Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 1584
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
Prof. Dr.-Ing. Pauf Denzel, Aachen
Dipl.-Ing. Richard Laufen, Mänchengladbach
Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft
der Rhein.-WestJ. Techn. Hochschule Aachen
Vermeidung von Spannungs schwankungen
durch im Takt arbeitende Schweißmaschinen
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
ISBN 978-3-663-06608-8 ISBN 978-3-663-07521-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07521-9
Verlags-Nr. 011584
© 1965 by Springer Fachmedien Wiesbaden
Ursprünglich erschienen bei Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen 1965
Inhalt
Verwendete Formelzeichen 7
1. Einleitung ..................................................... 9
1.1 Das Widerstandsschweißen ................................... 9
1.2 Das Kondensator-Impuls-Schweißen ........................... 10
1.3 Kritische Beurteilung bei der Verfahren ......................... 11
2. Neuer Schaltungsvorschlag für das Kondensator-Impuls-Schweißen . . .. 12
2.1 Grundgedanke .............................................. 12
2.2 Vorteile des Verfahrens ...................................... 13
2.3 Beschreibung einer Versuchs schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 13
3. Möglichkeit zur Verringerung der Anschlußleistung . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18
3.1 Der Ladekreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 18
3.2 Der Ladevorgang ........................................... 18
3.3 Überlappte Ladung .......................................... 19
3.4 Verringerung der Anschlußleistung bei überlappter Ladung ....... 20
4. Möglichkeit zur Verbesserung des Wirkungsgrades. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 29
4.1 Der Entladekreis ............................................ 29
4.2 Der Entladevorgang ......................................... 33
4.3 Abgebrochene Entladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 37
4.4 Verbesserung des Wirkungsgrades bei abgebrochener Entladung. .. 38
5. Möglichkeit zur Senkung der anteiligen Anlagekosten 49
6. Zusammenfassung .............................................. 50
7. Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 52
Literaturverzeichnis ................................................ 55
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Verwendete Formelzeichen
AKond; AKondn = Energie eines Einzelkondensators
ANetz; ANetzn = vom Netz gelieferte Energie
ASCh; ASChm; ASChmc = Energie für eine Schweißung
al; a2; a3 = Abkürzungen für Kombinationen von Zeitkonstanten
Cn = Kapazität eines Einzelkondensators im Normalfall
c = Faktor der Kapazitätsvergrößerung eines Einzelkondensators
e = Basis des natürlichen Logarithmus
I; i; igr; im; imc = Strom
11; Ie = Lade- bzw. Entladestrom
Iges = Gesamtstrom bei ü1::erlappter Ladung
h; 12; Is ... = Teilströme bei überlappter Ladung
KI; Ke; Kges = Faktoren der Wirkungsgradverbesserung
k = Faktor der Vergrößerung der Nennkapazität
kl = Ladegrad der Einzelkondensatoren
L~ = Induktivität des Bandleiters
Le = Eigeninduktivität eines Einzelkondensators
LI; Le = Lade- bzw. Entladeinduktivität
Lh = Hauptinduktivität des Impulstransformators
LI,,; L;" = Streuinduktivitäten des Impulstransformators
,2 = Laplace-Transformierte
,2-1 = Rücktransformierte
m = Anzahl der Einzelkondensatoren einer Kondensatorgruppe
n = Zahl der Überlappungen
p = Unabhängige Veränderliche im Unterbereich
(p; PI; pe; Pie; pm; pmc)1,2 = Wurzeln der Stammgleichung
pnl; pne = Normalwerte der Wurzeln im aperiodischen Grenzfall
q = relative Anderung der Anschlußleistung
R~ = Widerstand des Bandleiters
Re = Eigenwiderstand eines Einzelkondensators
R1; R;; Re = Lade- bzw. Entladewiderstand
RFc = Eisenverlustwiderstand des Impulstransformators
R~ch = Widerstand der Schweiß stelle
R1; R; = Wicklungswiderstände des Impulstransformators
r = Vergrößerungsfaktor für den Ladewiderstand
T = Dauer des Ladesignals
Th; Tl; T2; Te = Zeitkonstante
t; t' = Zeit
tab = Zeitpunkt des Abbruches der Entladung
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tmax = Zeitpunkt des Strommaximums
tp = Dauer der Schweiß pause
tsch = Schweißdauer
tsp = Spieldauer
Ub; Ub = Brennspannung; Endspannung der Einzelkondensatoren
Uc; U~; UC = Kondensatorspannung
U = Netzspannung
N
Ur; Ur = zusätzliche Restspannung der Einzelkondensatoren
U Thy = Spannung an einem Thyratron
U ~ = Zündspannung
Z = Widerstandsoperator
7]e; 7]en = Entladewirkungsgrad
7]ges; 7]gesn = Gesamtwirkungsgrad
7]1; 7]1n = Ladewirkungsgrad
.& = normierte Hilfsgräße
u = Zählgräße
T; Tmax = normierte Zeit
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1. Einleitung
1.1 Das Widerstands schweißen
Das elektrische Widerstandsschweißen ist ein Verfahren zum Verschweißen metal
lischer Werkstücke, das häufig Anwendung findet (zum Beispiel bei der Herstel
lung von Baustahlmatten, in der Kraftfahrzeug-Industrie, usw.).
Die zu verschweißenden Werkstücke werden mittels einer geeigneten Vorrichtung
zusammengepreßt und dann an ihrer Berührungsstelle durch einen kurzzeitigen,
starken Stromstoß so hoch erhitzt, daß dort unter der Einwirkung von Druck und
Wärme die gewünschte Verschweißung eintritt. Der Schweißstrom wird dem
speisenden Netz über einen Abspann-Transformator direkt entnommen ([1] S. 5
bis 7). Im Prinzip ergibt sich immer ein Stromverlauf wie in Abb. 1.1 dargestellt
(Taktzeit zum Beispiel ca. 1 ... 2 s).
-
Abb. 1.1 Typischer Stromverlauf beim Widerstandsschweißen
Die entstehenden Belastungsstöße sind eine unangenehme Nebenerscheinung
beim Widerstandsschweißen. Sie führen oft zu unzulässigen Absenkungen der
Netzspannung, die schlecht auszuregeln sind.
Eine besonders störende Auswirkung häufig wiederkehrender unzulässiger
Spannungsschwankungen im Netz ist das »Flimmern« der elektrischen Beleuch
tung; die Störwirkung ist in Abhängigkeit von Amplitude und Frequenz der
Helligkeitsschwankungen verschieden groß. Beim gleichzeitigen Betrieb von
mehreren automatischen Widerstandsschweißmaschinen kann die Flimmerfrequenz
mit 3 ... 8 Hz in den Bereich der größten Störempfindlichkeit des menschlichen
Auges gegen Helligkeitsschwankungen des Lichtes fallen ([2] S. 22).
Es hat nicht an Vorschlägen gefehlt, wie man das Netz gegen die Belastungsstöße
unempfindlicher machen oder den Belastungsverlauf vergleichmäßigen könne.
Dazu müssen im einen Fall entsprechende Maßnahmen im Netz getroffen werden
(zum Beispiel Einbau einer Serienkondensatoranlage an einer geeigneten Stelle
im Netz oder sogar Errichtung einer eigenen Stichleitung für den Betreiber der
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Schweißmaschinen) ; im anderen Fall sind die Schweißmaschinen mit geeigneten
Speichereinrichtungen für elektrische Energie auszurüsten, die langsam geladen
und mit der gewünschten Schnelligkeit entladen werden. Unter den verschiedenen
Speichermöglichkeiten wird heute in der Regel dem Kondensator der Vorzug
gegeben.
1.2 Das Kondensator-Impuls-Schweißen
Beim Kondensator-1mpuls-Schweißen wird die zu einer Schweißung benötigte
Energie vorübergehend in einer Kondensator-Batterie gespeichert. Die Ladung
der Kondensator-Batterie erfolgt verhältnismäßig langsam in der einer Schwei
ßung vorhergehenden Schweißpause aus dem Netz; die Entladung erfolgt in der
gewünschten Weise in Form eines kurzzeitigen, starken Stromstoßes über einen
Impulstransformator auf die Schweißstelle. Während der Schweißung selbst ist
die Kondensator-Batterie vom Netz getrennt, so daß das Netz dann unbelastet
ist.
Man erzielt auf diese Weise unter anderem eine gewisse Vergleichmäßigung des
Belastungsverlaufes für das speisende Netz. Die Belastung läßt sich auf die drei
Phasen eines Drehstromnetzes verteilen.
Das Verfahren bringt ferner mehrere schweißtechnische Vorteile ([3] S. 212ff.).
Die Abb. 1.2 zeigt ein Beispiel für den Verlauf von Ladestrom 1 und Entlade
1
strom 1e der Kondensator-Batterie beim Kondensator-1mpuls-Schweißen: der
Entladestrom (zehnfach verkleinert) erreicht etwa den SOfachen Wert des maxi-
I. ___________________________________________________________ _
~-------------~~------------~~---------
Abb. 1.2 Typischer Verlauf von Lade- und Entladestrom der Kondensator-Batterie
beim Kondensator-Impuls-Schwcißen
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malen Ladestromes (Spieldauer tsp: ca. 0,75 s). Dieses Verhältnis wird um so
günstiger, je größer der Wert der Dauer tp der Schweißpause, bezogen auf die
Schweiß dauer tsch, ist.
Umgekehrt nimmt mit abnehmendem Wert des Quotienten tpjtsch der maximale
Ladestrom zu. Man erreicht dann eine Grenze, von der an das einfache Konden
sator-Impuls-Schweißen im Hinblick auf den Verlauf der Netzbelastung keinen
V orteil mehr bringt.
In solchen Fällen kann man Abhilfe schaffen, indem man mehrere Kondensator
Batterien der Nennkapazität vorsieht und diese mit entsprechend vergrößerter
Zeitkonstante zeitlich überlappt lädt. Zur Ladung einer Kondensator-Batterie
steht dann ein Mehrfaches der Dauer eines SchweißspieJes zur Verfügung; der
maximale Ladestrom wird entsprechend kleiner. Er tritt für die einzelnen Kon
densator-Batterien zeitlich verschoben auf.
Die Abb. 1.3 zeigt als Beispiel den Verlauf der Ladeströme bei überlappter Ladung
von drei Kondensator-Batterien der Nennkapazität. Die Maxima des Gesamt
stromes sind kleiner als der maximale Ladestrom, der sich ergeben würde, wenn
S = Schweißung
-Zeit
Abb. 1.3 Schematische Darstellung einer überlappten Ladung
nur eine Kondensator-Batterie vorhanden wäre, die dann jeweils in der Schweiß
pause geladen werden müßte.
Das Verfahren hat den Nachteil, außerordentlich hohe Anlagekosten zu ver
ursachen, da mehrere Kondensator-Batterien der Nennkapazität benötigt werden.
1.3 Kritische Beurteilung beider Verfahren
Das Widerstandsschweißen verursacht kurzzeitige, starke Belastungsstöße für das
speisende Netz, die störende Auswirkungen haben können.
Beim Kondensator-Impuls-Schweißen läßt sich der Belastungsverlauf je nach dem
technischen Aufwand mehr oder weniger weit vergleichmäßigen. Die Belastungs
stöße werden aber nicht restlos beseitigt. Speziell wird der Rhythmus, in dem sie
auftreten, nicht geändert.
Dieser Rhythmus kann so geartet sein, daß die Frequenz des unter Umständen
hervorgerufenen Flimmerns der elektrischen Beleuchtung in den Bereich der
größten Empfindlichkeit des menschlichen Auges gegen Helligkeitsschwankun
gen des Lichtes fällt. Dann genügen schon sehr geringe Spannungsschwankungen,
um zu Störungen zu führen.
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2. Neuer Schaltungsvorschlag
für das Kondensator-Impuls-Schweißen
2.1 Grundgedanke
Die bisher bekanntgewordenen Verbesserungsvorschläge bezweckten eine Ver
rlngerung der Amplitude der im Netz entstehenden Spannungs schwankungen.
Die Frequenz der Spannungs schwankungen wurde als vorgegeben und nicht be
elnflußbar angesehen.
Wenn es als Folge der Spannungs schwankungen zu Schwankungen der Helligkeit
der elektrischen Beleuchtung kommt, treten diese mit der gleichen Frequenz auf.
Oberhalb gewisser Frequenzen werden Helligkeitsschwankungen des Lichtes
aber je nach ihrer Intensität vom menschlichen Auge bekanntlich nicht mehr wahr
genommen ([4] S. 719f1'.).
Von dieser Tatsache ausgehend bezweckt der neue Schaltungsvorschlag für das
Kondensator-Impuls-Schweißen eine Erhöhung der Frequenz der Belastungs
stöße für das speisende Netz. Dazu wird die Kondensator-Batterie der Nenn
kapazität in zahlreiche Einzelkondensatoren aufgeteilt, die in der Schweißpause
nacheinander einzeln geladen und anschließend zur Schweißung gleichzeitig
parallel entladen werden. Wenn man die Anzahl der Einzelkondensatoren ge
nügend hoch wählt, liegt die Frequenz der durch die Belastungsstöße verursachten
Helligkeitsschwankungen der elektrischen Beleuchtung außerhalb des Wahr
nehmungsbereiches des menschlichen Auges. Der entstehende Belastungsverlauf
ist schon verhältnismäßig ausgeglichen; es entsteht jedoch im Augenblick der
Schweißung noch jeweils eine Unterbrechung.
Zu einem völlig unterbrechungslosen Belastungsverlauf kommt man, wenn die
Ladung der die Nennkapazität bildenden Einzelkondensatoren statt auf die
Dauer tp der Schweißpause auf die gesamte Dauer tsp des Schweißspieles verteilt
wird (vgl. Abb. 1.2). Dann sind während der Schweißung, die an die Ladung der die
Nennkapazität bildenden Einzelkondensatoren anschließt, weitere Einzelkonden
satoren zu laden; es wird eine der Dauer tsch der Schweißung entsprechende An
zahl zusätzlicher Einzelkondensatoren erforderlich. Die insgesamt zu installie
rende Kapazität ist um folgenden Faktor k gegenüber der Nennkapazität zu ver
größern:
+ +
k = tsp tsch = 1 tsch (2.1)
tsp tsp
Da die Schweißdauer normalerweise nur wenige Prozent der Spieldauer beträgt
([3] S. 212/213), ist der nötige Kapazitäts-Mehraufwand gering.
Da ferner die für die Aufladung der Nennkapazität verfügbare Zeit im Verhältnis
der Spieldauer zur Dauer der Schweißpause vergrößert wurde, läßt sich eine ge
wisse - allerdings zunächst ähnlich geringfügige - Verkleinerung des maximalen
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