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Abstract

Das Ziel der Arbeit ist ein Schweißstromgenerator für das Punktschweißen mit konstanter Leistungsaufnahme aus dem Versorgungsnetz und einem präzise regalbarem Schweißstrom mit geringster Stromschwankungsbreite. Zur Glättung der Leistungsaufnahme ist daher ein Energiespeicher unabdingbar. Eine eingehende Analyse unter Berücksichtigung von Größe, Wirkungsgrad, Dynamik und Lebensdauer zeigt, dass ein Schwungmassenspeicher für die gegebene Anwendung die beste Wahl darstellt. Aufgrund des neuartigen Speichertyps in diesem Anwendungsbereich muss das gesamte leistungselektronische System von Grund auf neu entwickelt werden. Dazu wird zunächst ein Vergleich von vier Systemtopologien durchgeführt. Schließlich wird eine Topologie mit einem Transformator und zwei kaskadierten Gleichspannungswandlern ausgewählt. Im Folgenden werden alle Subsysteme im Detail entworfen. Die Ergebnisse zeigen, die Energie für einen Schweißvorgang wird in der Schwungmasse gespeichert und kann in den Schweißstrom von mehreren Kiloampere umgewandelt werden. Der Schweißstrom ist präzise regelbar und hat nur eine sehr geringe Schwankungsbreite. Die Gleichspannungswandler-Stufe ist modular aufgebaut und hochintegriert. Vergleichsmessungen bei 5 kA zeigen einen besseren Wirkungsgrad als bei konventionellen Punktschweiß-Systemen. Zusätzlich wird die Verwendung eines netzfreundlichen Gleichrichters mit einer Nennleistung von 10,5 kW evaluiert. Der netzfreundliche Gleichrichter komplettiert das Gesamtsystem, welches einen nahezu sinusförmigen Wechselstrom mit konstantem Effektivwert aus dem Netz aufnimmt und ihn in einen exakt regelbaren gepulsten Gleichstrom mit minimaler Stromschwankungsbreite umwandelt.

Abstract

The aim of the work is a welding current generator for resistance spot welding with constant power consumption from the supplying grid and a precisely controlable welding current with the smallest possible current fluctuation. Therefore, an energy storage device is essential to smooth the power consumption. A detailed analysis considering size, efficiency, dynamics and lifetime shows that a flywheel energy storage device is the best choice for the given application. Due to the novel type of storage in this application, the entire power electronic system has to be developed from scratch. For this purpose, a comparison of four system topologies is performed. Finally, a topology with one transformer and two cascaded dc-dc converters is selected. In the following, all subsystems are designed in detail. The results show, the energy for a welding process is stored in the flywheel mass and can be converted into the welding current of several kiloamperes. The welding current can be precisely controlled and has very little fluctuation. The DC/DC converter stage is modular and highly integrated. Comparative measurements at 5 kA show better efficiency than conventional spot welding systems. In addition, the use of a PFC rectifier with a rated power of 10.5 kW is evaluated. The PFC rectifier completes the overall system, which takes a nearly sinusoidal alternating current with a constant rms value from the grid and converts it into a precisely controllable pulsed direct current with minimal current fluctuation.