CH643417A5 - HIGH PERFORMANCE PLASMA GENERATOR. - Google Patents

HIGH PERFORMANCE PLASMA GENERATOR. Download PDF

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CH643417A5
CH643417A5 CH1133679A CH1133679A CH643417A5 CH 643417 A5 CH643417 A5 CH 643417A5 CH 1133679 A CH1133679 A CH 1133679A CH 1133679 A CH1133679 A CH 1133679A CH 643417 A5 CH643417 A5 CH 643417A5
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CH
Switzerland
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nozzle
power
photodetectors
arc
cathode
Prior art date
Application number
CH1133679A
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German (de)
Inventor
Bernd-Dieter Dipl Phys Wenzel
Harry Dr Ing Foerster
Jochen Boehme
Original Assignee
Mai Edelstahl
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma
    • H05H1/26Plasma torches
    • H05H1/32Plasma torches using an arc
    • H05H1/34Details, e.g. electrodes, nozzles
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    • HELECTRICITY
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    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
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Description

643 417 643 417

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHEPATENT CLAIMS 1. Plasmagenerator hoher Leistung mit Schutzeinrichtung, enthaltend eine Stiftkatode (3) und eine diese für die Gasführung umgebende Düse (4), dadurch gekennzeichnet, dass im Düsenspalt (6) zwischen der Katode (3) und der Düse (4) strömungsmässig vor der Austrittsöffnung der Düse (4) Foto-detektoren (5) so angeordnet sind, dass sie die aneinander angrenzenden Bereiche der Austrittsöffnung überblicken und ihre Signale auf einen Regelkreis wirken.1. High-performance plasma generator with protective device, containing a pin cathode (3) and a nozzle (4) surrounding it for the gas flow, characterized in that in the nozzle gap (6) between the cathode (3) and the nozzle (4) upstream of the Outlet opening of the nozzle (4) photo-detectors (5) are arranged so that they overlook the adjacent areas of the outlet opening and their signals act on a control loop. 2. Plasmagenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotodetektoren (5) im Zuführungsbereich, und dass zwischen dem Düsenspalt (6) und den Fotodetektoren (5) Lichtleitkabel angeordnet sind.2. Plasma generator according to claim 1, characterized in that the photodetectors (5) are arranged in the feed area and in that fiber optic cables are arranged between the nozzle gap (6) and the photodetectors (5). Die Erfindung betrifft einen Plasmagenerator hoher Leistung mit Schutzeinrichtung, enthaltend eine Stiftkatode und eine diese für die Gasführung umgebende Düse.The invention relates to a high-power plasma generator with a protective device, containing a pin cathode and a nozzle surrounding it for guiding the gas. Während in Plasmageneratoren zum Schneiden die Katode hinter der Düse angeordnet ist und die Düse zum Einschnüren der Entladung im Düsenkanal ausgebildet ist, sitzt in Plasmageneratoren hoher Leistung mit leistungsfreier wassergekühlter Düse, wie sie vorwiegend in Schmelzöfen zum Einsatz kommen, die Katode in der Düse, und der Bogen bildet sich vor der Düse aus. Des weiteren sind bei Plasmageneratoren hoher Leistungen die auf die Bogenleistung bzw. die auf den Düsenkanalquerschnitt bezogenen spezifischen Gasdurchsätze im Interesse der Gasökonomie und der Ofenkonstruktion um etwa einen Faktor 10 kleiner als bei Plasmageneratoren kleiner Leistung, beispielsweise zum Schneiden. Demzufolge ist die bogenstabilisierende und bogenisolie-rende Wirkung (Kaltgasmantel) der Gasströmung ausserordentlich gering. Weiterhin werden Plasmageneratoren hoher Leistung in Öfen mit heisser, d.h. ionisierter Ofenatmosphäre betrieben. Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Nebenbögen, die über die Düse zum Behandlungsgut brennen, ist sehr gross. Wenn diese Nebenbögen sehr stromstark im Bereich von kA sind, werden die Düsen in der kurzen Zeit von weniger als 0,1 s angeschmolzen bis zum Austritt von Wasser aus der Düse, so dass die Plasmageneratoren funktionsunfähig werden. Die bekannten elektrischen Überwachungseinrichtungen für die Düse an Plasmageneratoren hoher Leistung versagen, da entweder aufgrund des gering ausgebildeten Kaltgasmantels keine Nebenbogen durch Änderung der elektrischen Parameter erkannt werden kann oder da Nebenbögen kleiner Leistung, die für die Düse ungefährlich sind, nicht von Nebenbögen hoher Leistung unterschieden werden.While the cathode is located behind the nozzle in plasma generators for cutting and the nozzle is designed to constrict the discharge in the nozzle channel, in high-power plasma generators with power-free, water-cooled nozzles, such as are mainly used in melting furnaces, the cathode is in the nozzle and the arc forms in front of the nozzle. Furthermore, in the interests of gas economy and the furnace design, the specific gas flow rates related to the arc power or the nozzle channel cross-section are about a factor of 10 smaller in high-power plasma generators than in low-power plasma generators, for example for cutting. As a result, the arc-stabilizing and arc-isolating effect (cold gas jacket) of the gas flow is extremely low. Furthermore, high-power plasma generators are operated in furnaces with a hot, i.e. ionized furnace atmosphere. The probability of secondary arcs occurring, which burn through the nozzle to the material to be treated, is very high. If these secondary arcs have a very high current in the kA range, the nozzles are melted in the short time of less than 0.1 s until water emerges from the nozzle, so that the plasma generators become inoperable. The known electrical monitoring devices for the nozzles of high-power plasma generators fail either because no side arcs can be detected by changing the electrical parameters due to the poorly developed cold gas jacket or because low-power side arcs that are harmless to the nozzle cannot be distinguished from high-power side arcs . Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Plasmagenerators hoher Leistung mit einer Einrichtung zum Schutz des Plasmagenerators vor Düsenzerstörung durch Nebenbögen.The aim of the invention is to create a high-performance plasma generator with a device for protecting the plasma generator from nozzle destruction by secondary arcs. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, stromstarke Nebenbögen, die in kurzer Zeit zur Zerstörung der Düse des Plasmagenerators hoher Leistung führen, zu erkennen und durch geeignete Massnahmen in ihrer Wirkung zu begrenzen.The invention is based on the object of recognizing high-current secondary arcs, which quickly lead to the destruction of the nozzle of the high-power plasma generator, and of limiting their effect by suitable measures. Erfindungsgemäss wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass im Düsenspalt zwischen der Katode und der Düse strömungsmässig vor der Austrittsöffnung der Düse Fotodetektoren so angeordnet sind, dass sie die aneinander angrenzenden Bereiche der Austrittsöffnung überblicken und ihre Signale auf einen Regelkreis wirken.According to the invention, the object is achieved in that photodetectors are arranged in the nozzle gap between the cathode and the nozzle upstream of the outlet opening of the nozzle in such a way that they overlook the adjacent areas of the outlet opening and their signals act on a control loop. Es ist vorteilhaft, wenn die Fotodetektoren im Zuführungsbereich, und zwischen dem Düsenspalt und den Fotodetektoren Lichtleitkabel angeordnet sind, welche die zusätzliche Lichtstrahlung des Nebenbogens zum Detektor übertragen.It is advantageous if the photodetectors are arranged in the feed area and fiber optic cables are arranged between the nozzle gap and the photodetectors, which transmit the additional light radiation of the secondary sheet to the detector. Der Erfindungsgegenstand wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. In der zugehörigen Zeichnung ist ein Plasmagenerator im Schnitt dargestellt.The subject of the invention is described below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing, a plasma generator is shown in section. Der Plasmagenerator hoher Leistung ist in einem Ofen 1 angeordnet. Zwischen der wassergekühlten Halterung 2 der Katode 3 und der wassergekühlten Düse 4 sind Fotodetektoren 5 angeordnet, deren optische Achsen auf den äusseren Düsenspalt 6 gerichtet sind. Beim Auftreten eines Nebenbogens im äusseren Düsenspalt wird durch einen der Fotodetektoren 5 ein erhöhtes Signal abgegeben. Dieses elektrische Signal wird durch an sich bekannte Schaltelemente einem Regelkreis zugeführt, der auf die Leistungsquelle entsprechend einwirkt.The high-power plasma generator is placed in a furnace 1 . Arranged between the water-cooled holder 2 of the cathode 3 and the water-cooled nozzle 4 are photodetectors 5 whose optical axes are directed towards the outer nozzle gap 6 . When a secondary arc occurs in the outer nozzle gap, an increased signal is emitted by one of the photodetectors 5. This electrical signal is fed to a control loop by switching elements that are known per se and acts accordingly on the power source. Die Fotodetektoren 5 befinden sich so weit hinter der Katode 3, dass ein kleiner Öffnungswinkel zum Überwachen eines Teilbereichs des äusseren Düsenspaltes 6 durch jeden Fotodetektor 5 gewährleistet ist und im Anordnungsbereich des Detektors eine geringe Umgebungstemperatur herrscht. Obwohl die Fotodetektoren 5 auf den Hauptbogen «sehen», tritt beim Auftreten von Nebenbögen zwischen Katode 3 und Düse 4 eine zusätzliche durch die Fotodetektoren 5 registrie-bare Lichtstrahlung auf. Diese zusätzliche Lichtstrahlung ist abhängig von der Stromstärke des Nebenbogens und wird ab einer Nebenbogenleistung von 10% der Hauptbogenleistung für weitere Schalthandlungen ausgewertet. Beim Registrieren eines stromstarken Nebenbogens durch einen der Fotodetektoren 5 wird in bekannter Weise in den Regelkreis eingegriffen, der die Nebenbögen durch Verminderung der Leistung des Hauptbogens sofort ausschaltet.The photodetectors 5 are located so far behind the cathode 3 that a small opening angle for monitoring a portion of the outer nozzle gap 6 is ensured by each photodetector 5 and there is a low ambient temperature in the area where the detector is arranged. Although the photodetectors 5 "see" the main arc, when secondary arcs occur between the cathode 3 and the nozzle 4, an additional light radiation occurs that can be registered by the photodetectors 5. This additional light radiation depends on the current of the secondary arc and is evaluated for further switching operations from a secondary arc power of 10% of the main arc power. When a high-current secondary arc is registered by one of the photodetectors 5, the control circuit is intervened in a known manner, which immediately switches off the secondary arcs by reducing the power of the main arc. Mit 7 ist das Schmelzgut und mit 8 der Lichtbogen dargestellt.7 shows the melting material and 8 shows the arc. 22 55 1010 1515 2020 2525 3030 3535 4040 4545 5050 GG 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
CH1133679A 1978-12-21 1979-12-20 HIGH PERFORMANCE PLASMA GENERATOR. CH643417A5 (en)

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