Umbau Schweißtrafo zum Gleichstromschweißgerät

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Anm: Es ist auch bei hochwertigen Geräten nicht üblich Elkos hinter dem Gleichrichter zu verwenden, die Glättung wird heute ausschliesslich mit einer Drossel gemacht. Grund ist die hohe Alterung der Elkos und die geringe Wirksamkeit bei solch hohen Strömen, die Elkos wären einem fortlaufenden Kurzschlussbetrieb ausgesetzt.

Christian Julius (TÜV Prüfer Industriegeräte)

Umbau Schweißgerät

Hier möchte ich meinen Umbau eines Schweißtrafos zum Gleichstromschweißgerät dokumentieren und anderen Leuten die Möglichkeit bieten das nachzubauen oder mit eigenen Vorschlägen, Tipps & Tricks zur Verbesserung beizutragen.

Es geht darum einen normalen Baumarkt-Schweißtrafo gleichzurichten und danach noch etwas zu glätten, um einen sauberen Gleichstrom zur Verfügung zu haben. Später soll ein µC mit eingebunden werden, um die Leistung zu regeln und dadurch einige Funktionen wie Hotstart, ArcForce usw. zu integrieren, die das Schweißen erheblich erleichtern.

Ich habe als erstes einige mechanische Verbesserungen am Gerät durchgeführt, z. B. Lüfternachrüstung, Dinse-Anschlußbuchsen verbaut, neue Schweißkabel hergestellt, Elektrodenhalter und Masseklemme ersetzt, weitere Bedienelemente in die Front gebaut.

Nun, viele werden sich gleich fragen, was besser daran sein soll mit Gleichstrom anstatt mit Wechselstrom zu schweißen.

Der Hauptvorteil ist der gleichmäßige Strom, da es hier keinen Nulldruchgang gibt, wo der Strom immer kurzfristig unterbrochen wird, wodurch es zu Problemen wie dem Abriss des Lichtbogens bei geringem Schweißstrom oder einem schlechten Zünden der Elektrode kommen kann.
Es gibt natürlich auch Nachteile des Gleichstromes: manche Materialen lassen sich nicht verschweißen, weil sie eine Oxidschicht bilden und sich so das Schweißgut nicht mit dem Elektrodenwerkstoff verbindet, hier wird also explizit Wechselstrom bzw. gepulster Gleichstrom benötigt, um die Oxidschicht aufzubrechen. Aber Alu war und ist bei mir erstmal kein Einsatzwerkstoff.

Nun möchte ich euch zeigen wie der Spannungsverlauf beim Wechselstrom abläuft und wie sich das ganze nach dem Gleichrichten und Glätten verhält. Interessant ist hier auch der Vorteil des 3-Phasen-Drehstromes zu sehen.

Wechselspannung.GIF 1PhasenGleichspannung1.GIF 1PhasenGleichspannung2.GIF
StabileGleichspannung.GIF Drehstrom.GIF 3PhasenGleichspannung.GIF

  • Bild 1 zeigt eine ganz normale Wechselspannung wie man sie aus der Steckdose entnehmen kann.
  • Bild 2 zeigt den Spannungsverlauf nachdem eine Diode verwendet wurde; hier kommt nur die positive Halbwelle durch, das wäre dann eine pulsierende Gleichspannung, allerdings mit einem Verlust von 50%
  • Bild 3 zeigt den Spannungsverlauf nach einem Brückengleichrichter; hier wird praktisch die negative Halbwelle nach oben geklappt, was auch eine pulsierende Gleichspannung ergibt, aber ohne die 50% Verlust.
  • Bild 4 zeigt eigentlich die perfekte Gleichspannung, wie sie z. B. von einer Batterie zur Verfügung gestellt wird, hierzu gibt es nach der Gleichrichtung aber noch einen Unterschied. Also muss noch etwas getan werden. Dazu habe ich zwei Möglichkeiten in Betracht gezogen, einmal eine Speicherdrossel und einmal einen Kondensator. Es gilt also während eines Impulses soviel Energie wie möglich zu speichern, um während des Abfalls des Impulses diese Energie zur Verfügung zu stellen, damit ein möglichst geringer Abfall entsteht.
  • Bild 5, das ist Drehstrom, also geläufig auch als Starkstrom bezeichnet; hier gibt es 3 Phasen, die jeweils um 120° versetzt sind, wenn das mit einer Brückengleichrichterschaltung gleichgerichtet wird sieht man in Bild 6, dass es hier keine Nullphase mehr gibt, wie es beim normalen Wechselstrom bzw. noch bei der ungeglättenden pulsierenden Gleichspannung vorkommt.

Es muss also ein Energiespeicher her, der genügend Energie speichern kann, um diese Pause überbrücken zu können. Umso höher die Frequenz also ist, desto kleiner könne die Teile ausfallen, das ist auch der Vorteil eines Inverterschweißgerätes, hier wird mit bis zu 200 kHz gearbeitet, wodurch die Trafospulen, die Drosseln und die Kondensatoren sehr klein ausgelegt werden können, dadurch ergibt sich der großer Gewichtsvorteil zu einem Schweißtrafo. Nun also zum Vergleich wie es mit einem kleinen und einem großen Elkos ausschaut.

KleinerElko.GIF Gro%DFerElko.GIF

Hier sieht man sehr schön, dass dem kleinen Kondensator sehr schnell der Saft ausgeht und die Spannung sehr früh abfällt, der große Kondensator hingegen hält die Spannung bis zum nächsten Impuls auf einem hohen Level. Bei Kondensatoren gibt es allerdings den Nachteil, dass man diesen überlasten kann, da sie nur mit einem gewissen Maximalstrom belastet werden dürfen, der bei der benötigten Bauart ca. 30-50 A beträgt, wenn das Schweißgerät zumindestens kurzfristig 150 A liefern kann wird ein Elko das nicht lange mitmachen, deswegen werden hier meistens mehrere Kondensatoren parallel geschalten. Diesen Nachteil scheint es bei der Drossel nicht zu geben, allerdings bringt eine Drossel sowohl eine größere Bauform als auch mehr Gewicht auf die Wage. Oft bedienen sich die Hersteller an den Vorteilen beider Bauteile und verwenden neben einer kleineren Drossel noch eine Reihe Kondensatoren. Diese bieten den weiteren Vorteil, dass bei Schweißbeginn kuzfristig eine sehr große Energie zur Verfügung gestellt werden kann, weil sich die Kondensatoren sich im Leerlauf meist mit einer Spannung um die 50 V aufladen können, so gibt es dann keine Problem mit dem Zünden der Elektrode. Die Schweißspannung geht beim Schweißen dann sowieso, je nach gewünschten Strom, auf ca. 18-26 V zurück.

Zum Gleichrichten der Wechselspannung habe ich 10x B700C35(1,25€/Stück bei Reichelt) Metallbrückengleichrichter hier, erste Versuche liefen wegen des Verdrahtungsaufwandes mit 4 Stück, ich warte aber noch auf meine Kupferplatte und dann werde ich entweder 3x3 oder 5x2 nehmen, ja nachdem wie es mit dem Platz auschauen wird, weil ich noch einen 170mm Lüfter nachrüsten will und die Drossel auch noch etwas Platz beanspruchen wird.

Falls sich jemand für Teile interessiert, ich habe bis jetzt folgende günstige Angebote bekommen: Drossel 34,-€ bei Einzelabnahme also wird es evtl. noch billiger, wenn eine Hand voll Interessenten zusammenkommt; Elkos, die 100 V Spannungsfest sind und auch eine größere Kapazität >47.000 µF haben hab ich bis jetzt noch keine erschwinglichen gefunden. Aber vielleicht kennt ja jemand eine günstige Bezugsquelle für solche großen 100 V Elkos.

Weiterhin möchte ich eine Phasenanschnittsregelung integrieren, ich weiß aber nicht, welcher Triac oder sonstiges Bauteil mit der hohen Induktivität des Schweißtrafos bzw. der hohen Kapazität der Elkos zurecht kommt und nicht gleich durchbrennt. Sollte man evtl. einige Triacs parallel schalten?

Das müßte zumindest bei digital angesteuerten Triacs gehen. Dazu eignet sich ein von einem Opto-Triac gezündeter Triac. Das gibt es als fertiges Bauteil und wird Solid State Relais genannt. Bei Schuricht gibt es Triacs bis 41 A. Wer die Schaltung braucht um damit ein Solid-State-Relais zu bauen kann mir eine Mail schicken (stop-castor at nuclearfree.de). Eine Phasenansteuerung gehört Funkentstört. Dazu sollte zwischen Last und Triac eine Induktivität, die man sich hier sicherlich sparen kann, weil eine Induktivität geschaltet wird, sowie eine R-C Reihe parallel zum Triac. Als Werte für R und C sind in einem Buch für einige 10 bis einige 100 Watt 100 \Omega und 220 nF angegeben. Achtung, hier geht es um einige KW!

Phasenanschnitt_Wechselspannung.GIF Nullpunktschaltung.JPG

So würde das dann ausschauen, es wird verzögert durchgeschalten dadurch kommt einfach weniger Strom zum Verbraucher. Es gäbe auch die Möglichkeit mit einem Nullpunktschalter einzelne Wellen wegzulassen, dadurch würde aber die Frequenz noch weiter absinken und die Glättung würde wieder größere Bauteile benötigen, um die nötige Zeit überbrücken zu können.

Ein weiteres Problem könnte in Verbindung mit der hohen Induktivität des Trafos auftreten, und zwar folgt der Strom nicht 100%ig der Spannung, sondern er ist durch die Lade-/Entladezeit der Induktivität verzögert, wodurch evtl. die Erkennung durch den µC Schwierigkeiten bereiten könnte, da dieser ja mittels Spannungsteiler die Spannung misst. Der µC erkennt also einen Nulldurchgang, der Triac hat aber noch nicht gelöscht, weil noch eine gewisse Zeit lang Strom fließt. Das sollte sich jedoch dem µC beibringen lassen. Auf einem guten Typenschild steht der Leistungsfaktor cos \phi, aus dem sich \phi berechnen läßt. Alternativ kann \phi auch mit dem Oszilloskop gemessen werden: einen Kanal für die Spannung und einen für den Strom (Spannung am Shunt). Alternativ zu der Ganzen µC-Rechnerei tut es bestimmt auch ein Wechseltrom (MKP o.ä) Kondensator parallel zum Triac. Die Formel für die Kapazität habe ich gerade nicht zur Hand. Sie läßt sich jedoch herleiten (auch hierfür wird irgendwie \phi gebraucht).

Verz%F6gerung-Induktivit%E4t.GIF

Hier habe ich noch etwas genauere Daten zum Umbau, die werde ich später hier mit einbringen.

http://people.freenet.de/Thomasoly/Schwei%DFen/UmbauSchweisstrafo.html