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Kurzzeitschalter Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum kurzzeitigen
Einschalten -von Stromkreisen für eine genau festgelegte einstellbare Zeitdauer.
Solche Kurzzeitschalter werden bei Punktschweißmaschinen benötigt, wo es bei der
Schweißungempfindlicher Materialien bekanntlich darauf ankommt, die Dauer des einzelnen
Schweißstromimpulses der Materialart und der Materialstärke anzupassen und diese
Impulszeit bei allen Schweißpunkten genau innezuhalten. Da die Schweißung mit Wechselstrom
erfolgt, so wählt man als Zeit: einheit für die Bemessung der Schweißstromimpulse
die Halbwelle bzw. die Periode der Wechselspannung. Jeder Schweißpunkt umfaßt dann.
also eine bestimmte Anzahl von Wechselstromperioden, die sich bei gleichbleibender
Einstellung- nicht ändern darf. Zur genauen Festlegung der Einschaltzeiten hat sich
folgende Methode bewährt: An die Steuerelektrode einer Entladungsstrecke, deren
Zustand die Ein- oder Ausschaltung des Hauptstromkreises bestimmt; wird eine Spannung
gelegt, die sich stetig in positiver oder negativer Richtung verändert. Eine solche
Spannung kann beispielsweise durch die Ladung oder Entladung eines Kondensators
erzeugt werden. Diese Spannung schneidet nach einer durch ihre Neigung bestimmten
Zeit, gerechnet von dem Zeitpunkt ab, in dem .sie zur Wirkung gebracht wurde,- die
Zündkennlinie der Ent'.adungsstrecke und bewirkt dadurch ,entweder eine Zündung
oder auch ,ein Erlöschen der Entladungsstrecke. Da der Schnittpunkt der stetig veränderlichen
Spannung mit der Zündkenilinie infolge der unvermeidlichen Veränderungen der beteiligten
Größen nichteindeutig festliegt, hat man zur Erhöhung der Genauigkeit der stetig
veränderlichen Spannung noch Spannungsspitzen
überlagert, die mit
der Frequenz der Wechselspannung ,aufeinanderfolgen und nun ihrerseits, je nachdem,
ob sie die Zündkennlinie noch übersteigen oder nicht, für die Steuerung der En,ladungsstrecke
maßgebend sind.
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Dieser Steuervorgang ist in Fig. i dargestellt. Mit Ul. sei d,e kritische
Spannung bezeichnet, bei deren Überschreitung die Entladungsstrecke zündet. U,#
ist die Spannung eines Kondensa.ors, der über einen Widerstand aufge:.aden wird,
und die3er Spannung sind die mit der Frequenz der Wechselspannung aufeinanderfolgenden
Spannungsimpulse UZ üj,erlagert. Die Entladungsstrecke, deren Anodenkreis gegebenenfalls
an der Wechselspannung liegt, wird also nur in denjenigen für diie positiven Halbwellen
g,-zündet, in denen die betreffende Spitze UZ die Zündkennlinie Ul" ü"erstegt. Bei
den in der Zeichnung angenommenen Verhältnissen erfolgt die Zündung somit im Zeitpunkt
b. Die Zünd-'kennlinie ebenso wie die S?annungen U, und UZ können um ein beträchtliches
Maß schtvank en, ohne daß sich der Zündzeitpunkt der Entladurgsstrecke verschiebt.
Unter sonst konstanten Verhältnissen kann sich die kri.ische Zündspannung Ulz im
Verhältnis zur Kondensators,- annut:g U, innerhalb der durch den Wert d
U gegebenen Grenzen ändern, ohne daß der Zündpunkt von dem Zeitpunkt b wegrückt.
Erst wenn diese zu:ässi;e Änderung überschritten wird, wandert der Zündpunkt nach
,a oder nach c. Die zulässige Schwankung
ist von der Zahl der von der Einschaltzeit umfaß"en Perioden abhängig, und zwar
gilt angenää.ert die Beziehung
wobei it die Periodenzahl der Einschaltze't ist. Je größsr also de Einschaltzeit
ist, um so kleiner ist die zulässige Spannungsschwankung -
Die Schwankungen der Zündspannung, vermehrt um die des speisenden Netzes, können
daher zu unliebsamen Abweichungen vom Sollwert der Schweißenergie führen.
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Durch die Erfindung wird nun die Möglichkeit von Änderungen der eingestellten
Einschaltzeit infolge von Schwankungen der Zündspannurg gegenüber der Kondensatorspannur-g
ganz wesentlich herabgedrückt. Es wird mit anderen Worten die zulässige Schwankung
der kritischen Zündspannung erhöht. Das wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht,
daß de Periode der im Steuerkreis wirksamen, der s:.e.ig veränderlizhen Spannung
ü'_verlagerten S?annungsimpulse ein ganzes Vielfaches der Periode der Wechselspannurg
beträgt. Dzm S_euerkreis der Entladungsstrecke wird also jetzt nicht mehr in jeder
Periode, sondern beispielsweise nur in jeder Driften oder jed3r vierten, also allgemein
in jeder it-ten Periode der Wechselspannung eine zusätzliche Spannungsspitze zugeführt.
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Dile Wirkung der Maßnahme der Erfindung zeigt Fig.2 für den als Beispiel
angenommenen Fall, daß die Periode der kurzzeitigen Spannungsimpulse das: Dreifache
der Wechselspannungsp:eriode, d, h. also 3; 360a beträgt. Man sieht, daß jetzt die
Höhenunterschiede zwischen den Spitzen benachbarter Spannungsimpulse etwa dreimal
so groß geworden sind, so daß die zulässige Änderung des Verhältnisses der Zündspannung
Ul;, zu U, ebenfalls auf das: Dreifache ge@vachsen ist. Um eine Änderung
des in e liegenden Zündzeitptm'.,:tes nach dem Punl,:td oder t zu bewirken, müßte
die And--r ung d Us# = 3 X d U (Fig. i) sein. Die Sicherheit ist also
dreireal so große geworden.
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Zur Erzeugung der hinsichtlich ihrer Frequenz von der Netzfrequenz
abweichenden S"euerspaiinung.iimpulse kann ein besonderer Kippschwingungsgenerator
vorgesehen werden; der durch zusätzliche Hilfsmaßnahmen mit der Netzfrequenz synchronisiert
ist.
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Einen praktischen Anwendungsfall der Erfindung für die S:euerung euer
Schweil3-maschine zeigt Fig. 3. Es handelt sich dabei um -eine Schweißmaschine,
bei der der Schweißstrom über zwei gegensinnig parallel geschal,e:e steuerbare Ent-adungsstrecken
geführt wird, von denen nur die eine von außen her gesteuert wird, während die andere
stets dann zündet, wenn in der vorangegangenen Halbwelle die erste Ent@adungsstrecke
ebenfalls Strom geführt haue. Die Steuerspannung für die von außen gesteuerte Entladungsstrecke
wird dem Anoden-'-reis der Hilfsentladungsstrecke i entnommen, die ihrerseits über
den Transformator 2 mit Wechselspannung gespeist wird. Die im Schweißstromkreis
liegende fremd gesteuerte Entladungss trec 'k #c wird so lange gezündet, wie die
Hilfsentladungsstrecke i Strom führt.
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In dem Steuerkreis der Hilfsentladungsstreck e i wirkt außer der negativen
Vorspannung 13 eine Wechselspannung spitzerWellenform, die mit Hilfe eines hochgesättigten
Transformators 3 an dem Widerstand ¢ erzeugt wird. Von diesen Spannungsimpulsen
wird aber nur einer, und zwar zur erstmaligen Zündung d°r Hilfsentladungsstreck
.e i ausgenutzt, während die Zündungen in den darauffolgenden Perioden durch Spannungsimpulse
hervorgerufen werden, die an dem Widerstand 6 alg°griffen werden. Der Widerstand
6 liegt über den Transformator 5 an der Spannung an der S2hweiß#naschine, so daß
jedesmal dann, wenn nach Ablauf einer vollen
Periode die Schweißspannung
verschwindet, der Hilfsentladungsstrecke i ein neuer Zündimpuls zugeführt wird.
Der Kondensator 7 dient dabei zur Phaseneinstellung dieser an dem Widerstand 6-abgegriffenen
Zündimpulse. Eine Glimmlampe 8 .sorgt dafür, daß die Spannungsimpulse einen bestimmten
Wert nicht überschreiten.
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In dem Steuerkreis liegt nun weiterhin der Kondensator i i, .der ü'--,er
einen Widerstand i a gleichzeitig mit* der ersten Zündung der Entladungsstrecke
i an' .eine Ladespannung gelegt wird. Er wird dadurch allmählich aufgeladen, und
zwar .so, daß seine Spannung U, als Sperrspannung wirkt. Damit ist beabsichtigt,
nach einer bestimmten Zeit eine erneute Zündung der Ent:adungsstreck e zu verhindern,
was der Fall ist, sobald die Kondens.atorspannung U, :einschließlich der negativen
Vorspannung 13 größer geworden ist als die Spitzenwerte der Zündimpulse.
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Wenn nur die Spannungsimpulse US -und die Kondensatorspannung U, in
dem Steuerkreis wirksam wären, so wäre wiederum der Spielraum für eine Änderung.
der Spannungsverhältnisse nicht allzu groß. Er wird aber vergrößert durch .die Einfügung
der an dem Widerstand io abgegriffenen Spannung Ulo. Dieser Widerstand wird von
einem Kippschwingungsgenera:or 9 mit Spannungsimpulsen gespeist, deren Periode ein
ganzes Vielfaches der Periode der an dem Widerstand 6 abgegrieenen Zündimpulse ist.
Dabei sind die Phasenlagen der Zündimpulse US und der zusätzlichen Spannungsimpulse
Ulo so gewählt, daß jeder Impuls U,0 einem Impuls US genau entgegenwirkt, wodurch
.der letztere in seiner Höhe vermindert wird.
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Es :ergibt sich senit das in Fig.4 dargestellte Bild. In Fig.4a sind
die Steuerimpulse US dargestellt. Ihnen sind die in Fig- 4b wiedergegebenen Impulse
Ulz überlagert, wobei angenommen ist, daß die Frequenz von Ux nur '/3 derjenigen
von US beträgt. Als resuhierendergibt sich dann, wie in Fig. 4 c wiedergegeben,
.eine Folge von Spannungsspitzen, von denen jede dritte niedriger ist .als die dazwischenliegenden
beiden anderen. U, ist die Kondensatorspannung, die der Einfachheit halbier als
linear ansteigend angenommen ist. Eine Zündung,der Entladungsstrecke i erfolgt nur
in denjenigen Perioden, in denen die Spannungsspitzen U, i Ulz die Kondensatorspannung
U, noch überschreiten. Im Punkt e ist dies nicht mehr der Fall, und die Entladungsstrecke
kann in dieser Periode nicht wieder gezündet werden. Da damit die Schweißmaschine
außer Betrieb gesetzt wird, bekommt auch der Transformator 5 in der nächsten Periode
keine Spannung mehr, so daß die rechts von e gezeichneten Spannungsimpulse :eigentlich
nicht mehr auftreten. Sie sind trotzdem :eingezeichnet, um ein besseres Bild von
.den Vorgängen zu vermitteln. Man erkennt deutlich, daß die Spannung U,7 sich g°genübür
den anderen Spannungen, um eine Änderung der Schweißzeit eintreten zu lasssen, dreimal
so stark ändern darf, wie es der Fall wäre, wenn die Spannungsimpulse alle die gleiche
Höhe hätten.
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Bei :einer Änderung der gesamten Schweißdauer bzw. der gesamten Einschaltzeit
wird zweckmäßig unter gewissen Verhältnissen auch die Frequenz der zusätzlichen
Steuerimpulse geändert. Man muß das unter Umständen schon .aus: dem Grunde tun,
weil, bezogen auf die Wechselspannung, die Periodenzahl der gesamten Einschaltzeit
durch die zwischen zwei benachbarten zusätzlichen Spannungsimpulsen liegende Peziodenzahl
teilbarse_n muß. Außerdem gibt es. aber auch ein ganz bestimmtes Optimum für die
Einstellung, derart, daß die größte Genauigkeit erreicht wird. Das hängt damit zusammen,
daß bei Speisung des Kippschwi saungsgenerators aus dem Wechselstromnetz sich auch
dessen Spannungsimpulse bei Schwankungen der Wechselspannung ihrer Höhe nach ändern.
Berücksichtigt man diesen Umstand, so kommt man zu dem Ergebnis, daß bei einer eingestellten
Schaltzeit von z-Periodeneine Kippfrequenz von etwa 1, z sec.-' günstigste Verhältnissems
erwarten läßt. -