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Wechselstromzeitschalteinrichtung mit synchron bewegten Kontakten
Die Erfindung bezieht sich auf eine Wechselstromzeitschalteinrichtung nach Patent
709656, deren Kontakte beim Unterbrechungsvorgang synchron zur Phase des
zu unterbrechenden Stromes derart gesteuert werden, daß sie sich in der Nähe eines
Stromnullwertes voneinander zu entfernen beginnen, bei der ferner Strom und Spannung
an der Trennstrecke gleichzeitig selbsttätig in der Weise beeinflußt werden, daß
in dem Stromkreis der Trennstrecke Wicklungen oder veränderliche Widerstände (Impedanzen)
eingefügt sind, mit deren Hilfe der Stromverlauf selbsttätig periodisch 'mit dem
Rhythmus des Wechselstromes so verzerrt wird, daß sich die Augenblickswerte des
Stromes in der Nähe des Stromnulldurcbganges nur langsam ändern, und außerdem gleichzeitig
zusätzlich Kondensatoren, Induktivitäten oder Ohmsche Widerstände oder mehrere dieser
Mittel kombiniert parallel zur Trennstrecke angeordnet sind, über die der an der
Trennstrecke unterbrochene Strom mindestens teilweise derart aufrechterhalten wird,
daß der Spannungsabfall zunächst im wesentlichen an den mit der Trennstrecke in
Reihe liegenden Impedanzen liegt, die Spannung an der Trennstrecke aber nur allmählich
ansteigt. Erfindungsgemäß wird bei einer derartigen Schalteinrichtung die Kontaktschließung
in an sich bekannter Weise durch eine von der Spannung des zu schließenden Stromkreises
und die Kontaktöffnung durch eine von dem zu unterbrechenden Strom erregte elektromagnetische
Einrichtung gesteuert und innerhalb der gleichen Wechselspannungshalbwelle vollzogen,
in der der Steuerbefehl erfolgt. Durch diese Feinsteuerung werden die Schaltzeitpunkte
sowohl beim Einschalten als auch beim Ausschalten im voraus eindeutig festgelegt,
so daß mit der erfindungsgemäßen Schalteinrichtung genau begrenzte Strommengen häufig
wiederholt kurzzeitig *abgegeben werden können. Derartige Einrichtungen können,
mit einer Grobsteuerun'- durch willkürliche Schaltbefehle versehen, insbesondere
für elektrische Punkt- oder Nahtschweißung verwendet werden und, wie sich .aus Versuchen
ergeben hat,
ohne schädliches Schaltfeuer arbeiten. Sie zeichnen
sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, da an den in metallische Berührung miteinander
kommenden Kontakten im Gegensatz zu gittergesteuerten Entladungsgefäßen, die bekanntlich
bisher für ähnliche Zwecke verwendet wurden, so gut wie gar kein Spannungsabfall
auftritt und Verluste somit im wesentlichen nur von den Hilfseinrichtungen verursacht
werden, jedoch in weit geringerem Maße als beispielsweise bei umlaufenden Schweißumformern.
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In der Zeichnung ist in Fig. i ein Schweißumformer als Ausführungsbeispiel
.der Erfindung schematisch dargestellt. Fig%2 dient zur Erläuterung besonderer Einzelheiten
im Verlauf der Stromkurve in der Nähe eines Stromnulldurchganges. Die Fig. 3 und
d. zeigen Kurven der der Einrichtung, z. B. zu Schweißzwecken entnommenen Stromstöße.
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In Fig. i bezeichnet i i ein Einphasenwechselstromnetz, an das die
einphasige Schalteinrichtung angeschlossen ist. Die Unterbrechungsstelle der Schalteinrichtung
ist mit 15 bezeichnet. Es ist natürlich ohne weiteres möglich, durch Vervielfachung
eine Dreiphasenschaltung zu erhalten, die an ein Drehstromnetz angeschlossen werden
kann.
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In Reihe mit der Unterbrechungsstelle 15 liegt eine sogenannte Schaltdrossel
13. Das ist eine mit ferromagnetischem Material, beispielsweise einem geschlossenen
Eisenkern 13" verkettete Wicklung 13a, bei welcher das ferromagnetische Material
nur bei kleinen, in der Nähe des Stromnulldurchganges auftretenden Stromwerten ungesättigt,
bei höheren Stromwerten jedoch gesättigt ist. Durch die Entsättigung wird die Stromänderung
jedesmal vorübergehend verzögert und so eine periodische Verzerrung des Stromverlaufes
im Sinne einer Abflachung der Stromkurv e hervorgerufen. Die abgeflachten Stromkurventeile
werden als stromarme Pausen bezeichnet, weil der Strom während ihrer Dauer einen
vernachlässigbar kleinen Wert hat. Die Stromunterbrechung kann daher während einer
stromarmen Pause unter erleichterten Bedingungen erfolgen. Die Schaltdrossel
13
besitzt eine an ein Gleichstromnetz. angeschlossene Vorerregerivicklung
13b. Durch Veränderung der Vormagnetisierung kann der Verlauf des
Magnetisierungszustandes der Schaltdrossel willkürlich gesteuert und damit die Strommenge
geregelt werden, die innerhalb einer Halbwelle über die Kontaktstellen 15 fließt.
Parallel zur Unterbrechungsstelle ist ein Strompfad, bestehend aus einem Kondensator
16 und einem Widerstand 17, geschaltet. Dieser Parallelpfad kann durch Hinzunahme
weiterer Einrichtungen, beispielsweise zusätzlicher Ohmscher Widerstände, synchron
gesteuerter Hilfsschalter, Hilfsentladungsstrecken oder zusätzlicher Hilfsschaltdro,sseln,
noch genauer abgestimmt werden, derart, daß nicht nur die Öffnung sondern auch die
Schließung der Unterbrechungseinrichtung 15 bei verschieden hohen Belastungen
nahezu strom- und spannungslos und somit vollkommen funkenfrei vor sich gehen kann.
In den Stromkreis der Unterbrechungsstrecke ist ferner die Primärwicklung eines
Transformators 18 eingeschaltet, an dessen Sekundärwicklung der eigentliche Schweißstromkreis
mit den Schweißelektroden iga und 19b angeschlossen ist.
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Die übrigen in der Fig. i dargestellten Einrichtungen dienen zur Steuerung
des Antriebes der Unterbrechungseinrichtung 15. Dieser Antrieb ist beispielsweise
als polarisierter elektromagnetischer Antrieb gedacht und schematisch dargestellt.
Er ist mit 3 hezeichnet.
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Statt dessen kann auch ein Druckiuftantrieb vorgesehen sein, bei welchem
die Ventile für die Zufuhr der Druckluft von gleichen oder ähnlichen Organen gesteuert
tverden Zvie in dem bezeichneten Beispiel der elektromagnetische Antrieb 15.
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Die Steuereinrichtung besteht im wesentlichen aus der Hilfsschaltdrossel
d., welche über das gittergesteuerte Entladungsrohr 2 das selbsttätige Einschalten
in Abhängigkeit vom Spannungsverlauf steuert, und der Hilfsschaltdrossel 1d., welche
über das gittergesteuerte Entladungsrohr 12 das Ausschalten in Abhängigkeit vom
Stromverlauf steuert.
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Die Hilfssehaltdrossel q., deren Eisenkern ähnliche Eigenschaften
hat wie der Kern der Hauptschaltdrossel 13, besitzt eine Prima rwicklung q.a und
eine Sekundärwicklung 4b. Die Primärwicklung 4, ist über eine Drosselspule 6 an
das Speisenetz i i angeschlossen. Die Sekundärwicklung liegt über einen Gleichrichter
8 und einen Kondensator 7 sowie über den Schalter ioa an einem Widerstand 23. Dieser
Widerstand liegt andererseits über einen weiteren Widerstand 2q. am Gitter des Rohres
2 und ist über eine Hilfsbatterie 25 mit der Kathode des Rohres verbunden. Parallel
zu dem Kondensator 7 ist in Reihe mit dem Widerstand 23 ein einstellbarer Entladungswiderstand
5 angeordnet.
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Die Anode des Entladungsrohres 2 liegt über einen Strombegrenzungswiderstand
21 an einer Phase des Speisenetzes i i. Von der Kathode führt die Leitung zur elektromagnetischen
Steuereinrichtung 3 und von da über einen Kondensator g zur anderen Phase des Speisenetzes.
Parallel zur Steuereinrichtung 3 und dem Kondensator g ist das zweite Entladungsrohr
12 geschaltet, dessen Anode über einen Strombegrenzungswiderstand 22
an
die Verbindung zwischen der Kathode des Rohres 2 und der elektromagnetischen Steuereinrichtung
3 angeschlossen ist, während die Kathode des Rohres 12 an der Phase des Speisenetzes
liegt. Der Gitterkreis des Rohres 12 führt über die Hilfswiderstände 26 und 27 und
über die Heizbatterie 28 zur Kathode. Parallel zum Widerstand 26 liegt über -den
Schalter lob die Sekundärspule 14b der Schaltdrossel 14, deren Primärwicklung 14,
in Reihe mit der Hauptunterbrechungsstrecke 15 geschaltet ist. Sie wird mittels
einer dritten Spule 14, aus einer Gleichstromquelle vorerregt, und zwar so hoch,
daß sie sich bei fallendem Strom früher entsättigt als die Hauptsohaltdrossel 13.
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Die Wirkungsweise der Steuereinrichtung ist nun folgende: Die Hilfsschaltdrossel4
wird mit Netzfrequenz erregt und so in der Selz-urrdärwicklung 4b eine Spannung
induziert. Wird nun der Schalter iod geschlossen, so fließt durch die beiden Wicklungen
4" und 4b ein Strom, aber nur in einer Richtung, die durch den Gleichrichter 8 bestimmt
ist, der .die nächste Halbwelle von entgegengesetzter Richtung sperrt. Der Strom
in der Spule 4a= eilt der Spannung des Netzes i i um annähernd go° nach, da der
Stromkreis infolge der zusätzlichen Induktivität 6 im wesentlichen induktiven Widerstand
besitzt. Der Strom geht also etwa in dem Augenblick durch Null, in welchem die Spannung
ihren maximalen Wert erreicht. Außerdem weicht der Stromverlauf in der Nähe dieses
Stromnülldurchganges von der Sinusform stark ah, da sich die Drossel 4, wie erwähnt,
bei kleinen Stromwerten plötzlich entsättigt. Die hierbei eintretende Feldänderung
ruft in dem Stromkreis der Sekundärspule einen Spannungsstoß hervor, durch den ,der
Kondensator 7 aufgeladen wird. Der hierbei durch den Widerstand 23 fließende Strom
ruft in diesem einen Spannungsabfall hervor, welcher die von der Batterie 25 am
Gitter des Entladungsrohres 2 hervorgerufene Sperrspannung so weit aufhebt, daß
das Rohr anspricht. Es setzt also in dem Augenblick, wo die Spannung am Netz i i
ihren maximalen Wert hat, ein Stromfluß über das Entladungsrohr 2 ein, durch welchen
der Kondensator 9 aufgeladen und -gleichzeitig die Spule 3 erregt wird. Infolgedessen
wird der Schalter 15 geschlossen. Der Hauptstrom fließt dann durch den Transformator
18, dessen Sekundärwicklung die Schweißelektroden speist.
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Der Hilfsschalter ioa muß wieder geöffnet' werden, damit der Kondensator
7 nicht bei der übernächsten Halbwelle wieder aufgeladen wird, bevor er Zeit gehabt
hat, sich zu entladen. Das Letztere geschieht über den Widerstand 5, der zu diesem
Zwecke einstellbar ist, -damit die Entladungszeit der gewünschten Schaltfolge angepaßt
werden kann.
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Wird der Schalter lob geschlossen, so entsättigt sich die Hilfsschaltdrossel
14 bei der Annäherung des Hauptstromes an den nächsten Stromnulldurchgang und ruft
dadurch in den von der Wicklung 14b und dem Widerstand 26 gebildeten Stromkreis
einen kurzzeitigen Stromfluß hervor, der die von der Batterie 27 am Gitter des Entladungsrohres
t2 hervorgerufene Sperrspannung aufhebt. Dann entlädt sich der Kondensator g über
das Entladungsrohr 12 und erregt dabei das polarisierte Relais 3 in umgekehrter
Richtung wie beim Einschalter, so daß der Schalter 15 geöffnet wird. Das geschieht
im gleichen Augenblick, während sich die Hauptschaltdrossel 13 gerade entsättigt,
so, daß der Strom im Hauptstromkreis verschwindend klein ist und bis zum Nulldurchgang
ganz flach verläuft. Dieser Teil der Stromkurve ist beispielsweise in zig. 2 in
Abhängigkeit von der Zeit t dargestellt. Darin tritt während der Zeit T1 die von
der Hilfsschaltdrossel 14 verursachte Stromstufe auf, und T= ist die von der Hauptschaltdrossel
13 hervorgerufene stromschwache Pause. Da gleichzeitig der Blindwiderstand der Hauptschaltdrossel
13 sehr groß ist, so tritt, während,derSchalter 15 geöffnet wird, der Hauptteil
der Spannung an der Schaltdrossel auf, die Spannung an der Unterbrechungsstrecke
ist dagegen praktisch Null, so daß bei der Unterbrechung kein Schaltfeuer auftritt.
Nach her Unterbrechung steigt die Spannung an der Unterbrechungsstrecke erst allmählich
wieder an.
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Die Schalter ioa und lob werden vorteilhaft auf einem umlaufenden
Kontaktträger angeordnet, so, daß eine regelmäßige Schaltfolge erzielt wird. Gleichgültig,
wann 'von diesen Schaltern der Schaltbefehl gegeben wird, erfolgt die Ausführung
selbsttätig stets so, daß der Schalter 15 etwa im Spannungsmaximum geschlossen und
in der Nähe des Stromnulldurchganges während der stromarmen Pause geöffnet wird,
so daß die in der Zwischenzeit fließende Strommenge genau definiert ist. Das Abbild
einer derartigen Stromkurve in Abhängigkeit von der Zeit t ist beispielsweise in
Fig. 3 dargestellt. Die umlaufende Befehlsschaltwalze kann verschiedene Arbeitsstellungen
mit verschieden bemessener Kontaktfolge erhalten, so daß mit der Verstellung der
Kontaktwalze die Dauer und damit die Größe der einzelnen Schweißströme geregelt
werden kann.
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Bei Anschluß an Mehrphasenstrom braucht man nur die gezeichnete Schaltung
sinngemäß zu vervielfachen. Die Befehlskontakte werden dann vorteilhaft in regelmäßiger
Folge synthron
mit dem speisenden mehrphasigen Strom derart angetrieben,
daß der auf der Verbraucherseite entnommene Strom ein Gleichstrom ist, wie Fig.4
zeigt, in der ebenfalls der Stromverlauf, und zwar für drei Phasen, abhängig von
der Zeit dargestellt ist.
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Wegen der geringen Verluste ist die erfindungsgemäße Schalteinrichtung
gut dazu geeignet, auf der Niederspannungsseite eines Schweißtransformators eingeschaltet
zu werden, ohne daß unverhältnismäßig hohe Verluste entstehen, wie beispielsweise
bei einem gittergesteuerten Quecksilberentladungsgefäß, dessen Spannungsabfall größer
ist als die Spannung eines normalen Schweißstromkreises.