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Dreiphasige statische Gleichstromschweißmaschine Die Erfindung betrifft
eine dreiphasige statische Gleichstromschweißmaschine mit einem Halbleitergleichrichter
und einem Steuerkreis, der seite Strom und Spannungs-Regelung ermöglicht.
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Der Schweißprozeß erfordert eine Quelle mit vorgegebenen geeigneten
statischen und dynamischen Eigenschaften, die gewöhnlich als Charakteristiken dargestellt
werden.
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Den verlangten Charakteristikenverlauf erzielt man bei den bisher
bekannten Schweißmaschinenarten mittels Regelung von deren Ausgangsspannung und
Ausgangsstrom mit verschiedenen Methoden, z. B. Streutransformator, Transduktor
und neuerdings Thyristorgleichrichter. Die Verwendung von Streutransformatoren und
Tranaduktoren ist sch-wierig
und führt nur zu einer beschränkten
Regelung. Erst Schweißmaschinen mit Thyristorgleichrichter und elektrischer Regelung
bringen qualitativ neue Ergebnisse. Es ist möglich, mittels eines elektronischen
Reglers relativ einfach die statischen und dynamischen Charakteristiken zu beeinflussen
und sie dadurch auf einfache Weise dem Schweißbetrieb anzupassen. Für Bogenbetrieb
sind grundsätzlich zwei Regelungen wichtig: Regelung mit einstellbarer Strombegrenzung
für Handschweißen und Regelung mit einstellbarem Verlauf der Spannungscharakteristiken
für Schweißen in Schutz gasatmosphäre. Die Kombination dieser beiden Eigenschaften
ist im Prinzip bei Transduktor- und Thyristoranwendung möglich. Transduktor-Universalschweißmaschinen
sind aber schwer und teuer, und auch der Regelkreis ist relativ kompliziert; wenn
eine gute Dynamik gewährleistet werden soll, ist es notwendig, daß die Steuerkreise
der Transcuktoren eine große Leistung haben, Es ist zwar ,vorteilhafter, dafür einen
Tbyristorgleichrichter zu benutzen, aber auch hier ist es nötig, Anforderungen hinsichtlich
Einfachheit, kleinem Gewi.cht und -Verläßlichkeit der ganzen Schweißmaschine zu
erfüllen.
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Eine Gleichstromschweißmaschine, insbesondere für Bogen-, Hand- und
automatisches Schweißen, mit einem dreiphasigen Transformator, einem Gleichrichter
mit Dioden und Thyristoren, einem Impuisgenerator, einem Steuerkreis mit einem Speisekreis,
einem Shunt, einer Drossel lInd einem Ärbeitskreis, der Elektroden enthält, ist
gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter als dreiphasige
Halbbrückenschaltung mit einem llilfsbelastungswiderstand filr die Dioden geschaltet,
und mit einem Rilfsbelastungswiderstand der Haibbrilcke, -einem Hilfsdiodengleichrichter
und einem Belastungsdrosselkreis versehen
ist, daß der Synchronisierungskreis
des Impulsgenerators mit der Sekundärwicklung des Transformators und die Ausgänge
des Impulsgenerators mit den Steuerelektroden der Thyristorengruppe verbunden sind,
wobei der Generator von einem Ergänzungsspeisungskreis gespeist ist, der eine Diodengruppe
und eine Drossel enthält, daß der Steuerkreis einen Stromregler, einen Spannungsregler,
einen Umschalter der Stromcharakteristiken, einen Umschalter der Spannungscharakteristiken,
einen Sollwertgeber und einen Stabilisierungskreis enthält, daß der Stromregier
mit dem Shunt verbunden ist, und daß der Strom für den Arbeitskreis der Elektroden
durch eine Drossel abgeleitat wird.
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Der Gleichrichter in Halbbrückenschaltung ermöglicht eine gute Ausnutzung
des Speisegenerators, einen guten LelstuFgBfaktor und einen einfachen Impulsgenerator.
Die richtige Funktion der Halbbrücke ist durch eine Nulldiode mit einem Hilfsbelastungskreis
gesichert, welcher in den Brückendioden einen sicheren Strom hervorruft, der die
Diodenabnanme vergrößert und so die Kommutierung des Stromes auf die Nulldiode ermöglicht.
Die Dioden der Halbbrdcke werden auch noch für zwei Zwecke benützt, und zwar als
Teile des Synchronisierungskreises, welcher mit drei weiteren Dioden bestückt ist,
was gleichzeitig zur Erzeugung der Speisespannung für den Steuerkreis dient. Außerdem
bilden die Halbbrilckendioden mit drei Hilfsgleichrichterdioden einen Gleichrichter
für ein Drosselglied des Überspannungsschutzes.
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Der Impulsgenerator ist dreiphsig'mit einer vertikaten-Steuerung
und kann auf verschiedene Weise ausgeführt werden'. orteilhaft ist ein Generator,
dessen Synchronisierungskreis den Verlauf der Spannung an der dreiphasigen
Diodenbrücke
ausnutzt. Es ist dann möglich, die Kondensatoren des Synclironisierungskreises direkt
über die Synchronisierungsdioden an der Sekundärwicklung des Speisetransformators
der Schweißmaschine anzuschließen. Der Impulsgenerator und alle Teile des Steuerkreises
werden vom Speisekreis gespeist, welcher, wie schon oben angeführt wurde, aus den
Dioden des IIauptgleichri.chters und aus weiteren drei Dioden besteht..
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Der Zündwinkel der Thyristoren wird mit Hilfe eines Stromreglers
gesteuert, der eine verstärkende Transistorstufe, welche mit einem RUckkopplungsglied
überbrickt ist, enthält, so daf der Regler einen Pl-Charakter hat. Der Strom-Sollwert
wird aus dem Spannungsregler gegeben, der Strom-Istwert wird mittels eines Shunts,
welcher in den Arbei-tskreis der Schweißmaschine gescllaltet ist, ermittelt.
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Der Spannungsregler hat entweder die Funktion eines gewöhnlichen
Verstärkers oder eines Reglers mit PI-Charakter. Er enthält ein Verstårkungsglied
und ein RC-Rtckkopplungsglied.
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Unterschiedliche Eigenschaften der Schweißmaschine werden mittels
Umschalter der Charakteristiken erzielt, welcher geeignet mit dem Spannungsregler
verbunden sind.
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Während der reinen Stromreglung - fiir Handschweißen wird die Stromstärke
der Schweißmaschine mit einem Potentiometer eines Sollwertgebers eingestellt. Während
der Spannungsregelung wird die Ausgangs-Sollspannung des Hauptgleichrichters mit
demselben Potentiometer eingestellt.
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Die Steuerkreisspannung wird mit einem Kreis, welcher Zenerdioden
enthält, stabilisiert.
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In den Arbeitskreis der Elektroden silld ein Shunt und eine Drossel
geschaltet.
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Die Drosselgröße wird im beträchtlichen Maße durch das dynamische
Verhalten des Bogens der Schweißmaschine bestimmt und ist für die richtige Funktion
des Gleichrichters ud des Stromreglers wichtig.
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Im Grunde genommen ist der Stromregler ein zweistufiger Verstärker.
An seinem Eingang wird der Strom-Sollwert mit dem Istwert, welcher mit einem Shunt
im Arbeitskreis gemessen wird, verglichen. An demselben Eingang wird außerdem die
positive Hilfsspannung angelegt, die bewirkt, daß die Transistoren gesperrt werden;
auf diese Weise werden sehr, genaue und steile Stromcharakteristiken erzielt.
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Im Spannungsregler findet der hauptsächliche Betrieb des ganzen Steuerkreises
statt. Im wesentlichen handelt es sich wieder um einen Verstärker mit einem Rückkopplungs
glied, in dessen Eingang einerseits der Sollwert aus einem Sollwertgeber, dem Potentiometer,
und andererseits' ein weiteres Signal, dessen Charakter mittels Schaltung eines
Charakteristikenumschalters vorbestimmt wird, eingespeist werden.
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Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten der Schaltung des Charakteristikenumschalters.
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Bei der Stromregelung (HandschweiBen) ist das PI-Riickkopplungsgliea
mittels eines Widerstandes überbrückt,
wodurch der proportionale
Charakter der Verstärkerstufe gesichert wird. Durch die einzelnen Lagen des Stromcharakteristiken-Umschalters
ist es möglich, die Neigung der Charakteristiken zu wählen. Der Umschalter schaltet
zwischen Verbindungspunkten von Je zwei Widerständen um, die einen Spannungsteiler
zwischen den Austrittssalolelschienen-der,llalbbriicke bilden.
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Ein solcher Aufbau des Umschalters ermöglicht eine Wahl der Neigung
der Stromcharakteristiken, welche z. B.
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bei einem gleichen Sollwert alle durch denselben Arbeitspunkt geben.
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Bei der Spannungsregelung wird mittels des Potentiometers des Sollwertgebers
die Größe der Ausgangsapannung der Halbbrücke gewählt. Dieser Spannungs-Sollwert
wird an der Basis des verstärkenrien Transistors mit dem Spannungs-Istwert verglichen.
Der weichere Verlauf von Charakteristiken wird so durch den Umschalter vorbestimmt,
daß durch ihn verschiedene Widerstände an eine feste positive Spannung angeschlossen
werden. Der Widerstand, welcher direkt in den Kreis des Istwertes eingeschaltet
ist, bildet dann zusammen mit den Widerständen des Umschalters einen Span nungsteiler,
dessen Mittelpunkt mit dem Eingang der Verstärkerstufe verbunden ist.
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Es braucht auch nur ein Umschalter vorhanden zu sein, bei dem einige
Schaltstellungen einer Art der Charakteristiken (z. B. Stromcharakteristiken) und
die anderen Stellungen einer zweiten Art (z. B. Spannungscharakteristiken) zugeordnet
sind.
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Die Erfindung soll anhand, der Zeichnung nälir rlAutert
worden,
in der ein Ausführungsbeispiel abgebildet ist. Es zeigen: Fig. 1 a, b, c das Schaltbild
der ganzen Schweißmaschiene; Fig. 2 das Schaltbild des Impulsgenerators der Schweißmaschine
nach Fig. 1.
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In Fig. 1 a, b, c ist ein Ausführungsbeispiel der Schaltung einer
dreiphas igen Tll;ristorschweiUmaschine dargestellt. Ein Transformator 1 trennt
galvanisch den Arbeitskreis der Schweißmaschine vom Speisenetz und paßt die Spailnungsgröße
@ an. Ein Thyristorgleichrichter 2 ist als sogenannte Halbbrücke angeschlossen und
enthält eine Ventildiodengru.ppe 21, eine Thyristorengruppe 22 und eine Nulldiode
23. Die Nulldiode 23 ermöglicht die Kommutierung der Halbbrücke. in Hilfsbelastungswiderstand
24 der Dioden ist mit dem Mittelpunkt des Transformators 1 verbunden, ein Hilfsbelastungswiderstand
24' der Halbbrücke ist an den Halbbrückenausgang angeschlossene Ein Hilfsdiodengleichrichter
25 und ein Drosselkreis 26 dienen zum Überspannungsschutz. Die Thyristoren 22 des
Gleichrichters 2 werden durch Ausgangsimpulse eines an sich bekannten Impulsgenerators
3 (Fig. 2) gezündet, welcher zur Synchronisierung und Arbeitsspannungserzeugung
einerseits'den Spannungsverlauf an der Diodengruppe 21 des Gleichrichters 2 und
andererseits die Spannung in einem Speisekreis 4, der eine Diodengruppe 41 und eine
Drossel 42 enthält, ausnutzt.
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Der Impulsgenerator 3 ist über seinen inneren Syn chronisierungskreis
direkt mit der Sekundärwicklung des
Transformators 1, mit der Ausgangssammelschiene
28 des Gleichrichters 2, mit einem Stabilisierungskreis 10 und mit einem Stromregler
5 verbunden.
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Der Stromregler 5 enthält Transistoren 51 und 52, die zusammen Verstärkerstufen
bilden, welche mit den üblichen Kreiswiderständen 511, 521, 522 verbunden sind.
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Durch die Spannung des Transistors 51 wird der Winkel der Zündverzögerung
aus dem ,Impulsgenerator 3 bestimmt. Di,e dynamischen Eigenschaften der Stromregelung
werden durch die Wahl der Parameter eines Rückkopplungsgliedes 53 bestimmt. Der
Strom-Sollwert ist durch die Spannung zwischen eines Ssmmelachiene;1Qo und zwischen
einem Punkt 501, an den der Ausgang eines Spannungsreglrs 6 angeschlossen ist, bestimmt.
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Der Strom-Istwert wird mit einem Shunt 11 so gemessen, daß einerseits
die gemeinsame Sammeischiene 100 des Steuerkreises mit einer Samme,lschiene des
Glstchrichtsrs 2 im Punkt 29 und andererseits die Basis des Steuertransistors 52
mit der zweiten Sammelschiene des Glei@@richters 2 im Punkt 27 verbunden ist. Dabei
entsteht zwischen, den Punkten 29 und 27 beim Durchgang des Arbeitsstromes ein Spannungsab,f,all
am Shunt 11. Mittels eines Widerstandes 54 wird der Strom, welcher in einen Addierpunkt
523'eintritt, dem Transistor 52 angepaßt, und Dioden 57 kompensieren die Spannungsabnahmen
in den Transistoren 51 und 52. Über einen Widerstand 56 werden die Transistoren
51 und 52 voreingestellt. Mittels eines Widerstandes 59 wird der Strom dem Addierpunkt
523 zugeführt, wodurch eine positive Span nungskopplung entsteht, die einen wesentlich
steilen Verlauf der Stromcharakteristik zu erzielen ermöglicht. ZDynamische Strpmeigenschaften
werden in dem Arbeitskreis durch eine Drossel 1-2 bedingt.
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Der Spannungsregler 6 hat als einziges aktives Glied einen Transistor
61. Mittels seiner Kollektorspannung wird der Strom, welcher über einen Widerstand
84 oder 83 und einen Widerstand 81 eines Spannungsreglers 8, den Widerstand 59 und
den Widerstand 55 in den Addierpunkt 523 des Stromreglers 5 fließt, gesteuert. Da
der Emitter des Transistors 61 eine höhere Spannung hat als die Transistoren des
Stromreglers 5 mit der Spannung der Zenerdiode 101 des Stabikisierungskreises 10,
wird die Eingangsspannung des Stromreglers 5 mittels einer Zenerdiode 62 angepaßt.
Der Spannungsregler 6 erzielt grundsätzlich den g,ewahlten Schweißmaschinenbetrieb
auf zwei verschiedene Arten.
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Die erste Betriebsart'- die Funktion des Verstärkers bei der Stromregelung
- ist hier durch die Schaltung der Hilfskreise mit Hilfe des Uischalters bestimmt,
nämlich durch Schalten eines Widerstandes 82 in den Kollektor-Baeis-Kreis des Transistors
61 und durch Umschalten zwischen Widerständen 71 - 71t, 72 - 72' usw. An der Basis
des Transistors 61 werden die Ströme aus einem Sollwertgeber 9 und aus dem Umschalter
8 addiert.
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Die zweite Betriebsart - die Spannungeregelung - ist dadurch bestimmt,
daß in den Kollektör-Basis-Kreis des Transistors 61 ein RC-Rtlckkopplungsglied 65
geschaltet ist, welches dem Regler 6 PI-Char akter gibt. Der Spannungs-Sollwert
wird wieder durch den Sollwertgeber 9 gegeben, und der Spannungs'-Istwert wird am
Addierpunkt des Transistors 61 silber einen Widerstand 81 des Umschalters 8 direkt
aus der Ausgangssammelschiene 28 angelegt. Durch Zuschalten der Wide,rstände 83
bzw. 84 usw. des Umschalters 8 wird die Neigung der Spannungscharakteristiken geändert.
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Der Sollwertgeber 9 besteht aus einem Potentiometer 90
mit
Begrenzungswiderständen 91 und 92. Das Potentiometer 90 ist an den gemeinsamen Punkt
des ganzen Steuerkreises 100 und über den Widerstand 91 an einen Punkt 104 des Stabilisierungskreises
10 angeschlossen. Die Spannung an der Basis des Transistors 61 ist durch die Spannung
des Punktes 105 des Stabilisierungskreises 10, an den die Basis über eine Diiod.
63 angeschlossen ist, begrenzt.
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Der Stabilisierungskrsis 10 besteht aus einigen, hier aus drei Zenerdioden
101, 102 103, an denen die einzelnen Stabilisierungsspannungen entstehen.
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Das Schweißen wird im Arbeitskreis der Elektroden 13 vorgenommen.