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Stromquelle für das elektrische Lichtbogenschweißen und das Elektroschlackeschweißen
Die Erfindung betrifft eine Stromquelle mit einstellbaren fallenden, horizontalen
und steigenden statischen Belastungskennlinien für das elektrische Lichtbogenschweißen
und das Elektroschlackeschweißen.
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Die verschiedenen Schweißverfahren erfordern unterschiedliche statische
Belastungskennlinien, so wird zum Beispiel beim manuellen Lichtbogenschweißen und
beim Wolfram-Inert-Gas-Schweißen eine stark fallende statische Belastungskennlinie
verwendet, beim Metali-Inert-Gas-Schweißen und beim Metall-Aktiv-Gas-Schweißen werden
leicht fallende bis leicht steigende statische Belastungskennlinien verwendet, wobei
der steigenden statischen Belastungskennlinie eine besondere Bedeutung zuzumessen
ist wegen der durch diese erzielbaren optimalen inneren Regelung.
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Die nicht gebräuchliche Stromquelle mit steigender statischer Belastungskennliaie
ermöglicht die Anpassung der Steigung der Kennlinie dieser Stromquelle an die Steigung
der statischen Strom-Spannungskennlinie des Lichtbogens, die bei hohen
Stromdichten
steigend ist. Diese Anpassung bewirkt eine Konstanthaltung der Lichtbogenlänge,
deren Abweichungen vom Sollwert sich ungünstig auf die Schweißung, zum Beispiel
das Schweißgut, die Gleichmäßigkeit der Naht und die Einbrandtiefe auswirken.
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In dem Gebiet der elektrischen Lichtbogenschweißung mit Gleichstrom
sind zwei Arten von Stromquellen üblich: Umformer (Motor-Qenerator) und Gleichrichter.
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Ein wichtiger Faktor für die Anwendung dieser Stromquellen ist die
statische Belastungskennlinie, die den Zusammenhang zwischen Schweißstrom und Schweißspannung
gibt. Man unterscheidet allgemein drei Arten von statischen Belastungskennlinien:
a) fallende statische Belastungskennlinie Diese Stromquelle ist gekennzeichnet durch
eine abnehmende Schweißspannung bei steigendem Schweißstrom.
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b) horizontale statische Belastungskennlinie Diese Stromquelle, auch
Konstantspannungsquelle genannt, ist gekennzeichnet durch eine konstante Schweißspannung
bei steigendem Schweißstrom.
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c) steigende statische Belastungskennlinie Diese Stromquelle ist
gekennzeichnet durch eine zunehmende Schweißspannung bei steigendem Schweißstrom.
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Bekannte Möglichkeiten für das Einstellen der statischen Belastungskennlinien
sind: A) bei den Umformern - BUrstenverschiebung - Ein- und Ausschalten von Reihenschlußwicklungen
beim Doppelschlußgenerator - Beeinflussung des Erregerfeldes durch Strom oder Spannungsregler
B)
bei den Gleichrichtern - Transduktor - veränderlicher Widerstand - Servomotor in
Verbindung mit einem Transformator mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis.
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Zu A): Die Nachteile der Umformer, bedingt durch die rotierenden Massen,
sind hohe Anschaffungs- und Wartungskosten, großes Gewicht, große Geräuschentwicklung,
hohe Leerlaufverluste, kleiner Wirkungsgrad und geringe Stromanstiegsgeschwindigkeiten.
Die Bürstenverschiebung ist eine schlechte Kompromißlösung wegen des auftretenden
11Bürstenfeuers 1? und der Verschlechterung der dynamischen Eigenschaften der Stromquelle.
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Das Ein- und Ausschalten von Reihenschlußwicklungen ermöglicht keine
stufenlose Einstellung der Steigung der statischen Belastungskennlinien.
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Die Gleichrichter weisen die zu A) genannten Nachteile nicht auf.
Dagegen sind die Gleichrichter empfindlicher gegen Netzspannungsschwankungen und
die Welligkeit der Schweißspannung ist groß.
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Alle unter A) und B) angeführten Verfahren für das Einstellen der
Steigung der statischen Belastungskennlinien haben einen gemeinsamen Nachteil, die
geringe Regelgeschwindigkeit.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schweißstromquelle
zu entwickeln, die zusEtzlich zu den Ublichen fallenden und horizontalen statischen
Belastungskennlinien auch die noch nicht gebräuchliche steigende statische Belastungskennlinie
mit stufenloser Einstellung der Kennliniensteigung ermöglicht.
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Die Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß eine transistorisierte
Stromquelle, neben Transformator und Gleichrichter, eine elektronische Gesamteinheit
enthält, die aus
einem transistorisierten Leistungsteil und elektronischen
Steuer- und Regeleinheiten besteht. Durch Ums-chalten dieser elektronischen Steuer-
und Regeleinheiten werden fallende, horizontale und steigende statische Belastungskennlinien
erzeugt, wobei die Erzeugung der steigenden statischen Belastungskennlinie und die
stufenlose Einstellung deren Steigung durch einen dieser elektronischen Regler ermöglicht
wird, der Uber die Abnahme einer dem Schweißstrom proportionalen Spannung und silber
einen Verstärker mit einstellbarer Verstärkung die Ansteuerung des Leistungsteils
so regelt, daß durch steigenden Schweißstrorn die Schweißspannung ebenfalls ansteigt.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind insbesondere: I) die
größere Regelgeschwindigkeit der ausschließlich elektronischen Regelung, die ohne
rotierende Massen und ohne magnetische Felder arbeitet, und die damit verbundenen
verbesserbaren dynamischen Eigenschaften der Stromquelle, II) die Möglichkeit, außer
den fallenden und horizontalen statischen Belastungskennlinien in nur einer Stromquelle
auch die nicht Ubliche steigende statische Belastungskennlinie zu erzeugen, und
dies mit stufenloser Einstellung der Kennliniensteigung, III) die Unabhängigkeit
gegenüber lQetzspannungsschwankungen, IV) die Unterdrückung der Welligkeit der Schweißspannung,
V) die M6glichkeit, die Schweißspannung sowie den Schweißstrom oder die Schweißspannung
und gleichzeitig den Schweißstrom zu regeln durch äußere, von Aufnehmern herkommenden
Regelsignale (z.B. Abtastung der Fugenbreite und entsprechende Regelung der Abschmelzung
der Elektrode).
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Bild 1 zeigt eine idealisierte Darstellung der verschiedenen statischen
Belastungskennlinien.
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Ein Ausführungsbeispiel der Stromquelle ist in Bild 2 dargestellt.
Auf den Bildern 2 bis 7 sollen die Bezugszeichen (1) und (2) die Gleichstromquelle,
bestehend aus Transformator und Gleichrichter, symbolisieren, wobei Uo die wellige
Gleichspannung und R. der Innenwiderstand der Gleichstromquelle ist.
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Durch das Leistungsteil (3), das aus mehreren parallel geschalteten
Leistungstransistoren besteht, fließt der gesamte zu regelnde Schweißstrom. Das
Leistungsteil hat die Funktion eines veränderlichen Widerstands im Schweißkreis.
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(4) symbolisiert die an die Schweißstromquelle geschaltete Last RL
(z.B. Lichtbogen).
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(5) gibt eine dem Schweißstrom proportionale Spannung ab.
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Über einen Schalter S1 mit vier Stufen 1, 2, 3 und 4 und drei Ebenen
a, b und c wird der Regler in Bild 2 an die verschiedenen Arbeitsspannungen und
Arbeitsströme geschaltet. In der Schalterstellung S1ai S 51b1 -S ici wird die stark
fallende statische Belastungskennlinie erzeugt.
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In der Schalterstellung S1a2 - S1b2 Slc2 wird die fallende statische
Belastungskennlinie erzeugt.
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In der Schalterstellung 51a3 - S1b3 - 1c3 wird die horizontale statische
Belastungskennlinie erzeugt.
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In der Schalterstellung S1a4 - Slb4 - lc4 wird die steigende statische
Belastungskennlinie erzeugt.
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Die Bilder 3 bis 6 zeigen Ausschnitte aus Bild 2 und werden im folgenden
näher beschrieben.
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Bild 3 zeigt den Teil der Stromquelle, der die stark fallende statische
Belastungskennlinie erzeugt (Konstantstromquelle).
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Diese Schaltung ist gekennzeichnet durch einen Regler (7), der den
Istwert des Schweißstroms 1Ist mit einem einstellbaren Sollwert (6) ISoll vergleicht
und bei Abweichungen von diesem Sollwert das Leistungsteil (3) so steuert, daß der
Schweißstrom konstant gehalten wird. Der Istwert des Schweißstroms wird in (5) über
eine dem Strom proportionale Spannung bestimmt.
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Bild 4 zeigt den Teil der Stromquelle, der die fallende statische
Belastungskennlinie erzeugt. Diese Schaltung ist gekennzeichnet durch ein Stellglied
(8), welches mit Hilfe einer Spannung U2 (9) den Widerstand des Leistungsteils (3)
steuert. Somit kann der Kurzschlußstrom und damit auch die Steigung der Belastungskennlinie
stufenlos eingestellt werden.
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Bild 5 zeigt den Teil der Stromquelle, der die horizontale statische
Belastungskennlinie erzeugt (Konstantspannungsquelle). Die Schaltung ist gekennzeichnet
durch einen Regler (12), der über einen Spannungsteiler (10) den Istwert der Schweißspannung
U Ist mit einem einstellbaren Sollwert U5011 (11) vergleicht und bei Abweichungen
von diesem Sollwert das Leistungsteil (3) so steuert, daß die Schweißspannung konstant
gehalten wird. Über (5) und wird der Schweißstrom auf einen zulässigen einstellbaren
Höchstwert IK begrenzt.
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Bild 6 zeigt ein erstes Ausführung,sbeispiel des Teils der Stromquelle,
der die steigende statische Belastunas'kennlinie erzeugt. Diese Schaltung ist gekennzeichnet
durch einen Regler (13), der über die Abnahme einer dem Schweißstrom proportionalen
Spannung das Leistungiteil (3) so steuert, daß bei steigendem Schweiljstrom die
SchweiFapanffung
ebenfalls ansteigt. Der Regler (13) bewirkt zusätzlich
eine elektronische Kurzschlußstrombegrenzung. Die Steigung der statischen Belastungskennlinie
ist kontinuierlich einstellbar.
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Bild 7 zeigt ein zweites Ausfithrunesbeicpiel des Teils der Stronquelle,
der die steigende statische Belastungskennlinie erzeugt. Diese Schaltung ist gekennzeichnet
durch einen nicht invertierenden Verstärker (14) mit einstellbarer Verstärkung,
der über eine Rmitterfolgerstufe (15) das Leistungsteil (3) ansteuert. Die Eingangsspannung
des Verstärkers (14) ist die dem Schweißstrom proportionale Spannung, die in (5)
erzeugt wird. bei steigendem Schweißstrom wird über den nicht invertierenden Verstärker
(14) und über den Etr£itterfolger (15) das Leistungsteil (3) aufgesteuert, so daß
die Schweißspannung ansteigt. Die Steigung der steigenden statischen Belastungskennlinie
ist kontinuierlich einstellbar Uber die veränderliche Verstärkung des Verstärkers
(14). Durch Übersteuerung dieses Verstärkers (14) erfolgt eine automatische Kurzschlußstrombegrenzung.
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Die Gleichspannungen U1, U2> U3, U4 sind Hilfsspannungen, die zur
Speisung der Regler und des Stellglieds dienen und die UnterdrUckung der Welligkeit
der Schweißspannung fördern.
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Die Signalspannungen u1, u2, u3, u4, die von externen Aufnehmern geliefert
werden, können den Schweißstrom oder die Schweìßspannung oder den Schweißstrom und
gleichzeitit die Schweißspannung regeln.