CH659788A5 - Schweissvorrichtung. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schweissvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Der Anmelder hat schon vorgeschlagen, eine Schweissvorrichtung mit einem Umformer zu schaffen, dessen Ausgangsfrequenz höher als die Hörfrequenz liegt sowie einem Transformer, dessen Primärwicklung einen mit dem Umformer verbundenen Mittelabgriff besitzt und einer Sekundärwicklung deren Anschlüsse mit der Elektrode einerseits und dem Werkstück andererseits verbunden sind.
Eine Schweissvorrichtung dieser Art ist Gegenstand des südafrikanischen Patentes Nr. 81/2611.
Im Betrieb einer derartigen Schweisseinrichtung liegt über der Primärwicklung eine Spannung die der zweifachen Speisespannung entspricht. Falls die Speisespannung ihrerseits aus einer gleichgerichteten dreiphasigen Wechselspannung von beispielsweise 380 Volt gebildet ist, liegt über der Primärwicklung im Betrieb eine Spannung von etwa 1000 Volt. Auf Transistoren aufgebaute Schalteinrichtungen die in der Lage sind, beim Betriebsstrom diese Spannungen zu beherrschen, sind schwer erhältlich und teuer.
Aus der Patentliteratur ist eine Anzahl von Schaltungen für Schweissvorrichtungen bekannt. Dem Anmelder sind die GB-PS 2 045 637,2 019 135,1 591 185,1 570 614,1 541 068, 1 530 906, 1 431 379,1 420 319, 1 362 163,1 308 695 und 722 494, die US-PS 4 201 906,4 159 409,4117 303, 4 048 468,4 047 096,4 038 515,4 004 209, 3 973 165, 3 818 177, 3 728 516,3 518 401, 3 304 485, 3 231 711, 3 211 953 und die DE-PS 2 325 793 bekannt.
Eine grosse Anzahl der in den vorstehenden Dokumenten beschriebenen Schaltungen besitzen die vorerwähnten Nachteile.
Die GB-PS 2 046 537 offenbart ein anderes Prinzip, bei welchem von zwei gesteuerten, brückenartigen Umformern, die auf Thyristoren basieren Gebrauch gemacht wird, wobei jeder mit einer Primärwicklung verbunden ist, die in Parallelschaltung betrieben werden. Diese Umformer ergeben keine Spannungsverdopplung. Da jedoch die Umformer gesteuert sind, arbeiten sie, oder erfolgt ihre Schaltung unabhängig von der Last. Für die Komponenten der Schaltung kann dies schädlich sein, und wenn eine Überlastung auftritt können die Thyristoren verbrannt werden, falls nicht zusätzliche Vorsichtsmassnahmen getroffen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Schweissvorrichtung die in der Lage ist, mit Frequenzen oberhalb der Hörfrequenz zu arbeiten, wobei die vorerwähnten Probleme weitgehend vermieden werden.
Die erfindungsgemässe Lösung entspricht dem Kennzeichen von Anspruch 1.
Die Schaltmittel steuern demnach die Betriebsfrequenz des Transformers, welcher seinerseits in oder oberhalb der Hörfrequenz arbeitet, so dass der Kern des Transformers von geringer Masse sein kann.
Die Schaltmittel sind selbstschwingend und arbeiten deshalb im Betrieb der Schweissvorrichtung automatisch, so dass die Schaltung der Schweissvorrichtung einem ungesteuerten Brückentyp entspricht, wobei der Betrieb der Schaltung durch die Last selbst bestimmt wird und diese sich demzufolge selbst schützt. Beispielsweise werden bei Überlastung oder Steuerungen die Schwingungen in der Schaltung
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unterbrochen und Beschädigungen der Komponenten derselben vermieden.
Die Schaltmittel können erste, zweite, dritte und vierte Fühlmittel, die entsprechenden ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltmitteln zugeordnet sind aufweisen, um die Spannung über mindestens einem Teil jedes Schaltelementes im eingeschalteten Zustand zu bestimmen und dessen Ausschaltung auszulösen, falls die Spannung über einem vorbestimmten Wert liegt. Die entsprechenden Fühlmittel können gleichzeitig die Ausschaltung des anderen Schaltelementes, welches eingeschaltet ist, hervorrufen.
Die Schaltelemente können durch Mittel eingeschaltet werden, die vorzugsweise induktiv an die Primärwicklung angekoppelt sind.
Jedes Schaltelement kann einen oder mehrere Transistoren umfassen.
Die Spannungsfühlmittel können einen elektronischen Schalter, vorzugsweise einen Feldeffekttransistor umfassend, aufweisen um die Basis jedes Transistors an eine vorbestimmte Spannung zu legen.
Die Schweissvorrichtung kann einen Energiespeicher beinhalten, der vorzugsweise durch einen über die Primärwicklung gelegten einzigen Kondensator gebildet ist.
Der Ausgang der Sekundärwicklung des Transformers kann gleichgerichtet werden um eine Gleichstromschweiss-speisung zu schaffen.
Der Schweissstrom kann keine variable Induktivität in einer Ausgangsleitung der Sekundärwicklung gesteuert werden.
Nachfolgend ist die Erfindung beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben, in der das Schaltschema einer Schweissvorrichtung dargestellt ist.
In der Zeichnung ist ein Schweisstransformer 10 mit vier Transistorschaltern 12,14,16 und 18 dargestellt, welche Spannungskreise 20 und Anzeigekreise 22 besitzen.
Der Schweisstransformator 10 weist eine Primärwicklung 24 und eine Sekundärwicklung 26 auf, wobei die Primärwicklung 24 mit einem Nebenschlusskondensator 28 ausgerüstet ist, während die Sekundärwicklung 26 mit vier brük-kenförmig angeordneten Gleichrichtern in Verbindung steht, die allgemein mit 30 bezeichnet sind. Die Ausgänge 32 und 33 der Brückengleichrichter 30 sind im Gebrauch an eine Schweisselektrode bzw. an das zu schweissende Werkstück angeschlossen.
Die Spannungskreise 20 sind identisch, ebenso die Anzeigekreise 22, so dass nur ein Spannungskreis 20 und ein Anzeigekreis 22 nachfolgend beschrieben wird.
Der Spannungskreis 20 weist eine Wicklung 34 auf, welche induktiv an die Primärwicklung 24 des Schweisstransfor-mators angeschlossen ist. Im Nebenschluss ist ein Kondensator 36 und eine Diode 38 angeschlossen, die in Serie geschaltet sind. Die Wicklung ist mittels einer Diode 40 an die Basis des zugehörigen Transistorschalters angeschlossen. Es soll gesagt werden, dass praktisch jeder Transistorschalter eine Anzahl parallelgeschalteter Transistoren besitzt, wobei jedoch einfachheitshalber jeder Transistorschalter einfach als «Transistor» bezeichnet wird.
Der Anzeigekreis 22 umfasst einen Feldeffekttransistor 42 mit einer Zenerdiode 44 und mit einer parallel geschalteten Wicklung 46 über dem Tor des Transistors. Das Tor ist über eine zweite Zenerdiode 48 durch ein RC Netzwerk mit dem Kollektor des zugehörigen Transistorschalters verbunden.
Die Wicklungen 34 der Spannungskreise 20, welche mit den Transistoren 12 und 18 verbunden sind, sind in einem Sinne an die Primärwicklung 24 angeschlossen, während die Wicklungen 34 der andern beiden Sparinungskreise, welche mit den Transistoren 14 und 16 in Verbindung stehen in einem andern Sinne an die Primärwicklung angeschlossen sind. Darüber hinaus sind die Wicklungen 46 der Anzeigekreise 22, die mit den Transistoren 12 und 18 in Verbindung stehen, induktiv miteinander verbunden, während die Wicklungen 46 der Anzeigekreise 22, die mit den Transistoren 14 und 16 in Verbindung stehen, ebenfalls untereinander induktiv gekoppelt sind.
An jeden der Transistoren 12 bis 18 sind im Nebenschluss über ihren Kollektoren und Emitter Freilauf-Dioden (free-wheeling diode) 52-58 angeschlossen.
Die Transistoren 12 — 18, die eine Brücke bilden, sind zwischen Erde und Spannungsquelle V eingesetzt, wobei die Spannungsquelle, z.B. von einem gleichgerichteten Dreiphasennetz hergeleitet ist.
Während des Betriebes des Schweissgerätes werden die Transistorenpaare 12 und 18 bzw. 14 und 16 alternativ eingeschaltet, so dass die Spannungsquelle mit gegensätzlicher Polarität mit der Primärwicklung 24 verbunden wird. Der alternierende magnetische Fluss induziert in der Sekundärwicklung 26 eine Spannung, welche den Schweiss-Strom an die Schweisselektroden liefert.
Die Arbeitsweise der Schaltung ist die folgende: Das Transistorenpaar 12 und 18 wird durch einen Impuls umgeschaltet, wobei der Impuls durch einen nicht gezeigten Schalter an die Basis der Transistoren geliefert wird. Daraufhin wird Strom von der Spannungsquelle V durch den Transi-stor 12, Primärwicklung 24 und Transistor 18 zur Erde flies-sen. Anschliessend sind die Transistoren eingeschaltet, bis zur Sättigung durch den Basisstrom, der von der an die Primärwicklung 24 gekoppelten Wicklung 34 bezogen wird.
Da die Transistoren 12 und 18 eingeschaltet sind, wird die ganze Speisung V über die Primärwicklung 24 angelegt und der magnetische Fluss im Kern des Transformers, welcher aus Ferrit besteht, wächst linear. Wenn der magnetische Fluss gesättigt ist, so nimmt der Magnetisierstrom durch die Primärwicklung rapid zu bis der gesamte Strom durch die Primärwicklung, welcher dem Kollektorstrom durch die Transistoren 12 und 18 entspricht, gleich ist dem vorherrschenden Produkt der Stromzunahme mit dem Basisstrom. Falls der Kollektorstrom über diesen Wert steigt, so beginnt die Sättigung der Transistoren abzunehmen und der Leistungsverlust steigt.
Falls die Sättigung der Transistoren abnimmt, so wächst ihre Kollektor-Emitter-Spannung. Die Stromzunahme-Faktoren der Transistoren 12 und 18 sind nicht gleich, so dass einer der Transistoren schneller seine maximale Kollektorspannung erreicht als der andere. Deshalb wächst die Kollektor-Emitter-Spannung des relevanten Transistors viel schneller als diejenige des anderen Transistors.
Es wird beispielsweise angenommen, dass der betreffende Transistor der Transistor 12 ist. Die Kollektor-Emitter-Spannung dieses Transistors wird durch Mittel des entsprechenden Anzeigekreises 22 überwacht und wenn sie die Ze-nerspannung der Zenerdiode 48 überschreitet, so wird der Feldeffekt-Transistor 42 eingeschaltet und die Basis des Transistors mit dem Kondensator 36 verbunden, welcher über die Diode 38 negativ aufgeladen wird. Das aufgeladene Basisgebiet des Transistors wird entladen und der Transistor wird ausgeschaltet mit einer beträchtlichen Reduktion der Kollektor-Stromabfallzeit.
Da der Transistor 18 noch immer eingeschaltet ist, beginnt sich der Kondensator 28 zu entladen. Die rechte Seite des Kondensators ist über den Transistor 18 geerdet, so dass im Kondensator und in der Primärwicklung 24 Strom zirkuliert. Zur Spannungsquelle V oder von dieser Spannungsquelle aus fliesst kein Strom. Sobald der Kondensator 28 beginnt, seine Polarität zu wechseln, d.h. wenn seine linke Seite negativ wird, so öffnet die Diode 54 und der Transistor 18 ist
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immer noch eingeschaltet. Strom fliesst durch den Transistor 18 zur Erde und von der Erde durch die Diode 54 zum Kondensator. Falls andererseits der Transistor 18 inzwischen durch die Wirkung der gekreuzt gekoppelten Wicklungen 46 abgeschaltet wurde, so ist das Potential über den beiden Klemmen des Kondensators 28 schwebend.
Wenn die Spannung des Kondensators 28 bezüglich Polarität vollständig umgekehrt ist und die Speisespannung V übertrifft, so werden die Dioden 54 und 56 simultan eingeschaltet und der Energieüberschuss wird vom Transformer an die Spannungsquelle retourniert.
Nachdem die gespeicherte magnetische Energie zur Speisungsquelle retourniert wurde, so werden die Transistoren 14 und 16 leitend und werden durch die Spannung in den Basiswicklungen 34 eingeschaltet. Deshalb wird Strom in entgegengesetzter Richtung von der Speisequelle V durch die Primärwicklungen 24 fliessen und die beschriebenen Vorgänge werden in gleicher Weise wiederholt, so dass im Kern des Transformators ein alternierender magnetischer Fluss erzeugt wird.
Die in der Sekundärwicklung 26 induzierte Spannung wird im Brückengleichrichter 30 gleichgerichtet und den Ausgängen 32 und 33 für Schweisszwecke zugeführt. Der Schweiss-Strom kann durch eine variable Induktivität 64 gesteuert werden, welche dem Ausgang der Sekundärwicklung angeschlossen ist.
Die beschriebene Schaltung entspricht einem selbstschwingenden Brückenkreis. Die vier Transistoren dienen zur Steuerung des Stromflusses in entgegengesetzten Richtungen und alternierend durch die Primärwicklungen 24. Die Kreise 20 dienen zur Einschaltung der zugehörigen Transistorenpaare. Die Kreise liefern auch eine geeignete Spannung zur Unterstützung der Abschaltung der entsprechenden Transistoren. Die Tastkreise 22 überwachen die Kollek-tor-Emitter-Spannung jedes Transistors und bewirken die Abschaltung der entsprechenden Transistorpaare, wenn die Kollektor-Emitter-Spannung eines der Transistoren einen vorbestimmten Wert erreicht hat. Das maximale Ausmass der Änderung der Kollektor-Emitter-Spannung der Transistoren wird durch den Kondensator 28 gesteuert, welcher einen Pfad für den Laststrom im geeigneten Moment freistellt und versichert, dass die richtige Kollektor-Emitter-Spannung während des Schaltens in vorgesehenem Masse geän-5 dert wird. Der selbstoszillierende Kreis ist deshalb lastabhängig. Die Anordnung ist so getroffen, dass bei Überlast oder bei fehlerhafter Bedienung, das Oszillieren entweder abgestellt oder mindest so geändert wird, dass der Strom im Kreis limitiert wird. Dies ist ein bedeutender Vorteil, indem io die Bestandteile der Schaltung voll geschützt sind.
Gemäss der beschriebenen Ausführung wird die volle Speisespannung mit entgegengesetzter Polarität alternierend durch die Primärwicklungen 24 geführt. In dieser Weise tritt kein Spannungsverdoppelungseffekt auf und die als Schalt-i5 elemente gebrauchten Transistoren können für eine Spannung gewählt werden, welche der Speisespannung entspricht. Der einzige Kondensator 28, welcher für Überwachungszwecke gebraucht wird, ist bei gleicher Wirksamkeit wesentlich billiger und weniger kompliziert als die entsprechenden 20 regenerativen Netzwerke, welche zum Schutze von Transistoren gebraucht werden.
In einer Schweissvorrichtung in Übereinstimmung mit der beschriebenen Erfindung, kann eine durchschnittliche Stromentnahme von 200 A erreicht werden, welche von 25 0—200 A kontinuierlich einstellbar ist. Eine kurzzeitige Spitzenbelastung von 300 A ist zulässig. Die Leerlaufspannung beträgt 80 Volt und das Schweissgerät wiegt 6 kg. Das Schweissgerät arbeitet entweder mit 380 Volt 50 Hz Drehstrom oder mit 220 Volt 50 Hz Einphasenstrom und die Aus-30 gangsfrequenz beträgt 15 — 20 KHz.
Es soll noch ausgeführt werden, dass obwohl die beschriebene Schaltung selbstoszillierend ist, die exakte Arbeitsfrequenz durch die Arbeitsbedingungen bestimmt wird. Obwohl, beginnend mit dem Kern, die Ausbildung der 35 Schaltung so gewählt ist, dass die Arbeitsfrequenz hinreichend hoch ist, besitzt der Kern nur eine kleine Masse.
Andererseits ist die Frequenz nicht so hoch, dass die elektrischen Verluste wesentlich werden.
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1 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Schweissvorrichtung mit in Serie geschalteten ersten und zweiten Schaltelementen (12,14) und mit in Serie geschalteten dritten und vierten Schaltelementen (16,18), wobei die ersten und zweiten Schaltelemente (12,14) und die dritten und vierten Schaltelemente (16,18) parallel an eine Spannungsquelle (V) angeschlossen sind, mit einem Transformator (10), der eine Primärwicklung (24) und eine Sekundärwicklung (26) zur Abgabe des Schweissstromes aufweist, wobei die Primärwicklung (24) an die Verbindungspunkte (60, 62) zwischen den ersten und zweiten Schaltelementen (12,14) einerseits und zwischen den dritten und vierten Schaltelementen (16,18) andererseits angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass selbstschwingende Schaltelemente (20,22,28) zum abwechselnden Einschalten der ersten sowie vierten Schaltelemente (12,18) und der zweiten und dritten Schaltelemente (14,16) vorgesehen sind, um dadurch abwechselnd einen Stromfluss aus der Spannungsquelle (V) in entgegengesetzten Richtungen durch die Primärwicklung (24) zu erzeugen.
2. Schweissvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die Primärwicklung (24) gekoppelte Mittel (34) vorgesehen sind, um die ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelemente (12,14,16,18) einzuschalten.
3. Schweissvorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelemente (12,14,16,18) je zugeordnete Abtastmittel (22) aufweisen, von denen jedes mindestens einen Teil der Spannung über dem betreffenden Schaltelement während dessen Einschaltdauer abtastet und die Abschaltung des betreffenden Schaltelementes einleitet, sobald die abgetastete Spannung einen vorbestimmten Wert übersteigt.
4. Schweissvorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (46) vorgesehen sind, um einerseits die ersten und vierten und andererseits die zweiten und dritten Abtastmittel (22) aneinander zu koppeln, wodurch die Einleitung der Abschaltung des einen der ersten und vierten Schaltelemente (12,18) die Abschaltung des anderen der ersten und vierten Schaltelemente (12,18) im wesentlichen gleichzeitig einleitet und die Einleitung der Abschaltung des einen der zweiten und dritten Schaltelemente (14,16) die Abschaltung des anderen der zweiten und dritten Schaltelemente (14,16) im wesentlichen gleichzeitig einleitet.
5. Schweissvorrichtung nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelemente (12,14,16,18) mindestens einen Transistor aufweist und dass jedes Abtastelement (22) einen elektronischen Schalter (42) aufweist, der beim Einleiten der Abschaltung des betreffenden Schaltelementes die Basis des Transistors an eine vorbestimmte Spannung anschaltet.
6. Schweissvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass über die Primärwicklung (24) ein Energiespeicher (28) geschaltet ist.
7. Schweissvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in eine der Ausgangsleitungen der Sekundärwicklung (26) eine variable Induktivität (64) geschaltet ist, um den Schweissstrom zu steuern.
8. Schweissvorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstschwingenden Schaltelemente (20,22,28) auf den durch die Primärwicklung (24) fliessenden Strom ansprechen, so dass die Schaltfrequenz der Schaltelemente (12,14,16,18) vom Wert des durch diese fliessenden Stromes abhängig ist.
9. Schweissvorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung über mindestens einem Teil jedes Schaltelementes (12,14,16,18) vom Wert des durch dieses fliessenden Stromes abhängig ist, wobei die selbstschwingenden Schaltelemente (20, 22,28) Abtastmittel (22) aufweisen, die die genannte Spannung erfassen und bei Überschreiten derselben eines vorbestimmten Wertes die Abschaltung des zugeordneten Schaltelementes einleiten.
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