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Schweißgleichrichter Die Erfindung bezieht sich auf einen Schweißgleichrichter
mit geregeltem Arbeitstransformator, insbesondere einen Drehstromtransformator,
der beim gezündeten Lichtbogen eine im wesentlichen waagerecht verlaufende Stromspannungskennlinie
aufweist und in nicht gezündetem Sekundärkreis ein erster, eine niedrigere Spannung
führender Stromkreis und ein zweiter, eine höhere Spannung führender Hilfsstromkreis
vorhanden sind, welche Gleichrichter enthalten.
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Schweißgleichrichter für normale Elektrodenschweißung und für die
Lichtbogen-Automatenschweißung besitzen in der Regel eine abfallende Kennlinie.
Hierbei liegt die Leerlaufspannung, die zum Zünden bzw. zum Wiederzünden beim Tropfenübergang
benötigt wird, in den Grenzen von etwa 50 bis 100 V. Die Leerlaufspannung fällt
in an sich be` kannter Weise bei Belastung auf die Lichtbogenspannung ab, die von
den verwendeten Elektrodentypen abhängt und zwischen 25 und etwa 40 V liegen kann.
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Gemäß der älteren Ausführung der Schweißgleichrichter erhielt man
die abfallende Kennlinie durch vorgeschaltete Widerstände. Dies ist jedoch insofern
nachteilig, als der entstehende Leistungsverlust größer als die im Lichtbogen tatsächlich
verbrachte Leistung sein kann. Ebenfalls ist es bekannt, vor die Gleichrichterelemente
induktive Reaktanzen, z. B. Drosseln, einzuschalten, um die abfallende Kennlinie
zu erreichen. Hierdurch wird zwar die zu vernichtende Leistung (Leerlaufspannung
minus Lichtbogenspannung mal Lichtbo:genstrom) in Blindleistung verwandelt und stellt
somit keinen Verlust dar. Jedoch ist es erforderlich, hierbei die elektrischen Bauelemente,
also den Transformator, Drossel und Kondensatoren sowie die Gleichrichterelemente
für die Gesamtleistung auszulegen, d. h. also etwa für die doppelte im Lichtbogen
tatsächlich verbrauchte Leistung. Diese Elemente müssen also übermäßig groß ausgeführt
werden, was den Schweißgleichrichter unnötig verteuert. Ferner ist nachteilig, daß
die eventuell für die Kompensation des entstehenden Blindstromes eingebauten Kondensatoren,
obgleich sie eine zusätzliche Belastung des Netzes durch den entstehenden Blindstrom
verhindern, beim Leerlauf zur überkompensation führen; hieraus ergibt sich eine
Spannungserhöhung des Kraftnetzes, die für andere angeschlossene Verbraucher unerwünscht
ist.
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Neuerdings ist es bekannt, für halbautomatische und vollautomatische
Schweißverfahren Gleichrichtergeräte mit einer Kennlinie zu verwenden, die im wesentlichen
waagerecht verläuft bzw. leicht ansteigend oder auch abfallend. Diese sogenannten
Konstantspannungsgeräte sind insofern vorteilhaft, als die flache Stromspannungskennlinie
ein sehr stabiles Verhalten des Lichtbogens in bezug auf die Lichtbogenlänge bewirkt.
Aus einer solchen Kennlinie kann man ersehen, daß bereits bei einer geringen Spannungsänderung
der Lichtbogenspannung relativ große Stromänderungen im Lichtbogen erreicht werden.
Hierdurch bleibt in vorteilhafter Weise die Lichtbogenlänge sehr konstant. Außerdem
haben solche Geräte in bezug auf die Schweißgutqualität besondere Vorzüge. Bei diesen
Geräten ist der verbleibende Blindstromanteil relativ klein: in bezug auf den Wirkstrom,
so daß der erstere vernachlässigt werden kann.
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Das bekannte Gerät bleibt aber insofern nachteilig, als die zur Verfügung
stehende Leerlaufspannung das richtige und sichere Zünden bzw. Wiederzünden erschwert
oder überhaupt in Frage stellt.
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Zwar ist bereits eine Vorrichtung zum Gleichstromlichtbogenschweißen
mit Stromversorgung aus einer Einphasenwechselstromquelle 'über Transformator und
über Gleichrichter mit einem ersten Gleichrichterstromkreis bekannt, der pulsierenden
Gleichstrom für den Schweißlichtbogen liefert, und einem zweiten Gleichrichterstromkreis,
der weniger Strom liefert als der erste und für den Schweißlichtbogen einen pulsierenden
Gleichstrom bereitstellt, der, bezogen auf den pulsierenden Gleichstrom, aus dem
ersten Gleichrichterstromkreis außer Phase liegt, um dadurch den Lichtbogen kontinuierlich
aufrechtzuerhalten, und wobei der erste Gleichrichterstromkreis eine relativ niedrige
Leerlaufspannung und der zweite Gleichrichterstromkreis eine relativ hohe Leerlaufspannung
besitzt.
Infolge dieser Phasenverschiebung addieren sich die Spannungen
des ersten und des zweiten Stromkreises praktisch überhaupt nicht. Das Zusammenwirken
beider Stromkreise soll nicht einen hohen Zündpunkt, sondern durch die Phasenverschiebung
einen welligen Verlauf des Arbeitsstromes einer Einphasenwechselstromquelle gewährleisten.
Da beide Stromkreise den Arbeitsstrom bilden, ist es nicht möglich, in kostensparender
Weise mit für niedrige Leistungen auszulegenden Hilfsspannungsaggregaten eine hohe
Zündspannung und gleichzeitig einen hohen Arbeitsstrom zu erreichen. Weiter ist
es zwar bekannt, einen Gleichrichter mit zwei getrennten Transformatoren zu verwenden.
Hier wird jedoch ein. chemischer Widerstand im Sekundärkreis des Transformators
verwendet, so daß ein nicht unbeachtlicher Teil der Leistung, der sonst dem Schweißvorgang
zugute käme, verbraucht wird.
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Die erfindungsgemäße Verbesserung besteht im wesentlichen darin, daß
ein Schweißgleichrichter mit einem geregelten Arbeitstransformator, insbesondere
einem Drehstromtransformator, verwendet wird, der beim Lichtbogen eine im wesentlichen
waagerecht verlaufende Stromspannungskennlinie aufweist, im Sekundärkreis ein erster,
eine niedrigere Spannung führender Stromkreis und ein zweiter, eine höhere Spannung
führender Hilfsstromkreis vorhanden .sind, welche Gleichrichter enthalten und wobei
beide Spannungen phasengleich sind und sich addieren, und die Hilfsspannung über
ein. Stromsperrelement insbesondere einen separaten Gleichstromrichter abgegriffen
ist, derart, daß die Hilfsspannung nicht unmittelbar über das Sperrelement entladen
werden kann, wobei dieser Gleichrichter od. dgl. in bezug auf die Stromrichtung
im Arbeitssekundärkreis gleichsinnig mit dem Hauptgleichrichtersatz angeordnet ist.
Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine hohe Zündspannung erreicht, da beim Sekundärkreis
kein Widerstand mehr vorhanden ist, welcher Leistung verbraucht. Die Aggregate der
Hilfsspannung können leistungsarm ausgebildet werden. Der eigentliche Arbeitstransformator
wird nicht geschwächt; es steht der volle Arbeitsstrom in der Arbeitsphase zur Verfügung.
Darüber hinaus bleibt im Schweißarbeitsbereich die Lichtbogenlänge im wesentlichen
konstant, da man für beachtlich unterschiedliche Arbeitsströme nur ganz geringe
Spannungsänderungen benötigt. Es werden gewissermaßen für beide Bereiche als, nahezu
ideal zu bezeichnende Zustände erreicht.
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Die Erfindung kann im einzelnen so getroffen werden, daß ein Hilfstransformator
mit einer im Leerlauf die Sekundärspannung des Arbeitstransformators übersteigenden,
etwa doppelt höheren gleichpoligen Spannung unter Zwischenschaltung eines Hilfsgleichrichtersatzes
dem Sekundärkreis des Arbeitstransformators zugeschaltet ist. Hierdurch erreicht
man, bei Verwendung einfacher schaltungstechnischer Mittel, die für den Leerlaufbereich
höhere zusätzliche Spannung, die sich der Spannung des Arbeitstransformators addiert.
Da der erweiterte Hilfsgleichrichtersatz einer Sekundärleitung des Arbeitstransformators
angeschlossen, jethoch über einen Einweggleichrichter od. dgl. kurzschließbar ist,
wird bei Auftreten einer Belastung an den Schweißklemmen, d. h. zu Beginn des Schweißvorganges
selbst, an diesen Schweißklemmen ein Strom auftreten, der größer als derjenige des
Hilfsgleichrichters ist. Hierdurch fällt die Spannung des Hilfsgleichrichters zusammen
und der Strom fließt über diesen Einweggleichrichter zu den Schweißklemmen oder
umgekehrt. Auch der Hilfsgleichrichter ist somit kurzgeschlossen, so daß sein Spannungsanteil
entfällt und der Schweißvorgang bei der wesentlich niedrigeren Arbeitsspannung sich
abspielt. Erst bei Unterbrechung des Lichtbogens; z. B. beim Tropfenübergang, bewirkt
der Hilfsgleichrichter die Wiederzündung.
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Der Erfindungsgegenstand wird an Hand der Zeichnungen erläutert, von
denen die Fig. 1 und 2 bekannte Kennlinien darstellen. Es zeigt Fig. 1 ein. Stromspannungsschaubild
mit abfallender Charakteristik, Fig. 2 ein Stromspannungsschaubildmit im wesentlichen
geradlinig, flach ansteigend oder flach abfallend verlaufender Kennlinie, Fig: 3
in schematischer Weise die Stromspannungskennlinie des erfindungsgemäßen Schweißgleichrichters,
Fig. 4 in schematischer Weise eine Schaltung zur Herstellung der Kennlinie gemäß
Fig. 3, Fig. 5 dieStromspannungskennlinie des erfindungsgemäßen Schweißgleichrichters
im. Leerlaufberench und ohne Fließen eines Arbeitsstromes zwischen den Schweißklemmen.
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Fig. 1 zeigt eine an sich bekannte abfallende Kennlinie, bei der eine
Anfangsleerlaufspannung von etwa 70 Volt zur Verfügung steht, die zum Zünden und
Wiederzünden an sich ausreichend ist; im Schweißarbeitsbereich verläuft jedoch die
Stromspannungskennlinie ebenfalls stark abfallend. Die entsprechende Kennlinie gemäß
Fig. 2 entspricht den soggenannten Konstantspannungsgeräten, bei denen keine ausreichende
Zündspannung im Leerlaufbereich zur Verfügung steht.
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Die erfindungsgemäße Kennlinie gemäß Fig. 3 ist so ausgebildet, daß
vom höchsten Punkt der Leerlaufspannung die Charakteristik zunächst sehr steil bis
zu einem Punkt abfällt, der mehr oder weniger über der Lichtbogenspannung liegt
und von dort aus in einer flach abfallenden, flach ansteigenden oder waagerechten
Kennlinie (Schweißarbeitsbereich) weiter verläuft. Hierbei kann eine Leerlauf-Zündspannung
von 80 Volt benutzt werden und der Arbeitsstrom bei einer Spannung von etwa 30 Volt
entsprechend einer flach abfallenden Stromspannungscharakteristik entnommen werden.
Aus Fig. 4 geht die hierzu erforderliche Schaltung hervor. Es wird ein an sich bekannter
Arbeitstransformator 10 benutzt, der regelbar ist. Hierzu kann er mit Anzapfungen
oder auch mit einer kleinen, vorgeschalteten, vormagnetisierten Drossel versehen
werden, so daß eine Regelung in feinen Stufen oder stufenlos erfolgt. An der Sekundärseite
sind Gleichrichtersätze 11, 11a bzw. 12, 12a bzw. 13, 13c vorhanden, die mittels
Leitungen 14,15 mit den Schweißklemmen 16, 16a verbunden sind. Um nun für den Leerlaufbereich
die in Fig. 5 dargestellte erfindungsgemäße steile Charakteristik zu erhalten, ist
eine geeignete Hilfsspannungsquelle, z. B. der Hilfstransformator 20 vorgesehen,
in dessen Sekundärkreis eine Reaktanz, z. B. ein induktiver Widerstand 22 eingeschaltet
ist. Der Sekundärstromkreis ist mit einem Hilfsgleichrichtersatz 21 verbunden, der
vier einzelne Gleichrichter aufweisen kann. Diese sind derart gegeneinander geschaltet,
daß der vom Transformator 20 erzeugte Hilfswechselstrom zunächst gleichgerichtet
wird, bevor er über die Leitung 23 dem Sekundärkreis des Arbeitstransformators
10
zufließt. Nun ist in diese Leitung 15 ein Einweggleichrichter 25 oder ein sonstiges
Stromsperrelement vorgesehen, derart, daß die Schweißklemmen mit der Hilfsspannungsquelle
nicht kurzschließbar sind. Vielmehr addieren sich die Spannungen beider Transformatoren
10 und 20, da sie gleichpolig geschaltet sind. Werden nun die Schweißklemmen
16, 16a durch einen niedrigen Widerstand verbunden, d. h. tritt im Arbeitsstromkreis
eine Belastung auf, so fließt im Sekundärkreis ein Strom, der größer ist als der
Strom des Hilfsgleichrichters 21, so daß dessen Spannung zusammenfällt und dieser
Strom über den Gleichrichter 25 fließt. Gleichrichter 25 schließt somit den Hilfsgleichrichter
21 kurz. Wird der Schweißvorgang und somit die stromleitende Verbindung zwischen
den Schweißklemmen 16,16a unterbrochen, klingt dieser hohe Strom ab, und der Gleichrichter
25 stellt wieder eine Stromunterbrechung in einer Richtung dar, so daß die Spannung
des Hilfstransformators 20, die höher als diejenige des. Transformators
10 ist, wirksam wird und die erforderliche Zündspannung oder Wiederzündspannung
hergibt.
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Es ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Schweißgleichrichter
die Vorteile der bisher be-
kannten Geräte in sich vereinigt, ohne die Nachteile
zu übernehmen. Es steht eine relativ hohe Leerlaufspannung zur Verfügung, deren
Höhe mit einfachen Mitteln variabel gestaltet werden kann, und diese hohe Leerlaufspannung
fällt bereits nach Auftreten eines nur kleinen, z. B. einige Ampere betragenden
Schweißstromes auf einen Wert ab, der im wesentlichen der üblichen, zum Arbeiten
erforderlichen Lichtbogenspannung entspricht. Steigt der Arbeitsstrom jetzt an,
bewegt sich der Arbeitspunkt in der Fig. 3 vom Punkt D zum Punkt C. Aus dem Schaubild
der Fig. 3 ist es ersichtlich, daß für den senkrechten Teil der Kennlinie nur eine
niedrige Leistung aufgebracht zu werden braucht, die während des Schweißens auch
einen nur kleinen Blindstromanteil im Netz erzeugt. Hierdurch wird erreicht, daß
der Anschlußwert im Verhältnis zur Schweißleistung ein ebenfalls günstiges Verhältnis
aufweist.