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Lichtbogenschweißgenerator mit einem von den Hauptpolen unabhängigen,
vom Schweißstrom erregten Polsystem geringer magnetischer Trägheit Die Schweißtechnik
stellt durch die Erweiterung ihres Anwendungsgebietes auf andere Werkstoffe, wie
z. B. rostfreien Stahl oder Aluminium, sowie durch die Entwicklung neuer Elektroden,
beispielsweise der Tiefbrandelektroden, an die elektrischen Schweißmaschinen immer
höhere Ansprüche, und zwar an das dynamische Verhalten und an die Leistungsfähigkeit.
Es erweist sich daher als notwendig, auch bei bisher durchaus bewährten Typen in
dieser Hinsicht Verbesserungen vorzunehmen.
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Über das dynamische Verhalten einer Schweißmaschine gibt der Scheinwiderstand
Rs Aufschluß, der durch das Verhältnis der Leerlaufspannung E0 zum Stoßkurzschlußstrom
Jst definiert ist. Die Abhängigkeit des Scheinwiderstandes vom Schweißstrom wird
als dynamische Charakteristik bezeichnet, und es muß bekanntlich der Scheinwiderstand
bei kleinen Schweißstromstärken wesentlich größer sein als bei großen, damit die
Maschine in schweißtechnischer Hinsicht über einen großen Regelbereich entspricht.
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Es ist schon bekannt, das Verhalten von Schweißgeneratoren bzw. Querfeld-Schweißgeneratoren
durch einen oder zwei zusätzliche bewickelte Magnetjoche zu verbessern, die die
beiden Pole der Maschine magnetisch verbinden, und zwar meist so, daß zwischen einem
oder beiden Polen und dem Verbindungsjoch ein regelbarer Luftspalt verbleibt. Es
ist des weiteren auch schon bekannt, bei nicht nach dem Querfeldprinzip arbeitenden
Schweißgeneratoren zwei zusätzliche, von den Hauptpolen unabhängige, unmittelbar
auf den Anker induzierend wirkende Polsysteme anzuordnen, deren vom Schweißstrom
erregte Felder entgegengesetzte Richtung wie das von den Hauptpolen erzeugte Feld
haben und die daher gegenkompoundierend wirken, und zwar fast trägheitslos, weil
ihre Wicklungen nicht wie eine gewöhnliche Gegenkompoundwicklung mit der Feldwicklung
gekoppelt sind und daher das Ansteigen des sie durchfließenden Schweißstromes nicht
zu einem vorübergehenden Absinken des Feldstromes führt.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Lichtbogenschweißgenerator mit einem
von den Hauptpolen unabhängigen, unmittelbar auf den Anker induzierend wirkenden
zusätzlichen Polsystem geringer magnetischer Trägheit, dessen vom Schweißstrom erregtes
Feld die statische und die dynamische Charakteristik des Schweißgenerators beeinflußt,
mit den besonderen Merkmalen, daß die Pole des von den Hauptpolen unabhängigen zusätzlichen
Polsystems (Steuerpolsystems) beiderseits der Querfeldachse eines Querfeld-Lichtbogenschweißgenerators
mit kurzgeschlossenen Zwischenbürsten etwa an jenen Stellen angeordnet sind, die
bei normalen Querfeld-Schweißgeneratoren von den Hauptpolspitzen bedeckt sind, und
mittels einer durch Umschaltung umpolbaren Hauptstromwicklung oder mit zwei wahlweise
zu benützenden, in entgegengesetztem Sinne wirkenden Hauptstromwicklungen, die das
Steuerpolsystem erregen, in Richtung der Hauptfeldachse ein Steuerfeld erzeugen,
das entweder das vom Schweißstrom herrührende Ankergegenfeld unterstützt oder dem
Ankergegenfeld entgegenwirkt.
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Während bei dem vorhin erwähnten, nicht nach dem Querfeldprinzip arbeitenden
Schweißgenerator mit zwei zusätzlichen gegenkompoundierend wirkenden Polsystemen
eine Umpolung der letzteren zu einer unbrauchbaren Charakteristik mit zu hohen Stromwerten
führen würde, ist eine solche Umpolung bei der Erfindung möglich, weil dem durch
das umgepolte Steuerpolsystem unterstützten Erregerfeld dank der Anwendung des Querfeldprinzipes
das vom Schweißstrom im Anker erzeugte Feld genau entgegengerichtet ist, also strombegrenzend
wirkt.
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Erwähnt sei noch, daß auch schon ein Querfeldgenerator mit einem in
der Hauptbürstenachse liegenden Polpaar und zwei einander gegenüberliegenden, ähnlich
wie das erfindungsgemäß verwendete Steuerpolsystem angeordneten, gleichfalls vom
erzeugten
Strom erregten Polsystemen bekannt . ist. Dabei handelt
es sich jedoch keineswegs um einen Schweißgenerator, sondern um einen Generator,
der mit stark wechselnder Drehzahl, z. B. durch eine Windturbine, angetrieben wird
und deshalb so bemessen ist, daß sich eine bestimmte gewünschte, z. B. horizontale,
fallende oder steigende Drehzahl-Spannungs-Charakteristik ergibt.
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Die Erfindung macht es möglich, den Scheinwiderstand besonders im
kritischen Bereich niederer Ströme wirksam zu erhöhen und damit den durch die Schweißelektroden
gestellten Anforderungen anzupassen, natürlich ohne Einschaltung energieverzehrender
Vorwiderstände in dem Schweißstromkreis, welches Mittel bekanntlich häufig bei Maschinen
mit unzureichenden dynamischen Eigenschaften angewendet wird. Im Bereich höherer
Ströme braucht der Scheinwiderstand nicht mehr, so hoch zu sein. Er soll mit zunehmender
Stromstärke abnehmen und bei etwa 450 Amp. und 50 Volt Leerlaufspannung nur mehr
etwa 0,15 Ohm betragen, damit der Stoßkurzschlußstrom gegenüber dem Schweißstrom
nicht zu klein wird. Zugleich ermöglicht die Erfindung eine Erhöhung der Schweißstromabgabe,
d. h. eine beträchtliche Leistungssteigerung.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäß verwendeten Steuerpolsystemes
soll an Hand der Fig.1 der Zeichnung näher erläutert werden.
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Durch das schwache Remanenzfeld Fr wird im umlaufenden Anker eine
kleine Spannung induziert, die an den offenen Hilfsbürsten b-b' gemessen werden
kann. Bei kurzgeschlossenen Hilfsbürsten entsteht ein relativ großer Strom Jq, der
ein Querfeld Fq erzeugt, das in der Ankerwicklung die Maschinenspannung induziert,
die an den Hauptbürsten B-B' abgenommen wird. Bei Belastung ändert sich das Querfeld,
und es wirken dann außer diesem noch folgende Felder: 1. Das durch die Hauptstromwicklung
erzeugte Feld Fh, das die gleiche Richtung hat wie das Remanenzfeld Fr, 2. das Ankergegenfeld
Fg, das dem Hauptfeld Ft, entgegenwirkt, und 3. das Polstreufeld Fs.
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Die in der Längsrichtung einander entgegenwirkenden AW der Hauptstromwicklung
und des Ankers erzeugen unter anderem das Streufeld Fs, welches vom Hauptpolfeld
Fh abgezweigt wird, so daß die Differenz der beiden Felder, das Feld Fd, den Anker
in der Längsrichtung durchsetzt. Durch eine die Streuung begünstigende Bauweise
der Maschine wird der Überschuß der Hauptpole-AW über die Anker-AW in der Längsrichtung
durch den mit zunehmendem Strom sehr stark anwachsenden magnetischen Widerstand
immer mehr aufgezehrt, bis der Überschuß, d. h. das den Anker in Längsfeldrichtung
durchsetzende Feld Fd schließlich beim Kurzschluß Null wird.
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Das hauptstromerregte magnetische Steuerpolsystem erzeugt in der Achse
des Ankergegenfeldes ein zusätzliches Feld, das Steuerpolfeld Fst, welches entweder
die gleiche oder die entgegengesetzte Richtung wie das Ankergegenfeld Fg hat und
sich mit diesem zum resultierenden Ankergegenfeld Fg,res zusammensetzt. Es ist Fg,res
= Fg ± Fst.
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Ist die Wicklung des Steuerpolsystems so geschaltet, daß das Steuerpolfeld
in Richtung Ankergegenfeld wirkt, so vermindert sich das Differenzfeld und dementsprechend
auch die Schweißspannung Es mit zunehmendem Strom, umgekehrt vergrößern sich diese
Werte, wenn die Richtung des Steuerpolflusses geändert wird. Der Einfluß dieser
Maßnahmen auf den Verlauf der statischen Kennlinien ist aus Fig.2 ersichtlich. Die
Kurve a gilt für einen Steuerpolfluß in Richtung Ankergegenfeld und die Kurve b
für den Steuerpolfluß Null. Die Kurve c gilt für einen Steuerpolfluß in umgekehrter
Richtung, und es wird dadurch nicht nur die durch die Wegnahme der Hauptpolspitzen
verursachte Leistungsverminderung kompensiert, sondern darüber hinaus noch eine
beachtliche Leistungssteigerung erzielt, weil man bei Vollast unter anderem außerhalb
des schon magnetisch gesättigten Hauptkreises zusätzlich erregt. Statt einer durch
Umschaltung umpolbaren Steuerpolwicklung können auch zwei einander entgegengeschaltete
Wicklungen vorgesehen und wahlweise benutzt werden, wie es Fig. 1 veranschaulicht.
Selbstverständlich können anstatt des sie verbindenden Joches auch die beiden Steuerpolschenkel
selbst bewickelt sein.
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Besonders wichtig ist der Einfluß des Steuerpolfeldes auf das dynamische
Verhalten der Maschine, insbesondere bei kleinen Strömen. Ist die Steuerpolwicklung
so geschaltet, daß das Feld Fst die gleiche Richtung hat wie das Ankergegenfeld
Fg, dann wird das Differenzfeld um diesen Betrag Fst weniger weit absinken müssen,
d. h., es wird durch die Gegenschaltung bewirkt, daß das Hauptfeld im kleinen Strombereich
verhältnismäßig stark ist (Maschine muß so eingestellt werden, wie es höheren Strömen
entspricht), mit dem Ergebnis, daß infolge der starken Erregung auch bei der Unterbrechung
eines kleinen Kurzschlußstromes eine sehr große Zünd- oder Stoßspannung entsteht.
Außerdem wirkt diese Schaltung so, als ob die Zeitkonstante des Ankergegenfeldes
bzw. die Trägheit in diesem Kreise vermindert würde, weil das Steuerpolfeld Fst
im eigenen Magnetkreis flinker ist. Je größer die Windungszahl am Steuerpolsystem
ist, um so größer wird der Scheinwiderstand und um so kleiner natürlich die Stromstärke
im Hauptstromkreis. Die Bezeichnung »Steuerpolsystem« bezieht sich also auf die
wahlweise Benutzung dieses Polsystemes zum Zwecke der Beeinflussung der statischen
bzw. der dynamischen Eigenschaften der Maschine (Fig.2 und 3).
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Wird das Steuerpolsystem auf einer Seite angeordnet, wobei seine Pole
den Platz von zwei gegenüberliegenden ungleichnamigen Hauptpolspitzen einnehmen,
so tritt an den Hauptpolspitzen der Gegenseite ein dichteres Feld auf, welches sich
über die Pollücke schließt. Wird nun gegenüber dieser einen Pollücke ein verstellbares
Streujoch Str angeordnet, wie dies in anderer Ausführungsart bei Querfeldschweißgeneratoren
an sich bekannt ist, so kann damit nicht nur die Schweißstromstärke, sondern auch
das dynamische Verhalten der Schweißmaschine in einem bedeutend höheren Maße beeinflußt
werden als bei einer Ausführung ohne Steuerpolsystem. Versuche haben ergeben, daß
sich der Scheinwiderstand bei der normalen Ausführung und ganz genähertem Streujoch
um etwa 200/o erhöht; dagegen betrug die Zunahme des Scheinwiderstandes bei der
Steuerpolmaschine ein Vielfaches davon.
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Der Einfluß dieser Maßnahmen auf den Verlauf der dynamischen Kennlinien
ist aus Fig. 3 ersichtlich. Der Anstieg der Kurven von 1 auf 1' erfolgt durch die
Annäherung des Streujoches an den Anker, d. h., der Scheinwiderstand wird in idealster
Weise mit der Stromstärke zwangläufig mitgeregelt.
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Die Kurve d gilt für einen Steuerpolfluß, der auf das Ankergegenfeld
feldverstärkend wirkt, und die Kurve e für einen Steuerfluß mit umgekehrter Wirkung.
Durch die Änderung der Windungszahl der
Steuerpolwicklung kann der
Verlauf der Scheinwiderstandslinie gerade im kritischen Bereich der kleineren Ströme
beeinflußt und den Anforderungen der verschiedenen Elektrodensorten in weiten Grenzen
angepaßt werden.
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Die Pole des Steuerpolsystemes können auch abweichend von der Ausführung
nach Fig. 1 unmittelbar am Gehäuse befestigt sein, welches den magnetischen Rückschluß
bildet. Ferner wäre es auch möglich, das Steuerpolsystem zu Regulierzwecken verstellbar
auszubilden oder zur Beeinflussung der Kommutierung mit einem Wendepol zu versehen.
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Schließlich werden an einen Lichtbogenschweißgenerator oft noch Sonderanforderungen
gestellt, wie Erhöhung der Leerlaufspannung zur besseren Verschweißung von Spezialelektroden,
Fernregulierung der Schweißstromstärke usf. Solche Forderungen lassen sich erfüllen,
wenn am Steuerpolsystem zusätzlich eine regelbare fremderregte, beispielsweise von
einem Trockengleichrichter gespeiste Wicklung angebracht wird.