Schaltungsanordnung zur Stabilisierung des Arbeitspunktes von Gleichstromlichtbögen,
insbesondere Plasmabrennern Die Erfindung- bezieht: sich auf: eine Schaltungsanordnung
zur Stabilisierung des Arbeitspüxnktes von Gleichstromlichtbögen, insbesondere Plasmabrennern:.
Die Strom-/Spannungskennlinie von Lichtbögen (Plasmabrennern) durchläuft, wie die
Figur 1 veranschaulicht, ein Minimum. Das Einstellen eines stabilen Arbeitepunktes
-auf dem fallenden Ast- der Kennlinie wird um: sp schwieri= ger, je stärker die
Rennlinie abfällt, weil hier der Strom IB trotz sinkender .Spannung UB ansteigt.
Sieht man von einer Stabilisierung durch einen Torwiderstand ab, in welchem: ja
der größte.Teil der zur Verfügung stehenden Leistung verbraucht würde, da= muß eine
steuerbare Spannung US für die Speisung des Bogens B (Figur 2) bereitgestellt werden,
die-.einer Veränderung des Stromes entgegenwirkt.. Soll' die steuerbare Spannung
US der,_Versorgungequelle über steuerbare Halbleiterstellglieder entnommen werden,'was
beispielsweise beWechseletromversorgung mittels steuerbarer Halbleitergleichrichter
(Thyristoren) bzw. bei. Gleichstromversorgung vermittels Transistoren erfolgen kann,
dann läßt sieh die Spannung Us`ledigli'ch mit endlicher Geschwindigkeitverstellen,
und: man muß dafür sorgen, daß.auch der-Bogenstrom -IB sieh. nicht zu schnell ändert,
was durch Einfügung einer Drossel D in den Bogene_tromkrei erreicht werden kann:.
Wegen der bereichsweise instabilen ljiahtbogenke=l.inie (Regelstrecke)
ist es schwierig, die Spannung US durch einen Stromreg-ler in-Jedem
Arbeitspunkt optimal zu-verstellen, weil dazu die Kennlinie@des lichtbogens@genau
bekannt sein müßte. Die Erfindung macht es sich deshalb zur Aufgabe, eine
Stabilisierungsschaltung aufzubauen, bei der Kenntnisse über den Kennlinenverlauf,
z.B. für die Dimensionierung mittels eines Stromreglern- .entbehrlich
sind.
Dies bedeutet, daß die-Erfindung einen Schaltungsaufbau anstrebt,. der für sämtliche
Lichtbögen (Plasmabrenner) brauchbar ist; außerdem soll es die Erfindung ermöglichen,
den Lichtbogen gesteuert zu betreiben. Wird die Spannung US durch einen Transistor-
bzw. Thyristor-Steuersatz eingestellt, so beruht die Erfindung auf der Erkenntnis,
daß man durch zusätzliche Einspeisung der meßbaren Bogenspannung UB in den Eingang
des Steuersatzes den gewünschten Arbeitspunkt auf der Bogenkennlinie stabilisieren
kann. Aufgrund dieser Erkenntnis besteht die Erfindung darin, daß der Bogenetrom
aus der Versorgungsstromquelle über steuerbare Halbleiterbauelemente (Thyristoren,
Transistoren) als--Stellglieder entnommen wird und daß eine der Bogenspannung proportionale
Spannüngs- oder Stromgröße aus dem Bogenstromkreis abgeleitet und über ein Netzwerk,
vorzugsweise ein P- bzw. PD-Glied, zum Eingang des Halbleiterstellgliedes rückgeführt
wird. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Steuerspannungssollwert
von einem überlagerten Stromregler vorgegeben sein, der seinen Istwert aus einem
dem Bogenstromkreis zugeordneten Stromwächter entnimmt. Der Stromregler kann hierbei
als PI-Regler ausgebildet sein. Die Erfindung wird nachstehend anhand weiterer Einzelheiten
aus der Figur 2 näher erläutert, welche als Ausführungsbeispiel in schematischer
Darstellung angesehen werden möge. Die Bogenspannung UH des Lichtbogens B
(Plasmabrenner) ist aus der Steuerspannung US abgeleitet und wird dem Bogen
B über die Drossel D zugeleitet. Die Steuerspannung US ist eine Gleichspannung,
welche - wie veranschaulicht - aus dem Wechselstromnetz über einen steuerbaren Halbleitergleichrichter
T, z.B. einen Thyristor, bereitgestellt wird. Zur Steuerung des Thyristors dient
der Steuersatz St, welcher in herkömmlicher Weise über die Eingangsklemme
E gesteuert sein möge. Soll die Steuerspannung US aus dem Gleichstromnetz abgeleitet
werden, so kann der in der Figur 2 veranschaulichte Thyristor T durch e_,ie Transistorschaltung
ersetzt
sein, deren Steuerung ebenfalls über einen entsprechenden Steuersatz St über die
Eingangsklemme E erfolgen kann. Die Steuerspannung US ist proportional der an die
Eingangeklemme E angelegten Eingangssteuerspaannung UB. Als Differenz zwischen der
Steuerspannung US und der Bogenspannung U$ tritt an der Drossel D er Spannungsabfall
UD auf. Die Drossel D .bewirkt eine verzögerte Änderung des Stromes IB, welcher
über die Bogenkennlinie mit der Bogenspannung UB verknüpft ist. Ohne die Maßnahme
nach der Erfindung würde die bei ansteigendem Ström fallende Bogenspannung die Spannung
an der Drossel D weiter erhöhen und dadurch den Strom noch größer machen. Zur Kompensierung
dieses Einflußes wird die Bogenpannung.UB an einem Meßglied M ermittelt, das im
wesentlichen aus einem Spannungsteiler bestehen kann. Der Ausgang dieses Spannungsteilers
ist mit einem Netzwerk N verbundqn, welches ein PD-Glied, im einfachsen Falle ein
P-Glied, enthält. Wird allein ein P-Glied verwendet, so besteht dieses aus einem
Widerstand R1 oder-aus einem durch diesen Widerstand R@ überbrückten Verstärker
Y (Figur 2a).
Soll die Rückführung dynamisch weitgehend korrekt arbeiten, so ist
es vorteilhaft, ein PD-Glied anzuwenden, also ein Glied aus zwei hintereinandergeschalteten
Widerständen R2, R3, die- einen Verstärker V überbrücken und deren Anzapfung über
einen Kondensator. C mit dem Bezugspotential (Masse) verbunden ist-(Figur 2b). Der
Ausgang des Netzwerkes N wirkt auf den ..Eingang des Steuersatzes St zurück, wobei
eine Mitkopplung vorliegt. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Rückführung, welche
auch in der das Signalflußdiagramm darstellenden Figur 3 gestrichelt veranschaulicht
ist, werden Änderungen der Bogenspannung UBdurch die Steuerspannung-US in ihrer
Wirkung aufgehoben. Das Netzwerk N kompensiert auch die vorerwähnte, durch den Steuersatz
St eintretende Verzögerung. Die Regelstrecke verhält sich also durch die Rückführung
wie eine Trägheit erster Ordnung und-kann-somit in einfacher Weise gesteuert bzw.
geregelt werden, wie das Signalflußbild nach Fig. 4 veranschaulicht, welche
eine vereinfachte Darstellung der Pig. 3 ist. Der Steuerspannungssollwert U' (Figur
2) kann im Bedarfsfalle auch von_einein überlagerten Stromregler IR mit der Sollwertvorgabe
ä"vorgegeben werden: Zn dieser. Falle ist dem Bogenstromkreis
ein
Stromwächter TW zuzuordnen, der den entsprechenden Stromist-Wert - wie dies in der
Figur 2 gestrichelt dargestellt ist - dem Eingang des Stromregler@ IR eingibt.