DE102012109413A1

DE102012109413A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Schalten hoher Ströme bei der elektromagnetischen Pulsumformung

Info

Publication number: DE102012109413A1
Application number: DE201210109413
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2012-10-03
Filing date: 2012-10-03
Publication date: 2014-04-17

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung einer Crowbardiode, die zugleich als Zuleitung zwischen Kondensator und Umformspule dient. Diese Vorrichtung ermöglicht die Verwendung verschleißfreier Schalter zur elektromagnetischen Pulsumformung, wobei die sonst nötigen Thyristorparallelschaltungen entfallen können.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Vorrichtung zur Erzeugung und Leitung eines hohen, pulsförmigen und hochfrequenten elektrischen Stromes, der z. B. zum elektromagnetischen Pulsumformen von Werkstücken verwendet werden kann.
Stand der Technik
Das elektromagnetische Pulsumformung ist ein seit langem bekanntes Verfahren [Dietz, H., Lippmann, H. J., Schenk, H.: "Messung der magnetischen Induktion in einer 10 Magneform-Kompressionsspule" Elektrotechnische Zeitung – Bd. 88 Heft 19, S. 51–54]. Dabei werden mit magnetischen Feldern Werkstücke umgeformt, wobei impulsförmige Ströme hoher Amplitude durch eine Spule geführt werden. Insbesondere zum Anformen von Rohren größeren Durchmessers auf Flansche von anderen Werkstücken hat sich das Verfahren bewährt. Pulsgeneratoren erzeugen aus geladenen Energiespeichern (z. B. Kondensatoren) heraus beim Anschließen von Induktivitäten (z. B. Umforminduktivität) die erforderlichen hohen impulsförmigen Ströme.
Allerdings sind die heute zur Verfügung stehenden Pulsstromparameter noch so eingeschränkt, dass gerade eine Vielzahl höherfester Werkstoffe nicht bearbeitet werden kann. Eine Effizienzsteigerung der Pulsgeneratoren kann dazu beitragen, auch diese Werkstoffe elektromagnetisch umformen zu können.
Zur Erzeugung hoher Pulsströme werden Kondensatoren über spezielle Ladegeräte geladen. Ein Schalter startet dann die Energieübertragung aus dem Kondensator in eine Umformspule (1).
Die Volumendichte elektromagnetischer Umformkräfte wird über die zentrale Beziehung für Lorentzkräfte aus externer magnetischer Flussdichte B →(t) und induziertem Wirbelstrom J →_induziert(t) berechnet:
Es ist ersichtlich, dass zum Erzielen eines hohen Umformdruckes ein Wechselmagnetfeld mit hoher Amplitude und hoher Frequenz erforderlich ist, da der induzierte Strom seinerseits proportional zur zeitlichen Feldänderung ist.
Durch eine geeignete Wahl entsprechend dimensionierter Komponenten kann eine kapazitive Pulsstromvorrichtung bei einer geeigneten Schwingkreis-Resonanzfrequenz der Frequenz f als Stromversorgung der Umformspule mit Induktivität L verwendet werden.
Der Maximalstrom I beträgt überschlägig in Abhängigkeit der Ladespannung U und der Kapazitäten und Induktivitäten:
Es ist ersichtlich, dass zum Erreichen sehr hoher Pulsströme kleine Induktivitäten erforderlich sind. Die Reduktion der Kabelinduktivität kann mittels einer Parallelschaltung von Kabeln erreicht werden.
Als Schalter für diese hohen Ströme kommen typischerweise Geräte mit hohem Verschleiß zum Einsatz (Ignitron, Thyratron, Funkenstrecke). Für industrielle Anwendungen sind solche schnell verschleißenden Komponenten in vielen Bereichen allerdings nicht akzeptabel. Verschleißfreie Schalter (z. B. Thyristoren, 2) kommen wegen begrenzter maximaler Stromänderungsgeschwindigkeit und insbesondere auch wegen der hohen Anschaffungskosten noch selten zum Einsatz.
Als besonders nachteilig hat sich die Verwendung von Schaltern mit hohem Verschleiß erwiesen. Sie sind durch die hohen Wartungs- und Wechselintervalle nicht anwenderfreundlich. Die Standzeiten sind bei regelmäßiger Verwendung zu gering. Verschleißarme Halbleiterschalter bieten sich als Lösung an. Allerdings müssen hierfür Methoden gefunden werden, mit denen die Einschränkungen für Maximalstromamplitude und maximaler Stromänderungsrate kompensiert werden können. Besonders mit Thyristoren lassen sich sehr hohe Ströme im kA-Bereich schalten. Die begrenzte Stromanstiegsgeschwindigkeit dieser Bauelemente begrenzt aber den Einsatz auf niederfrequente Schaltungen. Zum elektromagnetischen Pulsumformen sind aber höherfrequente Ströme zu schalten.
Aufgabe der Erfindung
Es ist eine kostengünstige technische Lösung zu entwickeln, die die Verwendung von verschleißfreien Schaltern zur elektromagnetischen Pulsumformung alternativ zu dem bisherigen Stand der Technik ermöglicht.
Lösung der Aufgabe
Die hier präsentierte Erfindung besteht darin, das Prinzip einer Crowbardiode zum Erzeugen hoher Ströme auszunutzen. Thyristoren werden als indirekte Schalter des Umformstromes genutzt. Die antiparallel geschaltete Diode wird nun als Crowbardiode genutzt.
Die Erfindung wird mit Abbildungen beschrieben:
1 zeigt ein stark vereinfachtes Prinzip eines Pulsgenerators.
2 verdeutlicht die typische Schaltung eines Pulsgenerators zur EMPF mit Thyristor.
3 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung, der Schaltung eines Pulsgenerators zur EMPF mit Thyristor, Crowbardiode und Umforminduktivität im Crowbarkreis.
4 zeigt den Stromverlauf in der Schaltung des Pulsgenerators gemäß 3 mit I_Umform-Strichpunktlinie, I_Thyristor-Volllinie, I_Kondensator-Strichlinie. Die geladenen Kondensatoren C₂ (mit dem parasitären inneren Widerstand R_C2 und der parasitären inneren Induktivität L_C2) werden mit einem Halbleiterschalter T₂ über eine Drosselspule L_begrenz in einen Dämpfungswiderstand R_damp entladen. Die Drosselspule wird so dimensioniert, dass der Stromanstieg im Thyristor keine Schädigung desselben hervorruft. Durch den mittels dieser Drosselspule begrenzten geringeren Stromanstieg ist es nun möglich, verschleißfreie Halbleiterschalter zur Erzeugung der hohen Umformströme zu verwenden. Die Umforminduktivität L_Umform führt wegen der in Sperrrichtung gepolten Diode D_Crowbar vorerst keinen Strom. Wenn der Strom durch T₁ das Maximum erreicht hat, wechselt die Polarität der Spannung über D_Crowbar. Dadurch wird diese leitend. Die in L_begrenz gespeicherte magnetische Energie treibt nun einen Strom durch L_Umform. Gleichzeitig ist ein Strom aus dem Schwingkreis C₁ und L_Umform überlagert. Als Resultat stellt sich ein Stromfluss in der Umforminduktivität ein, der

a) höher ist, als er nur mit dem Thyristor schaltbar wäre und
b) hochfrequenter ist, als er mit dem Thyristor schaltbar wäre.

Die Ströme der Schaltung nach 3 sind in 4 dargestellt. Es ist deutlich sichtbar, dass der Strom I_Umform größer und hochfrequenter als Strom durch den Thyristor I_Thyristor ist. Es ist es nunmehr möglich, mittels eines Thyristors oder eines anderen Schalters mit begrenztem Stromfluss und begrenzter Stromänderungsgeschwindigkeit einen zweiten Schwingkreis anzuregen und dabei Ströme hoher Frequenz und hoher Amplitude zu generieren. Die sonst nötige Thyristorparallelschaltung kann entfallen.
Durch die Erfindung sind signifikante Einsparungen bei der Verwendung von verschleißfreien Schaltern zur elektromagnetischen Pulsumformung ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Dietz, H., Lippmann, H. J., Schenk, H.: "Messung der magnetischen Induktion in einer 10 Magneform-Kompressionsspule" Elektrotechnische Zeitung – Bd. 88 Heft 19, S. 51–54 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Stromverstärkung für die elektromagnetische Pulsumformung, umfassend mindestens einen Thyristor T₂, mindestens eine Umschaltinduktivität L_umschalt1, eine Diode D, einen Dämpfungswiderstand R_damp,, wobei die Diode D eine Crowbar-Diode D_Crowbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Crowbar-Diode D_Crowbar in Sperrrichtung zur Umschaltinduktivität L_Umschalt1 gepolt ist.
Verfahren zur Stromverstärkung für die elektromagnetische Pulsumformung, unter Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach Anstieg des Stroms auf ein Maximum im Thyristor T_2,die Crowbar-Diode D_Crowbar ihre Polarität ändert.