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Schaltgerät für elektrische Widerstandsschweißmaschinen Die Erfindung
betrifft ein elektrisches Widerstandsschweißgerät mit elektromagnetisch gesteuerten
Kontakten. Bei einem bekannten Gerät dieser Art wird zur Steuerung des Ein- und
Aasschaltvorganges ein polarisierter Elektromagnet verwendet, dessen eine, für das
Einschalten bestimmte Erregerwicklung mit Hilfe eines Sättigungswandlers, der an
der Spannung des zu schließenden Stromkreises liegt, und dessen andere, für das
Ausschalten bestimmte Erregerwicklung mit Hilfe eines mit den Kontakten in Reihe
liegenden Sättigungswandlers erregt wird. Die von den Sättigungswandlern herrührenden
Impulse, die durch ihre Umsättigung beim Richtungswechsel ihrer Erregung hervorgerufen
werden, dienen bei dem bekannten Gerät zur Gittersteuerung von Gasentladungsgefäßen,
mittels deren die Wicklungen des polarisierten Magneten an Spannung gelegt werden.
Diese Verstärkerschaltung ist bei dem bekannten Gerät deswegen gewählt, weil der
Energieinhalt der von den Sättigungswandlern ausgesandten Impulse verhältnismäßig
klein ist, wenn die Sättigungswandler nicht übermäßig groß gemacht werden. Demgegenüber
beruht die vorliegende Erfindung auf dem Gedanken, die von einem Sättigungswandler
ausgesandten Impulse unmittelbar zur Kontaktsteuerung zu verwenden, indem der Steuermagnet
so ausgebildet wird, daß die zu seiner Auslösung und somit zur Kontaktbetätigung
erforderliche Energiemenge so klein
wie möglich gehalten wird, damit
die Steuerwicklung des Magneten unmittelbar an den Sättigungswandler angeschlossen
werden kann. Zu diesem Zweck werden erfindungsgemäß in den Stromkreisen von Warndlerwieklungen
liegende Steuerwicklungen an Magneten, die als Ankerhaltemagneten mit einem Hauptmagnetfeld
gleichbleibender Richtung und einem zwischen der magnetischen Spannungsquelle des
I-Tauptkraftflusses und seinem Anker fabgezweigten, einen Luftspalt enthaltenden
Nebenschluß ausgebildet sind, in der Nachbarschaft des '!Magnetankers angeordnet.
Hieraus ergibt sich als Vorteil eine wesentliche Vereinfachung der Schaltung des
Schweißgerätes bei Verwendung verhältnismäßig kleiner Sättigungswandler.
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Nach der weiteren Erfindung kann die Anordnung noch dadurch verbessert
werden, daß nrindestens ein Teil der Steuerwicklung in Durchbrechungen des Schenkeleisens
des Haltemagneten angeordnet -ist. Hierdurch wird es dem von der Steuerwicklung
erzeugten Hilfskraftfluß ermöglicht, sich in der nächsten Umgebung der Wicklung
innerhalb des Eisens zu schließen und hierbei eine örtliche Sättigung hervorzurufen.
Der Hauptkraftfluß wird dadurch vom Anker ab- und in die über den magnetischen Nebenschluß
verlaufende Bahn gedrängt. Da mithin der Betrag des Hauptkraftflusses wenigstens
im ersten Augenblick kaum vermindert wird, so kann der Haltemagnet auf einen verhältnismäßig
geringen, vom Sättigungswandler kommenden Impuls sehr'schnell ansprechen.
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Ein weiterer Vorteil wird erfindungsgemäß durch eine derartige Anordnung
der Steuerwicklung gewonnen, daß die mit ihr hervorgerufene Gesamterregung keine
längs magnetisierende Komponente hat. Bei den bekannten Haltemagneten mit Gegenmagne-tisierung
besteht nämlich die Gefahr, daß bei übermäßig hoher Gegenmagnetisierun g nicht nur
das Hauptfeld bis zur völligen Aufhebung geschwächt, sondern darüber hinaus ein
Feld entgegengesetzter Richtung, das seinerseits ausreicht, den Anker in angezogener
Stellung festzuhalten, aufgebaut wird. Diese Gefahr ist besonders groß bei einem
durch einen Sättigungswandler gesteuerten Haltemagneten eines Widerstan-dsschweißgerätes.
Hier kann nämlich der vorn Sättigungswandler ausgesandte Impuls je nach der Belastung
des Schweißtransformators verschieden hohe Spitzenwerte erreichen. Bei geschlossenem
Schweißstromkreis hat der Strom den vielfachen Wert desjenigen bei offenem Sekundärkreis
des Schweißtransformators. Der Haltemagnet muß nun so gebaut sein, daß eine Auslösung
auch bei dem geringsten Stromwert, also bei offenem Sekundärkreis, herbeigeführt
wird. Dann vermag bei geschlossenem Schweißstromkreis das von einer vielfach höheren
Impulsspitze in der Steuerwicklung erzeugte Gegenfeld unter Umständen den Anker
festzuhalten, so daß eine Auslösung nicht rechtzeitig zustande kommt und mithin
die Kontakte unter hohem Strom geöffnet, ein Lichtbogen gezogen und die Kontakte
zerstört werden können. Das wird mit Sicherheit vermieden, wenn .die mit der Steuerwicklung
hervorgerufene Gesamterregung keine merkliche längs magnetisierende Komponente hat.
Das ist beispielsweise der Fall, wenn die Durchbrechungen des Schenkeleisens, in
denen die Steuerwicklung liegt, in der Bahn des Hauptkraftflusses hintereinanderliegen.
In diesem Fall wirkt die,Erregung lediglich quer magnetisierend. Die Verdrängung
des Hauptkraftflusses kommt dadurch zustande, daß das von der Steuerwicklung hervorgerufene
Hilfsfeld auf der einen Seite jeder Durchbrechung den Hauptkraftfluß schwächt, auf
der anderen Seite hingegen infolge Sättigung des Eisenquerschnittes keine gleichwertige
Feldverstärkung verursacht. Die Durchbrechungen müssen natürlich vom Ankerluftspalt
so, weit entfernt sein, daß sich in dem Zwischenraum das Hilfsfeld ausbilden kann,
ohne daß dort eine Sättigung zustande kommt, die einen Teil der Kraftlinien des
Hilfsfeldes zwingen würde, in den Anker einzutreten.
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Bei den Magneten ohne längs magnetisierende Komponente der Steuerwicklung
kann also keine Umkehr der Feldrichtung an den f7bertrittstellen in den Anker erfolgen,
sondern nur eine Schwächung bis nahe an den Nullwert. Die Schwächung tritt hierbei
unabhängig von der Stromrichtung in der Steuerwicklung ein. Derartige Magneten sind
also nicht polarisiert.
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Mit der erfindungsgemäßen Anordnung der mit Hilfe von Sättigungswanidlern
erregten Steuerwicklung lassen sich für verschiedene Zwecke verhältnismäßig einfache
Schweißgeräteschaltungen zusammenstellen, von denen einige als Ausführungsbeispiele
der Erfindung in der Zeichnung dargestellt sind.
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Fig. i zeigt eine Schaltung für Stumpfschweißung mit Hilfe eines Schweißtransformators
1o, der aus einem Wechselstromnetz 2o gespeist wird. Die Schalteinrichtung i i enthält.
zwei Geschlossenhaltemagneten 12, die zugleich ruhende Kontaktstücke darstellen,
einen Anker 13, der eine bewegliche Kontaktbrücke bildet und an gespannten Klaviersaitendrähten
14 schwingfähig aufgehängt ist, und einen dre schenkligen Offenhaltemagneten 15.
Die Hauptkraftflüsse der Magneten können durch Erregung mit Gleichstrom hervorgerufen
werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel rühren sie von Dauermagneten her,
deren Pole mit 1V, S bezeichnet sind. Die Magneten 12 sind seitlich mit Messingplatten
abgedeckt, von denen in der Zeichnung die vorderen weggelassen sind. An den Polschuhen
sind silberne Kontaktleisten angelötet. Auch der Anker 13 ist zwecks guter Kontaktgabe
mit zwei seitlich angelöteten Silberleisten versehen. Die Schenkel der Magneten
12 enthalten Durchbrechungen, in denen die Ausschaltsteuerwicklung rd angeordnet
ist. Diese Wicklung hat keine längs magnetisierende Komponente. Magnetische Nebenschlüsse
17 schützen die Dauermagneten vor einer übermäßigen Verringerung des Hauptkraftflusses.
Sie sind nicht gesättigt, damit sie auch den- über den Anker verlaufenden Teil des
Hauptkraftflusses
bei dessen Verdrängung ohne weiteres aufnehmen. Der Offenhaltemagnet 15 hat ebenfalls
einen Dauermagneten, dazu eine um den mittleren Schenkel herum angeordnete Steuerwicklung
18 und magnetische Nebenschlüsse i9. Die Steuerwicklung 18 wirkt längs magnetisierend.
Sie kann in feldverstärkendem Sinn erregt werden, so daß der Anker 13 vom Magneten
15 angezogen wird. Er wird dort auch nach dem Verschwinden der Erregung festgehalten.
Damit ist die Schalteinrichtung i i betriebsbereit. Die Betriebsbereitschaft kann
natürlich auch durch mechanische Bewegung des Ankers 13 zum Magneten 15 hin erreicht
werden.
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Zur Steuerung der Ankerbewegung dienen an sich bekannte Sättigungswandler,
von denen der eine von der Spannung des speisenden Netzes 2o und der andere von
dem zu unterbrechenden Ström erregt wird. Der Einschaltwandler hat eine Primärwicklung
21, eine Sekundärwicklung 22, an welche die Steuerspule 18 angeschlossen ist, und
eine Vormagnetisierungswicklung 23. Die Primärwicklung 24des Ausschaltwandlers liegt
im Hauptstromkreis; an die Sekundärwicklung 25 ist die Steuerwicklung 16 angeschlossen,
außerdem ist eine VormagnetisierungsWiCklung 26 vorhanden.
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Im Hauptstromkreis liegt ferner eine Schaltdrossel 27, deren Magnetkern
beim Nennstromwert hochgesättigt ist und durch seine Entsättigung in der Nähe des
Stromnullwertes eine stromschwache Pause hervorruft. Damit wird die Stromunterbrechung
erleichtert. Die Schaltdrossel kann auch den Ausschaltwandler 24 mit ersetzen, indem
die Steuerwicklung 16 in den Stromkreis einer Schaltid,rasselwicklung gelegt wird.
Zur Erleichterung der Stromschließung kann eine besondere Einschaltdrossel vorgesehen
sein, ihre Aufgabe kann aber auch von der Schaltdrossel 27 mit übernommen werden.
Eine Vormagnetisierungswicklung 28 liegt in einem Hilfsstromkreis, der auch die
Wicklung 21 enthalten kann und an das Netz 2o angeschlossen ist. Die Amperewindungszahl
der Wicklung 28 ist etwas kleiner gewählt als diejenige der Hauptwicklung 27, so
daß die zur Ummagnetisierung der Schaltdrossel erforderliche Energie von der Vormagnetisierung
aufgebracht wird. Die Phasenlage der Vormagnetisierung wird mittels geeigneter Abstimmung
des Wirk- und Blindwiderstandes des Vormagnetisierungskreises so eingestellt, daß
die Ummagnetisierung der Schaltdrossel bei geöffneten Hauptkontakten jedesmal innerhalb
jeder Spannungshalbwelle zu derjenigen Zeit erfolgt, wo bei geschlossenen Kontakten
der Hauptstrom in eingeschwungenem Zustand den Nullwert erreicht.
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Die Einschaltdrossel (in vorliegendem Fall die Schaltdrossel 27) kann
auch den Einschaltwandler mit ersetzen, indem die Steuerwicklung 18 in den Stromkreis
einer Wicklung dieser Schaltdrossel gelegt wird. Voraussetzung hierfür ist, daß
die Ummagnetisierung der Einschaltdrossel nicht erst gleichzeitig mit der Kontaktschließung
durch den ansteigenden Hauptstrom bewirkt wird, sondern infolge der beschriebenen
Vormagnetisierung schon früher einsetzt. Die Vormagnetisierungswicklungen 23 und
26 der Sättigungswandler können bei geeigneter Wahl der Windungszahlen in einem
gemeinsamen Hilfsstromkreis angeordnet sein. Auch sie sind an das Netz 2o angeschlossen.
Im Stromkreis der Steuerwicklung 16 ist ein Schalter 29 und im Stromkreis der Steuerwicklung
18 ein Schalter 3o angeordnet.
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Die Wirkungsweise dieses Schweißgerätes sei an Hand der Fig. 2 erläutert.
Diese enthält im oberen Teil die Kurven der Netzspannung U und des Vormagnetisierungsstromes
i", der in den Wicklungen 28 und 21 fließt, in Abhängigkeit von der Zeit t und im
unteren Teil die Kurve des Hauptstromes I in Abhängigkeit von der Zeit t. Es ist
angenommen, daß der Strom I gegenüber der Spannung U eine Phasenverschiebung
von etwa 6o° elektrisch aufweist. Im Zeitpunkt t1 werde der Schalter 30 geschlossen.
Darauf erfolgt zunächst nichts, solange .der Einschaltwandler 21 gesättigt ist.
Seeine Vormagnetisierung ist so abgestimmt, daß er umgesättigt wird, kurz bevor
die Schaltdrossel 27 in den ungesättigten Zustand gelangt, beispielsweise zur Zeit
t2. Der hierdurch hervorgerufene Spannungsimpuls treibt einen Stromstoß durch die
Steuerwicklung 18, durch den der Hauptkraftfluß des Haltemagneten 15 vom Anker 13
abgedrängt wird, so daß der Anker abfällt. Er schwingt dann sofort zu dem Haltemagneten
12 hinüber und schließt auf diese Weise den Hauptstromkreis durch Überbrückung der
ruhenden Kontakte im Zeitpunkt t3, wo die Schaltdrossel 27 gerade ungesättigt ist.
Infolgedessen kann der Strom I nicht sofort steil ansteigen, sondern erst nach der
erneuten Sättigung der Schaltdrossel. Der Strom I nimmt nun einen annähernd sinusförmigen
Verlauf, weist jedoch jedesmal in der Nähe des Nullwertes eine abgeflachte Stelle
auf. Der Schalter 30 wird wieder geöffnet.
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Zwecks Beendigung des Schweißvorganges wird der Schalter 29 z. B.
zur Zeit t4 geschlossen. Die Vormagnetisierung des Ausschaltwandlers 24 ist so abgestimmt,
daß er sich im Zeitpunkt t. sättigt und einen Öffnungsimpuls in die Steuerwicklung
16 schickt. Daraufhin wird der Anker 13 losgelassen, und die Kontakte werden im
Zeitpunkt t. während der stromschwachen Pause geöffnet. Der Anker schwingt dann
wieder zum Haltemagneten 15 hinüber und wird dort festgehalten. Soll die Kontaktöffnung
stets nach einer geraden Anzahl von Halbwellen eintreten, so ist in dem Steuerstromkreis
des Geschlossenhaiteniagneten ein Ventil anzuordnen. Beim Offenhaltemagneten ist
das nicht nötig, weil dessen Steuerwicklung 18 längs magnetisierend wirkt und somit
polarisiert ist. Eine Ummagnetisierung dieses Magneten ist im Gegensatz zum Geschlossenhaltemagneten
nicht zu befürchten, weil die Erregerspannung des Einschaltwandlers und damit auch
die Ummagnetisierungsgeschwindigkeit und die Höhe der Impulsspitzen in verhältnismäßig
engen Grenzen festliegt.
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Die Kontakte können durch einen Nebenweg überbrückt sein, der nach
Fig. 3 durch einen
Kondensator 31 und einen Widerstand 32
verkörpert sein kann. Der Nebenweg kann jedesmal nach der Öffnung der Hauptkontakte
mittels eines beispielsweise von der Spannung des Schweißtransformators erregten
Relais unterbrochen werden.
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Fig. 3 zeigt eine weitere Ausbildung des beschriebenen Gerätes zum
Zweck der Punkt- und Nahtschweißung. Für Punktsrhweißung wird der Schalter 29 durch
ein gasgefülltes Entladungsrohr 33 mit Gittersteuerung ersetzt. Am Steuergitter
liegt eine negative Vorspannung, die z. B. mittels eines Hilfstransformators 35
bereitgestellt werden kann. Durch die im Zusammenhang mit Fig. r beschriebene Kontaktschließung
wird ein Kondensator 34 an eine entgegengesetzte, beispielsweise ebenfalls vom Hilfstransformator
35 bereitgestellte Hilfsspannung gelegt und nach Maßgabe der vorzugsweise regelbaren
Zeitkonstante dieses Hilfsstromkreises aufgeladen. Während dieser Zeit fließt der
Schweißstrom für die Punktschweißung. Sobald die Spannung am Kondensator 34 groß
genug geworden ist, wird das Entladungsrohr 33 freigegeben. Der nächstfolgende Impuls,
den der Ausschaltwandler 24 in Durchlaßrichtung des Entladungsrohres 33 gibt, bewirkt
die Auslösung der Haltemagneten 12, so daß sich die Kontakte öffnen.
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Soll für Nahtschweißzwecke auch die Länge der Betriebspausen eindeutig
festgelegt werden, so, kann zusätzlich im Stromkreis der Steuerwicklung 18 ein gasgefülltes
Entladungsrohr 36 mit Gittersteuerung vorgesehen sein, dessen Gitter eine vom Hilfstransformator
35 herrührende negative Vorspannung erhält. Ein weiterer Hilfstransformator 46 wird
beiderseits der Schalteinrichtung angeschlossen, so daß er durch die Spannung an
den geöffneten Kontakten erregt wird. Die Sekundärwicklung des Hilfstransformators
46 dient zur Rufladung eines Kondensators 37 mit vorzugsweise regelbarer Zeitkonstante
des Ladekreises und damit zur Erhöhung der Gitterspannung bis zur Freigabe des Entladungsrohres
36. Sobald dann vom Einschaltwandler der nächste Impuls in Durchlaßrichtung des
Entladungsrohres 36 gegeben wird, gibt der Magnet 15 den Anker 13 zur Kontaktschließung
frei. Schweißabschnitte und Betriebspausen wechseln also in ständig gleichem Rhythmus
ab. Durch Öffnen des Schalters 30 wird der Vorgang beendet.
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Zur Steuerung der Ladekreise der Kondensatoren 34 und 37 können statt
der Hauptkontakte auch zusätzliche Hilfskontakte verwendet werden, die in Abhängigkeit
von der Bewegung der Hauptkontakte, insbesondere synchron mit diesen betätigt werden.
Durch den Anker 13 können z. B. in der Öffnungsstellung der Hauptkontakte Hilfskontakte
überbrückt werden, die ;den Hilfstransformator 46 unmittelbar an die Netzspannung
legen.
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Bei der Anordnung nach Fig.4 sind statt der gasgefüllten Entladungsrohre
veränderliche Induktivitäten verwendet. Sie haben eine Gleichstromvormagnetisierung,
die allmählich ansteigt und dien ursprünglichen Induktivitätswert durch Vorsättigungvermindert.
Durch den ursprünglichen hohen Induktivitätswert werden die Spitzenwerte der vom
Sättigungswandler herrührenden Impulse zunächst so klein gehalten, daß durch sie
der Anker des Haltemagneten nicht zum Abfallen gebracht wird. Die Anstiegsgeschwindigkeit
des V ormagnetisierungsstromeswird durch einen regelbaren Blindwiderstand im Vormagnetisierungskreis
bestimmt. Für Punktschweißung ist nur im Stromkreis der Ausschaltsteuerwicklung
i6. eine veränderliche Induktivität 38 vorgesehen. Ihr Vormagnetisierungskreis kann
z. B. vom Schweißtransformator ro oder von einem in Reihe mit den Kontakten liegenden
Wandlex 39 über eine Gleichrichterano,rdnung gespeist werden und enthält einen regelbaren
Blindwiderstand 40 und einen regelbaren Wirkwiderstand' 41. Damit kann .die Anzahl
von Wechselstromwellen, nach deren Ablauf die Kontakte wieder geöffnet werden, und
mithin die Länge der Schweißzeiten eingestellt werden. Damit die Kontaktöffnung
stets nach einer geraden Anzahl von Halbwellen auf die Kontaktschließung folgt,
wird .im Erregerkreis des Geschlossenhaltemagneten vorteilhiaft 'in Ventil 45 angeordnet.
Die Einsehaltsteuerwieklung 18 kann gemäß Fig. z an die Steuerwicklung 23 des Einschaltwandlers
angeschlossen sein. Zur Erzielung von Betriebspausen stets gleicher Länge für Nahtschweißung
wird der Stromkreis der Einschaltsteuerwicklung 18 gleichfalls durch eine veränderliche
Induktivität 4a ergänzt, deren Gleichstromvormagnetisierung z. B. von der Spannung
an den geöffneten Kontakten über eine Gleichrichterschaltung geliefert werden kann.
In der Anordnung nach Fig.4 ist statt dessen am Offenhaltemagneten ein Hilfskontaktpaar
vorgesehen, das vom Anker 1s bei der Öffnung der Hauptkontakte überbrückt wird und
den Vormagnetisierungskreis der Induktivität 42 an die Netzspannung legt. Mittels
eines regelbaren Blindwiderstandes 43 und eines regelbaren Wirkwiderstandes 44 wird
die Anstieggeschwindigkeit und die Höhe der Spitzenwerte des Vormagnetisierungsstroines
eingestellt. Vor Beginn des ersten Schweißabschnittes hat die Gleichstromvormagnetisierung
bereits ihren vollen Endwert. Wenn also der Schalter 30 geschlossen wird,
so veranlaßt bereits der nächste vom Einschaltwandler 21 herrührende Impuls die
Kontaktschließung. Dabei wird die Geichstromvormagnetisierung der Induktivität 42
unterbrochen. Gleichzeitig steigt die vom Wandler 39 gelieferte, Gleichstromvormagnetisierung
der Induktivität 38 an. Durch die fortschreitende Sättigung wird der Wert dieser
Induktiv ität im Laufe einer Anzahl von Wechselstromwellen so weit herabgesetzt,
bis der Spitzenwert der vom Ausschaltwandler 24 herrührenden Impulse den Auslösewert
erreicht hat, so daß sich die Kontakte öffnen. Dann verschwindet die Gleichstromvormagnetisierung
der Induktivität 38 wieder. Gleichzeitig beginnt die Gleichstromvormagnetisierung
der Induktivität 42 erneut anzusteigen. Infolge ihrer zunehmenden Sättigung erreichen
die Impulsspitzen des Einschaltwandlers 21 fortschreitend höhere Werte, bis schließlich
ein Impuls zur Aus-
Lösung des Offenhaltemagneten ausreicht. Damit
ist die Betriebspause beendet, und der nächste Schweißabschnitt beginnt. Dieses
Wechselspiel setzt sich selbsttätig so lange fort, bis der Schalter 30 wieder geöffnet
wird.
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Die Schalteinrichtung r i und die Einrichtungen zu ihrer Steuerung
können insbesondere bei kleineren Schweißgeräten auf der Sekundärseite des Schweißtransformators
angeordnet sein.