Transformatoren für das Kondensatorentladungsschweißen. Transformers for Capacitor Discharge Welding

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1 Schweißtransformatoren Welding Transformer Transformatoren für das Kondensatorentladungsschweißen Transformers for Capacitor Discharge Welding Grundlagen, Übersicht, Typen und Optionen basics, overview, types and options EXPERT Transformatorenbau GmbH Hochstromtechnik Widerstandsschweißen Heizstromquellen

2 Kondensatorentladungsschweißen (KE-Schweißen) Bei hohen Schweißströmen ist die Entnahme der Energie aus dem Stromnetz über einphasige Transformatoren hinsichtlich der entstehenden Schieflast im Versorgungsnetz problematisch. Abhilfe kann hierbei die Verwendung eines geeigneten Energiespeichers schaffen, welcher in den Pausen zwischen zwei Schweißungen mittels einer Ladeeinrichtung gefüllt wird. Bei diesem Schweißverfahren wird die elektrische Energie auf Kondensatorbatterien gespeichert, welche dann stoßartig über einen speziellen Transformator entladen wird. Es wird dabei ein Stromimpuls erzeugt, welcher den Schweißvorgang bewirkt. Charakteristisch sind hohe Stromimpulse von relativ kurzer Dauer. Das Verfahren wird meist als Buckelschweißverfahren verwendet. Als Vorteile gelten: Äußerst geringe Netzbelastung Schweißen von schlecht schweißbaren Materialpaarungen ist oftmals möglich Sehr kurze Prozesszeiten Hohe Elektrodenstandzeiten Sehr geringe Wärmeeinflusszonen Betrieb meist ohne Wasserkühlung Capacitor discharge welding (CD Welding) When working with high welding currents, withdrawing energy from the public mains supply via single-phase transformers is problematic. This is due to the resulting imbalance in the mains supply. Using an appropriate energy buffer that can be filled by a charging device in the breaks between two weldings using a loading system can remedy the situation. At this welding method the electric energy is then saved in capacitor batteries, which can be discharged in impulses using a special transformer. In doing so, a current pulse is generated, which brings about the welding process. High, relatively short current pulses are typical. The process is usually performed as a projection welding process. Advantages to this process are: Low power consumption Welding material combinations with pur weldability are possible Very short process times Low electrode consumption Very small heat impact areas Operation mainly without cooling water Für dieses Verfahren sind spezielle Pulstransformatoren erforderlich. Der Transformator übernimmt dabei nicht nur eine Übertragungsfunktion sondern er bildet zusammen mit dem Ladekondensator einen Schwingkreis. Die Elemente dieses Schwingkreises bestimmen die Art der Schwingung und die Höhe und Form des entstehenden Stromimpulses und sind somit die entscheidenden Prozessparameter. Die EXPERT Transformatorenbau GmbH entwickelt und fertigt seit vielen Jahren u. a. auch diese Spezialtransformatoren. Mit Hilfe von eigenen Simulationsprogrammen können wir derartige Transformatoren optimal berechnen und auslegen. Special pulse transformers are necessary for this process. The transformer not only plays a transferring role, but also establishes an oscillating circuit with the charging capacitor. The elements of this oscillating circuit are important process parameters, in that they determine the type of oscillation and the level and form of the current impulse produced. EXPERT Transformatorenbau GmbH has been designing and producing these specialty transformers for many years. With the help of simulation programmes we developed ourselves; we can optimize the calculation and design of these transformers. 2

3 Grundlagen Energiefluss in einer KE-Schweißmaschine: Basics Energy flow of a CD machine. Ladeeinrichtung Charging device Hinsichtlich der elektrotechnischen Auslegung ist zu beachten, dass die Kondensatoren in einem großen Ladespannungsbereich bis hin zu einigen Kilovolt betrieben werden. Mittels stabilisierter Ladespannungen lässt sich die Schweißenergie sehr genau und reproduzierbar einstellen. With respect to the electrical setup one has to remind that the capacitors will be operated in a wide range of load and up to several kilovolts. By means of a stabilised load the welding energy may be adjusted very precise and reproducible. Typische Betriebsdaten: Typical operation parameters: Kapazität der Speicherkondensatoren: mf Capacity of the storage capacitors: 1 2 mf Ladespannungen:, kv Loading voltages:,5 4 kv Gespeicherte Energie: kj Energy stored: 5 12 kj Schweißstromimpulse: ka Welding current pulses: 5 1. ka Schweißzeiten: ms Welding times: 5 5 ms Je nach Arbeitsgeschwindigkeit und daraus resultierender Nachladezeiten kann die Netzbelastung gegenüber Schweißverfahren, welche die Energie direkt aus dem Netz entnehmen, deutlich reduziert werden. Der Transformator realisiert nicht nur die Stromübertragung und Leistungsanpassung, er bestimmt darüber hinaus maßgeblich die Impulsform des Schweißstroms und bestimmt damit direkt die elementaren Parameter Schweißstrom und Schweißzeit. Depending on the working cycle and the resulting loading times, the mains load will be reduced significantly with respect to welding technologies which are directly connected. The transformer not only transforms the currents and is responsible for the power transmission but also determines greatly the shape of the pulse of the welding current and with that the elementary parameters welding current and welding time. 3

4 Impulserzeugung Für die nachfolgend dargestellten mathematischen Betrachtungen wird für den Entladungskreis ein sehr vereinfachtes Ersatzschaltbild angenommen. Es handelt sich dabei um einen Schwingkreis mit den Elementen R, L und C. Pulse creation For the following mathematical model a very simplified equivalent circuit diagram is assumed. In principal an oscillating circuit with the elements R, L, and C is used. S R C i(t) L C Kapazität des Speicherkondensators S Elektronischer Schalter R Gesamtwiderstand des Entladungskreises L Gesamtinduktivität des Entladungskreises Uco Ladespannung am Kondensator C Capacity of the storage capacitor S Electronic switch R Total resistance of the discharge circuit L Total inductivity of the discharge circuit Uco Charging voltage at the capacitor Der Entladevorgang kann mit folgender Beziehung beschrieben werden: The discharging process can be described as follows: Uco 1 δ t i( t) = e sin( D t) L D Es gelten: Following applies: R δ = 2L D = ω 2 2 δ δ ϑ = ω f = ω 2π Man kann folgende Schwingungszustände unterscheiden: One can distinguish following oscillation states Periodische Schwingung D = ω 2 2 δ > Periodic oscillation Aperiodischer Grenzfall D = ω 2 2 δ = Critically damped case Aperiodische Schwingung D 2 2 < = ω δ Aperiodic oscillation 4

5 Die Energie für den Schweißprozess wird im Kondensator gespeichert. Sie wird durch folgende Beziehung definiert: The energy for the welding process will be stored in the capacitor. It is defined by following expression: W = C 2 U 2 5

6 EXPERT Produktspektrum EXPERT Product range Impulstransformatoren für stationäre Anwendungen Pulse Transformer for stationary applications Leistungen 1-2 kva Maximale Pulsenergie 5-12 kj Ladespannungen 5 4 V ein- oder mehrstufig Pulsraten 3 Pulse / min. Wasserkühlung optional Entwicklung kundenspezifische Lösungen Nom. Power 1-2 kva Max. Pulse Energy 5-12 kj Charging Voltages 5 4V One or more taps Puls rate 3 Pulses / min. Water cooling optional Development of customized solutions Impulstransformatoren für Zangenanwendungen Puls Transformer for welding guns Nennleistungen 2-35 kva Maximale Pulsenergie 1-1 kj Ladespannungen 5 3V ein- oder mehrstufig Pulsrate 4 Pulse / min. Wasserkühlung optional Entwicklung kundenspezifische Lösungen Nom. Power 2-35 kva Max. pulse energy 1-1 kj Charging voltages 5 3V One or more taps Puls rate 4 Pulses / min. Water cooling optional Development of customized solutions 6

7 Optionale Ausstattung / Überwachungsfunktionen EXPERT Transformatoren können mit zusätzlichen Überwachungs- bzw. Messfunktionen versehen werden. Optional fittings / Monitoring functions EXPERT transformers can be customised to include additional monitoring or measuring functions. Temperaturüberwachung Als Temperaturwächter finden Bimetall-Schalter mit magnetischer Abschirmung Verwendung. Die Kontakte sind als Öffner ausgebildet und können Spannungen bis 25V 5-6Hz schalten. Auf Wunsch werden auch Kaltleitertemperaturfühler, Temperaturmesswiderstände oder Thermoelemente zur Überwachung der Wicklungstemperaturen eingebaut. Monitoring the temperature Bi-metal switches with magnetic screen are used as temperature monitors. The contacts are trained as openers and can switch voltages as high as 25 V 5-6 Hz. By request, PTC thermistor temperature sensors, temperature measuring resistors or thermal elements for monitoring the winding temperature can be incorporated. Schweißstromüberwachung Optional werden EXPERT-Transformatoren mit eingebauten Toroidmessspulen (eisenlose Rogowski- Spulen) geliefert. In diesen konzentrisch um den Sekundärleiter angeordneten Ringspulen wird eine dem Wechselfeld des Schweißstroms proportionale Messspannung induziert. Es ist gemäß ISO-Standard ein Eichwert von 15 mv / ka ± 3% definiert. Der Anschluss der Messspule erfolgt einfach durch Steck- oder Klemmverbindungen auf der Primärseite des Trafos. Wichtig: Die in einer eisenlosen Toroidspule induzierte Spannung ist der Stromänderung di/dt proportional und nicht dem zeitlichen Verlauf i(t), wie bei Stromwandlern mit Eisenkern. Zur Auswertung muss das Messsignal integriert werden. Insbesondere bei Impulsströmen kann mit diesem Messsystem ein großes Anwendungsspektrum abgedeckt werden Monitoring welding current As an option, EXPERT transformers can be delivered with built-in toroid measuring coils (iron-free Rogowski coils). A measurement voltage proportional to the welding current's alternating field is induced into these ring coils, which are arranged concentrically around the secondary conductor. In accordance with ISO standards, a calibration value of 15 mv / ka ± 3% has been defined. The measuring coil is connected by socket or clamp connections on the primary side of the transformer. Important: The induced voltage inside of an ironless toroidal coil is proportional to the change of the current di/dt and not its change with the time i(t) as for current transformer with iron cores. For the evaluation the measurement signal must be integrated. Especially for pulse currents the measurements system can cover a huge application range. Kühlwasser Die Durchlaufrichtung des Kühlwassers durch den Transformator ist beliebig. Die Eintrittstemperatur des Kühlwassers sollte zwischen min C und max. +3 C liegen. Der Einsatz einer geschlossenen Umlaufkühlung, in der aufbereitetes Wasser rückgekühlt werden kann, ist in jedem Fall vorteilhaft. Nähere Hinweise dazu finden Sie in unseren Betriebsanleitungen. Cooling water The flow direction of the cooling water in the transformer is arbitrary. The input temperature of the cooling water should be between min C and max. +3 C. The use of an enclosed circulation cooling system, in which purified water can be re cooled, is beneficial in all cases. More detailed information can be found in our instruction manuals.. 7

8 EXPERT Transformatorenbau GmbH Hochstromanwendungen / High Current Applications Industriestr. 6a Lorsch / Germany Widerstandsschweißen / Resistance Welding Phone Stromquellen für Prozess- und Heiztechnik / Heating Current Sources Fax info@expert-trafo.de