DE1000532B - Hochstrom-Selengleichrichteranordnung mit Fremdkuehlung, insbesondere fuer Widerstandsschweissmaschinen - Google Patents

Description

• Hochstrom-Selengleichrichteranordnung mit Fremdkühlung, insbesondere für Widerstandsschweißmaschi.nen Zur Gleichrichtung von Wechselströmen werden vorzugsweise Trockengleichrichter angewendet, die sich durch einfachen Aufbau und hohe Betriebsicherheit auszeichnen. Es stehen im wesentlichen Kupferoxydul-, Selen- und Magnesium-Kupfersulfid-Gleichrichter zur Auswahl. Von diesen Gleichrichterarten hat der Selengleichrichter die höchste Sperrspannung. Die spezifische Stromdichte ist bei dem Magnes,ium-Kupfersulfid-Gleichrichter am größten. Im allgemeinen sind Selengleichrichter gebräuchlich, die jedoch bei hohen Stromstärken zur Verringerung der Zahl der parallel zu schaltenden Platten mit Fremdkühlung arbeiten. Zur Kühlung der Gleichrichtersäulen werden angewendet die künstliche Belüftung oder die Einbettung in einen Ölkessel mit Ölumlaufmotor und Luftrückkühlung oder Wasserrückkühlung. Zur Kühlung der Magnesium-Kupfersulfid-Gleichrichter und zur Abkürzung der Formierungszeit der Selenplatten wird auch die Wasserkühlung angewendet. Die Auswahl der vorteilhaftesten Kühlung ist mit besonderer Sorgfalt zu treffen, wenn sehr .hohe Stromstärken gleichzurichten sind. Der Aufwand für die Abführung der Verlustwärme nimmt sonst unwirtschaftliche Abmessungen an. Dies gilt vor allem bei Gleichrichtern, die nur mit kurzer Einschaltdauer beansprucht werden.
• Außerordentlich starke Ströme von sehr kurzer Einschaltdauer werden bei Widerstandsschweißmaschinen angewendet. Wird mit Wechselstrom geschweißt, belasten die schweren Stöße das Drehstromnetz unsymmetrisch und mit kleinem Leistungsfaktor. Der Trockengleichrichter erlaubt, die Belastung des Netzes zu Symmetrieren und den Leistungsfaktor, der normalerweise etwa cos y) = 0,3 beträgt, auf cos y, = o,8 bis o,9 zu verbessern. Die genannte Verbesserung tritt bereits ei-n, wenn der Gleichrichter an einen Einphasentransformator in Mittelpunktschaltung angeschlossen wird. Zur Einschränkung der Erwärmung des Gleichrichters ist die Schaltung so zu wählen, daß die Durchlaßverluste möglichst klein werden.
• Auch die Schweißeigenschaften erfahren bei Anwendung von Gleichstrom eine Bereicherung. Im Gegensatz zur Wechselstromschweißung, gleich welcher Frequenz, treten keine ausgeprägten Stromspitzen auf. Dies ergibt eine kleinere Elektrodenabnutzung, einen kleineren Werkstückabbrand, eine kleinere Neigung zum Spritzen.
• Aus diesen Gründen werden manche Werkstücke, z. B. Stabgitter und Stehbolzen, ausschließlich mit Gleichstrom geschweißt. Bei der Gleichstromschweißung bewirkt ferner die stetigere Wärmeverteilung an der Schweißstelle, daß der Elektrodendruck kleiner sein kann als bei Wechselstrom, daß also dieselbe Maschine bei Gleichstrom eine größere Leistungsfähigkeit besitzt. Dies ist bei gut leitenden Metallen mit ihrem verhältnismäßig hohen Bedarf an Schweißleistung von besonderem Vorteil.
• Für Schweißzwecke bietet die vezhältnismäßig hohe Sperrspannung des Selengleichrichters den Vorteil, ohne Hintereinanderschaltung von Gleichrichterplatten auszukommen. Die nur 3 V betragende Sperrspannung des höher belastbaren Magnesium-Kupfersulfid-Gleichrichters verlangt eine Hintereinanderschaltung mehrerer Platten, um der erforderlichen Transformatorspannung den Weg zu sperren.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Belastbarkeit des im allgemeinen angewendeten Selengleichrichters in möglichst einfacher und wirksamer Weise zu steigern.
• Es ist schon vorgeschlagen worden, die Selenschicht auf ein das Kühlwasser führendes Kupferrohr. aufzubringen. Dieser sehr zweckmäßigen Anordnung stehen jedoch fertigungstechnische Schwierigkeiten entgegen. Aussicht auf Anwendung hat nur eine Kühlanordnung, die von vorhandenen und allgemein verwendbaren Einrichtungen Gebrauch macht. Das Selen wird gewöhnlich in weitgehend selbsttätig arbeitenden Apparaten auf vernickelte Eisenscheiben aufgedampft. Vor dem Bedampfen wird auf den Scheiben eine hauchdünne Nickelselenschicht erzeugt, deren Hauptaufgabe die Verhinderung der Bildung einer falschen Sperrschicht ist. Die, Erfindung bezieht sich auf eine solche Hochstrom-Selengleichrichteranordnung mit Fremdkühlweg zur Gleichrichtung von einem Wechselstormnetz, vorzugsweise Drehstromnetz, entnommenen starken Strömen kurzer Einschaltdauer der Größenordnung, wie sie beispielsweise bei Widerstandsschweißmaschinen auftreten. Erfindungsgemäß erfolgt zum Erreichen eines optimalen Wirkungsgrades der Gleichrichtung mit Trockengleichrichtern - etwa bis zu der Höhe des .mit Kontaktumformern erzielbaren Wirkungsgrades - die Schaltung der Gleichrichterelemente der Gleichrichteranordnung, vorzugsweise in Verbindung mit der an s.ich bekannten Doppelstdrnschaltung eines Speisetransformators mit Saugdrossel, derart, daß der Strom je Zweig jeweils nur ein. Gleichrich:terelement durchfließt, dessen Grundelektrode aus einer Kupferplatte oder Kupferstromschiene besteht mit aufgebrachter Gleichrichterschicht (Selenschicht, Sperrschicht und Weichmetallschicht), an welche eine Gegenplatte angepreßt ist, wobei die zugleich der Strom- und Wärmeableitung dienenden Kupferplatten zur Erhöhung der spezifischen Belastbarkeit mit Kühlkanälen versehen sind.
• Zur Weiterbildung der Erfindung werden die gebräuchlichen Selengleichrichterplatten bzw. ihr Herstellungsverfahren möglichst unverändert beibehalten. Die Gleichrichterplatte wird zwischen flüssigkeitsgekühlte Kupferplatten oder Kupferschienen eingebettet, wobei dafür gesorgt ist, daß die Kühlplatten mit der Selenscheibe in einer die Wärme gut lehrenden Verbindung stehen. Der Herstellungsgang der Gleichrichterplatten bleibt auch im wesentlichen erhalten. wenn statt der Eisenplatte als Grundelektrode eine Kupferplatte oder Aluminiumplatte angewendet wird. Auf das Zwischenschalten eines Druckstückes zwischen Deckelektrode und Anschlußplatte wird besser verzichtet. Es entfällt damit ein En.gpaß für Strom und Wärme. Auch auf zusätzliche Einbettung der Gleichrichtersäule in einen Ölkessel wird besser verzichtet. Die durch das öl bewirkte zusätzliche Kühlung ist bei Ersatz der Druckstücke durch Platten oder Schienen von derselben Fläche wie die Fläche der Selenschicht überflüssig. Der durch das 01 bewirkte Schutz der Gleichrichtersäule gegen atmosphärische Einflüsse und Temperaturrunterschiede kann auch durch eine Sonderlackierung erreicht werden. Die Gleichrichterplatte ist um so höher belastbar und arbeitet um so wirtschaftlicher, je besser die Kühlung ausgebildet ist.
• Fig. z zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Hochstrom-Selengleichrichter. Auf der Kupferplatte i ist die Selenschicht 2 aufgetragen. Über der durch Formierung erzeugten Sperrschicht 3 befindet sich die aufgespritzte, aus Weichmetall bestehende Deckelektrode q.. Die Kupferplatte 5 dient zur Strom- und Wärmeableitung auf der anderen Seite der Gleichrichte,rsch.icht. Der Bolzen 6 preßt die beiden Platten i und 5 zusammen. Zur Kühlung können in den Kupferplatten Kanäle 7 für das Kühlwasser angeordnet werden. Es können auch an den Stirnflächen der Platten Kanäle- 8 oder auf den Platten Kanäle 8' angebracht werden. Die Bohrung 9 dient zur Aufnahme eines Anschlußbolzens. Handelt es sich um großflächige Platten, dann werden diese in einzelne Schienen aufgeteilt, so daß jede Schiene durch eine Reihe von Bolzen in guten Kontakt mit der Gegenschiene gepreßt wird. Die Kühlung kann auch dadurch bewirkt werdein, daß die Schienen mit ihren Ansch,lußenden (Bohrung 9) auf ein als Kühlkanal ausgebildetes Kontaktstück aufgeschraubt werden.
• Der Hochstrom-Selengleichrichter läßt sich bei der beschriebenen Ausbildung in das Stromschienensystem als Teil desselben raum- und aufwandsparend einfügen. Er kann im Zuge der Stromschienen zwischen Transformator und Schweißelektroden als Kupplung dienen. Diese Anordnung trägt dazu bei, daß der innere Widerstand der Schweißmaschine möglichst klein und der Wirkungsgrad möglichst groß wird.
• In Fig.2 ist die in Durchlaßrichtun.g gemessene Stromspannungslcennlinie U des Selengleichrichters dargestellt. Ihr parabelförmiger Verlauf b--wirkt, daß die Verlustwärme D (Strom X Spannung) annähernd proportional dem Strom ansteigt. Diese Verlustkennlinie unterscheidet sich sehr vorteilhaft von der Verlustkennlinie elektromagnetischer Geräte der Starkstromtechnik, bei denen die Stromwärme proportional dem Ouadrat der Stromstärke ansteigt. Der Trockengleichrichter ist daher in hervorragender Weise geeignet, hohe Belastungen auszuhalten.
• Die Möglichkeit, den Gleichrichter so zu schalten, daß der Strom je Zweig nur ein Gleichrichterelement durchfließt, trägt zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades bei. Fi,g. 3 zeigt als Beispiel die an sich bekannte Doppelsternschaltung mit Saugdrossel in Verbindung mit Trockengleichrichtern. A und B sind die beiden sekundären Wicklungssterne des Transformator, S ist die Saugdrossel, io bis 15 sind die sechs Gleichrichterzweige. Bei dieser Schaltung ergibt sich im Vergleich mit anderen Schaltungen der größte Wirkungsgrad. Er ist praktisch unabhängig von der Belastung und erreicht bei künstlicher Kühlung den hohen Wirkungsgrad des Kontaktumformers.
• Der einfache Aufbau des Hochstrom-Selengleichrichters ist mit einer hohen Betriebssicherheit verbunden und erlaubt einen einfachen Aufbau .der Steuerung des Schweißstromes. Die parabelförrmig verlaufende Gleichrichterkennlinie hat einen selbstregelnden Einfluß auf die gleichmäßige Güte der Schweißpunkte und macht praktisch unabhängig vom Punktabstand.
• Bei Leichtmetallschweißmaschinen werden zur Vermeidung des Anschmorens der Elektroden am Werkstück statt gewöhnlichem Leitungswasser noch kältere Kühlmittel angewendet. Mit diesen Kühlmitteln kann auch die spezifische Belastbarkeit des Hochstromglei.chrichters gesteigert werden.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Hochstrom-Selengleichrichteranordnung mit Fremdkühlung zur Gleichrichtung von einem Wechselstromnetz, vorzugsweise Drehstromnetz, entnommenen starken Strömen kurzer Einschaltdauer der Größenordnung, wie sie beispielsweise bei Widerstandsschweißmaschinen auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen eines optimalen Wirkungsgrades der Gleichrichtung mit Trockengleichrichtern - etwa bis zu der Höhe des mit Kontaktumformern erzielbaren Wirkungsgrades - die Schaltung der Gleichrichterelemente der Gleichrichteranordnun:g, vorzugsweise in Verbindung mit der an sich bekannten Doppelsternschaltung eines Speisetransformators mit Saugdrossel, derart erfolgt, daß der Strom je Zweig jeweils nur ein Gleichrichterelement durchfließt, dessen Grundelektrode aus einer Kupferplatte oder Kupferstromschiene besteht mit aufgebrachter Gleichrichterschicht (Selenschicht, Sperrschicht und Weichmetallschicht), an welche eine Gegenplatte angepreßt ist, wobei die zugleich der Strom-und Wärmeableitung dienenden Kupferplatten zur Erhöhung der spezifischen Belastbarkeit mit Kühlkanälen versehen sind.
2. 2. Gleichrichteranordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß bei großflächigen Platten zur Erzielung eines innigen Kontaktes mit der Gleichrichte@rschicht bei gleichmäßiger Druckverteilung die Kupferplatten des Gleichrichterelementes - vorzugsweise in einzelne Kupferschienen aufgeteilt - durch eine Reihe von Bolzen gegeneinandergepreßt sind.
3. 3. Gleichrichteranordnung nach Anspruch i oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichte-relemente im Zuge der Stromschienen zwischen Transformator und Schweißelektroden (als Kupplung) eingefügt sind.
4. 4. Gleichrichteranordnung nach Anspruch i oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Oberfläche der verwendeten KupfeTplatte.n bzw. Kupferschienen mit einer Korrosionsschutzschicht, vorzugsweise aus Nickel, überzogen ist. Gleichrichteranordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlkanäle an die Kupferplatten bzw. Kupferschienen angelötete Kühlrohre, insbesondere für Wasserkühlung, verwendet werden. 6. Gleichrichteranordnung nach Anspruch. i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung ein kälteres Kühlmittel als gewöhnliches Leitungswasser verwendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 593 831, 883 479; schweizerische Patentschrift Nr. 176 4722; britische Patentschrift Nr. 373 849; K. Meier, 1938, München-Berlin: »Trockengleichrichter«, S. 2o2.