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Lichtbogen-Schweißtransformator ruhender Bauart mit stufenloser Steuerung
des Schweißstromes und selbsttätig herabgeregelter Leerlaufspannung Die Erfindung
betrifft einen Lichtbogen-Schweißtransformator ruhender Bauart mit stufenloser Steuerung
des Schweißstromes und selbsttätig herabgeregelter Leerlaufspannung, wobei dieselbe
Transduktordrossel zur Einstellung des Schweißstromes und zur Herabregelung der
Leerlaufspannung dient und der Steuerstrom auch vom Schweißstrom abhängig ist.
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Es ist bekannt, daß Lichtbogen-Schweißtransformatoren zum Verarbeiten
normal umhüllter Schweißelektroden eine stark fallende Stromspannungskennlinie haben
müssen, damit der durch den Tropfenfall verursachte Kurzschlußstrom nur unwesentlich
größer wird als der Schweißstrom. Die Leerlaufspannung soll im Interesse eines leichten
Zündens und Haltens des Lichtbogens möglichst groß sein. Sie darf zur Vermeidung
von Unfällen jedoch nicht höher als 70 Volt sein. Auch bei dieser Spannung können
noch Unfälle eintreten, wenn in engen Behältern und Kesseln oder auf größeren Stahlbauten
geschweißt werden muß. Es ist bekannt, zur Anpassung an diese Betriebsbedingungen
bei der Speisung der Schweißelektroden aus einem Wechselstromnetz in den Stromkreis
Drosseln einzuschalten, welche die Begrenzung des Kurzschlußstromes auf einen geeigneten
Wert bewirken. Ferner sind Einrichtungen bekannt, die den bei Leerlauf gewünschten
Verlauf der Kennlinie annähernd erreichen. Dabei werden Relaisschaltungen angewendet
oder gleichstromvormagnetisierte Regeldrosseln. Diese Einrichtungen haben den Nachteil
einer mangelhaften Betriebssicherheit bewegter Teile bzw. eines unerwünscht hohen
Aufwandes und haben sich daher in der Praxis nicht durchsetzen können. Schließlich
sind Drosselspulen und auch Transformatoren bekannt, die einen Luftspalt aufweisen.
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Mit keiner der bekannten Vorrichtungen kann die der Erfindung zugrunde
liegende Aufgabe gelöst werden; die vor allem in der selbsttätigen Herabregelung
der Leerlaufspannung auf eine für den Schweißer ungefährliche Spannung besteht,
wobei die zur stufenlosen Steuerung des Schweißstromes notwendigen Bauteile mitbenutzt
werden. Dies wird gemäß der Erfindung auf einfache Weise dadurch erreicht, daß der
magnetische Hauptkreis des Transformators und die Transduktordrossel einen Luftspalt
aufweisen. Ferner ist es vorteilhaft, daß zur Erzielung hoher dynamischer Steilheit
die Arbeitsspule und die Steuerspule in an sich bekannter Weise auf verschiedenen
Schenkeln des Transduktorkernes angeordnet sind. Ferner ist es von Vorteil, daß
zur Unterdrückung der Rückkopplung von Laststößen auf die Steuerwicklung für die
Transduktordrossel in an sich bekannter Weise ein Mantelkern gewählt ist, dessen
Mittelkern durch einen Luftspalt unterbrochen ist. Mit Vorteil ist der Transformator
als Streutransformator aufgebaut, so daß er den Schweißnennstrom als größtmöglichen
Strom abgibt und die Steuerdrossel nur den Steuerbereich zu erfassen braucht. Ferner
ist es vorteilhaft, daß zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften und Verringerung
von Rüttelgeräuschen infolge von magnetischen Streuflüssen die Arbeitswicklung und
die Steuerwicklung der Transduktordrossel zum Teil fest, zum Teil lose miteinander
gekoppelt sind. Schließlich ist es vorteilhaft, daß zur Erhaltung der Sinusform
des Schweißstromes die Arbeitswicklung auf dem Mittelschenkel der Transduktordrossel
angebracht ist.
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Unter der Bezeichnung Transduktordrossel wird eine Stelldrossel mit
ruhendem Aufbau verstanden, die aus einem Magnetkern mit einer Arbeitswicklung und
einer Steuerwicklung besteht. Diese Drossel arbeitet als stromsteuernder, stromgesteuerter
Transduktor und braucht nicht wie beim spannungssteuernden, stromgesteuerten Transduktor
eine angenähert rechteckige Magnetisierungskennlinie zu besitzen.
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Bei Leistungstransformatoren wird zur Verringerung der Leerlaufverluste
dafür gesorgt, daß der magnetische Fluß im Kern keine Luftspaltlängen zu überwinden
hat. Die Stoßfugen der Bleche, aus denen der Kern geschichtet ist, werden durch
Überlappen der Bleche vernachlässigbar klein gehalten. Der Leerlaufstrom
nimmt
einen kleinstmöglichen Wert an. Der Schweißtransformator gemäß der vorliegenden
Erfindung dagegen soll einen Leerlaufstrom besitzen, der ausreicht, um in einer
für den Nennstrom bemessenen Drosselwicklung mit verhältnismäßig kleiner, wirtschaftlicher
Windungszahl denSpannungsabfall zu erreichen, der die Leerlaufspannung des Transformators
auf einen berührungssicheren Wert herabregelt.
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Nimmt man einen zulässigen Leerlaufstrom an, läßt sich die EMK des
Transformators und die Windungszahl seiner Wicklung berechnen. Es kann dann auch
die magnetische Spannung bei Leerlauf und mit ihr die gesuchte Luftspaltlänge berechnet
werden.
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Die Windungszahl der Drosselwicklung ist bei gleichbleibendem Leerlaufstrom
und gleichbleibender Induktion abhängig von der Luftspaltlänge im Drosselkern. Da
die Leerlaufspannung an der Drossel sich nach dem Leerlaufstrom des Transformators
und der Windungszahl der Drosselwicklung richtet, ist die gesuchte selbsttätige
Herabregelung der Leerlaufspannung bedingt durch die Luftspaltlängen im Transformatorkern
und im Drosselkern.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Hand der
Zeichnung näher erläutert: In Fig. 1 ist zunächst die angestrebte Standkennlinie
dargestellt, die von einer Leerlaufspannung von etwa 42 Volt aus steil ansteigt
bis annähernd 70 Volt und dann einen stark abfallenden Verlauf nimmt, wobei der
Kurzschlußstrom 1K nur unwesentlich größer als der Schweißstrom IN ist. Die
strichpunktierte Linie E ist die Eichgerade des Transformators, auf der die zu den
verschiedenen Stellungen gehörenden Schweißpunkte liegen. Der Steuerbereich ist
mit St
bezeichnet.
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Fig. 2 zeigt zur Erläuterung der im folgenden beschriebenen Erfindung
eine Schaltung, in der die Steuerung und Regelung durch je eine Drossel geschieht.
Der Transformator 1 wird durch einen im Sekundärkreis angeordneten Reihentransduktor
2 mit Gleichrichter 3 und Spannungsteiler 4 gesteuert, entsprechend dem Steuerbereich
St in Fig. 1. Zur Herabregelung der Leerlaufspannung dient der Reihentransduktor
5 mit Stromwandler 6 und Gleichrichter 7. Der Kondensator 8 kompensiert den Blindstrom.
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In Fig. 3 ist eine kombinierte Steuer- und Regeldrossel verwendet.
Der Hilfsgleichrichter 3 ist dabei ebenfalls auf die Primärseite des Transformators
zu verlegen, damit für die Steuerung der Stehdrossel bei belastetem Transformator
die erforderliche Spannung vorhanden ist. Der Hilfsgleichrichter wird nach Fig.
3 an die in Reihe geschaltete Primärwicklung des Transformators und Sekundärwicklung
des Stromwandlers geschaltet. Bei Leerlauf drosselt der Stromwandler den Steuerstrom
des Transduktors auf einen verschwindend kleinen Betrag. Bei Belastung wird durch
die in der Wandlerwicklung induzierte Spannung zunächst die Drosselung aufgehoben
und dann die Transformatorspannung verstärkt bis zu einem Betrag, der durch die
Sättigung des Wandlerkernes bestimmt ist. Am Spannungsteiler wird die dem gewünschten
Schweißstrom entsprechende Stromspannungskennlinie eingestellt.
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Mit dem Aufbau nach Fig. 3, der wesentlich wirtschaftlicher ist als
der nach Fig. 2, wird also derselbe Kennlinienverlauf erreicht. Seine praktische
Bedeutung erhält dieser Aufbau dadurch, daß der Leerlaufstrom. des Transformators
1 durch Anordnung eines Luftspaltes im Transformatorkern auf die herabgeregelte
Leerlaufspannung von z. B. 42 V eingestellt wird. Auf diese Weise ergeben sich für
die bestimmte kleinste Zahl von Bauelementen die gesuchten kleinsten Abmessungen.
Hilfsgleichrichter 3, Stromwandler 6 und Spannungsteiler 4 brauchen nur für etwa
2 1/o der Leistung der Steuerdrossel 2 bemessen zu werden.
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Bei Anwendung der kombinierten Steuer- und Regeldrossel 2 nach Fig.3
werden in der Steuerwicklung Oberwellen induziert, die nicht wie die Grundwelle
durch die Gegenschaltung der Steuerwicklungen kompensiert werden, zu deren Unterdrückung
daher an die Klemmen der Steuerwicklung ein Kondensator 9 mit geerdeter Mittelanzapfung
zu schalten ist. Dasselbe wird auch ohne Kondensator erreicht, wenn die beiden Arbeitsspulen
10 der Drossel parallel geschaltet werden (Fig. 4). Die Schaltung der Steuerspulen
11 bleibt unverändert.
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Die. erforderliche dynamische Steilheit, nämlich das Verhältnis von
Leerlaufspannung zu Stoßkurzschlußstrom bzw. Leerlauf-Stoßspannung zu Kurzschlußstrom
des Schweißtransformators ist bei Transformatoren mit Transduktorsteuerung besonders
zu beachten. Bei Schweißtransformatoren für mehr als etwa 100 A genügt es nicht,
daß Arbeitsspule und Steuerspule auf verschiedenen Schenkeln des Transduktorkernes
angebracht werden, um mit der damit erzielten Streumöglichkeit des magnetischen
Flusses eine Rückwirkung auf den Steuerstrom zu unterdrücken. Es ist notwendig,
die Kerne der zwei Drosseln 2 in Fig. 3 zu einem Mantelkern zu vereinigen (Fig.5),
wobei die zwei Außenschenkel die zwei Arbeitsspulen 10 tragen und der durch einen
Luftspalt unterbrochene Mittelschenkel die Steuerspule 11. Der Luftspalt der Drossel
liegt nur im magnetischen Kreis des durch die Steuerwicklung erregten Flusses, der
durch die Arbeitswicklung erzeugte Wechselfluß findet seinen Weg in dem aus den
Außenschenkeln und den Jochen ohne zwischenliegende Luftspalte geschlossenen magnetischen
Kreis.
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Die Steuer- und Regeldrossel 2 wird also zur Erreichung der erforderlichen
dynamischen Steilheit so gebaut, daß bei unstetigen Stromänderungen ein Streufluß
entsteht, der eine Rückwirkung auf den Steuerstrom unterdrückt. Beim Aufbau des
eigentlichen Transformators kann von einer Streuwirkung Gebrauch gemacht werden,
die den Schweißstrom auf den größten zu erreichenden Strom begrenzt. Dadurch wird
eine wesentliche Entlastung der Steuerdrossel erreicht, die dann nur vom größten
Schweißstrom (IN in Fig. 1) auf den kleinsten herabzusteuern braucht. Der
Kern des Transformators kann ebenso wie bei der Drossel als Mantelkern aufgebaut
werden Wie. 6). Ein Teil der Primärwicklung 13 ist fest, der andere Teil lose mit
der Sekundärwicklung 14 gekoppelt, wobei die Verteilung von fester und loser Kopplung
so getroffen ist, daß der gewünschte größte Schweißstrom erzielt wird.
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Die Verwendung eines Mantelkernes für den Transformator hat den Vorteil,
daß sich die der Wicklungsanordnung entsprechenden magnetischen Streuflüsse durch
Rüttelgeräusche an benachbarten Eisenteilen außerhalb des Eisenkernes kaum bemerkbar
machen können. Bei der Drossel nach Fig.5 können die entsprechenden Streuflüsse
eine benachbarte eiserne Gehäusewand rütteln. Zur Abschirmung
gegen
derartige mit Geräusch verbundene Rütte-Lungen werden in geringem Abstand von den
auf den Außenschenkeln sitzenden Arbeitsspulen Abschirmbleche 15 angebracht, die
durch Haltebügel 16 am Drosselkern befestigt sind. Eine Verringerung der Streuwirkung
ergibt sich auch ohne wesentliche Verschlechterung der dynamischen Eigenschaften
des Schweißtransformators, wenn ein Teil der Steuerwicklung auf den Außenschenkeln
der Drosseln in fester Kopplung mit der Arbeitswicklung aufgebracht wird (Fig. 7).
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Bei einer Transduktordrossel nach Fig. 7 findet der durch die Arbeitswicklung
erzeugte Wechselfluß seinen Weg in dem aus den Außenschenkeln und den Jochen gebildeten
magnetischen Kreis. Dadurch wird die Ausbildung von Oberwellen im Schweißstrom begünstigt,
die den Nulldurchgang des Stromes abflachen und die Stabilität des Lichtbogens verringern.
Durch Vertauschen der Steuerwicklung 11 und der Arbeitswicklung 10, also
durch Führung des Wechselflusses über den Luftspalt der Drossel, bleibt die vorteilhafte
Sinusform des Schweißstromes erhalten. Außerdem erhöht sich dadurch die bei Leerlauf
an der Drossel liegende Spannung, so daß der Leerlaufstrom des Transformators den
Nennstrom nur um einen kleinen Betrag zu vergrößern braucht.