Schmidt, Wolfgang (Kopernikusweg 5, Reiskirchen, 35447, DE)
Scheffler, Heiko Gerhard (Smetanaweg 15, Darmstadt, 64291, DE)
Schmitt, Klaus Gisbert (Alicenstrasse 22, Giessen, 35390, DE)
Schmidt, Wolfgang (Kopernikusweg 5, Reiskirchen, 35447, DE)
Scheffler, Heiko Gerhard (Smetanaweg 15, Darmstadt, 64291, DE)
| 1. | Verfahren zum Erzeugen eines elektrischen Heizstroms, insbesondere zum induktiven Erwärmen eines metallischen oder magnetischen Werk stücks (12), wobei der Heizstrom mit Hilfe eines Wechselrichters (30) aus einer eingangseitigen Versorgungsspannung erzeugt wird, wobei der Wechselrichter (30) vier steuerbare Schaltelemente (S_P1, S_P2, S_N1, S_N2) aufweist, die zueinander in einer HBrückenschaltung mit zwei parallelen Längszweigen (42,44) und einem Querzweig (46) an geordnet sind, und wobei jeweils diagonal zueinander liegende Schalt elemente (S_P1, S_P2 ; S_N1, S_N2) der HBrückenschaltung so an gesteuert werden, dass der Heizstrom durch den Querzweig (46) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente (S_P1, S_P2 ; S_N1, S_N2) zeitlich versetzt zueinander vom leitenden in den nichtleitenden Zustand geschaltet werden. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die diago nal zueinander liegenden Schaltelemente (S_Pl, S_P2 ; S_N1, S_N2) zeitgleich zueinander vom nichtleitenden in den leitenden Zustand ge schaltet werden. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einen diagonal zueinander liegenden Schaltelemente (S_P1, S_P2) erst dann in den leitenden Zustand geschaltet werden, nachdem die jeweils anderen diagonal liegenden Schaltelemente (S_N1, S_N2) vom leitenden in den nichtleitenden Zustand geschaltet sind. |
| 4. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein erstes der diagonal liegenden Schaltelemente (S_P1) in den nichtleitenden Zustand geschaltet wird und dass das zweite der diagonal liegenden Schaltelemente (S_P2) anschließend in Abhängigkeit von dem Heizstrom im Querzweig (46) in den nicht leitenden Zustand geschaltet wird. |
| 5. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstrom im Querzweig (46) über einen Verbraucher (L1) ge führt wird und dass das zweite der diagonal liegenden Schaltelemente (S_P2) in Abhängigkeit von einer Spannung über dem Verbraucher (L1) in den nichtleitenden Zustand geschaltet wird. |
| 6. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die HBrückenschaltung aus einer parallel zu den Schaltelemen ten angeordneten ersten Kapazität (C_ZK) gespeist wird und dass der Heizstrom über eine Induktivität (L1) im Querzweig (46) geführt wird. |
| 7. | Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die diago nal zueinander liegen Schaltelemente (S_P1, S_P2 ; S_N1, S N2) zeit lich so versetzt zueinander in den nichtleitenden Zustand geschaltet werden, dass eine in der Induktivität (L1) gespeicherte Energie zu ma ximal 20%, vorzugsweise maximal 10 %, in die Kapazität umgeladen wird. |
| 8. | Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die diago nal zueinander liegen Schaltelemente (S_P1, S_P2 ; S_N1, S_N2) zeit lich so versetzt zueinander in den nichtleitenden Zustand geschaltet werden, dass ein Strom über die Kapazität (CZK) in einer ersten Stromflussrichtung wesentlich größer ist als in der Gegenrichtung. |
| 9. | Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung über eine zweite Kapazität (70) geglät tet wird, wobei die zweite Kapazität größer ist als die erste Kapazität (CZK). |
| 10. | Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Heizstroms, mit einem Eingang zum Zuführen einer Versorgungsspannung, mit einem Wech selrichter (30), der vier steuerbare Schaltelement (S_P1, S_P2, S_N1, S_N2) aufweist, die zueinander in einer HBrückenschaltung mit zwei parallelen Längszweigen (42,44) und einem Querzweig (46) angeord net sind, und mit einer Ansteuerschaltung (34), die dazu ausgebildet ist, die jeweils diagonal zueinander liegenden Schaltelemente (S_P1, S_P2 ; S_N1, S_N2) der HBrückenschaltung so anzusteuern, dass der Heizstrom durch den Querzweig (46) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (34) ferner so ausgebildet ist, dass sie die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente (S_P1, S_P2 ; S_N1, S_N2) zeitlich versetzt zueinander vom leitenden in den nichtleitenden Zustand schaltet. |
| 11. | Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 10 zum induktiven Erwärmen eines metallischen und/oder magnetischen Werkstücks, ins besondere zum einseitigen Befestigen eines metallischen Bolzens (12) an einem Untergrund (14). |
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Heizstroms, mit einem Eingang zum Zuführen einer Versorgungsspannung, mit einem Wechselrichter, der vier steuerbare Schaltelemente aufweist, die zueinander in einer H-Brückenschaltung mit zwei parallelen Längszweigen und einem Querzweig angeordnet sind, und mit einer Ansteuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, die jeweils diagonal zueinander liegende Schaltelemente der H-Brückenschaltung so anzusteuern, dass der Heizstrom durch den Quer- zweig fließt. Ein solches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind aus CH 664 660 A5 bekannt.
Die bekannte Vorrichtung wird in der Praxis bereits seit vielen Jahren verwen- det, um metallische oder magnetische Werkstücke induktiv zu erwärmen. Sie kann darüber hinaus grundsätzlich auch für eine resistive Erwärmung von Werkstücken verwendet werden. Beim induktiven Erwärmen fließt der Heiz- strom durch eine im Querzweig der H-Brückenschaltung angeordnete Indukti- vität, dem sogenannten Induktor. Der Heizstrom erzeugt im Induktor ein magnetisches Wechselfeld. Dieses induziert in dem zu erwärmenden Werk- stück (entweder direkt oder über einen zwischengeschalteten Transformator) Induktionsströme, die aufgrund der Ohm'schen Verluste im Werkstück zu einer Erwärmung führen. Beim resistiven Erwärmen würde der Heizstrom hingegen direkt durch das Werkstück geleitet.
Die Geschwindigkeit und der Grad der Erwärmung kann mit Hilfe des Wech- selrichters gezielt eingestellt werden. Typischerweise erfolgt dies durch eine Pulsweitenmodulation und/oder eine Frequenzmodulation des Heizstroms. Mit anderen Worten wird hiernach also das Puls-Pausen-Verhältnis und/oder die Häufigkeit von Strompulsen im Querzweig des Wechselrichters variiert. Um dies zu erreichen, werden die vier Schaltelemente des Wechselrichters grup- penweise ein-und wieder ausgeschaltet, wobei jeweils die diagonal zueinan- der liegenden Schaltelemente gleichzeitig geschaltet werden. Die sich erge- benden Ströme sind weiter unten anhand der Figuren 3 und 4 zum besseren Verständnis der Erfindung dargestellt.
Aus DE 195 27 827 C2 ist eine weitere gattungsgemäße Anordnung bekannt, wobei der Wechselrichter in dieser Druckschrift nur symbolisch dargestellt ist.
Um einen effektiven Betrieb zu erreichen, wird in dieser Druckschrift vorge- schlagen, die im Bereich des Induktors entstehende Blindleistung in einer dem Wechselrichter vorgelagerten Kapazität zu kompensieren. Konkret geht es in diesem Fall darum, die Energie, die beim Umschalten des Wechselrichters in dem Induktor gespeichert ist, in die vorgelagerte Kapazität umzuladen, da sich der Strom durch den Induktor beim Umschalten der Schaltelemente nicht abrupt verändern ("springen") kann. Dementsprechend soll sich die Größe der Kapazität nach der Größe der aufzunehmenden Energie (in DE 195 27 827 C2 als Blindleistung bezeichnet) richten, wobei eine große Kapazität in der Grö- ßenordnung von 1 bis 15 mF vorgeschlagen wird.
Die Frequenzen, mit der der Heizstrom im Induktor umgeschaltet wird, können im Bereich von zum Beispiel 50 Hz bis zu 100 KHz liegen. Dementsprechend ist es erforderlich, dass die vorgelagerte Kompensationskapazität nicht nur hinsichtlich ihrer Größe ausreichend dimensioniert ist, sondern sie muss zudem auch HF-tauglich sein. Geeignete Kapazitäten sind recht teuer.
Ein weiteres Problem mit der bekannten Schaltung liegt darin, dass die Schalt- elemente im Wechselrichter zerstört werden können, wenn die Kompensati- onskapazität nicht groß genug dimensioniert ist. Das Risiko einer Zerstörung tritt insbesondere dann auf, wenn die Erwärmungsschaltung im Leerlauf, d. h. ohne zu erwärmendes Werkstück, betrieben wird. Ein versehentliches Ein- schalten der Erwärmungsschaltung ohne Werkstück kann daher unter ungün-
stigen Bedingungen zu einer Zerstörung der Schaltelemente im Wechselrichter führen.
Ein drittes Problem mit der bekannten Anordnung sind Hochfrequenzstörun- gen, die durch das abrupte Umschalten der Schaltelemente im Wechselrichter entstehen und auf die eingangsseitige Netzspannung zurückwirken. Ange- sichts der zunehmend strengeren Anforderungen in Bezug auf die sogenannte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sind zur Unterdrückung dieser Störungen teure Filterschaltungen auf der Netzeingangsseite erforderlich.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen sich die aufgezeigten Probleme auf kostengünstige Art und Weise beherrschen lassen. Insbesondere sollen das neue Verfahren und die ent- sprechende Vorrichtung einen funktionssicheren Betrieb unabhängig vom Lastzustand der Erwärmungsschaltung ermöglichen und dabei möglichst geringe HF-Störungen erzeugen.
Diese Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die diagonal zueinander liegenden Schaltelement zeitlich versetzt zueinander vom leitenden in den nicht- leitenden Zustand geschaltet werden. Gemäß einem anderen Aspekt wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Ansteuerschaltung ferner so ausgebildet ist, dass sie die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente zeitlich versetzt zueinander vom leiten- den in den nicht-leitenden Zustand schaltet.
Die vorliegende Erfindung löst sich damit von dem bislang praktizierten An- satz, wonach die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente der H- Brückenschaltung jeweils zeitgleich ein-und ausgeschaltet wurden. Wie nachfolgend anhand einer detaillierten Analyse aufgezeigt wird, hat das zeitgleiche Ausschalten der diagonal liegenden Schaltelemente nämlich zur Folge, dass der Strom, der im Zweig der Kompensationskapazität fließt, beim Umschalten eine Richtungsumkehr mit einer extrem steilen Schaltflanke (dl/dt im Bereich von bis zu 1000 A/, us) erfährt. Diese abrupte Stromrichtungsumkehr
ist eine Hauptursache für die erwähnten Hochfrequenzstörungen, die entspre- chend aufwendige Filterschaltungen auf der Netzeingangsseite erfordern.
Dadurch, dass nach der vorliegenden Erfindung die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente zeitlich versetzt, also nacheinander, ausgeschaltet werden, wird das Ausmaß der Stromrichtungsumkehr gemildert. In einem bevorzugten Anwendungsfall werden die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente zeitlich so versetzt zueinander gesteuert, dass praktisch keine Stromrichtungsumkehr an der Kompensationskapazität mehr auftritt. Dement- sprechend können die Filterschaltungen zur Unterdrückung von EMV- Störungen einfacher und damit kostengünstiger ausfallen.
Als ein weiterer Vorteil des neuen Schaltverhaltens ergibt sich, dass die Energie im Induktor gar nicht oder nur zu einem wesentlich geringeren Teil in die Kompensationskapazität umgeladen wird, und zwar abhängig davon, mit welchem zeitlichen Versatz die diagonalen Schaltelemente ausgeschaltet werden. Infolgedessen kann die Kompensationskapazität wesentlich kleiner dimensioniert werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Schaltelemente im Wechselrichter unter ungünstigen Betriebsbedingungen (Leerlauf des Induktors) zerstört werden. Die Verwendung einer kleineren Kapazität an dieser Stelle ermöglicht weitere Kostenreduzierungen, wenngleich es aus anderen Gründen angezeigt sein kann, trotzdem eine größere Kapazität einzusetzen. Diese anderen Gründe sind insbesondere das Abfangen von Netzspannungsschwankungen, die in rauen Produktionsumgebungen, bei- spielsweise im Kfz-Karosseriebau häufig auftreten. Derartige Netzschwankun- gen können jedoch auch durch eine entsprechend groß dimensionierte Kapa- zität an anderer Stelle aufgefangen werden, so dass die vorliegende Erfindung einen größeren Gestaltungsspielraum bei der Auslegung der Erwärmungs- schaltung bietet. Insbesondere ist es aufgrund der Erfindung möglich, die große Kapazität zum Abfangen von Netzspannungsschwankungen als Elektro- lytkondensator zu realisieren, während man für die Kompensationskapazität einen HF-tauglichen, kleineren Folienkondensator verwendet.
Insgesamt ermöglicht das neue Schaltverhalten somit auf kostengünstige Weise einen funktionssicheren und mit weniger EMV-Störungen belasteten Betrieb. Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die diagonal zueinander
liegenden Schaltelemente zeitgleich zueinander vom nicht-leitenden in den leitenden Zustand geschaltet. Diese Ausgestaltung entspricht im Prinzip der schon bislang praktizierten Vorgehensweise beim Einschalten, wonach die diagonalen Schaltelemente zeitgleich eingeschaltet werden. Es versteht sich, dass der Begriff"zeitgleich"hier als"im Wesentlichen zeitgleich"zu verstehen ist, da eine absolut exakte Zeitgleichheit in der Praxis nicht zu gewährleisten ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung besitzt diese Ausgestal- tung den Vorteil, dass die"neue"Stromrichtung durch den Induktor nach dem Umschalten ohne zusätzliche Verzögerung zur Verfügung steht. Dies bietet einen größeren Gestaltungsspielraum und damit eine höhere Flexibilität in Bezug auf den zeitlichen Versatz zwischen den Schaltvorgängen beim Aus- schalten der jeweils anderen diagonalen Schaltelemente. Mit anderen Worten wird die insgesamt zum Umschalten benötigte Zeit in dieser Ausgestaltung praktisch ausschließlich dazu aufgewendet, die oben aufgezeigten Probleme zu beherrschen. Außerdem vereinfacht sich der Steuerungsaufwand in dieser Ausgestaltung der Erfindung.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die jeweils einen (also erste) diagonal zueinander liegenden Schaltelemente erst dann in den leitenden Zustand geschaltet, nachdem die jeweils anderen (die zweiten) diagonal liegenden Schaltelemente von leitenden in den nicht-leitenden Zustand geschaltet sind.
Abweichend hiervon wäre es grundsätzlich auch denkbar, das Ein-und Aus- schalten der Schaltelemente in zeitlicher Abfolge ineinander zu verschachteln.
Die vorliegende Ausgestaltung besitzt demgegenüber den Vorteil, dass im Querzweig des Wechselrichters jeweils ein maximaler Heizstrom fließt, wo- durch die Erwärmung des Werkstücks beschleunigt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung wird zunächst ein erstes der diagonal liegen- den Schaltelemente in den nicht-leitenden Zustand geschaltet und das zweite der diagonal liegenden Schaltelemente wird anschließend in Abhängigkeit von dem Heizstrom im Querzweig in den nicht-leitenden Zustand geschaltet.
In dieser Ausgestaltung wird der zeitliche Versatz beim Ausschalten der diagonal liegenden Schaltelemente also nicht zufällige empirisch oder fest vorgegeben bestimmt, sondern er wird aus der Größe des aktuellen Heiz- stroms im Querzweig abgeleitet. Wie nachfolgend bei der Erläuterung der
bevorzugten Ausführungsbeispiele gezeigt ist, ist der Heizkreis nach dem Ausschalten des ersten diagonalen Schaltelements nämlich elektrisch vom Rest der Schaltung abgetrennt. Die Größe des Heizstroms hängt damit maß- geblich von der Induktivität des Induktors und von der zu erwärmenden Last ab. Der Heizstrom selbst resultiert im Wesentlichen aus der im Induktor ge- speicherten Energie. Durch Messen des abklingenden Heizstroms kann der optimale Zeitpunkt zum Ausschalten des zweiten diagonalen Schaltelements bestimmt werden. Insbesondere lässt sich in dieser Ausgestaltung eine sehr fein einstellbare Regelung für den Heizstrom realisieren.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Heizstrom im Querzweig über einen Verbraucher geführt, insbesondere einen Induktor, und das zweite der diago- nal liegenden Schaltelemente wird in Abhängigkeit von einer Spannung über dem Verbraucher in den nicht-leitenden Zustand geschaltet. Diese Ausgestal- tung eröffnet einen zweiten Einstellparameter, anhand dessen der zeitliche Versatz beim Ausschalten der diagonalen Schaltelemente bestimmt werden kann. Auch anhand der am Verbraucher anliegenden Spannung lässt sich ein optimaler Schaltzeitpunkt bestimmen. Besonders bevorzugt ist es, wenn der zeitliche Versatz sowohl anhand des Heizstroms als auch anhand der am Verbraucher anliegenden Spannung bestimmt wird, da sich in diesem Fall eine besonders exakte und flexible Regelung realisieren lässt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die H-Brückenschaltung aus einer parallel zu den Schaltelementen angeordneten ersten Kapazität gespeist und der Heizstrom wird über eine Induktivität im Querzweig geführt. Diese Ausgestal- tung ist besonders geeignet zum induktiven Erwärmen des Werkstücks.
Alternativ hierzu kann die erfindungsgemäße Anordnung grundsätzlich jedoch auch zum resistiven Erwärmen verwendet werden. Die weiter oben beschrie- benen Vorteile kommen beim induktiven Erwärmen jedoch besonders zur Geltung, da die in diesem Fall im Querzweig angeordnete Induktivität eine abrupte Stromrichtungsumkehr im Querzweig verhindert und infolgedessen die eingangsgenannten Probleme auftreten.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente zeitlich so versetzt zueinander in den nicht-leitenden Zustand
geschaltet, dass eine in der Induktivität gespeicherte Energie zu maximal 20 %, bevorzugt maximal 10 % in die Kapazität umgeladen wird.
Grundsätzlich ist es bevorzugt, wenn die Energie im Querzweig des Wechsel- richters gar nicht in die Kompensationskapazität umgeladen werden muss, da an der Kompensationskapazität in diesem Fall keine Stromrichtungsumkehr stattfindet. Außerdem steht in diesem Fall die gesamte Energie dem Aufwär- men des Werkstücks zugute. Da der Stromfluss durch den Induktor allerdings nach einer e-Funktion abnimmt, kann es für einen flexiblen und schnellen Regelungsvorgang von Vorteil sein, eine gewisse Stromrichtungsumkehr an der Kompensationskapazität in Kauf zu nehmen. Um die oben genannten Probleme wirkungsvoll zu vermeiden, hat sich der hier genannte Grenzwert als eine praktikable Lösung herausgestellt, ohne dass es auf die exakte Einhal- tung des Grenzwertes ankommt. Viel wesentlicher ist es, dass die Kompensa- tionskapazität beim (hingenommenen bzw. tolerierten) Umladen hinreichend weit von ihrem maximalen Ladungszustand entfernt bleibt, um eine Zerstörung der Schaltelemente im Wechselrichter zuverlässig auszuschließen.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente zeitlich so versetzt zueinander in den nicht-leitenden Zustand geschaltet, dass ein Strom über die Kapazität in einer ersten Stromflussrich- tung wesentlich größer ist als in der Gegenrichtung. Vorzugsweise ist der Strom in der Gegenrichtung maximal 20 %, eher noch maximal 10 % des Stroms in der Hauptstromrichtung. Diese Ausgestaltung ist ein weiteres Krite- rium, um den optimalen zeitlichen Versatz beim Ausschalten der diagonalen Schaltelemente zu erreichen. Dabei bietet diese Ausgestaltung den Vorteil, dass die angegebenen Designparameter recht einfach erfasst werden können, so dass der gewünschte zeitliche Versatz einfach eingestellt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Versorgungsspannung über eine zweite Kapazität geglättet, wobei die zweite Kapazität größer ist als die erste Kapazität.
Diese Ausgestaltung knüpft an die bereits oben erwähnte Variante an, wonach eine HF-taugliche,"kleine"Kapazität zur Kompensation bzw. Energieaufnah-
me beim Umschalten des Wechselrichters verwendet wird, während eine größere und nicht notwendigerweise HF-taugliche Kapazität als Pufferkapazi- tät zum Abfangen von äußeren Netzschwankungen verwendet wird. Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass trotz der erhöhten Bauteilanzahl die Gesamtkosten der Vorrichtung reduziert werden können.
Wenngleich das beschriebene Verfahren und die neue Vorrichtung grundsätz- lich auch für andere Anwendungsfälle eingesetzt werden können, ist der bevorzugte Anwendungsfall das induktive Erwärmen eines metallischen und/oder magnetischen Werkstücks, und zwar insbesondere beim einseitigen Befestigen eines metallischen Bolzens an einem Untergrund. Ganz besonders bevorzugt wird das neue Verfahren beim Aufkleben von Bolzen auf Karosse- riebauteile für den Kfz-Bereich angewendet. Die oben beschriebenen Vorteilen kommen bei dieser Anwendung besonders wirkungsvoll zur Geltung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Roboters, der einen metallischen Bolzen mit Hilfe des neuen Verfahrens an einer Platte befestigt, Fig. 2 eine vereinfachte blockschaltbildmäßige Darstellung der erfin- dungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 3 das elektrische Schaltbild einer gattungsgemäßen Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von metallischen Werkstücken, Fig. 4 ausgewählte Strom-und Spannungsverläufe bei der Vorrichtung aus Fig. 3,
Fig. 5 das elektrische Schaltbild einer nach der Erfindung bevorzugten Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von Werkstücken, Fig. 6 ausgewählte Strom-und Spannungsverläufe bei der Vorrichtung aus Fig. 5, Fig. 7 ausgewählte Strom-und Spannungsverläufe bei der Vorrichtung aus Fig. 5 in einer alternativen Betriebsart, und Fig. 8 eine schematische Darstellung der Schaltfolgen für die Schalt- elemente in der Vorrichtung gemäß Fig. 5.
Fig. 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Roboter 10, der einen Bolzen 12 an einer Platte 14 durch Kleben befestigt. Der Roboter 10 besitzt eine Greifeinrichtung 16, die den Bolzen 12 festhält. In der Greifeinrichtung 16 ist außerdem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erwärmen des Bolzens angeordnet (hier nicht dargestellt). Der Bolzen 12 besitzt an seinem unteren Ende einen Flansch 18, auf dessen Unterseite ein Klebstoff 20 aufgebracht ist.
Der Klebstoff 20 härtet durch Erwärmen aus, so dass der Roboter 10 den Bolzen 12 durch gezielte thermische Erwärmung an der Platte 14 befestigen kann. Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch auf diesen bevorzugten Anwen- dungsfall nicht beschränkt.
In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erwärmen des Bolzens 12 in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 24 bezeichnet. Die Vorrichtung 24 besitzt einen Eingang 26 zum Zuführen einer Versorgungsspannung. In den bevorzugten Anwendungsfällen handelt es sich um eine dreiphasige Versor- gungsspannung, weshalb der Eingang 26 hier mit drei Anschlüssen dargestellt ist. Die zugeführte Versorgungsspannung wird über einen Gleichrichter 28 gleichgerichtet und geglättet. An dem nachfolgenden Wechselrichter 30 liegt damit eine geglättete Gleichspannung an. Der Wechselrichter 30 erzeugt aus der zugeführten Gleichspannung einen in seinem Verlauf schwankenden Heizstrom, der in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Induktionsspule 32 durchfließt. Die Induktionsspule 32 umgibt den Schaft des metallischen Bolzens 12, so dass der Bolzen 12 durch den Heizstrom induktiv erwärmt wird.
Die Anordnung in Fig. 2 ist vereinfacht dargestellt. Grundsätzlich könnte die Induktionsspule 32 auch über einen hier nicht gezeigten Transformator mit dem Wechselrichter 30 verbunden sein. Die vorliegende Erfindung ist jedoch unabhängig davon, ob ein solcher Transformator verwendet wird oder nicht.
Mit der Bezugsziffer 34 ist eine Ansteuerschaltung bezeichnet, die in der nachfolgend erläuterten Weise Schaltelemente (hier nicht gezeigt) im Wech- selrichter 30 ansteuert. Durch die Art der Ansteuerung wird der Verlauf des Heizstroms in der Induktionsspule 32 bestimmt und infolge davon die thermi- sche Erwärmung des Bolzens 12. In dem hier gezeigten, bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiel erhält die Ansteuerschaltung 34 Messsignale von einem Strom- messer 36 und einem Spannungsmesser 38, mit denen der Heizstrom durch die Induktionsspule 32 bzw. die Spannung über der Induktionsspule 32 be- stimmbar sind. Die Ansteuerschaltung 34 bestimmt anhand der erhaltenen Messwerte den zeitlichen Versatz beim Ausschalten von diagonal im Wechsel- richter 30 liegenden Schaltelementen (wird nachfolgend ausgeführt). Alternativ hierzu könnte die Ansteuerschaltung 34 auch mit fest voreingestellten Verzö- gerungszeiten versehen sein, so dass in diesem Fall der Strommesser 36 und der Spannungsmesser 38 entfallen können. Darüber hinaus können der Strommesser 36 und der Spannungsmesser 38 in anderen Ausführungsbei- spielen auch alternativ zueinander verwendet werden.
Fig. 3 zeigt den schaltungstechnischen Aufbau einer gattungsgemäßen An- ordnung, von der die vorliegende Erfindung ausgeht. Die netzseitige Ein- gangsspannung ist in Fig. 3 anhand einer Spannungsquelle EN und eines (Innen-) Widerstandes RN dargestellt. Eine Diode DN symbolisiert den Gleich- richter 28. Die Spannungsquelle EN, Widerstand RN und Diode DN liegen in Serie zueinander und liefern die Betriebsspannung für die nachfolgend erläu- terte Steuerschaltung.
Die Steuerschaltung beinhaltet im Wesentlichen den Wechselrichter 30, der hier vier steuerbare Schaltelemente (typischerweise Transistoren) in einer H- Brückenanordnung enthält. Die vier Schaltelemente S_P1, S_N1, S_N2 und S- _P2 sind in den vier Endzweigen der H-Brückenschaltung angeordnet. Dabei liegen die Schaltelemente S_P1 und S_N2 in Serie zueinander im ersten
Längszweig 42, während die Schaltelemente S N1 und S_P2 in Serie zuein- ander den zweiten Längszweig 44 bilden.
Antiparallel zu jedem Schaltelement befindet sich eine in Sperrrichtung ange- ordnete Freilaufdiode, wobei die Bezeichnungen D_P1, D_N1, D_N2 und D_P2 entsprechend der Bezeichnung der jeweiligen Schaltelemente gewählt sind. Im Querzweig 46 der H-Brückenschaltung befindet sich eine Induktivität L1 und ein die Ohm'schen Verluste symbolisierender Widerstand R1. Parallel zu den beiden Längszweigen 42,44 der H-Brückenschaltung ist außerdem noch eine Serienschaltung aus einer Kompensationskapazität CZK und einem Verlustwiderstand R_ZK dargestellt.
Bei dieser an sich bekannten Anordnung werden die diagonal zueinander liegenden Schaltelement S_P1, S_P2 bzw. S_N1, S_N2 jeweils zeitgleich zueinander ein-und ausgeschaltet, wobei jeweils nur ein Diagonalzweig leitend und der andere sperrend ist. Dies hat zur Folge, dass ein Strom durch den Querzweig 46 der H-Brückenschaltung fließt. Um das Schaltverhalten zu analysieren, sei nachfolgend zunächst davon ausgegangen, dass ein Strom- fluss entlang der strichpunktierten Linie 50 erfolgt, nämlich von der Kapazität C_ZK über den Widerstand R_ZK, das Schaltelement S_P1, die Induktivität L1, den Widerstand R1 und das Schaltelement S_P2. Dieser Strom fließt im Uhrzeigersinn durch die genannten Bauelemente, wobei die Schaltelemente S_P1, S_P2 dementsprechend leitend geschaltet sind, während die Schalt- elemente S_N1 und S_N2 sich im nicht-leitenden Zustand befinden.
Werden nun die Schaltelemente S_P1, S_P2 gleichzeitig ausgeschaltet, d. h. in ihren nicht-leitenden Zustand versetzt, ergibt sich ein Stromverlauf gemäß der gestrichelten Linie 52. Da der Strom an der Induktivität L1 nicht springen kann, treibt die Induktivität L1 den Strom über die Freilaufdiode D_N1 und den Widerstand RZK zur Kompensationskapazität CZK. Von dort fließt er über die Freilaufdiode D_N2 zur Induktivität L1 zurück. Wie man anhand der einge- zeichneten Pfeile erkennen kann, hat das Ausschalten der Schaltelemente S_P1, S_P2 also eine abrupte Stromrichtungsumkehr im Zweig der Kompen- sationskapazität CZK zur Folge.
Der Stromverlauf an der Kapazität C_ZK ist in Fig. 3 dargestellt (Kurve mit Quadraten). Man erkennt, dass der Strom von seinem negativen Maximalwert abrupt auf seinen positiven Maximalwert springt (nämlich beim Ausschalten der Schaltelemente S_P1, S_P2). Anschließend wird die Kapazität nach der üblichen e-Funktion umgeladen. Der Spannungsverlauf an der Kapazität DZK ist sägezahnförmig. Die abrupte Stromrichtungsumkehr verursacht allerdings starke HF-Störungen, die durch geeignete Filtermaßnahmen unterdrückt werden müssen. Darüber hinaus muss die Kapazität CZK in diesem Anwen- dungsfall so dimensioniert sein, dass sie die gesamte in der Induktivität L1 gespeicherte Energie beim Umladen aufnehmen kann.
Nach dem Einschalten der diagonal liegenden Schaltelemente S_N1 und S_N2 fließt der Strom dann entlang der Bahn, die mit der Linie 54 dargestellt ist. Beim Ausschalten der Schaltelemente S N1 und S_N2 findet eine erneute abrupte Stromrichtungsumkehr an der Kapazität C_ZK statt.
Fig. 5 zeigt einen ähnlichen Schaltungsaufbau, wobei der Wechselrichter hier allerdings nach dem neuen Verfahren angesteuert wird. Zur Erläuterung sei von derselben Ausgangssituation ausgegangen, nämlich einem Stromfluss von der Kapazität C_ZK über den Widerstand R_ZK, das Schaltelement S_P1, die Induktivität L1, den Widerständen R1 und das Schaltelement S_P2. Wird nun das Schaltelement S_P1 ausgeschaltet, das Schaltelement S_P2 jedoch nicht, fließt der in L1 induzierte Strom über den Widerstand R1, das (geschlos- sene !) Schaltelement S_P2 und die Freilaufdiode D_N2, wie dies anhand der Linie 56 dargestellt ist. Der untere Kreis der H-Brückenschaltung wird somit vom Rest der Schaltung abgekoppelt. Eine Stromrichtungsumkehr an der Kapazität C_ZK tritt nicht auf. Erst wenn die in der Induktionsspule L1 gespei- cherte Energie weitgehend abgebaut ist, wird auch das Schaltelement S_P2 geöffnet und praktisch zeitgleich dazu werden die Schaltelemente S_N1 und S_N2 geschlossen. Damit ist ein erneuter Stromfluss aus der Kapazität C_ZK in den Querzweig der H-Brückenschaltung über die Schaltelemente S_N1 und S_N2 möglich, wie dies anhand der Linie 54 dargestellt ist.
Die entsprechenden Strom-und Spannungsverläufe an der Kapazität C_ZK sind in Fig. 6 gezeigt. Beim Ausschalten des ersten Schaltelements S_P1 im Diagonalzweig springt der Strom an der Kapazität CZK auf Null. Erst wenn
das zweite diagonale Schaltelements S_P2 ausgeschaltet und die beiden anderen diagonalen Schaltelemente S N1 und S_N2 eingeschaltet werden, fließt wieder ein Strom aus der Kapazität, jedoch in gleicher Richtung wie zuvor.
In Fig. 7 ist ein Stromverlauf bei einem geringeren zeitlichen Versatz T zwi- schen den Ausschaltvorgängen dargestellt. Der Strom durch die Kapazität C_ZK springt beim Ausschalten des ersten diagonalen Schaltelements S_P1 auf Null. Da die Energie aus der Induktivität L1 in diesem Fall noch nicht vollständig abgebaut ist, springt der Strom im Zweig der Kapazität C_ZK beim Ausschalten des zweiten Schaltelements S_P2 in die Gegenrichtung, jedoch in einem geringeren Maß als bei dem gattungsgemäßen Verfahren. Im vorlie- genden Fall beträgt der Strom in der Gegenrichtung nur etwa 10% (oder weniger) des maximalen Stroms in der Hauptrichtung.
In Fig. 8 sind die Schaltverläufe für die vier Schaltelemente nochmals symbo- lisch dargestellt. Ein Verlauf 60 zeigt, wann das Schaltelement S_P1 ein-bzw. ausgeschaltet wird. Der Verlauf 62 gehört zum Schaltelement S_P2, der Verlauf 64 zum Schaltelement S N1 und der Verlauf 66 zum Schaltelement S_N2. Die jeweils diagonal zueinander liegenden Schaltelemente S_P !, S_P" bzw. S_N1, S_N2 werden als Gruppe ein-bzw. ausgeschaltet, wobei innerhalb jeder Gruppe eines der Schaltelemente um den zeitlichen Versatz T länger eingeschaltet bleibt als das andere. Das Einschalten der neuen Diagonalgrup- pe erfolgt unmittelbar nachdem das zweite Schaltelement der jeweils anderen Gruppe ausgeschaltet wurde.
Aufgrund des neuen Schaltverhaltens kann die Kapazität C_ZK in der Schal- tungsanordnung gemäß Fig. 5 kleiner dimensioniert sein. Um trotzdem Netz- spannungsschwankungen, wie sie in rauen Produktionsumgebungen häufig auftreten, abfangen zu können, ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 eine weitere Kapazität 70 vorgesehen. Die Kapazität 70 kann vor oder nach der Diode DN, in jedem Fall jedoch parallel zu den Schaltelementen angeordnet sein.
Next Patent: DISCHARGE LAMP OPERATION DEVICE AND PROJECTOR