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Anordnung zur Speisung von Lichtbogenschweißelektroden über ruhende
Gleichrichter Es ist bekannt, daß man bei der Speisung von Lichtbogenschweißelektroden
dem speisenden Stromkreis eine Spannungsstromkennlinie geben muß, die mit wachsendem
Strom stark abfällt. Das ist nötig, weil die Schweißelektroden ja betriebsmäßig
zum Zwecke der Zündung häufig kurzgeschlossen werden müssen und der sich dabei einstellernde
Kurzschlußstrom keine übermäßige -Höhe annehmen darf. Um dieses Ziel zu erreichen,
bat man bei der Speisung der Schweißelektroden aus einem Wechselstromnetz über Gleichrichter
wechselstromseitig Induktivitäten vorgesehen, die .die Begrenzung des Kurzschlußstromes
auf einen erträglichen Wert bewirkten. Darüber hinaus ist bereits der Vorschlag
gemacht würden, die Kennlinie des speisenden Stromkreises so zu gestalten, daß sie
vom Leerlaufpunkt aus zunächst ansteigt und erst dann wieder bis zum Kurzschlußpunkt
hin abfällt. Der Grund hierfür liegt darin, daß zur sicheren Zündung des Lichtbogens
eine verhältnismäßig große Spannung gebraucht wird und daß bei einer Kennlinie,
die eine nur fallende Tendenz zeigt, die Leerlaufspannung sogar noch höher als diese
Zündspannung liegen würde. Das stellt aber eine Gefährdung für den Schweißer dar,
da damit gerechnet werden muß, daß er während der Schweißpausen bzw. vor Zündung
des Lichtbogens mit der Schweißelektrode und dem Werkstück zugleich in Berührung
kommt. Der erwähnte Vorschlag erreicht das Ziel der Herabdrückung -der Leerlaufspannung
mit Hilfe einer besonders ausgestalteten und vom Schweißstrom vormagnetisierten
Regeldrossel. Die Vormagnetisierung von im Wechselstromkreis liegenden Drosseln
durch
den Verbrauchergleichstrom ist in anderem Zusammenhang bereits bekannt. Sie wurde
bisher allerdings nur dazu benutzt, u eine möglichst flach verlaufende Spannungsstromkennlinie,
d. h. eine vom Verbraucherstrom möglichst unabhängige Verbraucherspannung, zu erzielen.
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Die vorliegende Erfindung zeigt einen Weg, um mit sehr einfachen Mitteln,
und zwar ebenfalls unter Zuhilfenahme einer vom Schweißstrom abhängigen Induktivität,
bei der Speisung der Schweißelektroden über Gleichrichter die erwähnte Kennlinienform
zu erreichen. Hierzu wird in,dem Schweißstromkreis außer der vom Schweißstrom abhängigen
Induktivität noch eine unveränderliche Induktivität benutzt, und zwar werden gemäß
der Erfindung zur Erzielung einer von der Leerlaufspannung aus mit wachsendem Schweißstrom
zunächst bis zu einem Höchstwert ansteigenden und dann wieder bis zum Kurzschluß
abfallenden Spannungsstromkennlinie die Induktivitäten so bemessen, daß der abfallende
Verlauf der Kennlinie zwischen dem Höchstwert und dem Kurzschlußpunkt im wesentlichen
nur durch die unveränderliche Induktivität bestimmt wird, während die veränderliche,
in diesem Kennlinienbereich praktisch wirkungslose Induktivität, vorzugsweise in
Formeiner vormagnetisierten Drosselspule, zwischen dem Leerlaufpunkt und dem Höchstwert
der Kennlinie mit wachsendem Schweißstrom abnimmt, und daß zur Erzeugung des Leerlaufspannungsabfalles
eine vorzugsweise induktive Vorbelastung vorgesehen ist.
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Wie schon erwähnt, erhält die veränderliche Induktivität vorzugsweise
die Form einer vormagnetisierten Drossel, obwohl auch andere Ausführungsarten möglich
sind. Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes besteht
darin, daß der praktisch unveränderliche Teil der auf der Wechselstromseite vorgesehenen
Induktivität durch die Streuinduktivität des Gleichrichtertransformators gebildet
wird. Man kann zu diesem Zweck einen Transformator mit künstlich vergrößerter Streuung,
also beispielsweise einen mit besonderen Streujochen ausgebildeten Transformator,
verwenden, wobei es vorteilhaft ist, wenn die Streuung des Transformators beispielsweise
durch Verstellen der Streujoche verändert werden kann. Hierdurch ergibt sich nämlich
die Möglichkeit, die Größe des Schweißstromes. beliebig einzustellen.
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Die Erfindung möge an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. Abb.
z zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes, bei dem der Gleichrichtertransformator
r in der soeben angegebenen Weise als Streutransformator mit einstellbarer Streuung
ausgebildet ist. Die eigentliche Gleichrichteranordnung z, die den Gleichstrom für
die _ Schweißelektroden 3 liefert, besteht aus einer dreiphasigen Ventilanordnung
in Graetzscher Schaltung; als Ventile kommen hier in erster Linie Trockengleichrichter
in Betracht, obwohl selbstverständlich auch andere Ventilarten Verwendung finden
können.
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Zwischen das Drehstromnetz U, h, W und die Primärwicklung
des Transformators r sind' nun noch die Drosselspulen 4 geschaltet; es können hier
entweder drei einphasige Drosselspulen oder auch eine dreiphasige Drosselspule Verwendung
finden. Auf dem Eisenkern dieser Drosselspulen 4 sind die Vormagnetisierungswicklungen
5 angeordnet, die im vorliegenden Fall hintereinandergeschaltet sind und von dem
den Schweißelektroden zugeführten Gleichstrom durchflossen werden. Parallel zu den
Vormagnetisierungswicklungen 5 ist ein sog. Schwellwertwiderstand geschaltet, d.
h. ein Strompfad, dessen Widerstandswert mit wachsender Spannung abnimmt bzw. der
zunächst einen sehr hohen Widerstand aufweist und bei Überschreitung einer bestimmten
Spannungs- bzw. Stromgrenze sprunghaft auf einen niedrigen Widerstand übergeht.
In Abb. r ist als Schwellwiderstand ein Glimmentladungsrohr 6 gezeichnet, doch kann
an dessen Stelle auch irgendeine andere Einrichtung mit den angegebenen Eigenschaften,
z. B. ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten oder ein Trockengleichrichter,
treten. Zweckmäßig wird auch dieser Parallelpfad zu den Vormagnetsierungswicklungen
hinsichtlich seines Widerstandes einstellbar gemacht.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schweißanordnung geht aus
Abb. a hervor, in der die Abhängigkeit der Gleichrichterspannung E von dem Schweißstrom
7 kurvenmäßig dargestellt ist. Die Spannungsstromkennlinie ist zunächst einmal,
wenn man von allen übrigen Einflüssen -absieht, durch die Streuinduktivität des
Transformators bestimmt. Bezeichnet man die sich aus der Spannung des Drehstromnetzes
U, V, W und dem Übersetzungsverhältnis des Transformators ergebende Leerlaufspannung
mit EoT, so würde die Spannungskennlinie, wenn der Transformator keinen Ohmschen
Widerstand besäße, einen Viertelkreis darstellen, der die Abszissenachse in dem
Kurzschlußpunkt Jk, und die Ordinatenachse in dem Punkt Eot schneidet. - Durch die
Einwirkung des Widerstandes der Transformatorw icklungen sowie durch die Eisenverluste
wird der Kennlinienverlauf zwischen den genannten Punkten, wie es in Abb. 2 dargestellt
ist, gegenüber dem Kreisbogen etwas verflacht.
Bei größeren Schweißströmen
sind nun die Drosselspulen, die auf der Wechselstromseite vorgeschaltet sind, so
stark gesättigt, daß sie keinen nennenswerten Einfluß mehr auf den Verlauf der Kennlinie
ausüben können. Erst bei Unterschreitung eines bestimmten Schweißstromwertes, also
beispielsweise im Punkte A, beginnt sich die Induktivität der Drosselspulen infolge
geringerer Vormagnetisierung bemerkbar zu machen und die Kennlinie wird entsprechend
dem an den Drosseln auftretenden Spannungsabfall herabgesetzt. Diese Herabsetzung
der Kennlinie soll nun in der Weise erfolgen, daß sie unterhalb des Punktes A den
in Abb. a stark ausgezogenen Verlauf zeigt und bei Leerlauf, d. h. also auf der
Ordinatenachse, den Wert Eo erreicht. Man erzielt dann eine erheblich herabgesetzte
Leerlaufspannung, was erstens zum Schutz des Bedienungspersonals erwünscht ist,
andererseits aber auch eine Herabsetzung der Spannungsbeanspruchung der Ventilstrecken
zur Folge hat und daher besonders bei der Verwendung von Trockengleichrichterplatten
von Wichtigkeit ist. Trotzdem wird bereits bei einem verhältnismäßig geringen Strom
in. dem Punkte A eine beträchtliche Spannung erreicht, so daß das Zünden des Schweißlichtbogens
außerordentlich erleichtert wird.
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An sich wird nun die Induktivität der Drosselspulen; wenn der Strom
unter den dem Punkte A entsprechenden Wert sinkt, immer größer, um schließlich bei
völligem Leerlauf das Maximum zu erreichen, andererseits muß aber beachtet werden,
daß ja mit abnehmendem Schweißstrom auch der Strom in den Drosselspulen, dem ja
bei gegebener Induktivität der Spannungsabfall in den Drosselspulen proportional
ist, absinkt. Ohne weiteres ist also der Punkt E0 nicht zu. erreichen, es müssen
vielmehr hinsichtlich der Vormagnetisierung und der Strombelastung der Drosselspulen
4 noch besondere Bedingungen eingehalten werden, wie an Hand von Abb. 3 erläutert
werden soll.
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In Abb.3 sind mit dem Vormagnetisierungsstrom iv als Parameter mehrere
Spannungsstromkennlinien ED = f (J) für die Drosselspulen aufgetragen. Die linke
ausgezogene Kurve gilt für den Vormagnetisierungsstrom iv = O, während die am niedrigsten
liegende ausgezogene Kurve für einen Vormagnetis.ierungsstrom ivn entsprechend dem
normalen Schweißstrom in gilt. Soll die beabsichtigte Wirkung erreicht werden, so
muß bei Leerlauf, d. h. bei Unterbrechung des Schweißstromkreises, der Spannungsabfall
an den Drosseln einen bestimmten Höchstwert EDo besitzen. Bei Belastung des Schweißstromkreises
und den sich dadurch einstellenden Vormagnetisierungsströmen ivi und iv2 soll dagegen
der Spannungsabfall an den Drosselspulen bereits wesentlich tiefer liegen, beispielsweise
entsprechend den Punkten C bzw. D. Man erkennt, daß es dazu erforderlich ist, daß
der Vormagnetisierungsstrom schneller abnimmt als der durch die Drossel hindurchfließende
Strom, da man andernfalls im Bereich des Leerlaufs nicht auf genügend hohe Spannungsabfälle
hinaufkommt. Dieses Ziel kann gemäß der weiteren Erfindung dadurch erreicht werden,
daß den Drosseln noch ein zusätzlicher induktiver Belastungswiderstand zugeordnet
wird, der den Strom Jo aufnimmt und somit auf der Drosselkennlinie für iv = Oden
Spannungswert EDo abschneidet. Zweckmäßig wird dieser zusätzliche Belastungswiderstand
durch einen vergrößerten Widerstand des Magnetkreises -des Transformators gebildet,
beispielsweise durch Einschaltung eines zusätzlichen Luftspaltes. Ein induktiver
Belastungswiderstand ist gegenüber einem anderen besonders vorteilhaft dadurch,
daß der Spannungsabfall, der durch seinen Strom in den Drosseln hervorgerufen wird,
mit der Netzspannung in Gegenphase liegt.
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Es bleibt nun nur noch die Wirkungsweise des Schwellwiderstandes 6
in Abb. z zu erklären. Dieser Widerstand hat die Wirkung, daß bei Überschreitung
eines bestimmten Schweißstromes, beispielsweise des normalen Schweißstromes 1" die
Vormagnetisierung der Drosselspulen 4 nicht mehr weiter steigt. Die Spannungskennlinie,
wie man sie im praktischen Betrieb für die Drosselspulen einstellt, verläuft also
oberhalb des Stromes J" nach der in Abb. 3 für den Vormagnetisierungsstrom ivn gezeichneten
unteren Kurve. Infolgedessen tritt an den Drosselspulen, wenn ,der Strom beispielsweise
bis auf den über dem Werte 1" gelegenen Betrag J'k ansteigt, wiederum ein erhöhter
Spannungsabfall EDk auf, der nunmehr eine zusätzliche Begrenzung des Kurzschlußstromes
zur Folge hat.
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In Abb. z verläuft infolgedessen bei Vorhandensein des Schwellwertwiderstandes
parallel zu .den Vormagnetisierungswicklungen die Kennlinie von dem Punkte B ab
nicht mehr nach dem stark ausgezogenen, sondern ` nach dem punktierten Kurventeil
und erreicht schließlich den Kurzschlußstrom J'k. Ein -derartiges rasches Absinken
der Spannung oberhalb eines bestimmten Stromwertes ist aber bekanntlich für die
Lichtbogenschweißung außerordentlich vorteilhaft. Durch die Er-' findung wird also
unter Verwendung denkbar einfachster Schaltmittel eine Gleichrichterkennlinie erzielt,
die alle Anforderungen der Lichtbogenschweißtechnik in vollkommener Weise erfüllt.