CH704345B1

CH704345B1 - Device for milling and drilling rock with high energy pulses, has electronic power switch through which high discharge current and high energy are introduced into the rock, during milling and drilling

Info

Publication number: CH704345B1
Application number: CH8142008A
Authority: CH
Inventors: Juergen Biela; Johann W Kolar; Dominik Bortis; Christoph Marxgut
Original assignee: Eth Zuerich
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2012-07-13

Abstract

The device (1) has a pulse capacitor (2), an electronic power switch (9), an ignition device (14) and a primary winding (31) formed in ignition transformer (27). The voltage across a parallel capacitor (29) is made twice the value of secondary voltage, according to the ignition voltage stage throttle (20) connected to an electrode (18). High discharge current and high energy are introduced into the rock, through the power switch. After the discharge of pulse capacitor, the power switch is blocked again.

Description

Stand der TechnikState of the art

[0001] Zum Fräsen und Bohren von Gestein werden neben mechanischen Werkzeugen auch elektrische Entladungen eingesetzt, welche zwischen zwei in der Nähe des Werkstücks angeordneten oder auf dem Werkstück aufliegenden Elektroden ausserhalb oder innerhalb des Gesteins stattfinden. Die gesamte Anordnung befindet sich vielfach in einem Wasserbad. Im Falle einer äusseren Entladung wird eine Druckwelle ausgelöst, welche Teile des Werkstücks ablöst. Im Falle einer inneren Entladung bildet sich im Werkstück ein Entladungskanal, wobei der damit verbundene hohe Druck ebenfalls zur Absprengung von Werkstückteilen führt, womit z.B. Nuten ausgefräst oder Sacklöcher oder Bohrungen erstellt werden können. Da die zugeführte Energie weitgehend in das Werkstück eingebracht wird, ist das Verfahren der inneren Entladung bezüglich des Energieeinsatzes effizienter und daher der äusseren Entladung vorzuziehen. For milling and drilling of rock in addition to mechanical tools and electrical discharges are used, which take place between two arranged in the vicinity of the workpiece or resting on the workpiece electrodes outside or inside the rock. The entire arrangement is often in a water bath. In the case of an external discharge, a pressure wave is triggered, which separates parts of the workpiece. In the case of an internal discharge, a discharge channel is formed in the workpiece, the high pressure associated therewith also leading to the blasting of workpiece parts, whereby e.g. Grooves can be milled or blind holes or holes can be created. Since the supplied energy is largely introduced into the workpiece, the method of internal discharge with respect to the energy input is more efficient and therefore preferable to the external discharge.

[0002] Wie Untersuchungen zeigen, kann eine innere Entladung nur bei extrem raschem Spannungsaufbau zwischen den Elektroden ausgelöst werden. Nur dann ist die dielektrische Festigkeit des Gesteins geringer als jene des umgebenden Wassers. Eine weitere Forderung ist die Zuführung grosser Ströme nach Einsetzen der Entladung, da nur so hohe Energie in das Werkstück eingebracht bzw. eine rasche Bearbeitung erfolgen kann. As studies show, an internal discharge can be triggered only at extremely rapid voltage build-up between the electrodes. Only then is the dielectric strength of the rock less than that of the surrounding water. Another requirement is the supply of large currents after the onset of the discharge, since only so much energy can be introduced into the workpiece or a rapid processing can take place.

[0003] Zur Erzeugung der hohen Spannungssteilheiten werden heute Funkenstrecken eingesetzt. Durch entsprechende Länge der Funkenstrecke können so auch sehr hohe Zündspannungswerte beherrscht und nachfolgend hohe Entladeströme führen. Nachteile bestehen allerdings in der nur beschränkten Steuerbarkeit und der beschränkten Lebensdauer bzw. dem relativ hohen Wartungsaufwand. Demgegenüber würde ein auf Leistungshalbleiter gestütztes System wesentliche Vorteile aufweisen, da dann die Entladung gezielt ausgelöst und repetitiv initiiert werden könnte und ein Verschleiss a priori vermieden würde. To generate the high voltage gradients spark gaps are used today. By corresponding length of the spark gap so very high ignition voltage can be controlled and subsequently lead high discharge currents. Disadvantages, however, are the limited controllability and the limited life or the relatively high maintenance. By contrast, a system based on power semiconductors would have significant advantages, since then the discharge could be specifically triggered and initiated repetitively and wear would be avoided a priori.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

[0004] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochenergiepulsen zur Bearbeitung von Gestein zu schaffen, welche anstelle einer Funkenstrecke einen elektronischen Leistungsschalter zur Auslösung der Entladung und Zuführung des Entladestromes einsetzt. The object of the invention is therefore to provide a device for generating high energy pulses for processing of rock, which uses an electronic circuit breaker for triggering the discharge and supply of the discharge instead of a spark gap.

[0005] Erfindungsgemäss wird dies durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 erreicht. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dem abhängigen Patentanspruch zu entnehmen. This is achieved by the subject of claim 1 according to the invention. An advantageous embodiment of the invention can be found in the dependent claim.

[0006] Grundgedanke der Erfindung ist, die Vorrichtung als Parallelschaltung einer Zündvorrichtung und einer Entladestromzuführung zu konzipieren, wobei die Zündvorrichtung und die Entladestromzuführung eingangsseitig verbunden sind und über einen gemeinsamen elektronischen Leistungsschalter, z.B. ausgeführt durch einen Leistungstransistor oder einen Leistungsthyristor, aus einem Pulskondensator gespeist werden, welcher über einen entsprechenden Nachladekreis vor Durchschalten des Leistungstransistors auf eine definierte Spannung geladen wird und mit dem zweiten Ende an Bezugspotential liegt. Der Ausgang der Entladestromzuführung wird über eine Entladestromstufendrossel, d.h. eine als sättigbare Induktivität ausgeführte Entladestromverzögerung an eine auf das Werkstück aufgesetzte oder in dessen unmittelbarer Nähe befindliche erste Elektrode der Bearbeitungsvorrichtung gelegt. Weiter wird auch der Ausgang der Zündvorrichtung über eine Zündspannungsstufendrossel an die erste Elektrode geführt. Die zweite, wiederum auf das Werkstück aufgesetzte oder in dessen unmittelbarer Nähe angeordnete Elektrode ist mit Bezugspotential verbunden. The basic idea of the invention is to design the device as a parallel connection of an ignition device and a discharge current supply, the ignition device and the discharge current supply being connected on the input side and being connected via a common electronic circuit breaker, e.g. executed by a power transistor or a power thyristor, are fed from a pulse capacitor, which is charged via a corresponding Nachladekreis before switching the power transistor to a defined voltage and is at the second end to reference potential. The output of the discharge current supply is fed via a discharge current choke, i. a discharge current delay designed as a saturable inductance is applied to a first electrode of the processing device placed on or in the immediate vicinity of the workpiece. Furthermore, the output of the ignition device is also fed to the first electrode via an ignition voltage stage choke. The second, in turn, placed on the workpiece or disposed in the immediate vicinity electrode is connected to reference potential.

[0007] Die Funktion der Vorrichtung besteht nun darin, durch Durchschalten des Leistungsschalters eine Zündspannung am Ausgang der Zündvorrichtung aufzubauen und diese, wenn der Maximalwert der Zündspannung erreicht ist, über die Verringerung der Induktivität der Zündspannungsstufendrossel, d.h. über Sättigung der Zündspannungsstufendrossel mit sehr hoher Steilheit an die erste Elektrode zu legen. Es wird dann die dielektrische Festigkeit des Werkstücks überschritten und es bildet sich ein innerer Entladungskanal aus, und die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode bricht zusammen. Nach darauffolgender Sättigung der Entladestromstufendrossel wird so der Entladestrom in den ionisierten Entladungskanal geführt und baut aufgrund der bei hohem Strom hohen Verlustleistung einen hohen Druck im Entladekanal auf, der zur Absprengung eines Werkstückteiles führt. Die Dimensionierung der Zündspannungsstufendrossel ist demnach vorteilhaft so vorzunehmen, dass die während des Aufbaus der Zündspannung an der Zündspannungsstufendrossel anliegende Spannungszeitfläche, d.h. das Zeitintegral der Differenz aus der am Ausgang der Zündvorrichtung auftretenden Spannung und der Spannung an der ersten Elektrode im Zeitpunkt des Auftretens der maximalen Zündspannung zum Erreichen der Sättigungsinduktion im Magnetkern der Zündspannungsstufendrossel führt. Die Entladestromstufendrossel wiederum ist so zu bemessen, dass die Sättigung möglichst rasch nach dem Zünden der Entladung erfolgt, sodass der Entladestrompfad unmittelbar nach der Zündung, wo ein ionisierter Entladungskanal für die Stromführung zur Verfügung steht, niederinduktiv freigegeben wird. The function of the device is to build an ignition voltage at the output of the ignition device by switching on the circuit breaker and, when the maximum value of the ignition voltage is reached, by reducing the inductance of the ignition voltage stage choke, i. via saturation of the ignition voltage stage choke with very high slope to the first electrode. Then, the dielectric strength of the workpiece is exceeded and an inner discharge channel is formed, and the voltage between the first and second electrodes collapses. After subsequent saturation of the Entladestromstufendrossel the discharge current is performed in the ionized discharge channel and builds due to the high power high power dissipation high pressure in the discharge channel, which leads to the blasting of a workpiece part. The dimensioning of the ignition voltage stage choke is therefore advantageous in such a way that the voltage time area applied during the construction of the ignition voltage to the ignition voltage stage choke, i. the time integral of the difference between the voltage occurring at the output of the ignition device and the voltage at the first electrode at the time of occurrence of the maximum ignition voltage to achieve the saturation induction in the magnetic core of the Zündspannungsstufendrossel. In turn, the discharge stage choke is to be dimensioned such that saturation takes place as rapidly as possible after ignition of the discharge, so that the discharge current path is low inductively released immediately after ignition, where an ionized discharge channel is available for current conduction.

[0008] Die Zündspannungsstufendrossel und die Entladestromstufendrossel werden also vorteilhaft wie Schaltelemente genutzt, welche gegenüber Halbleiterschaltern bis zur Sättigung sehr hohe Spannungen aufnehmen können. Da die Sättigung sehr rasch erfolgt, wird die Zündspannung mit hoher Steilheit an die erste Elektrode gelegt und nach dem Zünden der Entladung, d.h. dem Vorliegen eines Entladungskanals unter Berücksichtigung der Wärmekapazität sehr hohe, nur durch die die maximale Wicklungstemperatur beschränkte Pulsströme über die Entladestromstufendrossel geführt werden können. Weiter wird durch die Entladestromstufendrossel die bis zur Zündung hohe Zündspannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode vom elektronischen Leistungsschalter abgeblockt. Wenn die Entladestromstufendrossel sättigt, also den Entladestrompfad freigibt, muss der Leistungstransistor zwar den hohen Entladestrom führen, ist aber bezüglich Sperrspannungsfestigkeit nur nach der Anfangsspannung des Pulskondensators zu bemessen, welche relativ tief gewählt werden kann, da die Pulskondensatorspannung nur den Entladestrom über einen relativ niederohmigen Entladungskanal treiben muss. Das Sperrspannungs-Maximalstromprodukt, d.h. die Schaltleistung des Leistungsschalters liegt damit erheblich günstiger als wenn der Transistor neben dem Entladestrom die wesentlich über der Pulskondensatorspannung liegende Zündspannung beherrschen müsste. The Zündspannungsstufendrossel and the Entladestromstufendrossel are therefore advantageously used as switching elements, which can accommodate very high voltages compared to semiconductor switches to saturation. Since saturation is very rapid, the ignition voltage is applied to the first electrode with a high transconductance and, after ignition of the discharge, i. the presence of a discharge channel taking into account the heat capacity very high, only by the maximum winding temperature limited pulse currents can be performed on the Entladestromstufendrossel. Furthermore, the ignition voltage between the first and second electrodes of the electronic power circuit breaker is blocked by the discharge current stage choke. Although the discharge current choke saturates, ie releases the discharge current path, the power transistor must carry the high discharge current, but is to be rated in terms of reverse voltage strength only after the initial voltage of the pulse capacitor, which can be relatively low, since the pulse capacitor voltage only the discharge through a relatively low-resistance discharge channel must drive. The reverse voltage maximum current product, i. the switching capacity of the circuit breaker is thus considerably cheaper than if the transistor in addition to the discharge current would have to control the ignition voltage substantially above the pulse capacitor voltage lying.

[0009] Eine vorteilhafte Ausführung der Vorrichtung ist Patentanspruch 2 zu entnehmen. An advantageous embodiment of the device is to claim 2.

[0010] Der Eingang der Zündvorrichtung wird dabei über einen Koppelkondensator an den Anfang der Primärwicklung eines Zündtransformators geführt, deren Ende an Bezugspotential liegt. Die Sekundärwicklung des Zündtransformators weist gleichen Wicklungssinn wie die Primärwicklung, jedoch eine wesentlich höhere Windungszahl auf und wird mit dem Anfang an Bezugspotential gelegt und am Ende mit einer Serieninduktivität verbunden, deren zweites Ende den Ausgang der Zündvorrichtung bildet, wobei zwischen dem Ausgang der Zündvorrichtung und Bezugspotential eine Parallelkapazität angeordnet ist. Die Serieninduktivität kann dabei teilweise als explizite Induktivität und teilweise durch die Streuinduktivität des Zündtransformators oder die Induktivität der Verkabelung von Serieninduktivität und Parallelkapazität realisiert werden. Ebenso ist die Parallelkapazität teilweise über die parasitäre Kapazität der Verkabelung und teilweise als explizite Kapazität ausführbar. The input of the ignition device is guided via a coupling capacitor to the beginning of the primary winding of an ignition transformer whose end is at reference potential. The secondary winding of the ignition transformer has the same winding sense as the primary winding, but a much higher number of turns and is connected to the beginning of reference potential and connected at the end with a series inductance whose second end forms the output of the igniter, wherein between the output of the igniter and reference potential a parallel capacity is arranged. The series inductance can be realized partly as an explicit inductance and partly through the stray inductance of the ignition transformer or the inductance of the wiring of series inductance and parallel capacitance. Likewise, the parallel capacity is in part feasible via the parasitic capacity of the cabling and partly as an explicit capacity.

[0011] Wird nun der elektronische Leistungsschalter durchgeschaltet, d.h. die Spannung des Pulskondensators an den Eingang der Zündvorrichtung und damit über den entladenen Koppelkondensator an die Primärwicklung des Zündtransformators gelegt, tritt am Ende der Sekundärwicklung sprungförmig eine gemäss Windungszahlverhältnis transformierte hohe negative Spannung auf, welche an dem durch die Serieninduktivität und die Parallelkapazität gebildeten Schwingkreis zu liegen kommt. Über die dadurch initiierte Schwingung erreicht die Spannung der Parallelkapazität nach einer Schwingungshalbperiode den zweifachen Wert der Zündtransformatorausgangsspannung. Bei richtiger Bemessung sättigt die Zündspannungsstufendrossel in diesem Zeitpunkt, womit eine hohe Zündspannung steilflankig an die erste Elektrode gelegt und die Entladung zur zweiten Elektrode gezündet wird. Die Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode bricht damit zusammen, und die Parallelkapazität wir über den Entladungskanal entladen. Now, if the electronic circuit breaker is turned on, i. E. the voltage of the pulse capacitor to the input of the ignition device and thus placed over the discharged coupling capacitor to the primary winding of the ignition transformer, occurs at the end of the secondary winding in a jump according to Windungszahlverhältnis transformed high negative voltage, which are due to the resonant circuit formed by the series inductance and the parallel capacitance comes. By means of the oscillation initiated thereby, the voltage of the parallel capacitance reaches twice the value of the ignition transformer output voltage after one oscillation half period. If correctly dimensioned, the ignition voltage stage choke saturates at this point in time, whereby a high ignition voltage is applied to the first electrode at a steep edge and the discharge is ignited to the second electrode. The voltage between the first and second electrode collapses with it, and the parallel capacitance is discharged via the discharge channel.

[0012] Mit dem Durchschalten des Leistungsschalters wird die Spannung des Pulskondensators über die Entladestromzuführung auch an die Entladestromstufendrossel gelegt. Durch entsprechende Dimensionierung befindet sich so die Entladestromstufendrossel bei Auftreten der Zündspannung an der ersten Elektrode bereits kurz vor der Sättigung. Da die Zündspannung hohe negative Werte aufweist, wird sich die magnetische Aussteuerung der Entladestromstufendrossel nun während der Zündung rasch weiter erhöhen und so kurz nach Vorliegen eines Entladungskanals zur Sättigung der Entladestromstufendrossel führen. Es kann sich dann der Entladestrompuls ausbilden, wobei ein Wechsel von während der Entladung der Parallelkapazität negativen Entladestromwerten auf einen hohen positiven Entladestrom auftritt. Aufgrund der relativ hohen Zeitkonstante der Ionisation des Entladungskanals ist diese Vorzeichenumkehr des Entladestromes unkritisch und die Entladung wird im Nulldurchgang des Entladestromes nicht unterbrochen. With the switching of the circuit breaker, the voltage of the pulse capacitor via the Entladestromzuführung is also placed on the Entladestromstufendrossel. By appropriate dimensioning, the discharge current stage choke is already shortly before saturation when the ignition voltage at the first electrode occurs. Since the ignition voltage has high negative values, the magnetic modulation of the Entladestromstufendrossel now rapidly increase during ignition and lead so shortly after the presence of a discharge channel to saturation of Entladestromstufendrossel. The discharging current pulse may then form, wherein a change of negative discharging current values during the discharge of the parallel capacity to a high positive discharging current occurs. Due to the relatively high time constant of the ionization of the discharge channel, this sign reversal of the discharge current is not critical and the discharge is not interrupted in the zero crossing of the discharge current.

[0013] Die Erfindung wird im Weitern durch eine Abbildung näher erläutert. The invention will be explained in more detail by an illustration.

[0014] Die Abbildung zeigt die erfindungsgemässe Vorrichtung nach Anspruch 1 mit Ausführung der Zündvorrichtung nach Anspruch 2. The figure shows the inventive device according to claim 1 with the execution of the ignition device according to claim 2.

[0015] In der Abbildung ist die erfindungsgemässe Vorrichtung 1 zur Bearbeitung von Gestein mit Hochenergiepulsen gezeigt, wobei eingangsseitig ein Pulskondensator 2 angeordnet und mit dem negativen Pol 3 mit einem Bezugspotential 4 verbunden ist und der Pulskondensator durch eine Nachladeeinheit oder Nachladeschaltung 5, deren erste Ausgangsklemme 6 an den positiven Pol 7 des Pulskondensators 2 geführt ist und deren negative Ausgangsklemme 8 an Bezugspotential 4 liegt, derart geladen wird, dass vor Auslösung eines Bearbeitungspulses eine definierte Spannung vorliegt. Vom positiven Pol 7 des Pulskondensator 2 ist ein elektronischer Leistungsschalter 9 mit antiparalleler Freilaufdiode 10 in Stromflussrichtung an einen ersten Eingang 11 einer Entladestromzuführung 12 gelegt und weiter mit dem ersten Eingang 13 einer Zündvorrichtung 14 verbunden. Ein erster Ausgang 15 der Entladestromzuführung 12 ist über eine Entladestromstufendrossel 16 an eine auf ein Werkstück 17 aufgesetzte oder in dessen unmittelbarer Nähe befindliche erste Elektrode 18 der Bearbeitungsvorrichtung 1 gelegt. Weiter ist auch ein erster Ausgang 19 der Zündvorrichtung 14 über eine Zündspannungsstufendrossel 20 an die erste Elektrode 18 geführt. Eine zweite, ebenfalls auf das Werkstück 17 aufgesetzte oder in dessen unmittelbarer Nähe angeordnete Elektrode 21 ist mit Bezugspotential 4 verbunden. Sowohl die Entladestromzuführung 12 als auch die Zündvorrichtung 14 arbeiten bezogen auf das Bezugspotential 4, ein zweiter Eingang 22 und ein zweiter Ausgang 23 der Entladestromzuführung 12 und ein zweiter Eingang 24 und ein zweiter Ausgang 25 der Zündvorrichtung 14 sind also mit Bezugspotential 4 verbunden. In the figure, the inventive device 1 for processing rock with high energy pulses is shown, wherein the input side, a pulse capacitor 2 is arranged and connected to the negative pole 3 with a reference potential 4 and the pulse capacitor by a recharging or recharging circuit 5, the first output terminal 6 is guided to the positive pole 7 of the pulse capacitor 2 and the negative output terminal 8 is connected to reference potential 4, is loaded so that there is a defined voltage before triggering a processing pulse. From the positive pole 7 of the pulse capacitor 2, an electronic circuit breaker 9 is placed with antiparallel freewheeling diode 10 in the direction of current flow to a first input 11 of a Entladestromzuführung 12 and further connected to the first input 13 of an ignition device 14. A first output 15 of the discharge current supply 12 is connected via a discharge current stage reactor 16 to a first electrode 18 of the processing apparatus 1 placed on or in the immediate vicinity of a workpiece 17. Next, a first output 19 of the ignition device 14 is guided via a Zündspannungsstufendrossel 20 to the first electrode 18. A second, also placed on the workpiece 17 or disposed in the immediate vicinity electrode 21 is connected to reference potential 4. Both the discharge current supply 12 and the ignition device 14 operate based on the reference potential 4, a second input 22 and a second output 23 of the discharge 12 and a second input 24 and a second output 25 of the ignition device 14 are thus connected to reference potential 4.

[0016] Die Funktion der Vorrichtung besteht nun darin, durch Durchschalten des elektronischen Leistungsschalters 9 am Ausgang der Zündvorrichtung 14 eine hohe Zündspannung aufzubauen und diese, wenn der Maximalwert der Zündspannung erreicht ist, über das Zusammenbrechen der Induktivität, d.h. über Sättigung einer Zündspannungsstufendrossel 20 mit sehr hoher Steilheit an die erste Elektrode 18 zu legen. Es wird dann die dielektrische Festigkeit des Werkstücks 17 überschritten und es bildet sich zur zweiten Elektrode 21 hin, d.h. gegen Bezugspotential 4, ein Entladungskanal im Werkstück aus. Die Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode 18, 21 bricht damit zusammen, und nach Sättigung der Entladestromstufendrossel 16 wird ein hoher Entladestrom aus dem Pulskondensator 2 in den ionisierten Entladekanal geführt und baut aufgrund der bei hohem Strom hohen Verlustleistung einen hohen Druck im Entladekanal auf, der zur Absprengung eines Werkstückteiles führt. Die Dimensionierung der Zündspannungsstufendrossel 20 ist dabei vorteilhaft so vorzunehmen, dass die während des Aufbaus der Zündspannung an der Zündspannungsstufendrossel 20 anliegende Spannungszeitfläche, d.h. das Zeitintegral der Differenz aus der am ersten Ausgang 19 der Zündvorrichtung 14 auftretenden Spannung und der Spannung an der ersten Elektrode, jeweils gegenüber Bezugspotential 4 gemessen, im Zeitpunkt des Auftretens der maximalen Zündspannung zur Sättigung des Magnetkerns der Zündspannungsstufendrossel 20 führt. Die Entladestromstufendrossel 16 wiederum ist so zu bemessen, dass die Sättigung möglichst rasch nach dem Zünden der Entladung, d.h. möglichst rasch nach dem Aufbau eines Entladungskanals erfolgt, sodass der Entladestrom unmittelbar nach der Zündung hohe Werte annehmen kann, da dann ein ionisierter Entladungskanal für die Stromführung zur Verfügung steht. The function of the device is to build up a high ignition voltage by switching on the electronic circuit breaker 9 at the output of the ignition device 14 and, when the maximum value of the ignition voltage is reached, via the breakdown of the inductance, i. via saturation of a Zündspannungsstufendrossel 20 with very high slope to the first electrode 18 to put. The dielectric strength of the workpiece 17 is then exceeded and it forms towards the second electrode 21, i. to reference potential 4, a discharge channel in the workpiece. The voltage between the first and second electrodes 18, 21 collapses therewith, and after saturation of the discharge stage choke 16, a high discharge current from the pulse capacitor 2 is conducted into the ionized discharge channel and builds high pressure in the discharge channel due to high power dissipation at high current. which leads to the blasting of a workpiece part. The dimensioning of Zündspannungsstufendrossel 20 is advantageous to make so that during the construction of the ignition voltage applied to the Zündspannungsstufendrossel 20 voltage time area, i. the time integral of the difference between the voltage occurring at the first output 19 of the ignition device 14 and the voltage at the first electrode, measured in each case relative to reference potential 4, at the time of occurrence of the maximum ignition voltage for saturation of the magnetic core Zündspannungsstufendrossel 20 leads. In turn, the discharge stage choke 16 is to be sized so that saturation occurs as soon as possible after ignition of the discharge, i. as quickly as possible after the construction of a discharge channel, so that the discharge current can assume high values immediately after ignition, since then there is an ionized discharge channel for the power supply available.

[0017] Die Zündspannungsstufendrossel 20 und die Entladestromstufendrossel 16 werden also vorteilhaft wie Schaltelemente genutzt, wobei gegenüber Halbleiterschaltern bis zur Sättigung sehr hohe Spannungen aufgenommen werden können und die Sättigung sehr rasch erfolgt, die Zündspannung also mit hoher Steilheit an die erste Elektrode 18 gelegt wird und nach Zünden der Entladung, d.h. nach Aufbau eines Entladungskanals unter Berücksichtigung der Wärmekapazität sehr hohe, nur durch die die maximale Wicklungstemperatur beschränkte Pulsströme über die Entladestromstufendrossel 16 geführt werden können. Weiter wird durch die Entladestromstufendrossel 16 die kurz vor der Zündung auftretende hohe Zündspannung zwischen erster und zweiter Elektrode 18, 21 vom elektronischen Leistungsschalter 9 ferngehalten. Wenn die Entladestromstufendrossel 16 sättigt, also den, vom positiven Pol 7 des Pulskondensators 2 über den elektronischen Leistungsschalter 9, die Entladestromzuführung 12, die Entladestromstufendrossel 16 und die erste Elektrode 18 über das Werkstück 17 zur zweiten Elektrode 21 und damit zum Bezugspotential 4 führenden Entladestrompfad freigibt, muss der Leistungstransistor zwar den hohen Entladestrom führen, ist aber bezüglich Sperrspannungsfestigkeit nur nach der Anfangsspannung des Pulskondensators 2 zu bemessen, welche relativ tief gewählt werden kann, da die Pulskondensatorspannung nur den Entladestrom über einen relativ niederohmigen Entladungskanal treiben muss. Das Sperrspannungs-Maximalstromprodukt, d.h. die Schaltleistung des Leistungsschalters 2, liegt damit erheblich günstiger als wenn der Leistungsschalter 2, neben dem Entladestrom die wesentlich über der Pulskondensatorspannung liegende Zündspannung beherrschen müsste. The Zündspannungsstufendrossel 20 and the Entladestromstufendrossel 16 are thus advantageously used as switching elements, with respect to semiconductor switches can be absorbed to saturation very high voltages and the saturation is very fast, the ignition voltage is thus applied with high slope to the first electrode 18 and after ignition of the discharge, ie after construction of a discharge channel taking into account the heat capacity very high, limited only by the maximum winding temperature pulse currents on the Entladestromstufendrossel 16 can be performed. Further, by the Entladestromstufendrossel 16 which occurs shortly before the ignition high ignition voltage between the first and second electrodes 18, 21 kept away from the electronic circuit breaker 9. When the Entladestromstufendrossel 16 saturates, that the, from the positive pole 7 of the pulse capacitor 2 via the electronic circuit breaker 9, the Entladestromzuführung 12, the Entladestromstufendrossel 16 and the first electrode 18 via the workpiece 17 to the second electrode 21 and thus to the reference potential 4 leading Entladestrompfad releases Although the power transistor must carry the high discharge current, but is to be measured in terms of reverse voltage strength only after the initial voltage of the pulse capacitor 2, which can be relatively low, since the pulse capacitor voltage only has to drive the discharge through a relatively low-resistance discharge channel. The reverse voltage maximum current product, i. the switching capacity of the circuit breaker 2, is thus considerably cheaper than when the circuit breaker 2, in addition to the discharge current would have to dominate the ignition voltage lying substantially above the pulse capacitor voltage.

[0018] Die Zündvorrichtung wird über einen Koppelkondensator 26, einen Zündtransformator 27, eine Serieninduktivität 28 und eine Parallelkapazität 29 gebildet, wobei der erste Eingang 13 der Zündvorrichtung 14 über den Koppelkondensator 26 an einen Wicklungsanfang 30 der Primärwicklung 31 des Zündtransformators 27 geführt wird, und ein Wicklungsende 32 der Primärwicklung 31 am zweiten Eingang 24 der Zündvorrichtung und damit am Bezugspotential 4 liegt. Eine Sekundärwicklung 33 des Zündtransformators 27 weist gleichen Wicklungssinn wie die Primärwicklung 31, jedoch eine wesentlich höhere Windungszahl auf und wird mit einem Wicklungsanfang 34 an das Bezugspotential 4 gelegt und mit einem Wicklungsende 35 mit einem ersten Ende einer Serieninduktivität 28 verbunden, deren zweites Ende 36 mit dem ersten Ausgang 19 der Zündvorrichtung 14 verbunden ist, wobei vom ersten Ausgang 19 der Zündvorrichtung 14 abzweigend weiters die Parallelkapazität 29 gegen den zweiten Ausgang 25 der Zündvorrichtung 14, also gegen Bezugspotential 4, angeordnet ist. Die Serieninduktivität 28 kann dabei teilweise als explizite Induktivität und teilweise durch die zwischen der Primärwicklung 31 und der Sekundärwicklung 33 vorliegende Streuinduktivität des Zündtransformators 27 oder durch die Induktivität der Schaltverbindungen der Serieninduktivität 28 und der Parallelkapazität 29 ausgeführt werden, wobei die parasitäre Kapazität dieser Schaltverbindungen gegenüber Bezugspotential 4 vorteilhaft auch zur teilweisen Realisierung der Parallelkapazität 29 dienen kann. The ignition device is formed via a coupling capacitor 26, an ignition transformer 27, a series inductance 28 and a parallel capacitor 29, wherein the first input 13 of the ignition device 14 is guided via the coupling capacitor 26 to a winding start 30 of the primary winding 31 of the ignition transformer 27, and a winding end 32 of the primary winding 31 at the second input 24 of the ignition device and thus at the reference potential 4 is located. A secondary winding 33 of the ignition transformer 27 has the same winding sense as the primary winding 31, but a much higher number of turns and is placed with a winding start 34 to the reference potential 4 and connected to a winding end 35 to a first end of a series inductance 28, the second end 36 with the first output 19 of the ignition device 14 is connected, wherein from the first output 19 of the ignition device 14 branches off further, the parallel capacitor 29 against the second output 25 of the ignition device 14, ie against reference potential 4, is arranged. The series inductance 28 can be carried out partly as an explicit inductance and partly through the stray inductance of the ignition transformer 27 present between the primary winding 31 and the secondary winding 33 or through the inductance of the switching connections of the series inductance 28 and the parallel capacitance 29, the parasitic capacitance of these switching connections relative to reference potential 4 can also advantageously serve for partial realization of the parallel capacity 29.

[0019] Entladestromzuführung durch einen Mittelleiter 37 und der zweite Eingang 22 und der zweite Ausgang 23 sind durch einen Aussenleiter 38 des Hochspannungskabels verbunden. Entladestromzuführung by a center conductor 37 and the second input 22 and the second output 23 are connected by an outer conductor 38 of the high voltage cable.

[0020] Wird nun der elektronische Leistungsschalter 9 durchgeschaltet, d.h. die Spannung des Pulskondensators 2 an den Eingang der Zündvorrichtung 14 und damit über den noch entladenen Koppelkondensator 26 an die Primärwicklung 31 des Zündtransformators 27 gelegt, tritt am Ende 35 der Sekundärwicklung 33 sprungförmig die gemäss dem Windungszahlverhältnis von Primär- und Sekundärwicklung, 31,33 transformierte Spannung des Pulskondensators 2 negativ auf und kommt am Eingang des durch die Serieninduktivität 28 und die Parallelkapazität 29 gebildeten Schwingkreis zu liegen. Über die dadurch initiierte Schwingung erreicht die Spannung der Parallelkapazität 29 nach einer Schwingungshalbperiode den zweifachen Wert der Zündtransformatorausgangsspannung. Bei richtiger Bemessung sättigt die Zündspannungsstufendrossel 20 in diesem Zeitpunkt, womit eine hohe Zündspannung steilflankig an die erste Elektrode 18 gelegt und damit die Entladung zur zweiten Elektrode 21 gezündet wird. Die Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode, 18,21, bricht somit zusammen, und die Parallelkapazität 29 wird über den Entladungskanal entladen. Now, the electronic circuit breaker 9 is turned on, i. E. the voltage of the pulse capacitor 2 is applied to the input of the ignition device 14 and thus over the still discharged coupling capacitor 26 to the primary winding 31 of the ignition transformer 27, at the end 35 of the secondary winding 33 jumped the transformed according to the Windungszahlverhältnis of primary and secondary winding, 31,33 Voltage of the pulse capacitor 2 negative and comes to rest at the entrance of the resonant circuit formed by the series inductance 28 and the parallel capacitance 29. By means of the oscillation initiated thereby, the voltage of the parallel capacitor 29 reaches twice the value of the ignition transformer output voltage after one oscillation half period. If the sizing is correct, the ignition voltage stage choke 20 saturates at this point in time, whereby a high ignition voltage is applied to the first electrode 18 with a steep edge and thus the discharge to the second electrode 21 is ignited. The voltage between the first and second electrodes, 18, 21 thus collapses, and the parallel capacitor 29 is discharged via the discharge channel.

[0021] Mit dem Durchschalten des Leistungsschalters 9 wird auch an die Entladestromstufendrossel 16 die Spannung des Pulskondensators gelegt. Durch entsprechende Dimensionierung befindet sich die Entladestromstufendrossel 16 bei Auftreten der Zündspannung an der ersten Elektrode 18 bereits kurz vor der Sättigung. Da die Zündspannung hohe negative Werte aufweist, wird sich die magnetische Aussteuerung der Entladestromstufendrossel 20 durch die Zündspannung rasch weiter erhöhen und so kurz nach Zünden der Entladung und Vorliegen eines Entladungskanals sättigen. Es kann sich dann der Entladestrompuls über die Entladestromzuführung 12 und die Entladestromstufendrossel 16 ausbilden, wobei ein Wechsel von während der Entladung der Parallelkapazität 29 negativen Entladestromwerten auf einen hohen positiven Entladestrom auftritt. Aufgrund der relativ hohen Zeitkonstante der Ionisation des Entladungskanals zwischen der ersten und zweiten Elektrode ist diese Vorzeichenumkehr der Entladestroms unkritisch und führt zu keiner Unterbrechung der Entladung. With the switching of the circuit breaker 9, the voltage of the pulse capacitor is also applied to the Entladestromstufendrossel 16. By appropriate dimensioning, the discharge current stage reactor 16 is already shortly before saturation when the ignition voltage at the first electrode 18 occurs. Since the ignition voltage has high negative values, the magnetic modulation of the Entladestromstufendrossel 20 will increase rapidly by the ignition voltage and so shortly after ignition of the discharge and presence of a discharge channel saturate. The discharge current pulse can then form via the discharge current supply 12 and the discharge current stage reactor 16, with a change from negative discharge current values during the discharge of the parallel capacitance 29 to a high positive discharge current. Due to the relatively high time constant of the ionization of the discharge channel between the first and second electrodes, this sign reversal of the discharge current is not critical and does not interrupt the discharge.

[0022] Durch den Entladestrompuls wird der Pulskondensator 2 entladen und anschliessend der Leistungsschalter 9 abgeschaltet. Die Nachladeschaltung 5 beginnt dann wieder, den Pulskondensator 2 nachzuladen und auf die Anfangsspannung für den nächsten Bearbeitungsentladestrompuls zu bringen. By the Entladestrompuls the pulse capacitor 2 is discharged and then the power switch 9 is turned off. The recharging circuit 5 then begins again to recharge the pulse capacitor 2 and bring it to the starting voltage for the next Bearbeitungsentladestrompuls.

Claims

1. A device (1) for generating energy pulses, which has a pulse capacitor (2), a recharging circuit (5), an electronic circuit breaker (9), an ignition transformer (27), a discharge current stage reactor (16) and an ignition voltage stage reactor (20), characterized in that arranged at the input of the device (1) of the pulse capacitor (2) and with its negative pole (3) connected to a reference potential (4), and the pulse capacitor through the Nachladeschaltung (5) which is guided with a first, positive output terminal (6) to the positive pole (7) of the pulse capacitor (2), and with a second, negative output terminal (8) at the reference potential (4) , is chargeable, and from the positive pole (7) of the pulse capacitor (2) of the electronic circuit breaker (9) with antiparallel freewheeling diode (10) in the current flow direction to a first input (11) of a Entladestromzuführung (12) and further with a first input (13) of an ignition device ( 14), and a first output (15) of the discharge current supply (12) is applied to a first electrode (18) via the discharge current stage inductor (16) and further a first output (19) of the ignition device (14) is connected to the first electrode via the ignition voltage stage inductor (20) 18) is guided, and a second electrode (21) is connected to reference potential (4), and both the discharge current supply (12) and the ignition device (14) operate based on the reference potential (4), ie a second input (22) and a second output (23 ) of the discharge current supply (12) and a second input (24) and a second output (25) of the ignition device (14) are connected to reference potential (4), wherein an ignition voltage is buildable by turning on the electronic circuit breaker (9) at the first output (19) of the ignition device (14) and this ignition voltage, when a maximum value of the ignition voltage is reached, by reducing the inductance of the Zündspannungsstufendrossel (20), i. via saturation of Zündspannungsstufendrossel (20) to the first electrode (18) can be laid, and so a discharge to the second electrode (21) is ignited, and after this discharging channel has reached saturation of the discharge stage choke (16), a discharge current from the pulse capacitor (2) can be routed immediately after ignition of the discharge and thus energy can be introduced into the discharge channel, and the circuit breaker (9) discharges the pulse capacitor (2) can be switched off and the pulse capacitor (2) is rechargeable.

2. Device according to claim 1, characterized in that the first input (13) of the ignition device (14) via a coupling capacitor (26) to a winding start (30) of a primary winding (31) of an ignition transformer (27) is guided, and a winding end ( 32) of the primary winding (31) of the ignition transformer (27) at the second input (24) of the ignition device (14) and thus at the reference potential (4), and a secondary winding (33) of the ignition transformer (27) has the same sense of winding as the primary winding (31), but has a higher number of turns and with a winding start (34) to the reference potential (4) and with a winding end (35) having a first end a series inductance (28) is connected, whose second end (36) is connected to the first output (19) of the ignition device (14), wherein from the first output (19) of the ignition device (14) branches off a parallel capacitance (29) against the second output (25) of the ignition device (14), ie against reference potential (4) is arranged, and further comprising the discharge current supply (12) by a low-inductance coaxial or coplanar high voltage cable, wherein the first input (11) and the first output (15) of the discharge current supply through a first conductor (37) and the second input (22) and the second output (23) are connected by a second conductor (38) of the high voltage cable, and when switching on the electronic circuit breaker (9), the voltage of the pulse capacitor (2) on the primary winding (31) of the ignition transformer (27), and so at the end (35) of the secondary winding (33) jump-shaped negative voltage occurs, and thus a vibration between series inductance (28) and parallel capacitance (29) can be initiated, whereby the voltage at the first output (19) after a half oscillation period reaches twice the value of the voltage at the secondary winding (33) of the ignition transformer (27), whereby the Zündspannungsstufendrossel (20) saturable is and the ignition voltage at the first electrode (18) and thus the discharge to the second electrode (21) is ignited out.