DE3148510A1 - Rechteckwellen-speiseeinrichtung fuer das lichtbogenschweissen - Google Patents

Description

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MILLER ELECTRIC MFG. CO.
Appleton / USA

Rechteckwellen-Speiseeinrichtung für das Lichtbogenschweißen

Die Erfindung bezieht sich auf das Lichtbogenschweißen an Eisen mit starken Querschnitten, besonders im "abgedeckten" Lichtbogenschweißverfahren, bei dem der Lichtbogen unter einer Uberdeckung aus granuliertem Schweiß-Fluß-Material ausgebildet ist.

Das abgedeckte Lichtbogenschweißen erfreut sich zunehmender Beliebtheit, da besonders bezüglich gesundheitsschädlicher Gase und Dämpfe und auch des Lichtbogenblitzes die Sicherheitsanforderungen leichter erfüllt werden können. Als Energiequelle wird häufig Gleichstrom verwendet. Die ursprünglichen automatischen, mit Gleichstrom betriebenen, abgedeckt arbeitenden Lichtbogenschweißeinrichtungen verwendeten Gleichstromquellen mit der Spannung folgenden DrahtelektrodenvorSchubeinrichtungen. Erst seit kurzem werden Konstantspannungsgleichstromquellen bei derartigen Verfahren verwendet, die dann auch mit Drahtelektrodenvorschubvorrichtungen mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit eingesetzt werden.

Eisenmaterialien, meist Stahl, sind magnetisch, so daß aus diesem Grunde das Schweißen mit Gleichstrom häufig nicht zufriedenstellt. Das vom Lichtbogenstrom erzeugte Magnetfeld, das den Lichtbogen umgibt, und die mit den Erdableitströmen verbundenen Felder wirken in unvorhersehbarer Weise aufeinander ein. Das Ergebnis ist häufig eine sogenannte

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"Lichtbogenpuffung". Dies muß besonders beim Schweißen tiefer Nähte vermieden werden, wo regellose Bewegungen des Lichtbogens die gute Ausbildung des Schweißschmelzflusses verhindern.
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Als die Lichtbogenverpuffung zu Schwierigkeiten führte, gingen die Anwender zur Wechselstromspeisung zurück, doch gewöhnlicher Sinuswellenwechselstrom eignet sich nicht für das abgedeckte Lichtbogenschweißverfahren. Das abgedeckt arbeitende Lichtbogenschweißverfahren wird typischerweise mit 24 bis 38 Volt betrieben. Der Einsatz von Stromquellen mit einem Wechselstromtransformator führt bei diesen niedrigen Spannungen dazu, daß der Lichtbogen stottert, möglicherweise erlischt und dann nicht wieder zündet. Der Grund liegt darin, daß eine Sinuswechselstromwelle einen verhältnismäßig langsamen Null-Durchgang hat, wenn die Spannung sehr niedrig ist. Während dieser Zeit erlischt aber der Lichtbogen, und dann muß der Lichtbogen vorwärtsbewegt werden, bis er den Schmelzfluß berührt und der Bogen wieder zündet. Dies ist kein guter, stabiler Lichtbogenzustand.

Eine Alternative bei der Verwendung von Wechselstrom ist die sogenannte "Drooper"-Speisung. Diese haben etwa 80 Volt Leerlaufspannung und besitzen Transformatoren mit einer großen Streuung. Sie sind grundsätzlich Konstantstromquellen, bei denen die Betriebsspannung durch die Belastung und nicht durch die Stromquelle selbst vorgegeben wird. Der Einsatz einer derartigen Stromquelle im abgedeckten Lichtbogenschweißverfahren erfordert die Verwendung einer der Spannung folgenden Schweißdrahtzuführung. Die Geschwindigkeit der Drahtvorschubvorrichtung hängt von der Lichtbogenspannung ab, der Vorschubmotor wird von der Sekundärspannung getrieben. Diese Schweißdrahtfördervorrichtung hat beim Wechselstromschweißen keine große Verbreitung gefunden, weil die Stabi-

lität des Schweißvorganges sehr schwer herzustellen, und aufrechtzuerhalten ist. Strom, Spannung und Drahtvorschubgeschwindigkeit wirken sämtlich in nicht vorhersehbarer Weise zusammen, und das System ist auf diese Weise nicht stabil und selbstregelnd. Außerdem ist bei derartigen "Drooper"-Wechselstromquellen der Anfangsstrom sehr begrenzt, so daß zu Beginn des Lichtbogens sehr schlechte Schweißqualität erreicht wird.

Gemäß der Erfindung wird eine Rechteckwellen-Wechselstromquelle bei dem unter Abdeckung arbeitenden Lichtbogenschweißverfahren eingesetzt. Die Rechteckwelle hat einen sehr steilen Null-Durchgang beim Polaritätswechsel, so daß der Lichtbogen nicht nach jeder Halbwelle erlischt. Der Draht muß deshalb nicht 100 bzw. 120-mal pro Sekunde bis zum Anschlag an das Werkstück vorgeschoben werden, damit der Lichtbogen neu gezündet wird.

Im Stand der Technik sind Rechteckwellen-Lichtbogenschweiß-Stromquellen bekannt. Die US-PS 3 364 334 zeigt eine in Reihe zum Wechselstromnetz liegende Diodenbrücke, und ein Induktor verbindet die Gleichspannungsanschlüsse der Brücke. In dieser Anordnung ist die Brücke nicht das Steuerelement, und die SchweißStromsteuerung muß auf der Gleichstromnetzseite vorgenommen■werden. Außerdem bilden die Dioden der Brücke ständig einen Leerlaufpfad.

Gemäß üS-PS 4 038 515 sind die Dioden und die Brücke durch Thyristoren ersetzt. Der tatsächliche Schweißstrom wird mit einer gewünschten Schweißstromeinstellung verglichen, und eine Zündsteuerschaltung reagiert auf das dadurch gewonnene Fehlersignal, wodurch die Thyristorbrücke in den richtigen Phasenzeitpunkten gezündet wird, damit der Last ein konstanter Strom zugeführt wird. Dieses System läßt sich nicht in

Verbindung mit einer Schweißdrahtzuführung, die mit konstanter Geschwindigkeit arbeitet, verwenden. Das System läßt sich also deshalb nicht beim abgedeckten Lichtbogenschweißverfahren einsetzen, sofern es nicht mit einer mit variabler Geschwindigkeit arbeitenden Schweißdrahtvorschubvorrichtung verbunden wird. Der Einsatz einer mit variabler Geschwindigkeit arbeitenden, der Spannung folgenden Vorschubvorrichtung ist jedoch keine zufriedenstellende Lösung, wie an früherer Stelle bereits ausgeführt, da Kaltstarts schwierig sind und jede Störung von Strom oder Spannung eine Reaktion der der Spannung folgenden Drahtvorschubvorrichtung nach sich zieht, was auch eine Auswirkung auf den Lichtbogen hat, so daß dieser wenigstens vorübergehend unstabil wird.

Wonach zu trachten ist, ist eine Konstantstrom-Wechselstromquelle, die auf konstante Spannung gesteuert wird und mit einer Elektrodenvorschubvorrichtung mit konstanter Geschwindigkeit in Verbindung gebracht werden kann, so daß auf diese Weise die verschiedenen Vorzüge genutzt werden können, die beim automatischen Gleichstromschweißen gängig sind.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Wechselstromquelle konstanter Spannung zu schaffen, die für abgedecktes Lichtbogenschweißen mit einer Schweißdrahtzuführ-Vorrichtung konstanter Geschwindigkeit zusammengefügt werden kann.

Des weiteren besteht die Aufgabe darin, eine Wechse!stromquelle zu schaffen, die sich beim abgedeckten Lichtbogenschweißen tiefer Nähte, die bei Eisenmetallen von starken Querschnitten auftreten, gut eignet.

Ferner sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Halten einer konstanten Spannung an den Schweißstrom-Ausgangsan-

Schlüssen unabhängig vom Strombedarf des Lichtbogens geschaffen werden.

In einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung wandelt der Haupttransformator eine 480-Volt-Einphasenprimärspannung in eine sekundäre Leerlaufspannung von 92 Volt bei 60 Hz um und gibt außerdem verschiedene Steuer-, Synchronisier- und Hilfsspannungen für das gedruckte Schaltungssystem und für Zusatzbelastungen ab. Vier Thyristoren und ein Speicherkerninduktor werden derart gesteuert, daß praktisch Rechteckwellenstrom erzeugt wird. Die Amplitude der Rechteckwelle mit sehr kurzen Null-Durchgängen ist einstellbar. Die Null-Durchgangszeit liegt im Bereich von 8 bis 150 μεεο, was um ein Vielfaches kürzer ist als beim Sinuswellen-Null-Durchgang. Die Thyristorbrücke wird in einer solchen Zündfolge gesteuert, daß der Rechteckwelleninduktor bei Polaritätswechseln der Spannungszuführung am Freilaufen gehindert wird. Der Induktor kann große Energiebeträge in Form von Magnetfluß als Integral zugeführter Volt-Sekunden speichern. Die Thyristorzündungen werden zeitlich so gelegt, daß diese Energie in den Lichtbogen einfließt, indem eine Spannung gleich der Augenblicksspannung der nutzbaren Energiezufuhr in den Zeitaugenblick induziert wird, auch wenn die Durchschnitts-Lichtbogenspannung erheblich niedriger ist. Es ist diese Fähigkeit, hohe Rückzündspannungen mit einer geregelten Spannungsquelle mit vom Grunde her niedriger Spannung zu erzeugen, durch die kontinuierliches Lichtbogenschweißen unter Abdeckung bei konstantem Spannungspotential mit Wechselstrom möglich ist. Zwei Regelungsunter- systeme arbeiten zusammen, um die Abgabe zu steuern:

1. Eine Spannungssteuerschleife überwacht die Lichtbogenspannung an den Klemmen oder von Fernabtastleitungen und erzeugt ein Signal, das verarbeitet und einem Spannungs-

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regler zugeführt wird, der es mit dem Bezugssignal, das der Schweißer einstellt, vergleicht. Bei einem Betätigungsfehler wird ein Korrektursignal ausgelöst, das die Lichtbogenspannung innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches auf den eingestellten Wert zurückführt.

2. Eine zweite Kontrollschleife erhält unter Verwendung einer Stromrückkopplung eine Information von einer Hall-Vorrichtung, die den Lichtbogenstrom abtastet. Das von der Hall-Vorrichtung erzeugte Signal wird so verarbeitet, daß Händlungen mit niedriger Frequenz, in der Belastung so gering wie möglich sind. Eine transient gekoppelte negative Rückkopplung mit einem 45-Hz-Abrollen ist auf den Spannungsregler nach weiterer Bearbeitung durch eine dynamische Schleifensteuerung rückgeführt. Dies nimmt die Form eines Potentiometers an, durch das der Schweißer eine gewisse Steuermöglichkeit über die Steifheit und das Ansprechen des Bogens bekommt.

Das zeitliche Ansprechen des Reglers ist so ausgelegt, daß sehr kurz dauernde Störungen unbeachtet bleiben und daß über eine lange Dauer die Ausgangsspannung mit hoher Güte ausreguliert wird. Diese Spannungsschleife ist ständig wirksam. Durch Unterdrücken oder Ignorieren der Stromrückkopplung während des Lichtbogenstarts für annähernd 50 msec kann die Stromquelle bei Bedarf während des Kaltstarts mehrere Tausend Ampere abgeben.

Anhand der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung werden die Eigenheiten, Ziele und Vorteile der Erfindung noch deutlicher offenbart. Im einzelnen zeigen:

Fig. IA und 1B das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Erfindung einer Konstantspannungs-Rechteckswellenenergiequelle für abgedecktes Lichtbo-. genschweißen; und

Fig. 2A und 2B die im Blockschaltbild der Fig. 1

gezeigte Steuerschaltung in einem genaueren Schaltbild.

Die Primärwicklung eines Transformators T1 wird aus einem Wechselstromnetz mit 460 V bei 60 Hz gespeist, so daß der Transformator an seiner Sekundärwicklung eine Leerlaufspannung von 92 V hat. An die Sekundärwicklung ist eine Thyristorbrücke aus den Thyristoren SCR1, SCR2, SCR3 und SCR4 angeschlossen. An den Gleichstromausgang der Thyristorbrücke ist ein Rechteckwelleninduktor Z1 gelegt. Die Last zwischen Elektrode und Werkstück befindet sich in einer Seite der Gleichstromspeisung der Thyristorbrücke. Eine Hall-Vorrichtung HD1 mißt den durchschnittlichen Wechselstrom. Ein an einen Hall-Vorrichtungsverstärker HA1 angeschlossenes. Amperemeter A zeigt die Größe des Stroms als mittleren Wechselstrom an, doch kann bei entsprechender Skaleneichung des Amperemeters auch der Effektivwert des Wechselstroms angezeigt werden. Das von der Hall-Vorrichtung HD1 abgegebene Signal ist ein Gleichspannungssignal· von etwa 50 mV bei 1000 A. Dieses Signal wird durch den Operationsverstärker HA1 der Hall-Vorrichtung verstärkt, um ein starkes S.ignal zu bekommen, das in einem Hauptsteuerfeld PC1 als transientes negatives Rückkopplungssignal verwendet werden kann.

Der Induktor Z1 ist sehr groß und hat einen äußerst breiten Luftspalt. Er kann in hohem Maße Energie in Form von magnetischem Fluß speichern. Der dem Lichtbogenstrom äquivalente

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Gleichstrom fließt durch die Wicklung des Induktors Z1 . In den Zeiten, wo die Sekundärspannung des Transformators T1 höher als die Lichtbogenspannung ist, steigt der Strom durch den Induktor Z1, und es wird magnetischer Fluß aufgebaut. Fällt die Sekundärspannung unter die Lichtbogenspannung ab, so baut sich das Magnetfeld im Induktor Z1 ab, und dieser nimmt den Zustand eines Generators an. Während dieser Zeit ergänzt der Induktor den über die Primärwicklung des Transformators T1 zugeführten Energiestrom. Wenn das System im mittleren Bereich arbeitet, fließt folglich ein nahezu konstanter Gleichstrom durch den Induktor Z1, während die Thyristoren SCR1 bis SCR4 in Rechteckwellenweise geschaltet werden.

Es soll einmal angenommen werden, daß der Induktor Z1 bereits 100 A Gleichstrom führt, der Lichtbogenstrom 100 Wechselstrom ist, SCR2 und SCR4 leitend und SCR1 und SCR3 gesperrt sind. Die Spannung am Induktor Z1 ist an seinem in Fig. 1 links liegenden Ende plus, rechts dagegen minus. Die Sekundärspannung des Transformators T1 ist höher als die Lichtbogenspannung. Der Strom im Induktor Z1 baut sich auf 105 A auf. Nun erreicht die Netzspannung ihren Scheitelwert und fällt wieder ab. Die Sekundärspannung jedoch ist noch höher als die Lichtbogenspannung, obgleich die Differenz kleiner ist. Der Strom im Induktor Z1 nimmt noch weiter zu, jedoch in kleinem Maß. Wenn die Sekundärspannung unter die Lichtbogenspannung absinkt, wechselt der Induktor von einer Spannungssenke zu einer Spannungsquelle. Nunmehr ist die rechte Seite des Induktors Z1 positiv, die linke negativ, wie in Fig. 1 gezeigt. Das zusammenbrechende Feld des Induktors Z1 erzeugt eine Spannung, die weiterhin den Strom durch den Thyristor SCR4, den Verbraucher und den Thyristor SCR2 treibt. Das vom Induktor Z1 erzeugte Potential stützt also die Sekundärspannung nach dieser Zeit ab. Diese

Situation kann sich während einiger weiterer Grade fortsetzen, und je größer die Speicherkapazität des Induktors Z1 ist, umso länger kann die Halbwelle ausgedehnt werden. Wenn es Zeit ist, die Polarität umzukehren, werden die Thyristoren SCR1 und SCR3 gleichzeitig gezündet. In diesem Zeitpunkt sind alle vier Thyristoren leitend. Der Sekundärwechselstrom baut sich sehr schnell auf. Die Sekundärspannung spannt dann die Thyristoren SCR2 und SCR4 negativ vor, so daß diese abgeschaltet werden. Dies ist dieNull-Durchgangszeit, die eine Dauer von zwischen 50 und 150 μsee hat. Die Thyristoren SCR1 und SCR3 sind nun leitend, und es gibt keine Leerlaufwege. Der Strom fließt durch den Verbraucher in der umgekehrten Richtung, durch den Induktor Z1 jedoch in derselben Richtung. Jenseits der Kuppe der Rechteckwelle nahe der hinteren Flanke erhält der Lichtbogen seine Energie aus dem vorher im Induktor Z1 in Form von magnetischem Fluß , der aus den zugeführten Voltsekunden aufintegriert ist, gespeicherten Energieinhalt.

Bei dem Befehl zur Polaritätsumkehr fließt also im Induktor Z1 ein relativ konstanter Strom, und in annähernd 80 \isec wird der gesamte, im Verbraucher fließende Strom umgekehrt. Diese konstante Stromzufuhr verleiht dem Lichtbogen eine starke Standhaftigkeit, weil der Induktor Z1 den Stromabfall· verhindert und eine hohe Wiederzündspannung für den Lichtbogen bereitstellt bei einem ersten Anschein des Erlöschens. Diese Fähigkeit, eine hohe Wiederzündspannung bei Bedarf nur mittels selbstinduzierter EMK bei. einer geregelten Niederspannungsquelle bereitzustellen, ermöglicht es, das Lichtbogenschweißen unter Abdeckung mit konstantem Potential unter Einsatz von Wechselstrom ohne die Gefahr des Lichtbogenerlöschens einzusetzen. Der Rechteckwellen-Wechselstrom wird von einer sehr stark induktiven Stromquelle erzeugt, doch der Klemmenausgang ist streng spannungsgeregelt. Wo der große

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Induktor Z1 einfach in den Wechselstrompfad als ein Steuerelement eingesetzt ist, wäre der Spannungsabfall an ihm schützend hoch.

Ein Stromanstieg wird durch Vorverlegen des Thyristorzündzeitpunktes erreicht. Wenn ihre Beziehung untereinander gleich bleibt, steigt nur der Strom an. Andererseits wird die Abnahme des Durchschnittstroms durch Späterlegen des Thyristorzündzeitpunktes erhalten. Die Phasenbeziehung für diese Zündzeitpunkte wird von einer 10-V-Effektiv-Synchronisierwicklung des Transformators T1 über die Leitungen 41 und 4 2 abgeleitet, wobei letztere an die Masse der Logikschaltung geführt ist. Das Synchronisiersignal auf der Leitung 41 folgt der Netzspannung.

Eine Hall-Vorrichtung HD2 befindet sich im Wechselstromprimär- und -sekundärkreis. Sie dient dazu, die Rechteckwellen in Ballance zu halten. Eine Ungleichheit in den Halbwellenstromamplituden erzeugt eine Gleichstromkomponente in der Sekundärwicklung des Haupttransformators T1. Hierdurch wird das Eisen gesättigt, was zu einer Erhöhung der Primäraufnahme auf dem Netz führt. Die Hall-Vorrichtung HD2 trägt eine Windung der Sekundärwicklung, der vier Windungen der Primärstromwicklung in entgegengesetzter Richtung entgegenwirken. Da das Primär- zu Sekundär-Verhältnis 5 : 1 ist, ist der Fluß in der Hall-Vorrichtung HD2 klein, wenn Primär- und Sekundärströme gleich sind und sich damit wegheben. Wenn die Primär- und Sekundärströme nicht gleich sind und sich deshalb nicht wegheben, erzeugt der dadurch entstehende Fluß ein Signal in der Hall-Vorrichtung HD2, der von einem Operationsverstärker HA2 verstärkt und dem Steuerfeld PC1 zugeleitet wird. Am Ausgang des Verstärkers HA2 tritt ein 2-Volt-Scheitelwert-Rechtecksiynal auf, wenn der Speisungsausgang bei 1000 A ausgeglichen ist.

Dies bedeutet eine 200-A-Differenz aufgrund der Ungleichheit zwischen den vier Windungen für den Primärstrom und der einzigen Windung.für den Sekundärstrom auf der Hall-Vorrichtung HD2. Dieses Signal am Steuerfeld PC1 wird von einem abgeglichenen Integratorverstärker A31 und Kondensator C87 in Fig. 2 integriert. Es ist als stets ein Signal am Ausgang des Verstärkers A3! vorhanden, das durch den Widerstand R116 zum Eingang des Abgleichsverstärkers A21 geht. Dieses Signal ändert sich in der Amplitude in einer Richtung, die dem Fehlabgleich entgegengerichtet ist. Die Korrektur wird im Zeitbereich vorgenommen, d.h. sollte die Integration über den positiven Halbwellenstrom größer als über den negativen Halbwellenstrom ausfallen, dann verschmälert das System zur Kompensation die Einschaltdauer der positiven Halbwellen, während auf die Amplitude keinen Einfluß genommen wird. Der Zweck besteht darin, die Sättigung des Transformatorkerns während langer Zeitspannen zu verhindern, was zu einer Erhitzung in der Primärwicklung führen könnte. Dies kann nämlich durch einen Stufen- oder Ratscheneffekt entstehen; d.h., eine geringe Ungleichheit bei jeder positiven Halbwelle würde den Kern in eine positive Sättigung heben, wenn aufgrund einer Gleichrichterwirkung oder dergleichen in der Belastung eine Belastungsungleichheit auftritt. Gäbe es dieses Balance-Korrektursystem nicht, würde die Transformatorsättigung zu einer verzögernden Verschiebung der Primärstromamplitude in dieser etwas falsch liegenden Halbwelle führen. Das Ergebnis wäre eine deutliche Erhöhung der Primärstromaufnahme. Wenn die während zwei Halbwellen zugeführten Voltsekunden ungleich sind, beispielsweise wenn mit der positiven Halbwelle mehr Voltsekunden dem Transformator zugeführt werden als mit der negativen Halbwellen, dann verschiebt sich der Zustand des Transformators in Richtung positiver Sättigung. In der entgegengesetzten oder negativen Halbwelle wird aufgrund der der Primärwicklung während die-

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ser Halbwelle zugeführten geringeren Menge an Voltsekunden der Kern nicht vollständig wieder ausgeglichen. Die Primärstromspitze, die auf die Transformatorsättigung zurückzuführen ist, tritt nahe dem Ende der kleinen Stromhalbwelle auf.

Der größere Halbzyklus führt dazu, daß der Primärwicklung aufgrund des Abfalls, der durch die Leitungsimpedanz hervorgerufen wird, weniger Voltsekunden zugeführt wird. Es findet ein Einkerbeffekt statt, wenn die Thyristoren zünden, der durch den Sekundärimpedanzabfall .hervorgerufen wird, wodurch die primären Voltsekunden für den Abgleich dieser Stromhalbwelle verringert werden. In der nachfolgenden, entgegengesetzten Stromhalbwelle ist in der Leitungsimpedanz ein geringerer Spannungsabfall, was dazu führt, daß während dieser Stromhalbwelle mehr Voltsekunden zugeführt werden, wodurch der Kern in Sättigung getrieben wird. Man kann annehmen, daß der Transformatorkern normalerweise bei jeder Halbwelle unter ausgeglichenen Bedingungen mit bis zu 10 KiIogauß arbeitet. Unter der Annahme, daß der Lichtbogen geringfügig gleichrichtet, so herrscht bei einer speziellen Halbwelle jeweils eine etwas höhere Belastung. Die Sekundärimpedanz bewirkt einen Abfall. Die primären Voltsekunden, die in diesem Halbzyklus zugeführt werden, sind etwas geringer, so daß die Induktion nur bis zu angenommen 9 Kilogauß ansteigt. In der nächsten Halbwelle jedoch herrscht eine etwas geringere Belastung, so daß dann ein kleinerer Strom aufgenommen wird, und die Sekundärimpedanz läßt einen geringeren Abfall entstehen, so daß die dem Transformator zugeführte Spannung größer ist. Hierdurch wird die Induktion auf beispielsweise 11 Kilogauß angehoben. Bei der Wiederholung des nächsten Zyklus liegt wieder die höhere Belastung während der Halbwelle vor, so daß aufgrund der Sekundärimpedanz und des größeren aufgenommenen Stroms

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wiederum eine Einsenkung auftritt; dadurch führt die Spannung bei dem Abfall weniger Voltsekunden dem Windungs-Kern-Produkt zu, so daß die Induktion nun nur auf 8 Kilogauß ansteigt.' Bei dem sich anschließenden, wiederum entlasteten Halbzyklus erfolgt ein Anstieg auf 12 Kilogauß usw., bis eine sehr hohe Sättigung erreicht ist und der vom Netz aufgenommene Strom einen großen Wert annimmt.

Mit dem für den Ausgleich vorgesehenen Rückkopplungssystern mit geschlossener Schleife, in welchem die Hall-Vorrichtung HD2 enthalten ist, wird die Breite der abwechselnden HaIbzyklen automatisch abgestimmt, um so die sich aufschaukelnde Ungleichheit in der Primärstromaufnahme der abwechselnden Halbwellen zu kompensieren. Seine Ansprechzeit beträgt etwa 1,5 see.

Der Wert des Induktors Z1 ist ein sorgfältig ausgewählter Kompromiß. Seine Induktivität muß groß genug sein, damit eine hinreichend gute Rechteckwellenform erreicht wird,ohne daß bei 1000 A ein zu starker Buckel auftritt. Er muß andererseits klein genug sein, damit der Stromanstieg beim Zünden des Lichtbogens nicht erheblich begrenzt wird. Ein zu großer Induktor verlangsamt den Stromanstieg bei einem kalten Kurzschluß sogar bei programmierter Phasenvorlage am Regleroperationsverstärker. Für die meisten Schweißdrähte und speziell die dickeren ist ein schneller Stromanstieg auf 4 00 A und mehr absolut nötig, damit der Lichtbogen gut zündet. Die geringeste Verzögerung beim Aufbau des Lichtbogens beim Drahtvorschub führt zu Stottererscheinungen. Das Abschneiden des Elektrodendrahtes unter einem spitzen Winkel hilft nur begrenzt.

Die Thyristorbrücke ist tatsächlich eine Steuervorrichtung. Ein Vollwellen-gleichgerichteter Wechselstrom fließt durch

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den Induktor Z1, der in Reihe mit der durch den Lichtbogen gebildeten Wechselstromlast liegt. Die Hall-Vorrichtung HD1 liegt in diesem Gleichstrompfad, weil sie bei vollständiger Isolierung ein den Wechselstromausgangsstrom darstellendes nützliches Signal liefern kann. Außerdem besteht nicht die Notwendigkeit, ein Wechselstromsignal gleichzurichten, um ein Amperemeter oder das Steuerfeld PC1 zu speisen, die beide Gleichstrom brauchen. Der Thyristorbrückengleichrichter ist somit eine Schaltvorrichtung, die, wenn sie in der richtigen Folge gezündet wird und mit dem Rechteckwelleninduktor Z1 in Verbindung wirkt, das Herz des Rechteckwellensystems darstellt.

Es wird jetzt auf die Fig. 2 eingegangen. Das Synchronisiersignal wird über die Leitungen 2 und 18 eingegeben, wobei letztere der Masseanschluß ist. Diese Masse der Logikschaltung ist von Erde durch einen Widerstand R7 mit 1 Mil getrennt, wie in Fig. 1 gezeigt. Damit wird ein Pfad mit hoher Impedanz zum gemeinsamen Logikpol für Hochfrequenzenergie und geringem Leckstrom für die Spannungsfühlerleitungen geschaffen, die mit den Anschlüssen 9 und 10 in Verbindung sind. Das Bezugssignal wird am Anschluß 5 eingegeben. Es ist ein konstantes Gleichspannungssignal von + 3,85 V, das von einer internen, geregelten +15V-Stromquelle der Logikschaltung über den Widerstand R156 zugeführt wird. Die Bezugswerteinstellung erfolgt über das Potentiometer R1 in Fig. 1. Der Abgriff des Potentiometers R1 ist über einen Schalter S11 auf den Anschluß 6 des Steuerfeldes geführt. Mit Hilfe des Schalters S11 kann auf eine externe Spannungssteuerung bei solchen Anwendungsfällen umgeschaltet werden, die dies erforderlich machen. Jedenfalls wird die Spannung am Anschluß 6 einem Paar von Operationsverstärkern A33 und A34 in Fig. 2 zugeleitet. Diese Verstärker ergeben eine geregelte Hintergrundbezugsspannung am Anschluß 5.

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Ein Stromrückkopplungssignal von -2,5 V kommt vom Hall-Vorrichtungsverstärker HA1 über die Leitung 87 am Anschluß 8 des Steuerfeldes an. Der Widerstand R71 gibt die Größe des negativen Rückkopplungsstroms vor. Ein Induktor Z2 und ein Kondensator C50 bilden ein Integrationsfilter mit einer oberen Grenze von etwa 45 Hz. Ein Kondensator C57 läßt nur Wechselstromkomponenten des negativen Rückkopplungs-Stromsignals über den Widerstand RT11 zum Regler. Dies ergibt den "Abfall" der Maschinendynamik nur, wo die niederfrequenten Stromänderungen unterdrückt sind. Es existiert jedoch ein Hochimpedanzpfad durch die Widerstände R110 und R158 zum summierenden Eingang des Reglerverstärkers A11. Dieser Beitrag wird normalerweise durch einen Transistor Q50 weggeschnitten. Bei einem hohen Überlaststrom aufgrund eines Kurzschlusses trennt Transistor Q50 das negative Stromrückkopplungssignal von Masse, so daß erhebliche Anteile der Stromrückkopplung den Ausgangsstrom auf einen noch sicheren Wert begrenzen.

Ein Stromrückkopplungssignal geht durch die Widerstände R62 und R69 zum Strombegrenzungsoperationsverstärker A32. Ein Kondensator C86 schluckt hochfrequente Störsignale und erzeugt eine Verzögerung, durch die kurzzeitige Stromausbrüche möglich werden. Widerstände R92 und R93 erzeugen die Bezugsgröße, mit der das negative Stromrückkopplungssignal verglichen wird. Der Widerstand R10 2 erzeugt eine Hysteresis, die den Transistor Q50 rücksetzt, wenn.der Kurzschluß am Schaltungsausgang wieder unterbrochen ist. Die Transistoren Q50, Q51 und Q52 werden vom Strombegrenzungsausgangssignal des Operationsverstärkers A32 getrieben.

Wenn der Strom den eingestellten Grenzwert übersteigt, wird der Transistor Q51 über Widerstand R91 geöffnet, und die Dioden D58 und D51, die die Bezugsspannung kurzschließen, werden über den Anschluß 5 einbezogen.

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Ferner ist ein Operationsverstärker A22 für "Stromabweichung" vorgesehen, der durch das negative Stromrückkopplungssignal über Widerstand R61 getrieben wird. Ein Kondensator C58 schluckt die höherfrequenten Komponenten des Signals, bevor sie auf den Widerstand R53 gelangen.' Widerstände R50 und R51 geben die Bezugsspannung des Abweichungspunktes. Widerstand R55 erzeugt eine Hysterese, so daß jeder überstrom auf einen akzeptabel niedrigen Wert zurückkehren muß, bevor die Ausweitung gelöst wird. Das negative über-Stromsignal am Ausgang des Verstärkers A22 wird in zwei Weisen genützt:

1. Das Signal wird über Widerstand R63 abgegeben und öffnet Transistor Q52, wodurch die +15V-Start-Bezugsspannung, die über die Widerstände R67 und R70 dem Reglerverstärker A11 zugeführt wird, an Masse gelegt wird. Bevor der Lichtbogen startet, wird über den Widerstand R64 und den Transistor Q51 der +V-Bezugswert an Masse geführt. Über Widerstände R67 und R70 wird dem Reglerverstärker A11 ein hoher Startbezugswert zugeleitet. Nach dem Start wird Transistor Q51 wieder freigegeben, und Transistor Q52 führt den Startbezugswert an Masse. Eine Verzögerung von 50 msec wird durch Kondensator C58 und Widerstand R61 erreicht.

2. Mit dem normalerweise positiven Ausgangswert des Operationsverstärkers A22 ist die Zenerdiode D50 "ein", wodurch die Transistoren Q64 und Q63 in den Zustand "ein" kommen. Hierdurch erhält der Kondensator C51 -15 V, wodurch er negativ aufgeladen wird. Sobald irgendein Lichtbogenstrom gezogen wird, geht die Ausgangsgröße des Verstärkers A22 in negative Sättigung und schaltet Transistor Q64 ab. Nach einer Verzögerung, die durch die Widerstände R59 und R60, die Diode D75 und die Entladung des Kondensators C51 bedingt ist, schaltet Transistor Q63 ab, wodurch die Stromrückführung wie-

der von Masse getrennt wird. Dies ist die "Start"-Zeit, wodurch ein nahezu unbegrenzter Strom für das Anbrennen des Drahtes zur Verfügung steht, indem die Stromrückkopplung kurz unterbunden wird. Der Kondensator C58 und der Widerstand R61 ergeben eine Verzögerung von etwa 50 msec, und weitere 50 msec ergeben sich durch den Kondensator C51 und das Netzwerk des Transistors Q63.

Die Spannungsregelung ist natürlich der wichtigste Teil der Steuerschleife. Der Bezugswert wird an der Klemme 5 über die Widerstände R64 und R65 auf den Verstärker A11 gebracht. Es herrscht dort eine minimale Spannung, die über das Trimmpotentiometer R113 vorgegeben wird und über den Widerstand R112 zugeführt wird. Die Spannung an den Abgriffspunkten von Elektrode und Werkstück wird über die Anschlüsse 10 bzw. 9 eingeführt, wo sie durch die Diodenbrücke SR2 gleichgerichtet werden, und das resultierende Vollwellengleichstromsignal wird über Widerstand R9 5 eingegeben. Widerstände R98, R97, R99 und R100 teilen den 80-V-Spannungswert auf einen brauchbaren niedrigeren Wert. Die Hochfrequenz komponenten im Spannungsrückkopplungssignal werden durch Kondensatoren C59 und C61 abgeblockt oder herausgefiltert. Das in seinem Wert herabgesetzte Spannungsrückkopplungssignal wird dem.Eingang eines Differentialverstärkers A12 über Widerstände R106 und R108 zugeleitet. Ein Kondensator C60 blockt Oberwellen und Rauschstörsignale des Lichtbogens ab. Das negative Signal vom Trimmpotentiometer R107 dient dazu, die maximale Ausgangsspannung der Maschine zu kalibrieren. So werden die positive Bezugsspannung und das negative Spannungsrückkopplungssignal dem Regleroperationsverstärker A11 zugeführt. Jede Abweichung zwischen den . beiden Spannungen wird als ein Fehler interpretiert und verstärkt. Der Verstärkungsfaktor dieser Verstärkung durch den Verstärker A11 wird durch die Gleichstromverstärkerwiderstände R118 und R155 in Reihe vorgegeben. Die Wechselstromver-

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Stärkung des Reglerverstärkers A11 wird durch den Kondensator C63 (Nacheilen) und Widerstand R119 (Voreilen) ein Reihe vorgegeben. Die Kombination von Kondensator C84 und Widerstand R155 tragen ebenfalls zur Wechselspannungsverstärkung und zum Frequenzgang bei. Widerstand R118 erzeugt eine hohe Gleichspannungsverstärkung, und Kondensator C84 verringert die Ansprechempfindlichkeit· Diese Komponenten sind kritisch und für ein gutes Ansprechen bei der abgedeckten Lichtbogenschweißung wichtig. Der Lichtbogenschmelzfluß unter der Abdeckung hat häufig eine "natürliche" Frequenz aufgrund der Wellenwirkung von etwa 10 bis 12 Hz. Wenn auf diese "Resonanz" nicht Rücksicht genommen wird, kann sie durch falsche Frequenzempfindlichkeit des Reglers betont werden, was dann zu einem Aufschaukeln durch die Regelung führt.

Die gesamte Systemansprechempfindlichkeit beträgt etwa 20 msec in aufsteigender Richtung und 10 msec in abnehmender Richtung.

Die Komparatorverstärker A23 und A13 nehmen über Widerstand R120 und Filterkondensator C64 das Ausgangssignal vom Reglerverstärker A11 auf, und jeder stellt einen Vergleich mit dem vom Synchronisierverstärker A14 kommenden Synchronisiersignal an. Widerstand R72 und Kondensator C54 führen eine Integration durch. Kondensator C55 und Widerstand R73 bilden eine Integrationsverzögerung, wodurch eine weitere Phasenverschiebung eingeführt wird. Widerstand R74 dient zur Vorgabe der Gleichstromverstärkung. Die Ausgangsgröße eines Synchronisierverstärkers A14 ist ein Sinuswellensignal, das die Netzspannung repräsentiert, jedoch bei etwa 10 V-Scheitelwert und dem Synchronisiersignal an der Anschlußklemme 2 um etwa 30 ° voreilend und invertiert. Sobald die Komparatoren A23 und A13 dieses Synchronisiersignal das Ausgangssignal des Reglers A11 kreuzen sehen, schalten sie. Beim Schalten gibt ein Komparator eine scharf ansteigende posi-

tive Gleichspannung über Widerstand R124 bzw. R130 und Diode D59 bzw. D64 an die Impulskanäle ab.

Die Transistoren Q57 und Q58 sind einfache Verstärker, während Kondensator C68 und Widerstand R141 den Impulsausgang differenzieren. Transistor Q61 treibt die Impulstransformatoren T2 und T3. Diode D67 läßt den Primärstrom freilaufen. Kondensator C71 speichert Ladung, die ihm über Widerstand R162 zugeht und drückt sie in die Primärwicklungen der Transformatoren T2 und T3 auf Befehl. Die Impulse können mit. Hilfe eines Festkörperschalters am Anschluß 11 durchgelassen oder an Masse geführt werden. Das Schließen hier bringt +15V in Transistor Q56 und schaltet ihn ein. Zenerdioden D56 und D57 erfordern, daß die Speisung der Logikschaltung auf + 15V gebracht und stabilisiert ist, bevor Transistor Q55 abgeschaltet werden kann. Transistor Q55 kommt in "ein"-Zustand bei gespeistem Zustand aufgrund von Widerstand R84, wodurch sämtliche Impulse in der Impulskette an den Dioden D60 und D63 auf Masse geleitet werden.

Der Verhinderungsverstärker A24 benötigt ein verzögertes Synchronisiersignal, um die Impulse an den Widerständen R124 und R130 nach Masse abzuleiten. Dies stellt sicher, daß die Thyristoren nicht zu weit im voraus gezündet werden können, wo die Anodenspannungen noch negativ sein könnten. Nach Freigabe des Kurzschlusses dieses Verstärkers wird ein Impuls erzeugt,.der zu den Thyristorzündelektroden gelangt, wenn der Regler versucht, den Phasenwinkel zu weit vorzuverschieben. Auch wenn der Thyristor zu früh geöffnet werden würde, würde er um den Induktor Z1 freilaufen, und der Laststrom würde diskontinuierlich, weil die Lastspannung höher als die Spannung der Energiequelle wäre. Dieser Zustand würde anhalten, bis die Differenz zwischen Netz- und Lastspannung hinreichend ist, um einen Lichtbogenstrom wieder in Gang zu bringen.

Der Hall-Vorrichtungsverstärker HA2 des Ausgleichsdetektors gibt ein Rechteckwellenwechselstromsignal von etwa 2 V Spitze Spitze an mit Anschluß 1. Der Abgleichsintegratoroperationsverstärker A31 verarbeitet dieses Signal, wie an früherer Stelle beschrieben. Der Ausgangswert des Verstärkers A3! ist eine positive oder negative Gleichspannung, wenn die ankommende Wellenform nach Schweißzeit und/oder Amplitude unausgeglichen ist. Wenn das System im Ausgleich ist, ist der Ausgangswert des Verstärkers A31 nahezu Null.

Das Ausgangssignal des Verstärkers A31 gelangt zum Ausgleichsverstärker A21. Der Zweck dieses Verstärkers A21 besteht darin, die Null-Bezugslinie des Synchronisiersignals vom Widerstand R114 gegenüber Masse der Logikschaltung zu verschieben. Dadurch kann Komparator A23 vorverschoben oder verzögert werden, während Komparator A13 unbeeinfluß gelassen wird. Dies geschieht durch Zusammenfügen der Signale vom Synchronisierverstärker A14 und vom Ausgleichsintegrator A31 am Summierknotenpunkt des Ausgleichsverstärkers A21 .

Der Rest der Schaltung ist ganz gewöhnlich. Das Sekundärschützensystem kann mit 115 V Wechselspannung von der Vorschubsteuerung oder durch einfaches Schließen der Kontakte A und B betätigt werden, wie in Fig. 1 gezeigt. Widerstand R10 dient dazu, für die Thyristoren eine Last darzustellen, auf die sie speisen, wenn die Klemmenimpedanz aus irgendeinem Grund hoch ist.

Zusammenfassend wird mit dem beschriebenen System eine Stromquelle mit kurzer Zeitkonstante und eine über lange Zeit regulierbare Konstantspannungsquelle geschaffen. Dies geschieht mit einem Zweireglersystem, bei dem einer für den Strom und ein zweiter für die Spannung maßgebend ist. Die Spannungsreglerschleife ist relativ langsam. Dieser ist ein Stromrückkopplungssignal überlagert. Ein Signal, das ein Maß für den

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Schweißstrom ist, wird durch eine Hall-Vorrichtung HD1 abgeleitet und negativ in den Hauptregler eingekoppelt. Das Ergebnis ist eine Energiequelle, die so eingestellt werden kann, daß sie über lange Zeit eine vorgegebene Spannung hält, die jedoch vom Grunde her wegen eines sehr großen Rechteckwelleninduktors Z1 eine Konstantstromquelle darstellt. Die Energiequelle erlaubt Stromabweichungen nach oben und unten um einen Mittelwert während kurzer Zeitspannen, doch sind übermäßig starke kurzzeitige Abweichungen beträchtlich abgedämpft. So können die von der Drahtelektrode benötigten Ströme die erforderlichen Größen annehmen, damit sie im Maße ihres Vorschubs während des Schweißvorganges abbrennen.

If

Leerseite

Claims (10)

1. 3H8510

   36011

   MILLER ELECTRIC MGF. Co.
   Appleton / USA

   Rechteckwellen-Spelseeinrichtung für das Lichtbogenschweißen

   Patentansprüche

   •'Γ 1 . ) Steuerbare Energiequelle zum Zuführen eines praktisch rechteckförmigen Wechselstroms zu einem Schweißlichtbogen, die eine in Konstantspannungsweise geregelte Wechselstromkonstantstromquelle ist,
   gekennzeichnet durch eine Wechselstromeinphasenenergiequelle (T1) mit Primär- und Sekundärkreisen, eine Thyristorbrücke (CR1 - CR4), die in Reihe zwischen den Sekundärschaltkreisen und dem Schweißlichtbogen liegt und einen ersten und einen zweiten steuerbaren, Wechselstrom leitenden Pfad zum Zuführen von Strom in jeweils entgegengesetzten und einander ausschließenden Polaritäten zum Lichtbogen hat, einen mit den Strompfaden derart verbundenen Induktor (Z1-) , daß der von der Energiequelle (TI) zugeführte Strom nacheinander in derselben Richtung durch den Induktor (Z1) unabhängig von den Lichtbogenströmen fließt, und Steuermittel (PC1), die den ersten und den zweiten Strompfad abwechselnd leitend machen und·dadurch praktisch rechteckförraige Stromwellen zum Schweißlichtbogen mit der Energiequelle (T1) synchronisiert leiten, wobei der Induktor (Z1) so ausreichende Induktivität besitzt, daß der Lichtbogen einen im wesentlichen konstanten Strom zugeführt erhält, die Steuereinrichtung eine Spannung steuernde Rück-

   kopplungsschleife aufweist, die die Lichtbogenspannung überwacht, sie mit einer Zugspannung vergleicht und die Zeitspannen einstellt, in denen der erste und der zweite Strompfad leitend sind derart, daß die Lichtbogenspannung der Bezugsspannung gleich wird, und eine Stromrückkopplungsschleife aufweist, die den Lichtbogenstrom überwacht und dem Vergleich der Lichtbogenspannung mit der Bezugsspannung ein negative Steuersignal überlagert, wobei die Ansprechzeit der Spannungsrückkopplungsschleife für kurze Augenblicksstörungen unempfindlich ist, so daß die Ausgangsspannung mit hoher Genauigkeit eine Langzeitregelung erfährt.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet,

   ■daß die Spannungssteuerrückkopplungsschleife einen Regleroperationsverstärker mit Summierfunktion, dessen Summiereingang die Bezugsspannung und das negative Steuersignal zuführbar sind, und Gleichrichtermittel enthält, um die Spannung am Lichtbogen gleichzurichten und eine dazu proportionale Gleichspannung dem Summiereingang zuzuführen, während der Ausgang des Regleroperationsverstärkers mit Hilfe der Steuermittel der Abstimmung der Zeitspannen dient, in denen der erste und der zweite Strompfad leitend gemacht werden.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet,
   daß die Stromrückkopplungsschleife einen Stromfühler, der den im Induktor (Z1) fließenden Gleichstrom abtastet und ein proportionales Spannungssignal erzeugt, und ein integrierendes Filter aufweist, dessen Durchlaßfrequenz niedriger als die Speisungsfrequenz ist und das das Spannungssignal vom

   Stromsensor aufnimmt und daß ein Gleichstromblockkondensator zwischen das Integrationsfilter und den Summieranschluß des Regleroperationsverstärkers eingefügt ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß der Stromsensor eine Hall-Vorrichtung (HD1) enthält.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 2,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß die Gleichrichtereinrichtung eine dem Lichtbogen parallel liegende Diodenbrücke (SR2), mit der Diodenbrücken verbundene Spannungsteilermittel, um deren gleichgerichtete

   Vollwellenspannung zu reduzieren, und Integratormittel aufweist, um die reduzierte Spannung der Spannungsteilermittel zu filtern und dem Summieranschluß des Regleroperationsverstärkers zuzuführen.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 2,
   gekennzeichnet durch

   Synchronisiermittel, die mit der Energiequelle zum Zuführen eines mit dem Strom zeitlich synchronisiert, jedoch phasenverschobenen Synchronsiersignals, Komparatormittel, die den Ausgangswert des Regleroperationsverstärkers und der Synchronisiermittel aufnehmen und zeitgesteuerte Impulsausgangswerte erzeugen, um den ersten und den zweiten Strompfad leitend und damit die Lichtbogenspannung der Bezugsspannung
   gleich zu machen, und Impulsverstärkermittel, die aufgrund
   des Impulsausgangswertes des Komparators die Zündimpulse an die Thyristorbrücke (CR1, CR4) abgeben.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 3,
   dadurch gekennzeichnet,

   daß die Stromrückkopplungsschleife einen zwischen den Stromfühler und den Summiereingang des Regleroperationsverstärkers eingefügten- Hochimpedanzpfad und Strombegrenzungsmittel aufweist, die mit dem Stromfühler verbunden sind und im Normalzustand den Hochimpedanzpfad nicht leitend, bei hohen überlastströmen jedoch leitend machen.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 7,.
   dadurch gekennzeichnet,

   daß die Strombegrenzungsmittel mit dem Stromfühler über ein Tiefpaßfilter verbunden sind, um die Empfindlichkeit der Strombegrenzungsmittel gegenüber Kurzzeit-Stromabweichungen zu verringern, und daß die Strombegrenzungsmittel die Bezugsspannung an Masse ableiten, wenn ein hoher überlaststrom festgestellt wird.
9. 9. Einrichtung nach Anspruch 3,

   gekennzeichnet durch Stromauslösemittel, die mit dem Stromfühler (HD1) verbunden sind, um das negative Steuersignal an Masse zu führen und ein hohes Startbezugsspannungssignal dem Summieranschluß des Regleroperationsverstärkers während des Lichtbogenstarts zuzuführen und nach einer bestimmten Zeitspanne das negative Steuersignal von Masse zu trennen und das hohe Startspannungsbezugssignal wegzunehmen.
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 6,
    gekennzeichnet durch

    Ausgleichdetektormittel, die mit den Primär- und Sekundärkreisen der Energiequelle (T1) verbunden sind, um jede Un-

    3U8510

    gleichzeit der Halbwellenströme festzulegen und ein Rückkopplungsausgangssignal an die Komparatormittel abzugeben, wodurch die Länge aufeinanderfolgender Halbwellen des Lichtbogenstroms einander angepaßt und somit jede Ungleichheit der Primärstromaufnahme der Energiequelle (T1) zwischen aufeinanderfolgenden Halbzyklen ausgeglichen wird.