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Schaltanordnung zum abwechselnden Ein- und Ausschalten von Laststromkreisen
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Steuerschaltung, insbesondere auf
eine verbesserte Einrichtung zum Steuern des Stromflusses eines Belastungskreises,
der beispielsweise durch die Schweißelektroden einer elektrischen Widerstandsschweißmaschine
gebildet wird.
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Überall da, wo die verschiedenen Arten des elektrischen Widerstandsschnellschweißens
angewendet werden können, z. B. beim Punkt-oder Nahtschweißen, ist es notwendig,
in periodischen Zeitabständen den Strom während des Schweißens zu unterbrechen,
um die in Abstand voneinander oder überlappt liegenden Schweißstellen zu bilden.
Die zum Unterbrechen des Stromes dienenden Mittel müssen imstande sein, sehr " viele
Unterbrechungen in der Minute zu ermöglichen. Sogar bei niedrigen Arbeitsgeschwindigkeiten
hat sich der Gebrauch - mechanischer Schalter für diesen Zweck unbefriedigend und
in den Fällen, in denen der Schweißstrom mehrere hundert Male in der Minute unterbrochen
werden muß, sogar als vollkommen ungeeignet erwiesen.
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Auch beim Stumpfschweißen und besonders beim Abbrennschweißen, bei
dem der Widerstand an der Verbindungsstelle für die Erzeugung der Schweißhitze ausgenutzt
wird, ist es allgemeiner Gebrauch geworden, im Primärstromkreis des Schweißtransformators
zum Steuern der Schweißzeit große Schütze zu benutzen. Bei dieser Schweißart besteht
zu der Zeit, in der das Metall schmilzt, am Schweißtransformator praktisch nahezu
ein Kurzschluß, und wenn die Schütze zur Unterbrechung des Stromkreises benutzt
werden, müssen sie bei dieser sehr großen Last das Abschalten vornehmen. Dadurch
werden sie zerstört, was- hohe Unterhaltungskosten bedingt.
Weiterhin
entstehen an den Schützen des öfteren unter diesen Bedingungen Lichtbögen, so daß
es unmöglich ist, den Stromkreis mit gewöhnlichen Schützen zu unterbrechen. Es ist
bereits vorgeschlagen worden, für solche Steuerzwecke gesättigte Eisendrosseln zu
verwenden, jedoch hat sich herausgestellt, daß diese für das Widerstandsschnellschweißen
ungeeignet sind, da infolge der langen Zeitkonstanten eine große Zeit erforderlich
wird, um wesentliche Veränderungen in der Recktanz hervorzubringen.
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Nach der Erfindung wird eine verbesserte Steuerschaltung, die aus
einer sättigungsfähigen Drossel besteht, die mit schnell ansprechenden Mitteln zur
Änderung der Recktanz versehen ist, dadurch geschaffen, daß die Magnetisierungsspule
der Drossel durch eine Gleichstromquerfeldmaschine gespeist wird. Eine solche Steuerschaltung
soll die bislang in solchen Steuerstromkreisen verwendeten Schütze ersetzen. Durch
diese Steuerschaltung kommt der Ersatz von Teilen in Fortfall.
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Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte
Steuerschaltung für den Strom zu schaffen, die eine sehr hohe Geschwindigkeitsgrenze
für das Ein- und Ausschalten des Schweißstromes von elektrischen Widerstandsschweißmaschinen
hat. Weitere vorteilhafte Einzelheiten-der Erfindung sind im folgenden beschrieben.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand an zwei Ausführungsbeispielen
dargestellt.
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In der Fig. i dient die erfindungsgemäße Schaltung zum Steuern des
Stromes für einen Laststromkreis Io. Der Laststromkreis Io enthält z. B. die Elektroden
i i und i i' einer elektrischen Widerstandsschweißmaschine. Der Stromkreis Io wird
über den Transformator 12, dessen Sekundärwicklung 13 im Stromkreis Io liegt und
dessen Primärwicklung 14 mit einem Wechselspannungsnetz 15 über den Schalter 15'
verbunden ist, gespeist. Eine Einrichtung mit veränderbarer Recktanz besteht aus
der Sättigungsdrossel 16 und dient zum Steuern des Schweißvorganges, d. h. des dem
Netz 15 entnommenen Stromes bzw. des Stromes im Stromkreis Io. Diese Einrichtung
besteht aus den veränderbaren Reaktanzwicklungen 16', die mit der Wicklung 14 des
Transformators 12 in Reihe geschaltet und die auf einem geeigneten Kern 17 gewickelt
sind. Der Scheinwiderstand der Wicklung 16' wird durch Steuerung der Sättigung des
Kernes 17 gesteuert. Dies wird durch eine durch Gleichstrom gespeiste Sättigungswicklung
18, die sich ebenfalls auf Kern 17 befindet, erreicht. Durch Steuern der Erregung
der Wicklung i8: wird der Scheinwiderstand der Wicklung 16-' für den Wechselstrom
des Netzes 15 in weiten Grenzen geregelt. "Falls der Kern 17 seine volle Sättigung
erlangt hat, ist der Scheinwiderstand fast ganz verschwunden, während bei vollkommen
ungesättigtem Kern 17 der Höchstwert des Scheinwiderstandes von der Wicklung 16'
erreicht ist. Der Höchstwert des Scheinwiderstandes ist von solcher Größe, daß dadurch
der Strom im Kreis Io gesperrt, wird, d. h. der magnetische Scheinwiderstand der
Sättigungsdrossel 16 wird höher ausgelegt als jener des Transformators 12.
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Das Anwachsen des Flusses im Kern 17 und hauptsächlich auch das Verringern
dieses Flusses, falls ein Vergrößern des Scheinwiderstandes der Wicklung 16' gewünscht
wird, erfordern eine verhältnismäßig lange Zeit, so daß Sättigungsdrosseln ohne
zusätzliche Mittel für die Steuerung von z. B. Widerstandsschnellschweißmaschinen
ungeeignet sind. Damit die geforderte Schnellsteuerung des Scheinwiderstandes der
Wicklung 16' erreicht wird, wird der Stromfluß in der Sättigungswicklung 18 durch
veränderbare Zufuhr von Gleichstrom eines Generators i9 gesteuert. Der Generator
ist eine Querfeldmaschine. Eine solche Maschine liefert eine steuerbare, veränderbare
Spannung und veränderbaren Strom mit einem sehr hohen Verstärkungsverhältnis. Daher
wird die Maschine i9 mit Erreger zur Steuerung der Sättigungswicklung 18 benutzt,
die die Änderungen des Stromes vergrößert, die ihrer Steuerfeldwicklung 2o übermittelt
werden. Die Maschine i9 wild durch den Motor 21, der beispielsweise im Nebenschluß
erregt ist, angetrieben. Der Motor 21 wird vom Netz 22 gespeist.
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Um diese Vergrößerung der Änderungen zu erhalten, ist die Maschine
i9 mit einer Ankerwicklung und einem Kommutator 23 versehen. Bei dieser Erregungsart
sind zwei Bürstensätze erforderlich, die gegeneinander um 9o elektrische Grade versetzt
sind. Ein Satz Primärbürsten 2.4 und 25 ist über einen Leiter 26 von niedrigem Widerstand
kurzgeschlossen. Hierdurch wird ein Kurzschlußstrompfad hergestellt, der die Primärkomponente
des Erregerflusses der Maschine erzeugt. Der andere Bürstensatz, der die Sekundärbürsten
27 und 28 enthält, erzeugt eine Spannung, die wie die Erregung der Steuerfeldwicklung
2o sich ändert. Dieser Bürstensatz bildet einen Sekundärstromkreis durch den Anker.
Die an den Bürsten 27 und 28 liegende Spannung ist relativ zu der Spannung oder
dem Strom der Steuerfeldwicklung 2o groß. Werden .die Bürsten 27 und 28 an eine
Last, wie z. B. an die Sättigungswicklung 18 der Drossel 16, angeschlossen, fließt
ein Strom, der eine sekundäre Ankerrückwirkung in der- Maschine i9 erzeugt.
Die
Maschine I9 ist außerdem noch mit zusätzlichen Wicklungen, wie z. B. mit der Felderregungswicklüng
2,9; versehen, die mit dem Stromkreis über die Bürsten 27 und 28 in Reihe geschaltet
ist, so daß eine magnetische Gegenkomponente zu der sekundären Ankerrückwirkung
erzeugt wird, die durch den Stromfuß über die zugeordneten Bürsten 27 und 28 entsteht.
Hierdurch wird der sekundäre Ankerrückwirkungsfluß herabgesetzt und dadurch die
Empfindlichkeit der Steuerfeldwicklung 2o vergrößert. Mit den Primärbürsten 2q,
und 25 ist eine Erregerwicklung 30 in Reihe geschaltet, die eine Erregungskomponente
n Richtung .der Primärankerrückwirkung erzeugt, wodurch der primäre Ankerstrom zur
Erzielung .einer gegebenen Sekundärspannung wesentlich herabgesetzt wird.
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Der Vorteil einer Querfeldmaschine I9 als Steuereinrichtung für den
Scheinwiderstand der veränderbaren Reaktanzwicklung 16' liegt in dem geringeren
Bedarf an Steuerleistung und in dein äußerst schnellen Ansprechen der Einrichtung
zur Steuerung des Stromkreises i o. Um die Höchstgeschwindigkeit des Steuerns des
Scheinwiderstandes von der Wicklung 16' zu erreichen, wird der Laststromkreis der
Maschine I9 mit der Sättigungswicklung 18 so ausgelegt, daß sich das günstigste
Verhältnis von L/R und dem- , zufolge eine kurze Zeitkonstante ergibt. Gelegentlich
wird es zur Erlangung dieses günstigen Verhältnisses notwendig, einen Widerstand
mit der Wicklung 18 in« Reihe zu schalten und die Klemmenspannung der Maschine
I9 zu erhöhen. Die Steuerleistung für die Maschine I9 zwecks Erregung des Feldes
2o wird irgendeinem Gleichstromnetz 22 entnommen. Geeignete Mittel, wie z. B. ein
veränderbarer Widerstand 31, können mit der Wicklung 2o in Reihe geschaltet sein,
um die Erregung der Wicklung 2o einzustellen. Kontakte 32 und 33, die später beschrieben
werden; steuern die -Erregung.
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Für den Höchstwert des Stromes im Lastkreis Io wird der Widerstand
31 so eingestellt, daß die abgegebene Leistung der Maschine I9 den Kein 17 der Sättigungsdrossel
16 vollständig sättigt, so daß die Wicklung 16' für den durch die Wicklung Iq. des
Transformators fließenden Strom keinen Scheinwiderstand besitzt. Für geringere Stromwerte
im Lastkreis Io wird der Kern 17 auf einen geringeren Sättigungsgrad durch Verändern
des Widerstandes 3 r gebracht. Jedesmal, wenn die Kontakte 32 und 33 den Stromkreis
der Erregerwicklung 2o öffnen, ist die verbleibende Komponente des Sekundärflusses,
der durch den Strom im Sekundärkreis erzeugt wird, derart, daß sie eine Umkehrung
des Potentials veranlaßt, das an der Wicklung 18, die mit den Sekundärbürsten 27
und 28 in Reihe geschaltet ist, liegt, so daß der Fluß -im -Kern 17 gezwungen
wird, sehr schnell auf Null zu gehen.
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Natürlich können beliebig geeignete Steuermittel für die Erregung
der Feldwicklung 2o verwendet werden, wie z. B. mehrere Entladungsröhren oder ein
Steuerstromkreis, -der mit Kontakten 32 und 33 gemäß Fig. x ausgerüstet ist und
der den Scheinwiderstand der Wicklung 16' .der Drossel 16 überwacht. Der Kontakt
32 ist derart angeordnet, daß er mit Hilfe der Druckknöpfe 35 bzw. 36 ein-bzw. ausgeschaltet
werden kann, wodurch die Erregung des Solenoids 37 z. B. durch die Gleichstromquelle
22' gesteuert wird. Das Solenoid 37 hat den Kontakt 32 und zusätzlich den Selbsthaltekontakt
38. Der Kontakt 33 ist so angeordnet, daß er in Übereinstimmung mit der Arbeitsweise
des Lastkreises Io gesteuert wird. Falls die erfindungsgemäße Schaltanordnung bei
einer elektrischen Widerstandsabbrennschweißmaschine, wie in Fig. i dargestellt,
verwendet wird, kann z. B. der Kontakt 33 durch ein Solenoid 39 betätigt werden,
das über einen Stromwandler 40 im Laststromkreis Io erregt wird. Wenn die Stumpfschweißung
beendet ist, ist die Sekundärwicklung 13 des Transformators 12 im wesentlichen über
das Werkstück zwischen den Elektroden i i und i i' kurzgeschlossen, und im Stromkreis
Io fließt ein sehr großer Strom. Durch einen geeigneten veränderbaren Einstellwiderstand
44 der zur Solenoidwicklung 3g parallel geschaltet ist, wird bei einem vorher bestimmten
- Stromfluß im Kreis io das Solenoid 39 veranlaßt, den Kontakt 33 zu öffnen,
wodurch der Erregerstromkreis der Wicklung 2o unterbrochen wird. Der Scheinwiderstand
der Wicklung 16' wird sehr schnell wachsen, so daß die Zuführung weiterer Leistung
zum Stromkreis io unterbrochen ist, Zu Beginn ist bei der in Fig. i dargestellten
Schaltanordnung der Schalter 15' in geöffneter Stellung, und der Motor 2i treibt
die Maschine ig an. Da der Kontakt 32 geöffnet ist, ist die Wicklung 2o entregt,
Demzufolge fließt kein Strom in der Wicklung 18. Die Wicklung 16' besitzt daher
den Höchstwert des Scheinwiderstandes für den Strom, der bei geschlossenem Schalter
15' durch die Primärwicklung des Transformators 12 fließt. Durch die bei i i und
i i' eingespannten Werkstücke fließt also praktisch auch kein Strom. Durch Niederdrücken
des Druckknopfes 35 wird das Solenoid 37 erregt, wodurch sich die Kontakte 32 und
38 schließen. Hierdurch wird bewirkt, daß das Solenoid 37 auch nach dem Wiederoffnen
-des Druckknopfes 35 erregt-bleibt. Durch das Schließen des Kontaktes
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liegt das Netz 22 über den Widerstand 3 1 an der Wicklung 2o, und infolge
des sehr schnellen Ansprechens der Maschine I9 wird der Kern 17 der Drossel 16 in
sehr kürzer Zeit vollständig erregt. Der Scheinwiderstand der Wicklung 16' geht
auf Null zurück bzw. auf den Wert, der durch Einstellung des Widerstandes 31 erreicht
werden soll. Es fließt im Stromkreis Io ein Strom. Sobald die Schweißung beendet
ist, entsteht eine große Stromerhöhung im Kreis Io. Das Solenoid 39 wird erregt,
öffnet seinen Kontakt 33 und unterbricht den Steuerstromkreis der Wicklung 2o. Die
Unterbrechung dieses. Stromkreises veranlaßt die Maschine I9, den magnetischen Fluß
im Kern 17 sehr schnell auf Null zu bringen; damit wächst der Scheinwiderstand der-
Wicklung i6'. Der Strom im Lastkreis Io wird unterbrochen, und die verschweißten
Werkstücke können ausgespannt werden.
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Obgleich der angegebene Steuerstromkreis für die Wicklung 2o besonders
gut bei Abbrennschweißmaschinen anwendbar ist, kann natürlich eine solche Steuerung
auch bei anderen Laststromkreisen benutzt werden.
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Obwohl die Drossel 16 im wesentlichen das Ein- und Ausschalten des
Laststromkreises bewirkt, ist nichtsdestoweniger die in der Wicklung 16" und dem
Transformator i2 gespeicherte magnetische Energie, falls die Drossel vollkommen
ungesättigt und im Kreis Io durch Vorhandensein eines hohen Scheinwiderstandes kein
Strom fließt, derart, daß sie eine unerwünschte Lichtbogenbildung verursacht, falls
die Schweißelektroden i i, i i' voneinander getrennt werden. Diese Lichtbögen entstehen
auch am Schalter i5', falls dieser geöffnet wird. In Fig. 2 ist nun eine abgeänderte
Schaltanordnung gemäß der Erfindung dargestellt, in der entsprechende Teile mit
den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. i bezeichnet sind. Ein Relais 42 hat den
Kontakt 43 und wird zur richtigen Zeit selbsttätig erregt, um die Wicklung 14 des
Transformators i2 kurzzuschließen. Hierdurch wird der Stromkreis Io vollständig
entregt, so daß die Elektroden i i und i i' voneinander getrennt werden können,
ohne daß ein Lichtbogen entsteht. In diesem Fall ist es nicht notwendig, einen Schalter
15' wie in Fig. i vorzusehen. Die Ankerrückwirkung der Maschine I9 dient wieder
zum Steuern der Erregung der Wicklung 18 der Drossel 16 wie in Fig. i. Die Maschine
möge wieder durch irgendeinen Motor, der nicht veranschaulicht ist, z. B. durch
den Motor 2i der Fig. i, angetrieben werden. Die Steuerfeldwicklung 2o für die Maschine
i9 ist so angeordnet, daß sie von Gleichstrom über Voll-Weggleichrichter 44 aus
dem Netz 15 erregt wird. Der Kontakt 43 und ein handbetätigter Doppeldruckknopf
45 sind mit der Wicklung 2o beim Überbrücken der Kontakte 4311 bzw. .I511 in Reihe
geschaltet. Der Lastkreis Io ist eingeschaltet infolge des Verschwindens des Scheinwiderstandes
der Wicklung 16' der Drossel 16, wie bereits beschrieben. Der Schalter 45 überbrückt
normalerweise die Kontakte q.56, so daß das Relais 42 parallel zur Wicklung 1.6'
liegt, deren Spannung, falls der Kern 17 ungesättigt ist, ausreicht, um den
Kontakt 43 von dem Kontakt q.311 zu lösen und die Kontakte q.36 zu überbrücken,
die über eine Kurzschlußleitung 46 mit der Wicklung i ¢ des Transformators 12 verbunden
sind.
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Im folgenden sei die Wirkungsweise dieser abgeänderten Schaltung nach
der Erfindung näher erläutert. Die Schaltelemente mögen die in Fig.2 dargestellte
Schaltung einnehmen, und die Maschine I9 möge durch einen Motor angetrieben werden.
In dieser Schaltstellung fließt praktisch kein Strom durch die Wicklung 18 der Drossel
16, da die Wicklung 2o nicht erregt ist. Das Relais 422 ist durch die an der Wicklung
16' liegende Spannung erregt, und der Kontakt 43 überbrückt die Kontakte
436, wodurch die Wicklung 14 kurzgeschlossen ist. Um den Stromkreis Io einzuschalten,
wird der Schalter 45 niedergedrückt, so daß er die Kontakte 4511 überbrückt und
die Kontakte q.56 öffnet. Das Relais 411 wird nunmehr entregt, und der Kontakt 43
öffnet die Kontakte 436 und überbrückt die Kontakte 43a. Die Wicklung 20 ist nunmehr
stromdurchflossen, und der Scheinwiderstand der Wicklung 16' verringert sich sehr
schnell. Wird der Schalter 45 losgelassen, ist der Stromkreis der Wicklung ->o unterbrochen,
und da durch die Wirkung der Maschine I9 eine Entsättigung der Drossel 16 eintritt,
wird der Laststromkreis Io unterbrochen. Zur gleichen Zeit wird das zur Wicklung
16' parallel geschaltete Relais 42 erregt und die Kurzschlußverbindung 46 hergestellt,
so daß die Elektroden i i und i i' voneinander entfernt werden können.