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Phasenwinkelmesser
Die Erfindung betrifft eine einfache Einrichtung
zur Bestimmung des Phasenwinkels zwischen zwei Wechselströmen oder zwischen Strom
und Spannung eines Wechselstromkreises, vorzugsweise zum Zwecke, die Synchronlage
des Einschaltzeitpunktes eines Schweißstromkreises für ein Widerstandsschweißgerät
mit gittergesteuerten Entladungsgefäßen oder mit elektromagnetisch gesteuerten mechanischen
Kontakteinrichtungen festzulegen. Hier treten erhebliche, insbesondere beim Nahtschweißen
störende Einschaltüberströme auf, wenn der Einschaltzeitpunkt von demjenigen Punkt
der Spannungskurve, bei welchem der Schweißstrom in eingeschwungenem Zustand durch
Null geht, wesentlich abweicht. Vor der Aufnahme des Schweißbetriebes ist daher
eine dementsprechende Einstellung des Einschaltzeitpunktes gegenüber der Phasenlage
der Wechselspannung erforderlich, welche die Kenntnis des Phasenwinkels zwischen
Strom und Spannung des Schweißstromkreises voraussetzt.
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Die Erfindung beruht auf der Anwendung der Erkenntnis, daß der Nulldurchgang
eines phasenverschobenen Wechselstromes, der einen Sättigungswandler erregt, durch
einen von dem letzteren infolge seiner Entsättigung ausgesandten elektrischen Impuls
markiert wird. Erfindungsgemäß enthält der Phasenwinkelmesser zwei Sättigungswandler,
von denen jeder in einem von zwei miteinander zu vergleichenden Stromkreisen angeordnet
und deren Sekundärkreis an ein Anzeige- oder Auslösegerät angeschlossen ist, das
auf die von den Sättigungswandlern infolge ihrer Entsättigung in der Nähe des Nulldurchganges
ihres Erregerstromes ausgesandten Impulse anspricht.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt. In einem Strom-
kreis I mit einem Verbraucher II ist
ein-Sättigungswandler 12 angeordnet. Ein von derselben Spannung gespeister Hilfsstromkreis
II enthält einen Wirkwiderstand I3, einen gegebenenfalls regelbaren Blindwiderstand
14 und einen Sättigungswandler 15. Der Phasenwinkel des Hilfsstromkreises sei bekannt
und kann z. B. mittels eines mit der Regeleinrichtung gekuppelten und über einer
Skala beweglichen Zeigers I6 abgelesen werden. Die beiden Sättigungswandler 12 und
15 können z. B. einen gemeinsamen Sekundärstromkreis haben, in welchem eine Lampe,
vorzugsweise eine Glimmlampe 17, mit Vorschaltwiderstand 18 angeordnet ist. Die
Sekundärwicklungen der Sättigungswandler können gegeneinandergeschaltet und ihre
Windungszahlen so abgestimmt sein, daß die Impulsspannung in dem Bereich des Phasenwinkels
des Stromkreises 1 höher ist als die Ansprechspannung der Glimmlampe. Dann leuchtet
die Glimmlampe bei jedem Stromnulldurchgang auf, solange der Phasenwinkel des Stromkreises
II von demjenigen des Stromkreises 1 verschieden ist, weil in dem Zeitpunkt, wo
sich der Wandler 12 entsättigt, der Wandler I5 gesättigt ist. Wenn der Phasenwinkel
des Hilfsstromkreises II gleichfalls in dem Bereich liegt, wo die Impulsspannung
höher ist als die Ansprechspannung der Glimmlampe, so leuchtet diese auch bei jedem
Stromnulldurchgang im Hilfsstromkreis II auf.
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Wird nun z. B. die Größe des Blindwiderstandes I4 geregelt, so ändert
sich die Phasenlage des Stromes im Hilfsstromkreis II und damit die Phasenlage der
vom Sättigungswandler I5 erzeugten Impulse. Sobald deren Phasenlage gleich der Phasenlage
der von dem Sättigungswandler 12 entsandten Impulse wird, erhält, vorausgesetzt,
daß Form und Größe der von den beiden Sättigungswandlern erzeugten Impulse annähernd
übereinstimmen, die Anzeigelampe I7 keine Spannung mehr. Ihr Dunkelbleiben kennzeichnet
also Gleichheit des Phasenwinkels in den beiden Stromkreisen I und II.
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Der Zeiger 16 gibt mithin in dieser Stellung den Phasenwinkel des
Stromes in demzumessenden Stromkreis I gegenüber der Spannung an. Auf der Anzeigeskala
können auch der Kosinus, Sinus oder Tangens des Phasenwinkels aufgetragen sein.
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Die Spannungsimpulse können bei Verwendung geeigneten magnetischen
Werkstoffes für die Sättigungswan dler (Ringbandkerne aus dünn gewalztem legiertem
Eisen mit magnetischer Vorzugsrichtung) außerordentlich scharf ausgeprägt sein,
so daß bei geeigneter Bemessung des Blindwiderstandes 14 eine sehr genaue Ablesung
möglich ist.
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Zu der erwähnten Voraussetzung, daß die Spannungsimpulse der beiden
Sättigungswandler bei Phasengleichheit in beiden Stromkreisen annähernd gleiche
Form und Amplitude haben, ist folgendes zu sagen: Wird eine Glimmlampe mit Vorwiderstand
verwendet, so wird der Widerstandswert der Bürde im allgemeinen gegenüber dem auf
gleiche Windungszahl bezogenen Widerstandswert der Primärkreise der Sättigungswandler
so hoch sein, daß die Wandler während ihrer Ummagnetisierung in ungesättigtem Zustand
als sekundär offen betrachtet werden können. Aus Bemessungsgründen werden häufig
zwar die Übersetzungsverhältnisse der beiden Wandler gleich sein, ihre Windungszahlen
aber voneinander abweichen. Es werden dann bei beiden gleiche Ummagnetisierungszeiten
erreicht, wenn sich die Eisenquerschnitte umgekehrt wie die Windungszahlen verhalten.
Bei gleichem Kernwerkstoff ergibt sich daraus ein gleicher Verlauf der sekundären
Spannungsstöße. Da die Wirbelströme wie eine sekundär parallel geschaltete Bürde
wirken, sind vorzugsweise feinlamellierte Eisenkerne zu verwenden.
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Statt der beschriebenen Dunkelschaltung des gemeinsamen Sekundäilcreises
der Sättigungswandler kann auch eine Hellschaltung angewendet werden, derart, daß
sich die von den beiden Wandlern entsandten Impulse bei Phasengleichheit gegenseitig
verstärken und die Windungszahlen so abgestimmt sind, daß die Impulsspannung eines
Sättigungswandlers allein unterhalb der Ansprechspannung der Glimmlampe bleibt,
diese Ansprechspannung jedoch beim seitlichen Zusammenfallen der Impulse von der
resultierenden Impulsspannung überschritten wird.
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In diesem Fall wird die Gleichheit des Phasenwinkels in den beiden
Stromkreisen I und II und mithin der an der Zeigerskala abzulesende Wert durch das
Aufleuchten der Anzeigelampe 17 gekennzeichnet.
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Durch die Abweichung des Magnetisierungsstromes der Sättigungswandler
von Null ergibt sich ein gewisser Winkelfehler bei Impulsb eginn. Ohne zusätzliche
Mittel, d. h. z. B. allein durch Verwendung von Eisen mit möglichst kleiner Koerzitivkraft
und durch eine möglichst hohe Primärwindungszahl des Sättigungswandlers, kann der
Winkelfehler im Stromkreis I im allgemeinen kleiner als I° el. gehalten werden.
Der Winkelfehler des Kilfsstromlrreises II kann für eine gegebene Primärspannung
in der Eichung des Phasenwinkelmessers berücksichtigt werden. Durch eine geeignete
Vormagnetisierung kann der Winkelfehler praktisch vollständig vermieden werden,
indem der Magnetisierungsstrom des Sättigungswandlers vollständig oder annähernd
kompensiert wird.
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Bei den eingangs erwähnten Widerstandsschweißmaschinen kann eine
nach der Erfindung ausgebildete Zusatzeinrichtung die vor dem eigentlichen Schweißbetrieb
erforderliche Einstellung der Phasenlage der Einschaltzeitpunkte erleichtern. Besonders
vorteilhaft ist dies für den Fall, daß die Schaltung der Schweißmaschine bereits
den Kreis II und den Wandler I5, unter Umständen auch den Wandler 12 enthält, z.
B. zur Steuerung von Haltemagneten, die ein mechanisches Schaltgerät zum Schließen
und Öffnen des Schwei ßstromkreises betätigen. Die Haltemagnete können hierbei mit
besonderem Vorteil als sogenannte Sperrmagnete ausgebildet sein, indem ihre Auslösewicklungen
in Durchbrechungen des Schenkeleisens angeordnet sind zu dem Zweck, den Haltefluß
durch Sättigung eines beschränkten Teiles seiner Bahn zu sperren bzw. vom Halteanker
abzudrängen (vgl. z. B. einen eigenen früheren Vorschlag). Hier und in ähnlichen
Anordnungen erfordert die Erfindung nur wenige billige zusätzliche Teile.
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Die Erfindung ist jedoch in ihrer Anwendung nicht auf Schweißtakter
beschränkt, sondern sie kann mit Vorteil auch allgemein zur Bestimmung des Winkels
zwischen den Nulldurchgängen zweier Ströme benutzt
werden, welche
durch die verschiedensten elektrischen oder mechanischen Vorgänge bestimmt sein
können.
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Hierbei kann auch ein Auslösegerät, z. B. mit einem Haltemagnet, insbesondere
Sperrmagnet, statt der Lampe 17 zur Kennzeichnung der Phasengleichheit verwendet
werden. Die Erfindung ist auch nicht an eine Abgleichung von Haupt- und Hilfsstromkreis
gebunden, sondern es kann auch eine unmittelbare Anzeige herbeigeführt werden. So
kann z. B. mit zwei Glimmröhren, deren jede von einem der beiden Sättigungswandler
gespeist wird, der Winkelabstand optisch ermittelt werden, indem vor den beiden
Röhren eine stroboskopische Scheibe, beispielsweise eine Schlitzscheibe, synchron
mit der Frequenz der Wechselspannung umläuft. Unter Umständen kann auch ein Stroboskop
mit einer einzigen Glimmröhre, die in einem gemeinsamen Sekundärkreis der beiden
Sättigungswandler liegt, zur Anzeige verwendet werden.