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Widerstandsheizungssteuerung Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung
zur Steuerung von Widerstandsschweiß- und -heizvorgängen, bei der ein veränderliches
Spannungssignal, das funktionell von dem thermischen Zustand der Arbeitsstelle im
Werkstück abhängt, einer Spannungsamplitudenspeichereinrichtung für die Erzeugung
eines Steuersignals zugeführt wird.
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Durch ein elektrisches Leistungsprogramm allein kann erfahrungsgemäß
der Wärmeablauf bei Widerstandsschweiß- und -heizvorgängen nicht genügend genau
gesteuert werden. da von Fall zu Fall der Widerstand an der Arbeitsstelle zwischen
den Elektrodenberührungsflächen unterschiedlich hoch ist. Man hat daher die Leistungszufuhr
in Abhängigkeit von den jeweiligen Widerstandsverhältnissen an der Arbeitsstelle
gesteuert. Dies geschah entweder dadurch, daß vor Einschaltung des Schweiß- bzw.
Heizstromes ein Vorstrom durch die Arbeitsstelle geschickt wurde, der zur Widerstandsmessung
diente und die Arbeitsstromstärke einstellte und während des Arbeitsvorganges nachregelte.
Man hat auch die an der Arbeitsstelle auftretende Spannung als Bezugsspannung mit
einer Vergleichsspannung verglichen und die Differenzspannung zur Konstantregelung
der Wärmeverhältnisse an der Arbeitsstelle benutzt.
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Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung der bekannten Verfahren.
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Im Gleichgewichtszustand ist die Werkstücktemperatur direkt proportional
der Potentialdifferenz, die entlang dem Strompfad durch das Werkstück gemessen wird,
wenn der durch den Strom erzeugte Wärmefluß ebenfalls vorwiegend entlang demselben
Pfad verläuft, und demzufolge ist im Gleichgewichtszustand die Temperatur an der
Arbeitsstelle durch Überwachung und Steuerung der Spannung am Werkstück bestimmbar.
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Die Erfindung besteht darin, daß in an sich bekannter Weise unter
Widerstands- bzw. Spannungsmessung an der Arbeitsstelle durch Vergleich mit einer
Bezugsspannung eine Differenzspannung gebildet und diese zur Konstantregelung der
Wärmeverhältnisse an der Arbeitsstelle verwendet wird, und daß über einen in Reihe
mit dem Werkstück und der Speichereinrichtung liegenden Zweiwegeschalter der gespeicherte
Spannungswert entsprechend der Änderung des thermischen Zustandes an der Arbeitsstelle
nachgestellt wird.
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Vorzugsweise ist die Schaltanordnung, bei der ein pulsierendes Gleichspannungssignal,
das proportional der am in einem Wechselstrom-Werkstückkreis liegenden Werkstück
abfallenden Spannung ist, an einen Speicherkondensator für die Erzeugung eines Steuersignals
gelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweiwegeschalter normalerweise offen,
schaltimpulsempfindlich und in Reihe zwischen einen Kondensator und den Werkstückkreis
geschaltet ist und daß ein Schaltimpulsgenerator mit dem Werkstückkreis und dem
Schalter verbunden ist und auf eine Stromveränderung im Werkstückkreis anspricht,
um Schaltimpulse zu Zeitpunkten zu erzeugen, die mit den Spitzenwerten des durch
das Werkstück fließenden Wechselstromes zusammenlaufen derart, daß die an den Speicherkondensator
gelegte Spannung während jeder Halbperiode des durch das Werkstück fließenden Wechselstromes
zu Zeitpunkten, wenn induktive Einflüsse unwirksam sind, auf Zweiwegeweise nachgestellt
wird.
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Eine bevorzugte Ausbildung der Erfindung betrifft eine Schaltanordnung
für die Steuerung eines Widerstandsschweißvorganges in einem Werkstück mit Hilfe
einer Widerstandsschweißvorrichtung mit gegenüberliegenden, in Reihe mit einer Kontakteinrichtung,
die auf Zündimpulse anspricht, in eine Wechselstromenergiequelle geschalteten Elektroden,
einem parallel zu dem Werkstück geschalteten Werkstückspannungssignalgenerator zur
Erzeugung eines Signals, das proportional dem Spannungsabfall an dem Werkstück zwischen
den Elektroden ist, einem Bezugsspannungssignalgenerator, der ein Bezugssignal erzeugt,
welches entsprechend einem gewünschten Temperaturzustand für das Werkstück vorbestimmt
ist, Mitteln zum Vergleich
der Werkstückspannungssignale und der
Bezugsspannungssignale und zur Erzeugung eines Änderungssignals, das jeder Differenz
beim Vergleich proportional ist sowie einem Zündimpulsgenerator, der entsprechend
dem Änderungssignal Zündimpulse mit einer Phasenverschiebung in bezug auf Wechsel
der Spannung von der Spannungsquelle erzeugt, die der Größe des Änderungssignals
entspricht. Diese Schaltanordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückspannungssignalgenerator
einen Transformator, dessen mit einem Widerstand verbundene Primärwicklung parallel
zu den Elektroden und dessen Sekundärwicklung an einem Doppelweggleichrichter liegt,
einen Speicherkondensator für die Aufnahme und Speicherung einer Spannung, die proportional
der Amplitude der tatsächlichen, an dem Werkstück während des Schweißvorganges entwickelten
Spannung ist, einen Zweiwege-Halbwellenschalter, der in Reihe zwischen Gleichrichter
und Kondensator geschaltet ist und auf Schaltimpulse zur wahlweisen Verbindung und
Trennung von Gleichrichter und Kondensator anspricht, und einen Schaltirnpulsgenerator
umfaßt, der mit den Elektroden verbunden ist, welche die Schaltimpulse zu Zeitpunkten
erzeugen, die mit den Amplituden des durch die Elektroden und das Werkstück fließenden
Stromes zusammenlaufen.
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Bei der erfindungsgemäßen Schaltanordnung wird demnach eine Bezugsspannung
erzeugt, die dem Gleichgewichtstemperaturzustand entspricht, weiterhin eine Spannung,
die dem durch den Strom erzeugten Spannungsabfall an dem Werkstück entspricht, und
aus beiden wird eine Differenzspannung erzeugt, die durch Veränderung des Stromes
dafür sorgt, daß die Spannung am Arbeitspunkt im wesentlichen gleich der Bezugsspanung
ist.
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In der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Es zeigt Fig. 1 einen Prinzipschaltplan zur Veranschaulichung der theoretischen
Grundlage dieser Erfindung, Fig.2 eine Blockzeichnung eines Systems für die Steuerung
eines Schweißvorganges gemäß der Erfindung, Fig.3 einen vereinfachten elektronischen
Stromkreis für das System gemäß Fig. 2, Fig. 4 eine Darstellung eines Apparates
für die Anwendung dieser Erfindung auf eine besondere Heizoperation und Fig. 5 eine
bevorzugte Schaltungsanordnung für die Steuerung eines Schweißvorganges gemäß dieser
Erfindung.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sind für die theoretische Basis für die
Steuerung gemäß dieser Erfindung zusammengefaßte Parameter für die unmittelbare
Umgebung eines Werkstücks 10 vorausgesetzt. Die Elektroden 11 und 12 stehen in thermischer
und elektrischer Berührung mit dem Werkstück 10 und sind mit einer Energiequelle
13 verbunden. Der elektrische Energiezufuhrbetrag bzw. die dem Werkstück 10 zugeführte
Leistung ist gleich dem Produkt des Effektivstromes IS" durch das Werkstück und
der Effektivspannung EW, die am Werkstück entwickelt wird. Wenn es sich bei der
Energiequelle, wie dargestellt, um eine Wechselstromeinrichtung handelt, sind die
Effektivwerte von EW und I", jeweils quadratische Mittelwerte, wie sie durch ein
Wechselstrom-Voltmeter 14 und ein Wechselstrom-Amperemeter 15 gemessen werden. Es
ist darauf hinzuweisen, daß, während der Strom überall im Reihenkreis derselbe ist,
sich die an der Energiequelle 13 beispielsweise mit Hilfe des Voltmeters 16 gemessene
Spannung von derjenigen, die am Werkstück gemessen wird, wegen der Energieverluste
in den Übertragungskreisen unterscheidet. Der Betrag an elektrischer Energie, die
innerhalb des Materials als Wärme abgeleitet wird, kann als Leistungszufuhr P1
= E",1", dargestellt werden.
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Die Temperatur des Werkstücks wird durch die Leistungszufuhr erhöht,
und Wärme fließt vom Werkstück ab. Die Höhe der Wärmeverluste, ein Energieabfluß
Po, ist eine Funktion der Temperatur T und der Wärmeleitfähigkeit K des Werkstücks.
Wenn die Wärmeverluste in erster Linie auf Wärmeleitung beschränkt sind, können
Strahlungsverluste vernachlässigt werden, und wenn der Werkstücktemperaturbereich
genügend hoch ist, sind Veränderungen der Umgebungstemperatur unbedeutend. Unter
diesen Bedingungen können die Wärmeverluste einer Ausgangsleistung P"=KT ohne wesentlichen
Fehler gleichgesetzt werden.
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Nach einer begrenzten Energiezufuhr zu dem Werkstück, die von seiner
spezifischen Wärme abhängt, stellt sich ein Ausgleichszustand ein, wenn die Leistungszufuhr
PI der Ausgangsleistung P,, gleich ist. Wenn T, die Temperatur im Ausgleichszustand
darstellt, wird das Eingangs-Ausgangs-Energiegleichgewicht P,=PI ausgedrückt durch
E", I", = c2 KT,
(1)
worin c2 eine Proportionalitätskonstante
ist.
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Auf Grund des Ohmschen Gesetzes ist 1", = E",IR,,', worin R",' der
elektrische Widerstand ist, der von dem Strom Il" durchflossen wird. Gemäß Definition
ist K =1IR"", wobei R"," den thermischen Widerstand des Werkstücks darstellt, durch
den die Wärme fließt. Deshalb kann die obige Gleichung (1) auch geschrieben werden
E. IIRw = c2TeIRw - (2)
Die thermischen Widerstände R"," und elektrischen
Widerstände R"; sind, bezogen auf die gleichen Wege, proportional. Unter der Annahme,
daß die Wärmefluß- und Stromflußwege übereinstimmen, vereinfacht sich die obige
Gleichung (2) wie folgt: EW2 = k2Te, (3)
worin k2 eine Proportionalitätskonstante,
eine Charakteristik der Werkstückmateriahen, darstellt.
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Die für die Gültigkeit der Gleichung (3) erforderlichen Voraussetzungen
sind bei Glüh- und Schmelztemperaturen von Metall dann gerechtfertigt, wenn die
gegenüberliegenden Elektroden 11 und 12 verhältnismäßig kalt bleiben und in erster
Linie für das Wärmegefälle für den Wärmeabfluß vom Werkstück 10 sorgen. Die
Elektroden 11 und 12 werden vorzugsweise mit Hilfe von Wasser oder
anderen durch ein Rohr 17 zugeleiteten Kühlmitteln gekühlt, die durch den ringförmigen
Raum 18 zwischen dem Rohr 17 und der Elektrode 11 abgeleitet werden. Feste Elektroden
aus hochleitendem Material, wie z. B. einer Kupferlegierung, können jedoch in einigen
Fällen für eine genügende Kühlung sorgen.
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Die Bedeutung der Gleichung (3) liegt darin, daß für jeden gewünschten
Werkstücktemperaturzustand, der auf eine Ausgleichstemperatur T, bezogen werden
kann, eine Spannung E", vorhanden ist, die, wenn sie an dem Werkstück eine genügende
Zeit aufrechterhalten
wird, die Erzielung des gewünschten Zustandes
sicherstellt, unabhängig von Widerstandsänderungen im Heizkreis durch das Werkstück.
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In den meisten Fällen ist es zweckmäßig, die Werkstückspannung E""
die dem gewünschten Temperaturzustand entspricht, experimentell zu bestimmen. Versuchsreihen
können an Probewerkstücken bei verschiedenen Werten der Werkstückspannung E" durchgeführt
werden. Der Wert von E"" der zu dem gewünschten Temperaturzustand führt, stellt
die Bezugsspannung ER dar, die anschließend bei jedem Werkstück desselben Materials
wie das Probestück verwendet wird. Abwandlungen nicht materieller Art unter aufeinanderfolgenden
Werkstücken und betriebliche Bedingungen beeinflussen die Erzielung des gewünschten
Temperaturzustandes nicht, da die obige Gleichung (3) unabhängig von anderen Veränderlichen
ist. Demgegenüber werden Temperaturbedingungen, die durch herkömmliche Heizvorgänge
hervorgerufen werden, durch jede von einer Änderung der thermischen oder elektrischen
Widerstände begleiteten Veränderung beeinflußt. Diese Widerstände umfassen Kontaktwiderstände,
Hauptwiderstände und Nebenschlußwiderstände. Die Kontaktwiderstände befinden sich
an den Flächen zwischen den Elektroden und dem Werkstück sowie zwischen den Teilen
des Werkstücks und verändern sich mit dem Kontaktdruck und den Oberflächenbedingungen.
Der Hauptwiderstand der Materialien hängt von der Querausdehnung ab sowie von den
Widerstands-Temperatur-Charakteristiken. Die Nebenschlußwiderstände werden von der
Nähe paralleler Zweige mit niedrigen Widerstandswegen bestimmt. Außerdem ist auch
die Pseudowiderstandswirkung einer Spannungsänderung der Energiequelle vorhanden.
Jedes Anwachsen oder Abnehmen der Spannung der Energiequelle ruft jedoch die gleiche
Änderung in der Werkstückspannung hervor, wie sie eine proportionale Zunahme oder
Abnahme des Widerstandes mit sich bringen würde, und wird deshalb durch Konstanthaltung
der Werkstückspannung kompensiert.
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Die Werkstückspannung E", =1", R", ergibt sich durch den Fluß des
Stromes 1", durch den Werkstückwiderstand R",. Jeder gegebene Wert der Werkstückspannung
kann deshalb jedesmal, wenn die tatsächliche Werkstückspannung (bezogen auf EA)
von der Bezugsspannung ER abweicht, durch Einstellung des Stromes 1", aufrechterhalten
werden.
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Der Fluß des Stromes 1", durch den Werkstückwiderstand R", entwickelt
die Werkstückspannung E", = 1", R",. Eine gegebene Werkstückspannung E", kann deshalb
in einem sehr engen Bereich durch Einstellung des Stromes 1", aufrechterhalten werden.
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Die Einstellung des Werkstückstromes geschieht auf jede herkömliche
Weise, wie z. B. einen veränderlichen Widerstand in dem Energiezufuhrkreis oder
mit Hilfe des nachstehend beschriebenen Systems.
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Fig. 2 veranschaulicht ein allgemeines System für die Steuerung gemäß
dieser Erfindung. Ein Werkstück 20 ist in thermischer und elektrischer Berührung
mit gegenüberstehenden Elektroden 21 und 22 dargestellt. Diese Elektroden
21 und 22, die Teile eines Widerstandsschweißgerätes darstellen, sind
in Reihe zu einer Energiequelle 24 mit dem Werkstück 20 und einer
Stromsteuerung 23 geschaltet. Ein Bezugssignalgenerator 25 erzeugt eine der
gewünschten Temperaturbedingungen für das Werkstück 20 entsprechende Bezugs-WerkstückspannungER
entsprechend derobigen Gleichung (3). Ein Werkstücksignalgenerator 26 ist parallel
zu dem Werkstück 20 geschaltet und erzeugt eine Spannung EA, die dem Spannungsabfall
entspricht, der an dem Werkstück 20 durch einen in dem Reihenkreis fließenden Strom
1", erzeugt wird. Eine Vergleichseinrichtung 27 ist mit den Bezugs-und Werkstücksignalgeneratoren
verbunden und nimmt einen Vergleich zwischen ER und EA vor. Die Vergleichseinrichtung
27 erzeugt das Steuersignal Cg, das jeder Differenz der Vergleichswerte entspricht.
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Ein Werkstückheizvorgang wird bei einem Anfangswert des Werkstückstromes
1", begonnen. Dieser durch den Werkstückwiderstand R", fließende Strom entwickelt
eine Spannung EA an dem Werkstück. Wenn EA von der vorbestimmten Bezugsspannung
ER abweicht, wird eine Stromnachstellung durch das Anderungssignal Cg vorgeschrieben
und so lange fortgesetzt oder wiederholt, bis EA im wesentlichen gleich ER wird
und bleibt. Das System gemäß Fig. 2 ist deshalb ein in geschlossener Schleife geschalteter
Regler bzw. ein Hilfssystem, das gesteuert werden kann, um jeden gewünschten Werkstückzustand,
bezogeA .äh eine Ausgleichswerkstücktemperatur, herzustellen, die durch die Werkstückspannung
ER dargestellt ist.
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Fig. 3 veranschaulicht die Zusammensetzung herkömmlicher Schaltglieder
in dem Steuersystem gemäß Fig: 2. Wie oben wird ein Werkstück 30 im Betrieb zwischen
gegenüberliegenden Elektroden 31 und 32 angeordnet. Die Elektroden sind mit Hilfe
eines Leistungstransformators über die Sekundärwicklung 33 und die Primärwicklung
34 an eine Wechselstromenergiequelle mit den Klemmen 35 und 36 angeschlossen.
Eine in Reihe zwischen die Primärwicklung 34 des Leistungstransformators und die
Klemme 35 der Energiequelle geschaltete Leistungszufuhrsteuerung 37 schließt den
Kontaktgeberkreis in Form von über Kreuz geschalteten Ignitronen 38, 39 sowie einen
Phasenschieberbrückenkreis 40 ein. Die Wechselstromwicklung 41 einer
veränderlichen Induktionsspule bildet. einen Zweig der Brücke 40, und die zugeordnete
Gleichstromwicklung 42 ist derart angeordnet, daß sie durch das obenerwähnte Signal
Cg erregt wird.
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Bei Phasenschieber- und Ignitronkontaktgeberkreisen der Leistungszufuhrsteuerung
37 handelt es sich um solche, die der Widerstandsheizung angepaßt sind. Eine
Diagonale der Brücke 40 ist mit der Energiequelle über die Klemmen 43, 43
verbunden, und die andere Diagonale schließt die Primärwicklung 44
einer sättigbaren
Drossel ein. In den Sekundärwicklungen 45, 46 der sättigbaren Drossel werden
Spannungsimpulse mit einer Phasenverzögerung in bezug auf die Wechsel der Energiequelle
induziert. Diese Verzögerung hängt von dem Signal C, ab, das der Gleichstromwicklung
42 der veränderlichen Induktionsspule zugeführt wird. Diese Impulse leiten den Stromfluß
durch die Thyratrone 47 und 48 ein, die selbst wieder die Leitung
von Stromimpulsen durch die Ignitrone 38 und 39 auslösen, und zwar
für den Rest jeder Halbperiode der Energiezufuhr. Der nach Durchtritt durch die
Ignitrone 38 und 39 und durch die Primärwicklung 34 des Leistungstransformators
fließende Strom induziert in der Staffelleitung der Sekundärwicklung 33 des Leistungstransformators
einen Strom. Dieser Strom fließt durch das Werkstück 30 zwischen den Elektroden
31, 32 und ist der Werkstückstrom 1",. Der Werkstückstrom kann folglich durch
Veränderung des Änderungssignals Cg auf jeden
gewünschten Wert innerhalb
des Betriebsbereichs der Leistungszufuhrsteuerung 37 eingestellt werden.
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Der durch den Werkstückstrom 1y am Werkstück 30 erzeugte Spannungsabfall
wird durch den Werkstücksignalgenerator 49 .ermittelt, der einen Aufwärtstransformator
mit einer an die Elektroden 31 und 32
angeschlossenen Primärwicklung
50 einschließt. In Reihe mit der Primärwicklung 50 ist eine Kompensationsdrossel
51 zur Kompensierung induktiver Werkzeugwirkungen eingeschaltet, die sonst dazu
führen könnten, daß die Spannung und der Strom in diesem Kreis außer Phase sind.
Die an der Sekundärwicklung 52 des Aufwärtstransformators entwickelte Spannung
wird durch den Doppelweggleichrichter 53 gleichgerichtet, durch die Drossel
54 gefiltert und erscheint am Potentiometer 55. Das eine Ende des Potentiometers
55 liegt stets auf einem Bezugspotential bzw. an Erde, so daß das Potential am Potentiometerabgriff
56 die tatsächliche Werkstückspannung EA darstellt.
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Der Bezugssignalgenerator 57 ist als ein Potentiometer
58 dargestellt, das zwischen Erde und einer Quelle von positivem Potential
liegt. Der Abgriff 59 ist einstellbar, um eine Bezugsspannung ER zu liefern, die
entsprechend der obigen Gleichung (3) gewählt werden kann, um dem gewünschten Temperaturzustand
für das Werkstück 30 zu entsprechen.
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Die Vergleichseinrichtung 60 umfaßt den Differentialverstärkerkreis
aus den mit ihren Kathoden verbundenen Trioden 61, 62. Die Anodenwiderstände 63,
64 sind in Bezug zueinander ausgeglichen, um den Widerstandswert des gemeinsamen
Kathodenwiderstandes 65 zu verdoppeln. Ein veränderlicher Widerstand 66 mit hoher
Impedanz und ein Potentiometer 67 mit niedriger Impedanz sind so abgestimmt, daß
Differenzen in den Kennlinien der Trioden 61 und 62 ausgeglichen werden. Da die
Triodenströme Bleichbleiben, bleibt auch das Ausgangspotential am Mittelabgriff
68 des Nebenschlußwiderstandes 69 konstant, wenn die Eingangspotentiale an den Steuergittern
70 und 71 trotz ihrer Veränderung Bleichbleiben. Wenn die Gitterspannungen jedoch
ungleich sind, weichen die Triodenströme voneinander ab, und am Mittelabgriff 68
erscheint eine Differenzspannung. Der Kathodenverstärker 72 sorgt für eine geringe
Ausgangsimpedanz und besitzt ein Steuergitter 73, das an den Mittelabgriff 68 angeschlossen
ist, und eine Kathode 74, die über den Ausgangswiderstand 75 mit Erde verbunden
ist. Ein Abgriff 76 verbindet die Wicklung 42 der veränderlichen Drossel der Phasenschieberbrücke
40 über den Ausgangswiderstand 75 mit Erde. Das Steuergitter 70 der Triode
61 ist mit dem Abgriff 59 des Bezugsspannungsgenerators 57 verbunden und liegt am
festgesetzten Bezugspotential ER. Das Steuergitter 71 der Triode 62 ist mit dem
Abgriff 56 des Werkstücksignalgenerators 49 verbunden und folgt dem jeweiligen
Werkstückpotential EA. Das Potential am Abgriff 68 ist folglich eine Differenzspannung,
die jeder Differenz zwischen ER und EA proportional ist. Das Ausgangspotential des
Kathodenverstärkers am Abgriff 76 folgt dieser Differenzspannung. Dieses letztere
Signal wird der Wicklung 42 der veränderlichen Drossel zugeführt und bestimmt den
jeweiligen Zustand der Phasenschieberbrücke 40.
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Da die Wechselstromenergiequelle eine pulsierende WellcEA liefeU,
sind ein Speicherkondensator77 und ein Entladewiderstand 78 parallel zwischen das
Steuergitter 71 und Erde geschaltet, um die Wechselstromkomponenten der Spannung
EA auszufiltern. Der Kondensator 77 wird jedoch nicht sofort bei Beginn eines Heizvorganges
aufgeladen, und um dies zu kompensieren, ist ein Kondensator 79 zwischen das Steuergitter
70 und Erde und ein Widerstand 80 in Reihe zwischen das Steuergitter
70 und Abgriff 59 des Bezugsspannungsgenerators 57 geschaltet. Der Schalter 81 ist
zur Entladung; des Kondensators 79 an Erde vorgesehen. Die Zeii@onstante des Parallel-RC-Gliedes
des Kondensators 78 und des Widerstandes 77 und die Zeitkonstante des Reihen-RC-Gliedes
des Kondensators 79 und des Widerstandes 80 sind so eingestellt, daß
die Steuergitterspannungen der Trioden 61 und 62 im wesentlichen gleich sind, bis
der Kondensator 77 genügend aufgeladen ist, um dem Verlauf der Welle EA zu folgen.
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Die Anwendung des Systems gemäß Fig. 2 auf eine Widerständsheizungssteuerung
gemäß der Erfindung erfordert es, daß eine Bezugsspannung ER bestimmt wird, die
einer Ausgleichstemperatur T, des Materials des Werkstücks entspricht. Diese.Spannung
kann sehr einfach auf experimentellem Wege an Probewerkstücken festgestellt werden.
Anschließend wird der Abgriff 59 am Potentiometer 58 des Bezugssignalgenerators
entsprechend eingestellt. Zu Beginn und am Ende des Heizvorganges können Hilfssteuerungen
82 verwendet werden, die mit dem Bezugssignalgenerator 57 gekoppelte Mittel zur
Betätigung des Schalters 81 einschließen.
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Zusätzlich können die Hilfssteuerungen 82 Mittel . zur Umsetzung des
Abgriffes 59 am Potentiometer 58 des Bezugssignalgenerators zu vorbestimmten Zeitpunkten
einschließen, um während aufeinanderfolgender Abschnitte eines einzigen Heizvorganges
verschiedene Temperaturzustände zu liefern. Während eines Widerstandsschweißvorganges
ist es oft erwünscht, beispielsweise eine Vorheizperiode, eine Schmelzperiode und
eine Nachheizperiode vorzusehen. Diese drei Temperaturzustände können durch drei
Werte von ER vorgeschrieben werden, von denen jeder experimentell vorbestimmt ist,
um der obigen Gleichung (3) für entsprechende Ausgleichstemperaturen zu genügen.
Die Schmelzung wird für eine Schmelzperiode durch Vorschreiben einer Bezugsspannung
sichergestellt, die einer Ausgleichstemperatur entspricht, welche höher ist als
die Schmelztemperatur der zu schweißenden Materialien. Da Wärme bei einem durch
die Bezugsspannung der Schmelz-Periode vorbestimmter Betrag zugeführt wird, steigt
die Werkstücktemperatur an, bis die Schmelzung einsetzt, und bleibt dann während
der Änderung des Zustandes des Schmelztropfenvolumens nahezu konstant auf der Schmelztemperatur.
Die Schmelzperiode ist nach Entwicklung eines Schweißtropfens von gewünschter Größe
beendet. Dies tritt natürlich ein, bevor die Ausgleichstemperatur, die der Bezugsspannung
der Schmelzperiode entspricht, erreicht worden ist.
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Der einzigartige Vorteil der Steuerung gemäß dieser Erfindung, wie
sie bei einer Widerstandsschweißung angewandt wird, besteht darin, daß die Schmelzung
ohne Rücksicht auf Widerstandsänderungen in dem Schweißstromkreis sichergestellt
wird. Kaltschweißungen, Fehlen einer Schmelzung, was häufig während einer auf herkömmliche
Weise gesteuerten Schweißung eintritt, werden vermieden, weil die Werkstücktemperatur
notwendigerweise die Schmelztemperatur
erreichen muß, da die Energiezufuhr
zur Herstellung einer Ausgleichstemperatur auf einem Betrag gehalten wird, der höher
ist als die Schmelztemperatur.
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Fig. 4 veranschaulicht eine besondere Glühvorrichtung, bei der die
Steuerung gemäß der Erfindung auf vorteilhafte Weise angewandt werden kann. Ein
Werkstück 90 in Form eines Metallbleches aus gehärtetem Material ist mit einem Vorsprung
und einer Lochung durch diesen Vorsprung hindurch zu versehen, indem die Preßstempelteile
91 und 92 betätigt werden. Der Formvorgang in dem Material des Werkstücks innerhalb
des kreuzweise schraffierten Bereichs 93 kann nur dann auf zufriedenstellende Weise
durchgeführt werden, wenn der Bereich 93 zuvor durch einen Aufheizvorgang erweicht
oder erwärmt wird. Um einen zweistufigen Arbeitsvorgang zu vermeiden, bei dem das
Werkstück zuerst in einem Ofen erwärmt und anschließend zu der Formpresse transportiert
wird, sind die Preßstempe191 und 92 als Elektroden eines Widerstandsheizkreises
durch das Werkstück 90 ausgebildet. Energiezufuhrleitungen 94 und 95 sind an eine
veränderliche Stromquelle (beispielsweise die Sekundärwicklung 33 eines Leistungstransformators
gemäß Fig.3) angeschlossen, und die Werkstückspannungssignalleiter 96 und 97 sind
mit dem Eingang eines Werkstücksignalgenerators (beispielsweise der Primärwicklung
50 eines Aufwärtstransformators gemäß Fig. 3) eines entsprechenden Systems,
wie es schematisch in Fig. 2 oder ausführlicher in Fig. 3 und 4 unten dargestellt
ist, verbunden.
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Der Glühvorgang wird dann durch Aufrechterhaltung einer tatsächlichen
Werkstückspannung E,1 an dem Werkstück 90 bewerkstelligt, die im wesentlichen
gleich einer Bezugsspannung ER ist, welche gemäß der obigen Gleichung (3) als der
gewünschten Glühtemperatur entsprechend experimentell vorherbestimmt worden ist.
Anschließend werden die Preßstempel 91 und 92 mit Hilfe von herkömmlichen, nicht
dargestellten Mitteln gegeneinanderbewegt, um den gewünschten Vorsprung zu bilden.
Durch weitere Betätigung der mechanischen Mittel kann der Lochungsstempeleinsatz
98 vorbewegt werden, um innerhalb des Bereichs 99 in der Mitte des Vorsprungs befindliches
Material auszustanzen.
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Zusätzlich zu der Vermeidung getrennter Verfahrensschritte ist ein
bedeutender Vorteil der wahlweisen Glühsteuerung, wie sie vorstehend beschrieben
worden ist, in der abgeschlossenen Begrenzung der Glühzone 93 auf das für einen
nachfolgenden Formvorgang erforderliche Minimum zu sehen. Es ist augenscheinlich,
daß ein herkömmliches Ofenglühen nicht lediglich auf bestimmte Teile des Werkstückvolumens
beschränkt werden kann, und in der Vergangenheit war eine Widerstandsheizung undurchführbar,
da die Werkstücktemperaturen nicht genau gesteuert werden konnten. Mit Hilfe der
erfindungsgemäßen Steuerung können jedoch ausgewählte Abschnitte des Werkstücks
auf einer Ausgleichstemperatur, der Glühtemperatur, mit jeder gewünschten Präzision
gehalten werden.
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Fig.5 veranschaulicht eine vorzugsweise Schaltungsanordnung für eine
schnellwirkende Widerstandsheizungssteuerung gemäß der Erfindung. Ein Hauptanwendungsgebiet
dieser vorzugsweisen Schaltungsanordnung ist die Widerstandsschweißung von Werkstücken
aus dünnem Metallblech, bei denen die Schmelzperioden lediglich wenigen Halbperioden
einer Wechselstromleistungszufuhr entsprechen. Die Erläuterung der Schaltungsanordnung
ist auf eine solche Anwendung gerichtet. Die veranschaulichten Funktionsglieder
entsprechen im allgemeinen denjenigen der Fig. 2 und umfassen eine Wechselstromkontakteinrichtung
100, die in Reihe mit einer Primärwicklung 101 eines Leistungstransformators an
die Klemmen 102 und 103 der Kraftleitungen angeschlossen sind. Für die Zwecke dieser
Beschreibung soll eine 60-Hz-Wechselstromquelle angenommen sein. Es ist jedoch selbstverständlich,
daß der Kreis bei Bedarf Energiezufuhrquellen mit niedrigeren und höheren Frequenzen
angepaßt werden kann. Wie oben ist die Sekundärwicklung 104 des Leistungstransformators
in Reihe mit einem Paar Elektroden 105, 106 geschaltet, die Teile einer herkömmlichen
Schweißmaschine bilden und bedienbar sein können, um in thermische und elektrische
Berührung mit dem Werkstück 107 gebracht zu werden. An Stelle der Kontakteinrichtungssteuerung
in Form der Phasenschieberkette gemäß Fig. 3 verwendet der Kreis gemäß Fig. 5 einen
Zündpunktverstellgenerator 108, um die Phasenverschiebung zwischen den Wechseln
der Spannungsquelle und der Konduktanz durch die Kontakteinrichtung 100 vorzuschreiben.
Der Werkstücksignalgenerator 109 wird durch den Demodulatorkreis 110 gesteuert,
der die Prüfung der tatsächlichen Spannungswellenform zu Zeitpunkten veranlaßt,
die mit dem Amphtudenwert jeder Halbperiode des Werkstückstromes übereinstimmen.
Der Bezugssignalgenerator 111 enthält einen einfachen Spannungsteiler. Der Vergleich
der tatsächlichen Spannung EA und der Bezugsspannung ER wird mit Hilfe eines Betriebs-Verstärker-Vergleichskreises
112 vorgenommen, der ein Änderungssignal Cg liefert, das jeder Differenz beim Vergleich
entspricht. Der Änderungssignalausgang von der Vergleichseinrichtung112 wird an
den Zündpunktverstellgenerator108 gelegt, um die Regler-Rahmen-Steuerung des Heizkreises
zu vervollständigen.
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Die Kontakteinrichtung 100 umfaßt ein Paar entgegengesetzt geschalteter
Ignitrone 113 und 114 mit zugeordneten Thyratronen 115, 116, die zwischen die Ignitronanode
und die Zündelektroden geschaltet sind. Die Thyratrone 115 und 116 sind gegen Leitung
durch eine Sperrspannung vorgespannt, die an die Steuergitter 117 und 118 mit Hilfe
der Sperrtransformatoren 119 und 120 gelegt ist. Während einer ersten Halbperiode
der Spannung von der Spannungsquelle, wenn die Anode des Ignitrons 113 positiv ist,
überwindet ein im Zündimpulstransformator121 induzierter Zündimpuls die Vorspannung
und veranlaßt die Leitung durch das Thyratron 115, das selbst wieder das 1gnitron
113 zündet. Nach Zündung setzt die Röhre 113 die Leitung für den Rest dieser positiven
Halbperiode fort und wird dann wieder so lange nichtleitend, bis sie in der obigen
Folge nach Erhalt eines weiteren, zeitlich genau bemessenen Zündimpulses gezündet
wird. Der Schaltvorgang für das Ignitron 114 ist ähnlich dem des Ignitrons 113.
Der Unterschied liegt lediglich darin, daß das Ignitron 114 in der anderen oder
zweiten Halbperiode jeder Periode der Energiezufuhr arbeitet. Die Heizwirkung des
durch die Kontakteinrichtung 100 im Leistungstransformator 101,104 zu- und somit
durch das Werkstück 107 geführten Stromes ist eine Funktion der Zeitspanne zwischen
dem Beginn jeder Halbperiode
derEnergiequelle und demErhalt einesZündimpulses
am Transformator 121.
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Der Werkstücksignalgenerator 109 enthält einen Aufwärtstransformator
122, der parallel zum Werkstück 107 an Klemmen 123 und 124 sowie an
der Doppelgleichrichterbrücke 125 angeschlossen ist. Diese ist wiederum mit dem
Lastwiderstand 126 verbunden. Der Brückenausgang an der Klemme 127 besitzt die gleichgerichtete
Wellenform der Spannung, die an dem Werkstück 107 liegt - wie bei 128 dargestellt
-, und ist mit ihrer Amplitude dieser proportional. Ein Zweiwege-Halbwellenschalter
129 ist zwischen die Klemme 127 und die Ausgangsstufen des Generators 109 eingeschaltet.
Diese Stufen umfassen einen Speicherkondensator 130 und einen Kathodenverstärker
131. Der Schalter 129 besitzt vier asymmetrisch leitende Einrichtungen, Dioden 132,
133,134 und 135, die jede einen Zweig eines Brückenkreises bilden. Die Brückendiagonale
zwischen den Klemmen 136 und 137 schließt Glieder zur gewöhnlichen in bezug auf
die Klemme 137 positiven Vorspannung der Klemme 136 ein. Wenn die Dioden 132, 133,
134, 135, wie dargestellt, ausgerichtet sind, ist jede für gewöhnlich gegen Leitung
vorgespannt, und deshalb sind die Brückenklemmen138 und 139 wirksam isoliert. Wenn
die Vorspannungsbedingung umgekehrt wird, werden die Klemmen 138 und 139 in ihrer
Wirkung überlagert, und der zwischenliegende Schalter 129 wird geschlossen bzw.
kurzgeschlossen. Die normale Vorspannung wird durch den Transformator 140, die Diode
141 und den Kondensator 142 erzeugt. Der Kondensator 142 ist zwischen die
Klemmen 136 und 137 geschaltet. Die Sekundärwicklung 140' des Transformators und
die Diode 141 liegen parallel zum Kondensator 142. Dieser wird durch Verbindung
der Primärwicklung des Transformators 140 mit einer Wechselstromenergiequelle auf
das normale Vorspannungspotentiai aufgeladen. Der Transformator 143 ist zwischen
Klemme 1.37 und Kondensator142 geschaltet, so daß ein ausreichender Steuerimpuls,
der in der Primärwicklung143' erzeugt wird, in der Sekundärwicklung 143" einen Impuls
von entgegengerichteter Polarität in bezug auf die Vorspannung induziert, damit
die Klemme 136 in bezug auf die Klemme 137 negativ wird. Während des Auftretens
dieses Steuerimpulses werden die Dioden 132, 133, 134, 135 in ihrer Vorwärts- bzw.
Leitrichtung vorgespannt, so daß jedes Potential, das in der Klemme 127 erscheint,
dem Speicherkondensator130 zugeführt wird. DerKathodenverstärker131 sorgt für eine
Niveaueinstellung und für einen Ausgang mit niedriger Impedanz. Folglich kann das
am Leiter 144 erscheinende Signal als Werkstückspan nungssignal E,1 benutzt werden.
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Da die Höhe des Bezugsspannungssignals ER empirisch bestimmt werden
muß, braucht das WerkstückspannungssignalEAnur derAmplitude derWerkstückspannungswelle
bei wiederholten Prüfzeitpunkten während jeder Halbwelle der Wechselstromleistungs7ufuhr
zu dem in Schweißlage befindlichen Werkstück proportional zu sein. Deshalb werden
die absoluten Werte der Spannungssignale gewählt, um praktische Signalgrößen, wie
sie zur Betätigung der elektronischen Schaltglieder erforderlich sind, vorzusehen.
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Die Prüfimpulse, die den Schalter 129 betätigen, werden vom Demodulator
110 in Übereinstimmung mit den Amplitudenwerten des Werkstückstromes geliefert,
um ungewollte induktive Wirkungen auszuscheiden. Die Eingangsstufen für den Demodulator
110 enthalten eine Spule 145 zur Stromrichtungssinn bestimmung. Diese Spule ist
mit dem Lastkreis über das Werkstück 107 verbunden und liegt in einem Kreis mit
dem Widerstand 146, der parallel zu der Primärwicklung 147' des Aufwärtstransformators
geschaltet ist. Die durch den Belastungsstromwechsel an dem Widerstand 146 entwickelten
Potentiale werden über die Primärwicklung 147' geleitet und induzieren entsprechende
Potentiale in der Sekundärwicklung 1.48. Diese Spannungswelle wird durch die Doppelgleichrichterbrücke
149 gleichgerichtet und erscheint an Klemme 150, wie bei 151 veranschaulicht. Die
Spannungswelle 151 wird durch die Kombination eines Kondensators 152 mit einem Widerstand
153 differenziert und erscheint an Klemme 154, wie bei 155 dargestellt. Diese Welle
155 speist den Schmitt-Kreis 156, einen herkömmlichen kathodeverbundenen doppelstationären
Multivibrator, dessen Ausgang an Klemme 15'7 die bei 158 veranschaulichte Rechteckwelle
ist. Die Parameter für den Schmitt-Kreis 156 sind so eingestellt, daß der Kreis
von seinem ersten stationären Zustand zu seinem zweiten stationären Zustand dann
schältet, wenn die Eingangswelle 155 die kritische Spannungshöhe überschreitet zu
Zeitpunkten, die mit den Amplituden Pp P2, P. der undifferenzierten Welle 151 übereinstimmen.
Die Rechteckwelle 158 läuft folglich in einer negativen Richtung beim Auftreten
der Amplitude jeder Halbperiode des Werkstückstromes durch Null. Die Welle 158 wird
durch das Netz mit dem Kondensator 159 und dem Widerstand 160 differenziert, um
die bei 161 veranschaulichte Wellenform anzunehmen. Die Ausgangsstufe des Demodulatorkreises
enthält eine Verstärkerröhre 162, die so vorgespannt ist, daß sie normalerweise
leitend ist und entsprechend den negativen Spitzenwerten der Welle 161, die an das
Steuergitter 163 gelegt werden, nichtleitend wird. Wenn die Röhre 162 abgetrennt
wird, erscheint ein positiver Spannungsimpuls in ihrem Anodenkreis und der Schalttransformator-Primärwicklung
143' des Schalters 129 des Bezugsspannungsgenerators 109. Diese Welle
ist bei 164 dargestellt. Es ist zu bemerken, daß die Polaritäten der Wicklungen
143'' und 143" so umgekehrt sind, daß die positiven Impulse der Welle 164 die erforderliche
Ergänzungsspannung in der Sekundärwicklung 143' des Transformators induzieren, um
das Vorspannungspotential am Kondensator 142 zu überwinden. Während des Zeitraumes,
wenn der Schalter 129 wirksam geschlossen ist, wird der Speicherkondensator 130
auf das Potential der Werkstückspannungswelle aufgeladen. Es sollte bemerkt werden,
daß das gespeicherte Potential an dem Kondensator 130 entweder in einer positiven
oder negativen Richtung durch die veranschaulichte Demodulatorwirkung eingestellt
wird.
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Die vorher bestimmteBezugsspannungER für einen gegebenen Heizvorgang
wird von der Einstellung des veränderlichen Abgriffes 165 am Potentiometer 166 des
Bezugsspannungsgenerators 111 abgenommen. Herkömmliche übertrabgungsglieder, die
nicht dargestellt sind, können verwendet werden, um den Wert der Bezugsspannung
ER während eines Heizvorganges zu ändern, um für mehrstufige Wirkungen entsprechend
mehr als einem Ausgleichstemperaturzustand zu sorgen.
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Die Vergleichseinrichtung 112 enthält einen betrieblichen,
direkt
geschalteten Verstärkerkreis herkömmlicher Art. Sie umfaßt eine Differentialverstärkerstufe
(Röhren 167, 168), eine Hochleistungsverstärkerstufe (Röhre 169) und
eine Ausgangsstufe mit Spannungsreglerröhren 170 und Kathodenverstärker 171.
Die Eingangswelle EA liegt über dem Eingangswiderstand 172 und die Eingangsspannung
ER über dem Eingangswiderstand 173 an dem Steuergitter 174 der Röhre 167. Der Ausgang
von der Vergleichseinrichtung 112 wird von der Kathode 175 des Kathodenverstärkers
171 abgenommen. Der Ausgang ist mit dem Eingang über den integrierenden Kondensator
176 so verbunden, daß jede Differenz der Werte von EA- und ER-Signalen in
bezug auf die Zeit integriert wird. Dieses Integrationsfehlersignal erscheint an
Klemme 177 und bildet den Eingang für den Zündimpulsgenerator 108.
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Der Zündimpulsgenerator 108 erzeugt eine dreieckigeSpannungswelle
mit derFrequenz derWechselstromenergiezufuhr und überlagert sie dem Fehlersignal
von der Vergleichseinrichtung 112. Die Oszillatorgliederumfassen einen Transformator
178, dessen Primärwicklung 179 an die Hauptleitungen und dessen Sekundärwicklung
180 an den Doppelweggleichrichter mit Dioden 181 und 182 und
den Widerständen 183,184 und 185 geschaltet ist. Die bei
187 veranschaulichte Welle am Ausgang 186 wird dem Steuergitter
188 des Verstärkers 189 zugeführt. Die Parameter des Verstärkers
189 sind so eingestellt, daß die Kuppen der Welle 187 umgekehrt und
verstärkt werden und die Ausgangswelle an Klemme 190 liefern, die bei
191 dargestellt ist. Diese Welle wird durch die Kombination des Kondensators
192 und des Widerstandes 193 differenziert und dem Steuergitter 194 der Röhre 195
zugeführt. Die Röhre 195 ist parallel zum Kondensator 196 geschaltet, der über den
Widerstand 197 mit der gleichmäßigen Spannung, die von den Spannungsreglerröhren
198 geliefert wird, aufgeladen wird. Das Potential an der Klemme 199 des
Kondensators entspricht deshalb der dreieckigen Wellenform, die bei 200 dargestellt
ist, da der Kondensator 196 bei doppelter Ausgangsfrequenz periodisch entladen
wird. Zwischen das Potential B und die Kathode 201 des Kathodenverstärkers
202 sind Spannungsreglerröhren 198 geschaltet. Das Fehlersignal von
der Vergleichseinrichtung 112 wird dem Steuergitter 203 des Kathodenverstärkers
202 zugeführt, und folglich wird an den Leiter 197' ein entsprechendes Potential
gelegt, das den Veränderungen des Fehlersignals folgt. Die Netzspannung am Leiter
197' entspricht deshalb der Summe der dreieckigen Welle 200 mit den
Fehlersignalspannungen. Das Fehlersignal entspricht hier dem Änderungssignal C,;
bei dessen Abwesenheit ist der Zündgenerator 108 in seiner Arbeitsweise unveränderlich.
Die dem Leiter 197 überlagerten Spannungen werden an das Steuergitter
204 des Thyratrons 205 gelegt. Die Röhre 205 ist so lange nichtleitend,
bis eine kritische Steuergitterspannung überschritten wird. Darauf durchfließt ein
Röhrenstrom das Thyratron 205, der eine scharf negative Stufe in dem Potential
an Klemme 206 des Kathodenkreises hervorruft. Diese negative Stufe wird dem
Steuergitter 207 des Ausgangsverstärkers 208 zugeführt, so daß diese
Röhre aus ihrem normalerweise leitenden Zustand in einen nichtleitenden übergeführt
wird, so daß eine entsprechende negative Stufenspannung in der Primärwicklung 209
des Zündtransformators 121 der Kontakteinrichtung 100 hervorgerufen wird.
Ein derartiger Zündimpuls ruft die Zündung der Kontakt einrichtungignitrone; wie
oben dargelegt, und folglich die Steuerung der Stromzufuhr zum Heizkreis hervor.
Die Wicklungen des Transformators 121 sind so angeordnet, daß die induzierten Zündimpulse
eine derartige Polarität und Größe besitzen, daß sie abwechselnd durch die Thyratrone
115 und 116 während aufeinanderfolgender Halbperioden der Spannungsquelle
eine Leitung hervorrufen.
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Zum Ein- und Ausschalten des Vorganges ist ein Schalter
210 im Impulsgenerator 108 vorgesehen. Der Schalter 210 vervollständigt
einen Vorspannungskreis für das Steuergitter 207 des Ausgangsverstärkers 208. Wenn
sich der Schalter 210 in der veranschaulichten Arbeitslage befindet, leitet
die Röhre208. Eine Überführung des Schalters in die andere Lage legt eine ausreichende
negative Spannung an das Steuergitter 207, um die Röhre 208 nichtleitend
zu machen, so daß die Übertragung weiterer Zündimpulse zur Kontakteinrichtung
100 gesperrt ist.
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Um die Arbeitsweise der Schaltung gemäß Fig. 5 zusammenzufassen, soll
angenommen sein, daß eine Bezugsspannung ER entsprechend einem gewünschten Temperaturzustand
für das Werkstück 107 bestimmt worden ist. Der Arbeitsvorgang beginnt durch
Umlegen des Schalters 210 in die »Ein«-Stellung. Ein tatsächliches SchweißspannungssignalEA
wird in einer Höhe geliefert, die dem Spannungsabfall an dem Werkstück, wie er während
jeder Halbperiode der zugeführten Spannung berichtigt wird, enspricht. Zwischen
EA und ER wird ein Vergleich vorgenommen, und ein Änderungssignal wird erzeugt,
dessen Größe jeder beim Vergleich festgestellten Differenz entspricht. Die Spannung
C, wird einer zeitabhängigen Spannungswelle überlagert, die mit der Ausgangsspannung
synchronisiert ist. Durch die überlagertenSpannungen wird während jeder aufeinanderfolgendenHalbperiode
derEnergiequelleeinekritische Eingangsspannung an der Röhre 204 des Generators
108 überschritten bei einer Phasenverschiebung, die von der Größe des Signals
Cd abhängt. Nach Einleitung eines Zündimpulses anschließend an den Erhalt der kritischen
Gitterspannung bei der Röhre 205
leitet das steuerbare Ignitron 113 bzw. 114
Strom für den Rest jeder Halbperiode. Die Heizwirkung der Leistungszufuhr zu dem
Werkstück hängt von der Leitzeitspanne des Ignitrons ab. Die Nachstellung der Heizwirkung
der Leistungszufuhr wird deshalb so kontinuierlich vorgenommen, wie es die Wechselstromkontakteinrichtung
zuläßt. Das Signal EA wird gezwungen, sich dem Signal ER anzunähern und im wesentlichen
gleich diesem Signal zu bleiben, wodurch der gewünschte Temperaturzustand während
jedes Heizvorganges sichergestellt wird.