DE2816101C2 - Device for the power supply of systems for workpiece processing with the aid of a glow discharge - Google Patents

Device for the power supply of systems for workpiece processing with the aid of a glow discharge

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DE2816101C2 DE19782816101 DE2816101A DE2816101C2 DE 2816101 C2 DE2816101 C2 DE 2816101C2 DE 19782816101 DE19782816101 DE 19782816101 DE 2816101 A DE2816101 A DE 2816101A DE 2816101 C2 DE2816101 C2 DE 2816101C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Stromversorgung von Anlagen zur Werkstückbearbeitung unter Zuhilfenahme einer Glimmentladung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine solche Einrichtung ist aus der DE-AS 19 12 114 bekannt.The invention relates to a device for supplying power to systems for machining workpieces with the aid of a glow discharge according to the preamble of the patent claim. Such Device is known from DE-AS 19 12 114.

Gegenwärtig gewinnt die Werkstückbearbeitung unter Zuhilfenahme der Glimmentladung immer mehr an Bedeutung. Jedoch ist die Glimmentladung bei Strömen von über einigen Ampere eine unstabile Form der Gasentladung, da sie unter dem Einfluß verschiedener Einwirkungen in eine Bogenentladung umschlagen kann. Dies führt zu einer örtlichen Erwärmung der zu bearbeitenden Werkstücke, zur Zerstörung ihrer Oberfläche und zur Überlastung der Speisequelle. Deshalb sind bei der Werkstückbearbeitung unter Zuhilfenahme der Glimmentladung spezielle Stromversorgungseinrichtungen erforderlich.At present, workpiece processing with the aid of glow discharge is gaining more and more importance in importance. However, the glow discharge is an unstable form at currents above a few amperes the gas discharge, as they turn into an arc discharge under the influence of various influences can. This leads to a local heating of the workpieces to be processed, to the destruction of their surface and to overload the supply source. Therefore are with the help of the workpiece machining the glow discharge requires special power supply devices.

Bei der aus der DE-AS 19 12 114 bekannten Einrichtung wird der Grad der Beschädigung der zu bearbeitenden Werkstücke durch die während einer Bogenentladung in das Werkstück eingeleitete Energie bestimmt. Die durch jeden Impuls in das Werkstück eingeleitete Energie wird nicht kontrolliert und in Abhängigkeit von den Parametern (Leitfähigkeit der Entladungsstrecke, Spannung) und der Art der Entladung (Glimmentladung oder Bogenentladung) nicht geändert. Hierbei steigt bei der Bildung einer Bogenentladung die Energie des Speiseimpulses wegen der Zunahme des Entladungsstromes stark an, da der Bogenentladungsstrom den Glimmentladungsstrom um einige Größenordnungen übersteigt. Dies kann zur Beschädigung der Werkstücke durch die Bogenentladung führen, denn die Bogenentladung wird erst dadurch gelöscht, daß die Pause zwischen den Speiseimpulsen größer ist als die Entionisierungszeit der Entladungsstrecke, die unabhängig von der Bildung einer Bogenentladung gewählt wird.In the device known from DE-AS 19 12 114, the degree of damage to the machined workpieces by the energy introduced into the workpiece during an arc discharge certainly. The energy introduced into the workpiece by each pulse is not controlled and in Depending on the parameters (conductivity of the discharge path, voltage) and the type of discharge (Glow discharge or arc discharge) not changed. This increases with the formation of an arc discharge the energy of the feed pulse due to the increase in the discharge current sharply, since the Arc discharge current exceeds the glow discharge current by several orders of magnitude. This can be used for Damage to the workpieces by the arc discharge, because the arc discharge is only deleted by the fact that the pause between the feed pulses is greater than the deionization time Discharge path that is selected independently of the formation of an arc discharge.

Da bei der bekannten Einrichtung die Kathodenventilgruppe der Gleichrichterbrücke direkt mit dem Gehäuse der als Anode dienenden Entladungsknmmer verbunden und in Form von drei Ventitzweigen ausgeführt ist, von denen jeder eine Reihenschaltung aus einer Diode und einem Thyristor darstellt, nimmt dieAs in the known device, the cathode valve group the rectifier bridge directly with the housing of the discharge corner serving as anode connected and designed in the form of three valve branches, each of which is connected in series represents from a diode and a thyristor, takes the

ίο bei Entstehung einer Bogenentladung durch jeden Impuls eingeleitete Energie erheblich zu, so daß die Werkstücke beschädigt werden können. Außerdem wird durch einen im Entladungskreis vorhandenen Strombegrenzungswiderstand der Wirkungsgrad der Anlage verschlechtert.ίο if an arc occurs through anyone Impulse introduced energy considerably, so that the workpieces can be damaged. aside from that a current limiting resistor in the discharge circuit increases the efficiency of the Plant deteriorates.

Der CH-PS 3 86 584 läßt sich die allgemeine Lehre entnehmen, bei G!;mmentladungen elektrische Speiseimpulse konstanter Leistung zu benutzen und, unter Regulierung ihrer Länge, die Temperatur der Werkstükke auf einer bestimmten Höhe zu halten. Auch soll danach die Energie jedes elektrischen Speiseimpulses unabhängig von der Art und den Parametern der Entladung konstant gehalten werden. Es wäre mit der bekannten Einrichtung jedoch nicht möglich, diese Forderung auch beim Übergang von der Glimm- zur Bogenentladung zu erfüllen.The general teaching can be found in CH-PS 3 86 584, with G! ; mdischarges to use electrical feed impulses of constant power and, by regulating their length, to keep the temperature of the workpieces at a certain level. According to this, the energy of each electrical feed pulse should also be kept constant regardless of the type and parameters of the discharge. With the known device, however, it would not be possible to meet this requirement even in the transition from glow discharge to arc discharge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Stromversorgung von Anlagen zur Werkstückbearbeitung unter Zuhilfenahme einer Glimmentladung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs zu schaffen, bei der Beschädigungen der Werkstücke beim Umschlagen der Glimmentladung in eine Bogenentladung verhindert werden und die einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist.The invention is based on the object of providing a device for supplying power to systems Workpiece processing with the aid of a glow discharge according to the preamble of the patent claim to create, in the case of damage to the workpieces when the glow discharge turns into an arc discharge can be prevented and which has the highest possible efficiency.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von der gattungsgemäßen Einrichtung, erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch beschriebenen Maßnahmen gelöst.Based on the generic device, this object is achieved according to the invention by the im Measures described in claim solved.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht es, die Energie jedes Speiseimpulses bei Änderung der Parameter und der Art der Entladung konstant zu halten, so daß bei einer Impulsenergie, die kleiner ist als die kleinste Energie des Bogenentladungsimpulses, der zu einer Beschädigung des Werkstücks führt, die Werkstücke bei einer Bogenentladung unversehrt bleiben. Dabei hat die erfindungsgemäße Einrichtung einen hohen Wirkungsgrad; die mittlere Entladungsspannung läßt sich mit gutem cos φ regein. The device according to the invention makes it possible to keep the energy of each feed pulse constant when the parameters and the type of discharge change, so that with a pulse energy that is smaller than the smallest energy of the arc discharge pulse, which leads to damage to the workpiece, the workpieces remain intact after an arc discharge. The device according to the invention has a high degree of efficiency; the mean discharge voltage can be regulated with a good cos φ.

Die erfindungsgemäße Einrichtung läßt sich zur chemisch-thermischen Behandlung und Verfestigung von Werkstücken, beispielsweise zur lonennitrierung und zum Ionenüberziehen verwenden.The device according to the invention can be used for chemical-thermal treatment and solidification of workpieces, for example for ion nitriding and for ion plating.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigtThe invention is explained in more detail below with reference to the exemplary embodiment shown in the drawing explained. It shows

Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Einrichtung zur Stromversorgung von Anlagen zur Werkstückbearbeitung unter Zuhilfenahme einer Glimmentladung und
F i g. 2a, 2b, 2c Funktionsdiagramme der Einrichtung. Die Einrichtung soll am Beispiel einer Stromversorgungseinrichtung für Elektroöfen zur lonennitrierung von Werkstücken erläutert werden.
1 shows the basic circuit diagram of a device for supplying power to systems for workpiece machining with the aid of a glow discharge and
F i g. 2a, 2b, 2c functional diagrams of the device. The device will be explained using the example of a power supply device for electric furnaces for the ion nitriding of workpieces.

Die Einrichtung enthält eine Gleichrichterbrücke 1 (Fig. 1), die von einem Drehstromnetz 2 gespeist wird. Die nichtsteuerbare Anodenventilgruppe 3 der Gleichrichterbrücke 1 ist mit Dioden 4,5,6 ausgeführt und mit den Phasen A, B, C des Netzes 2 und den zu bearbeitenden Werkstücken 7 (in der Zeichnung ist nur ein Werkstück gezeigt), die in einer EntladungskammerThe device contains a rectifier bridge 1 (FIG. 1) which is fed by a three-phase network 2. The non-controllable anode valve group 3 of the rectifier bridge 1 is designed with diodes 4, 5, 6 and with phases A, B, C of the network 2 and the workpieces 7 to be machined (only one workpiece is shown in the drawing), which are in a discharge chamber

8 eines Elektroofens 9 untergebracht sind und als Kathode dieser Entladungskammer 8 dienen, verbunden. Letztere ist mittels eines Isolators 10 gegen die elektrische Einführung der Anodenventilgruppe 3 isoliert. Die Kathodenventilgruppe 1* der Gleichrichterbrücke 1 ist in Form von zwei steuerbaren Ventilgruppen 12 und 13 mit Thyristoren 14, 15, 16 und 17, 18, 19 ausgeführt, deren Eingänge mit den entsprechenden Ausgängen einer Steuereinheit 20 verbunden sind. Der Eingang der letzteren ist mit der Entladungskammer 8 verbunden.8 of an electric furnace 9 are housed and serve as the cathode of this discharge chamber 8, connected. The latter is against the electrical introduction of the anode valve group 3 by means of an insulator 10 isolated. The cathode valve group 1 * of the rectifier bridge 1 is in the form of two controllable valve groups 12 and 13 with thyristors 14, 15, 16 and 17, 18, 19, the inputs of which are connected to the corresponding outputs of a control unit 20 are connected. The entrance of the latter is connected to the discharge chamber 8.

Die Einrichtung enthält einen Kondensator 21 und zwei zusätzliche Thyristoren 22 und 23, deren Kathoden mit dem Gehäuse dnr Entladungskammer 8 verbunden sind, das als Anode derselben dient. Die Steuereingänge sind an die entsprechenden Ausgänge der Steuereinheit 20 angeschlossen. An die entsprechenden Beläge des Kondensators 21 und die Anoden der zusätzlichen Thyristoren 22 und 23 sind die gemeinsamen Kathoden der steuerbaren Kathodenventilgruppe" 12 und 13 gelegi. Die Zahl der zusätzlichen Thyristoren kann je nach der Leistung der Anlage auch vier, sechs und so weiter betragen.The device contains a capacitor 21 and two additional thyristors 22 and 23, the cathodes of which are connected to the housing dnr discharge chamber 8, which serves as the anode thereof. The control inputs are connected to the corresponding outputs of the control unit 20. The common cathodes of the controllable cathode valve group 12 and 13 are placed on the corresponding pads of the capacitor 21 and the anodes of the additional thyristors 22 and 23. The number of additional thyristors can also be four, six and so on, depending on the performance of the system.

Die Einrichtung für die Stromversorgung von Elektroofen zur Ionennitrierung von Werkstücken funktioniert wie folgt.The device for the power supply of electric furnaces for ion nitriding of workpieces works like this.

Die Steuereinheit 20 (Fig. 1) sichert eine gleichzeitige Zündung des Thyristors 22 bzw. 23 und desjenigen Thyristors der Kathodenventilgruppe 13 oder 12, an dessen Anode im betreffenden Augenblick die höhere positive Phasenspannung des Netzes 2 liegt.The control unit 20 (Fig. 1) ensures a simultaneous Ignition of the thyristor 22 or 23 and that thyristor of the cathode valve group 13 or 12 on whose anode is the higher positive phase voltage of the network 2 at the moment in question.

In Fig. 2a, b, c ist auf der Abszisse die Zeit t aufgetragen. Auf der Ordinate in F i g. 2a sind die Werte der Phasenspannungen U\ des Speisenetzes, in Fig.2b die Werte der Spannung ίΛ am Kondensator 21 und in Fig.2c die Werte der Momentanspannung U3 an der Entladungskammer 8 und der mittleren Spannung U< an der Entladungskammer 8 aufgetragen; to, u, h, h, U sind feste Zeitpunkte.In Fig. 2a, b, c, the time t is plotted on the abscissa. On the ordinate in FIG. 2a shows the values of the phase voltages U \ of the supply network, FIG. 2b shows the values of the voltage ίΛ across the capacitor 21 and FIG. 2c shows the values of the instantaneous voltage U 3 across the discharge chamber 8 and the mean voltage U < across the discharge chamber 8; to, u, h, h, U are fixed points in time.

Nehmen wir an, daß zum Zeitpunkt t0 die Thyristoren 14, 23 zünden und der Kondensator 21, der auf die lineare Spannung Uab (F ig· 2a) im vorangehenden Zeitintervall mit einer in Fig. 1 gezeigten Polarität aufgeladen wurde, sich über den positiven Pol des Kondensators 21, den Thyristor 23, die Entladungskammer 8, die Diode 5, die Speisequelle in Form der linearen Spannung Uab, den Thyristor 14, und den negativen Pol des Kondensators 21 umlädt. Die Änderung der Spannung Lh am Kondensator21 zeigt Fig. 2b. Hierbei entsteht an der Entladungsstrecke ein Spannungsimpuls Uz (Fig.2c), dessen Form von den Parametern der Einrichtung und der Entladung abhängt, während di; Impulsenergie nur durch die Kapazität des Kondensators 21 und den Wert der Speisespannung bestimmt wird. Zum Zeitpunkt t\ wird der Kondensator 21 auf dieLet us assume that at time t 0 the thyristors 14, 23 fire and the capacitor 21, which was charged to the linear voltage Uab (Fig.2a) in the preceding time interval with a polarity shown in FIG Pole of the capacitor 21, the thyristor 23, the discharge chamber 8, the diode 5, the supply source in the form of the linear voltage Uab, the thyristor 14, and the negative pole of the capacitor 21 recharges. The change in the voltage Lh across the capacitor 21 is shown in FIG. 2b. This creates a voltage pulse Uz (FIG. 2c) at the discharge path, the shape of which depends on the parameters of the device and the discharge, while di; Pulse energy is determined only by the capacitance of the capacitor 21 and the value of the supply voltage. At the time t \ the capacitor 21 is on the

ίο Sperrspannung (Fig.2b) umgeladen, während an der Entladungsstrecke die Spannung bis auf Null zurückgeht (Fig.2c). Zum Zeitpunkt t, zünden die Thyristoren 17, 22 und in die Entladungskammer 8 wird wieder die vorgegebene Energiemenge eingegeben. Hierbei wird an die Thyristoren 14, 23 die Sperrspannung auf die für die Wiederherstellung ihrer Steuerfähigkeit benötigte Zeit angelegt. Wird zum Zeitpunkt U die Spannung der Phase S größer als die Spannung der Phasen A und C, so zündet das Thyristorenpaar 15, 23 oder 18, 22, je nachίο reverse voltage (Fig.2b) reloaded, while the voltage on the discharge path goes back to zero (Fig.2c). At time t, the thyristors 17, 22 fire and the predetermined amount of energy is again input into the discharge chamber 8. Here, the reverse voltage is applied to the thyristors 14, 23 for the time required to restore their controllability. If at time U the voltage of phase S is greater than the voltage of phases A and C, then the pair of thyristors 15, 23 or 18, 22 will fire, depending on

Μ der Polarität der Spannung am Kondensator 21 zu diesem Zeitpunkt. Auf gleiche Weise arbeiten in dem Zeitintervall, in dem die Spannung der Phase C einen höheren positiven Wert hat (F i g. 2a), die Thyristoren 16,19 zusammen mit den Thyristoren 22,23.Μ the polarity of the voltage on the capacitor 21 this point in time. In the same way work in the time interval in which the voltage of phase C one has a higher positive value (Fig. 2a), the thyristors 16.19 together with the thyristors 22.23.

Ist zum Zeitpunkt fc die Glimmentladung in eine Bogenentladung umgeschlagen, so fällt die Spannung U-% an der Entladungsstrecke ab, die Geschwindigkeit der Umladung des Kondensators steigt wegen der Zunahme des Entladungsstromes stark an, während die Impuls-If the glow discharge has changed into an arc discharge at time fc, the voltage U-% at the discharge path drops, the speed of charge reversal of the capacitor increases sharply due to the increase in the discharge current, while the pulse

i" dauer vermindert wird. Demzufolge bleibt ungeachtet der Erhöhung der Leistungsaufnahme die Impulsenergie konstant. Durch entsprechende Wahl der Kapazität des Kondensators 21 und des Wertes der Speisespannung kann man die Impulsenergie kleiner als die minimale Energie des Bogenentladungsimpulses, der eine Beschädigung der zu bearbeitenden Werkzeuge hervorruft, machen. i "is decreased life. Accordingly, there remains regardless of the increase in the power consumption of the pulse energy constant. By appropriate selection of the capacitance of the capacitor 21 and the value of the supply voltage can be the pulse energy less than the minimum energy of the arc discharge pulse that causes damage to the to be processed tools , do.

Nach Ablauf der Bogenentladung (Zeitpunkt Z3 in F i g. 2c) bewirkt die Steuereinheit 20 eine VerzögerungAfter the arc discharge has elapsed (point in time Z 3 in FIG. 2c), the control unit 20 causes a delay

4(1 fj— Z4, die wenigstens gleich der zur Entionisierung der Entladungsstrecke benötigten Zeit ist. 4 (1 and 4 , which is at least equal to the time required to deionize the discharge path.

Durch Steuerung der Umladungsfrequenz des Kondensators 21 mit Hilfe der Steuereinheit 20 kann man den mittleren Wert der Spannung an der Entladungs-By controlling the charge reversal frequency of the capacitor 21 with the aid of the control unit 20, one can the mean value of the voltage at the discharge

"5 strecke ändern, wie dies die Spannungskurve Ua in F i g. 2 zeigt."5 change the route, as shown by the voltage curve Ua in FIG. 2.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims (1)

Patentanspruch:Claim: Einrichtung zur Stromversorgung von Anlagen zur Werkstückbearbeitung unter Zuhilfenahme einer Glimmentladung, die eine von einem Drehstromnetz (2) gespeiste Gleichrichterbrücke (1) enthält, deren aus drei nichtsteuerbaren Ventilen (4, 5,6) bestehende Anodenventilgruppe (3) mit den zu bearbeitenden Werkstücken (7), welche in der Entladungskammer (8) eines Elektroofens (9) untergebracht sind und als Kathode für die Entladungskammer dienen, verbunden sind, während deren steuerbare, aus sechs Ventilen (14, 15, 16,17, 18, 19) bestehende Kathodenventilgruppe (11) mit der Anode der Entladungskammer verbunden ist, die ihrerseits mit dem Eingang einer Steuereinheit (20), deren Ausgänge mit den Steuereingängen der Kathodenventilgruppe verbunden sind, in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß alle Ventile (14 bis 18) der Kathodenventilgruppe (11) steuerbar sind und jeweils paarweise an einer Phase (A, B, Qdes Drehstromnetzes (2) liegend zwei Ventilgruppen (12, 13) bilden, die jeweils ein Ventil jeden Paares enthalten und die jeweils einen gemeinsamen Kathodenanschluß aufweisen, von denen jeder an einen Belag eines Kondensators (21) geführt ist, dessen Beläge über jeweils mindestens einen Thyristor (22, 23), von denen jeder ebenfalls von der Steuereinheit (20) ansteuerbar ist, an die Anode der Entladungskammer (8) schaltbar sind.Device for the power supply of systems for workpiece processing with the aid of a glow discharge, which contains a rectifier bridge (1) fed by a three-phase network (2), the anode valve group (3) of which consists of three non-controllable valves (4, 5, 6) with the workpieces to be processed ( 7), which are housed in the discharge chamber (8) of an electric furnace (9) and serve as a cathode for the discharge chamber, are connected, while their controllable cathode valve group consists of six valves (14, 15, 16, 17, 18, 19) (11) is connected to the anode of the discharge chamber, which in turn is connected to the input of a control unit (20), the outputs of which are connected to the control inputs of the cathode valve group, characterized in that all valves (14 to 18) of the cathode valve group ( 11) are controllable and in pairs on a phase (A, B, Q of the three-phase network (2) form two valve groups (12, 13), each of which has a V entil each pair and each have a common cathode connection, each of which is led to a layer of a capacitor (21), the layers of which are each controlled by at least one thyristor (22, 23), each of which can also be controlled by the control unit (20) can be switched to the anode of the discharge chamber (8).
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