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Gleichrichteranordnung für Lichtbogenschweiß-und Abschmelzanlagen
Zur Speisung von Gleichstromlichtbögen, insbesondere in Schweiß- bzw. Abschmelzanlagen,
werden in bekannter Weise vorteilhaft Gleichrichter verwendet. Solche ruhenden Anordnungen
haben niedrigere Leerlaufverluste sowie einen guten Leistungsfaktor. Ferner stellen
sie eine symmetrische Belastung des Drehstromnetzes dar.
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Der Nachteil bei den bekannten Anordnungen dieser Art liegt in der
Schwierigkeit ihrer Steuerbarkeit und dem hierfür notwendigen großen Aufwand. Es
hat nicht an Versuchen zur Behebung dieser Mängel gefehlt, doch hat noch keiner
zu einem Ergebnis geführt, das wesentlich besser gewesen wäre als bei den bisher
angewendeten Bauarten. Die Ursache dafür liegt an den einer Vorausberechnung schwer
zugänglichen und sich bei den verschiedenen Schweißverfahren oft widersprechenden,
geforderten Schweißeigenschaften.
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Von einer neuzeitlichen Steuerung wird erwartet, daß sie stufenlos
ist. Mechanische Bauelemente zur Steuerung, wie z. B. bei verstellbaren Luftspaltlängen
oder gegeneinander verstellbaren Spulen, haben den Nachteil von auftretenden Rüttelkräften,
die sich auch bei festester Gestängeführung nicht mit ausreichender Betriebssicherheit
beherrschen lassen. Transduktordrosseln, die mit einem Stehwiderstand gesteuert
werden, weisen zwar keine Rüttelkräfte auf, haben aber für Schweißzwecke andere
unerwartete Nachteile. Bei dem bisher meistens angewendeten, stromsteuernden Transduktor
sind das hohe Gewicht, die beträchtliche Magnetisierungsleistung, die Abhängigkeit
der Steuerung von der Erwärmung und von Schwankungen der Netzspannung sowie die
ausschließliche Verwendbarkeit für Schweißverfahren mit fallender Stromspannungskennlinie
als Nachteile zu nennen. Es ist zwar bekanntgeworden, statt des stromsteuernden
Transduktors den spannungsteuernden Transduktor in Verbindung mit einem Kontaktregler
zur Strombegrenzung zu verwenden. Die Bedingungen, unter denen der Kontaktregler
in diesem Fall befriedigend arbeiten könnte, sind aber so ungünstig, daß diese Anordnung
praktisch nicht brauchbar ist.
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Wenn eine Gleichrichteranordnung für Lichtbogenschweßung mit wirtschaftlichem
Aufwand herzustellen ist, spielt neben der Steuerung und Regelung auch die erforderliche
Leerlaufspannung eine wesentliche Rolle. Die Leerlaufspannung soll zwecks leichter
Zündung des Lichtbogens möglichst hoch sein, darf aber zur Vermeidung von Unfällen
einen noch zulässigen Wert nicht überschreiten. Da die Lichtbogenspannung beträchtlich
kleiner ist, ist es bekanntgeworden, die Leerlaufspannung der Schweißstromquelle
von der erforderlichen Zündspannung zu trennen. Bei Schweißgleichrichtern, die an
Einphasen-Wechselstrom angeschlossen sind:, ist es bekanntgeworden, dem aus gleichgerichteten
Halbwellen bestehenden Hauptstrom mit niedrigerer Leerlaufspannung einen phasenverschobenen
Hilfsstrom mit höherer Leerlaufspannung zur Zündung und Stabilisierung des Lichtbogens
zu überlagern. Dabei ist aber die Leerlaufspannung des Hilfsstromes, der gleich
dem Hauptstrom aus dem Stromverteilungsnetz von 50 Hz durch Umspannen und Gleichrichten
entstanden ist, unzulässig hoch. Es ist ferner bei Schweißgleichrichteranordnungen
dieser Art bekanntgeworden, die überlagerung eines Hilfsstromes nur zur Stabilisierung
des Lichtbogens auszunutzen. Es müssen dabei aber Haupt- und Hilfsgleichrichter
die zulässige Leerlaufspannung haben. Bei weiter bekannten Anordnungen werden dem
Schweißstrom höherfrequente Zündimpulse überlagert, mit denen sowohl ein Stabilisieren
des Schweißstromes in den Nulldurchgängen als auch ein Zünden aus Abstand zwischen
Elektrode und Werkstück erreicht wird. Bei keiner dieser bekannten Anordnungen ist
aber durch Anwendung des Hilfsgleichrichters bzw. Zündgerätes möglich, den Hauptgleichrichter
für eine niedrigere Leerlaufspannung zu bemessen, als zum einwandfreien
Zünden
des Lichtbogens - sei es durch Berühren des Werkstückes mit der Elektrode oder allein
durch Annäherung derselben - erforderlich ist.
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Bei einer solchen Gleichrichteranordnung, die über einen Transformator
zum Netz gespeist und durch einen spannungssteuernden und strombegrenzenden Transduktor
gesteuert wird, werden die genannten Nachteile gemäß der Erfindung dadurch vermieden
und das Steuern, Regeln und Zünden bei den jeweils gewünschten Schweißeigenschaften
auf wirtschaftliche Weise dadurch ermöglicht, daß in an sich bekannter Weise dem
für die Schweißleistung bemessenen Gleichrichter (Hauptgleichrichter) ein die Zündspannung
liefernder Hilfsgleichrichter parallel geschaltet ist und die Leerlaufspannungen
beider Gleichrichter gleich groß und unterhalb der Zündspannung gewählt sind und
daß der Hilfsgleichrichter über Regelorgane von einem Streutransformator abhängig
ist zur Erzeugung einer vorübergehenden Zündspannung bei Berührung des Werkstückes
mit der Elektrode.
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Fig. 1 zeigt die Stromspannungskennlinie der bekannten Schweißgleichrichteranordnung
mit stromsteuerndem Transduktor. Die einzelnen Standtrennlinien gehen von der praktisch
konstanten, ziemlich hohen Leerlaufspannung aus und werden im Steuerbereich Stb
durch Vormagnetisierung des Kerns der Transduktordrosseln eingestellt. Die auf den
Standkennlinien liegenden Schweißpunkte liegen auf der Eichgeraden Eg. Wären die
Schweißeigenschaften nur von dem Verlauf der statischen Kennlinien abhängig, würde
eine durch den Schweißpunkt gelegte Hyperbel U.J#,=const. den anzustrebenden idealen
Verlauf kennzeichnen.
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In Fig. 2 ist ein Beispiel des Gegenstandes. der Erfindung mit Hilfsgleichrichter
dargestellt. An den Transformator T mit umschaltbarer Primärwicklung für z. B. 220/3ß0/500
V ist auf der Sekundärseite der Haupttransduktor HT mit den Gleichrichterzellen
G geschaltet. Parallel zum Hauptgleichrichter liegt der Hilfsgleichrichter für die
erforderliche Leerlaufspannung, bestehend aus dem Streutransformator ST, dem Einphasen-Transduktor
ET und den Gleichrichterzellen G1. In dem einpolig gezeichneten Schaltbild
ist der Haupttransduktor in Dreiphasen-Brückenschaltung, der Transduktor des Hilfsgleichrichters
in Einphasen-Doublerschaltung zu verstehen. Die Gleichrichterzellen werden für den
rauhen Schweißbetrieb vorzugsweise in der gekapselten Bauart der Siliziumgleichrichterzellen
angewendet.
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Fig.3 zeigt die zugehörige Stromspannungskennlinie. Die Kennlinie
des mit Spannungsregelung und Strombegrenzung ausgerüsteten Hauptgleichrichters
G verläuft in bekannter Weise praktisch rechtwinklig; die Kennlinie des parallel
arbeitenden Hilfsgleichrichters G1, die unter dem Einfluß des Streutransformators
einen stark fallenden Verlauf nimmt bis zu einem begrenzten Kurzschlußstrom IK 1,
ist durch den Transduktor so geregelt, daß Leerlaufspannung und Zündspannung voneinander
getrennt werden. Auf diese Weise überschreitet weder die Leerlaufspannungnoch die
Zündspannung die zulässige Grenze.
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In Fig. 4 bedeutet die stark gezeichnete Kennlinie UZ (1Z) die Zündspannung,
Uo die zulässige Leerlaufspannung, Uö den Spitzenwert der Zündspannung, JT den bei
Leerlauf im Transduktor fließenden Strom, itt den spannungsabhängigen und i", den
stromabhängigen Steuerstrom des Transduktors. Durch die Parallelschaltung von Haupt-
und Hilfsgleichrichter wird erreicht, daß die Sekundärspannung des Transformators
T unabhängig von der erforderlichen Zündspannung nur so hoch zu sein braucht, wie
die maximale Schweißspannung und der Spannungsabfall im Gerät dies vorschreiben.
Die wesentlich höhere Zündspannung dagegen wird von dem kleinen Hilfsgleichrichter
geliefert. Die unfallsichere Leerlaufspannung wird von keinem der beiden Gleichrichter
überschritten. Die Spannungsregelung des Hilfsgleichrichters geschieht mit ausschließlich
ruhenden Bauelementen, so daß keine Wartung notwendig ist. Bei einer Schweißspannung
von beispielsweise 42V (Fig. 3) können auch Tiefeinbrandelektroden verarbeitet werden,
was bei bekannten Schweißgleichrichteranordnungen (Fig.1) nicht möglich ist, da
bei ihnen dem Nennstrom eine kleinere, für Tiefeinbrandschweißungen nicht ausreichende
Lichtbogenspannung zugeordnet ist. Die Gleichrichteranordnung gestattet als universale
Schweißstromquelle sowohl das Schweißen mit konstantem Strom als auch das Schweißen
mit konstanter Spannung. Die Schweißspannung ist infolge der Regelung auf einen
steuerbaren Sollwert unabhängig von Schwankungen der Netzspannung. Der Schweißstrom
ist infolge der Begrenzung auf einen steuerbaren Sollwert unabhängig von Schwankungen
der Erwärmung des Gerätes.
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In Fig. 2 ist in an sich bekannter Weise ein Spannungsgleichhalter
SG angewendet, mit dem der Spannungs-Sollwert unabhängig von Schwankungen
der Netzspannung eingestellt werden kann. Der Sollwert wird im Steuerkreis eines
Vorstufentransduktors VT
in an sich bekannter Weise mit dem Spannungs-Istwert
verglichen und ein passender Steuerstrom auf sgruppe I des Haupttransduktors die
Steuerwicklung HT gegeben. Die Steuerwicklungsgruppe II ist in an sich bekannter
Weise zur Vermeidung von Pendelungen als Rückführung an eine der Steuerwicklungen
des Vorstufentransduktors angeschlossen. Die dritte Steuerwicklungsgruppe III dient
zur Einstellung des Arbeitsbereiches auf der Steuertrennlinie des Haupttransduktors.
Das vom Strom des Hauptgleichrichters G abhängige, über einen Wandler
Wal und einen Gleichrichter G2 gespeiste, den Strom steuernde Potentiometer
Pj liegt über ein die Zündspannung sperrendes Hilfsventil G3 in Reihe mit dem Spannungs
Istwert und einem der zulässigen Spannungsänderung bzw. kürzesten Ansprechzeit des
Vorstufentransduktors zugeordneten Widerstand RS an einer weiteren, der Sollwertsteuerwicklung
entgegenwirkenden Steuerwicklung des Vorstufentransduktors VT. Der Wandler
Wal gibt bei Erreichen des Grenzstromes, d. h. Wandlersteuerstrom gleich Istwertsteuerstrom,
eine Zusatzspannung in den betreffenden Steuerkreis des Vorstufentransduktors
VT, der seinerseits den Haupttransduktor HT abmagnetisiert. Ein Überlaufventil
ÜV, z. B. in Gestalt einer Siliziumgleichrichterzelle, bewirkt, daß die Stromregelung
erst dann die Spannungsregelung ablöst, wenn der Grenzstrom erreicht ist. Die zur
Regelung dienenden Bauelemente sind sämtlich von kleiner Leistung, da die Steuerleistung
des Transduktors sehr klein ist.
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Zur Spannungsregelung beim Hilfsgleichrichter G1 ist noch zu bemerken,
daß die gewünschte Leerlaufspannung mit dem Widerstand RV eingestellt wird. Der
Wandler Wal mit Hilfsgleichrichter G5 muß bereits bei kleinem Primärstrom den Transduktor
ET
sperren, damit eine möglichst hohe, der Leerlaufspannung
Uo* des Streutransformators ST möglichst nahe kommende Zündspannung Uö erreicht
wird. Der Hilfsgleichrichter G" ist daher für den höheren sekundären Nennstrom des
Wandlers zu bemessen. Einfacher und ebenso wirksam ist es, statt des Wandlers und
des Hilfsgleichrichters in an sich bekannter Weise eine Siliziumzelle Si anzuwenden,
die sich durch eine niedrige Durchlaßspannung von annähernd 0,7V auszeichnet. Der
Transformator ST des Zündgleichrichters G1 ist nur als Streutransformator
verwendbar, da bei einem normalen Transformator bzw. bei einer Hilfswicklung auf
dem Haupttransformator mit praktisch konstanter Spannung die Geschwindigkeit der
Strombegrenzung nicht ausreicht, um eine der Spannung des Zündtransformators nahekommende
Zündspitze zu erzielen.
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Da die Steuerleistung des spannungssteuernden Haupttransduktors HT
sehr klein ist, kann zur Spannungskonstanthaltung auch eine Zenerdiode, z. B. einer
Silizium- oder Germanium-Zenerdiode benutzt werden. Eine solche Diode hat den Vorteil
eines einfachen, keine Wartung erfordernden Aufbaues und kleiner Abmessungen. Die
Diode arbeitet als Widerstand mit konstantem Spannungsabfall unter Vorschalten eines
festen Widerstandes, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Dabei sind die mit Fig. 2 übereinstimmenden
Teile mit denselben Buchstaben bezeichnet.
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In Fig. 5 ist nur die Steuerschaltung des Haupttransduktors HT gezeigt.
Durch die in der Einrichtung nach Fig. 5 verwendete Zenerdiode können der Vorstufentransduktor
VT und der Spannungsgleichhalter SG in der Einrichtung nach Fig. 2 ersetzt
werden.
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Die Steuerwicklungsgruppe I des spannungssteuernden Haupttransduktors
HT ist über den festen Widerstand R1 mit dem Widerstand R,, des Spannungspotentiometers
Pu sowie über das vom Stromwandler Wal mit Gleichrichter G2 gespeiste und
durch ein überlaufventil üV überbrückte StrompotentiometerP, mit dem Istwert der
Spannung verbunden. Das überlaufventil bewirkt ebenso wie in Fig. 2, daß die Stromregelung
erst dann die Spannungsregelung ablöst, wenn derGrenzstrom erreicht ist. Die beiden
anderen Steuerwicklungsgruppen I1 und III sind in Reihe geschaltet und über den
Widerstand Rsot, des Spannungspotentiometers Pu und einen festen Vorwiderstand R2
an die Zenerdiode ZDl mit festem Vorwiderstand RF, angeschlossen. Das Spannungspotentiometer
PU ist wie in Fig. 2 als Tandempotentiometer gebaut, so daß sein Ist- und Sollwertwiderstand
miteinander mechanisch fest gekoppelt sind und nur gemeinsam betätigt werden können.
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Bei der Einrichtung nach Fig. 5 ergibt sich gegenüber der Einrichtung
nach Fig. 2 noch der Vorteil, daß infolge Fortfalls des Vorstufentransduktors
VT
nur die Ansprechzeit des Haupttransduktors vorhanden ist und ein Pendeln
des Istwert-Steuerstromes nicht auftreten kann. Es entfällt also auch eineRückführung
zur Unterdrückung von Pendelungen. Da die Ansprechzeit des Haupttransduktors wesentlich
kleiner ist als die des Vorstufentransduktors, ist ein besonderer SteuervorwiderstandRs
bzw. RS' bei der Einrichtung nach Fig. 5 nicht erforderlich. Auf diese Weise kann
die Zenerspannung einer einzigen Sihziumdiode zur Steuerung ausreichen.
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Bei der genannten Anordnung ergibt sich ein sehr kleiner Steuerstrom,
der innerhalb des Arbeitsbereiches einer Silizium-Zenerdiode liegt. Für den Stehbereich
Stb, (Fig. 3) von 15 bis 42 V ergeben sich beim Ausführungsbeispiel für die Widerstände
R,,t und Rsoia die in Fig. 6 angegebenen Werte.
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In Fig. 7 ist die Abhängigkeit des auf die Nennwindungszahl der Steuerwicklung
bezogenen resultierenden Steuerstromes IS des Haupttransduktors HT vom Verhältnis
E der jeweiligen Lastspannung zur Lastspannung bei voller Aussteuerung des Haupttransduktors
gezeigt. In Fig. 8 ist die Abhängigkeit des Steuerstromes von Änderungen der Netzspannung
dargestellt. Hiernach ändert sich der Steuerstrom zwischen den Punkten
A und B der in Fig. 7 gezeichneten Steuerkennlinie. Man erkennt daraus,
daß bei Fig. 5 im Gegensatz zu Fig. 2 eine feste Vormagnetisierung mittels einer
besonderen Steuerwicklung nicht notwendig ist.
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Bei der Schaltung nach Fig. 5 sind zur Verringerung der Belastung
der Zenerdiode die Steuerwicklungsgruppen II und III hintereinandergeschaltet. In
vielen Fällen ist die Steuerleistung so klein, daß die Zenerdiode nicht überlastet
wird, auch wenn nur eine einzige Steuerwicklungsgruppe zur Sollwertsteuerung benutzt
wird. Es stehen dann für die Strombegrenzung und für die Istwertsteuerung voneinander
getrennte Steuerwicklungen -zur Verfügung. Dabei ist die Spannung am Strompotentiometer
Pj gegen eine feste Bezugsspannung zu schalten, bei deren Erreichen die Abmagnetisierung
der Transduktordrosseln und damit die Stromregelung einsetzt. Die erforderliche,
feste Bezugsspannung ist durch Anwendung einer zweiten Zenerdiode leicht herzustellen.
In Fig. 9 ist diese Schaltung dargestellt. Die Bezeichnungen sind dieselben wie
in Fig. 2 und 5. In ihrer Wirkungsweise unterscheidet sich Fig. 9 von Fig. 2 und
5 dadurch, daß auch die Strombegrenzung bzw. Strom= regelung unabhängig ist von
Schwankungen der jeweils vorhandenen Netzspannung. Die Unabhängigkeit der Stromregelung
von Schwankungen der Netzspannung ist aber auch in einfacher Weise erreichbar bei
Schaltungen nach Fig. 2 und 5, wenn die Zusatzspannung in dem abmagnetisierenden
Istwertsteuerkreis über eine Zenerdiode gegeben wird, wie dies in Fig. 10 dargestellt
ist. Das L7berlaufventil üV inFig. 9 und 10, z. B. in Gestalt einer Siliziumgleichrichterzelle,
sorgt dafür, daß über die Zenerdiode in Durchlaßrichtung kein Strom fließen kann.
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Mit dem Haupttransduktor und einer Silizium-Zenerdiode können Schwankungen
der Netzspannung im Bereich von -I-15 bis -10 % bis auf ± 2 % ausgeregelt werden
bei einer Ansprechzeit von 0,1 Sekunde. Sind in Sonderfällen die Regelgeschwindigkeit
und Regelgenauigkeit höheren Bedingungen unterworfen, gibt es außer den beschriebenen,
besonders einfachen Einrichtungen für die Spannungsregelung und Strombegrenzung
nach Fig. 2, 5, 9 und 10 noch weitere Möglichkeiten. Es können mehrere Silizium-Zenerdioden
hintereinandergeschaltet werden. Es kann ein Transistorverstärker oder auch ein
Zweipunktregler in an sich bekannter Ausführung angewendet werden. Mit der großen
Ausgangsleistung des Zweipunktreglers kann auch in schwierigeren Fällen die erforderliche
Regelgeschwindigkeit erreicht werden, wobei die passende Mischung der verschiedenen
Einflüsse mit sehr kleinen Steuerleistungen geschieht.
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Bei Leerlauf setzt sich der zeitliche Spannungsverlauf aus der mit
geringer Welligkeit pulsierenden
Spannung des Hauptgleichrichters
und aus den gleichgerichteten Halbwellen des Zündgleichrichters zusammen. An den
Ausgangsklemmen der Gleichrichteranordnung würde also ohne weiteres eine höhere
Spannung gemessen als die 42 V des Hauptgleichrichters, und zwar würden sich beträchtlich
verschiedene Spannungswerte für den Mittelwert, gemessen mit Drehspulinstrument
und für den Effektivwert, gemessen mit Dreheiseninstrument. ergeben, Dies läßt sich
leicht ändern, indem auch die Spannung des Hauptgleichrichters bei Leerlauf selbsttätig
herabgeregelt wird. Hierzu wird am einfachsten der Potentialunterschied zwischen
den durch das Ventil G3 (Fig. 2) gegeneinander gesperrten Klemmen des Hauptgleichrichters
und des Zündgleichrichters verwendet. Dieser Potentialunterschied beträgt in Abhängigkeit
vom eingestellten Sollwert der Spannung des Hauptgleichrichters 10 bis 50 V bei
Leerlauf und geht auf Null zurück, sobald eine Belastung der Gleichrichter eintritt.
Es kann also die Leerlaufspannung des Hauptgleichrichters so weit herabgeregelt
werden, daß die Klemmenspannung des Schweißgleichrichters den zulässigen Betrag
von 4.2 V bei Leerlauf einhält.
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Die gewünschten Schweißeigenschaften werden, wie schon erwähnt, in
Ergänzung der praktisch rechtwinklig verlaufenden statischen Kennlinie (Fig.3) durch
Anpassung des Reglers an das jeweils gewünschte dynamische Verhalten erzielt. BeimTropfenfall
müßte der Haupttransduktor HT sehr schnell sperren und wieder öffnen, wenn die Stromerhöhung
im Moment des Tropfenüberganges sich nicht durch Spritzen des geschmolzenen Werkstoffes
und durch Abreißen des Lichtbogens störend bemerkbar machen soll. Zur Entlastung
des Transduktors wird daher nach vorliegender Erfindung der Schweißstrom vor dem
Ausgang aus dem Gerät durch eine normale Luftspaltdrossel (D in Fig. 2) geglättet.
Die Stromwandler Wal und Gleichrichterzellen G., können mit Vorteil ersetzt werden
durch einen in Reihe mit der Drossel D geschalteten, gestrichelt gezeichneten Nebenwiderstand
Sh in gestrichelt dargestellter Verbindung. Der Aufbau des Gegenstandes nach der
Erfindung vereinfacht sich dadurch beträchtlich. Der Nebenwiderstand Sh bietet außerdem
den beachtlichen Vorteil einer geradlinigen Abhängigkeit von Belastungsstrom und
Spannungsabfall. Auf diese Weise ergibt sich für den Hauptgleichrichter G eine statische
Kennlinie, die dem Verlauf nach Fig. 3 entspricht. Es wird dadurch nicht nur die
verfügbare Schweißleitung U - J so groß wie möglich gehalten, es ergibt sich auch
bei Parallelschaltung mehrerer Schweißgleichrichtereinheiten ohne weiteres eine
annähernd gleichmäßige Verteilung der Last.
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Zusammenfassend ist zu sagen, daß derVorteil der Einrichtung nach
derErfindung in dem einfachen und wirtschaftlichen Aufbau aus wartungsfreien ruhenden
Bauelementen mit niedriger Steuerleistung und in der stufenlosen Einstellung der
Sollwerte von Spannung U und Strom J lediglich durch Betätigung zweier auch für
Fernsteuerung geeigneten Potentiometer besteht und daß durch die geringe Leerlaufspannung
die Spannung am Haupttransduktor so klein und der Leistungsfaktor so groß sind,
daß eine Kompensierung der auftretenden induktiven Blindlast in Fortfall kommen
kann. Die Einrichtung nach der Erfmdung ist nicht nur als UJ-Schweißgleichrichter
mit Vorteil verwendbar; sie ist ebenso vorteilhaft als Stromquelle für Vakuum-Lichtbogenöfen
und für andere Zwecke geeignet, bei denen mit Hilfe des Lichtbogens hohe Temperaturen
zu stabilisieren sind.