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Hochfrequenz-Zündgerät für Wechselstrom-Lichtbögen, insbesondere zum
Schweißen mit einer Funkenstrecke Es ist bekannt, bei z. B. in Schweißanlagen oder
bei Lichtbogenöfen,, zur Zündung und Aufrechterhaltung des Lichtbogens während der
Nulldurchgänge des Arbeitsstromes diesem einen hochfrequentem Hilfsstrom zu überlagern.
Dieser Hilfsstrom verhindert auch beim Lichtbogensch:weißen ein. Abreißen des Lichtbogens
bei Vergrößerung des Elektrodenabstandes.
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Zur Erzeugung des hochfrequenten Hilfsstromes werden, heute allgemein
Funkengeneira;toren verwendet. Über einen Hilfstransformator, der die Netzspannung
auf die erforderliche hohe Spannung vom, beispielsweise 2000 Volt bringt, wird eine
Kapazität aufgeladen und über eine parallel geschaltete Funkenstrecke entladen.,
wobei im Stromkreis eiine Induktivität liegt. Derartige Funkengenierato,ren haben
einen einfachen und. robusten Aufbau und sind wesentlich billiger als andere! bekannte
Hochfrequenzerzeu!ger.
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Eine besondere Eigenschaft dieser Generatoren ist es, daß sie, angefangen.
von der En,tladefrequenz des Kondensators, ein Frequenzspektrum aufweisen, das in
störender Weise bis weit in den Ultrakurzwellenbereich hineinreicht. Man hat daher
bereits. aus diesem Frequenzgemisch eine bestimmte gewünschte Zündfrequenz dadurch
herausgesiebt, daß man, den. aus Kondensator und Induktivität gebildeten, Schwingkreis
auf die gewünschte: Frequenz abstimmte und die über der Grundfrequenz liegenden
Frequenzen des Spektrums durch Tiefpaßfilter von der Lichtbogenstrecke ableitete.
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Die! Erfindung betrifft ein Hochfrequenz-Zündgerät für Wechselstrom-Lichtbögen,
insbesondere in Schweißanlagen., mit einer Funkenstrecke und, einem odei mehreren
mit dieser zusammenwirkenden Kondensatoren.
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Zur Auf ladung des Kondensators hat man allgemein Wechselstrom verwendet.
Die; Erfindung besteht darin" daß zur Aufladung der Kondensatoren Gleichstrom dient,
der aus dem Netz über einen Transformator und einen. Gleichrichtersatz gewonnen
wird.
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Den Aufwand für einen Gleichrichtersatz, der imstande sein muß, die
hohe Spannung des Kondensators zu sperren, hat man. bisher als nicht vertretbar
angesehen.. Die, Erfindung beruht auf der Erkenntnis, da,ß dieser Mehraufwand nur
scheinbar auftritt. In Wirklichkeit kann durch die Verwendung von. Gleichstrom zur
Aufladung des Kondensators sogar eine wesentliche Ersparnis erzielt werden. Bei
Verwendung von Wechselstrom muß nämlich der Kondensator sehr hochwertig sein und
einen geringen Verlustwinkel aufweisen. Es wurde vorgeschlagen, für diesen Zweck
Polystyrol-Kondensatoren zu verwenden. Ladet man jedoch den Kondensator mit Gleichstrom
auf, so genügen die üblichen Hochspannungskondensatoren entweder keramischer Art
oder mit Papierwickel. Die dadurch erreichbare Verbilligung ist so, groß, daß der
Aufwand für das Zündgerät einschließlich. des Gleichrichtersatzes kleiner ist als
bisher.
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Man erzielt außerdem noch einen weiteren wesentlichen. Vorteil: Der
Gleichrichtersatz sperrt den Versorgungsstromkreis des Zündgerätes gegen die erzeugte
Hochfrequenz. Für diesen Zweck mußten bisher Filtermittel vorgesehen werden, die:
nunmehr wegfallen können.
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Besondere Bedeutung hat die: Erfindung bei Hochfrequenz-Zündgeräten,
bei denen der erwähnte Schwingkreis auf eine Frequenz abgestimmt wird, die im Tonfrequenzbereich.,
insbesondere unterhalb von 10 kHz liegt. Einei solche Zündfrequenz hat sich als
sehr vorteilhaft erwiesen., da. dann mit einfachsten Mitteln eine praktisch völlige
Rundfunk-Störfreiheit des Gerätes erzielt werden kann:. Für die, Aufrechterhaltung
des Lichtbogens ist auch die niedrige Frequenz gut geeignet.
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Um die Resonanzfrequenz des Schwingkreises auf die genannten niedrigen
Frequenzen zu bringen., muß nicht nur die In,duktivität, sondern auch die Kapazität
groß gewählt werden. Eine Erhöhung der Induktivität allein führt, abgesehen von
den großen Kosten,, deswegen nicht zum Ziel, weil die steigende: Wicklungskapazität
ein Durchkommen der Höchstfrequenz zur Schweißstelle verursachen. und. die Entstörung
in, Frage stellen würde. Der Erhöhung der Kapazität andererseits ist eine Grenze
dadurch gesetzt, daß während des Nulldurchganges des Arbeitsstromes
etwa
zwei bis drei Erstladungen des Kondensators erfolgen. Die Entladungen klingen dann
in gedämpfte Schwingungen aus, wobei durch den Schwingkreis die gewünschte Zündfrequenz
ausgesiebt und der Schweißstelle zugeführt wird.
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Um nun, die Entladefrequenz von mindestens 200 bis 300 Hz zu erzielen,
muß man, da die anderen Einflußgrößen (Aufladespannung und Funkenstreckenlänge)
nicht völlig beliebig gewählt werden können, mit der Größe der Kapazität unterhalb,
einer gewissen Grenze bleiben. Sie wird jedoch bedeutend größer ausfallen als bei
den bisher üblichen Zündgeräten und kann z. B. in der Größenordnung von 0,2 J und
darüber liegen. Die Ersparnis, die beim Übergang von hochwertigen Kondensatoren
auf übliche Papierkondensatoren erzielt werden kann, fällt bei so großen: Kapazitätswerten
und den hohen Betriebsspannungen besonders ins Gewicht.
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Die Verwendung eins niederfrequenten Zündstromes hat neben der Möglichkeit
einer wirksamen Rundfunkentstörung noch einen weiteren, grundsätzlichen Vorteil,
der auf einem anderen Gebiert liegt. Der Funkengenerator kann, wenn sehn; gesamtes
Frequenzspektrum dem Lichtbogen zugeführt wird und daher keine Ableitmittel vorgesehen:
sind, erst dann arbeiten, wenn die Lichtbogens.trecke leitend ist. Nun ist es aber
oft erwünscht, auch die erste Zündung des Lichtbogens mit dem Funkengenerator zu
unterstützen. Zu diesem Zweck muß er auch im Leerlauf in Betrieb, d. h. die Funkenstrecke
dauernd ionisiert sein, was mittels eines Stromweges parallel zur Lichtbogenstrecke
erzielbar ist. Dieser Stromweg kann einen Kondensator enthalten, der gleichzeitig
als Störschutz dient. Je größer der Kondensator, desto stärker ist der dauerndeIonisierungsstrom
derFunkenstrecke, und desto elastischer ist die Zündung. Bei einem niederfrequenten
Zündstrom kann nun der Kondensator als Bestandteil des Tiefpaßfilters verhältnismäßig
groß sein, da. er alle Frequenzen oberhalb der Zündfrequenz ableiten soll. Es steht
dann für die Leerlaufionisierung der Funkenstrecke ein Strom zur Verfügung, der
praktisch das gesamte Frequenz-.spektrum des Generators mit Ausnahme der Zündfrequenz
umfaßt und entsprechend hoch ist. Dieser wichtige betriebliche Vorteil kann dank
der Erfindung wirtschaftlich ausgenutzt werden, da der Entladekondensator des Funkengenerators
bei Gleichstrombetrieb mit geringen. Kosten, so groß gemacht werden kann, wie mit
Rücksicht auf die Entladefrequenz möglich ist. Die dadurch erzielbare sehr niedrige
Zündfrequenz ermöglicht eis, auch den Able'tkondensator im Tiefpaßfilter groß zu
machen und läßt einen besonders großen Teil des Frequenzspektrums der Leerlaufionisation
der Funkenstrecke zugute kommen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
,in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen, die im folgenden
näher beschrieben werden. sollen. Es zeigt Fig. 1 eine Schweißanlage mit einem Hochfrequenzzündgerät
nach der Erfindung, Fig.2 eine Möglichkeit zur trans.formatorischen Ankopplung an
den. Arbeitskreis.
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Die Schweißeinrichtung besteht aus denn an das Wechselstromnetz 1
angeschlossenem Schweißtransformator 2, dessen Sekundärwicklung über eine Drossel
3 zur stufenlosen Einstellung des Schweißstromes und über die Schweißleitungen 4
an, die Elektrode 5 und das Werkstück 6 angeschlossen sein kann. An das Wechselstromnetz
1 ist zugleich die Primärwicklung eines Hilfstransformators 7 geschaltet, der die
zum Betrieb des Zündgerätes erforderliche hohe Spannung abgibt. Diese wird in einem
Gleichrichtersatz 16, der in Graetzschaltung dargestellt ist, in eine Gleichspannung
umgeformt und denn Funkengenerator, bestehend aus den Kapazitäten 8, 9 und der Funkenstrecke
12, zugeführt. In Reihe mit den Kondensatoren 8, 9 und der Schweißstelle 5, 6 sind
zwei Drosseln. 10, 11 geschaltet, welche mit den Kondensatoren einen, Reihenschwingkreis
bilden, der auf die gewünschte Zündfrequenz unterhalb etwa. 10 kHz abgestimmt ist.
Das gesamte Züiud.-gerät ist in ein geerdetes Gehäuse 15 eingebaut. Zur Trennung
des ungestörten Teiles. vom gestörten Teil ist zwischen Transformator 7 und Gleichrichtersatz
16 eine Abschirmung in Form eines Hochfrequenzkamines 18 vorgesehen. Der Glenchrichtersatz
16 hat, wie bereits erwähnt"neban seiner Gleichrichterwlirkung auch. die Funktion
einer Hochfrequenzsperra des Transformators 7 gegenüber dem Funkengenerator. Nur
sein. Sperrwiderstand und seine Kapazität gestatten das Fließen eines. geringen
Hochfrequenzstromes, der durch zwei Kondensatoren 14 am Eindringen. in das Netz
gehindert werden kann.
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Die Drosseln 10 und 11 das Schwingkreises dienen gleichzeitig als
Elemente eines Tiefpaßfiltems im Zusammenwirken mit den Kondensatoren 13 und 17.
Die Kondensatoren 17, die unmittelbar hinter leim Funkengenerator liegen, leiten
hierbei die höheren Frequenzen des Spektrums, die Kondensatoren 13 die niedrigeren,
ab. Die dadurch gebildeten Stromkreise führen, wie bereits erwähnt, dazu, daß die
Funkenstrecke 12 dauernd ionisiert bleibt und eine sichere Zündung des Lichtbogens
auch: bei verhältnismäßig großer Entfernung der Elektrode vom Werkstüdc möglich
ist. Wie Versuche gezeigt haben, ist der vom Zündgerät aufgenommene Strom praktisch
unabhängig davon, ob der Lichtbogen in: Betrieb ist oder nicht: Im ersteren Falle
führen: die Kondensatoren 13 und 17 einen entsprechend geringerem; Strom als im
Leerlauf der Schweißanlage.
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Der Aufbau des Gleichrichtersatzes erfolgt zweckmäßig mit geeigneten
Selengleichrichtern.. Sie müssen für die erforderliche hohe Spannung bemessen sann.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist das Zündgerät parallel
zur Schweißstromquedle geschaltet. Hierbei fließt über die Schweißstromquelle, d.
h. über den Transformator 2, ein etwas höherer Nebenstrom als bei den bisher gebräuchlichen
Zündgeräten mit hoher Zündfrequenz. Es ist nun in an sich bekannter Weise möglich,
durch transformatorische Ankoppluag des Hilfsstromkreises und ÜUberbrückung der
Schweißs.tromquelle durch einen: Kondensator den Zündstrom von dieser fernzuhalten.
Ein solches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 dargestellt. Es unterscheidet sich
von dem vorher beschriebenen dadurch, daß die Induktivität des Reihenschwingungskreises
nunmehr von der Primärwicklung eines Transformators 19 gebildet wird,, welche -
gemäß einer Weiterbildung der Erfindung - gleichzeitig durch Kondensatoren 17 zu
einem Tiefpaß ergänzt ist. Die Sekundärwicklung des Transformators ist in Reihe
in den. Schweißstromkreis geschaltet und ebenfalls durch Kondensatoren 13 zu einem
Tiefpaß erweitert. An die Klemmen. 20 und 23 wird der Schweißtransformator 2 angeschlossen
und durch einen Kondensator 21 für die Zündfrequenz überbrückt. Die Schweißstelle
liegt zwischen den Klemmen 22 und 23.
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Die Anordnung hat neben der Abriegelung des Schweiißtransfo@rmators
für die Zündfrequenz noch den
Vorteil, daß mittels des Transformators
19 eine Erhöhung der Hilfsspannung erzielt werden kann:. Dies ist wichtig z. B.
bei absatzweise arbeitenden automatischen Lichtbogen-Schweißanlagen mit hohem Ausstoß,
wo eine sichere Zündung des Lichtbogens zur Vermeidung von Unterbrechungen im Arbeitsablauf
unbedingt erforderlich ist. Die Leerla,ufspannung des Zündgerätes, die im Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 etwa 2 kV beträgt, kann durch den Transformator leicht verdoppelt werden.
Diese Verdoppelung im Zündgerät selbst vorzunehmen, d. h. die Kondensatoren 8, 9
mit doppelter Spannung aufzuladen, ist unvorteilhaft, da einerseits der Aufwand
vergrößert wird und andererseits eine sichere Beherrschung der Kriechwege im Zündgerät
dann mit Schwierigkeiten verbunden ist.
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Der Grundgedanke der Erfindung läßt selbstverständlich nach eine Reihe
von anderem Anwendungsmöglichkeiten. offen. Wesentlich ist hierbei immer, daß der
Funkengenerator des Zündgerätes mit gleichgerichteter Spannung gespeist wird.