DE970945C

DE970945C - High voltage switch for capacitor discharge circuits of pulse welding machines

Info

Publication number: DE970945C
Application number: DEF80A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Frank Fruengel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1949-10-21
Filing date: 1949-10-21
Publication date: 1958-11-13

Description

Hochspannungsschalter für Kondensator-Entladungskreise von Impuls-Schweißmaschinen Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsschalter für Kondensator-Entladungskreise von Impuls-Schweißmaschinen, der als Prellschlagschalter ausgebildet ist und in Luft so arbeitet, d.aß die beim Einschalten auftretende Funkenbildung völlig vermieden, wird.High-voltage switch for capacitor discharge circuits in pulse welding machines The invention relates to a high-voltage switch for capacitor discharge circuits of impulse welding machines, which is designed as a rebound switch and in Air works in such a way that the sparking that occurs when switching on is completely avoided, will.

Bei Kondensator-Schweißmaschinen wird die Ladung eines Kondensators über einen geeigneten Schalter in die Primärwicklung eines Schweißtransformators gegeben, an dessen Sekundärwicklung der transformierte Stromstoß dem Schweißgut als dem Verbraucher zugeführt wird. Diese Schaltvorgänge haben den Nachteil, daß ein sehr starker Einschaltfunke entsteht, weil bereits vor Berührung der Kontakte zwischen diesen infolge der Hochspannung der Funke überschlägt, so daß der Entladevorgang des Kondensators häufig schon beendet ist, bevor die Kontakte sich berühren. Es ist ersichtlich, daß sich das Auftreten dieser Einschaltfunken äußerst ungünstig auf den Schweißvorgang auswirkt.In capacitor welding machines, the charge is a capacitor into the primary winding of a welding transformer via a suitable switch given, at the secondary winding of the transformed current impulse the weld metal than is supplied to the consumer. These switching operations have the disadvantage that a very strong switch-on spark occurs, because even before the contacts are touched between these as a result of the high voltage, the spark flashes over, so that the discharge process of the capacitor is often terminated before the contacts touch. It it can be seen that the occurrence of these switch-on sparks is extremely unfavorable affects the welding process.

Wird an zwei Elektroden, die sieh in einem festen Abstand gegenüberstehen, eine elektrische Spannung angelegt, so vergeht bekanntlich eine gewisse Zeit, bis der Überschlag stattfindet. Diese Verzögerungszeit liegt zwischen io-7 und io-4 Sekunden und ist stark abhängig von der Struktur des Elektrodenmaterials. Man könnte nun theoretisch die Kontaktgeschwindigkeit so steigern, daß die Kontaktgabe in einer Zeit von io-7 oder io-$ Sekunderi erfolgt ist, also bevor sich ein Schaltfunke ausbilden kann. Eine solche Geschwindigkeit läßt sich jedoch in der Praxis kaum erreichen, da hierfür technische Mittel erforderlich wären, deren Aufwand zu diesem Zwecke nicht mehr vertretbar ist. Außerdem ist der Geschwindigkeit aus Materialgründen eine Grenze gesetzt. Bestehen jedoch die Elektroden aus einem Metall, das zu einer starken Oxydhaut neigt, wie z. B. Kupfer, so kommt es erst nach einer Zeit von etwa io--4 Sekunden zum Funkendurchschlag. Dies liegt daran, daß Feldelektronen und Photoelektronen in OxyduIschichten auf Grund des Halbleitereffektes eingefangen werden.Is attached to two electrodes that are facing each other at a fixed distance, When an electrical voltage is applied, it is known that it takes a certain amount of time until the rollover takes place. This delay time is between io-7 and io-4 Seconds and is heavily dependent on the structure of the electrode material. One could Now theoretically increase the contact speed so that the contact is made in a Time from io-7 or io- $ Sekunderi is done, so before a Can train switching sparks. However, such a speed can be found in the Hardly achieve practice, since this would require technical means, their effort is no longer justifiable for this purpose. In addition, the speed is off Material reasons set a limit. However, if the electrodes are made of a metal, that tends to have a strong oxide skin, such as B. Copper, it comes after one Time of about 10 - 4 seconds for spark breakdown. This is because field electrons and photoelectrons trapped in oxide layers due to the semiconductor effect will.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Hochspannungsschalter für Kondensator-Entladungskreise von Impuls-Schweißmaschinen anzugeben, der unter Ausnutzung der an sich bekannten, oben beschriebenen Tatsachen die Ausbildung von Einschaltfunken auch bei periodisch stattfindenden Schaltvorgängen vollständig unterbindet. Die Lösung der Erfindungsaufgabe besteht darin, daß die aus stark oxydierendem Metall, z. B. Kupfer, bestehenden beweglichen Kontakte des Prellschalters mit einer dem Schweißtakt entsprechenden Frequenz durch die Wirkung von in einem Hilfsstromkreis erzeugten Stromstößen derart schnell gegen die festen Gegenkontakte bewegt werden, daß vor der Kontaktgabe kein Überschlag erfolgt, und daß sie durch eine Feder mit vorgegebener Geschwindigkeit zurückgeschnellt werden. Der zur Bewegung der Kontakte erforderliche Stromstoß wird hierbei durch Entladung eines Hilfskondensators erzeugt und durch diesen Stromstoß ein mit den beweglichen Kontakten verbundener Eisenkern in eine Spule hineingezogen, wobei die Aufladezeitkonstante des Hilfskondensators über Widerstände größer ist als die Auflade7citkonstante des Hauptkondensators über dessen Widerstand.. Ferner sind sowohl die Kraft der Rückschnellfeder als auch die elektrischen Werte der Widerstände zur Aufladung des Hilfskondensators so dimensioniert, daß der durch letztere fließende Strom nicht ausreicht, um den Eisenkern gegen die Kraft der Feder in der Spule festzuhalten.The object of the invention is to provide a high-voltage switch for capacitor discharge circuits of pulse welding machines, which, using the per se known, facts described above, the formation of switch-on sparks even with periodic any switching operations taking place are completely prevented. The solution to the problem of the invention consists in the fact that the highly oxidizing metal, e.g. B. copper, existing movable contacts of the bumper switch with one corresponding to the welding cycle Frequency by the action of current surges generated in an auxiliary circuit in this way be moved quickly against the fixed mating contacts that no before making contact The rollover takes place and that it is operated by a spring at a predetermined speed be bounced back. The surge of current required to move the contacts becomes generated here by the discharge of an auxiliary capacitor and by this current surge an iron core connected to the moving contacts is drawn into a coil, where the charging time constant of the auxiliary capacitor is greater via resistors as the charging constant of the main capacitor via its resistance .. Furthermore are both the force of the rebound spring and the electrical values of the resistors for charging the auxiliary capacitor dimensioned so that the flowing through the latter The current is insufficient to hold the iron core in the coil against the force of the spring.

Maßgeblich hierbei ist jedoch, daß sich nach jeder Schaltung der nur wenige Moleküllagen starke Oxydüberzug der Kontakte selbsttätig an Luft erneuert, so daß der Schalter stets betriebsbereit ist.The decisive factor here, however, is that after each switching the only A few molecular layers of thick oxide coating on the contacts is automatically renewed in air, so that the switch is always ready for use.

Zur Erzielung dieses schnellen Eliektrodenschlusses kann man sich: verschiedener Verfahren bedienten. Mechanische Verfahren, z. B. der Kontaktschluß durch einen auftreffenden Schlagbolzen, ähnlich. einem aufschlagenden Hammer, erzielen bereits brauchbare Ergebnisse,-sind jedoch räumlich zu umfangreich und schwer zu steuern. Es wurde daher vornehmlich ein. elektrisches Impulsverfahren entwickelt, das prinzipiell gemäß der Zeichnung arbeitet. Hier sind i und 2 die zu schließenden Elektroden des Kondensatorentladungskreises, bestehend aus dem Kondensator 3 und dem Verbraucher 4.. Der Kondensator wird über den Widerstand oder die Drossel 5 aus der Spannung U1 aufgeladen,. Die Aufgabe besteht darin, den Kontaktgeber 6 in einer kürzeren Zeit auf die Kontakte i und 2 zu führen, als sie der elektrische Funke i-6 und 6-2 zu seinem Entstehen benötigt. Dies geschieht erfindungsgemäß durch eine entsprechende Ausbildung des Bewegu.ngsmrechanismus für die beweglichen Schaltkontakte. Hierzu sind die beweglichen Kontakte mit einem lamellierten Anker 7 verbunden, der bei Stromfluß in die elektrische Spule 8 hineingezogen wird. Die Spule 8 wird über den Schalter 9 mit einem aufgeladenen Kondensator io verbunden. Dieser Kondensator ist über die Widerstände i i auf eine Spannung U2 aufgeladen. Die Arbeit,- die in einem Kondensator C bei der Spannung U enthalten ist, ist bekanntlidh A = 1/2 C - U2 (Wattsekunden). Diese Arbeit wird mittels des Systems 8-7 bei Kontaktschluß von 9 in mechanische Arbeit in Form des Hineinziehens von 7 in 8 umgewandelt. Die erste Phase dieses Umwandlungsprozesses besteht darin, dien mit der Masse m behafteten Schaltersystem 7-6 einte hohe kinetische Energie zu geben, die ausreicht, um die gewünschte Geschwindigkeit v der Bewegung des Schalters. 6 gegen die Elektroden i und 2 zu erlangen. Zusätzlich ist einte Arbeit gegen die Kraft der Feder 12 zu leisten, die die Aufgabe hat, den Schalter nach Ablauf des Vorganges wieder in die Ruhestellung zurückzuführen. Hieraus ist ersichtlich, daß man den Kondensator io so dimensionieren kann, daß er dem Massesystem 6-7 des Schalters nahezu jede gewünschte Geschwindigkeit, auf Grund eines mechanischen Impulses, verleihen kann. Es .sei ferner darauf hingewiesen, daß die Spule 8 eine Selbstinduktion besitzt. Der Stromanstieg in dem Stromkreis io-9-8 kann nicht schneller erfolgen, als es durch das Produkt L - C vorgegeben ist. Es wird also günstig sein, L und C möglichst klein zu dimensionieren. Um trotzdem die gewünschte Arbeit in C aufzuspeichern, muß mit hoher Spannung gearbeitet werden. In der Praxis bewährten sich Betriebsspannungen für den Kondensator io zwischen Zoo und iooo V bei einer Dimensionierung der Spule 8, wie sie etwa für die Anrlaßschütze von Kraftfahrzeugen üblich ist, d. h. einige ioo Windungen. Die Größe des Kondensators io beträgt dann, je nach Größe des zu bewegenden Systems und der verlangten Schaltgeschwindigkeit, io bis 5oo K.F. Der Eisenkern 7 kann aus feinlamellierten IYynamoblechen, z. B. o,i mm Eisenblech, zusammengesetzt werden, so daß er elektromagnetisch auch noch auf Impulse von io-s Sekunden bis herab zu io-5 Sekunden mit nahezu voller Kraft anspricht. Übliche Konstruktionselemente der Hubmagnete können zur konstruktiven Vervollständigung und Verbesserung des Wirkungsgrades benutzt werden.To achieve this quick electrode connection, one can use various methods. Mechanical processes, e.g. B. the contact closure by an impacting firing pin, similar. hitting a hammer, already achieve usable results, but they are too large in space and difficult to control. It was therefore primarily a. electrical impulse process developed, which works in principle according to the drawing. Here i and 2 are the electrodes of the capacitor discharge circuit to be closed, consisting of the capacitor 3 and the consumer 4 .. The capacitor is charged from the voltage U1 via the resistor or the choke 5. The task is to lead the contactor 6 to the contacts i and 2 in a shorter time than the electrical spark i-6 and 6-2 needs to create it. According to the invention, this is done by a corresponding design of the movement mechanism for the movable switching contacts. For this purpose, the movable contacts are connected to a laminated armature 7, which is drawn into the electrical coil 8 when a current flows. The coil 8 is connected to a charged capacitor io via the switch 9. This capacitor is charged to a voltage U2 via the resistors ii. The work that is contained in a capacitor C at the voltage U is known: A = 1/2 C - U2 (watt seconds). This work is converted into mechanical work in the form of pulling 7 into 8 by means of the system 8-7 when the contact is closed from 9. The first phase of this conversion process consists in giving the switch system 7-6, which is afflicted with the mass m, with a high kinetic energy which is sufficient to achieve the desired speed v of the movement of the switch. 6 against electrodes i and 2. In addition, some work must be done against the force of the spring 12, which has the task of returning the switch to the rest position after the process has ended. From this it can be seen that the capacitor io can be dimensioned in such a way that it can give almost any desired speed to the mass system 6-7 of the switch on the basis of a mechanical impulse. It .sei also pointed out that the coil 8 has a self-induction. The increase in current in the circuit io-9-8 cannot take place faster than is given by the product L - C. It will therefore be beneficial to make L and C as small as possible. In order to save the desired work in C anyway, you have to work with high voltage. In practice, the operating voltages for the capacitor 10 between zoo and 100 V with a dimensioning of the coil 8 as is usual for the starting contactors of motor vehicles, ie a few 100 turns. The size of the capacitor io is then, depending on the size of the system to be moved and the required switching speed, io to 5oo KF. B. o, i mm sheet iron, so that it also responds electromagnetically to impulses of io-s seconds down to io-5 seconds with almost full force. Usual construction elements of the lifting magnets can be used for constructive completion and improvement of the efficiency.

Es ist im allgemeinen angenehm, wenn der Kontaktschluß zwischen i und 2 nur eine sehr kurze Zeit. andauert, z. B. o,oi bis o,ooi Sekunden. Um bei träger Betätigung des Schalters 9 trotzdem ein momentanes Aufschlagen der Brücke 6 auf die Kontakte i und 2 zu ermöglichen, müssen die Widerstände i i so dimensioniert sein, daß sie wohl ausreichen, den Kondensator io in den Betriebspausen aufzuladen, daß aber der durch sie fließende Gleichstrom nicht ausreicht, um den Anker 7 in der Spule 8 gegen die Federkraft der Feder 12 festzuhalten. In diesem Falle schnellt der Anker 6 mit der Kontaktbrücke sofort nach Beendigung der Entladung des Kondensators io durch den Antrieb der Feder 12 wieder in den Ruhestand zurück. Durch die Dimensionierung der Feder 12 hat man es in der Hand, auch den Rückführungsvorgang nahezu beliebig zu beschleunigen. Man kann aber auch die Aufgabe stellen, daß der Kontaktschluß plötzlich erfolgen soll, die Kontaktgabe aber anhaltend sein soll. In diesem Fall wird man die Widerstände i i so dimensionieren, daß der durch sie fließende Strom den. Anker 7 in der Spule 8 festzuhalten vermag. Schließlich kann. man bei Impuls-Schweißmaschinen, bei denen von Ent-. Ladung zu Entladung eine bestimmte Sicherheitszeit erforderlich ist, während der der Hauptkondensator der Anlage sich auf die volle Spannung auflädt, die Forderung stellen, daß eine Auslösung des Prellschalters erst nach einer gewissen Zeit möglich isst. In diesem Falle wird man die Widerstände i i so dimensionieren, daß die Zeitkonstante des Systems i i-io größer oder gleich der Zeitkonstante des Systems 5-3 ist. Bei vorzeitigem Kontaktschluß von 9 entlädt sich der Kondensator io wohl durch die Spule 8, seine Energie reicht aber nicht aus, um den Anker hineinzuziehen, und es kommt nicht zu einem Stromschluß des Entladungskreises. .It is generally convenient if the contact closure between i and 2 only for a very short time. persists, e.g. B. o, oi to o, ooi seconds. To at sluggish operation of the switch 9 anyway a momentary impact To enable the bridge 6 to the contacts i and 2, the resistors i i be dimensioned in such a way that they are probably sufficient to keep the capacitor OK during breaks in operation charge, but that the direct current flowing through them is not sufficient to the To hold the armature 7 in the coil 8 against the spring force of the spring 12. In this If the case, the armature 6 snaps with the contact bridge immediately after the end of the discharge of the capacitor io by the drive of the spring 12 back into retirement. By dimensioning the spring 12 you have it in hand, including the return process to accelerate almost at will. But you can also set the task that the Contact closure should take place suddenly, but the contact should be sustained. In this case one will dimension the resistors i i so that the through them flowing stream the. Armature 7 in the coil 8 is able to hold. Finally can. one with impulse welding machines, with those of Ent-. Charge to discharge a certain Safety time is required during which the main capacitor of the plant is turned off charges to full voltage, make the requirement that a trip of the bumper switch only possible to eat after a certain period of time. In this case one becomes the resistors Dimension i i so that the time constant of the system i i-io is greater than or equal to the time constant of the system is 5-3. If the contact closes prematurely by 9, discharges the capacitor io passes through the coil 8, but its energy is not sufficient off to pull in the armature, and the discharge circuit does not short-circuit. .

Der Schalter 9, der in der Fig. i als einfacher elektrotechnischer Schalter angedeutet ist, kann seinerseits wiederum ein Schütz sein, das durch übliche Schaltungsmaßnahmen ausgelöst wird, oder er kann aus einem gittergesteuerten Gasentladungsgefäß bestehen.The switch 9, which is shown in FIG. I as a simple electrotechnical Switch is indicated, in turn, can be a contactor, the usual Circuit action is triggered, or it can come from a grid-controlled gas discharge vessel exist.

Die vorbeschriebene Erfindung ersetzt somit ein gittergesteuertes Gase ntladungsgefäß. Dieses ist für sehr starke Stromstöße, z. B. einige ioo bis iooo Amp., wie sie der vorliegende Schalter bei sehr billiger Konstruktion mit Sicherheit zu schalten vermag, sehr kostspielig und im Aufwand ungleich viel höher.The invention described above thus replaces a grid-controlled one Gases discharge vessel. This is for very strong current surges, e.g. B. a few ioo to iooo Amp., as the present switch with a very cheap construction with certainty able to switch, very expensive and much higher in effort.

Claims

PATENT CLAIMS: i. High voltage switch for capacitor discharge circuits of impulse welding machines, which are designed as a bounce switch that works in air is, characterized in that its strongly oxidizing metal, z. B. copper, existing moving contacts with a frequency corresponding to the welding cycle so quickly by the action of power surges generated in an auxiliary circuit be moved against the fixed mating contacts that no flashover before contact is made takes place, and that it snapped back by a spring at a predetermined speed will.

2. High-voltage switch for capacitor discharge circuits in pulse welding machines according to claim i, characterized in that the current surge to move the contacts is generated by the discharge of an auxiliary capacitor and by the current surge iron core connected to the moving contacts drawn into a coil becomes, whereby the charging time constant of the auxiliary capacitor is larger via resistors is as the charging time constant of the main capacitor across its resistance.

3. High-voltage switch for capacitor discharge circuits of pulse welding machines according to claims i and 2, characterized in that the force of the return spring and the electrical values of the resistors for charging the auxiliary capacitor are dimensioned so that the current flowing through the latter is not sufficient to to hold the iron core against the force of the spring in the coil. Considered publications: ETZ, 1938, pp. 1 , 33, 36; 1940 pp. 509 to 515; Scientific publications of Siemens-Werke, 1936, issue 3, p. I.