AIGNER, Hubert (Aich 70, Taufkirchen, A-4715, AT)
| Ansprüche
[0001] Elektrische Stromquelle, insbesondere Schweißstromquelle, mit zumindest einem Resonanzkonverter (11,12, Kn), der eine eingangsseitig mit einer elektrischen Gleichstromquelle verbundene bzw. verbindbare getaktete Brückenschaltung (l,2,n) sowie einen ausgangsseitig der Brückenschaltung angeordneten Resonanzkreis mit einem Transformator (Trl,Tr2,Trn) aufweist und über die Sekundärseite des Transformators mit einem ausgangsseitigen Lastkreis, insbesondere einem Schweißprozess (L,R Last ), verbunden bzw. verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Last- bzw. Schweißstromkreis (L, R Las t) mit der Sekundärseite des Transformators über eine gleichrichtende Stromverdopplerschaltung (Dl, D2, Ll, L2) elektrisch verbunden bzw. verbindbar ist.
[0002] Elektrische Stromquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei eingangsseitig in Reihe oder Parallelschaltung verbundene bzw. verbindbare Resonanzkonverter (11, 12, K n ) vorgesehen und die Sekundärseiten der jeweiligen Transformatoren (Tri, Tr2 bis Trn) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
[0003] Stromquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Sekundärseite des Transformators bzw. parallel zu den in Reihe geschalteten Sekundärseiten der Transformatoren (Tri, Tr2 bis Trn) eine Parallelkapazität (Cp) angeordnet ist.
[0004] Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur Sekundärseite des Transformators bzw. parallel zu den in Reihe geschalteten Sekundärseiten der Transformatoren (Tri, Tr2 bis Trn) eine Reihenschaltung zweier im wesentlichen identischer Induktivitäten (Ll, L2) und eine Reihenschaltung zweier zueinander entgegengesetzt gerichteter Dioden (Dl, D2) vorgesehen sind, und dass der Laststrom- bzw. Schweißstromkreis (L, R Las t) zwischen den Dioden und zwischen den Induktivitäten angeschlossen bzw. anschließbar ist.
[0005] Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die im wesentlichen identischen Induktivitäten (Ll, L2) als gleichartige Spulen mit gemeinsamem Kern ausgebildet sind.
[0006] Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Konverter (11, 12 bis K n ) in Reihe zur Primärseite des zugeordneten Transformators (Tri, Tr2 bis Trn) eine Serieninduktivität (Ls) aufweist. Stromquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Konverter (11, 12 bis K n ) in Reihe zu dem jeweils zugeordneten Transformator (Tri, Tr2 bis Trn) eine Serienkapazität (Cs) aufweist. |
Beschreibung
ELEKTRISCHE STROMQUELLE, INSBESONDERE SCHWEIßSTROMQUELLE
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Stromquelle, insbesondere Schweißstromquelle, mit Resonanzkonverter, der eine eingangsseitig mit einer elektrischen Gleichstromquelle verbundene bzw. verbindbare getaktete Brückenschaltung sowie einen ausgangsseitig der Brückenschaltung angeordneten Resonanzkreis mit einem Transformator aufweist und über die Sekundärseite des Transformators mit einem aus- gangsseitigen Lastkreis, insbesondere einem Schweißprozess, verbunden bzw. verbindbar ist.
[0002] Die EP 1 251 991 Bl zeigt eine Stromquelle der eingangs angegebenen Art mit einer als Vollbrücke ausgebildeten Brückenschaltung. Außerdem zeigt diese Druckschrift, dass die Ausgänge des Resonanzkreises direkt mit dem Lastkreis verbunden sein können und die Anordnung des Transformators entfallen kann.
[0003] Eine weitere Stromquelle mit Resonanzkonverter und als Halbbrücke ausgebildeter Brückenschaltung und ohne Transformator ist aus der DE 44 11 227 Al bekannt.
[0004] Aus der Druckschrift L. Balogh; The Current-Doubler Rectifier; An Alternative Rectification Technique for Push-Bull and Bridge Converters; Unitrode Design Note DN-63, 1994 ist es bekannt, auf der Sekundärseite eines Trenntransformators eine gleichrichtende Stromverdopplerschaltung anzuordnen, so dass ein an diese Schaltung anschließbarer Lastkreis mit einem Strom gespeist werden kann, der etwa die doppelte Stärke des die Sekundärwicklung des Trenntransformators durchsetzenden Stromes aufweist. Hinsichtlich der Vorteile einer solchen Schaltungsanordnung wird hervorgehoben, dass die Stromverdopplerschaltung keine Rückwirkungen auf die Primärseite des Trenntransformators hat. Des Weiteren wird herausgestellt, dass sich der konstruktive Aufwand für den Transformator verringert. Es werden keinerlei Hinweise auf mögliche Anwendungen der bekannten gleichrichtenden Stromverdopplerschaltung gegeben.
[0005] Aufgabe der Erfindung ist es, eine vorteilhafte Stromquelle zu schaffen, die als Schweißstromquelle einsetzbar ist und eine vergleichsweise einfache Konstruktion aufweist.
[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer elektrischen Stromquelle der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, dass der Last- bzw. Schweißstromkreis mit der Sekundärseite des Transformators über eine gleichrichtende Stromverdopplerschaltung elektrisch verbunden ist. Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, an sich bekannte Resonanzkonverter mit einer ebenfalls an sich bekannten
Stromverdopplerschaltung zu kombinieren, um den Aufwand des zwischen die Eingangsseite und die Ausgangsseite der Stromquelle geschalteten Transformators auch bei Auslegung der Stromquelle für hohe Lastströme möglichst verringern.
[0007] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mindestens zwei eingangs seitig in Reihe oder Parallelschaltung verbundene bzw. verbindbare Resonanzkonverter vorgesehen, wobei die Sekundärseiten der jeweiligen Transformatoren elektrisch in Reihe geschaltet sind. Wenn Resonanzkonverter parallel geschaltet werden, weil im Lastkreis eine hohe Leistung benötigt wird, hängt die übertragende Leistung sehr stark von der Bemessung der Bauelemente der Resonanzkreise ab. Aufgrund der unvermeidlichen Streuung der Bauelemente muss deshalb bei Parallelschaltung von Resonanzkonvertern grundsätzlich mit einer sehr unterschiedlichen Leistungsübertragung der parallel geschalteten Konverter gerechnet werden, und zwar auch dann, wenn alle parallelen Konverter in gleicher Weise moduliert werden. Dies ist gleichbedeutend damit, dass ohne besondere Maßnahmen eine gleichmäßige Verteilung der Leistung auf mehrere parallele Resonanzkonverter prinzipiell nur mit individueller Steuerung der parallelen Konverter erreichbar ist. Dies ist gleichbedeutend mit einem unerwünscht hohen Steueraufwand, wobei noch nachteilig hinzukommt, dass jedem Resonanzkonverter ein gesonderter aus- gangsseitiger Gleichrichter eingangs seitig des Laststromkreises zugeordnet sein müsste, um Wechselstromverluste zu vermeiden. Aufgrund der vorangehend angegebenen Merkmale der besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine für die parallelen Resonanzkonverter gemeinsame Sekundärseite der Transformatoren ermöglicht, und zwar derart, dass die parallelen Resonanzkreise frequenzmäßig „starr" miteinander gekoppelt werden und die parallelen Resonanzkonverter bezüglich ihrer Resonanzschwingungen praktisch synchronisiert sind. Des Weiteren können die parallelen Resonanzkonverter mit einer einzigen gemeinsamen gleichrichtenden Stromverdopplerschaltung kombiniert werden.
[0008] Damit ist es ohne weiteres möglich, die Brückenschaltungen der parallel geschalteten Resonanzkonverter völlig synchron zu takten, mit der Folge, dass auch bei einer Vielzahl paralleler Resonanzkonverter nur ein gleicher Steuerungsaufwand wie bei einem einzigen Resonanzkonverter erforderlich wird. Ein besonders einfacher Schaltungsaufbau kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante dadurch verwirklicht werden, dass parallel zur Sekundärseite des Transformators bzw. parallel zu den in Reihe geschalteten Sekundärseiten der Transformatoren eine Reihenschaltung zweier im wesentlichen identischer Induktivitäten und eine Reihenschaltung zweier zueinander antiparallel bzw., entgegengesetzt gerichteter Dioden vorgesehen sind, wobei der Laststrom- bzw. Schweißstromkreis zwischen den Dioden und zwischen den Induktivitäten angeschlossen bzw. anschließbar ist. Ggf. kann parallel zu der Se-
kundärseite bzw. den Sekundärseiten der Transformatoren noch eine Parallelkapazität angeordnet sein.
[0009] Die identischen Induktivitäten können als gleichartige Spulen mit gemeinsamem Kern ausgebildet sein, so dass sich diese Elemente in einem Arbeitsgang gemeinsam herstellen lassen.
[0010] Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die
Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben werden. Schutz wird nicht nur für ausdrücklich ausgegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen, sondern auch für prinzipiell beliebige Unterkombinationen der dargestellten Merkmale beansprucht.
[0011] In der Zeichnung zeigt
[0012] Fig. 1 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform, wobei ein einziger Resonanzkonverter mit einer Stromverdopplerschaltung kombiniert ist,
[0013] Fig. 2 eine Ausführungsform mit zwei parallel geschalteten Resonanzkonvertern in Kombination mit einer gemeinsamen Stromverdopplerschaltung,
[0014] Fig. 3 eine Ausführungsform mit zwei eingangs seitig in Reihe geschalteten Resonanzkonvertern und einer gemeinsamen Stromverdopplerschaltung und
[0015] Fig. 4 eine Ausführungsform mit mehreren eingangs seitig in Reihe geschalteten Resonanzkonvertern und einer gemeinsamen Stromverdopplerschaltung.
[0016] Gemäß Fig. 1 ist ein Resonanzkonverter 11 an eine Gleichstromquelle mit den Anschlüssen +V DC und -V DC angeschlossen. Der Resonanzkonverter 11 besitzt ein- gangsseitig eine getaktete Brückenschaltung 1, die die eingangsseitige elektrische Gleichspannung der Gleichstromquelle in eine ausgangsseitige elektrische Wechselspannung umsetzt, deren Frequenz der Taktfrequenz entspricht. Um ggf. zu vermeiden, dass elektrische Wechselströme bzw. -Spannungen auf die Eingangsseite der Brückenschaltung 1 zurückgekoppelt werden können, können die Eingänge der Brückenschaltung 1 miteinander über einen Kondensator 3 hoher Kapazität, beispielsweise über einen Elektrolyt-Kondensator miteinander verbunden sein.
[0017] Zwischen den Ausgängen der Brückenschaltung 1 ist eine Reihenschaltung angeordnet, die eine Serieninduktivität Ls, die Primärseite eines Hochfrequenztransformators Tr sowie eine Serienkapazität Cs umfasst. Sekundärseitig des Transformators Tr ist noch eine Parallelkapazität Cp angeordnet, so dass ausgangsseitig der Brückenschaltung 1 ein Serien-Parallel-Resonanzkonverter 11 vorliegt. Ggf. kann die Parallelkapazität Cp bzw. die Serienkapazität Cs entfallen, so dass der Konverter 11 als Serien-Resonanzkonverter bzw. als Parallel-Resonanzkonverter ausgebildet ist.
[0018] Der Resonanzkonverter 11 ist ausgangsseitig mit einer gleichrichtenden Stromverdopplerschaltung verbunden, die im wesentlichen aus einer zur Sekundärseite des
Transformators Tr parallelen Reihenschaltung zweier Induktivitäten Ll und L2, welche gleiche Bemessungen aufweisen, sowie einer Reihenschaltung zweier Dioden Dl und D2 besteht, die zueinander entgegengesetzte Durchlassrichtungen aufweisen. Die Ausgänge der Stromverdopplerschaltung, d.h. ein Verbindungspunkt zwischen den Induktivitäten Ll und L2 sowie ein Verbindungspunkt zwischen den Dioden Dl und D2, sind mit einem Lastkreis verbunden, der in Fig. 1 ein Schweißstromkreis ist, welcher durch sein Ersatzschaltbild, d.h. durch eine Reihenschaltung aus einer Induktivität L und einem (geringen) Lastwiderstand R Last dargestellt ist.
[0019] Die Stromverdopplerschaltung arbeitet - bei vereinfachter Betrachtung - wie folgt: Wird die Stromverdopplerschaltung mit einem Wechselstrom gespeist, so wird während dessen erster Halbwelle aufgrund der einander bezüglich ihrer Durchlas srichtungen entgegengerichteten Dioden Dl und D2 nur die eine Reiheninduktivität, beispielsweise Ll von einem Strom durchsetzt, wobei an der Induktivität Ll elektromagnetische Energie (in Form eines Magnetfeldes) gespeichert wird. Bei der zweiten Halbwelle des die Stromverdopplerschaltung speisenden Wechselstroms wird die andere Reiheninduktivität, im dargestellten Beispiel L2, bestromt, wobei wiederum elektromagnetische Energie, diesmal an der Induktivität L2, gespeichert wird. Gleichzeitig führt die an der Induktivität Ll gespeicherte elektromagnetische Energie zu einem Zusatzstrom, mit der Folge, dass der Laststromkreis im Vergleich zur Sekundärseite des Transformators Tr mit doppeltem Strom beaufschlagt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich bei der nächsten Halbwelle des die Stromverdopplerschaltung speisenden Wechselstroms, wobei dann die an der Induktivität L2 gespeicherte elektromagnetische Energie zur Stromverdopplung im Laststromkreis führt usw.
[0020] Abweichend von der Darstellung in Fig. 1 können die Dioden Dl und D2 auf jeweils mit entgegengesetzter Durchlassrichtung angeordnet sein, so dass die Durchlas srichtungen der Dioden Dl und D2 wiederum einander entgegengesetzt sind. An der Funktion ändert sich damit prinzipiell nichts, bei der ersten Halb welle des die Stromverdopplerschaltung speisenden Wechselstroms wird lediglich die Induktivität L2 bestromt, während bei der nachfolgenden Halb welle die Induktivität Ll wirksam wird.
[0021] Die Induktivitäten Ll und L2 besitzen gleiche Bemessungen, d.h. sie sind im wesentlichen identisch, so dass die Beiträge der Induktivitäten Ll und L2 bei der zusätzlichen Bestromung des Laststromkreises gleiche Werte haben.
[0022] Insgesamt ergeben sich also die Vorteile, dass der Strom in den Sekundärwicklungen des Transformators Tr nur die halbe Stärke des elektrischen Stromes im Laststromkreis hat. Außerdem wird mit den nur zwei Dioden Dl und D2 eine Vollwel- lengleichrichtung gewährleistet. Die Induktivitäten Ll und L2 können durch zwei Spulen verwirklicht werden, die auf einem gemeinsamen Kern gewickelt sind. Damit ergibt sich insgesamt ein geringer konstruktiver Aufwand, insbesondere wird der kon-
struktive Aufwand für den Transformator Tr bei vorgegebenem Laststrom vermindert.
[0023] Die Ausführungsform der Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. 1 im wesentlichen dadurch, dass zwei Resonanzkonverter 1 und 2 parallel geschaltet sind, d.h. die Eingangs Seiten der Brückenschaltungen 1 und 2 sind parallel zueinander mit einer Gleichstromquelle bzw. deren Anschlüssen +V DC und -V DC verbunden. Die Sekundärwicklungen der den Resonanzkonvertern 11 und 12 zugeordneten Transformatoren Tri und Tr2 sind miteinander in Reihe geschaltet. Dadurch wird eine praktisch „starre" frequenzmäßige Kopplung der Resonanzkonverter 11 und 12 erreicht, und zwar auch dann, wenn die Serieninduktivitäten Ls und die Serienkapazitäten Cs bei den beiden Konvertern 11 und 12 aufgrund unvermeidlicher Streuung der Bauelemente unterschiedlich ausfallen sollten. Im Ergebnis wird damit erreicht, dass die Brückenschaltungen 1 und 2 synchron getaktet werden können und die Transformatoren Tri und Tr2 zueinander gleichphasig mit Wechselstrom beaufschlagt werden.
[0024] Die Ausführungsform der Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform der
Fig. 2 im wesentlichen nur dadurch, dass die Eingangs Seiten der Brückenschaltungen 1 und 2 der Resonanzkonverter in Reihe zueinander geschaltet sind.
[0025] Die Fig. 4 zeigt, dass mehr als zwei parallele Resonanzkonverter 11, 12 bis Kn vorhanden sein können. Diese sind im Beispiel der Fig. 4 mit ihren Brückenschaltungen 1, 2 bis n eingangs seitig in Reihe geschaltet, jedoch ist eine ein- gangsseitige Parallelschaltung ebenso möglich. Die frequenzmäßige Zwangskopplung der parallelen Konverter wird wiederum dadurch gewährleistet, dass die Sekundärwicklungen der den Konvertern jeweils zugeordneten Transformatoren Tri, Tr2 bis Trn miteinander in Reihe geschaltet sind, wobei im Beispiel der Fig. 4, ebenso wie im Beispiel der Fig. 2 und 3 parallel zu den Sekundärwicklungen die für alle Konverter gemeinsame Parallelkapazität Cp vorgesehen ist, durch die die „Starrheit" der frequenzmäßigen Kopplung der Konverter noch verbessert wird.
[0026] Wie bereits anhand der Fig. 1 erläutert wurde, können bei den Ausführungsformen der Fig. 2 bis 4 ggf. alle Serien-Kapazitäten Cs oder die Parallel- Kapazität Cp entfallen, so dass die jeweils vorgesehenen Konverter als Parallel-Resonanzkonverter bzw. als Serien-Resonanzkonverter arbeiten. Auch bei den Ausführungsformen der Fig. 2 bis 4 können die Dioden Dl und D2 jeweils mit umgekehrter Durchlassrichtung angeordnet sein.
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