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Steuerung von als Schalter wirkenden Gas- oder Dampfentladungsstrecken
für Punkt- und Nahtschweißmaschinen Die Erfindung betrifft eine Steuerung für Punkt-
und Nahtschweißmaschinen, die über gittergesteuerte dampf- oder gasgefüllte Entladungsstrecken
gespeist werden. In Abb. i ist das Prinzipschaltbild für derartige Anlagen dargestellt.
Das Netz U speist über die Entladungsstrecken i und 2 den Schweißtransformator 3.
Die hierdurch in der Schweißmaschine erzeugten Spannungen und Ströme sind in Abb.
2 dargestellt. Die Abb. 2 a und 2 b stellen den heraufgeregelten bzw. den heruntergeregelten
Zustand dar. An die Gittersteuerung der Entladungsstrecken i und- 2 sind folgende
Anforderungen zu stellen: i. Unabhängig von dem Augenblick, in dem der Befehl zum
Stromeinsatz erteilt wird, muß immer dieselbe positive erste Halbwelle an dem gleichen
An@s-teuerpunkt a freigegeben werden (vgl. Abb. 2). 2. Ebenfalls unabhängig von.
dem Augenblick, in dem der Befehl zum Stromeinsatz gegeben wird, muß gleichzeitig
mit dem Stromeinsatz ein. Zeitkreis eingeschaltet werden, der bei jeder Belastung
der Schweißmaschine nach
derselben einstellbaren Zeit de- Gitterimpulse
für beide Entladungsstrecken: i und 2 zum Verschwinden bringt. 3. Die beiden oben
stehenden Forderungen müssen bei jedem beliebigen Anschnitt a an den: Entladungsstrecken
erhalten bleiben.
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Die .erste Forderung wird am einfachsten und sichersten, wie bekannt,
dadurch erfüllt, dar die Gittersteuerhnpulse eines Spezialtransformators 4. nach
Abb. 3 für die Entladungsstrecken im stromlosen Zustand der Schweißmaschine entweder
für beide Entladungsstrecken kurzgeschlossen werden oder für die zweite, die sog.
1,Tachfolgeentladungsstrecke, durch starke negative Vorspannung unter die kritische
Gitterspannung gesenkt werden. Im letzteren Fall (Abb.3) ist dann bloß der Impuls
der Entladungsstrecke i kurzzuschließen (durch das Hilfsgefäß 5), an der zweiten
Strecke wird durch eine der bekannten Nachfolgesteuerungen der Zündimpuls bis zur
sicheren Freigabe für jede Stromperiode *der Entladungsstrecke i angehoben. In Abb.
3 ist bei Ci, C@ die NachfolgesteuerungderEntladungsstrecke 2 angeschlossen. Die
Anschlüsse Dl, D, führen zum Drehregler. Der Vorteil, den das Kurzschließen des
Gittersteuerimpulses durch ein Hilfsgefäß bietet, besteht darin, daß der Stromeinsatzbefehl
durch Sperren dieses Hilfsgefäßes ausgeführt wird und infolgedessen auch dann, wenn.
er während der Dauer des Gitterimpulses gegeben wird, erst während der folgenden
Periode wirksam werden. kann.
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Die zweite Förderung läßt sich nun bei dieser Ausführung der Steuerkreise
nur verwirklichen, wenn derselbe Impuls, der zum Steuern der Hauptentladungsstrecke
eingeschaltet wird, auch gleichzeitig dazu dient, die elektrischen Vorgänge am Zeitkreis
der Anordnung beginnen zu lassen. Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den
in diesem Fall als Zeitkreis benutzten Anordnungen aus Kondensator und Widerstand
z. B. als Ladestrom keinen einfachen Gleichstrom zuzuführen, sondern die Aufladung
des Kondensators stufenweise, und zwar am besten durch eine angeschnittene Sinushalbwelle
nach Abb. 4: und 5 vorzunehmen.. Von einem Drehregler Dl, D, zur Phaseneinstellung
wird wiederum ein Transformator 4 gespeist, dessen linke Sekundärwicklung entweder
die Steuerimpulse zur Entladungsstrecke i bei El, E., liefert oder beim Kurzschließen
durch das Rohr 5 wirkungslos ist. Diese gleichen Steuerimpulse werden aber auch
in dem Rohr 7 (bei gelöschtem Rohr 5) wirksam, das durch die an den Widerständen
8, 9, io liegende Gleichspannung entsprechend vorgespannt ist. Das Gitter des Rohres
5 ist normalerweise durch die Gleichspannung des PotentiometerS S, 9, 1o positiv
vorgespannt, das Rohr ist damit leitend und die zur Entladungsstrecke i und zum
Hilfsgefäß 7 geführten Zündimpulse, wie in Abb.51) links g,zeigt, unwirksam. Durch
Einlegen eines willkürlich betätigten Schalters 13 wird das Potential des Gitters
von 5 schlagartig, wie in Abb. 5 d links unten gezeigt, ins Negative heruntergerissen.
Der minimale Ladestrom, der über den Widerstand 14, den Schalter 13, dem Kondensator
ii zufließt, ist zu vernachlässigen.. Der in Abb. 5 gerade während der Dauer eines
Gitterimpulses gegebene Befehl zum Stromeinsatz (vgl. Abb. 5 b und 5 d) bleibt unwirksam
bis zur zweiten Periode der Netzspannung (Abb. 5 a), in der nun der Steuerimpuls
des Transformators q an den Gefäßen. i und 7 zur Wirkung kommt. Die Sch-,veißmaschine
bekommt damit Strom geliefert, und durch eine nicht näher erläuterte Nachfolgesteuerung
Cl, C, wird auch mit Sicherheit erreicht, daß der in der zweiten rechten Sekundärwicklung
von a erzeugte Steuerimpuls auch für die zugehörige negative Halbwelle wirksam wird.
Gleichzeitig wird aber. auch das Rohr 7 leitend und liefert von einem mit dem Transformator:I
phasenfest verbundenen Transformator 15 einen Spannungsimpuls von. der in Abb.5c
gezeichneten Form in den Transformator 6. Ein diesem Spannungsimpuls entsprechender
Stromstoß fließt auf der Sekundärseite von 6 über einen Trockengleichrichter dem
Zeitkreis i 1, 1.2 zu und lädt den Kondensator i i in jeder Halbwelle um einen gewissen
Betrag auf. Dieser Vorgang wiederholt sich mehrere Male. Auf jede der dadurch freigegebenen
positiven Halbwellen der Netzspannung in einem Starkstromkreis folgt eine entsprechend
negative Halbwelle, bis schließlich (in Abb.5 nach vier Perioden) die Zündgrenze
für das Gefäß 5 von, der am Kondensator i i liegenden Spannung überschritten wird,
so daß nach diesen vier Perioden das Gefäß 5 wieder leitend und damit die Impulse
des Transformators 4 sowohl tür die Hauptentladungsstrecke i wie für das Hilfsgefäß
7 unwirksam gemacht sind. Der außerordentliche Vorteil der stufenweisen Aufladung
des Zeitkreiskondensators besteht dabei darin, daß durch geeignete Wahl der elektrischen.
Größen nach der vorgegebenen Zeit (Anzahl von Perioden) der Kondensator in seiner
Spannung um eine Stufe ansteigt, die den Streubereich in der Charakteristik des
von diesem Augenblick ab wieder freigegebenen Hilfsrohres sicher überstreicht. Wie
man aus dem Schaltbild Abb. q. ohne weiteres ersieht, ist es nun aber, damit schließlich
auch die Forderung 3 erfüllt wird, erforderlich, daß die Sinusspannung des Transformators
15, aus der die Ladehalbwelle
ausgeschnitten wird, zusammen mit
dem . Steuerimpuls für die Haupt- und Hilf sentladungsstrecken in der Phase geschwenkt
wird.
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Bekannte Schaltungsanordnungen:, die nach diesem Prinzip aufgebaut
sind, weisen eine ganze Reihe von Nachteilen auf. Der Drehregler, der zur Phasendrehung
der Impulse und der Ladehalbwelle erforderlich ist, ist teuer. Die wünschenswerte
Stabilisierung der für die Zeitdauer maßgebenden Gleichvorspannung am Potentiometer
8, 9, ro und der Ladehalbwellen stößt auf Schwierigkeiten. Stabilisiert man die
Gleichvorspannung am Gitter des Hilfsrohres 5, so ist sie von Netzspannungss.chwankungen
unabhängig, während andererseits die Ladeimpulse, die über den. Drehregler aus dem
Netz entnommen werden, netzspannungsabhängig bleiben. Um auch sie netzspannungsunabhängig
zu machen, müßte der Drehregler sekundärseitig durch einen Stabilisator erheblich
vorbelastet und damit weiterhin verteuert werden.
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Um diese Nachteile zu vermeiden:, ließe sich daran denken, für die
Hauptentladung'sstrecke r das Prinzip anzuwenden, die durch starke negative Vorspannung
unwirksam gemachten Steuerimpulse durch Halbwellen nach positiven Werten zu verschieben:
und dadurch wirksam werden. zu lassen. Dies Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß
beim Herausheben durch Sinushalbwellen die Höhenlage des Impulses und damit der
theoretische Anschnittspunkt bei endlicher Steilheit des Spannungsanstieges: des
Steuerimpulses vom eingestellten, Anschnitt abhängig ist (s. Abh. 6). Außerdem bleibt
dann. der Nachteil bestehen, daß auch die Ladespannung für den Zeitkreis mit dem
Impuls geschwenkt werden muß. Dadurch ist insbesondere eine Phasenschwenkung, wie
sie in Abb. 7 im Prinzip dargestellt ist, und die insbesondere preislich große Vorteile
bietet, unmöglich gemacht, da sich dabei selbst im theoretischen Fall beim Benutzen
eines unendlich leistungsfähigen Potentiometers die in der Phase geschwenkte Spannung
am Steuerumspanner q. zwischen den Werten a und y 3 d. h. um etwa 15°1o, ändert.
In Abb. 7 bedeuten R, S, T die Anschlüsse an das Drehstromnetz. Mit q. ist der Steuertransformator
und mit P das Potentiometer bezeichnet. Die Steuerspannung wird an den Klemmen a-b
abgenommen.
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Die Anordnung gemäß vorliegender Erfin._ dung vermeidet diese Nachteile,
und zwar dadurch, daß die Impulse für die Hauptentladungsstrecke durch eine Gleichspannung
herausgehoben werden, die an einem Gasentladung srohr bei dessen Sperrung auftritt.
Diese Gleichspannung wird ja nur während der Zeit gebraucht, in der die zugehörige
Hauptentladungsstrecke bei allen möglichen Anschnitten überhaupt leitfähig sein:
kann (positive Halbwelle der speisenden Phase des Hauptkreises). In der Folgehalbwelle
des Hauptkreises kann diese Gleichspannung ohne weiteres wegfallen, da dann ein
Herausheben derImpulsenichterforderlichist. Erfindungsgemäß wird das nach Schaltung
Abb,.8 dadurch erreicht, daß von den an den Widerständen 8, 15, 9 und dem Stabilisator
ro liegenden Teilspannungen einer Gleichspannungsquelle die Spannung an den Widerständen
15- und g über einen Widerstand 16 die Entladungsstrecke 5 speist und daß an den
Widerstand 16 unter geeigneter fester Phasenlage zum Netz U über einen Transformator
r7 und einen Trockengleichrichter eine Halb wellengegenspannung angelegt wird, die
den Strom, in der Entladungsstrecke 5 periodisch zu Null werden läßt. Für zwei Stromperioden
und zwei anschließende Perioden Pause ergibt sieh damit Abb. g. Die Gleichspannung,
die in den ersten beiden Perioden als U5 am Rohr 5 auftritt, ist damit die Basis,
auf der die eigentliche Steuerspannung für die Entladungsstrecke, die vorzugsweise
mit spitzer Wellenform aus dem Transformator 4 als UT"4 entnommen wird, je nach
Ein- oder Ausschaltung der Hauptentladungsstrecken angehoben und damit wirksam gemacht
-oder ins Negative gezogen und damit unwirksam gehalten wird. Die Verwendung der
Gleichspannung für diesen Zweck bietet noch den weiteren Vorteil, daß auf ihr als
Basis noch eine zweite, aus einem zweiten Transformator 18 (vgl. Abb.8) mit fester
Phasenlage zum Netz U entnommene Steuerspannung. aufgebaut werden. kann,, die dann
dazu dient, über die Hilf sentladungsstrecke 7 einen Stromimpuls zum Laden der Zeitkreiskondensatoren
ein- und auszuschalten. Bei F1, F2 ist die Nachfolgesteuerung angeschlossen. Selbst
in dem ungünstigsten Fall, daß der Befehl zum Stromeinsatz gerade zwischen dein
beiden Impulsen an der Stelle- X in Abb. 9 gegeben wird, beginnen Stromfluß und
Aufladung des Zeitkreises mit Sicherheit in derselben Hälfte der Speisespannung,
so daß auch die Forderung 3 immer erfüllt bleibt. Die Phasenschwenkung des: Hilfstransformators
q. kann nun leicht über ein Potentiometer P vorgenommen werden, da für einen derartigen
magnetischen Sättigungswandler Spannungsänderungen von etwa 15 01o nicht
allzu störend sind.
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In Abb. ro ist das vollständige Schema der Gesamtschaltung gezeigt.
Es werden hierbei nicht zwei im Hauptstromkreis der Schweißmaschine 3 liegende Entladungsstrecken
direkt gesteuert, sondern es werden zwei
Hilfsgefäße durch Gittersteuerung
leitend gemacht, die alsdann den Zündstiften. zweier Entladungsstrecken im Hauptkreis
die Zündimpulse zuführen. Diese Hilfsgefäße erhalten ihre spitzen Steuerspannungen
aus dem Transformator .I, dessen Phase über das angezapfte Potentioineter ig geschwenkt
wird. Das tordiagramm dieser Schwenkung ist inAbb. i i gezeichnet. Die erforderliche
Hilfsphase liefert der Transformator 2o, der gleichzeitig zwei Vorspannungsquellen
für die Gitterkreise der Hilfsrohre i und 2 und die Verg neichsspannung für den
Zeitkreis an dein 1
Stabilisator io und den Widerständen g, 15, 8 liefert.
An dem Widerstand q wird die Spannung abgegriffen, die das Gitter des Hilfs rohres
5 normalerweise positiv hält. Wird durch <lnschalten des Kondensators i i ül:er
den willkürlich betätigten Schalter 13 das Gitter dieses Rohres negativ gemacht,
so fließt über den Widerstand 16 kein Strom, sobald der Gleichstrom über das Rohr
5 durch die vorn Transformator 17 und Gleichrichter gelieferte Halbwellenspan.nung
gelöscht ist. Damit steigt das Potential der Anode des Hilfsrohres 5, bringt die
Entladungsstrecke i zum Zünden und zündet gleichzeitig das Hilfsrohr 7 über den
phasenfest eingestellten Steuertransformator 18 mit einem Kern aus leicht sättigbarem
Material, z. B. aus einer Nickel-Eisen-L egierung. Dem Hilfsrohr ; wird die am Stabilisator
21 abgegriffene Spannung zugeführt, und zwar über den Transformator 6, der mit der
unteren Sekundärwicklung über den Gleichrichter 22, z. B. einen Vakuumgleichrichter,
und den einstellbaren Widerstand 12 den, zeitkreiskondensator i i auflädt. Die zweite
Sekundärwicklung des Transformators 6 lädt einett aus Kondensator und Widerstand
bestehenden Kreis über einen Gleichrichter auf und hebt durch die am Kondensator
23 dabei auftretende Spannung den Impuls für die zweite Hilfsentladungsstrecke 2
so weit an, daß auch diese mit Sicherheit zur Zündung kommt. Der genaue Zündeinsatz
dieser Strecke wird durch die spitze Kurvenform des Transformators q. gewäb rleistet.
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Die in Aüb. io angegebene Anordnung ist in dieser Form nur als Punktschweißsteuerung
verwendbar. Sie kann jedoch mit den verschiedensteri Hilfsmitteln auf einfache Art
und Weise zu einer Nahtsteuerung erweitert werden. Man sieht aus dem Schaltschema
deutlich, daß die Neueinleitung .eines Schweißpunktes ohne weiteres durch eine kurzdauernde,
aber vollständige Entladung des Z-itkreislcondensatcrs i i möglich ist. Dazu wird
dieser Kondensator einfach über einen Entlad,,u%-iderstarid hurzgesclilossen, jedoch
darf dieses Kurzschließen nur einen gewissen Teil einer Periode der Netzspannung
dauern. Außerdem muß sie in einem Zeitbereich erfolgen., der gerade zwischen den
möglichen Ladezeiten zwischen zwei Halbwellen liegt. Diese Aufgabe läßt sich durch
mechanische Schalter gut erfüllen. Der mechanische Schalter kann aber noch vereinfacht
«-erden, wenn man mit ihm den Gitterkreis eines Entladungsrohres steuert. Es ist
nur erforderlich, an das Gitter eines solchen Rohres, das normalerweise durch eine
negative Vorspannung gesperrt gehalten wird, über einen kleinen Kondensator einen
kurzzeitigen positiven Spannungsstoß zu legen. Dann muß allerdings durch eine zusätzliche
Gleichspannungsquelle der Spannungsabfall in diesem Entladungsrohr ausgeglichen
werden, damit der Zeitkreiskondensator tatsächlich bis auf die Spannung Null entladen
wird. Da aber, wie man aus Abb.9 ersieht, für die Entladung des Kondensators beinahe
eine Halbwelle zur Verfügung steht, ist es ohne -,veiteres möglich, mit einem mechanischen
Schalter die Entladungen. direkt vorzunehmen.
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Dieser Schalter muß natürlich synchron zum speisenden Drehstromnetz
betrieben werden. Die Häufigkeit seiner Betätigung richtet sich nach dem Takt der
Nahtschweißung, d. h. den Abständen in Perioden, mit denen die Einzelpunkte einander
folgen, wobei immer von Beginn zu Beginn eines jeden Einzelpunktes gemessen wird.
Während also bei den früheren Steuerungen, bei denen für Strom- und Pausendauer
getrennte Zeitkreise vorhanden waren, jede einzelne der beiden Größen einsgestellt
werden konnte, wird jetzt die Punktdauer mit Hilfe des Zeitkreiskondensators (i
i in Abb. io), die Pausendauer dagegen als Differenz der Taktdauer vermindert um
die Punktdauer festgelegt.
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Bei genügend langsamen Lauf eines derartigen: Takters geht die Nahtschweißung
über in eine Heftnahtschweißung, die mit umlaufenden Elektroden an der Schweißmaschine
hergestellt werden muß und bei der die einzelnen Heftpunkte einen in Perioden der
Netzspannung festgelegten Abstand haben. Will man eine solche Schweißung mit den
für Punktsch-,veißungen üblichen zylindrischen Elektroden an der Maschine herstellen,
die für jeden Punkt erneut gegen das Werkstück geprellt werden müssen, so stehen
hei der angegebenen Schaltung zwei Wege offen. Entweder wird nach Erreichen des
nötigen Anpressungsdruckes jedesmal eine neue Punlctscliw.eißring über die ganze,
in Alb. io der Einfachheit halber nicht gezeichnete Relaisautomatik (willkürlicher
Schalter 13) eingeleitet, oder es bleibt in der obigen Schaltun-- die Einstellung
für Punktschweißung dauernd bestehen, und es wird mir mit Hilfe
eines
der bekannten Mittel nach Erreichen des erforderlichen Druckes eine. kurzzeitige
Entladung des Zeitkreiskondensators bewirkt.