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Schaltanordnung für Widerstandsschweißmaschinen Für den Fall, daß
eine unterbrochen arbeitende Last an ein Wechselstromnetz angeschlossen wird und
die Last oder die dazugehörigen Übertragungseinrichtungen Induktivitäten enthalten,
verursachen die Einschaltvorgänge und die Unterbrechungen niedrige Leistungsfaktoren
in dem speisenden Netz. Eine der derzeitigen Begrenzungen bei WilderstandsschweißmascJhinen
sowohl in Größe als auch in Zahl ist der große intermittierende KVA Bedarf bei niedrigem
Leistungsfaktor, der für das Netz eine große Last darstellt sowohl bezüglich der
Regelung als auch. der Kapazität der Stromerzeuger. Es entstehen beim Einschalten
große unzulässige Stromstöße, die bei den am Netz liegenden Glühlampen ein Flackern
des Lichts verursachen. In manchen Gegenden können die Elektrizitätswerke keine
großen Widerstandsschweißmaschinen mit Strom beliefern infolge der geringen Einnahmen
trotz erforderlicher hoher installierter Kapazität bzw. infolge der dadurch hervorgerufenen
großen Spannungsschwankungen im Netz. Ein großer Teil der Schwierigkeiten der Elektrizitätsgesellschaften
könnte ausgeschaltet werden,
falls der Leistungsfaktor sich einem
festgesetzten günstigen Wert näherte, so daß die Gesellschaften lediglich die Wirkkomponente
der Last zu liefern hätten. Die in diese Richtung gehenden Versuche zur Verbesserung
des Leistungsfaktors sind seit langem bekannt, und verschiedene Einrichtungen sind
vorgeschlagen worden, die die Aufgabe haben, den niedrigen Leistungsfaktor zu verbessern
und die unzulässigen Einschaltstromstöße zu verhindern. So sind z. B. lebenschlußkapazitäten
in Verbindung mit Konstantlast erfolgreich verwendet worden. Jedoch ist bei Widerstandsschweißmaschinen
das Problem der Verbesserung des Leistungsfaktors in 'Vergleich mit den normalen
Problemen zur Verbesserung des Leistungsfaktors außergewöhnlich schwierig, und zwar
deshalb. weil die Last im höchsten Grad intermittierend arbeitet. Die Größe des
Einschaltstromstoßes bei Parallelkondensatoren ist zu der Zeit, in der die Schweißmaschine
belastet ist, ein Vielfaches des normalen Schweißstromes und hängt von dem Phasenwinkel
der Einschaltung des Stromkreises ab. Es ist deshalb schon vorgeschlagen worden,
den Anfangsladestromstoß durch vorheriges Aufladen der Parallelkapazität auszuschalten.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltanordnung für Widerstandsschweißmaschinen
und besteht darin, daß zwei mit -dem letz synchron arbeitende Schalter- bzw. Steuervorrichtengen
vorgesehen sind und die eine mit der Schweißmaschine, die andere mit einer zur Schweißmaschine
parallel geschalteten Kapazität in Reihe geschaltet ist, und daß der Schalter für
die Kapazität stets im -Nullpunkt der Spannungswelle, der Schalter für die Schweißmaschine
stets im Nullpunkt der Stromwelle arbeitet.
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Es ist vorteilhaft, eine veränderbare Kapazität zu verwenden und weiterhin
die Phasennacheilung des Stromnullpunktschalters auf den Leistungsfaktor der Last
einstellbar zu machen.
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Die beiden -Schalter -werden zweckmäßig durch einen Synchronmotor
über ein Getriebe mit veränderbarer Geschwindigkeit angetrieben und ihre Schaltzeiten
veränderbar gemacht. Die Schalter sind vorteilhaft als Walzenschalter ausgebildet.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind im folgenden beschrieben.
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In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise veranschaulicht,
und zwar zeigt Fig. i die Schaltanordnung nach der Erfindung, Fig. 2 und 3 Betriebskurven
der in Fig. i dargestellten Schaltanordnung.
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Der Schweißstromkreis i wird beispiels-< <weise über eine Röhrensteuereinrichtung
von dem Wechselspannungsnetz 2 gespeist. Der Transformator 3 liefert den Schweißstrom.
Die Prirnär@vicl-zlung d. des Transformators 3 ist mit dem N@'echselspannungsnetz2
übereinen synchron mit diesen arbeitenden Schalter verbunden, während die Sekundärwicklung
6 des Transformators 3 im Schweißstromkreis i liegt. Durch die niedrige Spannung
und den großen Strom der Sekundärwicklung 6 erhält die Primärwicklung .a. eine große
Induktivität. Durch diese Induktivität eilt der Strom in der Primärwicklung des
Transformators 3 der Spannung nach, so daß die Maschine mit einem niedrigen Leistungsfaktor,
in Praxis häufig tmter o, 50, arbeitet.
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Zur Verbesserung des Leistungsfaktors der Schweißmaschine ist eine
veränderbare Kapazität; vorgesehen, die parallel zur Primärwickltzng d. des Transformators
3 in Reihe mit einem Synchronschalter 8 liegt. Die Kapazität ; ist derart eingestellt,
daß der kapazitive Blindwiderstand derselben den induktiven Blindwiderstand des
Transformators 3 aufhebt. wodurch das -Netz 2 lediglich eine einfache Widerstandslast
zu speisen hat, da theoretisch der Strom und die Spannung des -Netzes :2 in Phase
sind.
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Da der Schweißstromkreis i nur für einen Teil der Zeit eingeschaltet
ist, würden die -Netzverhältnisse bei dauernder Verbindung der Kapazität 7 mit dem
\ etz 2 nicht verbessert sein. Infolgedessen ist ein Synchronschalter 8 auf derselben
Welle 9 wie der Schalter 5 zur Steuerung der intermittierenden Arbeitsweise des
Schweißstromkreises i vorgesehen. Die Schalter 5 und 8 werden mit dem letZ2 durch
einen Synchronmotor io synchron angetrieben, und zwar über ein Getriebe i i mit
veränderbarer Geschwindigkeit. Der Schalter 8 besteht aus einem Rotor 12 aus Isolierwerkstoff
mit einem leitenden Segment 13. Der Rotor 12 ist auf der Welle 9 befestigt
und trägt einen Schleifring i4., der elektrisch mit dem Segment 13 verbunden
ist. Die Bürsten 15 und 16 schließen den Stromkreis über den Schalter B.
Die Bürste 15 schleift auf dem Umfang des Rotors 12, während die Bürste 16 mit dem
Schleifring 14 in Berührung ist. Der Schalter 5 ist ähnlich wie der Schalter 8 aufgebaut.
Er besitzt einen Rotor 17, der ebenfalls fest auf der Welle 9 sitzt und aus Isolierwerkstoff
mit einem leitenden Segment iS besteht. Das Segment 18 ist bezüglich der Rotoren
17 und 12 verstellbar befestigt. Schrauben i9 halten dieses einstellbare Segment
in der gewünschten Lage. Zur Anzeige der Winkelstellung des Segmentes iS bezfiglich
der Rotoren 12 und 17 ist am Rotor 17 eine Skala 2o angebracht. Der Schalter
5 hat noch einen Schleifring 2 i,
der mit dem Segment i8 elektrisch
verbunden ist. Weiterhin sind Bürsten 22 und 23 vorgesehen. Die Bürste 22 schleift
auf dem Umfang des Rotors 17 und die Bürste 23 auf dem Schleifring :2i. Obgleich
in der Zeichnung nur ein Getriebe mit veränderbarer Geschwindigkeit vorgesehen ist,
durch das der Schweißvorgang gesteuert werden kann, ist es selbstverständlich, daß
auch die Segmente 13 und 18 der Rotoren 12 und 17 in ihrer Winkelausdehnung verändert
werden können, wodurch eine größere Anpassung in bezug auf die Arbeitsweisendes
Stromkreises i erreicht wird. In der Zeichnung sind die Schaltanordnung und die
Kurven für eine besondere Schweißarbeit,dargestellt. E stellt die Spannung des Netzes
2 und, auch die Spannung an der Wicklung q. des. Transformators 3 während des Stromdurchganges
dar. Mit 1, ist der über die Wicklung q. fließende Schweißstrom. bezeichnet.
Aus Fig. 3 ist zu ersehen, daß in dem besonders dargestellten Fall die Schaltanordnung
zum Schweißen für eine Periode ein- und für eine Periode ausgeschaltet ist.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltanordnung nach F'ig.
i wird an Hand der Fig. 2 näher erläutert: E stellt wiederum die Spannung des Netzes
.2 und natürlich auch die Spannung an der Kapazität 7 und an der Wicklung q. des
Transformators 3 dar, bei eingeschalteten Synchronschaltern 5 und 8 - J", stellt
den Schweißstrom dar, der über die Wicklung q. fließt. Mit J, ist der über die Kapazität
7 fließende Strom bezeichnet, während J den Strom veranschaulicht, der von dem Netz
2 geliefert wird. Die Ströme, J, Ju, und J, sind natürlich mit Rücksicht auf die
intermittierende Arbeitsweise des Stromkreises i unterbrochen. Es sei noch vorausgesetzt,
daß als Beispiel das Netz :2 6o Perioden hat, und daß der Motor io mit 36oo Umdrehungen
je Minute umläuft. Das Verhältnis (der Zahnräder in dem Getriebe ist so eingestellt,
daß es mit einem Übersetzungsverhältnis von 2:1 arbeitet. Daher laufen die Schalter
5 und 8 mit i8oo Umdnehungen je Minute um, d. h. es entfällt eine Umdrehung der
Schalter auf zwei Perioden des Netzes 2. Mit Rücksicht auf die gewählte Schweißzeit
zur Erklärung der Arbeitsweise der Erfindung rotieren die Schalter 5 und 8 einmal
bei jeder Schweißzeit. Die Drehrichtung der Schalter 5 und 8 ist in der Fig. i durch
Pfeile angedeutet. Das leitende Seg- !i mnent 13 des Schalters 12 ist so angeordnet,
daß es den Stromkreis mit der Kapazität 7 im Nullpunkt der Spannungswelle früher
schließt, als der Schweißstromkreis i eingeschaltet wird. Durch diese Anordnung
werden die großen Ladeströme der Kapazität auf einen begrenzten Wert herabgesetzt,
wie aus der Gleichung
hervorgeht, wobei C die Größe der Kapazität 7 und
die zeitliche Änderung der Spannungswelle: F_ der Fig.2 darstellen.
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Das Schließen im Nullpunkt der Spannungswelle E begrenzt
und daher ergibt sich der geringe Ladestrom für den Kondensator 7. Beim Einschalten
in einem anderen Augenblick würde der Ladestrom unbegrenzt groß werden (lediglich
"durch den Scheinwiderstand des Netzes begrenzt), wodurch ernste Störungen und an
den im Netz liegenden Lampen ein unerwünschtes Flackern des Lichtes entstehen würden.
Demzufolge ist der Schalter 8 so angeordnet, daß der Stromkreis der Kapazität im
Nullpunkt der Spannungswe,llen des Netzes :2 geschlossen wird. Es sei nun noch vorausgesetzt,
daß beispielsweise die Schweißmaschine mit einem Leistungsfaktor von 0,50
arbeitet:. Demzufolge eilt der Schweißstrom der Spannung um 6o elektrische Grade
nach. Demzufolge macht 6o elektrische Grade nach dem Anlegen der Kapazität 7 an
das Netz 2 das Segment 18 des Schalters 5 mittels der Bürste 22 Kontakt, wodurch
der Schweißstromkreis imnNullpunkt der Schweißstromkurve, wie es dem stationären
Zustand entspricht, geschlossen wird:. Die Zeit des Schließens des kapazitiven Stromkreises
über Schalter 8 wird durch to in Fig. 2 dargestellt, während 6o elektrische
Grade später zur Zeit t1 der Schweißstromkreis über Schalter 5 geschlossen wird.
Der Schweißstromkreis bleibt für eine Periode geschlossen, wonach der Kontakt i8
den Kontakt mit der Bürste 22 zur Zeit t2 aufhebt. Der Schweißstromkreis wird im
Nullpunkt des Stromes geöffnet. i2o elektrische Grade später oder im nächsten Nullpunkt
der Spannungswelle wird zur Zeit t3 der Schalter 8 für die Kapazität geöffnet. Das
Segment 18 des Schalters 5 muß natürlich bezüglich des Schalters 8 eingestellt sein,
und (diese Einstellung hängt von dem Leistungsfaktor des Schweißstromkreises ab.
Nachdem der Schweißstromkreis für eine Periode geöffnet gewesen ist, wiederholt
sich der Vorgang mit der Kapazität, so da:ß diese im Nullpunkt der Spannungswelle
wieder an das Netz angeschlossen wird. Danach folgt die Speisung der Schweißmaschine
im Verhältnis zu dem Phasenverschiebungswinkel. Durch diese Anordnung wird der Leistungsfaktor
der Schweißmaschine wesentlich verbessert und werden die unerwünschten Einschaltstromstöße
ausgeschaltet bzw. erniedrigt, ohne daß, eine umständliche Voraufladung des Kondensators
erfolgt. Natürlich kann die erfindungsgemäße
Schaltanordnung auch
da angewandt werden, wo mit einer Voraufladung der Kapazität gearbeitet wird.
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Die Erfindung ist beispielsweise durch eine Schaltanordnung dargestellt,
in der synchron umlaufende Schalter oder Kontakte verwendet sind. Diese Schalter
können natürlich durch synchron arbeitende, magnetisch in Wirkung gesetzte Kontakte
od. dgl., auch durch elektrische Entladungsgefäße ersetzt werden. Es sind natürlich
auch Veränderungen von wenigen Graden in der Arbeitsweise der Schalter 5 und S zulässig,
da der Ladestrom in dem Augenblick des Schließens des Schalters der Spannungsordinate
proportional ist. Die Erfindung ist natürlich nicht auf das beschriebene Anwendungsbeispiel
beschränkt und kann daher sinngemäß auch bei anderweitiger Arbeitsweise angewendet
werden.