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Verfahren und Einrichtung zur Beeinflussung des Kurzschlußstromverlaufes
beim Kurzlichtbogenschweißen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung
zur Beeinflussung des Kurzschlußstromverlaufes beim Kurzlichtbogenschweißen unter
Schutzgas, insbesondere unter Kohlendioxyd, mit abschmelzender Elektrode unter Verwendung
einer Gleichstromschweißmaschine mit flacher Charakteristik und einer im Schweißstromkreis
angeordneten Induktivität.
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Diese Schweißmaschinen besitzen den Vorteil der Selbstregelung, d.
h., daß bei Änderung der Drahtvorschubgeschwindigkeit die von der Schweiß= maschine
abgegebene Stromstärke automatisch der veränderten Zuführ- und Abschmelzgeschwindigkeit
des Schweißdrahtes angepaßt wird. Solche Maschinen sind auch weitgehend unabhängig
von willkürlichen oder unwillkürlichen Bewegungen, bei denen der Abstand zwischen
Drahtaustrittsdüse des Schweißbrenners und dem Werkstück verändert wird. Derartige
Schwankungen treten vor allem beim Handschweißen in gewissen Grenzen auf, wobei
bei gutem Selbstregeleffekt der Schweißmaschine nur minimale Änderungen der Lichtbogenlänge
zu verzeichnen sind.
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Konstantspannungsschweißmaschinen haben sich für die MIG-Schweißung
sehr gut bewährt, wenn beim Schweißvorgang keine oder nur wenig Kurzschlüsse auftreten.
Man spricht in diesem Fall von einem. sogenannten sprühregenartigen Tropfenübergang.
Der Werkstoff wird in feinen Tropfen auf das Grundmaterial übertragen, wobei zwischen
dem zugeführten Draht und dem Schweißbad kein eigentlicher Kurzschluß auftritt,
sondern das Material in Form feiner Tröpfchen sprühregenartig übertragen wird. Derartige
Lichtbogenformen treten insbesondere bei Verwendung von Argon oder Helium als Schutzgas
auf.
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Bei Verwendung von Kohlendioxyd als Schutzgas ändert sich der Materialübergang
grundlegend dadurch, daß auch bei verhältnismäßig hohen spezifischen Strombelastungen
des Schweißdrahtes so große Materialtropfen entstehen, daß zwischen dem zugeführten
Schweißdraht und dem Schweißbad bzw. dem Werkstück während des Schweißvorganges
zahlreiche Kurzschlüsse auftreten.
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Bei Verschweißung dünner Drähte mit einem Durchmesser, der in der
Regel zwischen 0,6 und 1,2 mm liegt, ist man außerdem sowohl bei Kohlendioxyd als
auch bei Argon als Schutzgas sogar bestrebt, einen kurzschlußartigen Tropfenübergang
zu erzielen, da dadurch der Grundwerkstoff weniger stark erhitzt wird als bei einem
dauernd brennenden und nicht durch Kurzschlüsse unterbrochenen Lichtbogen. Durch
den obenerwähnten Effekt gelingt es, auch verhältnismäßig dünnes Material nach dem
MIG-Verfahren zu verschweißen, ohne daß die Gefahr besteht, daß ein Loch in die
Schweißnaht gebrannt wird. Man spricht dabei von einem kurzschlußartigen Tropfenübexgang,wobei
die Kurzschlußfrequenz in der Regel über fünfzig Kurzschlüsse pro Sekunde beträgt.
Das Verfahren wird dementsprechend als Kurzlichtbogen-Schweißverfahren bezeichnet.
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Durch die Kurzschlüsse entstehen bei Verwendung üblicher Konstantspannungsschweißmaschinen
verhältnismäßig hohe Kurzschlußspitzen, die den Nachteil einer erhöhten Bildung
von Schweißspritzern und eines sehr harten Lichtbogens ergeben. In der Regel wird
auch gleichzeitig die Nahtoberfläche ungünstig beeinflußt.
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Um den oben geschilderten Effekten zu begegnen, ist es bekannt, der
Schweißmaschine entweder eine stärkere Neigung der statischen Strom-Spannungs-Kennlinie
zu geben oder in den Schweißstromkreis eine zusätzliche Induktivität einzuschalten.
Beide Anordnungen bezwecken, den dynamischen Kurzschlußstrom auf Werte zu begrenzen,
die für einen Schweißvorgang brauchbar sind, müssen aber mit Nachteilen erkauft
werden.
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So vermindert z. B. eine stärkere Kennlinienneigung den Selbstregeleffekt
der Konstantspannungsschweißmäschine. Dies bedeutet aber, daß bei Veränderung
der
Drahtvorschubgeschwindigkeit oder des Schweißbrennerabstandes auch die Lichtbogenlänge
und damit dessen Stabilität ungünstig beeinflußt wird. Es müssen daher die Leerlaufspannung
und die Kennlinienneigung der jeweiligen Drahtvorschubgeschwindigkeit genau ängepaßt
-werden, um brauchbare Schweißergebnisse zu erhalten.
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Es ist ferner bekannt, daß durch die Einschaltung einer induktiven
Drossel in den Schweißstromkreis der zeitliche Verlauf des Stromanstieges bei einem
auftretenden Kurzschluß verzögert wird, wodurch die Kurzschlußspitzen begrenzt werden
können. Nachteilig wirkt sich dabei jedoch aus, daß durch den verzögerten Verlauf
des Stromanstieges auch das Ablösen des gebildeten Schweißguttropfens verzögert
wird.
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Dies kann bei hoher Induktivität so weit führen, däß der Kurzschluß
dauernd bestehenbleibt und sich überhaupt kein Lichtbogen mehr bildet. Bei etwas
kleineren Werten der Induktivität kann es passieren, daß die Kurzschlußzeit gegenüber
der Brennzeit des Lichtbogens zu groß wird, wodurch eine stark überwölbte Naht entsteht.
Macht man die Induktivität noch kleiner, so wird der Lichtbogen sehr hart, und es
entstehen durch die hohen Kurzschlußstromspitzen Schweißspritzer in verstärktem
Maße.
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Es ist ferner zu berücksichtigen, daß sich Kennlinienneigung; Induktivität
und Leerlaufspannung gegenseitig beeinflussen, so daß bei Schweißmaschinen, bei
denen alle drei Größen veränderlich sind, nur schwierig die günstigste Einstellung
gefunden werden kann.
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Es sind auch Stromquellen bekannt, bei denen eine Dämpfung des Stromanstieges
durch Erhöhung der Induktivität in der Stromquelle selbst erfolgt, z. B. durch Rückkoppelung
der an der Drossel bei Belastung entstehenden Spannung an eine Steuerwicklung des
Transduktors der Stromquelle.
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Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung, die
funktionell selbständig jeder Gleichstrom-Schweißstromquelle mit flacher Strom-Spannungs-Chärakteristik
nachgeschaltet werden können und ohne weiteres durch Beeinflussung des Kurzschlußstromes
wirksam werden.
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Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das Drosselglied mindestens
einen parallelgeschalteten LR-Zweig oder eine elektrisch äquivalente Schaltung aufweist
und- dadurch die auf den Kurzschlußstrom wirkende Induktivität bei ansteigendem
Kurzschlußstrom ohne Beeinflussung der Stromquelle selbst verstärkt und hierdurch
die Anstieggeschwindigkeit des Kurzschlußstromes bei Erreichung mindestens eines,
vorzugsweise mehrerer bestimmter Stromwerte vermindert.
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Durch dieses Verfahren kann im Gegensatz zu den bekannten einfachen
Induktivitäten der zeitliche Verlauf des Kurzschlußstromanstieges beliebig verändert
werden, d. h., man kann z. B. erreichen, daß bei Bildung eines Kurzschlusses der
Stromanstieg zunächst schnell mit einer Geschwindigkeit von 50 000 A pro -Sekunde
erfolgt und bei Erreichen eines bestimmten Stromwertes (z. B. 200 A), die Stromanstiegsgeschwindigkeit
vermindert wird, (z. B. auf 15 000 A pro Sekunde). Das Verfahren kann auch so durchgeführt
werden, daß die Stromanstiegsgeschwindigkeit nicht nur einmal; sondern mehrmals
bei Erreichen bestimmter Stromwerte geändert wird. Mit .dem erfindungsgemäßen Verfahren
gelingt es, die Höhe -der dynamischen Kurzschlußspitzen so -zu begrenzen, daß dabei-
weder die Kennlinienneigung vergrößert, die Tropfenablösung verzögert noch die Spritzerbildung
verstärkt wird.
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Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Einrichtung vorgeschlagen,
bei der der Nebenzweig aus einer Drossel und einem dazu in Reihe geschalteten Ohmschen
Widerstand besteht, wobei die Induktivität der Hauptdrossel größer als die der Nebendrossel
und der Wert jedes Ohmschen Widerstandes des Nebenzweiges größer als der des Ohmschen
Widerstandes der Hauptdrossel ist.
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Die Wirkungsweise dieser erfindungsgemäßen Einrichtung ist folgende:
Bei Auftreten eines Kurzschlusses wird die Stromanstiegsgeschwindigkeit durch den
Wert der beiden Drosseln bestimmt. Unter :der Voraussetzung, daß die Induktivität
der Hauptdrossel groß und diejenige der Nebendrossel klein ist, wird zunächst der
Stromanstieg entsprechend der kleineren Induktivität verhältnismäßig rasch erfolgen.
Da die Nebendrossel in Reihe mit einem Ohmschen Widerstand geschaltet ist, wird
die , Stromanstiegsgeschwindigkeit bis zu einem Stromwert beibehalten, ab dem, der
Ohmsche Widerstand einen weiteren- Stromanstieg begrenzt. Ist z. B. die Spannung
der Schweißmaschine 20 V und der Ohmsche Widerstand 0,2- Ohm, so wird der Strom
bis zu einem Grenzwert von 100 A mit einer Stromanstiegsgeschwindigkeit entsprechend
der kleineren Induktivität der Nebendrossel verlaufen. Von diesem Zeitpunkt an ist
der Stromfluß durch den Nebenkreis, bestehend aus in Reihe geschalteter Nebendrossel
und Ohmschem Widerstand, auf den obengenannten Wert begrenzt. Der Kurzschlußstrom
muß bei seinem weiteren Anstieg den Weg durch die Hauptdrossel niit größerer Induktivität
nehmen. Zwangläufig verläuft der weitere Stromanstieg entsprechend der größeren
Induktivität der Hauptdrossel verzögert.
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- In Weiterbildung der Erfindung kann parallel zur Hauptdrossel nicht
nur ein System, bestehend aus Nebendrossel - und Ohmschem Reihenwiderstand, sondern
mehrere parallele Systeme geschaltet werden, in denen die Werte der Nebeninduktivität
und des Ohmschen Widerstandes dem gewünschten zeitlichen Verlauf des Kurzschlußstromes
angepaßt sind. Man kann letzteren z. B. so steuern, daß die Stromanstiegsgeschwindigkeit
bis zu einem Kurzschlußstrom von 100 A 80 000 A pro Sekunde, bis zu einen Kurzschlußstrom
von 200 A 40 000 A pro Sekunde, bis zu einem Kurzschlußstrom von 300 A 20 000 A
pro Sekunde und darüber hinaus 10 000 A pro Sekunde beträgt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist es zweckmäßig, der Hauptdrossel
im Vergleich zu den parallelgeschalteten Ohmschen Widerständen eine möglichst gute
elektrische Leitfähigkeit zu verleihen, so daß sie während der Lichtbogenbrennzeit,
wenn also keine rasche zeitliche Änderung des Stromes erfolgt, den überwiegenden
Anteil des Stromflusses übernimmt. Man erreicht dadurch, daß der Konstantspannungs-Stromquelle
keine größere Neigung der statischen Kennlinie aufgezwungen wird, wodurch der Effekt
der guten Selbstregelbarkeit erhalten bleibt.
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Eine andere Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, daß im Nebenzweig eine Nebendrossel und eine Hauptdrossel
mit parallel dazu geschaltetem
Ohmschen Widerstand angeordnet sind,
-wobei die Induktivität der Hauptdrossel größer als die der Nebendrossel und der
Wert des Ohmschen Parallelwiderstandes größer als der Widerstand der beiden Drosseln
ist.
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist dabei folgende: Bei Auftreten
eines Kurzschlusses fließt der Strom zunächst vorwiegend über die Nebendrossel und
den zur Hauptdrossel parallelgeschalteten Ohmschen Widerstand. Da die Nebendrossel
eine kleinere Induktivität als die Hauptdrossel besitzt, erfolgt der Stromanstieg
dementsprechend zunächst verhältnismäßig rasch. Wird ein Stromwert erreicht; bei
dem der Ohmsche Widerstand ein weiteres Ansteigen verhindert, so fließt der weiter
ansteigende Kurzschlußstrom bevorzugt anstatt über den Ohmschen Widerstand über
die Hauptdrossel. Man sieht, daß die Wirkung dieses abgewandelten Systems gleich
ist wie diejenige der zuerst beschriebenen Anordnung. Es bietet sich dabei die Möglichkeit,
die Induktivität der Nebendrossel in die Stromquelle selbst derart zu verlegen,
daß der Stromquelle selbst eine gewisse Induktivität, z. B. bei einem Schweißgleichrichter
durch entsprechende Ausbildung des Transformators, verliehen wird, die den gleichen
Wert hat wie die Nebendrossel.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Einrichtungen ist also derart,
daß sich die induktive Wirkung mit ansteigendem Kurzschlußstrom immer mehr verstärkt.
Sie unterscheidenosich dadurch nicht nur rein ausführungsmäßig von den bisher bekannten
einfachen Drosseln, sondern man kann mit ihnen der Schweißmaschine auch eine ganz
spezielle Eignung für die MIG-Schweißung verleihen. Es ist z. B. nicht mehr notwendig,
Stromquellen, die bevorzugt für die Kurzlichtbogenschweißung eingesetzt werden,
eine erhöhte Neigung der statischen Strom,Spannungs-Kennlinie zu verleihen. Man
kann also den Effekt der guten Selbstregelbarkeit der Schweißstromquelle erhalten.
Darüber hinaus kann durch den anfänglich raschen Stromanstieg dieAblösung undAbschnürung
des aufgeschmolzenen Tropfens wesentlich beschleunigt werden, ohne daß dabei, wie
dies bei einfachen Drosseln der Fall ist, eine Verzögerung der Tropfenablösung und
eine Erniedrigung der Kurzschlußfrequenz eintritt, die wieder ungünstige Auswirkungen
auf das Nahtaussehen und auf die Lichtbogenstabilität besitzt. Trotzdem wird ein
zu hohes Ansteigen des Kurzschlußstromes verläßlich dadurch dadurch vermieden, daß
nach Erreichen eines bestimmten Stromwertes die Drosselwirkung in verstärktem Maße
auftritt, daß also der Kurzschlußstrom zunächst rasch ansteigt, um von einem bestimmten
Wert an stark gebremst zu werden. Dadurch kann die Kurzschlußstromspitze auf .einen
willkürlich zu wählenden maximalen Wert beschränkt und ein zu starkes Spritzen beim
Schweißen verläßlich vermieden werden.
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In der Zeichnung ist die Erfindung näher erläutert. F i g. 1 zeigt
verschiedene statische Kennlinien einer Gleichstrom-Schweißmaschine; F i g. 2 zeigt
durch die entsprechenden dynamischen Kennlinien den zeitlichen Verlauf des Kurzschlußstromes;
F i g. 3 a zeigt angeordnet in einem Gleichstromschweißkreis eine Hauptdrossel mit
parallelgeschalteter Nebendrossel und Ohmschem Widerstand; F i g. 3 b zeigt eine
andere Ausführung, bei der die Nebendrossel in- Reihe mit einem Zweig,- bestehend
aus der Hauptdrossel mit parallelgeschaltetem Ohmschem Widerstand, gelegt ist; F
i g. 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Kurzschlußströme in dem Haupt- und in dem
Nebenzweig, wenn diese getrennt belastet werden; F i g. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf
des Kurzschlußstromes des Gesamtkreises, wenn dieser erfindungsgemäß geschaltet
ist; .die unterbrochenen Linien 11 und 12 zeigen die Einzelströme der parallelen
Zweige, aus denen eich der Gesamtstrom 1 zusammensetzt; F i g. 6 zeigt die Schaltung
von mehreren Nebenzweigen parallel zur Hauptdrossel; F i g. 7 zeigt den zeitlichen
Verlauf des Kurzschlußstromes bei Schaltung nach F i g. 6; F i g. 8 zeigt die zusätzliche
Schaltung eines Gleichrichters in den Nebenkreis.
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Bei den in F i g. 1 und 2 dargestellten Kennlinien wird vorausgesetzt,
daß bei allen Stellungen der gleiche Dauerkurzschlußstrom fließt. Mit IKD ist der
Dauerkurzschlußstrom und-mit 1T der erforderliche Strom zur Ablösung des Tropfens
bezeichnet. 1 bezeichnet die Kennlinien der erfindungsgemäßen Einrichtung. Die Kennlinien
2 gehören zu einer Schweißmaschine mit einer einzigen Induktivität im Stromkreis,
und mit 3 sind die Kennlinien einer Schweißstrommaschine mit starker Neigung der
statischen Kennlinie bezeichnet. Man ersieht aus den Kennlinien, daß im Fall 1 und
2 die oben zitierte Selbstregulierung des Lichtbogens durch die flache Charakteristik
besser ist als durch die steilere im Fall 3. Andererseits zeigt F i g. 2, daß im
Fall 3 der maximale Kurzschlußs.trom sehr schnell erreicht wird, und zwar mit einer
Stromanstiegszeit, die nur durch die unbeabsichtigten Trägheiten der Stromquelle
bestimmt ist. Im Fall 2 ist die Stromanstiegszeit langsamer. Sie wird durch den
Kehrwert der Induktivität bestimmt. Im Fall 1 der erfindungsgemäßen Ausführung erfolgt
der Anstieg zunächst mit der gleichen Schnelligkeit wie im Fall 3. Hier knickt aber
bei einem gewissen Punkt ,der Stromanstieg ab und verläuft sanft weiter bis auf
den Dauerkurzschlußstrom.
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Die Schaltung nach F i g. 3 a weist in einem Gleichstromkreis eine
Hauptdrossel mit der Induktivität L1 und einen parallelgeschalteten Nebenzweig,
bestehend aus einer Nebendrossel mit einer Induktivität L2 und einem in Reihe geschalteten
Ohmschen Widerstand R2, auf. Die Hauptdrossel besitzt einen durch den Leiterquerschnitt
gegebenen unbeabsichtigten Ohmschen Widerstand R1, der jedoch viel kleiner ist als
R2. Die Induktivität von L1 ist größer als diejenigen von L2. Vorteilhafterweise
wählt man L1 1,5- bis 20mal so groß wie L2.
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Die Schaltung nach F i g. 3 b weist in einem Gleichstromkreis eine
Nebendrossel mit der Induktivität L2 und in Reihe dazu geschaltet eine Hauptdrossel
mit parallelgeschaltetem Ohmschem Widerstand R2 auf, wobei die Hauptdrossel eine
Induktivität L1 besitzt, die größer ist als die Induktivität der Nebendrossel L2.
Der Wert des Ohmschen Widerstandes R2 ist größer als die Summe der in den beiden
Drosseln vorhandenen Widerstände.
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Die in F i g. 4 und 5 dargestellten Kennlinien gelten sowohl für die
Schaltung nach F i g. 3 a als sinngemäß auch für die nach F i g. 3 b. Es geht daraus
hervor,
daß der Stromanstieg des Nebenkreises 12 zunächst rasch verläuft, entsprechend der
kleineren Induktivität L2. Er ist gegeben durch die Formel
wobei U die von. der Stromquelle abgegebene Spannung darstellt.
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Der Ohmsche Widerstand R2 begrenzt den durch den Nebenzweig fließenden
Strom auf einen maximalen Wert, der wie folgt bestimmt wird:
Der innere Widerstand der Schweißmaschine sei dabei vernachlässigt.
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Der Strom, der durch die Hauptdrossel fließt, wird entsprechend der
größeren Induktivität stärker verzögert. Der Stromanstieg entspricht der Formel
Nach einer verhältnismäßig langen Zeit erreicht der Strom einen Maximalwert; der
nur durch den Innenwiderstand der Schweißmaschine und durch den verhältnismäßig
niedrigen Ohmschen Widerstand der Hauptdrossel L1 sowie der in den Schweißkreis
geschalteten Kabel und Drähte bestimmt wird.
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Aus F i g. 5 geht hervor, daß der Strom zunächst entsprechend der
kleinen Induktivität des Nebenkreises verhältnismäßig rasch ansteigt, um nach Erreichen
des maximalen .Stromes des Nebenzweiges
entsprechend der größeren Induktivität der Hauptdrossel stark verzögert weiter anzusteigen.
Die unterbrochenen Linien zeigen. dabei die Strombelastungen der beiden Zweige Ii
und I2, die zusammen den Gesamtstrom 1 ergeben. Man erkennt daraus, daß der Strom
12 des Nebenkreises nach Erreichen des Maximalwertes wieder abfällt, .da die Hauptdrossel
infolge ihres geringen Ohmschen Widerstandes in immer stärkerem Maß den Stromtransport
übernimmt (Strom 11). Der schließlich durch den Nebenkreis fließende Strom ist verhältnismäßig
gering und ergibt sich aus dem Verhältnis der Widerstände R1 und R2. Aus diesem
Grund können die Elemente des Nebenkreises auch für verhältnismäßig geringen Strom
bemessen werden, da ihre Belastung im wesentlichen nur immer kurzzeitig vor Erreichen
des Kurzschlußstromes I2,"ax auftritt.
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Nach F i g. 6 sind der Hauptdrossel 3 Nebensysteme zugeschaltet, bestehend
aus drei Nebendrosseln, die jeweils mit einem Ohmschen Widerstand in- Serie geschaltet
sind.
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Aus F i g. 7 ist der zeitliche Stromverlauf bei Kurzschluß zu ersehen,
wobei in sinngemäßer Abwandlung der F i g. 4 und 5 jeweils drei Stromstufen auftreten,
bei denen sich der zeitliche Verlauf des Stromanstiegs entsprechend den Induktivitäten
L2, L3, L4 und schließlich L1 ändert.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung können die bei Eiseninduktivitäten
entstehenden Wechselstromverluste, die sich in der gleichen Weise auswirken wie
ein zur Drossel -parallelgeschalteter Widerstand, in der gleichen Weise wie ein
Ohmscher Widerstand nach der Erfindung benutzt werden.
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Die parallelgeschalteten Nebendrosseln können auch so ausgebildet
sein, daß sich durch entsprechende Auswahl des Leitermaterials und des Querschnittes
automatisch beim Erreichen der gewünschten Induktivität der gewünschte Ohmsche Widerstand
des Nebenzweiges ergibt, so daß ein zusätzlicher Ohmscher Widerstand dadurch überflüssig
wird.
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Zum Beispiel beträgt bei einer Luftdrossel von 60 mm Durchmesser und
90 Windungen die Induktivität 120 Mikrohenry und der OhmscheWiderstand 0,12 Ohm.
Als Material wird Kupferdraht von 2 mm Durchmesser verwendet.
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Ein besonderer Ohnischer Widerstand kann auch dadurch vermieden werden,
daß durch Verwendung eines entsprechenden Eisenkernmaterials der Drosseln die Eisenverluste,
z. B. durch Wirbelströme, die gleiche Wirkung hervorrufen wie ein Parallelwiderstand
im Nebenzweig. .
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Eine weitere vorteilhafte Anordnung ist in F i g. 8 gezeigt, in .dem
das System der Nebenzweige durch einen geeigneten Einweg-Gleichrichter mit dem Zweig
der Hauptdrossel verbunden ist; dadurch kann der Stromfluß durch das Nebensystem
nur in einer Richtung erfolgen. Die in der Hauptdrossel gespeicherte Energie wird
dadurch nach Aufhebung des Kurzschlusses amAbfluß durch dasNebensystem gehindert
und zumAufrechterhalten des Lichtbogens zur Verfügung gestellt.