DE683969C - Kurzschlusssicherer Gleichstromspaltpolgenerator mit Gegenverbunderregung - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM 20. NOVEMBER 1939

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 2Id¹ GRUPPE

S109565

Patentiert im Deutschen Reiche vom 31. Mai 1933 ab Patenterteilung bekanntgemacht am 26. Oktober 1939

Bei fremderregten. Gleichstromlichtbogenschweißmaschinen, bei welchen nach Schaltbild Fig. ι der Zeichnung die mit zunehmendem Strom abfallende Spannung der Schweißcharakteristik nach Fig. 2 durch Gegenkompoundierung erreicht wird, können verschiedene Schweißstromstärken, beispielsweise in Fig. 2, der Bereich der Schweißcharakteristiken zwischen Kurve 1 und 2, durch Regelung der Nebenschlußwicklung mit Hilfe des Nebenschlußreglers R eingestellt werden. Hierbei zeigt sich jedoch, wie aus Fig. 2 hervorgeht, daß mit abnehmender Leerlaufspannung das Verhältnis von Kurzschlußstrom zu Schweißstrom i-j-, -r-\ größer wird. Dieser Umstand bringt bekanntlich nicht nur den betrieblichen Nachteil großer Spritzverluste beim Schweißen, sondern er verlangt wegen der geringen Elastizität des Lichtbogens auch eine große Geschicklichkeit für die Handhabung des Schweißens. Aus diesem Grunde macht man die Gegenkompoundwicklung AW_s (Fig. 1} umschaltbar, um steilere Charakteristiken (z.B.3 in Fig.2) zu erhalten. Aus Fig. 2 ist des weiteren ersichtlich, daß von der Wahl der Größe der Leerlaufspannung die Steilheit der Schweißcharakteristik abhängig ist. Nun darf aber die Leerlaufspannung nicht zu hoch gewählt werden, um ein Schweißen an senkrechter Wand und über Kopf mit blanken Stäben nicht zu erschweren. Der anzustrebende Verlauf der statischen Charakteristiken nach Fig. 2 soll also jenen von Ouerfeldmaschinen nach Fig.,3 nahekommen, d. h. die statische Kennlinie soll steil abfallen, und die Leerlaufspannung soll dabei keine hohen Werte annehmen.

Die fremderregte Nebenschlußmaschine mit Gegenkompoundierung hat gegenüber der Querfeldmaschine den Vorteil, daß sie sich nicht umpolt und daher für mehrere Schweißstellen in Parallelschaltung angewendet werden kann. Die Stromwendung ist einwandfrei, da Wendepole angeordnet werden können, während bei der Querfeldmaschine der Einbau von Wendepolen für die Arbeitsbürsten eine wesentliche Komplikation mit beträchtlicher Verminderung der Maschinenausnützung bedingt. Die dynamische Charakteristik der fremderregten Nebenschlußmaschine ist bei gleichem Scheinwiderstand und gleicher Schweißspannung gegenüber jener der Querfeldmaschine gleich; die Fremderregung bringt beim gewöhnlichen Kompoundgenerator den Vorteil, daß un-

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dr.-Ing. Alfred Grabner in Wien.

mittelbar nach Aufhebung des Kurzschlusses ein sofortiges Spiel der Schweißspannung auf den normalen Wert einsetzt. Eine noch weitere Steigerung der Güte der dynamischen Charakteristik ließe sich dann erzielen, wenn i Anordnung so gewählt wird, daß zur ^ reichung der Schweiß spannung Null da*' Maschinenfeld nicht vernichtet wird, da für dessen Vernichtung und Aufbau mit einer ίο Zeitverzögerung durch dämpfende Stromzweige zu rechnen ist, von der Raschheit der Feldveränderung die Güte der dynamischen Charakteristik aber abhängig ist. Je geringer diese Zeitverzögerung ist, um so mehr gleicht !5 sich statische und dynamische Charakteristik aneinander an. Um diese gegenseitige Angleichung zu unterstützen, wird daher als weitere Folge für guten Betrieb der Schweißmaschine ein großer Scheinwiderstand notwendig.

Es sind nun Maschinen bekanntgeworden, bei denen gleichfalls das Maschinenfeld zur Erreichung der Schweißspannung Null nicht vernichtet werden muß. Diese Maschinen sind gewissermaßen aus einer nebenschluß- oder fremderregten Maschine und einer davon magnetisch mehr oder weniger unabhängigen Reihenschlußmaschine zusammengesetzt. Es wurde z. B. eine Bauart vorgeschlagen, bei der in der Wendezone C-förmige Hilf spole mit Reihenschlußerregung angebracht sind, die einen in sich geschlossenen selbständigen, die Maschinenspannung mit steigender Belastung verkleinernden Kraftfluß hervorbringen. Die Maschine führt also mehrere gesonderte Kraftflüsse; sie ist aber wegen des Raumbedarfs der Hilfspole schlecht ausgenützt und wegen ihrer ungünstigen Streuungsverhältnisse im dynamischen Verhalten nicht wesentlich besser als die eingangs besprochenen Gegenverbundmaschinen üblicher Bauart.

Der Gleichstromerzeuger nach der Erfindung vereinigt die Vorteile der bekannten Schweißgeneratoren unter Ausschaltung ihrer Nachteile. Er hat Gegenverbunderregung im Sinne der unten folgenden Erläuterungen; zur Verbesserung der dynamischen Charakteristik ist mindestens ein Pol je Polpaar nach Art der Spaltpolmaschine in vorzugsweise * zwei Teile unterteilt, und die Nebenschlußwicklung und die Reihenschlußwicklung sind auf diesen Polen bzw. Teilpolen so angeordnet, daß von dem durch den Anker getriebenen und sich dort gabelnden Magnetfluß ein vom Arbeitsstrom beeinflußter Teilfluß abzweigt, der mit der Nebenschlußwicklung nicht verkettet ist. Dieser Kraftflußteil ist also dem Einfluß von dämpfenden Nebenschlußwicklungen entzogen. Als Nebenschlußwicklung wird hierbei jede Art von belastungsunabhängiger Erregerwicklung mit Selbst- oder Fremderregung, unter Gegenverbunderregung jede Art von die Klemmenspannung mit Sättigendem Belastungsstrom schwächender ?=3«%Lenschlußerregung verstanden. Es ist also eier die selbsttätige Spannungsregelung bewirkende Kraftflußteil je nach dem Betrag des abgezweigten Teilflusses den dämpfenden Einflüssen zum großen Teil oder vollständig entzogen. Dadurch wird die dynamische Charakteristik der Maschine wesentlich verbessert, wobei aber deren einheitliche Bauart gewahrt bleibt und ungünstige Streuungsverhältnisse und schlechte Ausnutzung vermieden werden.

Wie die Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, wird vorzugsweise für die Induktion der Arbeitsspannung nur ein Teil des Ankerumfanges der Maschine benutzt, die hierzu eine an sich bekannte gesehnte Ankerwicklung und der Sehnung entsprechend zusammengerückte Bürsten erhält. In diesem Teil des Ankerumfanges wirken das fremderregte und das reihenschlußerregte Feld zusammen. Im verbleibenden unwirksamen Teil des Ankerumfanges kann das Reihenschlußfeld der unerwünschten Verkettung mit den belastungsunabhängigen Erregeramperewindungen ausweichen. Diesem Ankerabschnitt stehen unbewickelte oder rein reihenschlußerregte Pole gegenüber. Die Maschine wird dadurch im zweipoligen Schema magnetisch mehrachsig, vorwiegend dreiachsig.

Der Gleichstromerzeuger nach der Erfindung hat folgende Eigenschaften:

1. Sein mechanischer Aufbau ist gleich einfach wie jener der Querfeldmaschine; er bewirkt seine belastungsunabhängige Erregung vorzugsweise selbst, also ohne Erregermaschine, too

2. Die Regelung der Schweißstromstärke erfolgt ohne Umschaltung der Kompoundwicklung lediglich durch einen im Stromkreis der Nebenschlußwicklung liegenden Regler.

3. Eine Vernichtung des Maschinenfeldes bei Kurzschluß ist vermieden, die Kurzschlußspannung Null entsteht durch Ablenkung des Maschinenfeldes aus dem Anker ohne erhebliche Änderung seines Betrages.

4. Die höqhste innerhalb des Regelbereichs auftretende Klemmenspannung ist klein und kann sogar unter den Werten der Querfeldmaschine liegen.

5. Trotzdem fällt die statische Charakteristik von 25 Volt gegen Null steil ab.

6. Der Scheinwiderstand der Arbeitswick- _; lung ist groß.

7. Das Umpolen der Maschine ist vermieden.

8. Wendepole sind ohne Schwierigkeit organisch in die Maschine einzufügen.

9. Das Maschinengewicht ist gering.

ίο. Der konstruktive Aufbau ermöglicht einfache und wirtschaftliche Herstellung.

Zur Erfüllung vorstehender Punkte hat die Maschine nach der Erfindung beispielsweise folgenden Aufbau:

Sie ist nach Fig. 4, in der zunächst die Gegenverbundwicklung nicht dargestellt ist, im reduzierten zweipoligen Schema magnetisch dreiachsig. Es können daher je nach der Lage

ίο des Maschinenfeldes an verschiedenen Bürstenpaaren verschiedene Spannungen bei praktisch gleichbleibendem Feld abgenommen werden. So ist z. B. nach Fig. 4, wenn eine rechtsgängige, um 120 ° gesehnte Ankerwicklung vorausgesetzt wird, die Spannung an den Bürsten 1, 2 doppelt so groß als an den Bürsten 2, 3. Sie ist nach Fig. 5 bei umgekehrter Magnetisierung des Poles I an den Bürsten i, 2 Null, an den Bürsten 1, 3 hingegen ³/₂mal größer als bei der Schaltung nach Fig. 4. Man kann daher durch Änderung der Erregung am Pol I die Spannung zwischen den Bürsten 1,2 vom Wert 4 auf Null regeln, während sich die Spannung an den Bürsten 2, 3 nur im Verhältnis 2 :3 ändert. Benutzt man die Spannung an den Bürsten 2, 3 als Erregerspannung zur Erregung der Pole I und II, so kann die Spannung an den Bürsten 1, 2 ohne fremde Spannungsquelle stabil auf Null geregelt werden.

Das Maschinenfeld wird hierbei im Kurzschlußzustand nicht vernichtet. Das Abfallen der Spannung auf den Kurzschlußwert wird durch bloße Verkettungsänderung zwischen Feld- und Ankerwicklung herbeigeführt. Diese ^.rt der Spannungserzeugung ist zugleich für -Jas dynamische Verhalten des Stromerzeugers von Vorteil. Das im Pol I erzeugte Feld (Fig. 6) ist überwiegend ein Reihenschlußfeld und kann der Verkettung mit der Nebenschlußwicklung des Pols II durch den Pol III hindurch ausweichen. Es ist wohl noch der dämpfenden Wirkung der Nebenschlußwicklung des Pols I unterworfen. Die dämpfende Wirkung ist hierbei aber viel geringer als bei einer gewöhnlichen Gegenverbundmaschine, weil die nur für die halbe Erregung bestimmte Wicklung des Pols I für gleiche Erregerspannung den doppelten Ohmsehen Widerstand hat und daher auch nur den halben dämpfenden Strom führt wie eine für die ganze Nebenschlußerregung bestimmte Wicklung. Durch geeignete Gabelung des Feldpfades zwischen Reihen- und Nebenschlußwicklung bzw. Verteilung dieser Wicklungen auf die einzelnen Pole hat man die Möglichkeit, den dämpfenden Einfluß der Nebenschlußwicklung zu beliebigen Anteilen auszuschalten. Gänzlich geschieht dies bei den später beschriebenen Ausführungsformen nach den Abb. 8 und 13.

Die beiden Nebenschlußerregerwicklungen auf Pol I und II sind gemäß Fig. 4 bis 6 parallel geschaltet und unabhängig voneinander durch die Regelwiderstände R regelbar (Fig. 6). Je nach der Betätigung dieser Widerstände kann man verschieden geformte Sclrweißcharakteristiken erhalten. Je mehr Widerstand der Wicklung auf Pol I vorgegeschaltet wird, desto mehr überwiegt die Reihenschluß erregung in diesem Pol, und desto steiler wird die Schweißcharakteristik. Zugleich verringert sich die dämpfende Wirkung dieser Nebenschlußwicklung, und das dynamische Verhalten der Maschinen wird besser. Dadurch werden zugleich die insbesondere bei kleinen Kurzschlußströmen auftretenden bekannten Schwierigkeiten des Schweißens gemildert oder beseitigt. Ist die Nebenschlußwicklung des Pols I vollkommen ausgeschaltet, so entspricht die Maschine hinsichtlich ihres dynamischen Verhaltens ganz den in den Abb. 8 und 13 dargestellten Ausführungsformen.

Durch die Sehnung der Ankerwicklung um 120 elektrische Grade ergibt sich bei Entnahme des Arbeitsstromes von den Bürsten 1 und 2 zwischen den Bürsten 1 und 3 ein Ankerstrombelag, der nach außen nicht tnagnetisierend wirkt (s. Fig. 7). Hingegen magnetisiert der Ankerstrombelag zwischen den Bürsten 1, 2 und 2, 3 in der Richtung von AW_a. Da gegenüber einem elektrisch einachsigen Anker der in der Zeichnung dargestellte dreiachsige Anker ein zusätzliches kompensiertes Stromvolumen zwischen den Bürsten 1, 3 enthält, hat er, wie schon erwähnt, einen größeren Scheinwiderstand.

Soll die Spannung an den Bürsten 1, 2 mit zunehmendem Strom selbsttätig auf Null abfallen, so kann diese Wirkung durch Anordnung einer Serienwicklung erzwungen werden. Hierbei ist es jedoch wesentlich, daß die Serienwicklung so angeordnet wird, daß das Maschinenfeld, welches mit den Nebenschlußamperewindungen verkettet ist, konstant bleiben kann und die Serienwicklung ein Zusatzfeld erzeugt, welches den selbsttätigen Abfall der Klemmenspannung an den Bürsten i, 2 bewirkt. Nach Fig. 8 spaltet sich sodann bei Nebenschlußerregung und Leerlauf das den Pol II durchsetzende Maschinenfeld über die Pole I und III in zwei gleiche Teile, wenn der magnetische Widerstand der Polpaarkreise untereinander gleich ist. Der Anker magnetisiert bei Belastung in der Richtung des Pols III; diese magnetische Wirkung kann durch Serienwindungen auf dem Pol III oder auf den Polen I und III noch verstärkt werden. Diese vom Anker- iao strom durchflossenen Windungen müssen reine Reihenschlußwindungen mit geringer

Induktivität sein, damit ein vollkommenes dynamisches Verhalten des Stromerzeugers erreicht wird. Die Beharrungscharakteristik verläuft jetzt nach Fig. 9. Für den Beharrungszustand bei mittlerer Belastung (Klemmenspannung Δ und Stromstärke /) gilt die Feldverteilung nach Fig. 10. Da während des Schweißens sich der Lichtbogenwiderstand ändert, schwankt die Stromstärke/, wenn statische und dynamische Charakteristik zusammenfallen, um den Mittelwert / zwischen/' und /"; bei Tropfenbildung im Kurzschluß erreicht der Strom den Wert /"'. Durch die raschen Fluktuationen des Arbeitsstromes werden nun Impulse zu einer Änderung des Maschinenfeldes gegeben. Der mit den Nebenschlußwindungen verkettete Teil des Maschinenfeldes (Pol II) wird sich wenig ändern, da die Nebenschlußwicklung durch die .Bürsten 2, 3 über die Ankerwicklung zu einer Kurzschluß wicklung geschlossen ist und einer raschen Änderung jenes Feldteiles entgegenwirkt. Dieser kann daher im ungünstigsten Falle als konstant angesehen werden. Dagegen kann sich der nur mit den Serienwindungen verkettete Feldanteil über die Pole I und III ungehindert ohne Kopplung mit den Nebenschlußamperewindungen schließen, wie Fig. 10 bis 12 zeigen. Fig. 10 gilt für den Strom /', Fig. 12 für /". Aus dem gezeichneten Feldverlauf der Figuren 8, 10, 11 und 12 ist somit deutlich erkennbar, daß trotz Konstanz des Polfeldes II sich die Maschinenspannung in Abhängigkeit vom Strom nach Fig. 9 in weiten Grenzen ändern kann, da sie bei rechtsgängiger, um 120 elektrische Grade gesehnter Ankerwicklung, in den zwischen den Bürsten 1, 2 und 2, 3 gelegenen Wicklungsschichten des Ankers induziert wird. Bei der Anordnung nach Fig. 8 lassen sich demnach gute dynamische Charakteristiken erzielen, die nahezu mit der statischen Charakteristik zusammenfallen. Die Fig. 8, 10, 11 und 12 zeigen auch, daß mit absinkender Klemmenspannung beim Durchlaufen der statischen Charakteristik die Erregerspannung an den Bürsten 2, 3 steigt, da diese in jenen Schichten der Ankerwicklung induziert wird, die zwischen den Bürsten 2, 3 und 3, ι liegen. Würden die Erregeramperewindungen mit zunehmendem Schweißstrom konstant bleiben oder abfallen, so wäre die statische Charakteristik steiler. Trotz steigender Erregerspannung lassen sich jedoch konstante Erregeramperewindungen dadurch erreichen, daß man auf Pol II nach Fig. 13 zwei Erregerspulen anordnet, von denen die eine durch die Erregerbürsten 2, 3, die andere hingegen von der gleichzeitig sinkenden Klemmenspannung der Bürsten 1, 2 aus gespeist wird. Man kann die Nebenschlußamperewindungen trotz steigender Erregerspannung auch abfallend machen, wenn durch den Regler R der Vorwiderstand für die eine Spule abnehmend, für die andere hingegen zunehmend geregelt wird. Hierdurch erhält man statische Charakteristiken nach Fig. 14. Die vom Ankerstrom durchflossenen Erregerwicklungen der Pole I und III sind wie in der Anordnung nach Fig. 8 reine Reihenschlußwicklungen mit geringer Induktivität.

Bei der Anordnung nach Fig. 8 und 13 empfiehlt es sich, an der Wurzel des Pols III einen konstanten Luftspalt anzuordnen, damit das Maschinenfeld im Leerlauf sich hauptsächlich über die Pole I und II schließt; der Pol III erhält sodann Serienamperewindungen, die zur Überwindung des magnetischen Widerstandes des Luftspaltes an der Wurzel des Pols ausreichen. Verschiedene statische Regelcharakteristiken können aber auch ohne Nebenschlußregler dadurch erzwungen werden, daß bei unverändertem Widerstand und gleichbleibender Windungszahl von Nebenschluß- und Serienamperewindungen an der Wurzel des Pols III oder I ein veränderlicher Luftspalt angeordnet wird.

Es kann somit bei im zweipoligen Schema ungerader Polzahl, also z. B. bei dreipoliger Anordnung der Maschine, der mit der Nebenschlußwicklung verkettete Feldanteil annähernd oder vollkommen konstant bleiben und die induzierte Schweißspannung mit zunehmendem Arbeitsstrom trotzdem gegen Null absinken, weil das durch die Serienwicklung in einem gesonderten Pfade erregte, veränderliche Zusatzfeld die induzierte Klemmenspannung der Maschine herabdrückt. Der induktive Abfall von der induzierten Klemmenspannung zur tatsächlichen jeweiligen Schweißspannung kann bei der geschilderten Anordnung daher kleiner sein als bei fremderregten Schweißmaschinen gewöhnlicher Bauart, wodurch der Bau von Maschinen nach der Erfindung wirtschaftlicher wird. Bekannten Spaltpolmaschinen mit gerader Polzahl im zweipoligen Schema haftet dagegen der Nachteil an, daß sich in ihnen kein gegenkompoundierendes Feld ohne Verkettung mit den Nebenschlußwindungen ausbilden kann, »o da sich Kraftlinien nicht kreuzen können.

Claims (12)

1. Patentansprüche:

   i. Kurzschlußsicherer Gleichstromspaltpolgenerator mit Gegenverbunderregung, insbesondere für Lichtbogenschweißbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung der dynamischen Charakteristik mindestens ein Pol je Polpaar unterteilt ist und die Nebenschlußwicklung (Selbst- oder Fremderregung) und die Reihenschlußwicklung auf diesen Polen

   bzw. Teilpolen so angeordnet sind, daß von dem durch den Anker getriebenen und im Anker sich gabelnden Magnetfluß ein vom Arbeitsstrom beeinflußter Teilfluß abzweigt, der mit der Nebenschlußwicklung nicht verkettet ist.
2. 2. Stromerzeuger nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil seines bei Vollast wirksamen Kraftflusses im

   ίο wesentlichen mit Gegenverbundamperewindungen verkettet ist, während ein mit Nebensdhlußamperewindungen verketteter Kraftfluß von der Gegenverbunderregung und daher von Belastungsänderungen unbeeinflußt ist.
3. 3. Stromerzeuger nachAnspruchiund2, dadurch gekennzeichnet, daß seine Ankerwicklung (vorzugsweise um 120 elektrische Grade) gesehnt ist und daß ihr Stromwender je Polpaar zwei Arbeitsbürsten (1,2) und eine Hilfsbürste (3) für die Erregung trägt, die der Sehnung entsprechend auf dem Stromwender verteilt sind.
4. 4. Stromerzeuger nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausführung des Magnetsystems mit drei ausgeprägten Erregerpolen je Polpaar ein Pol (II) vom Belastungsstrom unabhängig mittels Fremd- oder Nebenschlußerregerwicklung praktisch konstant erregt wird.
5. 5. Stromerzeuger nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußerregung zum Teil von Bürsten (2, 3) abgenommen wird, die im Gegensatz zu der Spannung an den Arbeitsstrombürsten (1, 2) einen im ganzen Verlauf der statischen Charakteristik von Null verschiedenen Potentialunterschied aufweisen.
6. 6. Stromerzeuger nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der fremderregte Teil des Kraftflusses (Pol II) mit mindestens zwei voneinander unabhängig regelbaren *5 Fremderregerwicklungen verkettet ist (Fig. 6 und 13).
7. 7. Stromerzeuger nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine derartige Anordnung des oder der reihenschlußerregten Pole (I, III) am Ankerumfang, daß der Reihenschlußkraftfluß den Anker in der Richtung der bei Vollast bestehenden Ankerrückwirkung durchsetzt (Fig. 7).
8. 8. Stromerzeuger nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine ungerade Zahl von Wendepolen enthält.
9. 9. Stromerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenschlußwicklung eines Pols (II) in eine-von der Schweißspannung und in eine von der Erregerspannung gespeiste Wicklung unterteilt ist (Fig. 13).
10. 10. Stromerzeuger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwicklungen (Pol I und II, Fig. 13) gegenläufig geregelt werden.
11. 11. Stromerzeuger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an der Wurzel eines vom belastungsabhängigen Fluß durchsetzten Pols (III) ein Luftspalt angeordnet ist und daß dieser Pol zur Überwindung des Luftspaltwiderstandes eine Reihenschlußerregung erhält (Fig. 13).
12. 12. Stromerzeuger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Regelung der Ankerstromstärke der an der Polwurzel vorgesehene Luftspalt regelbar ist.

    Hierzu 2 Blatt Zeichnungen