DE3219213C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur optimalen Kenn­ liniengestaltung für Spezialelektroden, insbesondere Zellulose­ elektroden, bei einer bürstenlosen rotierenden Schweißmaschine, welche eine Wechselstrom-Erregermaschine mit mindestens einer Feldwicklung aufweist, wobei der Feldwicklung ein vom Netz oder einer Hilfsquelle gespeister Transformator unter Zwischenschaltung eines Brückengleich­ richters vorgeschaltet ist.

Bei Schweißstromquellen für das Elektrodenhandschweißen, welches das verbreitetste Lichtbogenschweißverfahren ist, wird eine fallende Strom-Spannungs-Kennlinie benötigt. Die wichtigste statische Eigen­ schaft einer Schweißstromquelle ist der Gradient dieser Strom-Span­ nungs-Kennlinie, und zwar benötigt jede Elektrodengruppe für opti­ male Schweißeigenschaften einen eigenen Verlauf. Dabei muß die Größe des Gradienten nicht über den gesamten Verlauf der Kennlinie zwischen Leerlauf und Kurzschluß gleich bleiben, vielmehr sind besonders gute Eigenschaften oder die Brauchbarkeit ein und derselben Kennlinie für mehrere Elektrodengruppen durch veränderliche Gradienten zu erreichen.

Die Berechner und Konstrukteure von rotierenden Schweißmaschinen haben zahlreiche Methoden gefunden, die Strom-Spannungs-Kennlinien zweckent­ sprechend zu gestalten. Die frühest bekannte Methode war der Gegen­ reihenschluß bei Gleichstromkommutatormaschinen. Da diese Methode aber dynamisch nicht vollauf befriedigte und vergleichsweise einfach nur in Grobstufen, und zwar durch Wicklungsanzapfungen, einzustellen war, konnte das Rosenberg-Querfeldprinzip am Anfang der Entwicklung von rotierenden Schweißmaschinen, welche zuerst als Umformer und später auch als Aggregat gebaut wurden, weit größere Verbreitung in Europa finden. Bei der Rosenbergmaschine wurde die Kennlinie durch mehr oder weniger weites Verstellen eines magnetischen Engpasses im magnetischen Hauptfluß verändert. Durch die stufenlose Verstellung der Kennlinie über einen weiten Bereich, wurde für damalige Verhältnisse bereits ein großer Fortschritt erreicht. Eine Abwandlung dieser Tauchpolmaschinen kam später durch Querfeldmaschinen, bei welchen nicht eine variable Engstelle im Hauptfluß, sondern ein variabler Nebenschluß im Magnet­ kreis der Einstellung der Kennlinie bewirkte.

In der Zwischenzeit wurde in Amerika die nachteilige Grobstufenregelung der Gegenreihenschlußmaschine dadurch umgangen, daß man als Shunt eine mit Widerstandsdraht bewickelte und ähnlich einem Hohlkommutator mit veränderlicher Windungszahl und Widerstandsgröße abgreifbare Ring­ kerndrossel verwendete.

Bei bürstenlosen Schweißmaschinen mit Permanentpolerregung war nur das gruppenweise Zu- und Abschalten von Wicklungsteilen der einzige wirt­ schaftlich sinnvolle Weg einer Kennlinieneinstellung.

All diesen vorgenannten Prinzipien ist gemeinsam, daß die einzelne Strom-Spannungs-Kennlinie in ihrem Verlauf durch prinzipielle Eigen­ schaften des Magnetkreises der Schweißmaschine bestimmt ist und daher in ihrem Gradienten nur schwer, insbesondere nur durch konstruktive Eingriffe verändert werden kann. Weiters ist bei allen diesen Schweiß­ maschinen eine sinnvolle Fernregelung meist nicht möglich, und wenn, nur mit aufwendigen Stellmotoranordnungen praktizierbar.

Erst bei den mordernen bürstenlosen Schweißmaschinen mit Wechselstrom- Erregermaschinen kam mehr Freiheit in eine mit vertretbarem Aufwand durchführbare Kennliniengestaltung. Die geringe Feldleistung der Wechsel­ strom-Erregermaschinen bietet die Möglichkeit entweder direkt über ferro­ magnetische Wandler oder über eine Elektronik die Kennlinie in ihrem Gradienten optimal zu gestalten. Weiters ist es auch möglich, solche Schweißmaschinen mit geringem Aufwand fernregelbar zu machen, ohne dabei die Leerlaufspannung mit ändern zu müssen. Bei allen Vorteilen einer elektronischen Feldregelung hinsichtlich der Kennliniengestaltung ist diese Feldregelung nicht ganz einfach und daher teuer. Durch die hohen Entwicklungskosten wird diese elektronische Regelung erst bei großen Serien wirklich wirtschaftlich.

Die ferromagnetischen Wandler im Erregerkreis von Schweißmaschinen haben sich wegen ihrer Robustheit, Einfachheit und guten Eigenschaften bestens bewährt. Sie bringen für die meisten Elektroden bzw. Schweiß­ aufgaben optimal fallende Kennlinien. Bei Fallnahtaufgaben sind diese Kennlinien jedoch nicht brauchbar, da man damit nicht zufriedenstellend in die Grenzbereiche vordringen kann. Im besonderen bringen die ferro­ magnetischen Wandler keine genügend großen Kurzschlußwerte.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, eine Schaltung für die Erregermaschine zu schaffen, welche mit geringstem Aufwand eine optimale Kennliniengestaltung, insbesondere eine Anhebung des Dauerkurzschluß­ stromes, für Spezialelektroden erreicht.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß der Transformator eine zweite Sekundärwicklung aufweist, welcher ebenfalls ein Brücken­ gleichrichter nachgeschaltet ist, von dem ein Gleichspannungsanschluß mit dem gleichgepolten Gleichspannungsanschluß des anderen Brücken­ gleichrichters verbunden ist und der zweite Gleichspannungsanschluß an der gleichgepolten Schweißstrombuchse liegt, und daß die Verbindung von mindestens einer Feldwicklung mit dem zweiten Gleichspannungsan­ schluß des anderen Brückengleichrichters mit der zweiten Schweißstrom­ buchse verbunden ist und daß die Spannung an der zweiten Sekundär­ wicklung des Transformators immer höher ist als jene an der ersten Sekundärwicklung. Durch die von der zweiten Sekundärwicklung des Trans­ formators im Erregerkreis der Wechselstrom-Erregermaschine abgenommene und gleichgerichtete Zusatzspannung wird durch die Wechselstrom-Erreger­ maschine beim Kurzschließen der Schweißstrombuchsen durch den Zündvorgang im Erregerkreis des Schweißgenerators eine stärkere Erregung als im Leer­ lauf und damit ein höherer Kurzschlußstrom bewirkt. Die Zusatzspannung ist von der für die Leerlauferregung zuständigen Spannung unabhängig.

Die erfindungsgemäße Schaltung ist auch für Systeme mit zusätzlicher lastabhängiger Erregungskomponente verwendbar. Hierbei muß die Erregung für den Schweißgenerator zufolge der Zusatzspannung höher als die höchste durch die Lastkomponente bewirkte Erregung sein. Es ist also auch hier die Zusatzspannung die höchste Spannung im Erregerkreis innerhalb jenes Arbeits­ bereiches, in welchem die Anhebung des Kurzschlußstromes wirksam sein soll. Weiters gilt für zwei oder mehr Feldwicklungen der Wechselstrom-Erregermaschine, daß die Stromrichtung dieser, zufolge der Zusatzspannung so gewählt ist, daß die Gesamterregung dadurch vergrößert wird. Bei nur einer Feld­ wicklung ist, wie schon erwähnt, die Zusatzspannung höher als die höchste, durch die Lastkomponente aufgebrachte Spannung an der Feld­ wicklung.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist an die Gleichspannungs­ anschlüsse des zu mindestens einer Feldwicklung zugehörigen Brücken­ gleichrichters ein Potentiometer angeschlossen, dessen Schleifer mit mindestens einer Feldwicklung der Erregermaschine verbunden ist. Dadurch ist unabhängig von der Anhebung des Dauerkurzschlußstromes, bei Einhaltung der Voraussetzungen, die Leerlaufspannung des Schweiß­ generators in ihrer Größe veränderbar. Diese Spannung kann beliebig innerhalb der schweißtechnisch vorgegebenen Grenzen von etwa 15 bis 100 V mit dem Potentiometer eingestellt werden.

An Hand von Schaltbildern und Kennlinien wird die Erfindung nun noch näher erläutert. In

Fig. 1 ist eine bekannte Schaltung für die Erregung der Wechsel­ strom-Erregermaschine einer Schweißstromquelle und in

Fig. 2 die zuge­ hörige Kennlinie dargestellt. Aus der

Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Erregerschaltung mit einer Zusatzspannung, aus der

Fig. 5 ebenfalls die erfindungsgemäße Erregerschaltung, jedoch mit zusätzlicher Ein­ stellung der Spannung für die Leerlauferregung, und aus der

Fig. 4 ist die aus den Schaltungen in Fig. 3 und Fig. 5 resultierende Kennlinie ersichtlich.

In Fig. 1 ist ein mit dem Netz verbundener Einphasentransformator 1, dem eine Einphasen-Brückenschaltung 2 nachgeschaltet ist, dargestellt. An die beiden Gleichspannungsanschlüsse 3 und 4 der Brückenschaltung 2 ist die Feldwicklung 5 der Wechselstrom-Erregermaschine eines bürsten­ losen Schweißgenerators angeschlossen. Die im Rotor der Wechselstrom- Erregermaschine erzeugte Spannung wird durch rotierende Dioden gleich­ gerichtet und danach der Erregerwicklung des Schweißgenerators, welcher ein Synchrongenerator ist, zugeführt.

Die Ausgangsspannung des Generators ist nach Gleichrichtung die Schweiß­ spannung.

In Fig. 2 ist eine bekannte statische Strom-Spannungs-Kennlinie, welche sich aus der Schaltung in Fig. 1 ergibt, dargestellt, wobei auf der Abszisse der Schweißstrom und auf der Ordinate die Schweißspannung aufge­ tragen ist. Aus dieser Kennlinie ist der Leerlaufpunkt 6, der Arbeits­ punkt 7 und der Kurzschlußpunkt 8 ersichtlich. Die den Schweißströmen zugeordnete Normarbeitsspannungskennlinie 9 ergibt sich aus der Formel

U = 20 + 0,04 · I

und schneidet die statische Schweißmaschinenkennlinie im Arbeitspunkt 7.

In Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Schaltung dargestellt, wobei der Er­ regertransformator 1 eine zweite Sekundärwicklung 10 aufweist, an die ein Brückengleichrichter 11 angeschlossen ist. Der positive Gleichspannungs­ anschluß 12 des Brückengleichrichters 11 ist mit der positiven Schweiß­ strombuchse 13 und der negative Gleichspannungsanschluß 14 ist mit dem negativen Gleichspannungsanschluß 3 des Brückengleichrichters 2 verbunden. Der Gleichrichter 2, an dessen Gleichspannungsanschlüssen 3 und 4 die Spannung für die Leerlauferregung ansteht, ist, so wie schon in Fig. 1 dar­ gestellt, mit einer Sekundärwicklung des Erregertransformators 1 und mit den Anschlüssen 3 und 4 mit der Feldwicklung 5 der Erregermaschine ver­ bunden. Weiters ist der positive Gleichspannungsanschluß 4 des Gleichrichters 2 und ein Anschluß der Feldwicklung 5 an die negative Schweißstrombuchse 15 angeschlossen. Es sind also die Gleichrichter 2 und 11 entgegengesetzt ge­ polt, wobei die Gleichspannung am Gleichrichter 11 höher ist, als die Gleich­ spannung für die Leerlauferregung am Gleichrichter 2.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltung passiert zunächst überhaupt nichts. Erst wenn die Elektrode zum Zünden auf das Werkstück gesetzt wird, dann entspricht dies einem sehr niederohmigen Kurzschließen der Schweißstrom­ buchsen 13 und 15 des Schweißgenerators, und der Gleichrichter 11 drückt der Feldwicklung einen Strom auf, dessen Höhe hauptsächlich von der Höhe der Zusatzspannung am Gleichrichter 11 und dem Widerstand der Feldwicklung 5 abhängt. Es ergibt sich somit die Kennlinie nach Fig. 4. In dieser ist der Leerlaufpunkt 6, der Arbeitspunkt 7 und die mit diesem kreuzende Normarbeitsspannungskennlinie 9 dargestellt. Weiters ist in der Kenn­ linie der Bereich vom Arbeitspunkt 7 bis zum Kurzschlußpunkt 8 von be­ kannten statischen Strom-Spannungs-Kennlinien angedeutet, und ebenso ist auch der Bereich vom Arbeitspunkt 7 bis zum, durch die erfindungsgemäße Schaltung erzielten höheren Dauerkurzschlußpunkt 16 eingezeichnet. Es ist ersichtlich, daß die neue statische Kennlinie um den Arbeitspunkt 7 aus Stabilitätsgründen zwar noch stark fallend ist, aber gegen den Kurz­ schlußpunkt 16 wieder sehr flach wird. Der Dauerkurzschlußstrom kann durch die Schaltung in Fig. 3 bis auf mehr als den doppelten Wert wie bei bekannten statischen Kennlinien vergrößert werden.

Die Fig. 5 zeigt die gleiche Schaltung wie in Fig. 3, jedoch mit einem Potentiometer 17 zur Einstellung der Spannung für die Leerlauferregung der Wechselstrom-Erregermaschine. Dieses Potentiometer 17 ist an die Gleichspannungsanschlüsse 3 und 4 des Gleichrichters 2 angeschlossen, wobei der Schleifer mit der Feldwicklung 5 verbunden ist.

Der Effekt der Vergrößerung des Dauerkurzschlußstromes wird also mit einem erstaunlich geringen Aufwand erreicht. Es ist nur eine zweite Wicklung 10 des Transformators 1 im Erregerkreis und ein Brückengleich­ richter 11 für etwa 20 Watt Kurzzeitbelastung notwendig.

Weiters ist die erfindungsgemäße Schaltung bei der Schweißung der Wurzel­ lage in Fallnaht mit Zelluloseelektroden besonders vorteilhaft.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur optimalen Kennliniengestaltung für Spezial­ elektroden, insbesondere Zelluloseelektroden, bei einer bürstenlosen rotierenden Schweißmaschine, welche eine Wechselstrom-Erregermaschine mit mindestens einer Feldwicklung aufweist, wobei der Feldwicklung ein vom Netz oder einer Hilfsquelle gespeister Transformator unter Zwischenschaltung eines Brückengleichrichters vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (1) eine zweite Sekundär­ wicklung (10) aufweist, welcher ebenfalls ein Brückengleichrichter (11) nachgeschaltet ist, von dem ein Gleichspannungsanschluß (14) mit dem gleichgepolten Gleichspannungsanschluß (3) des anderen Brückengleich­ richters (2) verbunden ist und der zweite Gleichspannungsanschluß (12) an der gleichgepolten Schweißstrombuchse (13) liegt, und daß die Ver­ bindung von mindestens einer Feldwicklung (5) mit dem zweiten Gleich­ spannungsanschluß (4) des anderen Brückengleichrichters (2) mit der zweiten Schweißstrombuchse (15) verbunden ist und daß die Spannung an der zweiten Sekundärwicklung (10) des Transformators (1) immer höher ist als jene an der ersten Sekundärwicklung.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Gleichspannungsanschlüsse (3, 4) des zu mindestens einer Feld­ wicklung (5) zugehörigen Brückengleichrichters (2) ein Potentiometer (17) angeschlossen ist, dessen Schleifer mit mindestens einer Feldwicklung (5) der Erregermaschine verbunden ist.