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Einrichtung zum kurzzeitigen Einschalten eines elektrischen Stromverbrauchers
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum kurzzeitigen Einschalten eines elektrischen
Stromverbrauchers und ist von besonderer Bedeutung für Schweißmaschinen, die über
steuerbare Entladungsstrecken, vorzugsweise gittergesteuerte Quecksilberdampfentladungsgefäße,
an eine Wechselstromquelle angeschlossen sind. Die Erfindung kann aber auch für
andere Stromverbraucher, beispielsweise Röntgenröhren, verwendet werden, bei denen
es darauf ankommt, den Verbraucher während einer verhältnismäßig kurzen Zeit mit
der Stromquelle zu verbinden und bei denen es weiterhin wichtig ist, die Größe des
in dieser Zeit fließenden Stromes bzw. bei Wechselstromspeisung den Zeitpunkt der
Zündung der Entladungsstrecke innerhalb der Halbwelle der speisenden Wechselspannung
genau festzulegen.
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Die Erfindung geht davon aus, daß in dem Steuerstromkreis der zwischen
der Stromquelle und dem Verbraucher liegenden Entladungsstrecke eine Steuerspannung
wirksam ist, welche zum Zweck der Einschaltung des Verbrauchers auf eine solche
Höhe gebracht wird, daß die Zündgrenze der Entladungsstrecke überschritten wird,
und welche nach der dadurch bedingten Einschaltung unter die Zündgrenze wieder gesenkt
wird. Steuerspannungen
dieser Art werden bei bekannten Steuerungseinrichtungen
vielfach dem Lade- oder Entladestromkreis eines Kondensators entnommen.
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Gemäß der Erfindung werden die bekannten Steuerungseinrichtungen dadurch
verbessert und «-eiter ausgestaltet, daß in den Steuerstromkreis der den Verbraucher
speisenden Entladungsstrecke eine Zusatzspannung eingeführt ist, welche durch den
eingeschalteten Verbraucherstrom ausgelöst und derart gerichtet ist, daß sie die
Geschwindigkeit der Abnahme der für die Zündung verwendeten Steuerspannung erhöht.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß bei Kurzzeitschalteinrichtungen, bei denen der
Verbraucher nur während einer Zeit, die kleiner ist als eine Halbwelle der speisenden
Wechselspannung, an die Stromquelle angeschlossen sein soll, mit Sicherheit verhindert
wird, daß in der nachfolgenden Halbwelle eine nochmalige Zündung eintritt. Nähere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele.
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In der Schaltung der Fig. i ist ein Schweißtransformator i über ein
gittergesteuertes Quecksilberdampfentladungsgefäß 2 an eine Mechselstromquelle 3
angeschlossen. Im Gitterkreis, d. h. zwischen der Kathode und dem Steuergitter des
Entladungsgefäßes, liegen eine negative Sperrspannung .4, ein ohmscher Widerstand
5, ein Gittervorwiderstand 6 und ein Transformator 7, dessen Primärwicklung zu der
Primärwicklung des Schweißtransformators i parallel geschaltet ist. Die Sperrspannungsquelle
4 ist durch die Reihenschaltung von zwei Widerständen 8 und 9 überbrückt. An den
Verbindungspunkt io zwischen diesen beiden Widerständen und den Anschlußpunkt i
i des Widerstandes 5 an den Transformator 7 ist die Reihenschaltung aus einem Gittertransformator
12, einem Kondensator 13 und einem Steuerschalter 14 angeschlossen. Der Gittertransformator
12 wird aus dem Wechselstromnetz 3 gespeist und liefert Steuerspannungen spitzer
Wellenform, deren Phasenlage durch an sich bekannte Mittel geändert werden kann.
Der Steuerschalter 14 hat zwei Schaltstellungen. In der einen Stellung wird der
Kondensator 13 über einen Teil des Gittertransformators als Begrenzungswiderstand
kurzgeschlossen, in der anderen Stellung wird der Kondensator 13 in Reihe mit dem
Widerstand 5 an die Spannung des Widerstandes 8 angeschlossen. Die Spannung dieses
Widerstandes 8 ist durch den Strom gegeben, welcher aus der negativen Sperrspannungsquelle
4. über die Widerstände 8 und 9 fließt. Diese Spannung :kann auch einer anderen
Stromquelle, beispielsweise über einen Trockengleichrichter, dem Wechselstromnetz
3 entnommen werden.
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Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Kurzzeitschalt-Einrichtung
ist folgende: Es sei angenommen, daß sich der Steuerschalter 14 in der gezeichneten
Stellung befindet, bei der der Kondensator 13 kurzgeschlossen und daher entladen
ist. Die Entladungsröhre 2 wird durch die Spannung der Stromquelle q. gesperrt gehalten.
Wenn der Schweißtransformator i beispielsweise bei einer Punktschweißung eingeschaltet
werden soll, so wird der Steuerschalter 14 nach rechts umgelegt. Der Kondensator
13 wird jetzt durch die Spannung des Widerstandes 8 über den Widerstand 5 aufgeladen.
Der im Widerstand 5 fließende Strom steigt schnell auf seinen Höchstwert an und
nimmt dann allmählich bis zur vollständigen Aufladung des Kondensators 13 wieder
ab. Der durch diesen Strom bedingte Spannungsabfall am Widerstand 5 wirkt der Sperrspannung
der Stromquelle .a. entgegen. Der genaue Zeitpunkt der Zündung des Entladungsgefäßes
2 wird durch die Spannungsspitze des Gittertransformators 12 festgelegt, welche
der Ladespannung des Kondensators 13 überlagert ist.
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Im Augenblick der Zündung des Entladungsgefäßes 2 fließt ein Strom
durch den Transformator 7, dessen Primärwicklung zu dem Schweißtransformator i parallel
geschaltet ist. Die Sekundärwicklung dieses Transformators ist so geschaltet, daß
der Strom sich über die Entladungsstrecke Gitter-Kathode des Entladungsgefäßes 2,
den Widerstand 8 und den Kondensator 13 schließt. Die Wirkung des den Kondensator
durchfließenden Stromes besteht darin, daß die Geschwindigkeit, mit der der Kondensator
aufgeladen wird, erhöht wird. Mit anderen Worten wird die Geschwindigkeit, mit der
die Spannung an dem Widerstand 5 nach erfolgter Zündung abnimmt, ebenfalls erhöht,
denn die Spannung an diesem Widerstand ist von dem Grad der Aufladung des Kondensators
13 abhängig.
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Der den Kondensator 13 durchfließende Zusatzstrom, der von dem Belastungsstrom
des Verbrauchers i abhängig ist, kann auch über einen getrennten Gleichrichter,
vorzugsweise einen Trockengleichrichter, dem Kondensator zugeführt werden. Vorteilhaft
ist jedoch die in der Schaltung der Fig. i angegebene Anordnung, bei der die Hilfsentladungsstrecke
Gitter-Kathode des Entladungsgefäßes 2 verwendet wird, um den Wandler 7 mit dem
Kondensator 13 zu verbinden.
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In Fig.2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Auch hier ist ein Schweißtransformator über ein gittergesteuertes Ouecksilberdampfentladungsgefäß
2 an ein Wechselstromnetz 3 angeschlossen. Im Gitterkreis des Entladungsgefäßes
:2 liegen ebenso wie bei der Schaltung nach Fig. i ein Transformator 7, ein Gittertransformator
12 und ein Gittervorwiderstand 6. Der Unterschied gegenüber der Schaltung der Fig.
i liegt darin, daß zwei Kondensatoren Cl und C2 als Steuerkondensatoren im Gitterkreis
verwendet werden. Der Kondensator C1 ist über einen ohmschen Widerstand 15 an eine
Gleichstromquelle 16, beispielsweise einen Trockengleichrichter mit parallel geschaltetem
Glättungskondensator 17, angeschlossen. Der zweite Kondensator C., ist mit seiner
einen Belegung über einen Widerstand 18 mit dem Minuspol der Gleichstromquelle verbunden.
Der zum Einschalten des Verbrauchers dienende Steuerschalter 14 ist über einen Widerstand
ig an den Verbindungspunkt zwischen den beiden Kondensatoren C, und C., angeschlossen.
In
der gezeichneten Ausschaltstellung überbrückt der Steuerschalter
14 den Kondensator C2, wobei noch ein Widerstand 2o eingeschaltet ist. In der Einschaltstellung
wird der Kondensator Cl zu dem Widerstand i9 parallel geschaltet.
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Die Wirkungsweise der Steuerungseinrichtung der Fig. 2 ist folgende:
Solange der Steuerschalter 14 die gezeichnete Stellung einnimmt, liegt die volle
Spannung der Gleichstromquelle 16 als Sperrspannung im Gitterkreis des Entladungsgefäßes
2. Der Pluspol ist unmittelbar mit der Kathode verbunden, der Minuspol über den
Widerstand 18, in dem jedoch kein Strom fließt. Der Kondensator Cl ist in dieser
Stellung auf die volle Spannung der Gleichstromquelle 16 aufgeladen.
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Beim Umlegen des Steuerschalters 14 wird die Spannung am Kondensator
Cl allmählich verringert und die Spannung am Kondensator C2 allmählich erhöht. Die
Verkleinerung der Spannung des Kondensators Cl ist dadurch bedingt, daß diesem Kondensator
der Widerstand i9 parallel geschaltet wird, an dem wegen der Reihenschaltung mit
dem Widerstand 15 nur ein Teil der Spannung 16 liegt. Der Kondensator C2 wird mit
der Spannung am Widerstand 15 über den Widerstand 18 aufgeladen. Diese Spannungsänderung
an den beiden Kondensatoren Cl und C2 hat zur Folge, daß die überlagerten Spannungsspitzen
des Gittertransformators 12 nach einer bestimmten Zeit die Sperrspannungsgrenze
des Entladungsgefäßes 2 überschreiten und dieses Entladungsgefäß zünden. Wesentlich
ist dabei, daß die Spannungsspitzen nicht wie bei der Schaltung der Fig. i verhältnismäßig
schnell über die Zündgrenze angehoben werden, sondern daß die Spannungsspitzen allmählich
der Zündgrenze des Entladungsgefäßes genähert und in diese gewissermaßen eingeschoben
werden. Es wird dadurch erreicht, daß der Zündzeitpunkt des Entladungsgefäßes mit
außerordentlich großer Genauigkeit bestimmt wird, weil der Schnittpunkt zwischen
der Spannungsspitze und der Zündspannungsgrenze in dem Bereich der Spannungsspitze
liegt, in dem diese Spitze verhältnismäßig sehr schmal ist. Es sei bemerkt, daß
diese Maßnahme des langsamen Anhebens der zum Zünden dienenden Spannungsspitzen
auch bei solchen Schalteinrichtungen verwendet werden kann, bei denen keine vom
Verbraucherstrom abhängige Zusatzspannung durch das Mittel des Stromwandlers 7 angewendet
wird, um nach der Zündung bestimmte Wirkungen herbeizuführen.
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Sobald das Entladungsgefäß 2 gezündet ist, fließt ähnlich wie bei
der Schaltung nach Fig. i aus dem Transformator 7 ein Strom über die Entladungsstrecke
Gitter-Kathode des Entladungsgefäßes 2 in die beiden Kondensatoren Cl und C2. Dieser
Strom hat zur Folge, daß unmittelbar nach der Zündung des Entladungsgefäßes die
Spannung am Kondensator C2 schnell gesenkt wird. Auf jeden Fall wird mit großer
Beschleunigung der Zustand erreicht, in dem die außer der Spannungsspitze des Transformators
12 wirksame Spannung wieder den vollen Wert der Sperrspannung der Gleichstromquelle
16 erreicht. Vorteilhaft erhält dabei der Kondensator C, eine kleinere Kapazität
als der Kondensator Cl, damit der durch den Verbraucherstrom ausgelöste Strom des
Transformators 7 im wesentlichen nur den Ladezustand des Kondensators C2 und nicht
denjenigen des Kondensators Cl beeinflußt.
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Der Vorteil der vom Verbraucherstrom abhängigen Zusatzspannung liegt
wiederum darin, daß unmittelbar nach der Zündung des Entladungsgefäßes 2 die Steuerspannung
in dessen Gitterkreis mit Sicherheit auf einen Wert gesenkt wird, bei dem die Spannungsspitzen
des Transformators 12 das Entladungsgefäß nicht wieder zünden können.
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Wenn der Steuerschalter 14 wieder in die gezeichnete obere Lage zurückgelegt
wird, entlädt sich der Kondensator C2 über die beiden Widerstände i9 und 2o. Der
Widerstand 20 wird dabei so bemessen, daß sich die Spannungen an den beiden Kondensatoren
Cl und .C2 praktisch mit gleicher Geschwindigkeit dem neuen Zustand nähern. Es wird
dadurch verhindert, daß kurz nach dem Umlegen des Steuerschalters 14 die durch die
beiden Kondensatoren Cl und C2 bedingte Spanr;ung so weit gehoben werden kann, daß
eine Fehlzündung durch die Spannungsspitzen des Transformators 12 eintritt.
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Die in den Fig. i und 2 dargestellten Kurzzeitschalteinrichtungen
können auch in der Weise verwendet werden, daß ein und dasselbe Entladungsgefäß,
also das Entladungsgefäß 2, in den beiden Schaltungen nacheinander für mehrere Schweißtransformatoren
bzw. andere Stromverbraucher zum Ein- und Ausschalten verwendet wird. Zu dem Zweck
sind Umschalteinrichtungen, die als umlaufende Kollektoren gebaut sein können, in
die Verbindungsleitung zwischen den Schweißtransformatoren und den Entladungsgefäßen
einzuschalten. Durch diese Schalteinrichtungen wird jeweils derjenige Schweißtransformator
mit dem Entladungsgefäß verbunden, der gerade eingeschaltet werden soll. Anders
ausgedrückt, wird bei dauernd wechselndem Anschluß zwischen den einzelnen Schweißtransformatoren
und dem gemeinsamen Entladungsgefäß dafür gesorgt, daß das speisende Wechselstromnetz
gleichzeitig nur mit einem Schweißtransformator belastet werden kann.
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Außer der im Anodenstromkreis des Entladungsgefäßes liegendenUmschalteinrichtung
wirdzweckdienlich auch noch eine zweite Umschalteinrichtun in den Gitterkreis geschaltet,
damit für jede Schweißmaschine auch noch die Größe des Schweißstromes bzw. der Zeitpunkt
der Zündung innerhalb der speisenden Wecbselstromhalbwelle eingestellt werden kann.
Auch diese Schalteinrichtung kann nach Arteines umlaufenden Kollektors ausgebildet
sein. Bei der Schaltung nach Fig. i liegt je ein derartiger Umschalter zwischen
dem Schweißtransformator i und dem Entladungsgefäß 2 sowie zwischen dem Steuerschalter
14 und dem Anschlußpunkt i i des Widerstandes 5.
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Es sei darauf hingewiesen, daß diese Art der Umschaltung sowohl des
Steuerstromkreises als auch
des Anodenstromkreises für die verschiedenen
Verbraucher nicht auf die besonderen Steuerkreisschaltungen der Fig. i und 2 beschränkt
ist, sondern auch bei anderen Einrichtungen zum kurzzeitigen Einschalten elektrischer
Verbraucher angewendet werden kann, die an eine speisende Stromquelle über steuerbare
Entladungsstrecken angeschlossen sind, in deren Steuerkreis zum Zweck der Einschaltung
des Verbrauchers eine Steuerspannung eingeführt wird, welche nach ihrem Zuschalten
selbsttätig auf einen zur Zündung nicht mehr ausreichenden Wert absinkt.
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In Fig. 3 ist eine besonders zweckmäßige Schaltung für die Erregerstromkreise
des Transformators 12 der beiden Schaltungen der Fig. i und dargestellt, d. h. für
den Gittertransformator, der die Spannung spitzer Wellenform erzeugt. Dieser Gittertransformator
besitzt in an sich bekannter Weise zwei Primärwicklungen, von denen die eine Wicklung
einen um 9o° gegenüber der Anodenspannung verschobenen Strom führt, während in der
anderen Wicklung ein Strom fließt, der mit der Anodenspannung in Phase ist, dessen
Richtung und Größe jedoch willkürlich verändert werden kann. Die Resultierende dieser
beiden Ströme gibt einen Erregerstrom, dessen Phasenlage weitgehend verändert werden
kann und damit eine Spannungsspitze mit in gleicher Weise veränderlicher Phasenlage.
Bei der Schaltung der Fig. 3 bedeuten a und b
die beiden Erregerwicklungen
und c die Sekundärwicklung des Gittertransformators. Der Wicklung b ist eine
Drosselspule d vorgeschaltet, damit der Strom um 9o° in der Phase verschoben
wird. Vor der Wicklung a. liegt ein ohmscher Widerstand, der gleiche Phasenlage
zwischen der speisenden Spannung und dem Strom der Wicklung a erzwingt. Durch Änderung
der Anzapfung an den Widerstand w werden Größe und Richtung dieses Stromes geändert.
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Das wesentliche Kennzeichen der Schaltung der Fig. 3 besteht darin,
daß die Widerstände w für alle zu der gleichen Gruppe gehörigen Verbraucher, also
beispielsweise für sechs Schweißtransformatoren, in Reihenschaltung an die speisende
Wechselspannung angeschlossen sind. Das hat den Vorteil, daß kleinere und daher
billigere Widerstände für die einzelnen Steuerstromkreise verwendet werden können,
und daß trotzdem bei jedem Stromkreis unabhängig die Phasenlage der zu erzeugenden
Spannung spitzer Wellenform eingestellt werden-kann.