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Steuereinrichtung für eine Punktschweiß-Anlage
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Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Eine Punktschweiß-Anlage mit einer Steuereinrichtung zur Bestimmung
der Schweißzeitperioden ist bekannt und dient zur kontinuierlichen Herstellung von
Bewehrungen für Stahlbeton-und Stahlbetondruck- Rohren, Hohipfählen und ähnlichen
Stahlbetonbauteilen (DT-OS 1 752 908 und Prospekt Züblin -Schweißautomatent1969).
Bei dieser Anlage werden die Längsdrähte der Bewehrungskörbe in zueinander ausgerichteterlage
kontinuierlich vorgeschoben, und der Verbindungsdraht wird wendelförmg an die LDIg-;drällte
angelegt. Mit dem Wende1-draht läuft ein Elektrodenpaar um, dem jeweils beim Auflaufen
des Wendeldrahtes auf einen Längsdraht für die vorgegebene Zeitdauer der Schweißung
die Sekundärspannung eines Schweißtransformators zugeführt wird. Bei einer bereits
ausgeführten Punktschweiß-Anlage dieser Art wird der Beginn jeder Schweißung elektronisch
durch einen Impuls bestimmt, der jeweils bei Annäherung des Elektrodenpaares an
einen Längsdraht kontaktlos, beispielsweise induktiv ausgelöst wird.
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Dieser Impuls wird in die Schweißzeit-Steuereinrichtung eingegeben,
die einen Schweißzeit-Begrenzer enthält, an dem die vorgegebene Schweißdauer eingestellt
ist und der die Primärwicklung des Schweißtransformators über ein Schütz an die
Netzspannung anlegt, sobald und solange sich die Elektroden an einem zu verschweißenden
Knotenpunkt der Bewehrung befinden.
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Für die Tragfähigkeit der fertigen Stahlbetonbauteile ist die Festigkeit
der Schweißverbindungen von besonderer Bedeutung. Die Bewehrung muß während der
Herstellung der Betonteile in sich unverschieblich und steif sein, um ihre genaue
Lage innerhalb des Betons zu gewährleisten; auch muß die Bewehrung den Belastungen
standhalten, die während der Lagerung und nach dem Einbau auf die Betonteile wirken.
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Es werden daher hohe Anforderungen an die Zug- und Scherfestigkeit
der Schweißverbindungen gestent. Aus diesem Grund muß an jeder Schweißstelle eine
Mindest-Wärmemenge aufgebracht werden. Die hierfür erforderliche Schweißintensität
ist von mehreren Faktoren abhängig., zu denen vor allem der Kontaktdruck der Elektroden,
die Dauer der Schweißzeity die Stärke des Schweißstromes und der Durchmesser der
Bewehrungsdrähte gehören. Da der Drahtdurchmesser vorgegeben ist und die Schweißdauer
im Interesse einer rationellen Fertigung möglichst kurz sein soll - sie beträgt
beispielsweise nur 20 Millisekunden - wurde bisher der Anpreßdruck der Elektroden
eingestellt und ggf. nachgestellt, und es wurde mit dem elektronischen Steuergerät
eine Mindest-Stromstärke für den Schweißstrom eingestellt; hierfür wurde ais Schweißspannung,
unter BerücXsixhtig-lg des Durehm.essers der Bewehrungsdrähte, durch Phasenanschnitt-Steuerung
auf einem bestimmten Effektivwert gehalten.
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Die Einhaltung einer Mindest-Schweißintensität gewährleistet zwar
die notwendige Zug- und Scherfestigkeit der Schweißverbindungen; für bestimmte Einsatzzwecke
von Stahlbetonteilen mit geschweißten Bewehrungen, wie Bewehrungsmatten und Bewehrungskörben,
wird jedoch auch gefordert, daß die Schweißstellen wechselnden Belastungen durch
schwingende Bewegung standhalten. Solche Bewehrungen werden nach neueren Vorschriften
Dauerschwingversuchen unterworfen, bei denen
Proben der Bewehrung
unter vorgegebenen Zugspannungen mit Frequenzen zwischen 15 und 150 Hz in Schwingungen
versetzt werden; die Dauer dieser Versuche beträgt jeweils mehrere Stunden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei zu hoher 3 &w.qe
ißintensität im Material der Bawehrungsdr.ih a Gefügeänderungen auftreten können,
die bei Schwingungsbelastung zum Bruch der Schweißstelle führen. Bei der bisherigen
Steuerung der Schweißintensität war es nur möglich, die eingestellten Werte durch
Nachjustieren zu verändern. Dabei ist za berücksichtigen, daß der Übergangswiderstand
zwischen der Schweißelektrode und dem zu verschweißenden Draht stark schwanken kann,
bedingt durch unterschiedliche Oberflächenstruktur und Korrosion der Bewehrungsdrähte.
Diese änderungen des übergangswiderstandes können durch Nachregulieren des Anpreßdruckes
der Schweißelektroden nur ungenügend kompensiert werden; eine Erhöhung der Mindest-Schweißstromstärke
kann aber, je nach Beschaffenheit der Schweißstelle, so hohe Werte der tatsächlichen
Schweißstromstärke ergeben, daß Gefügeänderungen im Drahtmaterial eintreten, die
die Schwingungsfestigkeit der Schweißstell@ @eeinträchtigen Ausgehend von dieser
Erkenntnis liegt der Erfindung.die Aufgabe zugrunde, die Schweißintensität an jeder
Schweißstelle außer auf einen Mindestwert auch auf einen Höchstwert zu begrenzen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Auf diese Weise wird erreicht, daß während jeder Schweißzeit ein Schweißstrom
fließt, der unabhängig vom Ubergangswiderstand an der Schweißstelle trägheitslos
auf einen vorbestimmbaren Wert geregelt wird, so daß in Verbindung mit der
Schweißzeitbegrenzung
eine für alle Schweißstellen gleiche Schweißintensität erzielt wird, die innerhalb
der zulässigen Grenzen für den Mindest- und den Höchstwert liegt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der Steuerung und ihrer
Anwendung auf eine automatische Schweißmaschine für Bewehrungskörbe.
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Es zeigen Fig. 1 eine Maschine bekannter Art zum kontinuierlichen
Herstellen von Bewehrungskörben> schematisch in Seitenansicht, Fig. 2 eine Ansicht
der Maschine in Richtung II in Fig.1> Fig. 3 die Schweißelektroden in Betriebsstellung,
in schematischer Darstellung, Fig. 4 ein Blockschaltbild der elektronischen Steuerung
für die Stromversorgung der Schweißelektroden, Fig. 5 ein Zeitdiagramm der auftretenden
Spannungen.
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Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, hat die Maschine einen Spulenständer
1, an dem bei der dargestelltn Ausführungsform vier Reihen von je sechs Spulen 2
neben- und übereinander angeordnet sind. Von diesen, insgesamt vierundzwanzig Spulen
werden die Längsdrähte 3 abgezogen und durch ein Drahtvorschubgerät 4 geführt, in
welchem sie von - nicht dargestellen - Transportrollen erfaßt und in bereits ausgerichteter
Lage vorgeschoben werden.
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Die Drähte werden dann durch eine Lehre 5 geführt, die im Innenraum
eines hohlen, kreisringförmigen Teiles 6 eines Ständers 9 angeordnet ist.
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Wie die Stirnansicht nach Fig. 2 zeigt, sind in der Lehre radiale
Schlitze 7 vorhanden; an diesen Schlitzen sind Führungsstücke 8 radial verschiebbar
angeordnet. Durch die Schlitze und durch Ausnehmungen in den Führungsstücken werden
die Längsdrähte 3 geführt.
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An dem kreisringförmigen Teil 6 des Ständers 9 ist stirnseitig eine
Ringscheibe 10 drehbar gelagert. Die Ringscheibe trägt an ihrem Umfang einen Zahnkranz
11, in den das - nicht dargestellte- Antriebszahnrad eines Getriebes 12-eingreift.
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An der Ringscheibe 10 ist ein Schweißkopf 13 befestigt, der mit der
Ringscheibe umläuft. Außerdem ist an der Ringscheibe eine Spule 14 gelagert, von
welcher der Draht 15 für die den Korb umgebende Wendel abgezogen wird. An der Ringscheibe
10 sitzt auCh ein Kühlaggregat 13von dem aus den Elektroden des Schweißkopfes Kühlflussigkeit
zugeleitet wird. Die Ringscheibe trägt außerdem einen Transformator 27, an den die
Elektroden des Schweißkopfes angeschlossen sind.
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ZUL Rinstellung verschled3n3r Radien des herzusttulenden Korbes sind
die Fuhrungsstücke 8 in den Schlitzen 7 radial und stufenlos verstellbar. Diese
Verstellung kann automatisch gesteuert werden, um den Korbdurchmesser während der
Herstellung ändern zu können, beispielsweise um die Bewehrungskörbe für Betonrohre
mit im Durchmesser erweiterten Muffen zu verwenden.
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Der Schweißkopf 13 ist mit seiner durch die Ringscheibe 10 gebildeten
Lagerung an der von der Zuführseite der Längsdrähte 3 abgekehrten Stirnwand des
kreisringförmigen Ständerteiles 6 angeordnet. Die Führungsstücke 8 sind in
Drahtvorschubrichtung
ausgerichtet. In Vorschubrichtung hinter dem Ständer ist der fertige Bewehrungskorb
erkennbar Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, wird der Schweißkopf 13 so geführt, daß
während seines Umlaufs eine der Schweißelektroden auf dem Wendelraht 15 läuft, während
die andere Schweißelektrode neben dem Wendeldraht mitläuft und jeweils beim Auflaufen
auf einen Längsdraht 3 über diesen Draht und den Wendeldraht 15 den Kontakt zwischen
den Elektroden herstellt, so daß ein Schweißstrom fließen kann unter der Voraussetzung,
daß an beiden Elektroden Spannung liegt. Diese Schweißspannung wird an die Elektroden
angelegt, nachdemdie Kontaktelektrode auf einen der Längsdrähte aufgelaufen ist
Um den Zeitpunkt der Schweißspannungs-Anschaltung genau zu bestimmen, ist in Umlaufrichtung
des Schweißkopfes vor jedem Führungsstück ein kontaktloser, beispielsweise induktiver
Impulsgeber (nicht dargestellt) angeordnet, der gemeinsam mit dem Führungsstück
8 verstellbar ist, und dem em Impulsempfänger am Schweißkopf zugeordnet ist.
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Fig. 3 zeigt schematisch die Lage der Schweißelektroden zu den zu
verschweißenden Bewehrungsdrähten im Verlauf einer Schweißperiode.
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Der von der Vorratsrolle 14 ablaufende Wendeldraht 15 wird mittels
einer (nicht dargestellten) Andrückvorrichtung an die Längsdrähte 3 angelegt und
anschließend von den beiden Elektroden 16 und 17 mit den Längsdrähten verschweißt
Die Elektroden ES und 17 sind als Rollen ausgebildet, die frei drehbar gelagert
und mechanisch miteinander gekuppelt sind. Die Elektrode 17 ist auf dem Wendeldraht
15 geführt und hat daher mit diesem Draht ständig elektrisch leitenden Kontakt.
Die Elektrode 16 ist gegen die Elektrode 177
etwas versetzt angeordnet,
so daß sie in Umlaufrichtung U vorläuft und um den Durchmesser des Wendeldrahtes
15 in Richtung zur Drehachse der Ringsoheibe 10 (Fig. 2) versetzt ist. Sobald die
Elektrode 16 auf einen der Längsdrähte 5 aufläuft, werden die beiden Elektroden
über diesen Draht und den Wendeldraht 15 elektrisch leitend verbunden. Der Kontakt
wird unterbrochen, wenn die Elektrode 16 den Draht 5 wieder verläßt. Die Kontaktelektrode
16 legt zwischen dem Auflaufpunkt 16 a und dem Ablaufpunkt 16h einen Weg s zurück,
der bei einem Drahtdurchmesser von 6 mm etwa 4 mm beträgt.
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Bei einer Umlaufgeschwindigkeit der Elektroden von 10 min beträgt
die Kontaktzeit tk etwa 24 Millisekunden. innerhalb dieser Kontaktzeit liegt die
Schweißzeit ts, deren Beginn und Ende elektronisch gesteuert werden Die Schweißzeit
hat im Ausführungsbeispiel eine Dauer von 20 Millisekunden. Die vorlaufende Anordnung
der Kontaktelcktrode 16 im Verhältnis zur Schweißelektrode 17 stellt sicher, dß
der Kontakt zwischen den Elektroden beim Anlegen der Schweißspannung bereits hergestellt
ist, so daß der elektronisch gesteuerte Beginnder Schweißperiede nicht durch verspätete
Kontektgabe verzögert werden kann und genau bestimmbar ist.
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Die elektronische Steuereinrichtung ist in Fig. 4 im blockschaltbild
dargestellt. Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannungen an den im Blockschaltbild
angegebenen Punkten.
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Die Steuereinrichtung besteht aus einem Schweißzeitbegrenzer 18, einem
Schweißstromregler 19 un einem Taktgeber 25, der den Schweißstromregler mit dem
Schweißzeitbegrenzer koppelt.
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Der Schweißstromgregler enthält eine Thyristor-Stufe 26, die mit der
Primärwicklung P des Schweißtransformators 27 in Serie geschaltet ist, diese Serienschaltung
liegt an der Netzspannung, die am Anschluß @@@ zugeführt wird und deren Verlauf
in dem Diagramm nach Fig. 5 mit einer punktierten Tinte angegeben ist. Die Thyristor-Stufe
26 ei
Zündimpulse, die zeitlich derart verschoben werden können,
daß die Thyristoren während jeder Halbwelle der sinusförmigen Netzspannung nur für
eine vorbestimmte Zeit durchlässig sind. Die der Primärwicklung des Transformators
zugeführte Wechselspannung wird daher im Phasenanschnitt geregelt, wie sich aus
dem Spannungsverlauf A in dem Diagramm nach Fig. 5 ergibt. Der über die Sekundärwicklung
S des Transformators fließende Schweißstrom wird daher entsprechend geregelt.
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Der Schweißstrom soll jeweils nur für die Dauer von etwa 10 Millisekunden
fließen, wobei die Einschaltung des Schweißstromes genau Mm Nulldurchgang bei Beginn
einer positiven Halbwelle der Netzwechselspannung liegen soll, damit die Endstufe
des Reglers 19 durch den Einschaltstromstoß, der wegen der induktiven Belastung
durch den Schweißtransformator auftritt, nicht übermäßig belastet wird. Die Steuereinrichtung
ist daher prinzipiell so aufgebaut, daß ein von den Elektroden bei ihrem Umlauf
Jeweils vor Erreichen einer Schweißstelle ausgelöster Initiatorimpuis dem Schweißzeitbegrenzer
18 zugeführt wird (Bin Fig. 5); der Schweißzeitbegrenzer liefert einen Steuerimpuls
(C 1a FIg. 5), dessen Dauer der vorgegebenen Sc:hweißzeit entspricht, und der Taktgeber
25 bestimmt mit seinen Ausgangsimpulsen (D1/D2 in Fig. 5) den Zeitpunkt und die
Dauer der Einschaltung des Reglers 19.
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Der initiatorimpuls B wird beim Umlauf der Elektroden Jeweils kurz
vor Beginn der Kontaktzeit tk induktiv, über Magnete oder auf ähnliche Weise kontaktlos
erzeugt. Dieser Impuls wird einem Speicher 20 des Schweißzeitbegrenzers 18 am Eingang
b führt. Von diesem Speicher gelangt der Impuls an eine Torschaltung 21, an die
außerdem eine Impulsreihe angelegt wird, die aus der Netzfrequenz von 50 Hz durch
eine
Kippschaltung 22 erzeugt wird. Sobald das Tor 21 durch Anlegen
des vom Speicher 20 zugeführten Initiatorimpulses B freigegeben wird, gelangt die
Impuisreihe aus der Kippschaltung 22 an einen Zähler 23. Diesem Zähler ist ein Decoder
24 zugeordnet, der auf eine vorgegebene Schweißzeit eingestellt ist. Durch Abfragen
des Decoders wird festgestellt, wie viele Impulse der Impulsreihe gezählt werden
sollen. Der Speicher setzt diese Impulsreihe in einen Steuerimpuls um ( vergl. C
in Fig. 5), dessen Dauer der vorgegebenen Schweißzeitdauer entspricht.
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Der Steuerimpuls aus dem Schweißzeitbegrenzer wird am Punkt c dem
Taktgeber 25 zugeführt. Dieser Taktgeber enthält eine Kippschaltung 28, die aus
der zugeführten Sinus-Wechselspannung von 50 Hz Rechteckimpulse erzeugt. An die
Kippschaltung sind zwei Begrenzer 29 und 30 angeschaltet, an deren Ausgängen jeweils
die positiven bzw. die negativen Impulse aus der Kippschaltung 28 stehen. Die negativen
Impulse aus dem Begrenzer 30 werden in einem Inverter 31 in positive Impulse umgewandelt.
Die beiden Impulsreihen aus dem Begrenzer 29 bzw dem Inverter 51 werden je einem
Differenzierglied 32 bzw. 33 zugef;ihrt. Diese fferenzierglieder erzeugen aus den
ansteigenden Flanken der zugeführten Rechteckimpulse kurze Steuerimpulse, die je
einer Torschaltung 34 bzw. 35 zugeführt werden; die beiden Torschaltungen sind in
der Endstufe 36 des Taktgebers angeordnet. An den zweiten Eingang jeder Torschaltung
34 und 35 wird die aus dem Schweißstrombegrenzer 18 gewonnene Steuerspannung angelegt
(vgl. C in Fig. 5). Die beiden Torschaltungen 34 und 35 sind mit ihren Ausgängen
an eine bistabile Kippschaltung 37 angeschlossen. Die Kippschaltung 37 enthält ebenfalls
zwei Torschaltungen und arbeitet mit den beiden Torschaltungen 34 und 35 derart
zusammen, daß an den beiden Ausgängen der Endstufe 36 je ein Preigabeimpuls ausgelöst
wird, dessen Beginn davon abhängig ist,
daß ein Steuerimpuls aus
dem Schweißzeitbegrenr r 18 und außerdem ein Impuls aus dem Differenzierglied 32
an der Torschaltung 34 anliegt. Die Dauer der Auslöseimpulse (val. Dl/D2 in Fig.
5) wird ebenfalls von der Endstufe 36 bestimmt und ist davon abhängig, daß der Steuerimpuls
C (vgLFig. 5)beendet ist und außerdem ein Impuls aus dem Diffeizierglied 33 an der
Torschaltung 35 anliegt. Die Auslöseimpulse an den beiden Ausgängen des Taktgebers
beginnen und enden also genau im Nulldurchgang der sinusförmigen Wechselspannung
(vgl. A in Fig. 5) und haben eine Dauer, die nur geringfügig von der Dauer des Steuerimpulses
aus dem Schweißzeitbegrenzer abweicht.
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d1 und da Die beiden Ausgängefdes Taktgebers sind an den Schweißstromregler
angeschlossen, der dadurch jeweils nur für die Dauer der Auslöseimpulse freigegeben
wird.
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Der Schweißstromregler 19 enthält die Thyristor-Endstufe 26, die in
Serie zu der Primärwicklung P des Schweißtransformators 27 liegt. In Reihe zu der
Sekundärwicklung S des Schweißtransformators ist ein Stromwandler 38 geschaltet,
der aus dem Sekundärstrom des Schweißtrans fzrmaors, also aus dem durch die Elektroden
flieGenden Schweißstromaeine Spannung ableitet, die über einen Gleichrichter 39
einer Spannungs-Vergleicher-Schaltung 40 als Ist-Wert zugeführt wird. Diese Spannungs-Vergleicher
Schaltung bildet den Eingang des Schweißstromreglers, an den eine einstellbare Spannung
als SdtL-Wert gegeben wird.Aus dem Soll-Wert und dem Ist-Wert wird in der Vergleicherschaltung
30 die Differenz gebildet, aus der ein Strom als SolL-Wert für eine anschließende
Strom-Vergleicher-Schaltung 41 gewonnen wird. Dieser Vergleicherschaltung 41 wird
als Ist-Wert ein Strom zugeführt, der über einen Stromwandler 42 aus dem Primärstrom
des Schweißtransformators 27 abgeleitet und über einen
Gleichrichter
43 an die Vergleicherschaltung 41 gegeben wird. In dieser Strom-Vergleicher-Schaltung
wird aus der Differenz des Strom-Soll-Wertes und des Strom-Ist-Wertes ein Ausgangssignal
gewonnen, mit dem eine Impulsstufe 44 gesteuert wird. Die Impulsstufe liefert die
zur Auslösung der Zündimpulse (vgl. E in Fig. 5) notwendige Steuerspannung an eine
Impuls-Endstufe 45.
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Die Ausgangsspannung der Vergleicherschaltung 41 verschiebt zeit@ch
die Impulse der Impulssteuerstufe 44 derart, daß die Zündimpulse im Regelsinne verlagert
werden, so daß die gewünschte Phasenanschnitt-Regelung eintritt.
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Die Eingangsstufe 40 und die Impuls-Steuerstufe 44 des Schweißstromreglers
sind mittels des Taktgebers 25 in den Schweißstrompausen gesperrt und werden jeweils
von den Auslöseimpulsen (vgl. D1/D2 in Fig. 5) freigegeben.
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Um eine Übersteuerung der Thyristor-Endstufe 26 bei Freigabe des Reglers
zu vermeiden, wird in dem Taktgeber 25 eine Spannung erzeugt, die an den Eingang
der Impulsstufe 44 angelegt wird. Hierfür ist in dem Taktgeber 25 eine hochohmige
Spannungsquelle 46 vorgesehen, die beim Einschalten des Reglers eine Spenllur,g
an die Impuls-Steuer-Stufe 44 liefert und von der niederohmigen Regelstufe 40, 41
unwirksam gemacht wird, sobald die Regelung einsetzt.
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Die Steuereinrichtung nach Fig. 4 gewährleistet also eine Einschaltung
der Thyristor-Endstufe jeweils im Nulldurchgang der Wechselspannung und verhindert
eine Ubersteuerung dieser Stufe während des Einschaltzetpunktes, zu dem wegen der
induktiven Belastung durch den Schweißtransformator (27) ein hoher Strom fließen
wurde.
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L e e r s e i t e