DE10210210A1

DE10210210A1 - Stromversorgungseinrichtung für eine Plasmabrennervorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangsstroms

Info

Publication number: DE10210210A1
Application number: DE2002110210
Authority: DE
Inventors: Stefan Kill; Klaus-Peter Schmidt
Original assignee: GTV GES fur THERMISCHEN VERSC
Current assignee: GTV GES fur THERMISCHEN VERSC
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2003-12-11
Also published as: EP1341405A3; EP1341405A2

Abstract

Um eine Stromversorgungseinrichtung für eine Plasmabrennervorrichtung, durch welche einer Elektrodenanordnung der Plasmabrennervorrichtung ein gleichgerichteter Strom bereitstellbar ist, umfassend einen Transformator, eine Gleichrichterstufe und eine Glättungsstufe mit einem Leistungskreis, bei dem eine Glättungseinrichtung durch einen getakteten Leistungsschalter angesteuert ist, so zu verbessern, daß sie universell einsetzbar ist und die Plasmabrennervorrichtung stabil betreibbar ist, wird vorgeschlagen, daß die Glättungsstufe mindestens einen weiteren Leistungskreis mit einem getakteten Leistungsschalter und zugeordneter Glättungseinrichtung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung für eine Plasmabrennervorrichtung, durch welche einer Elektrodenanordnung der Plasmabrennervorrichtung ein gleichgerichteter Strom bereitstellbar ist, umfassend einen Transformator, eine Gleichrichterstufe und eine Glättungsstufe mit einem Leistungskreis, bei dem eine Glättungseinrichtung durch einen getakteten Leistungsschalter angesteuert ist.
Bei einem Plasmabrenner wird in einer Brennkammer zwischen einer Kathode und Anode ein Lichtbogen erzeugt. Durch Durchführung eines Arbeitsgases durch diesen Lichtbogen wiederum wird ein Plasma erzeugt. Bei entsprechender Strömungsführung läßt sich dieser Plasmastrahl einsetzen, um beispielsweise mittels Zusatzwerkstoffen Oberflächen zu beschichten, oder zum Schweißen oder Schneiden.

Eine Plasmabrennervorrichtung ist beispielsweise in der DE 199 63 904 A1 offenbart.

Bei Gleichstrom-Plasmabrennervorrichtungen wird über eine Stromversorgungseinrichtung den entsprechenden Elektrodenanordnungen ein Gleichstrom zugeführt. Dieser wird üblicherweise aus Netz-Wechselstrom durch Transformation und Gleichrichtung hergestellt.

Bei dem sogenannten Inverterprinzip werden Leistungsschalter getaktet (primär oder sekundär) und in einer anschließenden Glättungseinrichtung mit Freilaufdiode und/oder Glättungsdrossel geglättet, um bei minimierten Blindleistungsverlusten einen stabilen Ausgangsstrom zu erhalten.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungseinrichtung der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß sie universell einsetzbar ist und die Plasmabrennervorrichtung stabil betreibbar ist.

Diese Aufgabe wird bei der Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Glättungsstufe mindestens einen weiteren Leistungskreis mit einem getakteten Leistungsschalter und zugeordneter Glättungseinrichtung aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung des Vorsehens von mindestens zwei Leistungskreisen ergeben sich eine Vielzahl von Beschaltungsmöglichkeiten für die Stromversorgungseinrichtung, mit der sich unterschiedliche Arten von Plasmabrennervorrichtungen stabil betreiben lassen und zwar in einem weiten Einstellbereich. Es hat sich beispielsweise gezeigt, daß eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung mit drei Leistungskreisen Ausgangsströme im Bereich zwischen 20 A und ca. 1200 A bereitstellen kann, die eine genügend geringe Restwelligkeit aufweisen, um so wiederum eine stabile Plasmaerzeugung zu erreichen.

Durch das Vorsehen einer Mehrzahl von Leistungskreisen lassen sich auch Mehrkathoden-Plasmabrenner-Vorrichtungen mit Strom versorgen, wobei über eine entsprechende Synchronisierung der Betaktung der jeweiligen Leistungsschalter ein stabiler Lichtbogen erzeugbar ist.

Sind mehrere Leistungskreise vorgesehen, dann lassen sich diese parallelschalten, um auf diese Weise einen Summenausgangsstrom erzeugen zu können. Durch entsprechende Steuerung der Betaktung der unterschiedlichen Leistungsschalter läßt sich ein Ausgangsstrom mit stark verringerter Restwelligkeit herstellen, wobei der schaltungstechnische Aufwand hierzu minimiert ist. Durch diese verringerte Restwelligkeit wiederum läßt sich eine erhöhte Gleichmäßigkeit eines Plasmastrahls, welcher in einer Brennkammer der Plasmabrennervorrichtung erzeugt wird, bewirken.

Weiterhin läßt sich durch die erfindungsgemäße Lösung des Vorsehens einer Mehrzahl von Leistungskreisen ein gepulster Ausgangsstrom einer Plasmabrennervorrichtung bereitstellen, welcher keinen Regelverzug aufweist. Damit läßt sich durch Nutzung des Pinch-Effekts in einem Plasma ein Plasmastrahl hoher Energiedichte und hoher Stabilität herstellen.

Vorteilhafterweise ist zwischen der Gleichrichterstufe und der Glättungsstufe eine Zwischenstufe angeordnet, wobei die mindestens zwei Leistungskreise an die Zwischenstufe gekoppelt sind. Der Netz-Wechselstrom, welcher dem Transformator zugeführt wird und welcher von diesem in einen höheren Strom transformiert wird, wird dann vermittels der Zwischenstufe allen Leistungskreisen bereitgestellt. Dadurch ergibt sich wiederum die Möglichkeit, Leistungskreise parallelzuschalten.

Es ist vorteilhaft, wenn die unterschiedlichen Pulsfolgen zur Taktung unterschiedlicher Leistungsschalter die gleiche Frequenz aufweisen. Dies kann genutzt werden, um die Restwelligkeit eines Ausgangsstroms der Stromversorgungseinrichtung, welcher der Elektrodenanordnung der Plasmabrennervorrichtung zugeführt wird, zu minimieren. Es kann auch vorgesehen sein, daß die Pulse unterschiedlicher Pulsfolgen die gleiche Amplitude aufweisen. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Amplitude individuell für jeden Leistungsschalter einstellbar ist und über eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung diese Amplituden aufeinander abgleichbar sind.

Insbesondere zur Strombeaufschlagung einer Mehrkathoden-Plasmabrennervorrichtung kann es vorgesehen sein, daß die Leistungsschalter unterschiedlicher Leistungskreise synchron getaktet werden. Damit läßt sich erreichen, daß jedes Kathoden-Anoden-Paar der Plasmabrennervorrichtung mit dem gleichen Strom beaufschlagt wird, um so wiederum eine stabile Plasmabildung zu bewirken.

Es kann alternativ insbesondere zur Strombeaufschlagung einer Einkathoden- Plasmabrennervorrichtung vorgesehen sein, daß die Leistungsschalter derart getaktet werden, daß Pulse für einen ersten Leistungsschalter zeitlich versetzt zu Pulsen für einen zweiten Leistungsschalter sind. Dadurch läßt sich ohne Frequenzerhöhung für eine individuelle Pulsfolge bezüglich eines resultierenden Ausgangsstroms, wenn die zugeführten Leistungskreise parallelgeschaltet werden, eine erhöhte effektive Frequenz bezüglich der Glättung erreichen, wodurch wiederum die Restwelligkeit des Ausgangsstroms erniedrigt wird.

Insbesondere liegen dabei die Pulse zur Taktung eines ersten Leistungsschalters zeitlich zwischen benachbarten Pulsen für die Taktung eines zweiten Leistungsschalters. Weiterhin ist es günstig, wenn die Pulsfolgen so zueinander versetzt sind, daß der zeitliche Abstand eines Pulses zu den zeitlich benachbarten zeitlich vorhergehenden Pulsen und den zeitlich benachbarten zeitlich nachhergehenden Pulsen anderer Pulsfolgen im wesentlichen gleich ist. Dadurch läßt sich eine Pulsperiode gleichmäßig mit Pulsen füllen, wobei diese effektiven Zwischenpulse, die für den Ausgangsstrom relevante effektive Pulsfrequenz erhöhen.

Günstigerweise ist eine Taktfrequenz zur Taktung eines Leistungsschalters mindestens 18 kHz, um so bei der Plasmabildung die Auswirkungen der Restwelligkeit oberhalb der Hörschwelle zu setzen.

Günstigerweise wird jeder Leistungsschalter durch eine zugeordnete Ansteuerungseinrichtung getaktet, wobei diese insbesondere einen Pulsweitenmodulator umfaßt. Durch das Verhältnis von Amplitude zum Abstand der Pulse läßt sich über die Taktung dann der Ausgangsstrom eines Leistungskreises steuern. Durch entsprechende Einstellung der Pulsfolge ergibt sich eine günstige Steuerungs- bzw. Regelungsmöglichkeit.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn mindestens eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung für die Glättungsstufe vorgesehen ist. Durch diese läßt sich insbesondere jeder Leistungskreis individuell steuern und insbesondere bezüglich seiner Betaktung steuern. Weiterhin kann dann durch solche eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung auch die Betaktung der Mehrzahl von Leistungskreisen koordiniert und beispielsweise synchronisiert werden. Darüber hinaus läßt sich über diese eine Parallelschaltung der Leistungskreise einstellen.

Günstigerweise ist jeder Leistungsschalter individuell steuerbar/regelbar, um so universelle Einstellmöglichkeiten für den Ausgangsstrom zu erhalten. Beispielsweise ist jeder Leistungsschalter selber schaltbar, so daß einstellbar ist, ob er einen Ausgangsstrom liefert oder nicht. In der Kombination mit weiteren Leistungsschaltern läßt sich durch Zuschalten oder Wegschalten und insbesondere gepulstes Zuschalten und Wegschalten ein entsprechender Ausgangsstrom erzeugen, welcher im wesentlichen keine Regelverzugszeiten aufweist.

Vorteilhafterweise ist jeder Leistungsschalter individuell bezüglich Taktung und/oder Durchschaltung steuerbar/regelbar. Die Durchschaltung kann dabei auch selber durch die Taktung gesteuert werden. Über die individuelle Steuerung der Taktung läßt sich beispielsweise die oben erwähnte synchrone Versetzung von Pulsfolgen bei mehreren Leistungsschaltern einstellen. Die Steuerung/Regelung wiederum kann durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung übernommen werden.

Es kann vorgesehen sein, daß durch jeweils einen Leistungskreis der Glättungsstufe einer Kathoden-Anoden-Anordnung der Plasmabrennervorrichtung Strom bereitstellbar ist. Insbesondere wird dann jedem Kathoden- Anoden-Paar eine Mehrkathoden-Plasmabrennervorrichtung jeweils ein Leistungskreis zugeordnet. Durch entsprechende Koordination der Leistungskreise und insbesondere durch die entsprechende koordinierte Betaktung der Leistungsschalter läßt sich damit ein stabiler Brennerbetrieb aufrechterhalten, bei dem alle Kathoden-Anoden-Paare gleichmäßig strombeaufschlagt sind. Es läßt sich aber auch durch die Steuerung der einzelnen Leistungsschalter, insbesondere über die Steuerung der Betaktung, jedes Kathoden-Anoden-Paar individuell bezüglich seiner Strombeaufschlagung steuern.

Es kann auch vorgesehen sein, daß mindestens zwei Leistungskreise der Glättungsstufe parallel schaltbar sind. Dadurch ergibt sich ein resultierender Summen-Ausgangsstrom. Bei diesem resultierenden Ausgangsstrom läßt sich ein hoher Glättungsgrad erreichen, das heißt die Restwelligkeit läßt sich minimieren. Es lassen sich aber auch durch die Parallelschaltung mindestens zweier Leistungskreise durch entsprechende Steuerung der Durchschaltung eines Leistungsschalters ein gepulster Ausgangsstrom erzeugen.

Insbesondere ist dabei durch die parallelgeschalteten Leistungskreise einer Elektronenanordnung der Plasmabrennervorrichtung Strom bereitstellbar, das heißt der resultierende Gesamtstrom wird an entsprechenden Anschlüssen der Elektrodenanordnung bereitgestellt.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn über individuelle Schaltsteuerung eines oder mehrerer Leistungsschalter ein gepulster Ausgangsstrom erzeugt wird. Bei einer Mehrzahl von Leistungskreisen läßt sich diese Pulsung auf einfache Weise dadurch herstellen, daß insbesondere über die Steuerungs-/Regelungseinrichtung ein oder mehrere Leistungsschalter gepulst durchgeschaltet werden. Die Regelverzugszeit bei diesem Vorgehen ist minimiert.

Vorteilhafterweise ist dabei die Pulsfrequenz des Ausgangsstroms kleiner als die Taktfrequenz eines Leistungsschalters und insbesondere mindestens fünf Mal kleiner als die Taktfrequenz eines Leistungsschalters, um ein genügendes Tastverhältnis zu erhalten.

Vorteilhafterweise ist bei der Pulsung mindestens ein Leistungsschalter eingeschaltet, so daß stets ein endlicher Grundstrom vorhanden ist. Dadurch wird ein Abreißen des Lichtbogens in der Brennkammer der Plasmabrennervorrichtung vermieden. Es ist dann günstig, wenn der gepulste Ausgangsstrom einen Grundstrom aufweist, dessen Stromstärke größer Null ist. Die Pulse sitzen dann auf diesem Grundstrom auf.

Um mit einem gepulsten Ausgangsstrom, welcher derart hergestellt ist, in einem Plasma einen ausreichenden Einschnürungseffekt (Pinch-Effekt) zu erzielen, liegt dabei vorteilhafterweise die Pulsfrequenz im Bereich zwischen 100 Hz und 2 kHz.

Die Erfindung betrifft ferner eine Plasmavorrichtung mit einer Brennkammer, in welcher zwischen einer Kathode und einer Anode ein Lichtbogen erzeugbar ist, und der ein Arbeitsgas zur Plasmabildung zuführbar ist, wobei erfindungsgemäß zur Strombeaufschlagung der Kathoden-Anoden-Anordnung eine erfindungsgemäße Stromerzeugungseinrichtung vorgesehen ist.

Diese Plasmabrennervorrichtung weist die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung erwähnten Vorteile auf.

Insbesondere kann dabei eine Mehrzahl von Kathoden-Anoden-Paaren vorgesehen sein. Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung läßt sich dazu nutzen, um entsprechend solche Kathoden-Anoden-Paare durch diese eine Stromversorgungseinrichtung mit Strom zu beaufschlagen, wobei die Strombeaufschlagung auch individuell gesteuert sein kann.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangsstroms zur Generierung eines Lichtbogens zwischen einer Kathoden- Anoden-Anordnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem dieser Ausgangsstrom auf einfache Art und Weise erzeugbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Mehrzahl getakteter Leistungsschalter mit jeweils zugeordneten Glättungseinrichtungen, welche einen geglätteten Ausgangsstrom erzeugen, parallel geschaltet sind und daß über eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung ein oder mehrere Leistungsschalter periodisch geschaltet werden.

Dadurch, daß mehrere Leistungsschalter vorgesehen sind, deren entsprechende Leistungskreise sich parallelschalten lassen, läßt sich entsprechend über die Parallelschaltung eine Addition der jeweiligen Ausgangsströme durchführen. Wenn dann ein Leistungsschalter weggeschaltet wird, läßt sich entsprechend der Ausgangsstrom verringern. Wird ein Leistungsschalter dazugeschaltet, läßt sich der Ausgangsstrom erhöhen. Erfolgt dies periodisch, läßt sich der Ausgangsstrom periodisch pulsen. Da dabei ein Leistungsschalter zu- und weggeschaltet wird, ist die Regelverzugszeit minimiert, so daß ohne Regelverzug sich ein gepulster Ausgangsstrom erzeugen läßt.

Ein solcher Ausgangsstrom wiederum läßt sich auf vorteilhafte Weise dazu einsetzen, um ein Plasma zu erzeugen, welches eingeschnürt ist (Pinch-Effekt). Durch entsprechende Hochfrequenzpulse, insbesondere im Bereich zwischen 100 Hz und 2 kHz läßt sich zur Erhöhung der Stabilität des Plasmas eine Einschnürung in diesem erzeugen.

Insbesondere ist dabei mindestens ein Leistungsschalter durchgeschaltet, so daß ein Grundstrom des Ausgangsstroms einen endlichen Wert aufweist. Damit wird ein Abbruch eines erzeugten Lichtbogens verhindert.

Um ein genügend gutes Tastverhältnis zu erreichen, ist weiterhin vorteilhafterweise eine Schaltungsfrequenz des oder der Leistungsschalter kleiner als eine Taktfrequenz zur Taktung der Leistungsschalter.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Blockbilddarstellung einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung in einer ersten Schaltungsvariante zur Stromversorgung einer Mehrkathoden-Plasmabrennervorrichtung;
Fig. 2 die Stromversorgungseinrichtung gemäß Fig. 1 in einer zweiten Schaltungsvariante zur Stromversorgung einer Einkathoden-Plasmabrennervorrichtung;
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des zeitlichen Verlaufs von Pulsfolgen zur Taktung von Leistungsschaltern bei einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung;
Fig. 4 den resultierenden Ausgangsstrom zur Zuführung zu einer Plasmabrennervorrichtung bei der Pulsfolgen-Taktung gemäß Fig. 3;
Fig. 5 alternative Stromverläufe, wenn drei Leistungskreise vorgesehen sind und die zugehörigen Leistungsschalter zeitlich variabel geschaltet werden, und
Fig. 6 schematisch den Verlauf eines gepulsten Ausgangsstroms, welcher mittels der Stromversorgungseinrichtung gemäß Fig. 2 hergestellt ist.
Eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung, von der ein Ausführungsbeispiel in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, dient zur Stromversorgung eines Plasmabrenners 12. Diesem wird ein Gleichstrom bereitgestellt, welcher einer Kathoden-Anoden-Anordnung 14 zugeführt wird.
Ein Plasmabrenner weist eine Brennkammer 15 auf, in welcher zwischen einer Kathode 16 und einer Anode 17 ein Lichtbogen erzeugbar ist und dem ein Arbeitsgas zur Plasmabildung zuführbar ist. Über die Stromversorgung zugeordnete Kathoden-Anoden-Paare wird der Lichtbogen erzeugt, welcher wiederum zur Plasmabildung führt.
Plasmabrenner werden beispielsweise eingesetzt für Plasma-Sprayverfahren zur Beschichtung von Werkstoffen, wobei einem Plasmastrahl ein Pulver zugeführt wird. Plasmabrenner lassen sich auch für Plasma-Schneidverfahren oder Plasma-Schweißverfahren einsetzen.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Variante eines Plasmabrenners 12 handelt es sich um einen Mehrkathoden-Brenner, welcher drei Kathoden 18a, 18b, 18c aufweist. Ein solcher Mehrkathoden-Brenner ist in der DE 199 63 904 A1 beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
Zur Erzeugung eines stabilen Lichtbogens wird bei einem Gleichstrom-Plasmabrenner der Kathoden-Anoden-Anordnung 14 ein Gleichstrom zugeführt. Typische Stromstärken liegen dabei in der Größenordnung von 300 A. Typische Betriebsspannungen liegen in der Größenordnung zwischen 20 V und 100 V Gleichspannung. Um den Gleichstrom zu erzeugen, muß der Wechselstrom aus einem Versorgungsnetz 20 transformiert werden. Dazu umfaßt die Stromversorgungseinrichtung 10 einen Haupttransformator 22, welcher den primärseitigen Wechselstrom aus dem Versorgungsnetz 20 sekundärseitig in einen Wechselstrom mit größerer Amplitude transformiert, wobei die Spannung heruntertransformiert wird.
Dem Haupttransformator 22 nachgeordnet ist eine Gleichrichterstufe 24, welche für eine Gleichrichtung sorgt. Der an der Gleichrichterstufe 24 abgreifbare Gleichstrom weist noch eine gewisse Welligkeit auf.
Von der Gleichrichterstufe 24 wird der gleichgerichtete Strom einem Zwischenkreis 26 zugeführt, welcher insbesondere ein kapazitiver Zwischenkreis ist.
Eine sich anschließende Glättungsstufe 28 sorgt für eine Glättung des erzeugten Gleichstroms, um dessen Restwelligkeit zu minimieren. Die Glättungsstufe 28 weist untenstehend noch näher beschriebene Anschlüsse 30 auf, über welche der Ausgangsstrom durch die Kathoden-Anoden-Anordnung 14 abgreifbar ist.
Bei dem sogenannten Inverterprinzip umfaßt die Glättungsstufe einen Leistungsschalter 32, beispielsweise einen Leistungstransistor, welcher über eine zugeordnete Ansteuerungseinrichtung 34 getaktet betrieben wird. Diese Ansteuerungseinrichtung 34 wiederum umfaßt einen Pulsweitenmodulator, welcher eine entsprechende Pulsfolge dem Leistungsschalter 32 bereitstellt. Über diese pulsweiten modulierte Ansteuerung läßt sich der Ausgangsstrom verändern, wobei das Amplituden-Pausen-Verhältnis eben den Ausgangsstrom bestimmt. Diese Ansteuerung des Leistungsschalters 32 wird auch als sekundärgetaktete Ansteuerung bezeichnet.
Prinzipiell ist es auch möglich, eine primärgetaktete Ansteuerung vorzusehen, bei der entsprechend die Strombeaufschlagung des Leistungsschalters getaktet ist (anstatt die Schaltsignalbeaufschlagung).
Dem Leistungsschalter 32 ist ferner eine Glättungseinrichtung 36 zugeordnet, welche beispielsweise eine Glättungsdrossel umfaßt und/oder eine Freilaufdiode. Die Freilaufdiode kann dabei parallel zu der Kathoden-Anoden-Anordnung 14 geschaltet sein und die Glättungsdrossel in Reihe dazu.
Die Betaktung des Leistungsschalters 32 wird über eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 gesteuert bzw. geregelt. Sie ist dazu mit der Ansteuerungseinrichtung 34 zur Steuerung der Sekundärbetaktung (Zuführung des pulsweitenmodulierten Signals) verbunden. Sie kann grundsätzlich auch eine Primärsteuerung durchführen.
Der Leistungsschalter 32 mit seiner Ansteuerungseinrichtung 34 und die zugeordnete Glättungseinrichtung 36 bilden einen Leistungskreis 40, durch welchen ein Gleichstrom-Ausgangsstrom mit geringer Restwelligkeit bereitstellbar ist. Die Taktfrequenz liegt vorzugsweise oberhalb 18 kHz, d. h. oberhalb der Hörschwelle.
Erfindungsgemäß ist nun mindestens ein weiterer Leistungskreis vorgesehen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist neben dem ersten Leistungskreis 40 noch ein zweiter Leistungskreis 42 und ein dritter Leistungskreis 44 vorgesehen. Der zweite Leistungskreis 42 umfaßt dabei einen zweiten Leistungsschalter 46 mit einer zweiten Ansteuerungseinrichtung 48 und einer zugeordneten zweiten Glättungseinrichtung 50.
Der dritte Leistungskreis 44 umfaßt einen dritten Leistungsschalter 52 mit einer dritten Ansteuerungseinrichtung 54 und einer zugeordneten dritten Glättungseinrichtung 56.
Die drei Leistungskreise 40, 42, 44 sind eingangsseitig an den Zwischenkreis 26 gekoppelt.
Auch die Leistungskreise 42 und 44 sind mit der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 verbunden und zwar insbesondere deren jeweilige Ansteuerungseinrichtungen 48 und 54, so daß die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 die Betaktung der Leistungskreise 40, 42 und 44 koordiniert steuern bzw. regeln kann. Dadurch läßt sich ein entsprechender Gesamtausgangsstrom erzeugen. Insbesondere sind dabei die Leistungskreise 40, 42 und 44 im wesentlichen identisch aufgebaut.
Es kann jedoch vorteilhaft sein, wenn sich die Beschaltungen bezüglich Regelungsgeschwindigkeiten unterscheiden, da unter Umständen der Jitter-Effekt dadurch reduzierbar ist.
Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung 10 läßt sich auf vielfältige Weise einsetzen.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die drei Leistungskreise 40, 42, 44 so geschaltet, daß sie jeweils mit einem Kathoden-Anoden-Paar des Plasmabrenners 12 verbunden sind, welcher ein Mehrkathoden-Plasmabrenner ist. Jeder Leistungskreis versorgt also ein zugeordnetes Elektrodenpaar mit Strom. Da die Leistungskreise 40, 42, 44 alle mit der gleichen Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 verbunden sind, sorgt diese dafür, daß alle Kathoden-Anoden-Paare gleichmäßig mit Strom beaufschlagt werden. Dadurch läßt sich ein Lichtbogen hoher Stabilität ausbilden.
Insbesondere sind dabei die Pulsfolgen, mit welchen die drei Leistungsschalter 32, 46 und 52 angesteuert werden, miteinander synchronisiert. Von einer Stromeinstellung, welche über die entsprechende Einstellung des pulsweitenmodulierten Signals erfolgt, sind dann alle drei Leistungskreise 40, 42 und 44 gleichmäßig betroffen, so daß wiederum alle drei Kathoden-Anoden-Paare der Kathoden-Anoden-Anordnung 14 mit einem gleichmäßigen Strom beaufschlagt werden.
Es hat sich gezeigt, daß sich mit einer solchen Stromversorgungseinrichtung 10 bei einem Mehrkathoden-Plasmabrenner 12 eine hohe Gleichmäßigkeit des Plasmastrahls erreichen läßt, bei dem insbesondere das Hin- und Herspringen im Düsenkanal weitgehend vermieden ist.
Weiterhin haben sich Stromstärken bezogen auf ein Kathoden-Anoden-Paar zwischen ca. 20 A und 350 A erreichen lassen, so daß ein großer Steuerbereich für den Ausgangsstrom bereitgestellt ist.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfassen die Anschlüsse 30 vier Anschlüsse, nämlich getrennte Anschlüsse 58a, 58b, 58c für die drei Kathoden 18a, 18b und 18c. Ferner ist ein Anschluß 60, welcher beispielsweise auf Erde liegt, für die Anoden vorgesehen.
Es können aber auch separate Anoden-Anschlüsse vorgesehen sein, insbesondere dann, wenn unterschiedliche Kathoden-Anoden-Paare des Mehrkathoden- Plasmabrenners 12 individuell strombeaufschlagt sind.
Bei einem zweiten Anwendungsbeispiel, welches in Fig. 2 gezeigt ist, ist die Stromversorgungseinrichtung 10 so geschaltet, daß die Leistungskreise 40, 42 und 44 ausgangsseitig parallel zueinander sind. Diese Beschaltung ist insbesondere durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 herstellbar.
In diesem Falle ist an der Glättungseinrichtung 36 über Anschlüsse 62, 64 ein Gesamtausgangsstrom abgreifbar, welcher eine Summe der jeweiligen Ausgangsströme der Leistungskreise 40, 42 und 44 ist. Damit läßt sich dann ein Einkathoden-Plasmabrenner 66 mit Strom versorgen. Der dabei bereitstellbare Gleichstrom kann Werte in einem Einstellbereich zwischen ca. 20 A und ca. 1000 A aufweisen.
Erfindungsgemäß läßt sich dabei ein Ausgangsstrom mit sehr geringer Restwelligkeit herstellen, so daß wiederum ein sehr stabiler Lichtbogen mit geringer Schwankungsbreite herstellbar ist. Dadurch wiederum läßt sich eine hohe Gleichmäßigkeit in dem erzeugten Plasmastrahl herstellen.
Dazu werden die drei Leistungsschalter 32, 46 und 52 mit individuellen, aneinander angepassten Pulsfolgen angesteuert, wie in Fig. 3 gezeigt:
Der Leistungsschalter 32 wird beispielsweise über seine Ansteuerungseinrichtung 34 mit einer Steuerpulsfolge 68 beaufschlagt. Eine Pulsfolge 70, mit welcher der zweite Leistungsschalter 46 beaufschlagt wird, ist aber nicht synchron zu der Steuerpulsfolge 68, sondern die Pulse der Pulsfolge 70, die im übrigen die gleiche Amplitude und die gleiche Frequenz aufweisen, sind zeitlich versetzt zu der Pulsfolge 68 und zwar derart, daß ein Puls 72 zwischen zeitlich benachbarten Pulsen der Pulsfolge 68 liegt.
Die dritte Ansteuerungseinrichtung 54 für den dritten Leistungsschalter 52 wiederum stellt eine weitere Pulsfolge 74 gleicher Frequenz mit Pulsen gleicher Amplitude bereit, welche wiederum zeitlich versetzt ist zu den Pulsfolgen 68 und 70 und zwar derart, daß einzelne Pulse 76 zwischen benachbarten Pulsen der beiden anderen Pulsfolgen 68 und 70 liegen. Der Versatz ist dabei derart, daß innerhalb einer Periode T die Pulse den gleichen Abstand haben, das heißt beispielsweise beim Vorsehen von drei Leistungsschaltern 32, 46 und 52 bezogen auf eine Periode ein Puls der Steuerpulsfolge 68 bei T = 0 beginnt, der entsprechende erste Puls der Pulsfolge 70 bei T/3 beginnt und schließlich der entsprechende Puls der Pulsfolge 74 bei 2T/3 beginnt.
Die bezogen auf den Gesamtausgangsstrom bei dieser Parallelschaltung sich effektiv ergebende Pulsfolge 78 als Überlagerung der Pulsfolgen 68, 70 und 74 ist schematisch in Fig. 4 gezeigt. Diese effektive Pulsfolge hat bei dem Vorsehen dreier Leistungsschalter 32, 46 und 52 eine effektive, dreifach höhere Frequenz als die einzelnen Pulsfolgen 68, 70 und 74. Dadurch läßt sich die Restwelligkeit 80 des Ausgangsstroms 82 erheblich verkleinern, ohne daß die Frequenz der Pulse in den einzelnen Pulsfolgen 86, 70 und 74 erhöht werden muß.
Die Bereitstellung einer Mehrzahl von Leistungskreisen 40, 42, 44 mit durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 initiierter synchron versetzter Betaktung ergibt also einen stabilen Gleichstrom-Ausgangsstrom, welcher eine sehr geringe Restwelligkeit aufweist und über die Parallelschaltung der entsprechenden Leistungskreise 40, 42, 44 in einem großen Einstellbereich variierbar ist.
Die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 sorgt für die entsprechende Steuerung der Ansteuerungseinrichtungen 34, 48 und 54 mit ihren jeweiligen Pulsweitenmodulatoren, um den Versatz der unterschiedlichen Pulsfolgen 68, 70 und 74 einzustellen.
Es ist auch möglich, ein Kathoden-Anoden-Paar eines Plasmabrenners 12 über mehrere Leistungskreise, welche parallel geschaltet sind, stromzubeaufschlagen und solch eine Schaltung für jedes Kathoden-Anodenpaar vorzusehen, wenn die entsprechende Anzahl von Leistungskreisen vorgegeben wird.
Durch die erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung 10 läßt sich auch ein gepulster Ausgangsstrom erzeugen. Dies ist schematisch in Fig. 5 gezeigt:
Der erste Leistungskreis 40 stellt bei einer bestimmten eingestellten Pulsweite der Taktungs-Pulsfolge einen ersten Strom 84 bereit. Der zweite Leistungskreis 42 stellt einen zweiten Strom 86 bereit. Weiterhin stellt der dritte Leistungskreis 44 einen dritten Strom 88 bereit. Bei der Parallelschaltung aller Leistungskreise 40, 42 und 44 addieren sich diese drei Ströme 84, 86 und 88 zu einem resultierenden Gesamtstrom.
Wird nun über die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 ein oder mehrere Leistungsschalter weggeschaltet, dann läßt sich grundsätzlich jede Summenkombination zwischen den Strömen 84, 86 und 88 herstellen. Ist beispielsweise der dritte Leistungskreis 44 über die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 weggeschaltet, so ist der resultierende Strom 90 der Summenstrom des ersten Stroms 84 und des zweiten Stroms 86.
Wird auch noch der zweite Leistungskreis 42 weggeschaltet, dann entspricht der resultierende Strom 92 dem ersten Strom 84, welcher von dem ersten Leistungskreis 40 stammt.
Erfolgt nun die Zuschaltung/Wegschaltung eines oder mehrerer Leistungskreise periodisch, dann ergibt sich ein periodischer Ausgangsstrom 94, wie in Fig. 6 schematisch gezeigt. Beispielsweise wird ein Grundstrom 96 dadurch erzeugt, daß der erste Leistungskreis 40 ständig aktiv ist, das heißt den ersten Strom 84 erzeugt. Über die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 wird beispielsweise der zweite Leistungskreis 42 periodisch aus- und angeschaltet, so daß der zweite Strom 86 sich periodisch zu dem Grundstrom 96 addiert und sich so insgesamt der gepulste Ausgangsstrom 94 ergibt.
Es kann dabei vorgesehen sein, daß die Pulsfrequenz des Ausgangsstroms 94 zwischen 100 Hz und 2 kHz liegt und wesentlich kleiner ist als die Taktfrequenz, mit welcher die einzelnen Leistungsschalter selber beschaltet werden. Dadurch läßt sich eine Lichtbogenstabilisierung über den Pinch-Effekt erhalten. Es können aber auch höherfrequenzgepulste Ausgangsströme erzeugt werden.
Die Steuerung der Leistungsschalter bezüglich des Ein-/Ausschaltens kann dabei grundsätzlich auf der Primärseite erfolgen oder auf der Sekundärseite, indem die Betaktung durch die zugeordneten Ansteuerungseinrichtungen beeinflußt wird, das heißt insbesondere die entsprechenden Pulsweitenmodulatoren der jeweiligen Ansteuerungseinrichtungen periodisch ein- und ausgeschaltet werden.
Durch das gepulste Ein- und Ausschalten eines oder mehrerer Leistungsschalter ist es erreichbar, daß keine Regelverzugszeit auftritt, da eben ein Leistungsschalter komplett eingeschaltet bzw. ausgeschaltet wird. Damit wiederum ergibt sich die Möglichkeit, die Grenzfrequenz bei der Pulsung des Ausgangsstroms zu erhöhen.
Es hat sich gezeigt, daß gepulste Lichtbogen, welche durch einen gepulsten Ausgangsstrom 94 erzeugt werden, wesentlich stabiler sind und dabei auch noch eine höhere Energiedichte aufweisen. Dies ist auf den Pinch-Effekt zurückzuführen, bei dem die Lorentzkraft den Lichtbogen einschnürt, das heißt zusammendrückt. Diese Energiekonzentration erhöht die räumliche Energiedichte. Bei Hochfrequenzpulsung des Ausgangsstroms kann erreicht werden, daß der Lichtbogen eingeschnürt bleibt, da die mechanische Trägheit des Plasmas eine Ausdehnung (Aufhebung der Einschnürung) in einer Niederstromphase (im Grundstrombereich) bremst. Dies bedeutet, daß wenn die Pulse genügend dicht aufeinanderfolgen, die Einschnürung während der Hochstromphase in der Niederstromphase nur in geringem Ausmaß aufgehoben wird.
Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung 10 läßt sich damit auf universelle Weise mit einer Vielzahl von Einstellmöglichkeiten einsetzen:
Beispielsweise kann mit ihr ein Mehrkathoden-Plasmabrenner 12 mit Strom versorgt werden, wobei die jeweiligen Kathoden-Anoden-Paare gleichmäßig mit Strom versorgbar sind. Insbesondere ist dazu eine synchrone Betaktung der Mehrzahl von Leistungsschaltern 32, 46, 52 vorgesehen.
Es läßt sich aber auch ein Einkathoden-Plasmabrenner 66 mit Strom versorgen, wobei sich durch eine synchron versetzte Betaktung der Leistungsschalter 32, 46 und 52 ein Gleichstrom-Ausgangsstrom mit niedriger Restwelligkeit erzeugen läßt.
Durch die Steuerungs-/Regelungseinrichtung 38 läßt sich für eine entsprechende Parallelschaltung der Leistungskreise 40, 42, 44 sorgen und ebenfalls für die entsprechenden zeitlich versetzte Steuerung der einzelnen Pulsfolge 68, 70 und 74 für die jeweiligen Leistungsschalter.
Weiterhin läßt sich mit der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung 10 ein gepulster Ausgangsstrom 94 erzeugen, welcher keine Regelverzugszeit aufweist. Dadurch läßt sich ein Lichtbogen einschnüren, um so die Energiedichte zu erhöhen und die Stabilität des Lichtbogens zu verbessern.

Claims

1. Stromversorgungseinrichtung für eine Plasmabrennervorrichtung (12; 66), durch welche einer Elektrodenanordnung (14) der Plasmabrennervorrichtung (12; 66) ein gleichgerichteter Strom bereitstellbar ist, umfassend einen Transformator (22), eine Gleichrichterstufe (24) und eine Glättungsstufe (28) mit einem Leistungskreis (40), bei dem eine Glättungseinrichtung (36) durch einen getakteten Leistungsschalter (32) angesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättungsstufe(28) mindestens einen weiteren Leistungskreis (42, 44) mit einem getakteten Leistungsschalter (46; 52) und zugeordneter Glättungseinrichtung (50; 56) aufweist.

2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gleichrichterstufe (24) und der Glättungsstufe (28) eine Zwischenstufe (26) angeordnet ist, wobei die mindestens zwei Leistungskreise (40, 42, 44) an die Zwischenstufe (26) gekoppelt sind.

3. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Pulsfolgen (68, 70, 74) zur Taktung unterschiedlicher Leistungsschalter (32, 46, 52) die gleiche Frequenz aufweisen.

4. Stromversorgungseinrichtung, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschalter (32, 46, 52) unterschiedlicher Leistungskreise (40, 42, 44) synchron getaktet werden.

5. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsschalter (32, 46, 52) derart getaktet werden, daß Pulse für einen ersten Leistungsschalter (32) zeitlich versetzt zu den Pulsen für einen zweiten Leistungsschalter (46; 52) sind.

6. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulse zur Taktung eines Leistungsschalters (52) zeitlich zwischen benachbarten Pulsen für die Taktung eines zweiten Leistungsschalters (32; 46) liegen.

7. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfolgen (68, 70, 74) so zueinander versetzt sind, daß der zeitliche Abstand eines Pulses zu dem zeitlich benachbarten zeitlich vorgehenden Puls und zu dem zeitlich benachbarten zeitlich nachgehenden Puls anderer Pulsfolgen im wesentlichen gleich ist.

8. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Taktfrequenz zur Taktung eines Leistungsschalters (32; 46; 52) mindestens 18 kHz ist.

9. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leistungsschalter (32; 46; 52) durch eine zugeordnete Ansteuerungseinrichtung (34; 48; 54) getaktet wird.

10. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ansteuerungseinrichtung (34; 48; 54) einen Pulsweitenmodulator umfaßt.

11. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung (38) für die Glättungsstufe (28) vorgesehen ist.

12. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leistungsschalter (32; 46; 52) individuell steuerbar/regelbar ist.

13. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leistungsschalter (32; 46; 52) bezüglich Taktung und/oder Durchschaltung steuerbar/regelbar ist.

14. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch jeweils einen Leistungskreis (40; 42; 44) der Glättungsstufe (28) einer Kathode der Plasmabrennervorrichtung Strom bereitstellbar ist.

15. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Leistungskreise (40, 42, 44) mindestens der Anzahl von Kathoden entspricht.

16. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Leistungskreise (40, 42, 44) der Glättungsstufe (28) parallel schaltbar sind.

17. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß durch die parallelgeschalteten Leistungskreise (40, 42, 44) einer Elektrodenanordnung der Plasmabrennervorrichtung Strom bereitstellbar ist.

18. Stromversorgungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über individuelle Schaltsteuerung eines oder mehrerer Leistungsschalter (32; 46; 52) ein gepulster Ausgangsstrom (94) erzeugt wird.

19. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfrequenz des Ausgangsstroms (94) kleiner ist als die Taktfrequenz eines Leistungsschalters (32; 46; 52).

20. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Pulsung mindestens ein Leistungsschalter eingeschaltet ist.

21. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der gepulste Ausgangsstrom (94) einen Grundstrom (96) aufweist, dessen Stromstärke größer Null ist.

22. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfrequenz im Bereich zwischen 100 Hz und 2 kHz liegt.

23. Plasmabrennervorrichtung mit einer Brennkammer, in welcher zwischen einer Kathode und einer Anode ein Lichtbogen erzeugbar ist und der ein Arbeitsgas zur Plasmabildung zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Strombeaufschlagung der Kathoden-Anoden-Anordnung eine Stromversorgungseinrichtung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche vorgesehen ist.

24. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Kathoden (18a, 18b, 18c).

25. Verfahren zur Erzeugung eines gepulsten Ausgangsstroms zur Generierung eines Lichtbogens zwischen einer Kathoden-Anoden-Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl getakteter Leistungsschalter mit jeweils zugeordneten Glättungseinrichtungen, welche einen geglätteten Ausgangsstrom erzeugen, parallel geschaltet sind und daß über eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung ein oder mehrere Leistungsschalter periodisch geschaltet werden.

26. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Leistungsschalter durchgeschaltet ist, so daß ein Grundstrom des Ausgangsstroms einen endlichen Wert aufweist.

27. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltfrequenz des oder der Leistungsschalter kleiner ist als eine Taktfrequenz zur Taktung des Leistungsschalters.