DE1565820A1 - Anordnung zum Schutz von Lichtbogenspeisegeraeten gegen hochfrequente Stoerspannungen - Google Patents

Description

SIEMENS-SCHUCKERTWERKE Erlangen, den

Aktiengesellschaft Werner-von-Siemena-Str. 50

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"Anordnung zum Schutz von Lichtbogenapeieegeräten gegen hochfrequente Störepannungen"

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz von Lichtbogenepeiaegeräten gegen hochfrequente Störspannungen, die von einem die Lichtbogenzündimpulse liefernden Hochfrequenz-Zündgenerator über ein Hochfrequenzfilter nit Induktivitäten im Läng·zweig zur Stromquelle des Lichtbogenepeieegeräte· gelangen.

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Ee ist bekannt, einen Lichtbogen durch einen unmittelbaren Kurzschluß zwischen den Elektroden oder über eine Hilfselektrode zu zünden. Wenn dies aus räumlichen oder technologischen Gründen nicht möglich ist, wird mit Nadelimpulsen gezündet, die der treibenden Spannung überlagert werden. Die Impulshöhe liegt dabei zwischen 2 und 10 kV und noch höher, die Impulsbreite bei etwa 3-6 /usec und'die Iapulsfolgedauer zwischen 150 und 200 /usec. Damit diese Impulse in voller Höhe auf die Elektroden gelangen und um zu verhindern, daß sich diese Impulse über die parallel liegende, treibende Stromquelle kurzschließen, werden in die Zuleitungen der Stromquelle Tiefpässe mit Induktivitäten im Längszweig eingefügt. Die hierfür erforderlichen Induktivitäten lassen sich mit geringen Abmessungen, geringer Eigen- und Erdkapazität nur aus Spulen mit geschlossenem Hochfrequenz-Eisenkern aufbauen. Bei Stromquellen, wie rotierenden Maschinen und Selengleichrichtern, reicht dann meistens der aus der genannten Induktivität und aus der Eigenkapazität der Stromquelle gebildete Tiefpaß aus, um die Stromquelle vor spannungsmäfliger Oberbeanspruchung zu schützen.

Die geringere Sperrkapazität, der höhere Sperrwiderstand und die größere Spannungsempfindlichkeit von Siliziumdioden erfordern jedoch einen Tiefpaff, der noch eine weit größere Dämpfung haben muß als dies bei Selengleichrichtern der Fall ist.

Durch den Eineatz von steuerbaren Halbleitergleichrichtern, wie. z.B. Thyristoren, gelangen zwangsläufig noch eine Reihe weiterer elektronischer Bauelemente auf Halbleiterbasis, wie Transistoren

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und Dioden im Gittersteuersatz und im Regelverstärker, in den Bereich der von den Zündimpulsen ausgehenden Storspannungen. Bei ungenügender Dämpfung führt dann der sehr steil ansteigende Zündimpuls, der ja ein sehr breites Frequenzspektrum hat, in den Gitterkathodenstrecken der Thyristoren durch Resonanzaufschaukelungen zu ungewollt frühen Zündungen der Thyristoen (volle Aussteuerung). Dies beruht darauf, daß der auf einem niedrigen Spannungs- und Strbmniveau arbeitende Gittersteuersatz als eine Art Empfangsantenne für die Hochfrequenzenergie wirkt, so daß der Gittersteuersatz die Thyristoren mit der Folgefrequenz der Zündimpulse zündet. Da jedoch der gezündete Lichtbogen wegen seiner fallenden Stromspannungskennlinie den so voll ausgesteuerten Gleichrichter mit dem Mehrfachen des ITennstromes belastet, sprechen die zum Schutz der Thyristoren eingesetzten Sicherungen an und machen den weiteren Betrieb unmöglich.

Außerdem können durch die Zündimpulse die für die Konstanthaltung des Stromes und der Spannung eingesetzten Transistorregler wohl in geringerem Maße als der Gittersteuersatz - trotz der geglätteten Istwerte in ihrer Punktion gestört werden.

Aus diesen genannten Gründen ist eine störungsfreie Zusammenarbeit zwischen dem Zündgerät und der aus steuerbaren Gleichrichtern aufgebauten Stromquelle nur dann möglich, wenn das Filter zwischen Stromquelle und Lichtbogen eine Dämpfung von 100 bis 120 db und eine obere Grenzfrequenz von etwa 400 MHz hat. Diese Dämpfung sollte auch darin bestehen bleiben, wenn bereits der Strom von der Stromquelle zum Lichtbogen fließt. Ein solches Filter muß also dann strommäßig nach dem Nennstrom

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der Stromquelle ausgelegt werden. Da jedoch die Größe der benötigten Drosseln mit dem Quadrat des Nennstromes wächst, wird eine solche Lösung sehr unwirtschaftlich.

Es wu-rde daher bereits vorgeschlagen, nur einen einmaligen, für die Zündung ausreichenden Grleichspannungsimpuls zu benutzen. Wegen der für die Zündung erforderlichen großen Spannungszeitfläche ist jedoch dieser Vorschlag sehr schwer realisierbar; ebenso scheidet die Verwendung einer frequenzmäßig definierten Spannung als Zündspannung in Verbindung mit Resonanzfiltern aus, weil beim Einsetzen des Zündfunkens sich die Anpassungen ändern und damit reflektierende und stehende Wellen auftreten.

Die netzseitige Abschaltung des handelsüblichen Zündgerätes, abhängig vom gezündeten Strom, in Verbindung mit Spulen mit geschlossenen Hochfrequenzeisenkernen bringt auch nicht den gewünschten Erfolg, da das Stromrelais erst dann abschaltet (nach etwa 30 /usec), wenn der Eisenkern schon längst gesättigt und die Dämpfung des Tiefpasses um mehr als zwei Zehnerpotenzen gefallen ist. Das Zündgeräf wird nämlich dann nach der Zündung noch etwa 30 /usec lang alle 150 /usec weitere Ztindimpulse liefern, die die Stromquelle voll aufsteuern und damit, wie bereits geschildert, die Sicherungen zum Ansprechen bringen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zu verhindern, daß durch die nach dem Zünden herabgesetzte Dämpfung eines derartigen Filters von den Zündimpulsen herrührende Störeignale

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in das Speisegerät gelangen und hier Schäden verursachen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Überwachungsglied vorgesehen ist, welches nach dem Zünden des Lichtbogens die Arbeitsspannung des Zündgenerators durch einen Kur?- oder Nebenschluß während der Zündimpulspause soweit herabgesetzt, daß dieser keinen Zündimpuls mehr abgibt. Auf diese Weise können handelsübliche Zündgeräte zusammen mit billigen Drosseln auf geschlossenen Hochfrequenzeisenkernen verwendet werden. Wegen der erforderlichen Schnelligkeit wird man den Kurz- oder Nebenschluß mit elektronischen Schaltern ausführen und als Kriterium für die Lichtbogenzündung den ansteigenden Lichtbogenstrom benutzen. Dadurch kann auch, solange 'ein Strom fließt, d.h. solange der Lichtbogen brennt, der Zündgenerator gegen das Wiedereinschalten verriegelt werden. Vorteilhafterweise wird man die Arbeitsspannung des Zündgenerators am einfachsten dadurch herabsetzen, daß man einen Widerstand in seiner Netzzuleitung vorsieht und diesen Wideretand mit einem elektronischen Schalter einem weiteren Widerstand parallel schaltet.

Anhand eines Ausführungsbeispiels sei die Erfindung näher erläutert;

Nach dem Einlegen des Schalters 17 gibt der Zündgenerator 8 Nadelimpulse auf die Elektroden, zwischen denen ein Lichtbogen gezündet werden soll. Hat der Lichtbogen gezündet, so versorgt dJLe Stromquelle 1 den Lichtbogen 7 Über Strom- oder Iepuleewandler 2, Nebenwideretand 3, Glättungedrossel 4 und neitt

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symmetrisch aufgebaute Hochfrequenzfilter 5 und 6 mit Strom. Die Stromquelle 1 ist im vorliegenden Pail ein Gleichrichter in Drehstrombrückenschaltung, der an einen nicht gezeigten Thyristorsteller angeschlossen ist. Der Impulswandler 2 ist so beschaffen, daß· er bereits bei einem Bruchteil des Nennstromes der Stromquelle Ί oder während des Stroaanstieges in die Sättigung geht. Während der Impulswandler 2 durch den steigenden Strom in der Wicklung 2a gesättigt wird, treibt die Sekundärwicklung 2b einen dem Übersetzungsverhältnis entsprechenden Strom durch die Gitterkathodenstrecke eines Hilfsthyristors 9, wodurch dieser gezündet wird und als eine Art Gedächtnis wirkt. Eine aus dem Transformator 11, Gleichrichter 12 und Glättungskondensator 13 bestehende Gleichstromversorgung treibt dann einen Dauergleichstrom durch die Gitterkathodenstrecke des Hauptthyristors 10. Der Hauptthyristor 10 in der Diagonale der Einphasenbrücke 18 stellt einen kontaktlosen Wechselstromschalter dar. Solange aus der Gleichstromversorgung 11, 12, 13 über den gezündeten Hilfsthyristor 9 ein Dauergleichstrom fließt, bleibt der Hauptthyristor 10 gezündet und führt einen von der Netzspannung getriebenen und von den Widerständen 19 und 20 begrenzten Wechselstrom. Da die etwa gleich großen Widerstände 19 und 20 als Spannungsteiler im Netzkreiβ des Zündgenerators 8 liegen, wird erreicht, daß noch während des Anstieges des Stromquellenatromea 1 die treibende Netzspannung des Zündgeneratore 8 mit einer im /usec-Bereich liegender Verzögerung auf einen unter der Arbeitespannung des Zündgeneratori liegenden Wert begrenzt wird. Der Zündgenerator 8 hat nämlich infolge seiner inneren Funkenstrecke (Tesla-Transformator) die Eigenschaft, unterhalb einer beatinten Netzspannung (Arbeite-

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spannung) keine Zündimpulse mehr zu liefern. Obwohl es genügt, die Arbeitsspannung nur um einen Teil herabzusetzen, könnte die Netzeinspeisung natürlich auch völlig kurzgeschlossen werden, z.B. durch Überbrückung des Widerstandes 20. Als elektronischer Kurzschließer könnten anstelle des Thyristors 10 und der Einphasenbrücke 18 auch zwei antiparallel geschaltete Thyristoren gewählt werden.

Anders gesagt: Der Zündgenerator 8 wird keinen Impuls mehr liefern als für die Einleitung des Lichtbogens erforderlich ist. Durch dieses schnelle Abschalten des Zündgenerators 8 brauchen die Hochfrequenzfilter 5 und 6 nur solange die Hochfrequenz von der Stromquelle fernzuhalten, bis die Stromquelle 1 den Strom übernommen hat. Nachher dürfen die in den Filtern 5 und 6 verwendeten, verhältnismäßig kleinen Hochfrequenzdrosseln mit geschlossenem Eisenkern in die Sättigung gehen und ihre Induktivität verlieren. ·

Endgültig wird dann der Zündgenerator 8 abhängig vom Lichtbogenstrom abgeschaltet, z.B. über das am Hebenwiderstand 3 liegende Relais "15, das die Netzzuleitung zum Zündgenerator 8 unterbricht.

Da jedes Relais einen Schwellwert besitzt, kann es geschehen, daß das Relais 15 bei sehr niedrigen Lichtbogenströmen nicht anspricht und den Zündgenerator 8 nicht abschaltet. Um dies zu verhindern, ist noch ein Bimetallschalter 16 - evtl. mit magnetischem Überstromauslöser kombiniert - vorgesehen, der

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den nach dem Ansprechen dee elektronischen Kurzschließers fließenden erhöhten Strom in einigen Sekunden abschaltet und damit die tibermäßige Wärmeentwicklung in den Widerständen 19 und 20 unterbindet. Durch das Stromrelais 15 ist auch der Zündgenerator 8 gegen ein Wiedereinschalten verriegelt, solange noch ein Lichtbogenstrom fließt. Außerdem wird durch das Relais 15 der Transformator 11 von der Netzzuleitung abgetrennt, so daß die Thyristoren 9 und 10 wieder nichtleitend werden und somit den Nebenschluß aufheben.

Die Hochfrequenzentstörfilter 21, 22 und 23 verhindern, daß Frequenzanteile der steil ansteigenden Impulse des Zündgenerators 8 in den elektronischen Schalter eindringen und zum ungewollten Ansprechen führen. Die Widerstände 24, 25 und 26 stellen zusammen mit der Gitterkathodenstrecke des Hilfsthyristors 9 eine Bürde für den Impulswandler 2 dar. Sie begrenzen außerdem den Gitteroder Zündstrom des Hilfsthyristors 9 auf einen unschädlichen Wert. Zur Begrenzung des Gitterstromes im Hilfsthyristor 9 können aber genausogut - oder wenn erforderlich, zusätzlich die Schwellwertdioden 26a oder aber eine Zenerdiode 26b verwendet werden. Die Widerstände 24 und 25 mit den Kondensatoren 27 und 28 verhindern außerdem durch ihre Glättungezeitkonstante einerseits das Eindringen der Hochfrequenzschwingungen in den Hilfsthyristor 9 und verlängern andererseits den Zündimpuls des gleichen Thyristors. Die Diode 29 verhindert, daß der Impulswandler 2 beim Abriß des Lichtbogenstromes im Hilfstnyriator einen·negativen Gitterstrom zieht, der diesen Thyristor 9 zerstören könnte. Die Diode 30 und der Widerstand 31 dienen zur

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Begrenzung der sogenannten Rückschlagspannung an den Klemmen . des Impulswandlers 2, wenn der brennende Lichtbogen 7 mit einem schnellen Abriß ausgeht. Der Widerstand 31 kann auch durch eine Zenerdiode ersetzt werden. Die Kombination der Diode 30 mit dem Widerstand 31 bewirkt, daß der Impulsübertrager 2 nach dem Abriß des Lichtbogens 7 aus der Sättigung herauskommt. Die Widerstände 14 und 32 in der Gleichstromversorgung sind so ausgelegt, daß der Zündstrom und die Zündspannung des Hauptthyristors 10 begrenzt werden. Der Widerstand 32 mit dem Kondensator 33 verbessert außerdem das Verhalten des Hauptthyristors 10 hinsichtlich der zeitlichen Änderung der Anodenspannung (j^)· Das gleiche bewirken Widerstand 26 und Kondensator 28 beim Hilfsthyristor 9. Die Reihenschaltung des Widerstandes 34 mit dem Kondensator 35 verringert sowohl den zeitlichen Anstieg als auch den absoluten Wert der von der Hetzseite kommenden Überspannungen und verhindert damit eine ungewollte Zündung des Hauptthyristors 10.

Der hier beschriebene elektronische Kurzschließer hat eich für \ den störungefreien Betrieb einer geregelten Stromquelle mit Thyristors teller außerordentlich gut bewährt".

Der elektronische Kurzschließer ist auch dann mit Vorteil ver wendbar, wenn der Zündgenerator 8 nicht parallel, eondern in Reihe mit den Elektroden oder mit der Lichtbogenetreoke liegt.

Da der luftepaltloee oder geschlossene Hochfrequenzeieenkern der Droeeeln in den Filtern 5 und 9 bereite bei Bruchteilen dee

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Nennstromes der Stromquelle 1 in die Sättigung geht und damit die Filterwirkung praktisch aufgehoben wird, können diese Drosseln nach dem Zünden des Lichtbogens 7 mit einem Schütz überbrückt werden. Dadurch lassen eich die Drosseln strommäßig für Kurzzeitbetrieb dimensionieren (ca. 30 - 50 /usec).

Die hier geschilderte Anordnung läßt sich sowohl bei Lichtbogenschweißgeräten als auch bei Plasmabrennern verwenden.

1 Figur

8 Patentansprüche

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Claims (8)

PLA 66/1436 Patentansprüche

1. Anordnung zum Schutz von Lichtbogenspeisegeräten gegen hochfrequente Storspannungen, die von einem die Lichtbogenzündimpulse liefernden Hochfrequenzzündgeneratoren über ein Hochfrequenzfilter mit Induktivitäten im Längszweig zur Stromquelle des Lichtbogenspeisegerätes gelangen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überwachungsglied (2, 9) vorgesehen ist, welches nach dem Zünden des Lichtbogens (7) die Arbeitsspannung des Zündgenerators (8) durch einen Kurz- oder Nebenschluß (10,. 20) während der Zündimpulspause soweit herabsetzt, daß dieser keine Zündimpulse mehr abgibt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Kurz- oder Nebenschluß elektronische Schalter (10) dienen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überwachungsglied (2, 9) auf den ansteigenden Lichtbogenstrom anspricht.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbogenstromänderung ein Gedächtnis (9) «um Ansprechen bringt, welches den zum Kurzschließen dienenden elektronischen Schalter (10) geöffnet hält. - -

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5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gefcefiazeiehnet, daß in der Netzzuleitung zum Zündgenerator (8) ein Widerstand (19) vorgesehen ist, dem ein weiterer Widerstand (20) durch den elektronischen Schalter (TO) parallelgasenaltet wird,

€, Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzelclfliet eine Gleichrichter-Brückenschaltung (18), in deren einem NuIl zweig der elektronische Schalter (10) und in deree a®ä«r«in Zweig der parallel zu schaltende Widerstand (20) liegt*

7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß in der Netzzuleitung zum Zündgenerator (8) ein Kontakt

\eines auf den Lichtbogenstrom ansprechenden "StraarelalaB (15) liegt.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeictoet furch einen Schalter zum Überbrücken der Induktivitäten in ä«a Hochfrequenzfiltern (5, '6) nach dem Zünden des Lichtbogens.

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