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Wechselstromzeitschalteinrichtung mit synchronbewegten Kontakten,
insbesondere Schweißtakter für Punkt- und Nahtschweißung Die Erfindung bezieht sich
auf das Schalten von Wechselstrom mit mechanischen Kontakten, die synchron zur Phasenlage
des zu schaltenden Stromes oder dessen Spannung bewegt werden, so daß das Öffnen
und Schließen stets zu denselben gewünschten Zeitpunkten erfolgt.
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Im Gegensatz zum Gegenstand der Erfindung war es bisher fast ausschließlich
üblich, das synchrone Schalten von Wechselstrom nicht durch mechanische Kontakte,
sondern durch steuerbare Gas- oder Dampfentladungsgefäße in Verbindung mit einer
Zeitsteuereinrichtung durchzuführen. Es sind ferner Einrichtungen bekanntgeworden,
die mit z. B. von Synchronmotoren gesteuerten mechanischen Kontakten in Verbindung
mit Schaltdrosseln od. dgl. Einrichtungen arbeiten, welche insbesondere für die
sogenannten Kontaktumformer entwickelt wurden. Mit Hilfe dieser Einrichtungen können
Wechselströme, und zwar verhältnismäßig große Ströme, mit kleinen Kontakten und
großer Genauigkeit synchron geschaltet werden, so daß Kontaktabnutzungen durch elektrische
Belastung nicht auftreten und die Kontakte eine große Lebensdauer haben. Es ist
auch bekannt, mit steuerbaren Kontakten in Verbindung mit Schaltdrosseln Schweißströme
synchron zu schalten. Jedoch stellen die dazu verwendeten Mittel, bezogen auf den
Gegenstand der Erfindung, einen verhältnismäßig großen und teuren Aufwand dar.
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Die Erfindung betrifft eine Wechselstromzeitschalteinrichtung mit
synchron bewegten Kontakten, die insbesondere als Schweißtakter geeignet ist, mit
einem in dem zu schaltenden Stromkreis liegenden Schütz
und ist
gekennzeichnet durch je ein elektrisches Zeitglied zur Abgabe des Ein- und des Ausschaltbefehls
(Ein- und Abschaltzeitglied) für das Schütz, wobei die Schaltbefehle eines jeden
Zeitgliedes jeweils durch eine Glimmlampe gegeben werden in Abhängigkeit vom Ladezustand
eines Kondensators, der über ein Ventil an eine zu dem zu schaltenden Wechselstrom
in ganzzahligen Frequenzverhältnis stehenden, einstellbare Wechselspannung fester
Phasenlage angeschlossen ist.
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In der Zeichnung (Fig. i) ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes
der Erfindung, angewandt als Schweißtakter, schematisch dargestellt, bei dem der
Einschaltbefehl vom Ladestrom und der Abschalt-Befehl vom Entladestrom der Kondensatoren
der zugeordneten Zeitglieder I und II ausgelöst werden in Abhängigkeit von der Phasenlage
und der Größe der an den Zeitgliedern liegenden Steuer- und Wechselspannungen UST
(ein) und UsT (atCS) Ein Schweißtransformator i ist über den Arbeitskontakt
2 eines prellfreien Schützes 3 sowie zwei Sicherungen 5 an die Leiter R und S eines
Wechselstromnetzes RSTO anschaltbar. Für einen Schweißvorgang wird nach Einlegen
des Hauptschalters 4 und, nachdem das zu verschweißende Gut mit den Schweißelektroden
7 in Berührung gebracht ist, ein zweckmäßig als Druckkontakt ausgebildeter Schalter
6 betätigt. Für das Auslösen des Einschaltbefehls dient das Einschaltzeitglied I.
Hierfür ist ein Stromkreis vorgesehen, in dem ein Kondensator 8 mit einem Ventil
=i, einer Glimmlampe i2 und der einen Wicklung 13 eines gepolten Relais 14 in Reihe
liegt. Der gestrichelt gezeichnete Widerstand 8' stellt den Isolierwiderstand des
Kondensators 8 dar, über den die Glimmlampe 12 die Zündspannung erhält. Sobald die
mit Hilfe des Potentiometers =o einstellbare und von den Netzleitern Sund 0 abgenommene
Steuerspannung UST (ein) die Zündspannung der Glimmlampe =a erreicht hat,
zündet diese. Je nach der Größe des Kondensators 8 und der Steuerspannung UsT
(ein) ergibt sich ein Ladestromstoß über den Kondensator B. Die maßgebenden
Werte sind so gewählt, daß dadurch das gepolte Relais 14 anspricht und auf den Kontakt
15 umschaltet, wodurch die Erregerwicklung 16 des Schützes 3 Spannung erhält. Das
Schütz 3 spricht an, schließt den Arbeitskontakt 2 und damit den Primärkreis des
Transformators i an die Netzleiter R lind S an, so daß der zu schaltende Strom J
und zwischen den Schweißelektroden 7 der Schweißstrom J' fließen kann. -Gleichzeitig
mit dem Ansprechen des Schützes 3 wird dessen Arbeitshilfskontakt 17 geschlossen,
der das für die Abgabe des Ausschaltbefehls vorgesehene Abschaltzeitglied II an
die Steuerspannung UST (du,) legt. Als Abschaltzeitglied II ist ein Stromkreis vorgesehen,
in dem ein Ventil 18 und ein Kondensator =g: in Reihe liegen, wobei an den Kondensator
=g eine Glimmlampe 2o und die andere als Rückholwicklung dienende Wicklung 21 des
gepolten Relais 14 angeschlossen ist. Der Ruhekontakt 22 des Schützes 3 dient zum
Entladen des Kondensators ig. Die Phasenlagen der an den Glimmlampen 12 und 2o liegenden
Steuerspannungen zur Phasenlage des zu schaltenden Wechselstromes J sind durch einstellbare
Vorschaltwiderstände veränderbar im Sinne einer günstigen Anpassung der Schaltzeitpunkte
an die Phasenlage des zu schaltenden Stromes. Für das Einschaltzeitglied I ist das
Potentiometer io und für das Abschaltzeitglied II ein Potentiometer 23 vorgesehen,
dessen Spannung ebenfalls von den Netzleitern S und 0 entnommen ist. Mit Hilfe des
Potentiometers =o wird der Einschaltzeitpunkt und mit Hilfe des Potentiometers 23
der Abschaltzeitpunkt des zu schaltenden Wechselstromes J gewählt. Die Zeitpunkte
können an sich beliebig gewählt werden. Man wird die Wahl jedoch im Sinne gleichmäßiger
Magnetisierungsbedingüngen für den nächsten Einschaltvorgang treffen und so, daß
hierbei der Einschaltstromstoß des Transformators x möglichst klein bleibt. Die
Potentiometer =o und 23 werden ferner so eingestellt, daß das Ein- und Abschalten
des zu schaltenden Wechselstromes im oder annähernd im Nulldurchgang desselben erfolgt.
Zur Erzielung eines gleichmäßigen Magnetisierungszustandes bei einem folgenden Einschaltvorgang
wird in vorliegendem Anwendungsbeispiel zum Widerstandsschweißen zweckmäßig nur
mit ganzen Wechselstromperioden geschweißt. Ein gegensinniger Magnetisierungszustand
des Transformators i bei einem folgenden Schweißvorgang und damit ein starker Einschaltstromstoß
zur Ummagnetisierung, der für den Schweißvorgang ohne jegliche Nutzung ist, wird
dadurch vermieden.
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Zur Wahl einer verschiedenen Einschaltdauer des Schützes 3 ist im
Stromkreis des Abschaltzeitgliedes II eine in Stufen veränderbare Widerstandsanordnung
24 mit drei Widerständen 25 bis 27 vorgesehen. Die Widerstände sind beispielsweise
so bemessen, daß bei Einschalten des Widerstandes 25 nach einer Wechselstromperiode
abgeschaltet wird, bei Einschalten des Widerstandes --6 nach zwei und bei
Einschalten des Widerstandes 27 nach drei Wechselstromperioden. Durch andere Widerstände
kann erreicht werden, daß nach jeder beliebigen Zahl von Wechselstromperioden und
ferner auch Halbperioden abgeschaltet wird. Werden Einschaltzeiten gewünscht, die
einem ungeraden Vielfachen einer Wechselstromhalbperiode entsprechen, so kann ein
gleichmäßiger Magnetisierungszustand des Transformators i vor einem folgenden Schweißvorgang
durch an anderer Stelle bereits beschriebene Maßnahmen erreicht werden, sofern dies
gefordert wird. Ein Kondensator 28 und ein Widerstand 29 verhindern einen Öffnungsfunken
an dem Kontakt 15- Der Kondensator ist so bemessen, daß der von ihm mit der Erregerwicklung
16 gebildete Schwingkreis etwa auf die dreifache Frequenz des auslösenden Wechselstromes
abgestimmt ist. Zur Sicherung einer einwandfreien Arbeitsweise der Zeitschalteinrichtung
wird man außerdem bei Verwendung eines Trockengleichrichters als Ventil =i im Einschaltzeitkreis
I einen Widerstand 3ö parallel zur Wicklung 13 des gepolten Relais 14 vorsehen.
Dieser Widerstand 3o, der etwa in derselben Größe wie der ohmsche Widerstand der
Wicklung 13 gewählt wird, macht einen gegebenenfalls vorhandenen Ventilrückstrom
unwirksam, so daß eine sichere Kontaktgabe des Kontaktes 15 gewährleistet ist,
In
Fig. 2 ist der Zeitablauf eines Schweißvorganges von der Länge einer Wechselstromperiode
an Hand von drei untereinander gezeichneten graphischen Darstellungen mit gemeinsamer
Zeitnullinie to veranschaulicht. Die obere Figur zeigt den Verlauf der Steuerspannung
UsT (ein) für das Einschaltzeitglied I (Fig. i), die untere den Verlauf der
Steuerspannung UsT (aus) für das Abschaltzeitglied II (Fig. i) und die mittlere
Darstellung den Verlauf der Spannung URs am Schweißtransformator i und den Verlauf
des zu schaltenden Wechselstromes J. Infolge der Ventile ii und 18 sind die Steuerspannungen
UsT (ein) und UsT(aus) jeweils nur in den durch die Ventile ix und 18 bedingten
Durchlaßrichtungen wirksam.
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Es sei zunächst angenommen, daß der Hauptschalter q. (Fig. i) geschlossen
sei und ein Schweißgut mit den Schweißelektroden 7 Kontakt habe. Zum Auslösen einer
Schweißung wird durch Betätigen des Umschalters 6 zu irgendeinem, z. B. dem durch
die Zeitlinie to dargestellten Zeitpunkt Spannung an das Einschaltzeitglied I gelegt.
Dieses kann jedoch- vorerst noch keinen Stromstoß über die Wicklung 13 des gepolten
Relais 1q. auslösen. Dies ist erst dann möglich, wenn die Zeitlinie tl überschritten
ist. Während der Sperrphase des Gleichrichters ii und in dessen Durchlaßphase außerhalb
des Bereiches dT(ein) kann die Glimmlampe 12 nicht zünden, da ihre Zündspannung
nicht erreicht wird. Ist nach dem Zünden der Glimmlampe eine gewisse Zeit lang Strom
durch die Wicklung geflossen, so schaltet das Relais 1q auf den Kontakt 15 um. Zur
Erzielung eines schmalen Einschaltstreubereiches dT(ein) und damit eines möglichst
genau definierten Einschaltzeitpunktes ist die Zündspannung der Glimmlampe i2 um
einen solchen Betrag dicht unterhalb des Scheitelwertes ihrer Betriebsspannung UsT
(ein) gewählt, daß auch bei deren Schwankung durch zulässige Unstabilität
des Wechselstromnetzes RS TO noch sicher gezündet wird und ein Umschalten
des Kontaktes des gepolten Relais 1q. erfolgt.
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Der in dem Beispiel der Fig. 2 dargestellte Einschaltstreubereich
dT(ein) entspricht etwa einem Winkel von q.0°. Für das nachfolgende Einschalten
des Schützes 3 ist dies, wie praktische Versuche gezeigt haben, unschädlich, wenn
gleichzeitig die Ansprechzeiten Tp (ein) des gepolten Relais 1q. und Ts
(ein) des Schützes 3 so gewählt werden, daß das Schließen des zu schaltenden
Stromkreises in die Nähe des Nulldurchganges des Stromes J erfolgt. Als Glimmlampe
12 und ebenfalls als Glimmlampe 2o werden vorteilhaft Glimmstabilisatoren, das sind
Glimmlampen mit besonders konstanten Zündpunkten, verwendet.
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Nach der Ansprechzeit Tp (ein) des gepolten Relais 1q. wird
der Kontakt 15 geschlossen. Dann erhält die Auslösewicklung 16 des Schützes 3 Spannung,
und dieses zieht nach der Zeit Ts (ein) im Zeitpunkt t2 (mittlere Darstellung)
an. Der Wechselstrom J beginnt damit zu fließen. Gleichzeitig wird im Zeitpunkt
1, durch den Hilfsarbeitskontakt 17 das Abschaltzeitglied II an die Steuerspannung
UsT (aus) angeschaltet. Da die Ansprechzeiten Tp (ein) und Ts(ein)@ die zusammen
die Gesamtansprechzeit T(ein) bilden, in Verbindung mit der Phasenlage der Steuerspannung
UST (ein) so gewählt sind, daß der Befehl für das Ingangsetzen des Abschaltzeitgliedes
II -unter Einrechnung der Einschaltstreutoleranz (Einschaltstreubereich) d T ("i")
des Einschaltzeitkreises I -nur in der Sperrphase des im Abschaltzeitglied II liegenden
Ventils. 18 auslösbar ist, kann sich die Einschaltstreutoleranz auf den Einschaltzeitpunkt
t4 des Wechselstromes J nicht mehr auswirken. Der Befehl für das Ingangsetzen des
Abschaltzeitgliedes fällt also stets in die Sperrphase des Ventils 18. Der Abschaltbefehl
selbst kann jedoch erst nach Beendigung der Sperrphase im Zeitpunkt t3 in Gang gesetzt
werden. Die Spannung UsT (aus) steigt dabei zunächst von Null aus an und bewirkt
im Zeitpunkt t4 ein Zünden der Glimmlampe 2o und im Zeitpunkt t5 ein Rückholen des
gepolten Relais 1q.. Die Abfallzeit Tp (aus) des gepolten Relais 1q. und
die des Schützes 3 Ts (aus) sind naturgemäß etwas kleiner als die zugehörigen Ansprechzeiten.
Dadurch wird beim Öffnen des Kontaktes 15 die Auslösespule 16 des Schützes 3 stromlos,
und nach der Zeit Ts (aus) fällt der Arbeitskontakt 2 des Schützes 3 im Zeitpunkt
t6 ab. Die für den Abschaltzeitpunkt t6 maßgebende Auslösezeit Tjl und die Abfallzeiten
Tp (aus) sind in Verbindung mit der Abfallzeit Ts (aus) und der Phasenlage
der Steuerspannung UsT (aus) des Abschaltzeitgliedes II derart gewählt, daß die
Unterbrechung des zu schaltenden Stromes J gerade in dessen Nulldurchgang bei t.
erfolgt. Nach dem Abschalten des Stromes J wird der Kondensator 8 beim Loslassen
des Umschalters 6 und der Kondensator ig beim Abfall des Schützes 3 von Restladungen
befreit. Damit ist der Ausgangsschaltzustand wieder erreicht und die Einrichtung
für den nächsten Schweißvorgang bereit. Ein Schweißvorgang kann unabhängig von der
Dauer der Kontaktgabe des Kontaktes g stets nur einmal beim Betätigen desselben
ausgelöst werden, da der zum Zünden der Glimmlampe i2 und zum Auslösen des Relais
1q. erforderliche Strom der Ladestrom des Kondensators ist. Dieser Strom fließt
nach Betätigen des Kontaktes g nur einmal, wenn die steuernde Halbwellenspannung
die Zündspannung der Glimmlampe 12 zum ersten Mal überschreitet. Diese Eigenschaft
der Einrichtung nach der Erfindung ist für ein praktisches Arbeiten beim Schweißen
besonders wertvoll.
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Die Einrichtung nach der Erfindung ist auf das in der Fig. i dargestellte
Schaltungsbeispiel, auf die Anwendung als Schweißtakter sowie auf den. in Fig. 2
dargestellten Ablauf und die Aneinanderreihung der einzelnen Zeiten zur Erzielung
der gewünschten Ein-und Abschaltzeitpunkte nicht beschränkt. Die Erfindung kann
vielmehr bei der Ein- und Abschaltung von Wechselstrom für beliebige Zwecke verwendet
werden. Die Ein- und Abschaltungen können, wenn gewünscht, zu jeder beliebigen Phasenlage
des zu schaltenden Stromes erfolgen. Hierzu werden die die Zeitpunkte bestimmenden
Zeit- und Schaltglieder entsprechend bemessen. Die Betriebsspannungen für die Zeitglieder
können anstatt von den Netzleitern RS und 0 (Fig. i) auch von zwei beliebigen anderen
Leitern des Netzes RSTO entnommen werden. Auch eine Entnahme aus einem fremden Wechselstromnetz
ist möglich, wenn die Bedingungen des ganzzahligen
Frequenzverhältnisses
und der festen Phasenlage zur Spannung des zu schaltenden Stromes erfüllt sind.
Die Verwendung von Spannungen anderer, insbesondere höherer Frequenzen als der des
zu schaltenden Wechselstromes zur Betätigung der Zeitglieder ist unter diesen Bedingungen
ebenfalls möglich und kann vorteilhaft sein. Die Spannungen höherer Frequenz werden
vorteilhaft durch Frequenzverviel fachung des zu schaltenden Wechselstromes gewonnen.
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Zur Erzielung eines kleinen Einschaltstreubereiches bzw. eines genauen
Einschaltzeitpunktes des zu schaltenden Stromes kann auch in der Weise verfahren
werden, daß die in Fig. i dargestellte Zeitschalteinrichtung zunächst dazu verwendet
wird, einen Hilfsstromkreis zu einem genau festgelegten Zeitpunkt auszuschalten,
und daß hiervon in fester zeitlicher Abhängigkeit erst der Einschaltbefehl und gegebenenfalls
auch der Abschaltbefehl für den zu schaltenden Strom gesteuert wird. Die Spannung
des Hilfsstromkreises muß dabei zu der des zu schaltenden Hauptstromkreises jedoch
ebenfalls eine feste Phasenlage haben und ein ganzzahliges Frequenzverhältnis.
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Die Einrichtung nach Fig. i kann ferner so ausgebildet werden, daß
in Abhängigkeit vom Abschaltbefehl des zu schaltenden Stromes selbsttätig ein neuer
Einschaltbefehl- erteilt wird, der dann ebenfalls zu einem gewünschten und genau
einzustellenden Zeitpunkt ausgelöst wird. Dies ist für Einrichtungen wichtig, bei
denen Ströme selbsttätig periodisch ein-und abgeschaltet werden sollen. Ein vorteilhaftes
Anwendungsbeispiel der Erfindung stellt in diesem Zusammenhang besonders das elektrische
Nahtschweißen dar, bei dem einzelne Schweißpunkte meist in dichter Folge aneinandergereiht
werden.