CH625730A5 - - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Abbrenn-Stumpfschweisseinrichtung, mit einem ortsveränderlichen Leistungsaggregat (1), Schweisstransformatoren (6), einem Stromgeber (7) und einem Geber (9) für die Abbrenn-grösse, d. g., dass an das ortsveränderliche Leistungsaggregat (1) eine Gleichrichter-Ladeeinrichtung (2) mit ihrem Eingang angeschlossen ist, deren Ausgang mit einer Akkumulatoren-Batterie (3) und dem Eingang eines Wechselrichters (5) verbunden ist, dass an den Ausgang des Wechselrichters (5) die Schweisstransformatoren (6) über den Stromgeber (7) angeschlossen sind, mit einem zur Steuerung der Spannung und Frequenz am Ausgang des Wechselrichters (5) bestimmten Steuerblock (8), dessen Eingang mit dem Ausgang des Stromgebers (7) und dem Ausgang des Gebers (9) für die Abbrenn-grösse und dessen Ausgang mit dem Wechselrichter (5) verbunden ist, mit einem Lade- und Entladegeber (4), dessen Eingang mit der Akkumulatorenbatterie (3) und dessen Ausgang mit der Gleichrichter-Ladeeinrichtung (2) und dem Steuerblock (8) verbunden ist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Abbrenn-Stumpf-schweisseinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Eine solche Einrichtung kann zum Abbrenn-Stumpf-schweissen von Werkstücken aus Fe- und NE-Metallen, insbesondere beim Schweissen von Schienen und Rohrleitungen auf Baustellen bzw. beim Abbrenn-Stumpfschweissen von gross dimensionierten Rohren dienen, wenn die zur Verfügung stehende Leistung des elektrischen Versorgungsnetzes begrenzt ist.

Aus der Druckschrift «Pressschweissverfahren für das Schweissen von Haupt- und Gewerbeleitungen» von V.S. Lifshits und M.D. Litvintchuk, erschienen 1970 im Verlag «Nedra» in Moskau sind bereits Schweisseinrichtungen bekannt, die Schweissmaschinen, einen Innen- und einen Aus-sengratentferner, eine VerStelleinrichtung zum Verstellen der Schweissmaschine bzw. der Rohre relativ zueinander und eine ortsveränderliche elektrische Stromquelle aufweisen. Als elektrische Stromquellen dienen unter solchen Verhältnissen fahrbare Diesel-Stromaggregate. So gelangt z.B. beim Verschweis-sen von Rohren mit einem Durchmesser von 1020 mm ein Diesel-Stromaggregat mit einer Leistung von 500 kW zum Einsatz. Ein solches Diesel-Stromaggregat weist üblicherweise einen Synchrongenerator auf, der eine Spannung von 400 V bei einer von der Belastung unabhängigen Frequenz von 50 Hz liefert. Die Nennlast von 500 kW wird jedoch während höchstens 2 % der gesamten Betriebszeit erreicht. Während der restlichen Zeit, in den Schweisspausen ist die Belastung wesentlich kleiner und beträgt etwa 10% von der Nennleistung, um lediglich Hilfsgeräte zu speisen. Die Folge solcher Belastungsunterschiede ist eine Verkürzung der Lebensdauer des Dieselmotors. Hinzu kommt, dass eine so hohe installierte Nennleistung den Transport solcher Aggregate sowie deren Belieferung mit Brennstoff erschwert, wenn die Baustellen der zu bearbeitenden Rohrleitungen schwer zugänglich sind.

Je nach angewendeter Schweisstechnik ist es ausserdem erwünscht, während des Schweissvorganges die Frequenz des den Schweisstransformator speisenden Stromes zu ändern. Ist nur eine einzige Stromquelle für die Speisung des Schweiss-transformators, der WS-Motoren und der Hilfsgeräte vorhanden, dann ist es nicht möglich, die Frequenz zu ändern. Der Nachteil ist eine Herabsetzung der Wärmeentwicklung beim Schweissvorgang und eine damit verbundene Zunahme der

Schweissdauer und des Verbrauchs an Material, welche zu einer Verteuerung führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Ab-brenn-Stumpfschweisseinrichtung zu entwickeln, welche in der Lage ist, die von der zugeordneten Stromquelle gelieferte Energie in den Schweisspausen zu speichern und diese Energie während des Schweissvorganges durch trägheitsarme Einrichtungen in optimal angepasster Weise zur Verfügung zu stellen.

Die gestellte Aufgabe lässt sich erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegebenen Merkmale lösen.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschema einer Abbrenn-Stumpfschweissein-richtung und

Fig. 2 ein Prinzipschaltbild dieser Einrichtung.

Die Abbrenn-Stumpfschweisseinrichtung weist ein aus einem Dieselmotor und einem Drehstromgenerator bestehendes ortsveränderliches Leistungsaggregat 1 auf. An den Drehstromgenerator ist eine Gleichrichter-Ladeeinrichtung 2 angeschlossen, deren Ausgang mit einer Akkumulatorenbatterie 3 verbunden ist. Die Akkumulatorenbatterie 3 ist mit einem Lade- und Entladegeber 4 verbunden, der mit der Gleichrichter-Ladeeinrichtung 2 in Verbindung steht. An den Ausgang der Gleichrichter-Ladeeinrichtung 2 ist ferner ein Wechselrichter 5 angeschlossen, dessen Ausgang mit Schweisstransformatoren 6 und einem Stromgeber 7 verbunden ist. An den Wechselrichter 5 ist ferner ein Steuerblock 8 angeschlossen, um die Ausgangsspannung und die Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 5 zu beeinflussen. Ferner sind an den Steuerblock 8 der Lade- und Entladegeber 4, der Stromgeber 7 sowie ein Geber 9 für die sich beim Schweissen ergebende Ab-brenngrösse angeschlossen.

Aus der Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Gleichrichter-Ladeeinrichtung 2 Vormagnetisierungsdrosseln 10, eine Einrichtung 11 zur Steuerung des durch die Vormagnetisierungsdrosseln 10 fliessenden Vormagnetisierungsstromes und einen dreiphasigen Gleichrichter 12 aufweist. Die Einrichtung 11 zur Steuerung des Vormagnetisierungsstromes weist einen Transistor-Stromregler auf, dessen nichtdargestellter Regeltransistor in Kollektorschaltung betrieben wird. Ein Prinzipschaltbild und der Betrieb solcher Stromregler sind ausführlich im «Nachschlagebuch der Halbleiterelektronik» auf den Seiten 345 bis 360 erläutert, welches von Lloyd und Fahter im Verlag «Ma-schinostrojenie» 1975 in Moskau herausgegeben wurde.

Auf der Gleichstromseite ist der Gleichrichter 12 mit der Akkumulatoren-Batterie 3 sowie mit dem Eingang des Wechselrichters 5 verbunden. Der Wechselrichter 5 weist Thyristoren 13 und 14, Einrichtungen 15 und 16 zum Löschen der Thyristoren 13 und 14, Sperrdioden 17 und 18 sowie an seinem Ausgang einen Anpassungstransformator 19 auf. An den Anpassungstransformator 19 sind die Schweisstransformatoren 6 angeschlossen. Die Einrichtungen 15 und 16 zum Löschen der Thyristoren 13 und 14 sind nach dem Prinzip von induktiv-kapazitiven Kommutierungsstromkreisen mit Hilfsthyristoren ausgeführt, deren Prinzipschaltung und Wirkungsweise, beispielsweise im Buch «Theorie von autonomen Wechselrichtern» von B. Bedford und R. Hoft, Seiten 107 bis 114, sowie im Buch «Thyristortechnik» von W. Schilling, Seiten 247 bis 250 beschrieben sind.

Das erstgenannte Buch betrifft die Übersetzung aus dem Englischen, erschienen 1969 im Verlag «Energija», Moskau. Das zweitgenannte Buch betrifft die Übersetzung aus dem Deutschen, erschienen 1971 im Verlag «Energija», Leningrad.

Der Wechselrichter 5 wird vom Steuerblock 8 gesteuert, welcher Impulsgeneratoren aufweist, um die Thyristoren 13

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und 14 sowie die Einrichtungen 15 und 16 in bestimmter Reihenfolge zu steuern. Die Prinzipschaltung und die Arbeitsweise einer solchen Anordnung sind im technischen Nachschlagebuch «Thyristoren» erläutert. Es handelt sich bei diesem Nachschlagebuch um eine Übersetzung aus dem Englischen, erschienen 1971 im Verlag «Energija», Moskau.

Dem Steuerblock 8 werden die Messdaten des Stromgebers 7, des Gebers 9 für die Abbrenngrösse und des Lade- und Entladegebers 4 zugeführt. Der Stromgeber 7 weist einen Stromwandler auf, dessen Primärwicklung in den Speisestromkreis der Schweisstransformatoren 6 geschaltet ist. Der Ausgang des Stromwandlers ist mit der Wechselstromseite eines Zweiweggleichrichters verbunden. Der Geber 9 für die Abbrenngrösse weist ein Potentiometer auf, dessen Gehäuse mit der unbeweglichen Klemme der Schweisseinrichtung und dessen Schleifer mit der beweglichen Klemme der Schweisseinrichtung verbunden ist. Der Lade- und Entladegeber 4 ist unmittelbar mit der Akkumulatoren-Batterie 3 und der Einrichtung 11 für die Steuerung des Vormagnetisierungsstromes verbunden.

Die erfindungsgemässe Abbrenn-Stumpfschweisseinrich-tung arbeitet gemäss der nachfolgenden Erläuterung:

Die Akkumulatoren-Batterie 3 wird vor dem Beginn der Schweissarbeiten bis auf ihre Nennkapazität aufgeladen und in den Schweisspausen nachgeladen. Der vorbestimmte Wert des Ladestromes wird mittles der Einrichtung 11 zum Steuern des Vormagnetisierungsstromes und der damit verbundenen Vormagnetisierungsdrosseln 10 gesteuert. In Abhängigkeit von der Zunahme der Klemmenspannung der Akkumulatoren-Batterie 3 wird der Vormagnetisierungsstrom durch die Einrichtung 11 erhöht, so dass der Ladestrom konstant bleibt.

Die Akkumulatorenbatterie 3 ist vor dem Beginn des Schweissens voll aufgeladen. Der zu Beginn der Schweissarbeiten eingeschaltete Steuerblock 8 liefert unter Beibehaltung der vorgegebenen Frequenz Steuerimpulse an die Thyristoren 13 und 14 sowie an die Einrichtungen 15 und 16 zum Löschen der beiden Thyristoren.

Nachfolgend soll die Wirkungsweise des Wechselrichters 5 näher erläutert werden. Es wird angenommen, dass zunächst der Thyristor 13 gezündet wird. Als Folge davon fliesst ein von der Belastung abhängiger Strom von der Akkumulatorenbatterie 3 über den gezündeten Thyristor 13 und die mit ihm verbundene Wicklungshälfte der Primärwicklung des Anpassungstransformators 19. Nach einer vorbestimmten Zeit, die durch die Halbperiode der Frequenz der die Schweisstransformatoren 6 speisenden Spannung bestimmt ist, wird die Einrichtung 15 zum Löschen des Thyristors 13 aktiviert, wodurch der Thyristor 13 gesperrt und der Stromdurchgang in der daran angeschlossenen Wicklungshälfte der Primärwicklung des Anpassungstransformators 19 unterbrochen wird. Durch die in den reaktiven Elementen der Schweissstromkreise der Einrichtung gespeicherte Energie fliesst noch weiterhin ein Schweissstrom und damit auch ein Strom in der Sekundärwicklung des Anpassungstransformators 19. Dieser Strom wird nun auf die zweite Wicklungshälfte der Primärwicklung des Transformators 19 übertragen und über die in Reihe dazu liegende Sperrdiode 18 in die Akkumulatorenbatterie 3 zurückgeführt. Die Sperrdiode 18 bildet zusammen mit der zweiten Wicklungshälfte der Primärwicklung des Anpassungstransformators 19 einen Reihenkreis. Auf diese Weise wird dank der Sperrdiode 18 und der dieser ähnlichen Rückstelldiode 17 ein beträchtlicher Anteil der Blindenergie in die Akkumulatorenbatterie 3 zurückgeführt.

Die Spannung am Anpassungstransformator 19 und damit diejenige an den Schweisstransformatoren 6 ändert ihr Vorzeichen im Zeitpunkt der Zündung des Thyristors 13, während die Zündung des Thyristors 14 durch den Steuerblock 8 im Moment der Stromunterbrechung im Stromkreis der Sperrdiode 18 erfolgt. Zum Löschen des Thyristors 14 wird die Löscheinrichtung 16 aktiviert, wodurch der Strom des Kreises des Thyristors 14 und der damit verbundenen Wicklungshälfte der Primärwicklung des Anpassungstransformators 19 durch denjenigen Stromkreis fliesst, welcher durch die andere Wicklungshälfte der Primärwicklung des Transformators 19, der Akkumulatorenbatterie 3 und der Sperrdiode 17 gebildet ist.

Die Regelung der Frequenz der die Schweisstransformatoren 6 speisenden Spannung und deren Grösse erfolgt durch eine Änderung der Zündfrequenz der Thyristoren 13 und 14 mittels der Löscheinrichtungen 15 und 16 sowie durch eine Verzögerung der Zündung des Thyristors 13 bzw. 14 nach der Stromunterbrechung im Stromkreis der dazu parallel geschalteten Sperrdiode 17 bzw. 18.

Beim Einschalten des Wechselrichters 5 für den Schweiss-vorgang wird gleichzeitig die Gleichrichter-Ladeeinrichtung 2 in Betrieb gesetzt. Der grössere Anteil der für den Schweiss-vorgang erforderlichen Leistung wird von der Akkumulatorenbatterie 3 und der kleinere Anteil vom Generator 1 über die Gleichrichter-Ladeeinrichtung 2 geliefert. Die Gleichrichter-Ladeeinrichtung 2 weist eine fallende äussere Kennlinie auf, so dass dadurch die Leistungsaufnahme des Generators 1 begrenzt wird.

In Abhängigkeit vom Abbrennen des Schweissstückes wird das durch den Geber 9 in eine proportionale Gleichspannung umgeformte Signal, welches die Information über die Abbrenngrösse enthält, an den Steuerblock 8 übertragen. Dieses Signal beeinflusst die Frequenz der Ausgangsimpulse des Steuerblockes 8 und damit diejenige Frequenz der die Schweisstransformatoren 6 speisenden Spannung. Die Frequenz ist nach einem Sollprogramm von der Abbrenngrösse abhängig.

Diejenigen Signale, die eine Information über die beim Abbrennen auftretenden Kurzschlüsse an den Stirnflächen der Schweissstücke enthalten, werden über den Stromgeber 7 auf den Steuerblock 8 übertragen. Der Steuerblock 8 steuert den Wechselrichter 5 derart, dass die Frequenz der die Schweisstransformatoren 6 speisenden Spannung herabgesetzt und die Spannung erhöht wird, so dass der Strom im Schweissstrom-kreis ansteigt und die den Kurzschluss verursachenden Kontakte getrennt werden. Ein solches Vorgehen führt zur Erneuerung des Abbrennvorganges, so dass die beiden Geber 7 und 9 auf diese Weise eine Stabilität und eine gute Qualität des Abbrennvorganges gewährleisten.

Der Lade- und Entladegeber 4 dient zur Ermittlung des oberen und des unteren Grenzwertes der Spannung der Akkumulatoren und stellt eine Schwellwerteinrichtung dar, die mit Transistoren nach der Schmidt-Triggerschaltung aufgebaut ist. Der Lade- und Entladegeber 4 verhindert eine Überladung sowie eine Vollentladung der Akkumulatorenbatterie 3. Indem der Lade- und Entladegeber 4 auf die Einrichtung 11 zum Steuern des Vormagnetisierungsstromes einwirkt, stabilisiert er den Ladestrom und veranlasst dessen Abschaltung, wenn die Akkumulatorenbatterie 3 bis auf ihre Nennkapazität aufgeladen ist. Ferner schaltet der Geber 4 über den Steuerblock 8 den Wechselrichter 5 ab, falls die Akkumulatorenbatterie 3 aus irgendwelchen Gründen voll entladen sein sollte.

Die Verwendung der erfindungsgemässen Einrichtung beim Stumpfschweissen von Rohren auf der Baustelle gestattet es, den Wirkungsgrad der Stromquelle und den thermischen Wirkungsgrad des Schweissvorganges beträchtlich zu erhöhen. Der Wirkungsgrad der Stromquelle wird durch eine Verminderung der installierten Leistung des Diesel-Stromgenerators 1 und durch dessen gleichmässigere Belastung erhöht. Der thermische Wirkungsgrad wird durch die günstigste Anpassung der Frequenz und der Spannung des die Schweisstransformatoren 6 speisenden Stromes erzielt.

Durch Verwendung der erfindungsgemässen Abbrenn-Stumpfschweisseinrichtung als Bestandteil einer Anlage zum

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Schweissen von Rohren mit einem Durchmesser von etwa 1020 mm und einem Querschnitt von etwa 40 000 mm2 kann das bisher erforderliche Leistungsaggregat mit einer Nennleistung von 500 kW gegen ein solches mit einer Nennleistung von 100 kW ausgewechselt werden. Das Leistungsaggregat mit 5

500 kW Nennleistung muss nach 3000 Betriebsstunden vollständig revidiert werden, während bei dem Leistungsaggregat mit einer Leistung von 100 kW Nennleistung die Lebensdauer erheblich grösser ist, so dass dieses erst nach 6000 Betriebsstunden vollständig revidiert werden muss.

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1 Blatt Zeichnungen