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Streufeldschweisstransformator
Die Erfindung bezieht sich auf einen Streufeldschweisstransformator mit einem Eisenkern, dessen von der Sekundärwicklung umschlossener Schenkel einen kleineren Querschnitt besitzt als der von der Primär- wicklung umschlossene Schenkel.
Bei Transformatoren im allgemeinen wie auch bei Schweisstransformatoren ist es bekannt, ausserhalb der Wicklungen liegende Teile des Eisenkernes mit verstärktem Querschnitt aufzubauen. Hiedurch wird zwar die Eisenrnasse vergrössert, aber die Blind- und Wirkverluste werden so weit gesenkt, dass insgesamt das Verhältnis der Transformatorleistung zum Aufwand doch gesteigert wird. Hiebei ist es noch bekannt, die ausserhalb der Wicklungen liegenden verstärkten Teile, des Eisenkernes aus magnetisch minderer- tigerem und billigerem Material aufzubauen.
Speziell bei Schweisstransformatoren ist es von besonders grosser Bedeutung, das Gewicht klein zu halten. Man benutzt deshalb Eisenkernkraftflüsse, die den Eisenkern bis in den Sättigungsbereich beanspru- chen ; ja sogar Kraftflüsse, die sich darüber hinaus als Magnetisierung des vom Eisen erfüllen Raumes und der sonstigen Zwischenräume ergeben. Dies hat aber den grossen Nachteil, dass sowohl unter Last als auch im Leerlauf die Blindströme erhöht werden, daherkommend, dass der sowohl im Leerlauf wie unter Last auf den Uberkraftfluss zu magnetisierende, verhältnismässig schmale Raum innerhalb der Primärwicklung im Vergleich zum Streufeldraum hohen magnetischen Widerstand aufweist.
Durch die im Leerlauf wie unter Last überhöhten Magnetisierungsblindströme wird das Primärkupfer mehrbelastet, was der beabsichtig - ten Leistungssteigerung entgegenwirkt ; ausserdem sind grössere Kompensationskapazitäten erforderlich.
Einem bekanntgewordenen Vorschlag liegt die Idee zugrunde, den streuflussbelasieten Primarteil im Leerlauf etwa ebenso zu belasten wie den Sekundärteil. Bei Schweisslast ist der sekundäre Kraftfluss zirka die Hälfte bis zu einem Drittel des primären Kraftflusses. Der genannte Zweck, die sekundärseitige Induktion bei Leerlauf etwa so gross wie die primärseitige Induktion zu wählen, wird bei diesem Transformator durch das Sekundär zu Primärquerschnittsverhältnis von 4 : 5 ungefähr erreicht. Es ist nämlich bei den in Schweisstransformatoren üblichen hohen Induktionen die'Permeabilität des Eisens schon relativ niedrig (1000 - 100 und noch kleiner), während anderseits der magnetische Widerstand des Luftweges absichtlich durch das Streujoch erniedrigt ist.
Deshalb gehen bei dem bekannten Vorschlag im Leerlauf bereits 10 bis 20% des Primärkraftflusses durch die Luft, ohne dass im Sekundärschenkel die primärseitige Induktion wesentlich überschritten wird. Die Sättigung im Sekundärschenkel wird auch bei der Verwendung eines Materials mit scharfem Magnetisierungsknick (kornorientiertes Material) nicht oder höchstens berührungsweise erreicht : denn auch bei solchem Material muss man mit der Primärscheitelinduktion einen Abstand von mindestens 10% von der primären Sättigungsinduktion lassen, da andernfalls die Primärwicklung und das Netz bei Netzüberspannung durch Blindstromspitzen überlastet werden. Da 101o des Kraftflusses schon bei einer Eisenpermeabilität von einigen Hundert durch den Luftweg gehen, wird die Sättigung im Sekundärschenkel auch in diesem Fall nicht erreicht.
Die Anordnung nach diesem bekannten Vorschlag erreicht also primär- und sekundärseitig etwa die gleiche Leerlaufinduktion : dies ist offenbar beabsichtigt und entspricht der schon lange bekannten Meinung, dass Induktionsgeräte bei gleicher Induktion aller Eisenteile optimal ausgelegt sind. Die Sättigung des Sekundärschenkels wird hier nicht erreicht und es ist dies auch gar nicht beabsichtigt.
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Die Problematik der Schweisstransformatoren besteht kurz im folgenden : Um eine einwandfreie Zün- dung und Bogenstabilität zu erreichen, muss die Leerlaufspannung wesentlich höher als die eigentliche
Arbeitsspannung sein : 1, 5 - 4-fach, in der Regel 2-3-fach. Ausserdem muss der Transformatorinnenwi- derstand hinreichend gross sein, insbesondere muss die Summe der Innenwiderstände von Transformator und Bogen positiv sein.
Man benutzt deshalb vor allem Streufeldtransformatoren, bei denen die Primär- und Sekundärwicklung derart zueinander angeordnet sind, dass bei steigender Sekundärbelastung ein stei- gender Anteil des die Primärwicklung durchsetzenden Kraftflusses über irgendwelche magnetische Neben- wege höheren magnetischen Widerstandes (Streujoch-und bzw. oder Luftwege) derart abfliesst, dass er die
Sekundärwicklung nicht mehr durchflutet. Mit steigender Last wird somit der in der Sekundärwicklung spannungsinduzierend wirkende KrÅaftflusswert verringert, wodurch sich eben die überhöhte Leerlaufspan- nung und der streuinduktivitätsbedingte Transformatorinnenwiderstand ergeben.
Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass auf diese Weise bei derartigen normalen, mit Streu- feld arbeitenden Schweisstransformatoren im eigentlichen Lastbetrieb der Eisenkern innerhalb der Sekun- därwicklung magnetisch nicht voll beansprucht ist, was eine unnötig geringe Eisennutzung bedeutet und bzw. oder dass innerhalb der Primärwicklung über die Eisensättigung hinausgehende Kraftflüsse herrschen, was genannte Nachteile bedeutet. Ausserdem sind dabei die Leerlauf-Blindströme wesentlich geringer als die Blindstrom-Komponenten unter Last, was jedoch in Hinsicht auf eine möglichst ausgeglichene kapa- zitive Blindstromkompensation von Nachteil ist. Auch diesen Nachteil zu vermeiden hat sich die Erfin- dung zur Aufgabe gestellt.
Weiter geht die Erfindung von dem Gedanken aus, dass zwar bei der gegebenen Netzfrequenz die se- kundär induzierte Spannungs-Zeit-Fläche (U-t-Fläche) proportional dem die Sekundärwicklung durchflu- tenden Maximalkraftfluss ist und damit von dem von der Sekundärwicklung umschlossenen Eisenquer- schnitt begrenzt wird ; dass aber für den Zündvorgang nicht so sehr die Grösse dieses Spannungsflächenwer- tes als vielmehr die Scheitelspannung massgebend ist. Diese Scheitelspannung ergibt sich jedoch allein aus der innerhalb der Sekundärwicklung hervorgerufenen maximalen Kraftflussänderung pro Zeit.
Die für den Zündvorgang erforderliche Scheitelwerterhöhung der Leerlaufspannung macht daher nicht für jede Kraftfluss-Zeit-Funktion einen bestimmten Eisenquerschnitt innerhalb der Sekundärwicklung notwendig, sondern verringerte Querschnitte können durch überhöhte Induktionsänderungen pro Zeit ausgeglichen werden. Auch für die Bogenstabilität ist ein genügend grosser Transformatorinnenwiderstand mehr in bezug auf Scheitelspannungsänderungen pro Stromänderungen wesentlich, wogegen die Veränderungen der Spannungsflanken weniger von Bedeutung sind.
Die Erfindung ergibt eine bedeutende Material- und Gewichtsersparnis bei Erfüllung genannter Erfordernisse für mit Streufeld arbeitende Schweisstransformatoren dadurch, dass der Sekundärquerschnitt (d. h. der Querschnitt des von der Sekundärwicklung oder im wesentlichen von der Sekundärwicklung umschlossenen Teiles des Eisenkernes ; S) wenigstens auf einem Teil seines Weges höchstens 3/4 des Primärquerschnittes (d. h. des Querschnittes des von der Primärwicklung oder im wesentlichen von der Primärwicklung umschlossenen Teiles des Eisenkernes ;
P) beträgt und die Querschnitte so gewählt sind, dass bei Leerlauf der Sekundärsättigungskraftfluss kleiner als der Primärscheitelkraftfluss ist, wobei der Querschnitt der den Kraftfluss vom Primärquerschnitt zum Sekundärquerschnitt überleitenden Eisenkernteile grösser als der Sekundärquerschnitt S gewählt ist und vorzugsweise etwa dem Primärquerschnitt P entspricht.
Die Wirkungsweise eines Schweisstransformators mit erfindungsgemäss verkleinertem Sekundärquerschnitt ergibt sich folgendermassen (vgl. Fig. l) : Bei gleichem Sekundär- wie Primärquerschnitt hat die in der Sekundärwicklung induzierte Leerlaufspannungpraktischsinus-Funktion, d. h. wie die Netzspannung (Kurve I). Bei verkleinertem Sekundärquerschnitt sind im Leerlauf jedoch von dieser sinus-Funktion nur die. wenig wirksamen'Flanken abgeschnitten, während die wirksamen Spannungen nahe dem Scheitelwert praktisch unverändert sind (Kurve II). Bei sehr gutem Magnetmaterial mit hoher Permeabilität und jähem Übergang in die Sättigung ergibt sich ein praktisch senkrechter Flankenabschnitt ; mit weniger gutem Magnetmaterial ergeben sich mehr oder minder geneigte und abgerundete Flankenabschnitte.
Diese Leerlaufeffekte ergeben sich dadurch, dass infolge der induktiven Phasenverschiebung die Spannungsflanken in das Gebiet der hohen Induktionen fallen, die bei verkleinertem Sekundärquerschnitt bereits dem Übersättigungsgebiet zugehören. Dieses Ausfahren des verkleinerten Sekundärquerschnittes bis praktisch in die Sättigung ergibt dabei eine so vollkommene magnetische Eisenausnutzung, wie sie mit unverkleinertem Sekundärquerschnitt nicht zu erreichen ist. Dagegen fallen die hohen Spannungen gerade mit den niederen Induktionen und niederen Magnetisierungsströmen zusammen, auf welche der verkleinerte Sekundärquerschnitt praktisch ebenso wie der unverkleinerte anspricht ; nur die Induktionsänderung pro Zeit wird von selbst mit der Querschnittsverkleinerung überhöht, so dass eben die Leerlaufscheitelspannung unver-
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mindert ist.
Da sich dies zudem im Bereich der niederen primären Induktionen abspielt, wirken der un- verändert hohen Scheitelspannung auch keine wesentlichen primären, ohmschen Spannungsabfälle entge- gen.
Während sich die Leerlaufeffekte in genannter Weise ergeben, liegen bei normaler Sekundärlast mit i einem nicht zu stark verkleinerten Sekundärquerschnitt praktisch gleiche Spannungen vor wie mit unver- kleinerem Sekundärquerschnitt (beides Kurve III) ; nur im Falle schlechten Magnetmaterials ergeben sich mit dem verkleinerten Sekundärquerschnitt etwas stärkere Spannungskurvenverzeichnungen als mit dem unverkleinerten Sekundärquerschnitt, was aber praktisch bedeutungslos ist.
Die Verkleinerung des Sekundärquerschnittes bewirkt, dass nicht nur unter Last, sondern auch im Leerlauf ein grosser Teil des Primärscheitelkraftflusses als Streufeld abgeht. Der Blindstrom-Scheitelwert ist dabei im Leerlauf fast so gross wie unter Last, während der Blindstrom-Flächenwert im Leerlauf klei- ner als unter Last ist. Für eine kapazitive Blindstromkompensation wirkt sich dies als besonderer Vorteil aus, indem dadurch sowohl im Leerlauf wie unter Last der aus dem Netz aufgenommene Blindstromanteil niedergehalten werden kann ; ein grosses Bedürfnis für die Anschliessbarkeit starker Schweissgeräte an gege- , bene Netze wird damit befriedigt. Hiebei ergibt sich im Leerlauf immer noch eine genügend kleine Kup- ferbelastung.
Unter Last wird durch die Sekundärquerschnittsverkleinerung der Blindstrom praktisch nicht erhöht.
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Sekundärquerschnittsverkleinerung wird die Sekundärwindungslänge bedeutend verkürzt.des sekundären Kupferverlustes. Umgekehrt kann man statt dieser Senkung des sekundären Kupferverlustes die Sekundärwindungszahl steigern, wodurch die Zünd- und Bogenstabilitätseigenschaften verbessert wer- den, obgleich durch die Querschnittsverkleinerung bedeutend Material gespart wird.
Die beste magnetische Ausnutzung des Eisenkernes ergibt sich bei einer derartigen Querschnittsver- kleinerung, wenn unter normaler Sekundärlast im Sekundärquerschnitt S im wesentlichen gleiche Induk- tionswerte erreicht werden wie im Primärquerschnitt P. Die Bestimmung der optimalen Eiseninduktion erfolgt nach den allgemein üblichen theoretischen oder experimentellen Methoden in Hinsicht auf die
Besonderheiten des benutzten Magnetmaterials. Die Wahl der geeignetsten Sekundärquerschnittsverklei- nerung hängt somit wesentlich vom sekundären Verhältnis der Last- zur Leerlaufspannung ab.
Die Mög- lichkeit der Sekundärwindungserhöhung bei Sekundärquerschnittsverkleinerung ermöglicht also ihrerseits eine weitere Querschnittsverkleinerung, so dass insgesamt erstaunlich kleine Verhältnisse des Sekundär- querschnittes S zum Primärquerschnitt P bei ungewöhnlicher Aufwandersparnis immer noch Vorteile zu bieten vermögen : Nach den jeweiligen Anforderungen etwa 3/4 bis etwa 1/4. In den meistenFällen er- geben sich etwa mit halbem Sekundärquerschnitt die günstigsten Bedingungen. Bei besonderen Anforde- rungen erweisen sich sogar noch kleinere Verhältnisse als 1/4 vorteilhaft.
Durch entsprechend kleine Verhältnisse des Sekundärquerschnittes S zum Primärquerschnitt P kann erreicht werden, dass trotz hoher Leerlaufspannungsscheitelwerte ein niederer Leerlaufspannungseffektiv- wert gegeben ist, so dass niemals ein aus Sicherheitsgründen vorgeschriebener Spannungseffektivwert über- schritten wird. Unter extremen Spannungsverhältnissen können hiebei Sekundärquerschnittsverkleinerun- gen erforderlich werden, mit denen der Sekundärquerschnitt auch unter Last bis in den Sättigungsbereich ausgefahren wird. Jedoch mit passend dimensionierten, sekundärseitig angeschlossenen Kapazitäten kann den Sicherheitsanforderungen auch schon mit weniger extremen Sekundärquerschnittsverkleinerungen ge- nügt werden.
Bei verstellbarer Streuinduktivität des Schweisstransformators kann es zweckmässig sein, sol- che Kapazitäten in einer darauf abgestellten Weise mitzuverstellen. Auf alle Fälle - mit Sekundärquerschnittsverkleinerungen allein oder zusammen mit sekundären Kapazitäten - ist es in ganz einfacher Weise möglich, die besten Schweisseigenschaften mit niemaligem Überschreiten der aus Sicherheitsgründen vorgeschriebenen Effektivspannungswerte zu verbinden. Dies bedeutet aber die Lösung eines schwerwiegenden, bisher trotz aller Bemühungen noch ungelösten Problems der Schweisstechnik.
Der primärseitige Kraftflussüberschuss fliesst über den umgebenden Raum ab. Die Querschnittsver- grösserungen von Joch-, Mantelteilen usw. bieten zwar aus den genannten, bekannten Gründen Vorteile.
Bei verengtem Sekundärquerschnitt S kommt jedoch noch gewissen andern Querschnittsverhältnissen besondere Bedeutung zu : Soweit Streufelder von Eisenkernteilen ausgehen, die der Kraftflussleitung vom Primärquerschnitt P zum Sekundärquerschnitt S dienen, ist es praktisch erforderlich, den Querschnitt dieser überleitenden Eisenkernteile gegenüber dem Sekundärquerschnitt S zu erhöhen ; andernfalls würden diese überleitenden Eisenkernteile zusammen mit den noch ausstreuenden Feldern einen unerwünschten Kraftflussengpass ergeben. Vorteilhaft benutzt man Querschnitte der kraftflussüberleitenden Eisenkernteile, die dem Primärquerschnitt P vergleichbar sind ; dies ist jedoch nicht kritisch.
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Ein verkleinerter Sekundärquerschnitt S kann mit einem geschlossenen Kernblechpaket derartiger Pakethöhe eingerichtet sein, dass sich bei der Sekundärschenkelbreite eben der erforderliche Sekundärquerschnitt S ergibt. Soweit hiebei auf der Primärseite - etwa bei gleicher oder zu wenig unterschiedlicher
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nerhalb der Primärwicklung verlaufende magnetisierbare Bleche zu vergrössern, die an den Primärwick- lungsenden oder mehr oder minder weit ausserhalb der Primärwicklungsenden offen enden.
Der Austritt von Streufeldern aus tieferliegenden Blechlamellen senkrecht zu den Blechlamellen ver- ursacht in der Regel bedeutende Eisenverluste durch Wirbelströme in der Lamellenebene. Da die Streufel- ) der im Leerlauf wie unter Last grossenteils vom Kraftfluss solcher offen endender Bleche gedeckt werden, ist mit solchen zusätzlichen offenen Blechen der Kraftflussdurchtritt durch die Ebenen von Kernblechla- mellen weitgehend vermeidbar. Hiezu ist es vorteilhaft, die auf dem geschlossenen Kernblechpaket ge- stapelten zusätzlichen, offenen Bleche nach innen gegen das geschlossene Kernblechpaket zu mit grösse- rer Länge auszuführen, so dass immer dem Kernblechpaket näherliegende Bleche mit einer entsprechen- ; den freien Oberfläche vorstehen.
Richtet man diese jeweils überstehende Oberfläche gerade so ein, dass sie ungefähr so viel Kraftfluss in den Raum ausstreut, als innerhalb des Primärquerschnittes in diesen Ble- chen fliesst, so wird der streufeldbedingte Eisenverlust bedeutend herabgesetzt. Die zusätzliche Verwen- dung solcher magnetisierbarer Bleche im Primärquerschnitt ist somit nicht nur die billigste Massnahme, um einen gegenüber dem Primärquerschnitt verringerten Sekundärquerschnitt zu erzielen, sondern bietet auch noch diesen besonderen Vorteil geringer Streufeld-Eisenverluste. Hiebei ist es oft vorteilhaft, wenn diese zusätzlichen Bleche noch mehr oder minder weit diejenigen Teile des geschlossenen Kernblechpa- ketes überdecken, die den Kraftfluss vom Primärquerschnitt P zum Sekundärquerschnitt S leiten.
Erforder- lichenfalls kann die Streuinduktivität gesteigert werden, indem diese oder ein Teil dieser zusätzlichen, offenen Bleche am Primärwicklungsende hochgebogen werden, wobei sie mitunter mehr oder minder weit über die Primärwicklung zurückgeführt werden können.. Man kann auf diese Weise eine genaue Einstellung der gewünschten Streuinduktivität erzielen.
Die offenen Bleche können aus Magnetmaterial mindererQualität sein als das geschlossene Kernblech- paket.
Für Zweischenkelkerne sind als geschlossenes Kernblechpaket besonders vorteilhaft die sogenannten
P-Bleche benutzbar, die gleiche Breite beider Schenkel mit zirka 1,5-facher Jochbreite verbinden und ihre Stossfugen u im Schenkel abgerückt von der Schenkelmitte (Pu-Form) oder ihre Stossfugen 1 im ver-
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Primärschenkel parallel zu den Kernblechlagen im Sinne einer Kernpaketerhöhung h und bzw. oder im
Sinne einer Kernpaketverbreiterung b anliegen.
Ein sehr zweckmässiger Kernblechschnitt für das geschlossene Kernblechpaket ist ein UI-Schnitt, dessen einer Schenkel gegenüber dem andern Schenkel verbreitert ist und dessen Joch etwa von gleicher Breite wie der breitere Schenkel ist. Ist dabei ferner die Fensterbreite gleich der Jochbreite und die Fensterlänge gleich der Summe aus Fensterbreite und beiden Schenkelbreiten, so ist ein solcher Kernblechschnitt völlig abfallos (z. B. wie Fig. 3).
Für Mantelkerne können etwa zwei mit den Schenkeln gegeneinandergestellte E-Kernblechpakete benutzt werden, wobei vorteilhaft der Sekundärquerschnitt S dadurch verkleinert ist, dass die die Sekundärwicklung tragenden E-Kernbleche ein breiteres und entsprechend kürzeres Fenster aufweisen als die die Primärwicklung tragenden E-Kernbleche (z. B. wie Fig. 4). Statt dessen oder zusätzlich dazu kann der Primärquerschnitt P ebenfalls durch solche zusätzliche magnetisierbare Blechstreifen über dem die Primärwicklung tragenden E-Mittelschenkel verstärkt sein.
Im übrigen können derartige Transformatoren in beliebigen Zweischenkel- oder Mantelkernausführungen erstellt werden. Hiebei können die betreffenden Kerne auch ganz mit Streifen und bzw. oder mit gewickelten Kernen zusammengestellt sein.
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