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Einrichtung zur Regelung der Ankerstromstärke von Gleichstromgeneratoren
für die elektrische Lichtbogenschweißung Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Einrichtung zur Regelung der Ankerstromstärke von Gleichstromgeneratoren für die
elektrische Lichtbogenschweißung, die unmittelbar durch eine Kraftmaschine, insbesondere
durch eine Verbrennungskraftmaschine, angetrieben werden.
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Solche aus Stromerzeuger und Verbrennungskraftmaschine, z. B. Dieselmotor,
bestehenden Maschinensätze werden an Stelle von elektrisch angetriebenen Umformersätzen
dort verwendet, wo kein elektrischer Starkstrom für den Antriebsmotor -des Stromerzeugers
zur Verfügung steht. Bekanntlich arbeitet bei elektrisch angetriebenen Aggregaten
der Stromerzeuger, unabhängig von der eingestellten Belastung, mit praktisch konstanter
Drehzahl, sofern, wie allgemein üblich, als Antriebstnotor ein Drehstromasynchronmotor
oder ein Gleichstromnebenschlußmotor verwendet wird.
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Bei Verbmennungskraftantrieb liegen jedoch in verschiedener Hinsicht
andere Bedingungen vor, die insbesondere durch die geringe überlastbarkeit solcher
Motoren gegeben sind. Bisher war es nun meist üblich, solche Aggregate wie beim
elektrischen Antrieb unabhängig von der eingestellten Belastung mit praktisch konstanter
Drehzahl zu betreiben und die Einstellung einer bestimmten Schweißstromstärke am
Generator vorzunehmen. Bei der Einrichtung nach der Erfindung wird auf die Betriebsbedingungen
des Verbrennungsmotors in der Weise Rücksicht genommen, daß die
Drehzahl
des Motors je nach dem Kraftbedarf des Stromerzeugers, d. h. je nach den gewünschten
Schweißstromstärken eingestellt wird.
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Schweißgeneratoren wurden bisher vielfach für annähernd konstanten
Strom innerhalb eines verhältnismäßig weiten Spannungsbereichs ausgelegt. Die Kennlinie
solcher Generatoren im Stromspannungsdiagramm gleicht etwa der Linie i in Abb. i.
Bei Betriebszuständen mit höherer Lichtbogenspannung als beim Normalzustand A steigt
hierbei die elektrische Leistung N = U # T und damit auch die benötigte
Antriebsleistung an. Die sich ergebenden Leistungswerte N in Abhängigkeit von der
Schweißstromstärke lassen sich angenähert an Hand der eingezeichneten Linien für
N"""St = i und N""st = 2 (HY-perbelkurven) ermitteln.
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Die flachere Kennlinienform 2, die sich durch die besondere Bemessung
von Schweißgeneratoren ergibt, entfernt sich bei steigender Spannung nur wenig von
der Linie N""st = i, während die Kennlinie i bis nahe an lvC"TZsL = 2 herankommt.
Bei Verwendung einer Maschine mit der Kennlinienforin 2 kommt man also mit einer
wesentlich kleineren Antriebsmaschinenleistung als bei der Kurvenform i aus; denn
da der Motor infolge seiner geringen Überlastbarkeit auch für die höchste von ihm
geforderte Leistung, auch wenn diese nur kurzfristig eintritt, vorgesehen werden
muß, so muß derselbe bei der Kennlinienform i für eine Nutzleistung N = 2 bemessen
werden. Vorstehende Betrachtungen sind insofern für die hier behandelte Erfindung
wesentlich, als hier die richtige Anpassung der Motorleistung an die Nenn-Schweißleistung
auch bei veränderlicher Drehzahl berücksichtigt wird.
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Erwähnt sei, daß die Drehzahlveränderung von Schweißgeneratoren zwecks
Stromregelung an sich bekannt ist. Namentlich bei mit Gleichstrommotoren angetriebenen
Aggregaten wurde verschiedentlich vorgeschlagen, die Schweißstromstärke durch Änderung
der Drehzahl des Gleichstrommotors beispielsweise durch Feldschwächung zu regeln.
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Gleichstrommotoren für veränderliche Drehzahl besitzen jedoch bei
allen einstellbaren Drehzahlen, also z. B. zwischen ii, und 112 in Abb. 2, die gleiche
Leistung N"li; denn das stärkere Magnetfeld erzeugt bei niedrigerer Drehzahl n.>
das volle Drehmoment, während bei hoher Drehzahl tzi das geschwächte Feld nur einen
Teil des Drehmoments erzeugt. Dies hat den Nachteil, daß der Antriebsmotor erheblich
überdimensioniert werden muß, da er für die Leistung N""1, bei der kleinen Drehzahl
n. ausgelegt werden muß.
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Verbrennungskraftmotoren haben dagegen eine proportional mit der Drehzahl
an-' steigende Leistungskurve (3 in Abb.2). Erfindungsgemäß soll nun die Verbrennungskraftmaschine
einen Schweißgenerator antreiben, dessen Leistung von der Drehzahl in einem günstigen
Verhältnis zur Drehzahl abhängig ist. Bisher wurden für Schweißzwecke weitgehend
Querfeldgeneratoren ver-
wendet, welche die Eigenschaft haben, eine von der
Drehzahl weitgehend unabhängige Leistung zu entwickeln, etwa nach Kurve d. in Abb.
2. Diese Kurve zeigt, daß bei Verminderung der Drehzahl von ii, auf n2 die Leistung
der Verbrennungskraftmaschine 3 unter 4 sinkt; der Motor wird dann also bei starkem
Drehzahlabfall abgewürgt. Zur Änderung der Leistung bzw. der Schweißstromstärke
durch Heruriterregelung der Drehzahl lassen sich daher Querfel.dmaschinen praktisch
nicht verwenden.
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Gut geeignet ist dagegen ein Generator mit linearer Abhängigkeit der
Leistung von der Drehzahl (Kurve 5 in Abb. 2), die lediglich zur Motorleistung 3
in ein geeignetes Verhältnis zu bringen ist. Eine solche lineare Leistungsabhängigkeit
ist jedoch nur mit umständlichen Zusatzeinrichtungen erzielbar, auf die nicht näher
eingegangen sei. Praktisch gleiche Vorteile bietet aber auch ein Generator mit einer
quadratisch zunehmenden Leistung (Kurve 6 in Abb. 2). Auch hierbei ist in einem
großen Drehzahlbereich, nämlich von iibis ii, ein günstiges Verhältnis von Generatorleistung
zur Motorleistung vorhanden, und die Abhängigkeit der Generatorleistung von der
Drehzahl, also der Differentialquotient
entspricht insofern durchaus den praktischen Anforderungen für eine bequeme Stromregelung,
als die absolute Stromänderung für gleiche Drehzahländerung ii im Bereich niedriger
Leistungen kleiner, die Regelung also feinstufiger als bei höherer Leistung ist.
Nimmt jedoch die Leistung nach einer Funktion höherer Potenz mit der Drehzahl zu,
so wird schließlich die Anwendung der Drehzahlregelung auf einen sehr kleinen Drehzahlbereich
ii, bis it.# beschränkt und die Vorteile, die für den Dieselmotor durch diese Betriebsart
geboten werden, können sich dann praktisch nicht auswirken. Deshalb soll nach der
Erfindung die Leistung von der Drehzahl entweder linear oder höchstens bis zur 3.
Potenz abhängig sein.
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Vorteilhaft ist hierbei .die Verwendung einer sogenannten Streufeldmaschine
als Schweißgenerator, welche 'gleichzeitig die Eigenschaft hat, z. B. beim Zünden
keine plötzlichen, erheblich über der Betriebsleistung liegenden Stöße auf die Antriebsmaschine
weiterzugeben.
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Es ergibt sich damit der große Vorteil, daß
die Nennleistung
der Verbrennungskraftmaschine betriebsmäßig, d. h. bei normalem Schweißbetrieb,
sowohl bei Vollast als auch bei Teillast des Generators günstig_ ausgenützt
wird, während bisher der Antriebsmotor eine mehr oder weniger hohe Reserveleistung
für kurzzeitige Laststöße besitzen müßte. Dieser Vorteil besteht nicht allein darin,
daß man kleinere Motoren als bisher verwenden kann, sondern es ist infolge des besseren
Wirkungsgrades bei Nennbetrieb auch der Brennstoffverbrauch wesentlich geringer.
Hinzu kommt, daß bei Teillastbetrieb die niedrigere Motordrehzahl den Verschleiß
vermindert und dadurch die Lebensdauer des Motors erhöht.
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Wird eine sehr weite Regelung,des Schweißstromes nach unten gewünscht,
so setzt das Absinken der Leerlaufspannung bei niedriger Drehzahl dem Regelverfahren
durch Drehzahlverstellung allein eine Grenze. Um trotzdem kleine Schweißstromstärken
einstellen zu können, wird ein zusätzlicher Arbeitsbereich durch Umschaltung von
Wicklungen im Generator hergestellt, der durch Herunterregeln der Drehzahl die kleinen
Stromstärken einzustellen ermöglicht. Bei Schweißgeneratoren durch Umschaltung von
Spulen o. dgl. verschiedene Regelbereiche für die Schweißströme zu erhalten, ist
an sich bekannt; die eigentliche Stromregelung wurde bisher jedoch bei konstanter
Drehzahl an der Maschine selbst vorgenommen.
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Die volle Nennleistung der Verbrennungsmotoren nach Möglichkeit auszunützen,
wird auch beim Antrieb von Schweißmaschinen angestrebt. Es ist zwar durch Verwendung
geeigneter Maschinensysteme gelungen, erheblich über der mittleren Normalleistung
liegende Belastungsstöße während des Betriebs sowie beim Zünden zu vermeiden; aber
der Umstand, daß die zur Konstanthaltung der eingestellten Drehzahl erforderlichen
Hilfsapparate nicht sofort im Augenblick der Zündung dem Motor die erforderlichen
Brennstoffmengen zuführen, hat insbesondere bei Vergasermotoren einen mehr oder
weniger starken vorübergehenden Drehzahlabfall zur Folge. Erst nachdem die Drehzahl
wieder ihren Normalwert erreicht hat, geben Motor und Generator die volle Leistung
ab.
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Bei Einrichtung nach der Erfindung wird dieser Nachteil dadurch beseitigt;
daß die Drosselklappe des Vergasers sofort vor Beginn des eigentlichen Schweißens
mittels einer elektromagnetischen Vorrichtung durch den Kurzschlußstromstoß geöffnet
wird. Der Motor erhält daher unmittelbar nach jedem Kurzschluß im Lichtbogenstromkreis
Vollgas und kann dadurch ohne Drehzahlabfall sofort die volle Leistung abgegeben.
Die magnetische Hilfsvorrichtung zur schnellen Ausregelung der jeweils eingestellten
Schweißstromstärke besteht, wie in Abb. 3 dargestellt; aus einer vom Schweißstrom
durchflossenen Magnetspule 7 mit einem Eisenanker 8, der in die Magnetspule hineingezogen
wird und dadurch unmittelbar -oder mittelbar den Hebel a für die Drosselklappe des
Vergasers z öffnet.
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Eine Besonderheit dieser Hilfsvorrichtung besteht nbch darin, daß
diese nur während der Zündung des Schweißlichtbogens wirkt, während beim Schweißen
selbst der Regler 3 allein die Brennstoffzufuhr regelt, obwohl die Spule 7 weiterhin
eingeschaltet bleibt.
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Dies gelingt dadurch, daß auf Grund des Gesetzes, daß die Anziehungskraft
einer Magnetspule mit dem Quadrat der Stromstärke zunimmt, die Zugkraft so abgestimmt
wird, daß nur die der Zündung vorangehenden Kurzschlußstromstöße die Kraft des Reglerhebels
4 überwinden und den Vergaserhebel z aufdrehen. Diese Abgleichung kann einerseits
durch eine Feder 9, an welcher -der Anker 8 hängt, sowie durch entsprechende Einstellung
der Hebellänge an dem Reglerhebel4 erfolgen. Mittels des Hebels 5 und mit Hilfe
der Skala 6 erfolgt die Einstellung der gewünschten Drehzahl und damit der Schweißstromstärke.
Drehzahlregler für Verbrennungsmotoren, die einerseits die Drehzahl zwischen Leerlauf
und Vollast annähernd konstant halten und andererseits eine Verstellung der sich
einstellenden Lastdrehzahl in weiten Grenzen zulassen, sind an sich bekannt. Auf
die ausführliche Darstellung eines solchen Reglers in der Zeichnung ist daher verzichtet
worden.