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Vorrichtung zum Speisen einer induktiven und bzw. oder verhältnismässig kleinen Belastung über ein Ignitron
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Speisen einer induktiven und bzw. oder verhältnismässig kleinen Belastung aus einer Wechselspannungsquelle mittels eines vom Belastungsstrom gezündeten Ignitrons.
Um ein Wiederlöschen des Ignitrons infolge einer zu langsamen Zunahme des Stromes durch die Belastung zu verhüten, ist es bekannt, z. B. aus der USA-Patentschrift Nr. 2, 270, 601, diesen Strom mittels eines Hilfskreises, der einen Kondensator enthält und zwischen einer Elektrode des Ignitrons und der vom Ignitron abgekehrten Klemme der Belastung angeschlossen ist, anfänglich zu erhöhen. Bei den bekannten Vorrichtungen besteht dieser Hilfskreis aus der Reihenschaltung eines Kondensators und eines Widerstandes und kann mit der Belastung oder dem Ignitron in Nebenschluss geschaltet werden.
Im ersten Falle wird der Belastungsstrom anfänglich um den durch den Widerstand beschränkten Ladestrom des Kondensators erhöht. DieZeitkonstante des Hilfskreises ist klein gegenüber einer Halbwelle der Speisewechselspannung, so dass die Spannung am Kondensator darauf nahezu gleich der Spannung an der Belastung bleibt und der Strom durch den Hilfskreis, nach einer anfänglichen Spitze, verhältnismässig gering bleibt.
Im zweiten Falle ist die Spannung am Kondensator nahezu gleich der Spannung am Ignitron. Im Zeitpunkt der Zündung des Ignitrons entlädt sich der Kondensator über den Widerstand und das Ignitron, worauf die Spannung am Kondensator gleich der Spannung am Ignitron und demnach sehr klein bleibt.
In beiden Fällen ist die anfängliche Erhöhung des durch das Ignitron fliessenden Stromes von kurzer Dauer und beschränkter Amplitude ; einerseits ist die Kapazität des Kondensators durch praktische Erwägungen und durch den Umstand beschränkt, dass die Eigenfrequenz des aus dem Kondensator und der induktiven Belastung bestehenden Resonanzkreises höher als die Frequenz der Speisewechselspannung bleiben muss, und anderseits muss der Wert des Widerstandes so hoch gewählt werden, dass dieser Resonanzkreis unterkritisch gedämpft ist, da sonst die beim Zünden und bzw. oder Erlöschen des Ignitrons entstehenden Stromimpulse unerwünschte Eigenschwingungen dieses Kreises erzeugen würden.
Folglich kann der Gesamtstrom durch das Ignitron unter gewissen Verhältnissen wieder bis unter den Haltewert abnehmen, bevor der Belastungsstrom bis auf den Haltewert angestiegen ist, so dass der Kathodenfleck vor diesem Zeitpunkt wieder verschwindet oder in diesem Zeitpunkt noch nicht stabil geworden ist, und bzw. oder noch nicht in hinreichendem Masse Ionen emittiert, um das Übernehmen der Entladung durch die Hauptanode designitrons zu gewährleisten. Bei induktiver oder schwacher Belastung, z.
B. beim Speisen des Transformators eines elektrischen Schweissgerätes kann also das Ignitron wieder erlöschen und gegebenenfalls später wieder zünden, usw. ; es funktioniert sehr schlecht, auf eine Weise, die mit der eines zurückspringenden oder mehrmalig zurückprallenden Schaltkontaktes vergleichbar ist ; ebenso istdas Schweissen schlecht, unregelmässig oder unmöglich und die Lebensdauer des Ignitrons wird beträchtlich verkürzt.
Die Erfahrung hat gelehrt, dass solche nachteiligen Erscheinungen vermeidbar sind, wenn dafür gesorgt wird, dass der durch das Ignitron fliessende Strom vom Anfang der Zündung an und während einer Zündperiode von der Grössenordnung von 100 ; sec grösser als der Zündwert bleibt.
Die Erfindung bezweckt, einen verbesserten Hilfskreis zu schaffen, durch den der Belastungsstrom
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anfänglich in verhältnismässig stärkerem Masse und während einer längeren Periode erhöht werden kann.
Die Vorrichtung nach der Erfindung weist das Merkmal auf, dass der Hilfskreis aus der Reihenschaltung des von einem Widerstand überbrücktenKondensators und eines in bezug auf den Strom der mit demHilfs- kreis verbundenen Elektrode des Ignitrons in der Vorwärtsrichtung geschalteten Gleichrichters besteht.
Durch diese Massnahme wird es möglich, einen besonders starken und lange dauernden Stromimpuls durch den Hilfskreis fliessen zu lassen und auf diese Weise eine gute Arbeitsweise des Ignitrons sogar unter ungünstigen Verhältnissen zu gewährleisten.
Das Übernehmen der Entladung durch die Anode des Ignitrons soll vorzugsweise während einer Periode erfolgen, in der der Strom durch das Ignitron zunimmt. Dies wird erreicht, wenn in den Hilfskreis nach der Erfindung noch eine Induktivität aufgenommen wird, die in Reihe mit dem Gleichrichter und mit der Parallelschaltung des Kondensators und des Widerstandes geschaltet wird und mit dem Kondensator einen Reihenkreis mit einer höheren Eigenfrequenz als die der Speisespannung bildet.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. In Fig. l, 2 und 3 sind die Schaltbilder von drei Ausführungsbeispielen der Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt. Fig. 4-7 zeigen Strom- und Spannungszeitdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise dieser Vorrichtung.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel besitzt einen Schweisstransformator 1 mit einer Primärwicklung la und einem parallel liegenden Widerstand 2. DieseParallelschaltung stellt die Belastung einer Wechselspannungsquelle 3 dar, an welche die Parallelschaltung über zwei gegensinnig parallel liegende Ignitrons 4 und 5 angeschlossen ist. Um einen Stromdurchgang zu bewirken, werden die Ignitrons 4 und 5 durch Thyratrons 6 und 8 gezündet ; die Kathode jedes Thyratrons ist mit der Zündelektrode des entsprechenden Ignitrons verbunden.
Die Anode des Thyratrons 6 ist über einen Widerstand 7 mit der Anode des Ignitrons 4 und mit einer der Klemmen der Spannungsquelle 3 verbunden, und die Anode des Thyratrons 8 liegt über die Reihenschaltung eines ersten Widerstandes 9 und eines von einem zweiten Widerstand 15 überbrückten Kondensators 11 an der ändern Klemme der Spannungsquelle 3. In Nebenschluss mit der Parallelschaltung der Primärwicklung la desSchweisstransformators 1 und des Widerstandes 2 liegt die Reihenschaltung eines von einem Widerstand 14 überbrUcktenKondénsators 10 und eines Gleichrichters 16, dessen Anode mit der Kathode des Ignitrons 4 verbunden ist.
Die Thyratrons 6 und 8 werden abwechselnd von kurzen positiven Spannungsimpulsen gezündet, die ihren Steuergitter zugeführt und von einer mit der Spannungsquelle 3 synchronen Impulsquelle erzeugt werden, wobei die Phase dieser Impulse gegenüber der Spannung der Spannungsquelle 3 gegebenenfalls regelbar ist, um denZündzeitpunkt der Thyratrons 6 und 8, und demnach auch der Ignitrons 4 und 5, und den von diesen durchgelassenen Teil jeder Halbwelle der Speisespannung zu regeln.
Bei einer bekannten Vorrichtung gleicher Art ist die Anode des Thyratrons 8 über den Widerstand 9, der dem Widerstand 7 entspricht und den gleichen Wert hat, mit der Anode des entsprechenden Ignitrons 5 verbunden, und-die Hilfsbelastungskreise 10, 14, 16 und 11, 15, 8, 9 sind durch einen einzigen Kondensator in Reihe mit einem Widerstand ersetzt. Der Wert des Kondensators ist dann durch die Bedingung beschränkt, dass die Eigenfrequenz des Kreises, der aus diesem Kondensator und der an der Primärwicklung la des Schweisstransformers 1 wirksamen effektiven Induktivität besteht, höher als die Frequenz der Wechselspannungsquelle 3, z.
B. das Dreifache dieser Frequenz, sein muss ; weiterhin muss der in Reihe mit diesem Kondensator liegende Widerstand so gross gewählt werden, dass derselbe Kreis unterkritisch gedämpft ist.
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als etwa 11 jF gewählt werden und der mit ihm in Reihe liegende Widerstand muss einen Wert von wenigstens 20 Ohm haben.
Ist die effektive Spannung der Quelle 3 gleich 220 V und erfolgt die Zündung in einem Zeitpunkt to (Fig. 4), in dem der Augenblickswert V dieser Spannung 260 V beträgt, so ist der Verlauf des Belastung-
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inFig. 5bekannten Hilfsbelastungskreis fliesst im Zeitpunkt to ein Strom ic gleich 13 A. Dieser Strom nimmt dann entsprechend der Aufladung des Kondensators allmählich ab, wie in Fig. 6 dargestellt ist.
Die Erfahrung im Betrieb von Ignitrons lehrt, dass eine stabile Entladung erst erreicht wird, wenn der Strom wenigstens 100 sec lang, vom Zündzeitpunkt to an gerechnet, grösser bleibt als der zum Zünden der Entladung zwischen der Kathode und der Anode erforderliche Wert, z. B. grösser als 12 A.
Beim beschriebenen Beispiel, jedoch mit dem bekannten Hilfsbelastungskreis ist diese Bedingung ge-
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bestimmt, da der Strom IB + ic nahezu konstant bleibt, und wird sich daher auch entsprechend der Belastung ändern, wenn die Zündung nicht sofort nach dem Zeitpunkt to stattfindet. Bei noch schwächerer Belastung wird die Zündung unsicher und unter gewissen Verhältnissen sogar unterbleiben, so dass die Qualität der Schweissarbeit manchmal zu wünschen übriglässt.
Das Aufnehmen eines Gleichrichters 16 bzw. 8 in den Hilfsbelastungskreis 10, 14, 16 bzw. 11, 15, 8, 9 der Ignitrons 4 und 5, wie in Fig. 1 dargestellt, macht es möglich, den Wert des Reihenwiderstandes 7 bzw. 9 jedes dieser Hilfsbelastungskreise herabzusetzen ; Resonanzerscheinungen dieser Hilfsbelastungskreise mit der Induktivität des Belastungskreises 1 sind dann ausgeschlossen und die Widerstände 7 und 9 dienen nicht mehr dazu, einen solchen Resonanzkreis unterkritisch zu dämpfen, sondern ausschliesslich zur Beschränkung des Spitzenwertes des durch das entsprechende Thyratron fliessenden Stromes. Man wird z.
B. den Wert der Widerstände 7 und 9 gleich 5 Ohm wählen, während die Widerstände 14 und 15 derart gewählt werden, dass der entsprechende Kondensator 10 bzw. 11 nach einem Zeitabschnitt gleich wenigstens einer Halbwelle der Speisespannung wieder praktisch völlig entladen ist. Wird für die Kondensatoren 10 und 11 ein Wert von 10 u F gewählt, so können die Widerstände 14 und 15 z. B. einen Wert von je 300 Ohm haben. Unter diesen Verhältnissen hat der durch jeden der Hilfsbelastungskreise fliessende Strom icg einen Verlauf nach Fig. 6. Während 100 Il sec nach dem Zeitpunkt to bleibt wieder der Strom IB + i g grösser als 12 A.
Der Anfangswert des Stromes icg ist aber viel grösser als mit dem bekannten Hilfsbelastungskreis, u. zw. gleich 52 A, so dass die Zündung der Entladung zwischen der Kathode und der Anode jedes Ignitrons sofort nach dem Zeitpunkt to zustande kommen kann, in einem vom Belastungs- strom IB praktisch unabhängigen Augenblick.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 haben die Hilfsbelastungskreise eine gemeinsame Induktivität 18.
Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass der Hilfsbelastungskreis mit dem Kondensator 11 für das Ignitron 5 einen Gleichrichter 17 enthält, dessen Kathode mit dem gemeinsamen Punkt der Kathode des Igni trons 5 verbunden ist, während die Anode des Thyratrons 8 über den Widerstand 9, der vom gleichen Wert wie der Widerstand 7 ist, ebenfalls mit diesem Punkt verbunden ist. In Fig. 2 ist die Belastung 1, 2 durch ein Rechteck angedeutet.
Jeder der Kondensatoren 10 und 11 bildet zusammen mit der Induktivität 18 einen Reihenresonanzkreis, und die Werte dieser Kondensatoren und dieser Induktivität sind derart gewählt, dass die Resonanz-
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densator 10 oder 11 von 5 ut und einer Induktivität 18 von 250 uH. Dieser Strom nimmt sehr steil zu und erreicht nach 55 fl sec einen Höchstwert von 37 A. In Wirklichkeit ist aber jeder Hilfsbelastungskreis durch den Parallelwiderstand 14 bzw. 15 von z. B. 600 Ohm, den Durchlasswiderstand seinesGleichrichters16 bzw. 17 und, vor der Zündung der Entladung zwischen der Kathode und der Anode des entsprechenden Ignitrons, durch das Thyratron 6 oder 8 mit seinem Strombegrenzungswiderstand 7 oder 9 gedämpft.
Der Strom durch jeden dieser Kreise verläuft also gemäss der gestrichelten Kurve i mit einem Höchstwert von ungefähr 25 A. Bis zum Augenblick to', in dem der Strom durch einen Hilfsbelastungskreis einen Wert von etwa 12 A erreicht, ist der durch das entsprechende Ignitron fliessende Strom ii gleich dem Strom io der Zündelektrode dieses Ignitrons. Im Zeitpunkt t'wird die Entladung zwischen der Kathode und der Anode desselben Ignitrons gezündet und, da der Kreis dieser Anode keinen dem des Thyratrons 6 oder 8 mit seinem Strombegrenzungswiderstand 7 oder 9 entsprechenden Widerstand enthält, nimmt der Ignitronstrom ii in höherem Masse zu als gemäss der Kurve ip. Von diesem Augenblick an nimmt auch der Strom io der Zündelektrode des Ignitrons beträchtlich ab.
Durch das Vorhandensein des Gleichrichters 17 liegt die Röhre 8 nicht mehr im Hilfsbelastungskreis für das Ignitron 5, so dass die ganze Vorrichtung"gegensinnig parallel"symmetrisch ist und diebeiden Ignitrons abwechselnd auf identische Weise arbeiten.
Die Induktivität 18 der Fig. 2 kann auch durch zwei in die Kathodenkreise der Ignitrons 4 und 5 auf- genommenen Induktivitäten ersetzt werden, wobei eine gegebenenfalls vorhandene Hilfsanode jedes Ignitrons mit dem von der Kathode dieses Ignitrons abgekehrten Ende der zugehörigen Induktivität verbunden ist und bzw. oder die Zündelektrode jedes Ignitrons über einen in der Vorwärtsrichtung geschalteten Gleichrichter mit diesem von der Kathode abgekehrten Ende verbunden ist. Auf diese Weise kann der Zündstrom ii längere Zeit durch die in der Induktivität gespeicherte Energie auf einem hohen Wert gehalten werden. Dennoch müssen die Induktivitäten für den Hauptstrom eines Ignitrons bemessen werden, so dass sie umfangreich und kostspielig sind.
Es wird daher bevorzugt, wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 gezeigt ist, Induktivitäten 12 und 13
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oder 20 mit der Kathode des zugehörigen Thyratrons zu verbinden, wobei die Anode des Gleichrichters 19 oder 20 mit der Kathode des zugehörigen Ignitrons 4 oder 5 verbunden ist.
BeimZünden z. B. des Ignitrons 4 lädt sich zunächst der Kondensator 10 auf über den Gleichrichter 16, den Weg zwischen der Kathode und der Zündelektrode des Ignitrons 4, die Induktivität 12, den Kathoden-
Anodenweg des Thyratrons 6 und dessen Begrenzungswiderstand 7. Infolge dieses Ladestroms wird in der Induktivität 12 bis zum Zeitpunkt ton (Fig. 7) Energie gespeichert. Nachdem die ganze elektrische Ener- gie des aus dem Kondensator 10 und der Induktivität 12 bestehenden Schwingkreises in diese Induktivität übergegangen ist, erlischt das Thyratron 6 im Zeitpunkt ton, da der Kondensator 10 dann auf die Spannung der Quelle 3 aufgeladen ist und das Thyratron somit keine Kathoden-Anodenspannung mehr erhält. Die
Induktivität 12wirkt aber einer plötzlichen Unterbrechung des Stromes entgegen.
BeimErlöschen des Thy- ratrons 6 entsteht somit an der Induktivität 12 eine Gegenspannung, die keine Wiederzündung des Thyratrons 6 herbeiführen könnte, da sie einen Strom über den Gleichrichter 19 und den Weg zwischen der Kathode und der Zündelektrode des Ignitrons 4 verursacht. Die in der Induktivität 12 im Zeitpunkt tQ" gesammelte elektrische Energie wird also in diesem Kreis aufgebraucht. Dabei wird der Zündstromimpuls beträchtlich verlängert, wie es in Fig. 7 durch die strichpunktierte Linie dargestellt ist, und kann z. B.
140 11 sec nach dem Zeitpunkt to noch etwa 12 A betragen.
In sämtlichen in der Praxis vorkommenden Fällen kann ein Hilfskreis nach der Erfindung eine befrie- diende, betriebssichere und verhältnismässig billigere Lösung des durch die Zündung eines Ignitrons gestellten, eingangs erwähnten Problems schaffen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Speisen einer induktiven und bzw. oder verhältnismässig kleinen Belastung aus einer Wechselspannungsquelle mittels eines vom Belastungsstrom gezündeten Ignitrons, wobei, um ein Wiederlöschen des Ignitrons infolge einer zu langsamen Zunahme des durch die Belastung fliessenden Stromes zu verhüten, dieser Strom anfänglich mittels eines Hilfskreises erhöht wird, der einen Kondensator enthält und zwischen einer Elektrode des Ignitrons und der vom Ignitron abgekehrten Klemme der Belastung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfskreis aus der Reihenschaltung des von einem Widerstand überbrückten Kondensators und eines in bezug auf den Strom der mit dem Hilfskreis verbundenen Elektrode des Ignitrons in der Durchlassrichtung geschalteten Gleichrichters besteht.