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Hochspannungsschalter für Kondensator-Entladungskreise von Impuls-Schweißmaschinen
Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsschalter für Kondensator-Entladungskreise
von Impuls-Schweißmaschinen, der als Prellschlagschalter ausgebildet ist und in
Luft so arbeitet, d.aß die beim Einschalten auftretende Funkenbildung völlig vermieden,
wird.
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Bei Kondensator-Schweißmaschinen wird die Ladung eines Kondensators
über einen geeigneten Schalter in die Primärwicklung eines Schweißtransformators
gegeben, an dessen Sekundärwicklung der transformierte Stromstoß dem Schweißgut
als dem Verbraucher zugeführt wird. Diese Schaltvorgänge haben den Nachteil, daß
ein sehr starker Einschaltfunke entsteht, weil bereits vor Berührung der Kontakte
zwischen diesen infolge der Hochspannung der Funke überschlägt, so daß der Entladevorgang
des Kondensators häufig schon beendet ist, bevor die Kontakte sich berühren. Es
ist ersichtlich, daß sich das Auftreten dieser Einschaltfunken äußerst ungünstig
auf den Schweißvorgang auswirkt.
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Wird an zwei Elektroden, die sieh in einem festen Abstand gegenüberstehen,
eine elektrische Spannung angelegt, so vergeht bekanntlich eine gewisse Zeit, bis
der Überschlag stattfindet. Diese Verzögerungszeit liegt zwischen io-7 und io-4
Sekunden und ist stark abhängig von der Struktur des Elektrodenmaterials. Man könnte
nun theoretisch die Kontaktgeschwindigkeit so steigern, daß die Kontaktgabe in einer
Zeit von io-7 oder
io-$ Sekunderi erfolgt ist, also bevor sich ein
Schaltfunke ausbilden kann. Eine solche Geschwindigkeit läßt sich jedoch in der
Praxis kaum erreichen, da hierfür technische Mittel erforderlich wären, deren Aufwand
zu diesem Zwecke nicht mehr vertretbar ist. Außerdem ist der Geschwindigkeit aus
Materialgründen eine Grenze gesetzt. Bestehen jedoch die Elektroden aus einem Metall,
das zu einer starken Oxydhaut neigt, wie z. B. Kupfer, so kommt es erst nach einer
Zeit von etwa io--4 Sekunden zum Funkendurchschlag. Dies liegt daran, daß Feldelektronen
und Photoelektronen in OxyduIschichten auf Grund des Halbleitereffektes eingefangen
werden.
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Aufgabe der Erfindung ist, einen Hochspannungsschalter für Kondensator-Entladungskreise
von Impuls-Schweißmaschinen anzugeben, der unter Ausnutzung der an sich bekannten,
oben beschriebenen Tatsachen die Ausbildung von Einschaltfunken auch bei periodisch
stattfindenden Schaltvorgängen vollständig unterbindet. Die Lösung der Erfindungsaufgabe
besteht darin, daß die aus stark oxydierendem Metall, z. B. Kupfer, bestehenden
beweglichen Kontakte des Prellschalters mit einer dem Schweißtakt entsprechenden
Frequenz durch die Wirkung von in einem Hilfsstromkreis erzeugten Stromstößen derart
schnell gegen die festen Gegenkontakte bewegt werden, daß vor der Kontaktgabe kein
Überschlag erfolgt, und daß sie durch eine Feder mit vorgegebener Geschwindigkeit
zurückgeschnellt werden. Der zur Bewegung der Kontakte erforderliche Stromstoß wird
hierbei durch Entladung eines Hilfskondensators erzeugt und durch diesen Stromstoß
ein mit den beweglichen Kontakten verbundener Eisenkern in eine Spule hineingezogen,
wobei die Aufladezeitkonstante des Hilfskondensators über Widerstände größer ist
als die Auflade7citkonstante des Hauptkondensators über dessen Widerstand.. Ferner
sind sowohl die Kraft der Rückschnellfeder als auch die elektrischen Werte der Widerstände
zur Aufladung des Hilfskondensators so dimensioniert, daß der durch letztere fließende
Strom nicht ausreicht, um den Eisenkern gegen die Kraft der Feder in der Spule festzuhalten.
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Maßgeblich hierbei ist jedoch, daß sich nach jeder Schaltung der nur
wenige Moleküllagen starke Oxydüberzug der Kontakte selbsttätig an Luft erneuert,
so daß der Schalter stets betriebsbereit ist.
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Zur Erzielung dieses schnellen Eliektrodenschlusses kann man sich:
verschiedener Verfahren bedienten. Mechanische Verfahren, z. B. der Kontaktschluß
durch einen auftreffenden Schlagbolzen, ähnlich. einem aufschlagenden Hammer, erzielen
bereits brauchbare Ergebnisse,-sind jedoch räumlich zu umfangreich und schwer zu
steuern. Es wurde daher vornehmlich ein. elektrisches Impulsverfahren entwickelt,
das prinzipiell gemäß der Zeichnung arbeitet. Hier sind i und 2 die zu schließenden
Elektroden des Kondensatorentladungskreises, bestehend aus dem Kondensator 3 und
dem Verbraucher 4.. Der Kondensator wird über den Widerstand oder die Drossel 5
aus der Spannung U1 aufgeladen,. Die Aufgabe besteht darin, den Kontaktgeber 6 in
einer kürzeren Zeit auf die Kontakte i und 2 zu führen, als sie der elektrische
Funke i-6 und 6-2 zu seinem Entstehen benötigt. Dies geschieht erfindungsgemäß durch
eine entsprechende Ausbildung des Bewegu.ngsmrechanismus für die beweglichen Schaltkontakte.
Hierzu sind die beweglichen Kontakte mit einem lamellierten Anker 7 verbunden, der
bei Stromfluß in die elektrische Spule 8 hineingezogen wird. Die Spule 8 wird über
den Schalter 9 mit einem aufgeladenen Kondensator io verbunden. Dieser Kondensator
ist über die Widerstände i i auf eine Spannung U2 aufgeladen. Die Arbeit,- die in
einem Kondensator C bei der Spannung U enthalten ist, ist bekanntlidh
A = 1/2 C - U2 (Wattsekunden). Diese Arbeit wird mittels des Systems 8-7
bei Kontaktschluß von 9 in mechanische Arbeit in Form des Hineinziehens von 7 in
8 umgewandelt. Die erste Phase dieses Umwandlungsprozesses besteht darin, dien mit
der Masse m behafteten Schaltersystem 7-6 einte hohe kinetische Energie zu geben,
die ausreicht, um die gewünschte Geschwindigkeit v der Bewegung des Schalters. 6
gegen die Elektroden i und 2 zu erlangen. Zusätzlich ist einte Arbeit gegen die
Kraft der Feder 12 zu leisten, die die Aufgabe hat, den Schalter nach Ablauf des
Vorganges wieder in die Ruhestellung zurückzuführen. Hieraus ist ersichtlich, daß
man den Kondensator io so dimensionieren kann, daß er dem Massesystem 6-7 des Schalters
nahezu jede gewünschte Geschwindigkeit, auf Grund eines mechanischen Impulses, verleihen
kann. Es .sei ferner darauf hingewiesen, daß die Spule 8 eine Selbstinduktion besitzt.
Der Stromanstieg in dem Stromkreis io-9-8 kann nicht schneller erfolgen, als es
durch das Produkt L - C vorgegeben ist. Es wird also günstig sein, L und C möglichst
klein zu dimensionieren. Um trotzdem die gewünschte Arbeit in C aufzuspeichern,
muß mit hoher Spannung gearbeitet werden. In der Praxis bewährten sich Betriebsspannungen
für den Kondensator io zwischen Zoo und iooo V bei einer Dimensionierung der Spule
8, wie sie etwa für die Anrlaßschütze von Kraftfahrzeugen üblich ist, d. h. einige
ioo Windungen. Die Größe des Kondensators io beträgt dann, je nach Größe des zu
bewegenden Systems und der verlangten Schaltgeschwindigkeit, io bis 5oo K.F. Der
Eisenkern 7 kann aus feinlamellierten IYynamoblechen, z. B. o,i mm Eisenblech, zusammengesetzt
werden, so daß er elektromagnetisch auch noch auf Impulse von io-s Sekunden bis
herab zu io-5 Sekunden mit nahezu voller Kraft anspricht. Übliche Konstruktionselemente
der Hubmagnete können zur konstruktiven Vervollständigung und Verbesserung des Wirkungsgrades
benutzt werden.
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Es ist im allgemeinen angenehm, wenn der Kontaktschluß zwischen i
und 2 nur eine sehr kurze Zeit. andauert, z. B. o,oi bis o,ooi Sekunden. Um bei
träger Betätigung des Schalters 9 trotzdem
ein momentanes Aufschlagen
der Brücke 6 auf die Kontakte i und 2 zu ermöglichen, müssen die Widerstände i i
so dimensioniert sein, daß sie wohl ausreichen, den Kondensator io in den Betriebspausen
aufzuladen, daß aber der durch sie fließende Gleichstrom nicht ausreicht, um den
Anker 7 in der Spule 8 gegen die Federkraft der Feder 12 festzuhalten. In diesem
Falle schnellt der Anker 6 mit der Kontaktbrücke sofort nach Beendigung der Entladung
des Kondensators io durch den Antrieb der Feder 12 wieder in den Ruhestand zurück.
Durch die Dimensionierung der Feder 12 hat man es in der Hand, auch den Rückführungsvorgang
nahezu beliebig zu beschleunigen. Man kann aber auch die Aufgabe stellen, daß der
Kontaktschluß plötzlich erfolgen soll, die Kontaktgabe aber anhaltend sein soll.
In diesem Fall wird man die Widerstände i i so dimensionieren, daß der durch sie
fließende Strom den. Anker 7 in der Spule 8 festzuhalten vermag. Schließlich kann.
man bei Impuls-Schweißmaschinen, bei denen von Ent-. Ladung zu Entladung eine bestimmte
Sicherheitszeit erforderlich ist, während der der Hauptkondensator der Anlage sich
auf die volle Spannung auflädt, die Forderung stellen, daß eine Auslösung des Prellschalters
erst nach einer gewissen Zeit möglich isst. In diesem Falle wird man die Widerstände
i i so dimensionieren, daß die Zeitkonstante des Systems i i-io größer oder gleich
der Zeitkonstante des Systems 5-3 ist. Bei vorzeitigem Kontaktschluß von 9 entlädt
sich der Kondensator io wohl durch die Spule 8, seine Energie reicht aber nicht
aus, um den Anker hineinzuziehen, und es kommt nicht zu einem Stromschluß des Entladungskreises.
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Der Schalter 9, der in der Fig. i als einfacher elektrotechnischer
Schalter angedeutet ist, kann seinerseits wiederum ein Schütz sein, das durch übliche
Schaltungsmaßnahmen ausgelöst wird, oder er kann aus einem gittergesteuerten Gasentladungsgefäß
bestehen.
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Die vorbeschriebene Erfindung ersetzt somit ein gittergesteuertes
Gase ntladungsgefäß. Dieses ist für sehr starke Stromstöße, z. B. einige ioo bis
iooo Amp., wie sie der vorliegende Schalter bei sehr billiger Konstruktion mit Sicherheit
zu schalten vermag, sehr kostspielig und im Aufwand ungleich viel höher.