Phasenanschnittsteuerung für 50 Hertz oder 60 Hertz, einen ein- oder dreiphasigen Trenntransformator, mindestens einen Vorwiderstand, der der die Höhe des maximalen Ladestromes bestimmt.

Genereller Nachteil bei einphasiger und dreiphasiger Energieversorgung ist, daß beim Phasenanschnitt im Augenblick des Anschnitts, also wenn der Ladekreis mit dem Netz verbunden wird, ein sehr steiler Stromanstieg erfolgt. Das Fourierspektrum des Stromes weist deshalb darauf hin einen hohen Anteil an überlagerten höheren harmonischen Schwingungen auf, die störend auf das Netz zurückwirken.

Dies ist bei dreiphasigem Phasenanschnitt im wesentlichen dadurch bedingt, daß ein Phasenanschnitt nur bei einem Phasenwinkel von 60° bis 120° möglich ist, was zur Folge hat, daß eine relativ hohe Spannung am Kondensator angelegt wird. Diese hohe Spannung bewirkt insbesondere bei weitgehend entladenem Kondensator einen momentan sehr hohen Einschalt-Ladestrom, der belastend auf das Netz rückwirkt, wodurch die Auslegung und somit die durchschnittliche Leistungsaufnahme der Ladevorrichtung weiter begrenzt wird. Desweiteren muß für das Ermöglichen von sehr niedrigen Ladeleistungen ein Ladevorwiderstand vorgesehen werden, an dem beträchtliche Verlustleistung verloren geht. So wird die Maximalleistung deutlich begrenzt und überdies wird ein Wirkungsgrad der Ladevor­ richtung von nur 50%-60% erreicht. Bei der Verwendung von einphasigem Strom ist zwar mit gängigen Vorrichtungen das Netz mit beliebigem Phasenwinkel anschneidbar, führt aber zu unsymmetrischer Netzbelastung. Überdies sind auch Reaktionszeit und Präzision der gängigen Phasenanschnitt-Regelung unzureichend, da eine Korrektur der Phasenanschnittsteuerung bei 50 Hertz nur alle 10 ms bzw. bei 60 Hertz alle 8,3 ms möglich ist.

Darüber hinaus ist in den Zeitintervallen zwischen den durch Phasenanschnitt herauszuschneidenden Zeitab­ schnitten kein Laden der Kondensator-Batterie möglich, so daß die an der Kondensator-Batterie anliegende Spannung infolge von Verlustströmen in der Kondensator-Batterie in dieser Zeit absinkt und überdies die Regelgeschwindigkeit begrenzt wird. Dies ist unbefriedigend, da wegen des unzureichend genau definierten Ladungszustandes die mit jedem Schweißimpuls übertragene Energiemenge schwankt. Jedoch sind bei vielen Schweißaufgaben, insbesondere bei beschichteten oder verzinkten Stahlflächen, bei Aluminium oder beim Verschweißen von unterschiedlichen Werkstoffen oder sehr dünnen Werkstücken eine sehr präzise und zuverlässig reproduzierbare Energiedosierung und die Möglichkeit sehr feiner Einstellung grundlegende Voraussetzungen für ein gutes Schweißergebnis.

Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, mit möglichst einfachen Mitteln eine kostengünstige Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad zur Erzeugung von Stromstößen aus einer Kondensator-Batterie mit möglichst präzise einstellbarer und sehr genau reproduzierbarer Energiedosierung jedes Stromstoßes zu schaffen.

Diese Aufgabe wird mit überraschend geringem Aufwand durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Nach dem Wandeln und Glätten durch die erste Gleichrichteinrichtung wird durch einen Regelkreis bestehend aus steuerbarem Wechselrichter, Trenntransformator, zweiter Gleichrichteinrichtung, Meßeinrichtung und Regeleinrichtung, der Ladungszustand der Batterie geregelt. Nach dem Erreichen des vorgebbaren Soll-Ladezustandes werden durch den Regelkreis Verlustströme in der Kondensator-Batterie kompensiert, so daß aufgrund des zeitinvarianten Ladungszustandes der Kondensator-Batterie die Energiedosierung jedes, durch eine, zwischen Ladeeinrichtung und Schweißeinrichtung geschaltete, Entlade-Schalt-Einrichtung auslösbaren Schweiß-Impulses exakt konstant bleibt. Dies ermöglicht aufgrund präzise gleichbleibender Wärmeeinbringung den Einsatz bei einer Vielzahl von Schweißaufgaben wie beschichteten oder verzinkten Stahlblechen, Aluminium und Verschweißen von unterschiedlichen Werkstoffen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht zudem eine genauere und flexiblere Einstellung des Ladezustands-Soll­ wertes der Kondensator-Batterie als bekannte Vorrichtungen, wie Phasenanschnittsteuerung, da der Kurvenverlauf des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters durch die Regeleinrichtung sehr genau definiert wird. Da die Regelung über den Kurvenverlauf des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters erfolgt, unterbleibt zudem der steile, sprungartige Anstieg, der bei bekannten Vorrichtungen, auftritt. Der weichere Anstieg des Leistungsverbrauches führt bei der Erfindung zu einer niedrigeren Rückwirkung auf das Netz durch höhere harmonische.

Außerdem kann wegen der Minderung der Leistungsspitzen die Vorrichtung deutlich näher an der Maximal-Leistung des Netzes betrieben werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erste Gleichrichteinrichtung ist zweckmäßig dreiphasig ausgebildet, wenn hohe Einzel-Schweiß­ impulsleistungen in kurzen zeitlichen Abständen hohe Ladeleistung der Kondensator-Batterie-Lade­ einrichtung erfordern. Da durch den ersten Gleichrichter und den nachgeschalteten, steuerbaren Wechselrichter auch hier einphasiger Ausgangsstrom erzeugt wird, ist der Trenn-Transformator einphasig ausbildbar.

Einphasige Ausbildung der ersten Gleichrichteinrichtung ist sinnvoll, wenn mit niedriger Leistung geschweißt werden soll, oder wenn nur einphasiger Wechselstrom zur Verfügung steht. Zwischen ein- und dreiphasiger Versorgung könnte nur durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses des Trenntransformators und durch Vergrößerung des Zwischenkreiskondensators umgeschaltet werden.

Zur Verminderung der Leistungsaufnahme und Rückwirkung ist es unbedingt notwendig, der ersten Gleichrichteinrichtung einen Kondensator zur Glättung und Kompensation nachzuschalten. Zweckmäßig ist überdies auch der Einbau einer Drosselspule.

Vorzugsweise ist der steuerbare Wechselrichter als Inverter-Chopper-Schaltung ausgebildet, da diese eine sehr schnelle und präzise regelbare Wechselrichtung ermöglicht.

Die Regelung der Kurvenform des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters erfolgt vorzugsweise durch Variation der Periodenlänge des Ausgangssignals durch die Regelungseinrichtung entsprechend dem durch die Meßeinrichtung gemessenen Ladungszustand der Kondensator-Batterie.

Alternativ oder zusätzlich ist eine Regelung der Pulsbreite innerhalb einer oder mehrerer Perioden des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters durch die Regelungseinrichtung entsprechend dem durch die Meßeinrichtung gemessenen Ladungszustand der Kondensatorbatterie, zweckmäßig. Hierbei wird die Pulsbreite des Ausgangssignals geändert um den lastunabhängigen Ausgangsstrom des Transformators zu regeln.

Die Art der Regelung der Kurvenform des Ausgangssignals durch die Regel-Einrichtung ist auf unterschiedliche Arten festlegbar:
Wenn eine besonders schnelle Regelung benötigt wird, ist eine sprungförmige Änderung vorteilhaft. Sonst kann es aufgrund der Anforderungen zweckmäßig sein, die Ausgangskurvenform rampenförmig oder nach einer vorgebbaren Funktion festzulegen.

Wenn die Regelungseinrichtung über eine Umschalteinrichtung wechselweise mehrere Kapazitäten laden läßt, ist das Betreiben mehrerer Schweißanlagen mit je einer Kondensator-Batterie an einer Lade-Vorrichtung möglich. Unterschiedliche Kondensator-Batterien sind anschließbar, wenn die Regelungs-Einrichtung durch synchrone Ansteuerung der Umschalteinrichtung zwischen den Kondensator-Batterien und des steuerbaren Wechselrichters mehrere verschiedene Kondensator-Batterien laden läßt.

Überdies weist vorzugsweise die Speisespannung des Trenntransformators eine deutlich höhere Frequenz als die Netzspannung auf, um möglichst schnelle Regelung zu ermöglichen.

Als besonders zweckmäßig hat sich eine Frequenz der Speisespannung des Trenn-Transformators im Bereich 500 bis 5000 Hz erwiesen.

Um eine reproduzierbare, störungsunanfällige Dauer des Ladevorgangs der Kondensatorbatterie und somit gleichmäßige Energiedosierung der Schweiß-Impulse und gute Steuerbarkeit der Gesamt-Schweißeinrichtung zu gewährleisten, ist der Trenn-Transformator vorzugsweise mit lastunabhängigem Ausgangsstrom ausgebildet. Ferner ist es zweckmäßig, den Trenn-Transformator mit steil über der Eingangsfrequenz fallender Ausgangsstrom-Kennlinie auszubilden, um die Reaktionsgeschwindigkeit der Vorrichtung zu erhöhen.

Der Ladungszustand der Kondensator-Batterie wird von der Meßeinrichtung vorzugsweise durch Messung der anliegenden Spannung ermittelt.

Kostengünstig, flexibel, einfach handhabbar, präzise und dennoch reaktionsschnell ist die Ausbildung der Regelungseinrichtung als Mikroprozessorsteuerung.

Zur Festlegung der mit jedem Schweißimpuls zu übertragenden Energiedosis ist zweckmäßig in die Regelungseinrichtung ein Sollwert für den Ladungszustand der Kondensatorbatterie eingebbar.

Überdies ist es vorteilhaft, wenn nach Erreichen des Sollwertes des Ladungszustandes der Kondensator-Batterie die Regelungseinrichtung den steuerbaren Wechselrichter zur Kompensation der Kondensator-Batterie-Leckströme ansteuert.

Die Entladung der Kondensatorbatterie 9 erfolgt bei jedem Schweißimpuls vorzugsweise über den gezündeten Thyristor, und zwar bei einer möglichen Ausführungsform bis zur völligen Entladung der Kondensatorbatterie.

Zweckmäßig ist ein zusätzlicher Schweißtransformator vorgesehen.

Um Beschädigung von Bauelementen durch Überspannungen am Schweißtransformator zu verhindern, die z. B. von anderen Schweißtransformatoren induziert werden können, und sich zur Kondensator-Batterie-Spannung addieren ist vorzugsweise ein Überspannungselement, wie ein DSAS- Element, eingebaut, was für die Realisierbarkeit der Erfindung von besonderem Vorteil ist.

Sehr vorteilhaft ist überdies der Einsatz einer Rückschwingdiode um Entladung der induktiv im Schweißtransformator gespeicherten Energie in Bauelemente zu verhindern da deren Zerstörung sehr hohe Kosten und Betriebsausfälle bedingen würde, so daß die Rückschwingdiode ebenso wie das Überspannungselement eine bedeutsame Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt.

Bei einer Vorrichtung mit der oben beschriebenen Rückschwingdiode kann die Lebensdauer dadurch deutlich eingeschränkt sein, daß die im Transformator gespeicherte Energie mit einer langen Entladungszeitkonstante über die Rückschwingdiode abgebaut wird, denn während dieser Zeit darf die Kondensatorbatterie nicht in Form eines Schweißimpulses entladen werden, da der wegen des fließenden Entladungsstromes noch leitende pn-Übergang der Diode auch für den Schweißstrompuls, also in für die Diode unzulässiger Richtung durchlässig ist, wobei der Schweißstrompuls zur Zerstörung der Diode und möglicherweise überdies auch anderer Bauelemente führen kann. Die Rückschwingdiode zwischen Thyristor und Kondensatorbatterie zu schalten, vermeidet die Zerstörung der Rückschwingdiode und die damit verbundenen sehr hohen Kosten, jedoch entsteht damit das Problem, daß ein erneuter Kondensatorbatterie-Aufladevorgang erst möglich wäre, nachdem die Rückschwingdiode kurzzeitig nicht stromdurchflossen ist und damit der pn-Übergang nicht­ leitend ist, also sperrt. Deshalb ergeben sich mit diesem Aufbau, relativ lange Taktzeiten beim Schweißen. Dieses Problem wird durch eine besonders vorteilhafte Weiter­ entwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Er­ zeugung von Stromstößen gelöst, bei welcher zwischen der der Kondensatorbatterie vorgeschalteten Rückschwingdiode und der Kondensatorbatterie ein Entladewiderstand vor­ gesehen ist, da dieser über die Rückschwingdiode eine sehr schnelle Entladung der Kondensatorbatterie er­ möglicht, so daß mit sehr kurzen Taktzeiten geschweißt werden kann; überdies wird bei dieser Ausführungsform zuverlässig Zerstörung der Rückschwingdiode vermieden. Zweckmäßig ist ein Entladewiderstand von etwa einem Ohm.

Der Einsatz von Inverter-Chopper-Schaltungen für verschiedene elektronische Steuerungen ist bereits bekannt. So beschreibt die DE-PS 40 41 448 C2 ein Verfahren zur Steuerung einer Schweißstromquelle, bei dem die Höhe des Ausgangsstroms des Transformators der Schweißstromquelle durch eine primärseitige Frequenzmodulation der Transformator-Eingangsspannung auf den oder die gewünschten Werte eingestellt oder verändert wird, wobei die Frequenz im wesentlichen umgekehrt proportional zum gewünschten Strom eingestellt wird, womit eine Möglichkeit zur besseren Steuerung des Ausgangsstroms aufgezeigt wird. Als Vorteile wurden die erhebliche Verringerung der Leistungsaufnahme in der Kurzschlußphase, die Erhöhung der Lichtbogenstabilität, die Verringerung der Blindleistungsaufnahme, das Entfallen eines Netzreglers, und die genaue Netz-Kompensation genannt. Die vorliegende Erfindung betrifft jedoch eine abweichende Aufgabenstellung bei einer anderen Gattung von Schweißverfahren: Sie offenbart eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stromstößen aus einer Kondensator-Batterie mit präziser einstellbarer und reproduzierbarer Energiedosierung insbesondere für Impulsschweißen, die durch Messung den Ladungszustand, vorzugsweise die Spannung, der Kondensator-Batterie erfaßt und durch eine Regeleinrichtung den Inverter-Chopper-Wechselrichter regelt bzw. nachregelt. Auch der Abfall der Kondensator-Batterie-Ladung durch Leckströme wird nach dem Erreichen des Soll-Ladezustandes durch die Vorrichtung kompensiert, so daß zeitinvariante Konstanz der mit jedem Schweißimpuls übertragenen Energiedosis gewährleistet ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den zusätzlichen Unteransprüchen und der Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung.

Hierbei zeigt:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der gesamten Anlage.

Fig. 2 ein qualitatives Beispiel des Kurvenverlaufes des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters bei Frequenzmodulation.

Fig. 3 ein qualitatives Beispiel der Kondensator- Batterie-Ladestrom/Frequenz-Kennlinie bei Frequenz-Modulation (FM).

Fig. 4 ein qualitatives Beispiel des Kurvenverlaufes des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters bei Pulsbreitenmodulation (PWM).

Fig. 5 ein qualitatives Beispiel der Kondensator- Batterie-Ladestrom/Pulsbreite-Kennlinie bei Pulsbreitenmodulation (PWM),

Fig. 6 zeigt die an der Kondensator-Batterie anliegende Spannung in Abhängigkeit vom Kondensatorbatterie-Ladestrom bei zwei verschiedenen Frequenzen.

Fig. 7 zeigt den Zeit-Verlauf der Spannung an der Kondensatorbatterie beim Ladevorgang.

Fig. 8 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel mit erhöhter Lebensdauer.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 umfaßt eine erste Gleichrichteinrichtung 1 zur Energieeinspeisung, eine Glätteinrichtung in Form eines Kondensators 2 und einer Spule 3, einen steuerbaren Wechselrichter 4 mit mehreren Transistoren 5, einen Trenntransformator 6, eine zweite Gleichrichteinrichtung 7, eine Drosselspule 7a, eine Meßeinrichtung 8, eine Kondensator-Batterie 9, und nachgeschaltet eine Schalteinrichtung 10 und eine Schweißeinrichtung 11, die jedoch beide nicht Bestandteil der Regelung sind. Durch die Regelungseinrichtung 12 wird entsprechend dem von der Meßeinrichtung 8 gemessenen Ladungszustand der Kondensator-Batterie 9 die Kurvenform des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters 4 gemäß Fig. 2 und/oder Fig. 4 geregelt. Der weitgehend lastunabhängige, also eingeprägte Ausgangsstrom des Trenn-Transformators 5, der die Kondensator-Batterie 9 lädt, wird entweder durch die Ausgangsfrequenz f = 1/T des steuerbaren Wechselrichters 4 und/oder durch die Pulsbreite B an dessen Ausgang geregelt. Der derart durch die Regelungseinrichtung 12 geregelte Ladungszustand der Batterie ist zeitinvariant und ermöglicht die Abgabe von Schweißimpulsen exakt konstanter und einstellbarer Energiedosis bei jedem über die Schalteinrichtung 10 an die Schweißeinrichtung 11 abzugebenden Energieimpuls. Die Ladeeinrichtung enthält hier die durch das gestrichelte Rechteck in Fig. 1 umfaßten Elemente 1-8, und 12, die Entladeeinrichtung den Thyristor 10, die Rückschwing­ diode 14, das DSAS-Element 15 gegen Überspannungen den Schweißtransformator 16 und die Schweißeinrichtung 11.

Die Energiezufuhr erfolgt hier über eine dreiphasige, erste Gleichrichteinrichtung 1, da so sehr hohe Leistung aufgenommen werden kann. Alternativ ist auch die Verwendung von einphasigem Wechselstrom denkbar, wenn weniger hohe Leistung nötig ist oder nur einphasiger Wechselstrom zur Verfügung steht. Auch ist es möglich, die Energiezufuhr der Schaltung ein- und dreiphasig auszubilden, um die universelle Einsetzbarkeit der Vorrichtung zu erhöhen.

Zur Glättung sind hier ein Kondensator 2 und eine Drosselspule 3 nachgeschaltet, um Störungen durch höhere Harmonische einzuschränken.

Der gleichgerichtete und geglättete Gleichstrom wird von einem steuerbaren Wechselrichter 4 in einphasigen Wechselstrom gewandelt.

Als steuerbarer Wechselrichter 4 ist hier eine Inverter-Chopper-Schaltung eingesetzt, bei der jeweils zwei diagonal gegenüberliegende Transistoren 5 leiten. Die Transistoren sind vorzugsweise als IGBT-Module aus­ geführt. Aufgrund dieser Ausbildung reagiert der Wechselrichter 4 sehr schnell und präzise. Die Kurvenform des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters 4 kann auf zwei, miteinander kombinierbare Arten durch die Regeleinrichtung 12 geregelt werden:

Bei der Frequenzmodulation ("FM") wird die Periodenlänge T des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters gemäß Fig. 2 variiert. Durch diese Frequenzänderung ändert sich der, als Ladestrom für die Kondensator-Bat­ terie fungierende, frequenzabhängige Ausgangsstrom des Trenntransformators 6 wie in Fig. 3 qualitativ dargestellt. Bei Erreichen des Soll-Ladezustandes schaltet die Regeleinrichtung 12 den steuerbaren Wechselrichter 4 auf Erhalteladung durch Erhöhung der Frequenz und/oder Verkleinerung der Pulsweitenmodulat (PWM) um.

Der Grund dafür, daß bei niedrigerer Frequenz die Ladungsenergie schneller übertragen werden kann, ist darin zu sehen, daß der induktive Widerstand von Transformatoren mit steigender Frequenz proportional ansteigt und so den maximalen Strom verringert. Die untere Frequenz wird durch die Konstruktion des Trans­ formators bestimmt. Typisch ist z. B. bei einer Ausführungsform eine untere Grenzfrequenz von 1,5 KHz.

Wie Fig. 6 zeigt ist der Ladestrom I₁ bei verdoppelter Frequenz f doppelt so hoch. Fig. 7 zeigt den zeitlichen Verlauf der Kondensatorbatterie-Spannung U, wobei bei Erreichen des Sollwerts U_c diese Spannung gehalten wird.

Bei der Pulsbreitenmodulation ("PWM") wird die Pulsbreite "W" des Ausgangssignals gemäß Fig. 4 des steuerbaren Wechselrichters 4 variiert; das heißt zwischen Bereichen, in denen positive und negative Ausgangsspannung erzeugt wird, liegt für eine von der Regelungseinrichtung 12 definierte Zeit keine Spannung ("O") an. Die Pulsbreite B kann zwischen 0% und 100% der Periodenlänge der Ausgangsspannung des Wechselrichters umfassen. Wenn die Regelungseinrichtung 12 durch die Messeinrichtung 8 ermittelt, daß der Soll-Ladungszustand der Kondensator-Bat­ terie 9 erreicht ist, wird die Pulsbreite B des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters 4 auf nahezu 0% gesetzt, so daß fast kein Strom mehr fließt. Die Periodenlänge (FM) bzw. die Pulsbreite (PWM) der Ausgangskurvenform des steuerbaren Wechselrichters 4 werden über den gesamten Ladevorgang konstant gehalten, zur Erzielung kurzer Ladezeiten z. B. niederfrequent bzw. mit großer Pulsbreite. Würde statt dessen oder zusätzlich die Impulshöhe geregelt werden, wären zusätzliche Elemente zur Leistungsregelung erforderlich, an denen jedoch Verlustleistung verloren ginge.

Auch eine Kombination von Pulsbreitenmodulation und Frequenzmodulation ist durchaus sinnvoll und praktikabel. So wird nach einer Ausführungsform der Erfindung nach dem Einschalten mit 100% Pulsbreite und einer von der ge­ wünschten Ladezeit und der Anzahl der angeschlossenen Kondensator-Batterie 9 abhängigen Frequenz hochgefahren und dann die Leckkompensation je nach Anzahl und Größe der Kondensator-Batterie 9 über die Pulsbreitenmodulation durchgeführt, die jedoch alternativ oder zusätzlich über Frequenzmodulation möglich ist.

Vorzugsweise wird zur Leckstromkompensation bei erhöhter Frequenz die Pulsbreite verschmälert, also die zugeführte Ladung durch die Kombination von Frequenzmodulation und Pulsbreitenmodulation begrenzt.

Da insbesondere bei der Frequenzmodulation die Reaktionszeit des Regelkreises von der Frequenz abhängt, ist es sinnvoll, die Ausgangsspannung des Wechselrichters 4 mit deutlich höherer Frequenz als die Netzspannung zu wählen. Als besonders zweckmäßig erweisen sich Frequenzen im Bereich 500 bis 5000 Hz. Überdies ermöglicht niedere Frequenz höheren maximalen Kondensator-Batterie 9-Ladestrom wegen der f-I-Kennlinie (Fig. 3) des Trenntransformators 6. Die maximale Höhe des Ladestroms kann durch eine geeignete U/I-Charakteristik des Trenn­ transformators 6 festgelegt werden.

Durch entsprechenden Aufbau des Trenn-Transformators 6 wird ferner erreicht, daß der Ladestrom der Kondensator-Bat­ terie 9 frequenzabhängig eingeprägt, also näherungs­ weise lastunabhängig ist. Falls die in Fig. 3 und 5 gezeigte Ausgangsstromkennlinie des Trenntransformators 6 steil ausgebildet ist, ist die Einstellbarkeit sehr präzise quantisierbar, also in sehr kleinen Schritten reproduzierbar, einstellbar.

Der zweiten Gleichrichteinrichtung 7 ist hier eine Drosselspule 7a nachgeschaltet, die die Schwingungen des Ladevorganges bedämpft.

Der Ladungszustand der Kondensator-Batterie 9 wird durch Spannungsmessung von der Meßeinrichtung 8 an der Kondensatorbatterie 9 gemessen. Alternativ sind auch andere Meßverfahren möglich.

Die Abhängigkeit der an der Kondensatorbatterie anliegende Spannung in Abhängigkeit vom Kondensatorbatterie-Lade­ strom ist in Fig. 6 für zwei verschiedene Frequenzen dargestellt. Die während des Ladevorgangs anliegende Spannung sinkt mit steigender Frequenz und fällt bei hohem Ladestrom. Der qualitative zeitliche Verlauf der Spannung an der Kondensator-Batterie 9 ist in Fig. 7 gezeigt. Nach dem Erreichen der gewünschten Ladespannung wird diese lediglich beibehalten.

Durch entsprechende Ausbildung bzw. Programmierung der Regelungseinrichtung 12 können außerdem abwechselnd mehrere verschiedene Kondensator-Batterien 9 geladen werden, wobei beim Umschalten zwischen den Kondensator-Bat­ terien 9 gleichzeitig die Änderung der Kurvenform des Ausgangssignals durch die Regelungseinrichtung 12 umgeschaltet wird.

Je nach Schweißaufgabe wird die Art der Regelung des Ausgangssignals durch die Regelungseinrichtung gewählt:
Insbesondere für besonders schnelle Regelung ist eine sprunghafte Änderung von Vorteil. Gleichmäßigeren Anstieg des Energieverbrauchs und stabileres Regelungsverhalten des Regelkreises ergibt sich bei rampenartiger Veränderung. Sie kann jedoch auch speziell gewählt und in die Regelungseinrichtung 12 eingegeben werden, um das Regelverhalten des Regelkreises zu ändern oder spezielle Schweißvorgänge durchzuführen. Dabei sollten vorzugsweise die Parameter der Regelungseinrichtung 12 entsprechend den durch den Wechselrichter 4, den Trenntransformator 5, die zweite Gleichrichteinrichtung 7, die Meßeinrichtung 8, die Kondensator-Batterie 9 und den Schweißleistungsverlauf vorgegebenen Parametern, so gewählt werden, daß die Regelung ausreichend schnell, aber ohne Überschwingen erfolgt. Die Dimensionierung erfolgt nach bekannten Regelungs-Stabilitäts-Kriterien.

Die gemessene Spannung an der Kondensator-Batterie 9 wird von der Regeleinrichtung 12 mit dem eingebbaren Sollwert verglichen. Bei Erreichen des Sollwerts wird über den steuerbaren Wechselrichter 4 der Ladestrom nahezu abgeschaltet. Lediglich der Ladungsverlust durch Leckströme in der Kondensator-Batterie 9 und die durch Schweiß-Impulse verbrauchte Ladung werden mit sehr geringer Totzeit präzise ersetzt, so daß wegen der exakt konstanten Ladung der Kondensator-Batterie 9 die Energiedosis jedes einzelnen Schweißimpuls zeitinvariant gleich bleibt. Die dadurch konstante Wärmeeinbringung in das Schweißgut ist für viele Schweißaufgaben von Bedeutung.

Die Entladung der Kondensatorbatterie 9 erfolgt beim Schweißimpuls über den gezündeten Thyristor 10, der hier solange leitend bleibt, bis die Kondensatorbatterie 9 völlig entladen ist. Die Energie wird über den Schweißtransformator 16 zur Schweißanlage 11 geleitet. Um zu verhindern, daß Bauelemente, insbesondere der Thyristor 10, oder die Gleichrichteinrichtung 7 durch Überspannungen, die beispielsweise von anderen Schweißtransformatoren am Schweißtransformator 16 induziert werden können und sich zur Spannung an der Kondensator-Batterie 9 addieren, zerstört werden, ist hier ein Überspannungselement 15 eingebaut. Das Überspannungselement 15, z. B. in Form eines DSAS-Elements verhindert zuverlässig Zerstörung von Bauelementen der Lade- und der Entladeeinrichtung durch Überspannungen.

Eine hier gezeigte zusätzliche Rückschwingdiode 14 oder dergleichen verhindert, daß, insbesondere bei bereits teilweise entladener Kondensatorbatterie 9 induktiv gespeicherte Energie aus dem Schweißtransformator 16 in Form von Strom durch die Gleichrichteinrichtung 7 zerstörend abfließt, da er statt dessen über die Rückschwingdiode 14 fließt.

Möglich ist es auch, die Regeleinrichtung so auszubilden, daß der maximale Ladestrom über die zugehörige minimale Frequenz festgelegt werden kann, so daß die maximale Energieaufnahme der Vorrichtung beim Hochfahren, also Aufladen, und beim Schweißen begrenzbar ist.

Auch die oben beschriebenen Regelungsarten der Änderung der Kurvenform des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters 4 und die Dynamik der Regelung können in die Regeleinrichtung 12 eingebbar sein.

Die in Fig. 1 dargestellte Maschinensteuerung 13 ist der Regelungseinrichtung 12 zugeordnet und gibt dieser Befehle zum Starten des Aufladevorganges der Kondensator-Bat­ terien 9, zum Beenden des Nachladevorganges, und zum Starten und Beenden des Impuls-Schweißens. Überdies steuert sie die Zufuhr u.ä. von Schweiß-Bauteilen durch gesonderte Einrichtungen.

Gemäß dem in Fig. 8 dargestellten zweiten Aus­ führungsbeispiel mit deutlich höherer Lebensdauer befindet sich zwischen der der Kondensatorbatterie 9 vorgeschalteten Rückschwingdiode 14 und der Kondensator­ batterie 9 ein Entladewiderstand 17. Bei diesem Aus­ führungsbeispiel wird durch die Anordnung der Rückschwingdiode 14 vor der Kondensator-Batterie 9 Zerstörung der Rückschwingdiode 14 durch Abgeben eines Schweißimpulses in die nach einem Schweißimpuls noch stromführende und damit auch in verkehrter Richtung leitende Rückschwingdiode 14 und damit auch eventuelle Zerstörung anderer Bauelemente zuverläßigst vermieden. Durch den Entladewiderstand 17 wird überdies eine, verglichen mit der wesentlich naheliegenderen Anordnung der Rückschwingdiode 14 zwischen Kondensatorbatterie 9 und Thyristor 10, niedrigere Taktzeit der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zum Erzeugen von Stromstößen ermöglicht, da durch einen Strom über die Rückschwingdiode 14 und den Entlade-Widerstand 17 das Feld im Schweiß-Transformator 16 sehr schnell (Zeitkonstante T = L/R) abgebaut wird, der pn-Übergang der Rückschwing-Diode 14 danach wieder stromfrei wird und darauf die Rückschwing-Diode 14 in Sperrichtung wieder sperrt, so daß die Kondensatorbatterie 9 wieder geladen werden kann. Als günstig hat sich ein Entladewiderstand 17 von etwa 1 Ohm erwiesen. Der Entlade-Widerstand 17 dient der Verringerung der Zeitkonstante (T = L/R) des Stroms des Schweißtransformators 16 nach einem Schweißimpuls über die Rückschwingdiode 14 und könnte alternativ auch mit dieser in Reihe geschaltet angeordnet sein.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und be­ schriebenen Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere die in den Figuren dargestellten qualitativen Kennlinien und die angegebenen bevorzugten Arbeitsfrequenzen können auch deutlich abweichend gewählt werden.

Claims (34)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Stromstößen mit mindestens einer Kondensator-Batterie (9), die mittels einer Ladeeinrichtung aufladbar und mittels eines Entladeschalters (10) entladbar ist, insbesondere Schweißstromquelle für Impuls­ schweißeinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeeinrichtung eine erste Gleich­ richteinrichtung (1), einen steuerbaren Wechselrichter (4), einen Trenntransformator (6), eine zweite Gleichrichteinrichtung (7) und eine Meßeinrichtung (8) zur Messung des Ladungszustandes einer der Ladeeinrichtung zugeordneten Kondensator-Bat­ terie (9) enthält, und daß dem Wechselrichter (4) eine Regelungseinrichtung (12) zugeordnet ist, mittels welcher der durch die Meßeinrichtung (8) gemessene Ladungszustand (Z) der Kondensator-Bat­ terie (9) erfaßbar und in Abhängigkeit davon die Kurvenform eines Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters (4) regelbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gleichrichteinrichtung (1) für die Gleichrichtung von dreiphasiger Eingangsspannung ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gleichrichteinrichtung (1) für die Gleichrichtung von einphasiger Eingangsspannung ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Gleich­ richteinrichtung (1) ein Kondensator (2) zur Glättung nachgeschaltet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der ersten Gleich­ richteinrichtung (1) eine Drosselspule (3) zur Glättung nachgeschaltet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Wechselrichter (4) als Inverter-Chopper-Schaltung ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodenlänge (T) des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters (4) durch die Regelungseinrichtung (12) entsprechend dem durch die Meßeinrichtung (8) gemessenen Ladungszustand (Z) der Kondensator-Bat­ terie (9) variiert wird.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsbreite (W) innerhalb mehreren Perioden des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters (4) durch die Regelungseinrichtung (12) entsprechend dem durch die Meßeinrichtung (8) gemessenen Ladungszustand (Z) der Kondensator-Batterie (9) variiert wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodenlänge (T) und die Pulsbreite (B) des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters (4) über den gesamten Ladevorgang konstant gehalten werden.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungseinrichtung (12) das Ausgangssignal des steuerbaren Wechselrichters (4) sprungförmig ändert.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungseinrichtung (12) das Ausgangssignal des steuerbaren Wechselrichters (4) rampenförmig ändert.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungseinrichtung (12) das Ausgangssignal des steuerbaren Wechselrichters (4) nach einer vorgebbaren Funktion ändert.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Umschalten der Regelungsart der Kurvenform des Ausgangssignals mehrere verschiedene Kondensator-Batterien (9) ladbar sind.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisespannung des Trenn-Transformators (6) eine deutlich höhere Frequenz als die Netzspannung aufweist.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Speisespannung des Trenntransformators (6) im Bereich 500 bis 5000 Hertz liegt.

16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trenntransformator (6) mit lastunabhängigem Ausgangsstrom ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß frequenzunabhängige die U/I-Charakteristik des Trenntransformators (6) die maximale Höhe von dessen Ausgangsstroms bestimmt.

18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trenntransformator (6) eine steil fallende Ausgangsstrom-Kennlinie aufweist.

19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Höhe des Ladestroms durch eine geeignete U/I-Charakteristik des Trenn-Transformators (6) bestimmt wird.

20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung des Trenntransformators (6) so gewählt wird, daß auch ohne Regelung ein nahezu -Konstantstrom-Betrieb erreicht wird.

21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungszustand der Kondensator-Batterie (9) von der Meßeinrichtung (8) durch Messung der anliegenden Spannung ermittelt wird.

22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelungs-Ein­ richtung (12) als Mikroprozessorsteuerung ausgebildet ist.

23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Regelungseinrichtung (12) ein Sollwert für den Ladungszustand der Kondensator-Batterie (9) eingebbar ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen des Sollwerts des Ladungszustandes der Kondensator-Batterie (9) die Regelungseinrichtung (12) den steuerbaren Wechselrichter (4) zur Kompensation der Kondensator-Batterie-Leckströme ansteuert.

25. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Regelungs­ einrichtung (12) die minimale und maximale Frequenz als Grenzwert eingebbar ist.

26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Regelungs­ einrichtung (12) die Art und Dynamik der Ladungszustand-abhängigen Änderung des Ausgangssignals des steuerbaren Wechselrichters (4) eingebbar sind.

27. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schweißtransformator (16) vorgesehen ist.

28. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rückschwingdiode (14) vorgesehen ist.

29. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überspannungs- Begrenzungs-Element (15) vorgesehen ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Überspannungs-Begrenzungs-Element (15) als DSAS-Element ausgebildet ist.

31. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drossel (7a) hinter der Gleichrichteinrichtung vorgesehen ist.

32. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entladung der Kondensatorbatterie über die Rückschwingdiode ein Entladewiderstand (17) vorgesehen ist.

33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Entladewiderstand (17) zwischen der der Kondensatorbatterie vorgeschalteten Rückschwingdiode (14) und der Kondensatorbatterie (9) befindet.

34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladewiderstand (17) einen Widerstand von etwa einem Ohm hat.