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Anordnung zum Steuern eines zum Elektrodenantrieb bei Lichtbogenschweißmaschinen
dienenden Gleichstrommotors Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuerung für Elektromotoren,
insbesondere auf eine Steuerung des Elektrodenvorschuibmotors bei Lichtbogenschwei
ßmasch.inen.
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Erfindungsgemäß wird ein umsteuerbarer Gleichstrommotor von einer
Wechselstromquelle über eine Steuereinrichtung ,gespeist, die aus zwei gegensinnig
paral'letgeschal'teten gittergesteuerten Gl!eic'hrichtern besteht. Das Gitter des
einen Gleichrichters ist mit dem Anodenstromkreis des anderen Gleichrichters in
der Weise verbunden, daß beim ersten Gleichrichter der Stromdur,#gang freigegeben
bzw. gesperrt ist, falls der zweite Gleichrichter zur gleichen Zeit für den Stromdurchgang
gesperrt bzw. freigegeben ist. Das Gitter des zweiten Gleichrifters ist mit Steuereinrichtungen
verbunden, die es ermöglichen, das Potential dieses Gitters so zu verändern, daß
nach Wunsch der zweite Gleichrchter für den Stromdurchgang gesperrt oder freigegeben
werden kann. Außerdem sind beide Gleic'hri,chter so mit dem Motor verbunden, d'aß
durch sie die Laufrichtung des Motors in der einen oder
anderen
Richtung entsprechend der an das Gitter des zweiten Gleichrichters gelegten Spannung
bestimmt werden kann.
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Vorzugsweise wird' ein fremdez.regter Motor verwendet, dessen An'kerwickl'ung
mit den gegensinnig gesc hallteten GBeidhridhtern in Reihe liegt. Jedoch kann jede
beliebige andere Art der Umkehrung der Drehrichtung des Gleichstrommotors angewendet
werden. So kann z. B. bei Verwendung einer Spaltpolmaschine jeder Absc'hni'tt der
bei diesen Maschinen unterteilten Feldwicklung mit einem der beiden Gleichrichter
in Reihe geschaltet sein.
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Die Gleichrichter können entweder Halbwellen-oder Doppel'weg@gleichrichter
sein. Für den Fall, daß zwei Gleichridhtergefäße verwendet werden, also. Halbwerlengleidhrichtung
für Vorwärts- und Rückwärtsfauf der Motoren benutzt wird, sind in jedem Stromkreis
Drosselspulen eingeschaltet.
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Es können auch zwei. Doppelweggleichrichter beliebiger Art benutzt
werden, die beispielsweise wieder aus je zwei Gleichrichtergefäßen bestehen können.
Dabei sind die Gleichrichtergefäße mirt den entsprechenden Enden einer mit Mittefanvapfung
versehenen Sekundärwicklung eines Transformators verbunden. Die beiden eine Einheit
bildenden Glenchridhtergefäße, die den Motor für eine bestimmte Laufrichtung speisen,
besitzen Gitter, die eine negative Spannung zur Steuerung der gesamten Anordnung
erhalten. Die beiden anderen zusammengehörigen Gleichrichtergefäße werden auch hier
durch die beiden ersten Gefäße in der bereits beschriebenen Art gesteuert.
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Gemäß der Erfindung -i-st das Gitter der einen Entliadungsstrecke
mit dem Anodenstromkreis der anderen in der Weise verbunden, daß die erste Entladungsstrecke
(I) für den Stromdurchgang freigegeben bzw. gesperrt ist, wenn die zweite Entladungsstrecke
(II) gesperrtbzw. freigegeben ist, und daß ferner das Gitter der zweiten Entladungsstrecke
(II) am Potential der Schweißelektrode liegt. Das wird dadurch erreicht, daß in
dem Anodenstromkreis des Gleichrichters, dessen Gittezkreis direkt durch d-ie Steuermittel
beeinflußt wird und der ihn följgenden mit Gleichrichter II bezeichnet ist, ein
Widerstand eingeschaltet ist, während der Gitterkreis des anderen Gleichrichters,
.der im folgenden mit Gleichrichter I bezeichnet ist, mit diesem Widerstand in der
Weise verbunden ist, daß der in diesem Anodenstromkreis fließende Strom im Gitterstromkreis
eine Spannung erzeugt, die den Gleichrichter I sperrt.
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Besonders vorteilhaft ist es, diesen Widerstand einerseits mit .der
Anode des Gleichrichters. II und andererseits mit dem einen Pol der Wechselstromquelle
und mit -der Kaihode des Gleichrichters I zu verbinden, während das Gitter :des
Gefäßes I mit der Anode des Gefäßes II verbunden ist. Bei dieser Anordnung ist -es
möglich, daß das Gitter des Gleichrichters Idas Potential des Pol-es der Stromquelle
erhält, der an der entsprechenden Anode des Gleichrichters II liegt, so oft dieser
gesperrt ist. In diesem Fall ist der im Anodenstromkreis liegende Widerstand nicht
stromdurchflossen, und das Gitter des Gefäßes I erhält dann das Potential' der benachbarten
Kathode dieses Gleic'hric'hters, und diese Kathode ist mitdemselben Pol der Stromquelle
verbunden. Ist der Greichrichter I für den Stromdurchgang freigegeben, so bewegt
sich der Motor in der einen Riatung, beispielsweise rechtsläufig. Bei der vorliegenden
Anordnung Tnuß der Gleichrichter I abwechselnd eine negative Gitterspannung oder
eine positive, das Gitter beeinflussende Gitterspannung besitzen.
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Wird nun die negative Spannung von dem Gitter bzw. von den Gittern
des Gleichrichters II entfernt, so wird ,dieser für den Stromdurchgang freigegeben.
Der Strom fließt dann .durch den bereits erwähnten Widerstand. Infolgedessen wird
bzw. werden das Gitter bzw. die Gitter des Gleichrichters I selbsttätig negativ.in
bezu,g auf die Kathode bzw. die Kathoden. Der Motor läuft dann in entgegengesetzter
Richtung, da die Stromrichtung umgekehrt worden ist.
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Es können ferner geeignete Steuereinrichtungen vorgesehen werden,
um a'bwechsel'nd eine negative Spannung an :das Gitter .des Gleichrichters II anzulegen
bzw. davon zu entfernen. Die Betätigung derartiger Steuereinrichtungen kann von
verschiedenen Betriebsbedingungen abhängig ;gemacht werden, beispielsweise von der
Lichtbogenspannung oder einer anderen elektrischen Größe der Lichtbogenschweißeinrichtung.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten sind im folgenden beschrieben.
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Die veranschaulicht zwei Ausfü!hrungsbeiispiele der Erfindung,, und
zwar stellt Abb. i den S:dhaltplan einer Steuereinrichtung für den Elelctrodenvorscihu@bmotor
und Abb.2 ein anderes Ausführungsbeispiel dieser Steuereinrichtung dar.
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In der Abb. i ist der Anker des Elektrodenvorschubmotors mit i, seine
von einem nicht dargestellten Glieichstromnetz gespeiste Feldwicklung mit 2 bezeichnet.
Die in der Abb. i veranschaulichte Steuerung ,benutzt Halbwellengleichrichtung für
den Rechts- und Linkslauf des Motors. Die beiden zur Gleichrichtung des vorlhandenen
Wechselstromes erforderlichen Gleichrichter sind mit I und II bezeichnet. Der Anker
i wird von der Sekundärwicklung 3 eines Transformators gespeist, dessen Primärwicklung
q. an einem nicht gezeichneten Wechselstromnetz angeschlossen ist. Mit der Kathode
5 des Gleichrichters I ist ein Anschlußende der Sekundärwicklung 3 verbunden. Das
gleiche Anschlußende der Sekundärwicklung 3 liegt über einen Widerstand 6 an der
Anode 7 des GleichrisJhters II. Die Anode 8 des Gleichrichters I und die Kathode
9 des Greichrichters II sind über je eine Droisserspule io bzw. i i mit einer Bürste
des Ankers i verbunden. Zweckmäßig befindet sich zwi.s:chen :den Drosselspulen io,
i i und Ankerbürste ein Schalter 12. Die .andere Bürste des Ankers i ist mit dem
anderen Ansdhlußende der Sekundärwicklung 3 verbunden.
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Das Gitter 13 des Gleichrichters I steht mit der Anode 7 des Glleichrichters
II über einen unterteilten, mit einer Anzapfu.ng i5 versehenen Widerstand
14
in Verbindung. In die Leitung vom Widerstand 6 zu der Anzapfung 15 ist ein Kondensator
16 geschaltet. Das Gitter 17 des Gleic'hric'hters II ist über einen mit einer Anzapfung
versehenen Widerstand 18 mit der Schweißelektrode ig verbunden.
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Durch mechanische Mittel, wie beispielsweise Vorschubrollen od..d!gl.,
die in der Zeichnung nicht veranschaulicht sind, wird die Bewegung des Ankers i
der Elektrode ig mitgeteilt. Die Elektrode ig liegt über Widerstand 20 und Drosselspule
21 an der negativen Polklemme 22 einer den Schweißstrom liefernden Gleichstromquelle.
Die positive Polklemme 23 dieser Glseichstromquell'e liegt an dem zu schweißenden
Werkstück 2d.. Zwischen Polklemme 22 und Polklemme 23 ist ein Spannungsteiler 25
geschaltet, dessen veränderlicher Kontakt 26 mittels der Leitung 27 mit der Kathode
g des Gleiichrichters II verbunden ist. Ein Kondensator 28 ist einerseits mit dem
Werkstück 2.I u.nd andererseits mit der Anzapfung des Widerstandes 18 verbunden.
Die Spannung der Sekundärwicklung 3 des Transformators muß höher sein als die Gegen-EMK
des Motors. Beträgt z. B. die Gegen-EMK des Motors bei höchster Motordrehzahl 6o
Volt, während die Spannung der Wicklung 3 550 Volt ist, so wird der Ankerstrom
durch die Drosselspulen io, ii begrenzt. Die Anordnung ist nun so getroffen, daß,
falls der Gleichrichter I für den Stromdurchgang freigegeben ist, der Motor i die
Elektrode zum Werkstück hinbewegt. Ist jedoch der Gleichrichter II für den Stromdurchgang
freigegeben, so wird der Ankerstrom umgekehrt und die Elektrode dadurch vom Werkstück
entfernt.
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Die Wirkungsweise der soeben beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung
ist folgende: Ist der Motorstromkreis durch den Schalter 12 geschlossen und liegt
z. B. an den Polklemmen 22 und 23 eine Gleichspannung von 6o Volt, so wird, falls
sich die Elektrode ig in einiger Entfernung vom Werkstück befindet, kein Lichtbogen
;gezogen. Die Elektrode ig besitzt dann gegenüber dem Werkstück 2d. ein negatives
Potential von 6o Vol't. Ist außerdem der Kontakt 26 auf dem Spannungsteiler 25 so
eingestellt, daß zwischen .der Anzapfung 26 und der Polklemme 23 bzw. dem Werkstück
24 eine Spannung von 2o Volt liegt, so hat das Gitter 17 gegenüber der Kathode g
des Gleichrichters II ein negatives Potential von q.o Volt. Infolgedessen ist dier
Gleichrichter II für den Stromdurchgang gesperrt. Es fließt daher kein Strom durch
den Widerstand 6. Das Gitter 13 behält also das gleiche Potential wie die Kathode
5. Der Gleichrichter I ist daher für. den Stromdurchgang freigegeben; der Anker
bewegt sich und führt die Elektrode ig gegen das Werkstück 2q.. Stößt die Elektrode
ig auf das Werkstück 2.4, so wird augenblicklich das Gitter 17 auf ein positives
Potential in bezug auf Kathode g gebracht. Dadurch wird der Gleichrichter II für
den Stromdurchgang freigegeben. Der durch den Widerstand 6 fließende Strom erzeugt
eine negative Spannung über Widerstand 14 am Gitter 13. Diese negative Spannung
wird auch noch aufrechterhalten, nachdem der infolge der Gleichrichterwirkung durch
Gleichrichter II fließende Strom auf Null gesunken isst, da der durch den Stromdurchgang
durch Widerstand 6 aufgeladene Kondensator 16 sich über den rechten Teil des Widerstandes
14 und den Widerstand 6 entlädt. Während dieser Zeit besitzt das Gitter 13 ,gegenüber
der Kathode 5 ein negatives Potential. Der Gleichrichter I wird infolgedessen gesperrt
und die Ankerwicklung i durch Gleichrichter II allein gespeist. Die Stromrichtung
durch den Anker i ist nun umgekehrt und infolged'essen auch die Drehrnchtung des
Ankers i. Die Elektrode ig entfernt sich von dem Werkstück 24 und zieht den Lichtbogen.
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Durch die Entfernung der Elektrode ig von dem Werkstück 24. steigt
die Lichtbogenspannung an und erreicht einen Wert, der der Spannung zwischen Anzapfung
26 des Spannungsteilers 25 und dem Gitter 17 entspricht. Die Spannung des Gitters
17 in bezug auf Kathode g sinkt dann auf Null herab. In diesem Augenblick arbeiten
die Gleichrichter I und II aussetzend und abwechselnd und veranlassen, -daß die
Elektrode ig sieh mit richtiger Geschwindigkeit bewegt und .daß eine bestimmte gewünschte
Lichtbogenspannung aufrechterhalten wird. Diesegewünschte Spannung wird durch Verschieben
des Kontaktes 26 auf dem Widerstand 25 eingestellt, z. B. auf 2o Volt. Es ist leicht
einzusehen, daß, nachdem der Lichtbogen gezogen und die Schweißurig vonstatten gegangen
ist, die Motordrehrichtung praktisch die gleiche bleibt, und zwar so, daß sich die
Elektrode ständig zum Werkstück hin bewegt. Es ist vorteilhafter, die Regelung des
Elektrodenvors hubes durch Veränderung .der Motorgeschwindigkeit, als durch- fortwährendes
Anfahren und Anhalten des Motors vorzunehmen. Der Widerstand 18 und der Kondensator
28 dienen dazu, die Lichtbogenspannung zu glätten, bevor :sie in den Gitterstromkreis
des Gleichrichters II gelangt. Dies ist bezüglich des Schweißvorganges wünschenswert,
da verhindert werden muß, daß das Steuersystem auf die großen und häufigen Änderungen.der
Lichtbogenspannung, .die durch im Lichtbogen befindliche Metallteilchen verursacht
werden; anspricht.
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Es ist klar, daß, da die Wechselspannung groß ist im Vergleich zu
der von der Ankerwicklung i erzeugten Gegen-EMK und die Spannungsdifferenz in den
Drosselspulen io und i i vernichtet wird; die Spannungsrichtung von Anode zur Kathode
sich nicht sogleich umkehrt, falls die Spannung der Stromquelle das Vorzeichen umkehrt.
Der Gleichrichter bleibt also während eines Bruchteiles der folgenden Halbwelle
für den Stromdurchgang freigegeben.
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In allen Fällen, in denen die Elektrode ig gegenüber dem Werkstück
24. ein positives Potential hat, brauchen zurr Verhältnis der Wirkungsweise gedanklich
nur die beiden Anschlüsse des Gitterstromkreises des Gleichrichters 1I vertau,scht
zu werden. Die Wirkungsweise ist 'dann dieselbe wie soeben beschrieben.
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Vorzugsweise besitzt die Drosselspule i i eine größere Induktivität
als die Drosselspule io. Dadurch
wird erreicht, daß sich die Elektrode
nach dem Lichtbogenziehen mit geringerer Geschwindigkeit vorn Werkstück entfernt,
als sie sich früher auf das Werkstück zu bewegt hat. Istbeispielsweise die Induktivität
der Drosselspule i z doppelt so groß als die der Drosselspule fo, so ist die Geschwindigkeit
des Entfernens der Elektrode vom Werkstück nur halb so. groß wie die Zuführung derselben
zum Werkstück.
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Für die Gleichrichter I und II kann jede für diesen Zweck geeignete
Art von Entladungsgefäßen benutzt werden. Es können z. B. derartige Entliadungsgefäße
verwendet werden; die bei. den oben angegebenen Spannungsverhältnissen für den Widerstand
6 foo S2, für den Kondensator 16 eine Kapazität von i Mikrofarad und für den linken
Teil des Widerstandes 14 foooo S2 und für den rechten Teil 3000 ,Q erfordern. Der
linke Teil des Widerstandes 18 kann dann beispielsweise etwa fo ooo 0, der rechte
Teil etwa 45-0,Q und der Kondensator 28 eine Kapazität von 2o Mikrofarad besitzen.
Diese oben angegebenen Werte können natürlich beliebig verändert wenden.
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Wie bereits erwähnt, liegt an den Polklemmen 22 und, 23 irgendeine
geeignete Gleichstromquelle. Gewöhnlich benutzt man für die Lieferung des Schweißstromes
einen für .diese Zwecke geeigneten Schweißgenerator mit Verbundwicklung. Diese Generatoxen
liefern an sich eine ziemlich konstante Spannung. Jedoch kann nicht verhindert werden,
daß unter ,gewissen Umständen kleine Spannungsschwankungen auftreten. Da die Schaltanordnung
gemäß Abb. i die Lichtbogenspannung als eine bestimmte, durch die Anzapfung .des
Spannungsteilers 25 bedingte Teilspannung des angelegten Netzes aufrechterhält,
wird diese Anordnung, falls Spannungsänderungen an den Polklemmen 22 und 23 auftreten,*
einem regelmäßigen Schweißbetriebe nicht genügen. Man benutzt in diesem Fall zweckmäßig
die in der Abb. 2 dar:gestelfte Schaltanordnung.
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Die Schaltanordnung der Abb, 2 ist grundsätz-Dich,die gleiche, wie
die in der Abb. i dargestellte. Die gleichen Schaltelemente sind .in beiden Abbildungen
durch gleiche Bezugsziffern gekennzeichnet. In der Abb. 2 liegt der Spannungsteller
25 nicht an den Polklemmen 22 und 23 des den Schweißstrom liefernden Netzes, sondern
ist getrennt davon an eine konstante Spannung liefernde Gleichstromquelle beliebiger
Art angeschlossen. In der Abb. 2 wird diese eine konstante Gleichspannung liefernde
Stromquelle durch einen an ein Wechselstromnetz 3i, 32 angeschlossenen Gleichrichter
33 gebildet. In der Abb. 2 ist z. B. ein Doppelweggleichrichter dargestellt. Die
A@naden dieses Doppel'weggleichrichters 33 liegen an den beiden Enden einer mit
Anzapfung versehenen Sekundärwicklung 34 eines Transformators, dessen Primärwieklung
35 vom Wechsel= stromnetz 3 i, 32 :gespeist wird. Die Mitteliänzapfung der Wickfüng.34
ist über eine Drässelspul@e 36 mit dem einen Ende des Spannungsteilers 25 verbunden.
Das andere Ende des Spannungsteilers 25 ist mittels der Leitung 37 mit der Kathode
des Gleichriehtergefäßes 33 verbunden. Zwischen der Anzapfung der Wicklung 34 und
der Kathode des Gefäßes 33 liegt ein Kondensator 38. Das untere Ende des. Spannungsteilers
25 ist wie in der Abb. r mit dem Werkstück 24, die Kaihode 9 des Gleic!hric!hters.
II ebenfalls mit der Anzapfung 26 des Spannungsteilers 25 verbunden. Die Wirkungsweise
dieser in der A.bb. 2 gezeigten Schal-tanordnung ergibt sich, aus den zu der Abb.
i gegebenen Erklärungen. Das obere Ende des Spannungstellers 25 besitzt wiederum
ein negatives, das untere Ende ein positives Potentiah Für praktische Zwecke können
die Podklemmen3 i und 32 beispielsweise mit einer Wechselstromlichtleitung verbunden
werden.
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Die in der Abb. 2 gezeigte Schaltanordnung eignet sich besonders für
die Steuerung eines elektrischen Schweißlichtbogens, der von einer Wechselstromquelle
gespeist wird. Es kann dann nur nicht die Lichtbogenspannurig direkt am Widerstand
18 und am Kondensator 28 liegen. In diesem Fall muß vielmehr ein Gleichrichter zwischengeschaltet
werden, der von der Lichtbogenspannung gespeist wird. Vorzugsweise wird hierfür
ein Vollweggleichrichter, beispielsweise ein Gleichrichter in GraetzschaJtung, mit
zwischen die Polklemmen geschaltetem Kondernsator verwendet. Besonders gut eignen
sich für diesen .Zweck Kupfer-Oxyd- oder Eisen-Sel'en-Gleichrichter.
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An Stelile des Spannungsteilers 25 können ebenfalls andere Mittel
verwendet werden, die geeignet sind, eine Spannung zu erzeugen, die mit der Lichtbogenspannung
verglichen werden kann, und die es gestatten, die Spannungsdifferenz dieser beiden
Spannungen an das Gitter des Gleichrichters II zu legen. Die beschriebenen Schaltanordnungenkönnen
in der Weise. abgeändert werden, daß zwecks Benutzung der Vdllweggleichrichtung
je zwei zusammengehörige Entladungsgefäße für jeden der Gteir@hrichter I und II@
verwendet werden. Dabei .sind immer eine Anode des einen und eine Kathode des anderen
Gleichrichterpaares mit einem Ende der mit einer Mittedanzapfung versehenen Sekundärwicklung,
die an die Ste1Qe der Wicklung 3 der Abb. i tritt, verbunden. Die Gitter je eines
Gleichrichtergefäßes beider Gleichrichterpaare sind mit dem Steuerstromkreis verbunden,
während die Widerstände in dem Anaden:strömkreis dieser Gefäße enthalten sind. Die
Gitter jedes" der beiden anderen Gefäße sind mit der Anode des anderen Gefäßes desselben
Gl'eichrichterpaares verbunden.
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Die Gleic'hric'hter, die in der erfindungsgemäßen Steueranordnung
verwendet werden, können beliebiger Art sein, jedoch muß der Stromdurchgang mittels
einer Gitterelektrode gesteuert werden. Beispielsweise können Quecks@i,lberdampfentladu.ngsgefäße
verwendet werden, bei denen das Zünden dürch das Potential des .Steuergitters bestimmt
wird und 'bei denen durch Verringerung des Anodenpotenti.all's auf einen -kritischen
Wert der Stromdurchgang gesperrt wird.
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Es ist klar, daß mit den verwendeten Ausdrücken »Gitterelektrode«:und
» gittcrges.teuertes« Gefäß jede
beliebige Art der Steuerelektrode
und des Ent-Ladungsgefäßes, das zu seiner Steuerung derartige Elektroden besitzt,
gemeint ist.
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Die erfindungsgemäße Steuerung, von der in den Abb. i und 2 zwei Ausführungsbeispiele
gezeigt sind, ist besonders vorteilhaft für die Regelung eines Elektrodenvorschubmotors.
Der Elektrodenvorschub ist vollkommen selbsttätig, falls einmal an dem Spannungsteiler
25 oder mit Hilfe anderer geeigneterMittel die gewünschte Lichtbogenspannung eingestellt
worden ist. Hält der Schweißer es für notwendig, den Schweißstrom zu ändern, oder
wünscht er eine stärkere oder schwächere Elektrode zu verwenden, was gewöhnlich
eine beträchtliche Änderung des Schweißstromes zur Folge hat, so ist keine besondere
Einstellung der Elektrodenvorschubeinrichtung nötig. Es braucht vielmehr nur eine
andere Einstellung des Kontaktes 26 am Spannungsteiler 25 bzw. eine Einregulierung
anderer geeigneter Mittel vorgenommen zu werden, um die Lichtbogenspannung nach
Wunsch zu ändern.