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Anordnung zum Betrieb von stabil brennenden Gleichstrom-Lichtbögen
Es ist bekannt, daß man zum Betrieb von Gleichstromlichtbögen eine Gleichspannung
braucht, die mit zunehmendem Strom stark abfällt und einer plötzlichen Stromänderung
möglichst schnell folgt. Gleichstromquellen bzw. Regeleinrichtungen für solche Stromquellen,
welche diese Aufgabe lösen sollen, sind mehrfach vorgeschlagen worden, ohne daß
es jedoch bisher gelungen wäre, ein im praktischen Betriebe allen Anforderungen
gerecht werdendes Lösungsmittel zu finden.
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Eine bekannte Regeleinrichtung dieser Art besteht darin, daß der Lichtbogen
über einen Gleichrichter gespeist wird, dessen Spannung zwecks Stabilisierung des
Lichtbogens in Abhängigkeit von dem Lichtbogenstrom oder der Lichtbogenspannung
selbsttätig geregelt wird. Die Steuergitter oder andere dem gleichen Zweck dienende
Steuerelektroden erhalten ein Potential, das ihnen durch eine trägheitslose oder
doch durch eine nur mit geringer Trägheit arbeitende Steuereinrichtung aufgedrückt
wird (deutsche Patentschrift 658 9r7). Eine praktische Ausführungsform dieser
bekannten Regeleinrichtung besteht darin, daß zu dem Lichtbogen ein Widerstand parallel
geschaltet ist, von dem eine Teilspannung abgegriffen wird, die in Reihe mit einer
konstanten Vergleichsspannung in den Steuerkreis eines die Gitter des Hauptgleichrichters
steuernden Hilfsentladungsgefäßes geschaltet ist. Auf diese Weise wird die Steuerung
von der Spannung des Lichtbogens abhängig gemacht. Unter Anwendung anderer aus der
Stromrichtertechnik bekannter Vorrichtungen zur Steuerung
der von
einem Gleichrichter abgegebenen Spannung in Abhängigkeit von einer Betriebsgröße
läßt sich das gleiche Ziel ebenfalls im Sinne einer trägheitslosen Steuerung erreichen.
In jedem Fall ist-dabei die steuernde Größe entweder der Strom oder die Spannung
des von dem Gleichrichter gespeisten Lichtbogens.
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Es hat sich gezeigt, daß die vorstehend - beschriebene bekannte Art
der Steuerung noch nicht zu dem gewünschten Ziel einer einwandfreien Steuerung des
Gleichstromlichtbogens führt. Wenn der den Lichtbogen speisende Gleichrichter nur
in Abhängigkeit von dem Strom geregelt wird, so wird im Arbeitsbereich des Lichtbogens
eine praktisch senkrecht verlaufende Strom-Spannungs-Kennlinie erzeugt. Mit einer
solchen Kennlinie kann der Bogen zwar theoretisch stabil betrieben werden, praktisch
zeigt sich aber, daß die Steilheit der Kennlinie die Stabilität stört, weil schon
bei ganz geringen Stromschwankungen verhältnismäßig große Spannungsänderungen eintreten.
Steuert man auf der anderen Seite den Gleichrichter nur in Abhängigkeit von der
Spannung, so hat das wiederum den Nachteil, daß die Strom-Spannungs-Kennlinie des
Gleichrichters die Kennlinie des zu speisenden Lichtbogens in einem sehr flachen
Winkel schneidet, wodurch der Betrieb ebenfalls sehr unstabil wird.
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Gemäß der Erfindung wird diesem Nachteil dadurch begegnet, daß der
den Lichtbogen speisende Steuergleichrichter nicht nur in Abhängigkeit von dem Strom
oder von der Spannung des Lichtbogens, sondern im Gegensatz - dazu sowohl in Abhängigkeit
von der Spannung als auch in Abhängigkeit von dem Strom des Lichtbogens gesteuert
wird. Läßt man beide Betriebsgrößen gleichzeitig auf den Steuergleichrichter einwirken,
so gelingt die Stabilisierung in befriedigendem Maße. Mit Hilfe der doppelten Abhängigkeit
der Steuerung kann man eine Strom=Spannungs-Kennlinie de"s Gleichrichters erzeugen,
die den jeweils im praktischen Betriebe vorliegenden Anforderungen des zu speisenden
Lichtbogens weitgehend angepaßt ist.
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Mit Rücksicht darauf, daß die Spannungs- und Stromwerte des Lichtbogens
sich sehr schnell ändern, muß ein Regelverfahren verwendet werden, das diesen Änderungen
fast -augenblicklich folgt. Zweckmäßig wird daher für die Regelung des den Lichtbogen
speisenden Gleichrichters ein Röhrenregler verwendet. In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein solcher Röhrenregler dargestellt.
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Der in seinen Einzelheiten nicht dargestellte Lichtbogenverbraucher
L wird aus- einem Drehstromnetz über einen Transformator i und einen gittergesteuerten
Gleichrichter 2 gespeist. Im Primärstromkreis des Gleichrichtertransformators liegen
Stromwandler 3, die über einen Hilfstransformator q., einen Trockengleichrichter
5 und Glättungsmittel 6 einen Potentiometerwiderstand 7 speisen, an dem die stromabhängige
Steuerspannung abgegriffen wird. Ein Potentiometer 9 ist an die Klemmen des Lichtbogens
angeschlossen und liefert die von der Spannung abhängige Steuergröße. An den beiden
Potentiometern 7 und 9 können die Einflüsse dieser beiden Größen sowohl ihrem Verhältnis
entsprechend als auch ihrer Größe nach eingestellt werden. Zur Erhöhung der Genauigkeit
wird der aus diesen beiden Teilgrößen gewonnenen Regelspannung eine Vergleichsspannung
io entgegengeschaltet. Die Differenz dieser Spannungen wirkt auf den Gitterkreis
eines Verstärkers i i, der aus einem Gleichrichter 14 im Anodenkreis gespeist wird.
Ein weiterer Verstärker 12, d. h. die zweite Stufe des Röhrenreglers, ändert den
rrregerstrom einer g1eichstromvormägnetisierten Drosselspule i9, die in an sich
bekannter Weise in den Steuerkreis des Hauptgleichrichters 2 geschaltet ist. Die
Gleichspannung für den Verstärker 12 wird einem Gleichrichter 15 entnommen.
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Die vormagnetisierte Drosselspule i9 ist zwischen den in seinen Einzelheiten
nicht dargestellten Steuersatz 22 des Hauptgleichrichters 2 und das speisende Drehstromnetz
geschaltet. Zwischen den Drosselspulen i9 und dem Netz liegt Isoliertransformator
16, ein von Hand einstellbarer Drehtransformator 18 und außerdem noch ein Drehtransformator
17, der durch motorischen Antrieb verstellt werden kann. Durch diesen Drehtransformator
soll unabhängig von der selbsttätigen Regelung der Aussteu.erüngsgrad des Gleichrichters
geändert werden. Der Drehregler 17 wird dabei durch ein Relais 13 gesteuert, welches.
im Anodenstromkreis der Endstufe 12 des Röhrenreglers bzw. im Regelkreis der Drosselspule
i9 liegt: Der gesamte Regelbereich von ioo°/o Aussteuerung bis auf Null kann von
den Drosselspulen nicht bewältigt werden. Bei größeren Regelungen ist es daher erforderlich,
die Aussteuerung durch Veränderung der Stellung des Drehreglers 17 so zu beeinflussen,
_ daß der Arbeitspunkt des Röhrenreglers ungefähr auf der Mitte der jeweiligen Aussteuerung
liegt, und daß daher die auftretenden Schwankungen in voller Höhe ausgeregelt werden
können. Beim überschreiten eines bestimmten Stromwertes steuert aus diesem Grunde
das Relais 13 den Drehregler 17 im Sinne einer Vergrößerung, beim Unterschreiten
eines bestimmten Stromwertes im Sinne einer Verringerung der Aussteuerung. Die Ansprechwerte
des. Relais 13 sind so gewählt, daß nicht bei jedem Anschlag des Röhrenreglers ein
Kommando erteilt wird, sondern daß das Relais auf einem- gewissen mittleren Bereich
in Ruhe bleibt. Hier übernimmt der Röhrenregler allein die Regelung. Zwischen das
Relais 13 und den Drehregler 17 bzw. den zu seinem Antrieb dienenden Steuermotor
sind noch Hilfseinrichtungen 2o, 21 und 24 geschaltet. Da der Umschaltkontakt des
Relais 13 nur eine geringe Schaltleistung hat, sind Relais 2o zur Verstärkung eingefügt.
Zur Potentialtrennung werden bei nicht geerdeter Kathode und hoher Spannung die
Isoliertransformatoren 21 benötigt, da der Regler Kathodenpotential annimmt. Mit
den Schützen 2q. wird dann der Motor des Drehreglers getrennt.
Der
Betrieb der vorstehend beschriebenen Anlage geht wie folgt vor sich: Durch Annäherung
der Elektroden des Lichtbogenapparates L bis zum Kurzschluß und durch darauffolgen.de
langsame Entfernung der Lichtbogenelektroden voneinander wird der Lichtbogen gezündet.
Vorher wird mit Hilfe der beiden Potentiometer 7 und 9 die für den Betrieb gewünschte
Neigung der Gleichrichterkennlinie eingestellt. Durch den von Hand verstellbaren
Drehregler i8 wird die Spannung des Gleichrichters bis auf Null herabgesenkt, dann
werden die beiden Lichtbogenelektroden zum Kurzschluß gebracht, und nach Heraufregeln
des Drehreglers 18 auf volle Aussteuerung wird die selbsttätige Regeleinrichtung
freigegeben. Zunächst wird der Strom in dem kurzgeschlossenen Lichtbogenkreis so
weit ansteigen, daß die Spannung am Potentiometerwiderstand 7 allein der Spannung
io das Gleichgewicht hält. Der Röhrenregler wird jetzt den Gleichrichter so aussteuern,
daß er einen gewissen Überstrom bei der Spannung Null führt. Der Drehregler 17 wird
durch den Röhrenreglerstrom auf einen Wert eingestellt, der eine Aufrechterhaltung
dieses Stromes gewährleistet. Zieht man nun langsam die beiden Elektroden des Lichtbogens
auseinander, so steigt der Einfluß der Spannung immer mehr, wobei zunächst eine
flach geneigte Kennlinie in der Neige des. Nullpunktes durchfahren wird. In dem
Augenblick, in dem Strom und Spannung den Wert erreicht haben, der an den Potentiometern
7 und 9 eingestellt ist, beginnen Strom- und Spannung sich in dem .eingestellten
Verhältnis zu ändern. Der Drehregler 17 wird durch den Röhrenreglerstrom so eingestellt,
daß der Röhrenregler um die vom Drehtransformator eingestellte Mittellage pendeln
kann. Die Vergrößerung der Lichtbogenlänge bedingt ein immer stärkeres Ansteigen
der Spannung und ein entsprechendes Zurückgehen des Stromes. Hat der Lichtbogen
seine vorgeschriebene Länge erreicht, so ist auch der Drehregler 17 auf den nunmehr
gewählten Arbeitspunkt eingestellt, wobei vorausgesetzt ist, daß die Verstellgeschwindigkeit
des Drehreglers 17 größer ist als die Verstellgeschwindigkeit des Elektrodenabstandes
im Lichtbogen. Nach diesem Anlaßvorgang werden weiterhin sämtliche Strom-und Spannungsschwankungen
von dem Röhrenregler aasgeregelt. Steigt bei gleichbleibender Spannung am Lichtbogen
der Strom des Bogens an, so wird durch den Röhrenregler selbsttätig die ausgesteuerte
Spannung abgesenkt. Die dem Lichtbogen zur Verfügung stehende Spannung sinkt unter
den für den ansteigenden Strom erforderlichen Wert der Lichtbogenkennlinie herab.
Der Strom nimmt dementsprechend wieder ab, so daß der Lichtbogen wieder den stabilen
Brennpunkt einnimmt. Sinkt dagegen der Strom im Lichtbogen, so wird die Spannung
entsprechend ansteigen und damit eine Stromerhöhung im Lichtbogen eintreten, die
wiederum den Lichtbogen auf den bisher eingenommenen Arbeitspunkt zurückbringt.
Da der Regler mit einer konstanten Vergleichsspannung arbeitet, können die Schwankungen
der Primärspannung oder Frequenz auf der Gleichspannungsseite nicht wirksam werden,
da diese sofort vom Regler mit erfaßt und angeregelt werden.