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 Betreff des Beitrags: Projekt Punktschweißtrafo / gerät
BeitragVerfasst: Do 10. Aug 2017, 09:51 
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Hallo Leute,

nachdem nun fast alles fertiggestellt ist, scheint es mir an der Zeit hierfür ein eigenes Thema auf zu machen.
Bin ja schon etwas länger (viel zuuuu lange :mrgreen: ) an diesem Projekt dran und hatte schon einige Detaildiskussionen zu dem Thema aufgemacht
bzgl. Steuerung (bzw. Schaltvorgänge bei hoher Last - siehe hier http://forum.mosfetkiller.de/viewtopic.php?f=3&t=63392)
oder bzgl. Schweißzangenkonstruktion (s. hier: http://forum.mosfetkiller.de/viewtopic.php?f=3&t=63517)
oder hitzebeständige Sekundärwicklung (s. hier: http://forum.mosfetkiller.de/viewtopic.php?f=3&t=63496)

1. Trafoaufbau

Habe als Basis einen alten klassischen Schweißtrafo mit 5 Schaltstufen auf der Primärseite verwendet - Leistung ca. 3-4 kVA.
Die Sekundärwicklung habe ich entfernt und stattdessen 3 x 4 Windungen mit 35 mm2 + 1 mal 12 mm2 eingebracht (mehr ging nicht rein). Um die Hitzebeständigkeit der Sekundärwicklung zu steigern, habe ich die Gummiummantelung vom 35mm2 Kabel entfernt und durch Glasfasergewebe ersetzt das ich mit Hochtemperatursilikon um die nackte Kupferseele gewickelt habe. Dadurch hat sich der Durchmesser der einzelnen Stränge deutlich reduziert und die Temperaturbelastbarkeit dürfte bei ca. 300 Grad C liegen :-) Es war allerdings auch eine Sauarbeit!

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habe mir für das Bewickeln extra eine Haltevorrichtung bauen müssen, die das Kabel eng auf Spannung hält und dafür sorgt, das sich die geflochtenen Adern nicht entflechten.

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Und hier die fertige Sekundärseite (war gar nicht einfach, das doch recht sperrige Kabel hier eng und stramm aufzuwickeln und seitlich herauszufürhen:

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die Kabelschuhe sind selbstgemacht aus 10 + 12mm Kupferrohr und mit großer Crimpzange angecrimpt:

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Da sich der Spulenkörper etwas auseinander gedrückt hatte, war es nicht einfach die Trafobleche wieder ordentlich hinein zu bekommen. Ich mußte etliche Schraubzwingen, etwas Gewalt, viel Gefühl und Geduld aufbringen:

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Am Ende passten die Trafobleche im Stoss nicht 100%ig aufeinander - es sind einige Lücken von ca. 1 mm geblieben - ich hoffe, das das der Leistungsübertragung nicht abträglich ist? Habe jetzt wohl einen Trafo mit kleinem Luftspalt - aber ein Schweißtrafo hat ja eh eine recht lockere Kopplung :-)

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2. Steuerung der Schaltvorgänge / Einschaltstrombegrenzung

Das Thema wurde schon in dem oben erwähnten Thread ausführlich diskutiert. Habe mich letztendlich für 2 Solid state Relais (SSR) entschieden, eines mit 40 A und eines mit 60 A. Das kleinere schaltet über einen 12 Ohm Widerstand die Primärwicklung ein, der Widerstand begrenzt den Einschaltstrom auf max. 20 A. Nach ca. 400 ms schaltet der größere SSR durch und übbrückt diesen Widerstand, so dass dann der volle Strom fließen kann. Die 400 ms sorgen für eine gewisse Vormagnetisierung des Trafokerns (sofern diese bei kurzgeschlossener Sekundärwicklung beim Punktschweißen wirklich stattfindet - zumindest teilweise hoffentlich). Der Widerstand wurde aus 1mm Edelstahldraht selbst gewickelt (12 m auf Fliesenstreifen) - sollte ca. 1000 W aushalten und für 0,5 sec. auch locker 5 kW (tut er auch - wird ca. 100 - 200 Grad heiß). Die komplette Einschaltsteuerung wurde der Größe wegen in einem eigenen Gehäuse unter gebracht und wird per Fußschalter gesteuert. Dies hat auch den Vorteil, das man sie für andere Projekte und zum Testen großer Lasten verwenden kann :-)

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Und hier der Testaufbau (noch mit handgeführten Schweißelektroden bzw. eine im Schraubstock eingespannt):

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Die Verbindungskabel vom Trafoausgang zu den Elektroden ist über 150 mm2 Cu-Kabel mit entspr. Kabelschuhen hergestellt. Das Kabel hat einen Außen-DM von 18mm, reines Cu 14 mm:

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Es kommt sehr auf gute, widerstandsarme Kontakte an! Bei einem Kabelschuh waren die Schrauben nicht ganz fest angezogen, er wurde sehr schnell heiß! Ein festes Anziehen hat dies deutlich reduziert und damit kommt natürlich auch mehr Leistung am Werkstück an :-)
Dennoch werden die Elektroden innerhalb von 2-3 sec. so heiß, dass man sie mit der bloßen Hand nicht mehr halten kann.

Und hier ein paar erste Probeschweißungen (1 und 1,5 mm Edelstahlblech - einfach von Hand gepunktet):

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1mm hält bombig, 1,5 mm sind grenzwertig. Habe aber bisher max. Stufe 4 (von 5) genutzt und der richtige Pressdruck wird erst mit der richtigen Punktschweißzange erreicht. Diese ist noch in Konstruktion:

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Aus 4 - 6 mm starkem Stahlblech geschweißt. (Das Schweißen muß ich noch üben, ist tlw. ein heilloses Gebrate mit Elektroden geworden). Naja, das Übelste habe ich mit der Flex und wieder Drüberbraten behoben... :tztz:

Und das werden die Elektroden für die Zange (10 mm Cu-Rundmaterial, das dann in 20 x 8 mm Schienen eingespannt wird):

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So 100%ig ist die letzte Konstruktion noch nicht ausgegoren. Arbeite parallel noch an einem Modell aus Holz :-)

Ich habe auch mal einen Variac (10 A) vorgeschaltet um den Strom bei kleinerer Eingangsspannung messen zu können. Bei ca. 70 V primär fließt ein Kurzschlußstrom von ca. 700 A (bei massivem Kurzschluß über Cu-Schine 160mm2 direkt am Trafoausgang). Wenn ich das hoch rechne auf 240 V Netzspannung dürte man gut 2 - 2,5 kA erwarten können, natürlich nur bei guten Kontakten. Realistisch sind wohl 2 kA. Das sollte für 1 - 1,5 mm Edelstahlblech wohl reichen bei genügend Pressdruck.

Das schöne ist, die Schaltsteuerung hat es bisher anstandslos mitgemacht. Den vollen Primärstrom habe ich noch nicht gemessen, wird vermutlich um die 30 A liegen, kurzzeitig evtl. 40A. LSS ist C16, als 16 A träge - das hat bis jetzt gereicht :-)

Alles in allem bin ich recht zufrieden - nur die Projektzeit war vieeel zu lang :roll:

Melde mich nochmal, wenn die Schweißzange fertig ist mit einigen Ergebnissen :-)


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BeitragVerfasst: Do 10. Aug 2017, 13:20 
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Vielleicht wäre es noch eine Idee die Elektroden aus Wolframkupfer zu fertigen; ist so ziemlich das Standardmaterial dafür.

https://www.marks-gmbh.de/Funkenerosion ... -Rund.html


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BeitragVerfasst: Do 10. Aug 2017, 13:56 
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Danke Norbi, für den Tipp.
Ist allerdings nicht gerade günstig das Material.
30 cm Rundmaterial mit 10mm DM liegt bei 60 Eur.
Und dieses WCu hat nur ca. 40% der elektr. Leitfähigkeit von Cu, dafür natürlich eine wesentlich bessere thermische Beständigkeit und Härte.

Wenn ich sehr viel punkte würde es sich wohl lohnen, mal sehen wie der Abbrand ist.
Ich denke aber das meine 2 - 2,5 kA nicht für allzu viel Erosion sorgen.


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BeitragVerfasst: So 13. Aug 2017, 09:49 
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Wollte noch ein paar Messergebnisse liefern:

Habe den Primär-Eingangsstrom bei 235 V auf den unterschiedlichen Schweißstufen gemessen, dabei die Elektroden auf einem 1 mm Edelstahlblech fest zusammengepresst.
Stufe 1: ca. 8 A
Stufe 2: ca. 11 A
Stufe 3: ca. 12 A
Stufe 4: ca. 17 A
Stufe 5: ca. 24 A

Das ist etwas weniger, als ich eigentlich erwartet hatte. Dachte das auf Stufe 5 ca. 30 A fließen würden.
Gemessen habe ich mit einem Zangenamperemeter, also das arithmet. Mittel - natürich nach vollem Durchschalten über die beiden SSR.

Auf Stufe 1 ist der Sekundärstrom so hoch, dass ich ihn mit der Stromzange (geht bis 650 A) nicht mehr messen kann, also etwas über 700 A schätzungsweise.
Wenn ich das entsprechend hochrechne, komme ich also auf mindestens 2 kA bei Stufe 5.
Das entspricht auch etwa dem anderen Messverfahren, wo ich die Eingangsspannung per Variac auf 70 V heruntergeregelt habe und bei Kurzschluß auf der Sekundärseite ebenfalls kurz außerhalb des Meßbereichs lag, also ebenfalls ca. 700 A. Hochgerechnet auf 230 V lägen wir dann sekundär bei über 2 kA.

Stufe 5 reicht jedenfalls aus um - von Hand - 1,5 mm Edelstahlblech sicher zu verschweißen!
Damit bin ich sehr zufrieden :-)
Und die beiden SSR halten das bisher problemlos aus - habe sie auch reichlich abgesichert: Snubber Network aus X2-Kondensator und kleinem Widerstand, zusätzlich TVS-Diode (440KA) und sogar noch einen Varistor für das 60 A SSR :-) Naja, 24 A sind jetzt auch nicht so hoch, wie ich erwartet hatte...

Was meint ihr, könnte das z.T. an den kleinen Luftspalten im Trafoblech liegen (s. Fotos oben). Da sind ja nun leider überwiegend 1mm Lücken geblieben, die ich selbst mit Schraubzwingen etc. nicht ganz schließen konnte. Eine härtere Kopplung würde wohl noch etwas mehr "Druck" machen. Wieviel "Verlust" habe ich da ca. durch die kleinen Luftspalte - kann das jemand einschätzen?

Einen schönen - und hoffentlich bald sonnigeren - Sonntag noch!


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BeitragVerfasst: Di 15. Aug 2017, 12:26 
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Hallo Leute,

hatte mir ja etwas mehr feedback hier erfhofft :roll:

Insbes. würde mich interessieren, ob die Lücken im Trafoblech (Luftspalt bis zu 1mm . s.a. Fotos oben) eine deutliche Leistungsminderung bedeuten oder wie man den Effekt einschätzen könnte. Ich müßte wohl auch noch den Elektrodendurchmesser von derzeit 10mm auf 14 oder 16mm erhöhen, denn bei 10mm habe ich mit ca. 75mm2 den geringsten Cu-Querschnitt auf der gesamten Sekundärstrecke und dort entsteht ja auch die meiste Hitze, die abgeführt werden muß.


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BeitragVerfasst: Di 15. Aug 2017, 16:55 
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Je weniger Luftspalt im magnetischen Kreis vorhanden ist desto höher die Steifigkeit und entsprechend höher der Kurzschlußstrom. Weiters gilt natürlich auch viel Eisen zu benutzen. Schau mal Punktschweißtrafos an. Die heben meist einen aus sehr vielen Blechen und damit entsprechend langen EIsenkern. Damit lässt sich mit meist nur einer einzigen Windung die gewünschte Spannung an den Elektroden erreichen.
Man gibt dabei, zugunsten des maximalen Stromes die Dauerbetriebsfähigkeit eines Trafos auf. Die Ausnahme sind Rollenschweißmaschinen mit 20 - 40kA Dauerstrom, aber da kommen wir als Bastler eh nicht hin.

bastl_r


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BeitragVerfasst: Di 15. Aug 2017, 22:02 
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Danke Bastl_r - ja grundsätzlich ist das klar. Der Trafo stammt ja aus einem klassischen Schweißtrafo mit ca. 3-4 kVA. Er hat schon ein recht großes Eisenpaket und ist ja von vornherein als Schweißtrafo relativ "weich eingestellt". Mir ist nur nicht klar, was diese kleinen Lücken wohl etwa ausmachen im Endeffekt.
Auf Stufe 5 ist der Trafo sicherlich schon in Sättigung, zieht einen Leerlaufstrom von gut 2 A. Man könnte das wohl noch etwas extremer treiben für den Kurzzeitbetrieb im Sekundenbereich, aber an die Primärwicklung will ich eigentlich nicht ran.


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BeitragVerfasst: Mi 16. Aug 2017, 10:21 
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Hm also ein 1mm Spalt zwischen den Trafoblechen ist schon sehr unglücklich.

Ich meine mich erinnern zu können dass man bei so Blech E/I Kernen am besten die die Spalte weg bekommt indem man die Schrauben zunächst weglässt, den Kern aufmagnetisiert (Netzspannung an die Primärwindung) und dann klopft bis die Bleche "von selber" zueinander finden (am besten Trafo so hinstellen dass die Schwerkraft noch mitwirkt) . Dazu muss natürlich genug Spiel vorhanden sein; wenn die Bleche fest im Spulenfenster klemmen verschiebt sich da nicht mehr so viel von selber. Würde sich evtl. lohnen da am Spulenkörper soviel wie möglich wegzufeilen bis die Bleche wieder vernünfig Freiraum haben.


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BeitragVerfasst: Mi 16. Aug 2017, 10:32 
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Hallo Norbi,

danke für diese Idee. Wie Du den Bildern oben entnehmen kannst, hatte ich ja schon versucht mit Akribie und Gewalt die Bleche so dicht wie möglich zusammen zu bringen. Tlw. ist dies gelungen, es gibt aber noch etliche Spalten. Da alles inzwischen fest verbaut und vergossen ist, ist hier auch ein neues Aufbauen unmöglich. Die Frage ist nur, was diese kleinen Lücken jetzt ausmachen?

Immerhin kitzle ich ja auf der Stufe 5 230 V * 24 A = 5,5 kVA aus dem Trafo heraus und es sind ca. 2 - 2,5 kA an den Elektroden.


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BeitragVerfasst: Mi 16. Aug 2017, 11:10 
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Zitat:
Je weniger Luftspalt im magnetischen Kreis vorhanden ist desto höher die Steifigkeit und entsprechend höher der Kurzschlußstrom


Zitat:
Danke Bastl_r - ja grundsätzlich ist das klar


Etwas später...

Zitat:
Die Frage ist nur, was diese kleinen Lücken jetzt ausmachen?


Muss man nicht kapieren, oder?

Zudem könntest du laut deiner Aussage eh nichts mehr ändern... Es gibt auch weniger offensichtliche Möglichkeiten, seinen Beitrag unnötig zu pushen...


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BeitragVerfasst: Mi 16. Aug 2017, 12:04 
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stoppi, kann man ganz einfach kapieren ;-) - die Frage ist, wieviel das etwa ausmacht. Wie es grundsätzlich wirkt ist klar! :-)

Also, wieviel % könnten das sein? Vermutlich schwer zu sagen, aber mir fehlt da die Erfahrung.


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BeitragVerfasst: Do 17. Aug 2017, 13:46 
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Wollte Euch mal erste Arbeitsergebnisse zeigen.
Edelstahlgehäuse aus 1mm Blech / Lochblech:

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Man sieht, an einigen Stellen bin ich direkt durchs Material durchgebrannt! Bei den dünneren Schweißpunkten gab es meist einen Nebenschluß, weil Teile der Zange irgendwo das Gehäuse berührt hatten.

Hier noch die Punktschweißzange aus Holz (die Arme sind aus Hartholz 45 x 25 mm):

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Das Stahlmodell ist noch in Arbeit, dafür suche ich noch dickeres Kupferrundmaterial, ca. 14 - 16mm.
Also es läßt sich doch ganz zufriedenstellend mit dem Teil arbeiten auch trotz der kleinen Lücken im Trafoblech :-)


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