DE629381C - Gleichstromgenerator zum Betrieb eines Lichtbogens - Google Patents

Description

DEUTSCHES REIGH

AUSGEGEBEN AM 29. APRIL 1936

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 2Id¹ GRUPPE

I. G. Farbenindustrie Akt.-Ges. in Frankfurt a. M.*) Gleichstromgenerator zum Betrieb eines Lichtbogens

Patentiert im Deutschen Reiche vom 27. Januar 1932 ab

Die bekannten Gesetzmäßigkeiten der Stabilität eines Gleichstromlichtbogens erfordern, daß der Bogen, der eine negative Stromspannungscharakteristik hat, von einer Stromquelle gespeist wird, deren Spannung mit zunehmender Stromstärke stark abfällt, die also eine fallende Stromspannungscharakteristik hat. Bedingung der Stabilität ist, daß im Arbeitspunkt die Charakteristik der Stromquelle steiler ist als die Lichtbogencharakteristik. Für ein ruhiges Brennen des Lichtbogens ist es wichtig, daß Strom- und Spannungsänderung der Stromquelle entsprechend der fallenden Charakteristik ohne Verzögerung erfolgen. Hält man beim Schweißlichtbogen diese Forderung nicht ein, so brennt der Bogen unruhig, neigt zum Abreißen und zum Spritzen, was auf die hohen Stromstöße beim Material-Übergang zurückzuführen ist. Immerhin tritt beim Schweißlichtbogen die Forderung der unverzögerten Einhaltung der Stromspannungscharakteristik nicht so klar zutage, weil durch den ständigen Material-Übergang immer wieder neue Zündung des Lichtbogens erfolgt und ein Abreißen dadurch verhindert wird. Außerdem ist der in Luft brennende kurze Schweißlichtbogen an und für sich relativ stabil. Anders ist es dagegen bei frei brennenden Lichtbögen für chemische Gasreaktionen, die sehr hohe Spannung haben und zum Teil in Wasserstoffumgebung brennen.

Diese Bögen sind größtenteils sehr labil, und ein stabiler Bogenbetrieb ist nur dann zu erreichen, wenn Strom- und Spannungswert der vorgeschriebenen Charakteristik wirklich unverzögert folgen und wenn die Charakteristik so steil ist, daß sie einen Winkel von bestimmter Größe mit der Lichtbogencharakteristik bildet. Verzögerungen, die durch irgendwelche magnetische Trägheiten hervorgerufen werden, genügen bei derartigen Lichtbögen schon, um den stabilen Betrieb unmöglich zu machen. Bei solchen Bögen ist es bekanntlich notwendig, zu unterscheiden zwischen der statischen Charakteristik, die sich nach Abklingen der mit jeder Stromänderung verbundenen Ausgleichvorgänge (bestimmt durch die Zeitkonstante der in Frage kommenden Stromkreise) einstellt; und der bei jeder Änderung von Strom oder Spannung im ersten Augenblick wirkenden Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung, der sogenannten dynamischen Charakteristik, die einen ganz anderen Neigungswinkel hat. Bei einem Generator für Lichtbogenbetrieb ist die erstgenannte statische Charakteristik bestimmend für die Bemessung von Kupfer und Eisen und für die Beanspruchung des Isoliermaterials bei der Leerlaufspannung, die ja immer wesentlich

*) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Dipl.-Ing. Karl Krapp in Mannheim,

über der Arbeitsspannung liegt, sowie für die Größe des auftretenden Kurzschlußstromes. Die dynamische Charakteristik dagegen ist maßgebend für die Stabilisierung des Lichtbogens. Wenn nicht besondere Maßnahmen getroffen werden, wirkt die magnetische Trägheit in der Weise, daß sich bei Stromänderungen die zugehörigen Spannungswerte erst allmählich einstellen. Dies ίο bedeutet aber, daß die dynamische Charakteristik flacher ist als die statische.

Durch den im folgenden beschriebenen Gleichstromgenerator, der besonders zunr Betrieb frei brennender, schwer zu stabilisierender Lichtbogen bestimmt ist, wird durch die besondere Anordnung der Wicklungen und der Eisenquerschnitte bewirkt, daß die dynamische Charakteristik wesentlich steiler verläuft als die statische. Die r ²⁰ letztere kann durch die besondere Anordnung und Bemessung von geschwächten Jochstiicken fladh gehalten werden, was: eine niedrigere Leerlaufspannung zur Folge hat, ohne daß die Stabilität des Bogens gefährdet wird. Es wird also durch die neue Anordnung die Forderung einer möglichst steilen dynamischen und einer möglichst flachen statischen ' Charakteristik erfüllt. Die Anordnung ist folgende:

' In •an sich bekannter Weise erhält der Generator außer den Haupterxegerpolen weitere Pole, die nur vom Lichtbogenstrom erregt werden und im Anker eine Spannung hervorrufen, die der von den Haupterregerpolen erzeugten Spannung entgegengesetzt ist und die' jeder Änderung des Lichtbogenstroms sofort folgt. Die Pole des Generators werden erfindungsgemäß durch Joche von verschiedenem: magnetischem Widerstand derart verbunden, daß der magnetische Widerstand eines Joches, das einen Haupt- und einen Hilfspol gleicher Polarität verbindet, 'ein Mehrfaches des Widerstandes eines Joches beträgt, das einen Haupt- und «inen ' Hilfspol entgegengesetzter Polarität ■verbindet. Außerdem sind die magnetischen Widerstände" der Joche so bemessen, daß bei Stromentlastung ein bestimmter wesentlicher Teil des Hauptpolflusses über den zugehöri- g&n Hilfspol entgegengesetzter Polarität zurückfließt und die Leerlaufspannung dadurch auf einen festgesetzten Wert; herabgedrückt wird. Hierdurch wird erreicht, daß durch Verminderung des vom Lichtbogenstrom erzeugten Jochflusses der Fluß,' der von der Haupterregung herrührt, verkleinert und überdies derartig in die Hilfspole abgelenkt wird, daß er unter dem Hilfspol Spannungen erzeugt, die der Hauptspannung entgegenwirken. Während der vom Lichtbogenstrom erregte Fluß sich mit dem Lichtbogenstrom sofort ändern muß, wird einer Verminderung des Flusses der Haupterregerpole durch Sekundärströme in der Haupterregerwicklung verzögert. Die Verzögerung kann vergrößert werden durch Anbringung eines Dämpferringes oder einer Dämpferwicklung, sie kann verkleinert werden durch Erhöhung des Ohmschen Widerstandes des Erregerstromkreises. Man hat also die Möglichkeit, den Spannungsverlauf so zu beeinflussen, daß zuerst eine unverzögerte intensive Spannungsänderung erfolgt, die anschließend im Sinne einer geringeren Spannungserhöhung bei Entlastung korrigiert wird, wobei diese Korrektur so rasch erfolgen kann, daß eine Gefährdung der Maschine vermieden wird. Um die im Anfang rasch erfolgende Spannungsänderung zu beschleunigen, kann man die vom Lichtbogenstrom erregten Pole und gegebenenfalls auch die Joche aus lamelliertem Eisen ausführen.

In Abb. ι und 2 ist die Anordnung nach der Erfindung schematisch wiedergegeben und gezeigt, welcher Flußverlauf sich bei Belastung und im Leerlauf ergibt. 1 ist der Anker des Generators, der die Bürsten 2 und 3 und gegebenenfalls noch die Hilfsbürste 4 trägt. '5 sind die Hauptpole, die die Häupterregerwicklung 6 tragen, welche fremd oder im Nebenschluß von den Bürsten 2 und 4 aus gespeist wird. Die Pole 7 tragen die vom Belastungsstrom durchflossen Erregerwicklung 8. Die Joche sind in den Querschnitten verschieden, und zwar haben die Joche 9 großen, die Joche 10 kleinen Querschnitt. Die Größe der Jochquerschnitte richtet sich nach der Flußverteilung bei Normalbelastung, -wie sie in Abb. 1 dargestellt ist. Darin ist der von der Haupterregerwicklung erzeugte Fluß mit ausgezogenen Linien, der vom Belastungsstrom erzeugte Fluß mit gestrichelten Linien gezeichnet. Man erkennt, daß diese beiden Flüsse in den Jochen 9 gleichgerichtet, in den Jochen 10 entgegengesetzt gerichtet sind. Nimmt man an, daß bei normaler Belastung der Haupterregerfluß doppelt so groß ist wie der vom Belastungsstrom erzeugte Fluß und daß in diesem Betriebszustand alle Joche gleiche Eisensättigungen haben, so müssen die Jochquerschnitte 9 und 10 sich wie 3 : 1 verhalten. Bei Belastung wird unter den Polen 7 in den Ankerleitern eine Spannung erzeugt, die entgegengesetzt gerichtet ist wie die Spannung in den Leitern unter den Polen 5; die Maschinenspannung an den Bürsten 2 und 3 ist deshalb gleich der Dif- , ferenz dieser Spannungen. Plötzliche Änderungen des Belastungsstroms in der Wicklung 8 verändern den Fluß in den Polen 7 und damit die Maschinenspannung unver-

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zögert. Änderungen des Flusses im Pol 7 wirken auf die Führung des Hauptflusses, der in den Polen 5 erzeugt wird, nur insoweit zurück, als dadurch der magnetische* Widerstand in den Jochen 10 verändert wird. Eine Änderung des Hauptflusses kann jedoch nicht plötzlich auftreten, weil sie durch einen Stromstoß in der Wicklung 6 verzögert wird, wie dies schon oben geschildert wurde. Man kann den zeitlichen Verlauf dieses Stromstoßes durch geeignete Wahl der Zeitkonstanten der Wicklung 6 nach Wunsch gestalten. Wie die mit einstellbarer Verzögerung auftretende Veränderung des Hauptflusses bei großen Änderungen des durch die Wicklung 8 fließenden Belastungsstromes sich auswirkt, erkennt man in Abb. 2, wo der Flußverlauf im Leerlauf gezeigt ist. Bei Leerlauf fällt der gestrichelte Fluß in Abb. 1 weg, und der Gesamtfluß in den Jochen 10 müßte auf den doppelten Wert steigen. Dadurch wurden aber die Joche 10 zu hoch gesättigt, und es wird deshalb ein Teil des durch 5 und 9 geführten Flusses entsprechend Abb. 2 in die Pole 7 abgedrängt, von wo aus er sich über den Anker zu den Polen 5 schließt. Dieser Teil des Hauptflusses erzeugt nun unter den Polen 5 und 7 gleiche und entgegengesetzt gerichtete Spannungen, die zur Maschinenspannung an den Bürsten 2 und 3 nichts beitragen. Die Masdhinenspannung im Leerlauf entspricht also nicht dem Hauptfluß nach Abb. 1, sondern ist kleiner, weil erstens der Fluß durch die Pole 5 kleiner geworden ist und zweitens ein Teil dieses Flusses zur Gesamtspannung nichts beiträgt. Die Senkung der Leerlaufspannung ist davon abhängig, wie groß man die Sättigung im Joch 10 und den Luftspalt am Pol 7 wählt.

Von Bürste 2 und einer Hilfsbürste 4 kann eine Spannung abgenommen werden, die nur durch den Hauptfluß im Pol 5 bestimmt, also nur wenig veränderlich ist.

Benutzt man diese Spannung zur Speisung der Wicklung 6, so wirkt die auftretende Spannungsänderung im Sinne einer Herabsetzung der Leerlaufspannung.

Bei einem solchen Generator kann durch die Wicklung 8 an Stelle des Lichtbogen-Stroms ein fremder Strom fließen, der vom Lichtbogenstrom abhängig ist.

Der Generator kann auch mit Wendepolen und Kompensationswicklung ausgeführt werden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Gleichstromgenerator zum Betrieb eines Lichtbogens, welcher außer den Haupterregerpolen noch Hilfspole besitzt, die nur vom Lichtbogenstrom oder in Abhängigkeit vom Lichtbogenstrom so erregt werden, daß sie dem Feld der Hauptpole entgegenwirken und in den ,Ankerleitern eine entgegengesetzte Spannung erzeugen wie die Hauptpole, dadurch gekennzeichnet, "daß die Pole durch Joche von verschiedenem magnetischem Widerstand derart verbunden sind, daß der magnetische Widerstand eines Joches, das einen Haupt- und einen Hilfspol gleicher Polarität verbindet, ein Mehrfaches des Widerstandes eines Joches beträgt, das einen Haupt- und einen Hilfspol entgegengesetzter Polarität verbindet.

2. Gleichstromgenerator nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Lichtbogenstrom erregten Pole und gegebenenfalls auch die Joche aus lamelliertem Eisen ausgeführt sind.

3. Gleichstromgenerator nach Anspruch i, dadurch: gekennzeichnet, daß die Haupterregerpole mit einer Dämpferwicklung oder einem Dämpferring ausgestattet sind.

4. Gleichstromgenerator nach Anspruch ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mit einem Hilfsbürstensatz ausgerüstet ist, mit Hilfe dessen eine Spannung abgenommen werden kann, die nur vom Fluß der Haupterregerpole ■ induziert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen