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Statischer Frequenzumformer für Funkenerosionswerkzeugmaschinen
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pulses neu gezündet. Es ist auch unmittelbar einzusehen, dass die Leistungsbelastung des Zündkreises er- heblich geringer ist, als die eines entsprechenden Kreises, der einen, die ganze Halbwelle der gleichzu- richtenden Wechselspannung andauernden Impuls abgibt.
Zum Einschalten des Umformers ist vorzugsweise in dem Speisekreis für alle Steuerkreise ein Schal- ter vorgesehen.
Die Erfindung soll anschliessend an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden.
Die Zeichnung zeigt das Schaltbild eines als statischer Frequenzumformer ausgebildeten Generators für Funkenerosionsprozesse, wobei die stark ausgezogenen Linien die Leitungen zeigen, durch welche die umzuformende Leistung fliesst, während die schwach gezeichneten Linien Leitungen der Steuerstromkreise sowie Leitungen der zugehörigen Speisespannungsquellen darstellen.
Der Generator ist so beschaffen, dass er an ein kommerzielles Lichtnetz von beispielsweise 220 V und
50 Hz angeschlossen werden kann. Zum Anschluss an das Lichtnetz ist beispielsweise ein Transformator 1 vorgesehen, der eine Primärwicklung 2 und zwei Sekundärwicklungen 3 und 4 aufweist. Die Sekundärwick- lung 3 ist an eine Gleichrichterbrückenschaltung angeschlossen, die aus den Halbleitergleichrichterele- menten 5, 6, 7 und 8 besteht. Die Gleichrichterelemente 5 und 6 können normale Sperrschichtgleichrich- ter sein, während es sich bei den Gleichrichterelementen 7 und 8 um sogenannte steuerbare Gleichrichter- elemente handelt.
Derartige steuerbare Gleichrichter weisen pnpn-Halbleiterschichten auf ; sie sperren zu- nächst in der Sperr- und in der Durchlassrichtung, sind jedoch durch Anlegen einer Steuerspannung so zu beeinflussen, dass sie in der Durchlassrichtung Strom führen. Wenn diese Gleichrichter einmal gezündet sind, bleiben sie auch dann leitend, wenn die Zündspannung entfernt worden ist die Löschung kann nur durch kurzzeitige Unterbrechung der Anodenspannung bewirkt werden. Die steuerbaren Gleichrichter der beschriebenen und hier verwendeten Art besitzen somit annähernd die gleiche Charakteristik wie gasge- füllte Thyratonröhren oder Kaltkathodenröhren. Steuerbare Gleichrichter der beschriebenen Art sindim
Handel erhältlich.
Die beiden steuerbaren Gleichrichter, die mit der Leitung 9 verbunden sind, die als der positive Pol der Gleichspannungsquelle aufgefasst werden kann, können durch einen Steuerkreis A bei jeder Halbwelle derart gezündet werden, so dass die Gleichrichterbrückenschaltung wie eine normale Brückenschaltung arbeitet. Bleiben die Zündimpulse von dem Steuerkreis A aus, kann keine Gleichspannung mehr erzeugt werden, so dass auch das an die Primärwicklung 2 angeschlossene Netz durch den Umformer nicht mehr belastet wird. Die Erzeugung der Zündimpulse in dem Steuerstromkreis A soll später erläutert wer- den.
Die beiden nicht gesteuerten Gleichrichterelemente 5 und 6 sind an eine Leitung 10 angeschlossen, die den negativen Pol des gleichstromseitigen Ausganges des Gleichrichters darstellt. Zwischen den bei- den Polen bzw. den Leitungen 9 und 10 ist in bekannter Weise ein Glättungskondensator 11 vorgesehen.
Die Leitungen 9 und 10 führen den in dem Gleichrichter erzeugten Gleichstrom einer Endstufe zu, in welcher diese Gleichspannung in eine Wechselspannung mit einstellbarer Frequenz verwandelt wird.
Die Endstufe enthält einen Ausgangstransformator 12, der eine Primärwicklung 13 und eine Sekun- där- bzw. Ausgangswicklung 14 aufweist. Die Sekundärwicklung kann direkt z. B. mit dem Funkenspalt einer Werkzeugmaschine verbunden sein. Die Primärwicklung 13 besitzt eine Mittelanzapfung 15, welche die Wicklung 13 in die Wicklungsteile13a und 13b aufteilt. Die den Pluspol der Gleichspannungsquelle darstellende Leitung 9 ist mit der Mittelanzapfung 15 der Transformatorwicklung 13 verbunden, während die den Minuspol der Gleichrichtereinheit darstellende Leitung 10 über eine Drossel 17 mit einer Leitung 18 verbunden ist, die an die Kathoden von zwei steuerbaren Gleichrichterelementen 20 und 21 angeschlossen ist.
Die steuerbaren Gleichrichterelemente 20 und 21 sind im Prinzip gleich ausgebildet wie die steuerbaren Gleichrichterelemente 7 und 8 der Gleichrichterschaltung. Die Anoden der steuerbaren Gleichrichter 20 und 21 sind mit je einem Endpunkt der Primärwicklung 13 des Ausgangstransformators 12 über die Leitungen 22 bzw. 23 verbunden. Zwischen den Leitungen 22 und 23 ist fernerhin ein Kondensator 29 eingeschaltet, der die Kommutierung bewirkt, wie dies nachfolgend im einzelnen erläutert werden soll.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise der Endstufe sei angenommen, dass zu einem vorgegebenen Zeitpunkt der steuerbare Gleichrichter 21 gezündet werde, so dass ein Strom in der Richtung des Pfeiles 21' fliessen kann. Der Strom fliesst dabei von dem positiven Pol des Gleichrichters, d. h. der Leitung 9, über den Transformatorwicklungsteil 13b, die Leitung 23, den gesteuerten Gleichrichter 21, die Leitung 18, die Drossel 17 und die Leitung 10 zu dem negativen Ausgangspol des Gleichrichters. Der Strom fliesst somit in den mit II bezeichneten Stromkreis, wobei zufolge der mit dem Stromanstieg verbundenen Flussänderung in der Sekundärseite 14 des Transformators eine Spannung induziert wird.
Gleichzeitig wird auch in dem
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andern Wicklungsteil der Primärwicklung, d. h. in der Wicklung 13a, eine Spannung induziert, so dass sich an den Enden der Gesamtwicklung 13 eine Spannung mit der Polarität ausbildet, die durch in Klammer gesetzte Zeichen (+) und (-) angezeigt ist. Entsprechend lädt sich auch der Kondensator 29 auf. Es ist so- mit zu ersehen, dass an dem zu diesem Zeitpunkt gesperrten gesteuerten Gleichrichter 21 in der Sperrrichtung eine Spannung liegt, die der doppelten Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung entspricht.
Die steuerbaren Gleichrichter 20 und 21 müssen somit derart dimensioniert sein, dass sie dieser doppelten
Spannung widerstehen können.
Es sei nun angenommen, dass der Gleichrichter 20 gezündet wird, so dass dessen Widerstand in der
Durchlassrichtung vernachlässigbar klein wird. An dem gesteuerten Gleichrichterelement 21 liegt somit kurzzeitig die in dem Kondensator 29 gespeicherte Spannung, u. zw. in der Sperrichtung, so dass dieses
Gleichrichterelement gelöscht wird. Da nun das gesteuerte Gleichrichterelement 20 gezündet ist, fliesst nun ein Strom in den Stromkreis I, der die Leitung 9, die Primärwicklung 13a des Ausgangstransformators
12, die Leitung 22, den gesteuerten Gleichrichter 20, die Leitung 18, die Drossel 17 und die Leitung 10 umfasst. Es ist ohne weiteres zu ersehen, dass in dieser zweiten Phase der Wechselspannung der Ausgangs- seite des Umformers die Polarität an der Wicklung 13 umgekehrt ist.
Der Kondensator 29 lädt sich gegen- über der ersten Phase in entgegengesetzter Richtung auf und speichert somit die Ladung, die erforderlich ist, um nach erneuten Zünden des gesteuerten Gleichrichters 21 den gesteuerten Gleichrichter 20 zum
Löschen zu bringen. Der Kern des Transformators 12 wird in dieser Phase in der Gegenrichtung magneti- siert, so dass an der Sekundärseite 14 dieses Transformators eine Wechselspannung abgenommen werden kann.
Zwischen der Leitung 10 und den Leitungen 20 und 23 ist je ein weiterer Gleichrichter 25 und 26 vor- gesehen. Diese Gleichrichter erfüllen die folgende Aufgabe :
Insbesondere beim Leerlauf, d. h. ohne Belastung an der Sekundärseite des Transformators 12besteht ohne die beiden Gleichrichter 25 und 26 Gefahr, dass sich die Spannung aufschaukelt. Der Kondensator 29 und die Primärwicklung 13 des Transformators 12 arbeiten dabei als Schwingkreis. Die Gefahr des Auf- schaukeln ist insbesondere dann gegeben, wenn die Frequenz der Zündung der beiden gesteuerten Gleich- richter 20 und 21 mit der Eigenfrequenz dieses Schwingsystems zusammenfällt. Um derartige Spannungs- überhöhungen zu vermeiden, sind nun die Gleichrichter 25 und 26 vorgesehen.
Kurz nach der ersten Phase, d. h., wenn die Polarität der Spannung an dem Transformator den in Klammer gesetzten Vorzeichen ent- spricht, kann sich der Kondensator 29 über die Drossel. 17 und den Gleichrichter 26 entladen. Die Drossel
17 muss dabei so bemessen werden, dass die Entladung wenigstens soviel Zeit in Anspruch nimmt, wie er- forderlich ist, um den gesteuerten Gleichrichter 21 zum Löschen zu bringen. Durch die Anordnung der
Drossel 17 und der beiden Gleichrichter 25 und 26 wird somit erreicht, dass der Kondensator die jeweils erforderliche Sperrspannung zum Sperren der gesteuerten Gleichrichter liefert, ohne gleichzeitig ein ma- gnetisches Feld über die Wicklung 13 in dem Ausgangstransformator 12 aufzubauen.
Die Gleichrichter 25 bzw. 26 stellen somit für das aus dem Kondensator 29 und Transformatorwicklung 13 bestehende Schwing- system eine Dämpfung dar.
Versuche haben tatsächlich gezeigt, dass die Ausgangsspannung an der Sekundärseite 14 des Trans- formators 12 auch im Leerlauf nur eine geringe Spannungsüberhöhung zeigt.
Es sei noch erwähnt, dass der Kondensator 29 selbstverständlich auch an der Sekundärseite 14 des
Transformators 12 angeschlossen werden kann, wobei die gleichen Wirkungen erzielt werden.
Nachfolgend sollen nun die zur Zündung der verschiedenen gesteuerten Gleichrichterelemente er- forderlichen Steuerkreise beschrieben werden. Zur Erzeugung der Speisespannung für die Steuerstrom- kreise ist an die Sekundärwicklung 4 des Eingangstransformators 1 eine Doppelweg-Gleichrichterschaltung vorgesehen, die die Gleichrichter 30,31, 32 und 33 umfasst. Zur Glättung der auf diesem Wege gewon- nenenGleichspannung ist ein Elektrolyt-Kondensator 34 vorgesehen.
Der negative Pol der auf diesem We- ge gewonnenen Gleichspannung wird von der Leitung 35 gebildet und ist mit den gemeinsamen Kathoden Leistungsgleichrichterstufe, d. h. mit der Leitung 18 über eine Verbindungsleitung 36 verbunden.'
Der positive Pol der allgemein mit 40 bezeichneten Speisespannungsquelle ist mit einem Schalter 38 verbunden, welcher über die Leitungen 42 bzw. 43 mit den Steuerstromkreisen verbunden ist. Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass mit dem Schalter 38 das gesamte Gerät ein-bzw. ausgeschaltet werden kann, da, wie ohne weiteres ersichtlich ist, eine Leistungsaufnahme bzw. -abgabe des Frequenzformers nicht auftreten kann, wenn die gesteuerten Gleichrichter 7 und 8 bzw. 20 und 21 nicht mehr gezündet werden. Eine Voraussetzung für die Zündung ist jedoch, dass die Steuerstromkreise mit Spannung versorgt werden.
Der Schalter 38 muss nicht unbedingt als mechanischer Schalter ausgebildet sein, vielmehr kann dieser auch mit an sich bekannten Vorrichtungen durch eine Impulsfolge oder durch
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irgendwelche Parameter der Funkenerosion betätigt bzw. gesteuert werden. Zur Steuerung der gesteuerten Gleichrichterelemente Î und t ! ist der Steuerstromkreis A vorgesehen, während zur Steuerung der gesteuerten Gleichrichterelemente 20 und 21 die Steuerstromkreise B und C vorgesehen sind.
Der Steuerstromkreis A enthält einen sogenannten Doppelbasistransistor 50, von welchem die beiden Basen über Widerstände 51 und 52 mit dem negativen bzw. positiven Pol der Speisespannungsqnelle, d. h. mit den Leitungen 35 und 42, verbunden sind. Dieser Doppelbasistransistor-Transistoren dieses Typs sind im Handel erhältlich-hat die Eigenschaft, den Widerstand zwischen den beiden Basiselektroden in Abhängigkeit von der Spannung am Emitter sprunghaft zu verändern. Wenn im vorliegenden Beispiel das Potential am Emitter unterhalb eines vorgegebenen kritischen Wertes liegt, ist der Widerstand zwischen den beiden Basiselektroden hoch. Erreicht die Spannung am Emitter während der Aufladung des Kondensators 53 diese kritische Spannung, so wird der Punkt erreicht, bei welchem der Widerstand zwischen den Basiselektroden sprunghaft kleiner wird.
Der Emitter ist über einen Kondensator 53 mit der Leitung 35 und über einen einstellbaren Widerstand 54 mit der Leitung 42 verbunden. Der Kondensator 53 und der Widerstand 54 stellen somit ein RC-System dar, so dass der aus den Elementen 50 - 54 bestehende Schaltkreis als Impulsgenerator bzw. Oszillator arbeitet. Die Spannung an dem Emitter verändert sich zufolge der Aufladung des Kondensators 53 über den Widerstand 54, bis der Umschlagpunkt des Transistors 50 erreicht ist. Mit der Abgabe des Impulses an den Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 51 und der einen Basiselektrode wird auch der Kondensator 53 über den Emitter 50a entladen. Nach der Abgabe des Impulses beginnt sich auf dem Kondensator 53 wieder eine Ladung anzusammeln. Es ist zu ersehen, dass die Frequenz der abgegebenen Impulsfolge mit dem einstellbaren Widerstand 54 eingestellt werden kann.
Die Impulse werden über eine Leitung 55 und über je einen Schutzwiderstand 56 und 57 den Zündelektroden der steuerbaren Gleichrichter 7 und 8 übermittelt. Die beiden steuerbaren Gleichrichter 7 und 8 werden somit immer dann gezündet, wenn sich der Widerstand zwischen den beiden Basiselektroden des Transistors 50 sprunghaft verändert und wenn an den steuerbaren Gleichrichtern eine Spannung in der Durchlassrichtung liegt. Dies ist, wie noch zu zeigen sein wird, bei der Abgabe eines Impulses immer an einem der beiden gesteuerten Gleichrichter der Fall.
Parallel zu dem Kondensator 53 liegt ein weiterer Transistor 59, welcher somit in der Lage ist, diesen Kondensator 53 bei Bedarf kurzzuschliessen, wenn keine Zündimpulserzeugung erwünscht ist. An die Sekundärwicklung 3 des Transformators 1 sind weiterhin zwei Gleichrichter 60 und 61 in Gegenrichtung angeschaltet, wobei jeder Gleichrichter von einem Widerstand 62 bzw. 63 überbrückt ist. Der Mittelpunkt 64 der durch die Elemente 60 - 63 gebildeten Schaltung ist über einen Schutzgleichrichter 65 mit der Basiselektrode des Transistors 59 und über einen weiteren Gleichrichter 66 mit der Leitung 35 verbunden. Der Gleichrichter 66 dient dazu, die an dem Punkt 64 erscheinende Spannung in Beziehung zu dem Kollektor 59a des Transistors 59 zu setzen. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, ist der Kollektor 59a ebenfalls mit der Leitung 35 verbunden.
Wenn nun zufolge des Durchlaufes der Wechselspannung der Sekundärwicklung 3 durch den Nullpunkt an den gesteuerten Gleichrichtern 7 und 8 sich eine Spannung auszubilden beginnt, erscheint auch an dem Punkt 64 eine Spannung, da die Gleichrichter 60 und 61 in gleicher Richtung geschaltet sind wie die steuerbaren Gleichrichter 7 und 8. Die Spannung an der Basiselektrode 59b beginnt somit ebenfalls anzusteigen, so dass der Widerstand zwischen der Emitter-Elektrode 59c und der Kollektor-Elektrode 59a ebenfalls ansteigt. Der Nebenschluss zu dem Kondensator 53 wird somit aufgehoben, so dass sich dieser über den Widerstand 54 aufladen kann und somit einen Impuls über die Leitung 55 auslösen kann. Eine Folge hievon ist, dass entweder der steuerbare Gleichrichter 7 oder der steuerbare Gleichrichter 8 gezündet wird, was im einzelnen von der Phasenlage der Wechselspannung abhängt.
Es ist anzustreben, dass die steuerbaren Gleichrichter 7 und 8 möglichst bald nach Durchlaufen des Nullpunktes der Wechselspannung gezündet werden. Dies kann ohne weiteres dadurch erreicht werden,
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Der Steuerkreis A ist somit in der Lage, den steuerbaren Gleichrichtern 7 und 8 immer dann einen Impuls zu übermitteln, wenn diePhasenlage der Eingangswechselspannung dies erfordert, d. h. bei jeweils positiver Anode der steuerbaren Gleichrichter bzw. Ventile des Netzgleichrichters. Wenn der Schalter 38 geöffnet ist, unterbleibt eine Zündung der steuerbaren Gleichrichter 7 und 8, so dass dem Netz keine Leistung entzogen wird, wenn man von der Leistung absieht, die der Spannungsgleichrichter 40 benötigt.
Der Steuerkreis B dient zur Zündung des steuerbaren Gleichrichters 21 der Endstufe. Dieser Steuerkreis B enthält einen Doppelbasistransistor 70, der gleich ausgebildet sein kann wie der Doppelbasistransistor 50. Der Doppelbasistransistor 70 ist mittels der Widerstände 71 und 72, dem einstellbaren Widerstand 73 und dem Kondensator 74 in gleicher Weise geschaltet wie der Transistor 50 und dient auch in
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Schliesslich sei noch darauf hingewiesen, dass der gezeigte Frequenzumformer eine grosse Frequenz- stabilität besitzt ; sie liegt etwa in der Grössenordnung von 1 % o. Im übrigen ist zu ersehen, dass der Fre- quenzumformer leicht synchronisiert werden kann.
Der Umformer eignet sich nicht nur gut als Impulsgenerator für elektroerosiv arbeitende Werkzeugmaschinen ; sondern auch als Frequenzumformer z. B. Netzkommandogeräten u. dgl.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Statischer Frequenzumformer, insbesondere für Funkenerosionsprozesse mit einer steuerbare Halb- leiterelement aufweisenden Gleichrichterschaltung, die mit einer steuerbare Halbleiterelemente enthal- tenden Endstufe verbunden ist, und mit zwei von einem Speisekreis versorgten Kreisen zur Steuerung der
Halbleiterelemente, dadurch gekennzeichnet, dass der zum Zünden der steuerbaren Halbleiterelemente
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