DE956145C

DE956145C - Rectifier circuit arrangement for supplying direct current consumers with electric arc operation

Info

Publication number: DE956145C
Application number: DEM18881A
Authority: DE
Inventors: Karl Maier
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1953-06-10
Filing date: 1953-06-10
Publication date: 1957-01-17

Description

Stromverbraucher, die mit einem Lichtbogen arbeiten, z. B. Kinobogenlampen, Lichtbogenschweißapparate, werden bisher über Gleichrichter gespeist, die entweder im. Primärkreis oder im Sekundärkreis ohmsche oder induktive Widerstände besitzen, um zu vermeiden, daß beim Zünden des Lichtbogens, also praktisch bei einem Kurzschluß der Elektroden, ein zu hoher Strom auftritt. Die Arbeitsspannung des Lichtbogens beträgt bei Betrieb des Lichtbogens zwischen Kohlen 25 bis 40 Volt und beim Lichtbogenschweißen etwa 15 bis 22 Volt. Zur Zündung des Lichtbogens ist jedoch eine Spannung erforderlich, die über 60 Volt liegen muß und bei Kinogleichrichtern im allgemeinen zwischen 75 und 100 Volt und bei Schweißgleichrichtern zwischen 60 und 72 Volt gelegt wird.Electricity consumers who work with an arc, e.g. B. cinema arc lamps, arc welding machines, are so far fed via rectifiers that are either in. Primary circuit or in the secondary circuit Have ohmic or inductive resistances in order to avoid that when the arc is ignited, that is practically with a short circuit of the electrodes, an excessively high current occurs. The working voltage of the Arc is 25 to 40 volts when operating the arc between coals and when arc welding about 15 to 22 volts. To ignite the arc, however, a voltage is required, which must be above 60 volts and, in the case of cinema rectifiers, generally between 75 and 100 volts and with welding rectifiers between 60 and 72 volts.

Durch Veränderung des Widerstandes bzw. durch Änderung des induktiven Widerstandes z. B. durch Herausdrehen des Eisenkernes oder durch Drosseln mit veränderlichem Joch bzw. Luftspalt oder aber durch Verwendung vormagnetisierter Drosseln kann der Kurzschlußstrom, d. h. der Strom bei der Spannung Null, stetig verkleinert werden bis zu einem Wert, der bei etwa 15 bis 2O°/₀ des Endwertes liegt. Bei Schweißgleichrichtern kann man diese Charakteristik auch dadurch erzeugen, daß die Primär- und Sekundärspulen nicht übereinander, sondern nebeneinander angeordnet werden, und zwar mit einem bestimmtenBy changing the resistance or by changing the inductive resistance z. B. by unscrewing the iron core or by throttling with a variable yoke or air gap or by using premagnetized chokes, the short-circuit current, ie the current at zero voltage, can be steadily reduced to a value of around 15 to 20 ° / ₀ of the final value. In the case of welding rectifiers, this characteristic can also be produced by arranging the primary and secondary coils not one above the other, but next to one another, with a specific one

Abstand, so daß dadurch die Streuung erhöht wird.Distance, so that this increases the spread.

Außerdem wird der magnetische Kreis zwischen den Spulen durch einen mittels Spindel verschiebbaren Eisenkern so geschlossen, daß je nach Stellung dieses 'Eisenkernes eine mehr oder minder große Zahl von Kraftlinien von der Sekundärspule ferngehalten wird.In addition, the magnetic circuit between the coils is displaceable by means of a spindle Iron core so closed that, depending on the position of this' iron core, a more or less large number of Lines of force is kept away from the secondary coil.

Dadurch werden praktisch ähnliche Kennlinien erzielt wie bei Gleichrichtern mit vorgeschalteten Drosseln.This results in characteristics that are practically similar to those of rectifiers with upstream chokes.

In Bild ι ist gestrichelt der Kennlinienverlauf eingetragen, der sich erzielen läßt, wenn man außer den bereits bekannten Mitteln zur Erhöhung der Streuung noch zusätzliche Drosseln ohne Luftspalt einschaltet, die bereits bei kleinen Werten des Stromes gesättigt sind, unter der Annahme, daß für diesen Fall eine etwas höhere Sekundärspannung angewandt wird, damit der sonst übliche Kurvenlauf erzielt wird.The characteristic curve is shown in dashed lines in Figure ι, which can be achieved if, in addition to the already known means for increasing the spread switches on additional chokes without an air gap, which are already saturated at low values of the current are, assuming that a slightly higher secondary voltage is used in this case, so that the otherwise usual cornering is achieved.

Im übrigen ist es zweckmäßiger, die Drosseln in den Sekundärkreis einzuschalten, weil dann die Leerlaufspannung, die für die Zündung wichtig ist, nahezu erhalten bleibt. Bild ι zeigt z. B. solche Kurven U₁ = f (J) für verschiedene Einstellungen der Regeldrosseln bzw. des Streutransfbrmators. Weiterhin ist in Bild ι die Kennlinie U₂ = f (J) eines Lichtbogens bei verschiedenem Elektrodenabstand eingetragen, und zwar gilt die obere Kurve mit höheren Spannungswerten für größere Elektrodenabstände. Diese Kurve sei mit B und die Kurve für kleinere Elektrodenabstände mit A gekennzeichnet. Angenommen, der Gleichrichter sei auf höchste Stromstärke eingestellt, dann sind für den Lichtbogen nur zwei Arbeitspunkte möglich, entweder der stabile Arbeitspunkt α bzw. der Zündpunkt b. Bei den dazwischenliegenden Bereichen ist ein stabiles Arbeiten nicht möglich, weil die Kennlinie des Gleichrichters U₁ =.f (J) und die Kennlinie des Lichtbogens JJ₂ = f (J) keine übereinstimmenden Werte haben. Bei dem Übergang von b nach α muß jedoch der Lichtbogen kurzzeitig die vom Gleichrichter aufgezwungene Spannung U₁ = f (J) annehmen, bis der Punkt« erreicht ist. Die füi den Lichtbogen überschüssige Energie wird durch ein Verbrennen und Verspritzen der Elektroden abgegeben. Weiterhin hat die bisherige Anordnung den Nachteil, daß die Einzelteile für eine relativ hohe Leistung entsprechend dem Produkt aus Leerlauf spannung und der höchsten Arbeitsstromstärke zu bemessen sind. Außerdem, ist nachteilig, daß das Netz mit einer erheblichen Blindstromleistung belastet wird, da nur etwa einiDrittel bis ein Viertel der Spannung bzw. der Leistung im Lichtbogen nutzbringend verwertet wird. Für die verhältnismäßig große Leistung ergeben sich hohe Anschaffungskosten, und der hohe Blindstromanteil erfordert laufend hohe Betriebskosten oder den zusätzlichen Aufwand von relativ großen Blindstromkondensatoren. In addition, it is more useful to switch the chokes in the secondary circuit, because then the open circuit voltage, which is important for the ignition, is almost maintained. Picture ι shows z. B. such curves U ₁ = f (J) for different settings of the control throttles or the scattering transformer. Furthermore, the characteristic curve U ₂ = f (J) of an arc with different electrode spacing is plotted in Figure ι, namely the upper curve with higher voltage values applies to larger electrode spacings. Let this curve be marked with B and the curve for smaller electrode spacings with A. Assuming that the rectifier is set to the highest current intensity, then only two operating points are possible for the arc, either the stable operating point α or the ignition point b. Stable work is not possible in the areas in between because the characteristic curve of the rectifier U ₁ = .f (J) and the characteristic curve of the arc JJ ₂ = f (J) do not have the same values. At the transition from b to α , however, the arc must briefly assume the voltage U ₁ = f (J) imposed by the rectifier, until the point «is reached. The excess energy for the arc is released by burning and splattering the electrodes. Furthermore, the previous arrangement has the disadvantage that the items are to be dimensioned for a relatively high performance according to the product of no-load voltage and the highest working current strength. In addition, it is disadvantageous that the network is loaded with a considerable reactive current power, since only about a third to a quarter of the voltage or the power in the arc is usefully utilized. The relatively large output results in high acquisition costs, and the high proportion of reactive current constantly requires high operating costs or the additional expense of relatively large reactive current capacitors.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Schaltungsanordnung, bei der die beschriebenen Nachteile vermieden werden, die also mit höherem. Wirkungsgrad arbeitet, eine kleinere Leistung des Gesamtaggregates erfordert und außerdem, eine bessere Anpassung der Gleichrichterkennlinie an die Kenn-• linie des Lichtbogens gestattet. Das Prinzip der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist für das Beispiel des einphasigen Primäränschlusses in Bild 2 gezeigt. Die Schaltung enthält einen Hauptgleichrichterteil G₁, der aus dem Transformator T₁, dem Gleichrichtersatz Gl₁ und einer der bisher bekannten und üblichen Einrichtungen für die Erhöhung der Streuung bzw. des Widerstandes sowie für die Regelung besteht. In Bild 2 ist als Beispiel die Regelung mittels einer vormagnetisierten Drossel D₁ über einen Vorwiderstand 'R₁ gezeigt. Durch Abgreifen der Gleichspannung an dem. Gleichrichtersatz Gl₁ wird eine Rückkopplungswirkung erzielt. Man kommt also mit einer relativ kleinen Drossel D₁ und einer geringen Vormagnetisierungsleistung aus. Im übrigen kann für die Regelung statt des Vorwiderstandes R₁ auch ein Potentiometer dem Gleichrichtersatz parallel geschaltet werden. Eine solche Regelschaltung mit vormagnetisierter Drossel ist an sich bekannt und wurde hier nur als Beispiel erwähnt. Der Hauptgleichrichterteil G₁ ist für den höchsten vorkommenden Lichtbogenstrom zu bemessen, aber nur für einen Teil der Zündspannung, z.B. nur für 40 bis 50%. Weiterhin enthält die Schaltungsanordnung nach der Erfindung und nach Bild 2 einen Gleichrichterteil G₂, der im. ganzen mit dem Hauptgleichrichterteil G₁ in Serie geschaltet ist. G₂ besteht aus einem Transformator T₂ mit einer kleineren Leistung und einem Gleichrichtersatz Gl₂ mit dazu passender Leistung, der nicht für den höchsten vorkommenden Lichtbogenstrom, sondern nur für einen kleineren Teil, der z.B. zwischen 15 und 30% liegt, ausgelegt ist. Ferner besteht G₂ aus einer Drossel D₂, die bei Kurzschluß der ganzen Anordnung nur einen begrenzten Strom im Stromkreis von G₂ zuläßt, sowie aus einer Gleichrichtersäule Gl₂a, die in der Lage ist, nahezu den vollen Lichtbogenstrom zu führen, wenn die Spannung an den Klemmen des Gleichrichters Gl₂ die Polarität gewechselt hat.The present invention relates to a circuit arrangement in which the disadvantages described are avoided, that is to say those with greater. Efficiency works, requires a smaller output of the overall unit and also allows a better adaptation of the rectifier characteristic to the characteristic • of the arc. The principle of the circuit arrangement according to the invention is shown in Figure 2 for the example of the single-phase primary connection. The circuit contains a main rectifier part G ₁ , which consists of the transformer T ₁ , the rectifier set Gl ₁ and one of the previously known and customary devices for increasing the scatter or the resistance as well as for the regulation. As an example, Figure 2 shows the control by means of a premagnetized choke D ₁ via a series resistor R ₁ . By tapping the DC voltage on the. Rectifier set Gl ₁ , a feedback effect is achieved. So you get by with a relatively small choke D ₁ and a low pre-magnetization power. In addition, instead of the series resistor R ₁ , a potentiometer can also be connected in parallel to the rectifier set for the regulation. Such a control circuit with a premagnetized choke is known per se and was only mentioned here as an example. The main rectifier part G ₁ is to be dimensioned for the highest occurring arc current, but only for part of the ignition voltage, for example only for 40 to 50%. Furthermore, the circuit arrangement according to the invention and according to Figure 2 includes a rectifier part G ₂ , which is in. whole is connected in series with the main rectifier part G _1. G ₂ consists of a transformer T ₂ with a smaller power and a rectifier set Gl ₂ with a matching power, which is not designed for the highest occurring arc current, but only for a smaller part, for example between 15 and 30%. Furthermore, G ₂ consists of a choke D ₂ , which allows only a limited current in the circuit of G _{2 in} the event of a short circuit of the entire arrangement, as well as a rectifier column Gl ₂ a, which is able to carry almost the full arc current when the Voltage at the terminals of the rectifier Gl ₂ has changed polarity.

Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit dem. Beispiel nach Bild 2 wird in Bild 3 für den Fall des Schweißgleichrichters erläutert. Der Gleichrichter G₁ liefert, für sich allein betrachtet, im Leerlauf eine Spannung CZ₁ und im. Kurzschluß einen Strom J₁, wobei zunächst nur die Kennlinie mit dem höchsten einstellbaren Strom betrachtet werden soll. Der Gleichrichter G₂ soll zunächst auch nur für sich allein betrachtet werden und ergibt dann im Leerlauf die Spannung U₂ und im Kurzschluß den Strom. J₂. -Da die beiden Teilgleichrichter G₁ und G₂ hintereinandergeschaltet sind, ist vom Leerlauf ausgehend zunächst der beide durchfließende Strom 7 gemeinsam, und es ergibt sich für den Verbraucher mit Lichtbogen die Surnrnenkennlinie U₁ = f (J), die bei-Strömen, die kleiner als J₂ sind, oberhalb von U₁ = f - (/) und bei Strömen über J₂ unterhalb U₁ = f (J) verläuft, weil von jetzt an der Strom, über Gl₂ und über das parallel geschaltete Ventil Gl₂a verläuft. Dieses hat den größten Teil des Stromes zu übernehmen und an dem für einen schwächeren Strom bemessenen Gleichrichter Gl₂ vorbeizuleiten. Das elektrische Ventil Gl₂ α ist nur in Speirichtung beansprucht, solange der Gleichrichter Gi₂ einen Strom liefert, der unter dem Wert J₂ liegt. Wird der Lichtbogenstrom größer, so wechselt die Polarität an den Klemmen des Gleichrichters GZ₂, undThe operation of the circuit arrangement according to the invention with the. The example according to Figure 2 is explained in Figure 3 for the case of the welding rectifier. The rectifier G ₁ , considered by itself, supplies a voltage CZ ₁ and im. Short-circuit a current J ₁ , whereby initially only the characteristic curve with the highest adjustable current is to be considered. The rectifier G ₂ should initially only be considered on its own and then gives the voltage U ₂ when idling and the current when there is a short circuit. J ₂ . - Since the two partial rectifiers G ₁ and G ₂ are connected in series, starting from idling, the current 7 flowing through them is initially common, and the result for the consumer with an arc is the total characteristic U ₁ = f (J), the currents that are smaller than J ₂ , above U ₁ = f - (/) and with currents via J ₂ below U ₁ = f (J) , because from now on the current, via Gl ₂ and via the parallel-connected valve Gl ₂ a runs. This has to take over the majority of the current and bypass the rectifier Gl ₂ , which is dimensioned for a weaker current. The electric valve Gl ₂ α is only stressed in the feed direction as long as the rectifier Gi ₂ supplies a current which is below the value J ₂ . If the arc current increases, the polarity changes at the terminals of the rectifier GZ ₂ , and

das Ventil Gl₂α wird jetzt in Durchlaßrichtung beansprucht und führt von jetzt an den vollen Lichtbogenstrom, abgesehen von einem kleineren Teil, der durch den parallel dazu liegenden Gleichrichter Gl₂ fließt. Daraus ist also ersichtlich, daß der Gleichrichterteil G₁ für Arbeitsbetrieb und der Gleichrichterteil G₂ für den Zündbetrieb des Lichtbogens ausgelegt ist. Bei der sekundärseitigen Einschaltung der Lichtbogenberuhigungsmittel, wie sie-im Beispielthe valve Gl ₂ α is now loaded in the forward direction and from now on carries the full arc current, apart from a smaller part, which flows through the rectifier Gl ₂ lying parallel to it. It can therefore be seen from this that the rectifier part G _{1 is designed} for working operation and the rectifier part G _{2 is designed} for the ignition operation of the arc. When the arc calming agent is switched on on the secondary side, as in the example

ίο in Bild 2 gezeigt ist, kann für die beiden Teilgleichrichter G₁ und G₂ auch ein gemeinsamer Transformator verwendet werden, dessen Primärwicklung an das Netz angeschlossen ist und dessen Sekundärwicklungen elektrisch getrennt sind und von denen jede ein Teilgleichrichtersystem, speist. Als Gleichrichterteil G₁ und G₂ werden in diesem Falle dann nur die eigentlichen Gleichrichtersysteme ohne Transformator, aber mit den induktiven oder ohmschen Widerständen und mit dem Gleichrichterventil Gl₂ a verstanden.As shown in Figure 2, a common transformer can also be used for the two partial rectifiers G ₁ and G ₂ , the primary winding of which is connected to the mains and the secondary windings of which are electrically separated and each of which feeds a partial rectifier system. As a rectifier part G ₁ and G ₂ are in this case, then only the actual rectifier systems without transformer, but understood by the inductive or ohmic resistors and to the rectifier valve Gl ₂ a.

Es ist ohne weiteres zu ersehen, daß eine solche Summenkennlinie im Arbeitspunkt A eine genügend große Steilheit besitzt und andererseits sich der Lichtbogenkennlinie U₂ = f (I) wesentlich besser anpaßt als die bisher verwendeten Anordnungen. Der Gleichrichtersatz G₁ und gegebenenfalls- auch der Gleichrichter G₂ können auch in dreiphasiger Schaltung ausgeführt werden, wobei das gleiche Prinzip angewandt wird. Hierbei ergibt sich der Vorteil, daß der Lichtbogenstrom eine kleinere Welligkeit besitzt, so daß Glättungsdrosseln, die bei einphasigem Betrieb erforderlich sind, entfallen können.It can be seen without further ado that such a cumulative characteristic curve has a sufficiently steep slope at operating point A and, on the other hand, adapts itself to the arc characteristic curve U ₂ = f (I) much better than the arrangements previously used. The rectifier set G ₁ and possibly also the rectifier G ₂ can also be designed in a three-phase circuit, using the same principle. This has the advantage that the arc current has a smaller ripple, so that smoothing reactors, which are required in single-phase operation, can be omitted.

Die Drossel D₂ kann auch in den Primärkreis von T₂ eingeschaltet oder durch einen Widerstand ersetzt werden, der auch in den Gleichstromkreis eingeschaltet werden kann. T₂ kann auch als Streutransformator ausgebildet sein; dann entfällt die Drossel D₂. Für Bild 1 und 3 wurden als Beispiel die Kennlinie eines Schweißgleichrichters gewählt, wobei die Angaben über die Lichtbogenspannung ebenfalls als Beispiel zu werten sind.The choke D ₂ can also be switched into the primary circuit of T ₂ or replaced by a resistor which can also be switched into the direct current circuit. T ₂ can also be designed as a leakage transformer; then the throttle D _{2 is} omitted. The characteristic curve of a welding rectifier was chosen as an example for Fig. 1 and 3, whereby the information on the arc voltage should also be taken as an example.

Mit der neuartigen Kombination an sich bekannter Mittel wird also für Gleichstromverbraucher mit elektrischem Lichtbogenbetrieb ein neuer Effekt erreicht, der gegenüber der bisher bekannten und üblichen Ausführung wesentliche Vorteile bezüglich der Anschaffungskosten und der Betriebskosten der erfoiderlichen Gleichrichtergeräte mit sich bringt.With the novel combination of means known per se is thus for direct current consumers with electric arc operation achieved a new effect compared to the previously known and usual execution significant advantages in terms of acquisition costs and operating costs of the Required rectifier devices brings with it.

Claims

PATENT CLAIMS:

1. Rectifier circuit arrangement for supplying direct current consumers with electric arc operation, characterized in that a main rectifier provided with increased scatter or with additional resistance, optionally also regulated, is designed for the highest arc current occurring, but only for a part - about 40 to 5o ° / ₀ - · the arc ignition voltage is dimensioned and that this rectifier is connected in series with a second rectifier, which is only designed for a part · - ■ about 15 to 30 ° / ₀ - of the arc current and which supplies a voltage ■ that also only a part - about 50 to 60 ° / ₀ - · of the arc ignition voltage, but is bridged by a valve connected in parallel in such a forward direction that the highest occurring arc current essentially flows through this bridging valve.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that both partial rectifiers " have a common transformer, with each of the electrically separated secondary windings a partial rectifier system of the type explained in claim ι is connected.

1 sheet of drawings