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Schweissanlage für Anschluss an Wechsel-oder Drehstrom
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Durch die deutsche Patentschrift Nr. 929. 263, einen Transformator grosser Streuung, insbesondere für Schweisszwecke betreffend, ist auch schon eine kurzschliessbare Vorschaltdrossel beschrieben worden, deren wahlweises Kurzschliessen für die Stromregulierung herangezogen wird. Auch diese Anordnung wäre schalttechnisch kompliziert, sollte sie für die Gleich- und Wechselstromschweissung gedgnet sein.
Die wesentlichen Vorteile der erfindungsgemässen Schweissanlage sind folgende.
Die Drossel dient zur Verkleinerung des zur Erzielung des vorgegebenen Stromregelbereiches erfor- derlichen Steuerregelweges, also zur Verminderung des Wicklungshubes und der damit verbundenen Sehen. kelverlängerung. Zu diesem Zweck ist die Drossel bei beiden Stromarten nicht überbrückt.
Die Leistungsabgabe des Gerätes steht bei Gleich- und Wechselstrom etwa im Verhältnis von 1 : 0. e und es bedingt dieser Unterschied bei Wechselstrom eine entsprechende Drosselinduktivitätsvergrösserung, um einen ergiebigen Regeleffekt nach unten zu bewirken. Dieser Effekt wird bei der Wechselstromschwei- ssung mit der ganzen Drosselwindungszahl erreicht (Drossel unüberbruckt). Bei Wechselstromschweissungen mit dem Grossstrombereich ist die ganze Drosselwicklung überbrückt. Bei der Gleichstromschweissung wird derselbe Regeleffekt nach unten im Kleinststrombereich mit etwa der halben Drosselwindungszahl (Anzapfung) erreicht.
Bei Gleichstromschweissungen mit dem Grossstrombereich ist wieder die ganze Drosselwicklung überbrückt, in diesem Falle aber so, dass diebeidenDrosselhälften je Schenkel zweifach parallelgeschaltet sind, u, zw. in Gegenschaltung, so dass die Drossel elektrisch unwirksam wird. Weil die bei Wechselstrom erforderliche ganze Windungszahl nun zweifach parallelgeschaltet ist, bedingt diese Schaltung keinen erhöhten Wicklungsbedarf ; es wird eine vorhandene Wicklung dazu benutzt. Dadurch wird erreicht, dass beim Übergang von einer auf die andere Stromart kein zusätzliches Schaltgerät bzw. eine weitere Umschaltung erforderlich wird.
Bei Wechselstrom bereitet das Schweissen mit kleinen Strömen, insbesondere aber das Zünden, Schwierigkeiten. Es ist bekannt, dass mit einer Vorschaltdrossel im Schweissstromkreis eine wesentliche Verbesserung erzielbar ist, weshalb diese Anordnung auch aus diesem Grunde gewählt wurde.
Bei der Gleichstromschweissung mit kleinen Strömen bewirken hohe Stossströme, z. B. durch Zünd-
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dieser Stromart vorteilhaft auf die schweisstechnischen Eigenschaften des Gerätes auswirkt.
Bemerkenswert bei dieser Anordnung ist daher, dass erstens für das Arbeiten mit Gleich- oder Wechselstrom keine Wicklungsumschaltung am Gerät vorzunehmen ist und zweitens für die Strombereichsschaltung bei beiden Stromarten nur eine einfache dreipolige Überbrückung (Laschen oder Schalter od. dgl.) erforderlich ist.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild einer erfindungsgemässen Schweissstrpmquelle. Fig. 2 zeigt verschiedene durch Umschaltung der Schweissstromquelle erzielbare statische Charakteristiken für Gleich- und für Wechselstromschwei- ssung, die Fig. 3a und 3b zeigen schematisch in zwei Projektionen den Aufbau eines durch Veränderung des Abstandes der Sekundär- von den Primärspulen in seiner Induktivität regelbaren Transformators einer erfindungsgemässen Schweissstromquelle und Fig. 4 zeigt in Draufsicht eine Anordnung mit in einer Ebene liegenden Kernen.
Es gelten für die Gleich- und Wechselstromschweissung folgende Regelbereiche, je nach Stellung des Umschalters oder der Laschenverbindung (s. Fig. l und 2) :
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<tb>
<tb> Gleichstromschweissung
<tb> Schaltstellung <SEP> Regelbereich <SEP> Kennlinie
<tb> XY
<tb> I-I <SEP> 120.. <SEP> 300 <SEP> A <SEP> 1 <SEP>
<tb> 1-11 <SEP> 60.. <SEP> 120 <SEP> A <SEP> 2
<tb> 11-1 <SEP> 80.. <SEP> 240 <SEP> A <SEP> 4
<tb> 11-11 <SEP> 30.. <SEP> 90A <SEP> 3
<tb> Wechselstromschweissung
<tb> Schaltstellung <SEP> Regelbereich <SEP> Kennlinie
<tb> XY
<tb> lI-I <SEP> 70.. <SEP> 180 <SEP> A <SEP> 5
<tb> lI-lI <SEP> 30.. <SEP> 75 <SEP> A <SEP> 6
<tb>
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Zunächst sei die Wirkungsweise des Erfindungsgegenstandes als Gleichstromschweissgerät beschrieben.
Der Elektroden- bzw. Werk. stückanschluss erfolgt an den Gleichstromklemmen A des in dreiphasiger Brückenschaltung arbeitenden Trockengleichrichters Gl, beispielsweise eines Siliziumgleichrichters. Der gemäss dem eingezeichneten Doppelpfeil durch Abstandsveränderung von Primär- und Sekundärwicklung regelbare Streutransformator Tr ist sekundärseitig am Klemmbrett X in Dreieck oder in Stern schaltbar. Für normale Schweissungen ist der Transformator primär und sekundär in Dreieck geschaltet. Die Spulen der Drossel Dr können bei Y etwa durch einen dreipoligen Hebelschalter kurzgeschlossen sein. In diesem Falle ergibt sich z.
B. bei einem 300 A-Gerät bei einer Leerlaufspannung von 55 V auf der Gleichstromseite ein Regelbereich von etwa 120 bis 300 A, der bei Änderung des Wicklungsabstandes bzw. allgemeiner der Transformatorinduktivität, stufen-und verlustlos durchlaufen wird. Für den höchsten Wert ergibt sich die Kennlinie 1 in Fig. 2 mit weniger steilem Verlauf, wodurch die Lichtbogenleistung annähernd konstant gehalten wird. Die Induktivität der Drosselspulen bzw. ihres dem Gleichrichter vorschaltbaren, durch Anzapfung bestimmten Teiles wird zweckmässig so gewählt, dass die höchste Schweissstromstärke von 300 A durch Aufhebung der Überbrückung der Drosselspulen auf 120 A abgesenkt wird. Der sich dann ergebende Kleinstrombereich beträgt etwa 60 - 120 A.
Auf diese Weise wird der Regelhub im Transformator und damit die erforderliche Schenkellänge, also auch das Transformatorgewicht und die Eisenverluste stark vermindert. Für den Höchststrom ergibt sich nunmehr die Kennlinie 2 in Fig. 2.
Für Dünnblechschweissung werden Ströme von etwa 30 bis 60 A gebraucht, wobei eine höhere Leeraufspannung und ein steilerer Verlauf der statischen Kennlinie (Stromkonstanz) erwünscht ist. Diese Be- dingungen werden erfüllt, wenn bei nicht überbrückten Drosselspulen die Transformator-Sekundärwicklung in Stern geschaltet wird. Damit ergibt sich nämlich eine Leerlaufspannung von 90 V (zulässig 100 V), ein steiler Verlauf der statischen Kennlinie und eine Stromstärke von etwa 30 bis 90A (Kennlinie 3 in Fig. 2 für den Höchststrom), wobei die Drossel ausser der Strombegrenzung auch das Auftreten von schädlichen Stromstössen, z. B. beim Zünden, verhindert.
Die Verschweissung von Spezialelektroden, insbesondere Tiefbrandelektroden, erfordert meist eine sehr beträchtlich erhöhte Arbeitsspainiung (Lichtbogenspannung) und deshalb eine wesentlich erhöhte Leer- aufspannung und einen steilen Verlauf der statischen Kennlinie. Diese Bedingungen werden erfüllt, wenn bei überbrückter Drossel die Transformator-Sekundärwicklung in Stern geschaltet ist. Die höchste Leeraufspannung beträgt dann etwa 95 V und die Stromstärke ist bei normaler (genormter) Arbeitsspannung. nur wenig niedriger als bei der Dreieck/ Dreieck-Schaltung, nämlich etwa 80% davon bei den erhöhten Arbeitsspannungen vermindert sich die Stromstärke infolge der steilen Kennlinie wunschgemäss nur mässig (Kennlinie 4 in Fig. 2).
Diese Schaltung kann auch dann gewählt werden, wenn bei normalen Arbeitspannungen eine Stromkonstanz vorteilhafter erscheint als eine Lichbogenleistungskonstanz.
Bei Verwendung als Wechselstromgerät erfolgt der Anschluss bei B in Fig. l. Die Wechselstromschweissung erfordert wesentlich höhere Leerlaufspannungen als die Gleichstromschweissung, u. zw. bei 30 A etwa 90 -100 V (zulässig 71-75 V), wenn nicht ausgesprochene Spezialelektroden mit besonderen Eigenschaften verwendet werden, und bei 200 A etwa 60-70 V. Nun besteht zwischen der Gleichrichter-Gleich-
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1, 35.Wechselstrom-Leerlaufspannung zu 71 V. Damit erhält man einphasig maximal eine Stromstärke von etwa 2/3 1 oder wenigstens etwa 0, 6. 1 ad 180 A und einen Regelbereich von etwa 70 bis 180 A bei überbrückte Drossel. Dabei gilt für den Höchststrom die Kennlinie 5 in Fig. 2.
Bei offener Drossel und Dreieck/Stern-Schaltung erhält man einen Regelbereich von etwa 30 bis 75 A und es gilt für den Höchststrom die Kennlinie 6 in Fig. 2. In diesem Fall bewirkt die Drossel nicht nur die Stromverminderung, sondern auch, dass man mit der verhältnismässig niedrigen Leerlaufspannung noch einwandfrei mit 30 A schweissen kann. Diesen Ausführungen zufolge ist die Primärseite des Transformators immer in Dreieck geschaltet, so dass auf dieser Seite kein Umschaltgerät erforderlich ist. Auf der Sekundärseite des Transformators ist ein Stern-Dreieckschalter in der Regel auch überflüssig, weil weder rasch abwechselnd Gleichstrom-Wechselstromschweissungen vorkommen, noch rasch abwechselnd Schweissungen mit Strom- konstanz oder Lichtbogenleistungskonstanz.
Diese meist selten vorkommenden Stern - : 9reieck-Umschaltun- gen auf der Transformator-Sekundärseite können fallweise bequem am Klemmbrett X durch Umlegen von Bügeln vorgenommen werden.
Auf der Primärseite wird einheitlich die Dreieck-Schaltung bevorzugt angewendet, um auf diese
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Die Verwendung eines Dreieckkernes fur den Transformator schafft, wie aus Fig. 3 ersichtlich, die Voraussetzung für eine einfache mechanische Reguliervorrichtung. Die Regulierung durch Verstellen der Spulen ergibt besonders bei dreiphasigen Ausführungen auf einfachere Weise ein geräuschloses Arbeiten des Gerätes, als die Verstellung von Eisenteilen, z. B. Streupaketen. In Fig. 3 sind die drei Transformatorkerne mit l, die Joche mit 2, die feststehenden Spulen mit 3, die beweglichen Spulen mit 4, die Verstellspindel mit 5 und das auf dieser sitzende Handrad mit 6 bezeichnet. Diese mechanische Ausführung eignet sich auch bestens für die Fernregelung mittels kleinem Servomotor über das Handrad.
Die drei Kerne können statt im Dreieck auch in einer Ebene angeordnet sein. Die Fig. 4 zeigt diese Ausführung im Prinzip in der Draufsicht. Die Kerne sind mit l, die Joche mit 2,. die höhenverstellbaren Spulen bzw. der Spulentragkörper mit 4, die beiden Verstellspindeln mit 5 und das auf einer Spule angebrachte Handrad mit 6 bezeichnet. Die beiden Spulen werden mit dem Handrad, z. B. über Kettenräder 7 und Ketten 8, gemeinsam betätigt.
Die Drosselschaltung erfolgt durch eine Überbrückung, so dass ein normaler Aus-Schalter verwendbar ist. Es kann die Drosselschaltung aber auch mit einem Schütz bewerkstelligt werden, also auch von jeder beliebigen Entfernung aus erfolgen, was mitunter Vorteile bringt.
Durch die Erfindung werden bei beiden Stromarten nicht nur gute Zünd- und Schweisseigenschaften von den kleinsten bis zu den grössten Strömen erzielt, sondern auch optimale Wirtschaftlichkeit, u. zw. aus folgenden Gründen. Die Leerlaufverluste sind äusserst gering, etwa 250 - 300 W bei einem 300-AGerät, d. i. etwa ein Viertel der Leerlaufverluste eines vollerregten Schweissgleichrichters mit vormagneti-
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Wirkungsgrad von etwa 70% erreicht und einLeistungsfaktorvonetwa 0,71, so dass der Anschluss noch ohne Kondensator gestattet ist, weil die Elektrizitätswerke in der Regel bei Schweissgleichrichtern mit drei- phasigem Anschluss und symmetrischer Netzbelastung erst bei einem Leistungsfaktor unter 0,7 eine Kompensation fordern.
Bei Schweissgleichrichtern mit Vormagnetisierung ist insbesondere der Wirkungsgrad wesentlich kleiner. Der Wirkungsgrad erreicht bei Schweissgleichrichtern mit vormagnetisierter Drossel deshalb keinen so hohen Wert, weil erstens die Wicklungsverluste der Drossel angenähert ebenso gross sind wie die derSekundärwicklung des Haupttransformators, denn zwischen Arbeitsstrom und Steuergleichstrom herrscht Durchflutungsgleichgewicht, was grosse Drosseln ergibt und zweitens ist die Erregerleistung der Vormagnetisierungseinrichtung beträchtlich und erreicht in der Regel ein Mehrfaches der Leerlaufverluste des Transformators.
Der Preis der vormagnetisierten RegeldrosselsamtErregereinrichtung beträgt ein Vielfaches des Preises der erfindungsgemäss zur Anwendung kommenden Vorschaltdrossel, die nur für etwa die Hälfte des Höchststromes zu bemessen ist und nur mittels eines einfachen dreipoligen Schalters oder. einer einfachen Schaltbrücke geschaltet wird. Die gesamten Herstellungskosten sind daher beim erfindungsgemässen Gerät wesentlich kleiner als beim transduktorisch gesteuerten Gerät.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Schweissanlage für Anschluss an Wechsel- oder Drehstrom mit Regelung des Schweissstromes durch Veränderung der Transformatorinduktivität unter Verwendung mindestens einer, insbesondere dreipoligen Drossel, die in den Stromkreis, beispielsweise an die Sekundärwicklung, angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel mit einer herausgeführten Mittelanzapfung versehen ist, die zu einem Gleichrichter, insbesondere einem dreiphasigen Trockengleichrichter in Brückenschaltung, geführt ist und sowohl für Gleich- als auch Wechselstromschweissung fallweise zur Gänze oder teilweise insbesondere durch Laschen überbrückbar ist sowie einen dreipoligen Umschalter od.
dgl., der die Anfangs- und Endklemmen der Drossel verbindet, so dass jeweils im Grossstrombereich, bei Wechselstrom die Drossel zur Gänze überbrückt und bei Gleichstrom die Drossel durch die Mittelanzapfung in zwei gleiche Teile unterteilt und je Schenkel zweifach parallel in Gegenschaltung geschaltet werden kann, so dass sie ebenfalls elektrisch unwirksam ist, während jeweils im Kleinststrombereich bei Wechselstrom die Drossel zur Gänze in den Stromkreis geschaltet und bei Gleichstrom die Drossel nur zu einem Teil bis zur Mittelnzapfung in den Stromkreis geschaltet werden kann.