DE1910154A1

DE1910154A1 - UEberstromschutz

Info

Publication number: DE1910154A1
Application number: DE19691910154
Authority: DE
Inventors: Fulkerson Emmet Mitchell
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-06-06
Filing date: 1969-02-28
Publication date: 1970-01-22
Also published as: BE729396A; GB1222943A; US3619640A; FR2010222A1

Description

ÜBERSTROMSCHUTZ

Die Erfindung allgemein betrifft eine Schaltung, die in elektro chemischen Bearbeitungsverfahren zum Schutz gegen mögliche Kurzschlüsse verwendet wird. Ganz allgemein verkurzen hohe Überströme infolge kurzzeitiger aber wiederholter Kurzschlüsse zwischen der Elektrode und einem Werkstück einer elektrochemischen Vorrichtung die Lebensdauer der Elektrode durch Verschleiß ihrer Spitze und sie können weiterhin zu einer Beschädigung des Werkstückes selbst führen. Erfindungsgemäß wird ein Überstrom-Überwachungssystem verwendet, das den Strom fortlaufend in der Weise "verfolgt", daß Kurzschlußströme sofort festgestellt werden und eine Abschaltung des Arbeitsvorganges eingeleitet wird.

Es ist bekannt, daß infolge kurzzeitiger und wiederholter Kurzschlüsse zwischen einer Elektrode und einem Werkstück sowie infolge Andauernder Überströme schwere Beschädigungen an der Elektrode und dem Werkstück verursacht werden können, die in einem elektrochemischen Bearbeitungsverfahren verwendet werden.

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Einfach ausgedrückt, kann die Elektrode eines elektronechanischen Bearbeitung Verfahrens durch die Zei'störung ihres Inolierüberzuges oder durch eine beträchtliche Verkürzung dessen Lebensdauer infolge der wiederholten Funkenausbrennung ihrer Spitze schwer beschädigt werden.

Um die Beschädigung der Elektroden Möglichst klein ^u machen, sind bisher einstellbare Überwachungs-Stromrelais (trip-point current relays) nach Art eines Meßgerätes verv.ender worden, ua einen Überstrom abzutasten. Aufgrund der mechanischen Merkmale des Relais v;ar jedoch ein beträchtliches Frohsinnen erforderlich, um das lie la is während jedes Teiles des Bohrvorganges 7,Li betätigen.

Eine weitere bekannte Methode bestand in der Verwendung einer einfachen !''unkenüberwachungsschaltung in Verbindung init der elektrochemischen Apparatur. Aber auch dieses Verfahren schaffte keine effektive Lösung der Probleme, da sich diese Anordnung a is zu empfindlich und zu anfällig gegenüber den durch das Verfahren erzeugten transienten Vorgänge erwies.

Aufgrund der oben erwähnten Mängel sind die bekannten Schutzschaltungen nicht in Stande gewesen, für einen 100%igen Dnuerüberstromschut i für das elektrochemische Beax'beitungsverfahren zu sorgen.

In der bevorzugten, hier angegebenen Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Überstrom-Überwachungsschaltung, die den Elektrodenstror.i während seiner normalen Veränderungen über einen vollständigen elektrochemischen Bearbeitungszyklus fortlaufend "verfolgt". Insbesondere wird erfindungsgemäß eine Abtastschaltung verwendet, deren Ausgangssignal einer "Folge und Halte"-Intervail-Integrierschaltung ("Track and Hold" Sampling integrator circuit) zugeführt wird. Dadurch kann die Schaltung unabhängig von den regelmäßigen Polaritätswechseln der periodischen Spannung im aktiven Zustand verbleiben. Daraufhin durchfließt das Ausgangssignal der Integrierschaltung eine Differenzierschal-

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tung, deren Ausgangssignal mit einer. Bezugsspannung einer Vergleichsschaltung verglichen wird. Wenn der Impuls an der Differenzierschaltung den vorher festgesetzten Bezugsstrom überschreitet, wird die Leistungseinspeisung von dem Gerät abgeschal tet.

Demzufolge ist es Hauptaufgabe dieser Erfindung, das elektrochemische Bearbeitungsverfahren kontinuierlich gegenüber möglichen Kurzschlüssen zu überwachen, inde-n der Strom fortlaufend mit einer i'orhandenen *Δ I-Bezugsebene verglichen wird.

Die Erfindung wire¹ nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines /»usführungsbeispiels näher erläutert.

Tig. 1 ist ein schematisches Schaltbild gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein Zeitf olgediagramni der in der Schaltung auftretenden Stromwellenformen.

Fig. 3 zeigt ein Zeitfolgediagramm der Stromwellenfor^en, die bestimmte Schaltungszustände beschreiben.

Das Schaltbild gemäß Fig. 1 zeigt ein Schneidwerkzeug 21 und ein Werkstück 25, die beide mit einer Leistungseinspeisung IO verbunden sind. Dadurch wirken diese als Elektroden, wobei die Elektrode 22 innerhalb des Schneidwerkzeuges 21 im allgemeinen als Kathode und das Werkstück 25 als Anode dient. Das Yierkstück 25 ist innerhalb eines Behälters 20 befestigt, der gegen Erde isoliert ist.

Wie bereits erwähnt, wird dem Schneidwerkzeug 21 und dem Werkstück 25 die elektrische Energie durch eine Leistungseinspeisung 10 zugeführt. Aus Gründen, die im folgenden noch zu beschreiben sind, kann die Leistungseinspeisung 10 irgendeine bekannte, die Polarität umkehrende Leistungsanordnung sein. Genauer gesagt,

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ist ein Pol der Leistungseinspeisung 10 direkt mit dem Werkstück 25 verbunden, während der andere Pol über einen Strommesser 15 mit der Elektrode 22 innerhalb des Schneidwerkzeuges 21 in Verbindung steht. Der Elektrolyt, der über eine nicht gezeigte Anordnung in das obere Ende des Schneidwerkzeuges 21 fließen muß, wird durch Kontakt mit der Elektrode 22 elektrisch geladen.

Eine "Folge und IIalte"-Intervall-Integrierschaltung, die in Figur 1 durcb das nit 5 gekennzeichnete und gestrichelte dargestellte Kästchen allgemein angegeben ist, ist an das über dem Strommesser 15 entwickelte Spannungspotential gelegt. Genauer gesagt, besteht die "Folge- und Halte"-Intervall-Schaltung aus einem Rechenverstärker A. nach Art eines Differential-Verstärkers, von dem ein Pol mit einer Klemme des Strommessers 15 und der andere Pol mit einem Zeitkonstantenglied verbunden ist, das durch einen Widerstand H„ und durch einen Kondensator C₁ bestimmt ist. Während des Betriebes lädt die an dem Strommesser 15 entwickelte Spannung den Kondensator C, des Zeitkonstantengliedes über einen Kontakt S, auf, der durch Betätigung des Relais RY. geschlossen wird. Vrenn der Kontakt S, geöffnet wird, bewirkt der Kondensator, daß die Ausgangsspannung von A, konstant gehalten wird, bis S, wieder geschlossen ist. Der Ausgang des Verstärkers A₁, der über einen Widerstand R. mit Erde verbunden ist, wird einer Differenzierschaltung zugeführt. Diese Differenzierschaltung ist in der Technik bekannt und ist in Fig. 1 durch gestrichelte Linien und der Bezugsziffer 6 allgemein angegeben. Sie umfaßt einen Kondensator C₂, dessen eine Seite über einen Widerstand R₆ mit Erde und dessen andere Seite über einen Widerstand R* mit der "Folge und Halte"-Intervall-Schaltung verbunden ist.

Der Ausgang der Differenzierschaltung ist mit einem Vergleichskreis verbunden, der in Fig. 1 durch gestrichelte Linien und mit Bezugsziffer 7 allgemein dargestellt ist. Dieser Vergleichekreie enthält einen zweiten Festkörperverstärker A„ nach Art eines Differential-Verstärkers, dessen eine Klemme mit dem Ausgang der Differenzierschaltung und dessen andere Klemme Über einen variablen Widerstand R₇ mit einer GleichspannungsXquelle verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers A₂ ist mit dem einen Pol des Relais

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RY„ verbunden, dessen anderer Pol mit Erde in Verbindung" steht.

Während des Betriebes erregt der Verstärker A₂ das Relais RY₂, wenn der Eingangsimpuls von der Differenzierschaltung die eingestellte Bezugsgleichspannungshöhe überschreitet, die durch eine vorherige Einstellung des PotentiometersR₇ erhalten wird. Es sei erwähnt, daß das Relais RY„ die Kontakte S₃ steuert.

Die Kontakte S„ sind über Kontakte S₃ mit einen Steuerkreis C in Reihe geschaltet. Die Kontakte S₃ werden durch Erregung des Relais RY₃ geschlossen, das über einen nicht gezeigten externen Zeitgeber gesteuert wird. Dieser Zeitgeber wird nach Einschaltung der Leistungseinspeisung 10 betätigt, um ein mögliches Ausschalten des Gerätes infolge eines Einschaltstoßes auszuschließen.

Es sei erwähnt, daß der Steuerkreis 8 nur dann betätigt wird, wenn beide Kontaktsätze S₂ und S₃ geschlossen sind. Dieser Fall wiederum tritt nur dann auf, wenn beide Relais RY₂ und RY_n erregt sind. Wie bereits vorstehend festgestellt wurde, müssen für eine Erregung des Relais RY₂ die in den Verstärker A₂ fließenden Impulse die vorher eingestellte Spannungshöhe des Vergleichskreises überschreiten. Für eine Erregung des Relais RY₀ nuß die Schaltung nach Beginn des Verfahren^ für einen bestimmten Zeitraum in Betrieb sein, der durch ein^Zeitgebermechanismus bestimmt wird.

Y/enn der Steuerkreis 8 zum Schutz des elektrolytischen Verfahrens betätigt ist, wird die Leistungseinspeisung 10 automatisch von.dem Werkstück 25 und der Elektrode 22 des Schneidwerkzeuges 21 getrennt.

Für ein besseres Verständnis der Wirkungsweise der Schaltung sei auf Fig. 2 verwiesen, die ein Zeitfolgediagramm der innerhalb der verschiedenen Einzelteile der Schaltung gemäß Fig. 1 auftretenden Wellenformen ist.

Für ein leichteres Verständnis sind die Wellenformen in Fig. 2

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in mehrere mit T bis T_r bezeichnete Zeitpunkte aufgeteilt worden. Die Wellenform A zeigt die Spannung, die während eines zweitaktigen Betriebes der Anordnung und des Verfahrens zwischen dem Schneidwerkzeug 21 und dem Werkstück 25 angelegt ist. I:v. einzelnen ist gezeigt, daß die Spannung an dem Werkstück 25 und den Schneidwerkzeug 21 ::u der Zeit T₁ von Null auf einen vorbestimmten Wert anwächst. Diese Spannung wird bis zu einer Zeil" T₉ aufgedrückt, zu der sie auf Null Volt abfäll t". V.'ährend des Intervalls zwischen T₃ und T₄ kehrt die Spannung die Polarität un. Zun Zeitpunkt T_r wiederholt sich dieser Arbeitstakt, wobei die Spannung bei T₁. gleich der ursprünglichen Spannung zur" Zeit T, ist.

Die Wellenform B zeigt den Stromfluß, der ::u der zwischen den Werkstück 25 und dem Schneidwerkzeug 21 aufgedrückten Spannung gehört. Zur Zeit T, spricht der Stron auf die Spannung an und steigt allmählich gemäß den normalen Verfahrensbedingungen bis zum Zeitpunkt T₀. Bei T_n kehrt auch der Stron infolge des Polaritätswechsels für ein kurzes Zeitintervall, wie es bei T. dargestellt ist, seine Richtung un. Der Stron nimmt dann bei T₅ wieder seinen normalen Verlauf, der in etv/a den gleichen Wert wie bei T, entspricht.

Wellenform C gibt die "Halte-llerkmale" der "Folge und Halte"-Intervallschaltung wieder. Wie der Wellenform B zu entnehmen ist, würde der Stromfluß während der Unkehr der Spannung ebenfalls seine Richtung zwischen T₀ und T₄ umkehren. Um die Überv/achungsfunktion für die Schaltung fortzusetzen, erhält die Zeitschaltung der "Folge und Halte"-Schaltung die Ausgangsspannung des Verstärkers A auf seiner vorbestimmten Höhe aufrecht, was durch die ausgezogene Linie wiedergegeben ist. Die gestrichelten Linien stellen die Spannungsänderung dar, die normalerweise zu erwarten sein würde, wenn die Zeitschaltung nicht verwendet w'irde. Demzufolge ist die Wellenform C - wie bereits erwähnt - diejenige Wellenform, die am Ausgang der "Folge und HalteV-Intervallschaltung zu finden ist.

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Die Wellenform D zeigt die Stromform am Ausgang der Differenzier- · schaltung und am Eingang des Verstärkers A₀ des Vergleichskreises. Die gestrichelte Linie gibt die konstante Bezugshöhe wieder, wie sie in dem Vergleichskreis zu finden ist. Demzufolge zeigt Fig. die Vi'ellenfornen eines Kreises, in dem kein Kurzschluß besteht, da die Welle am Eingang des Verstärkers A₀ die gegebene,Bezugshöhe nicht übersteigt, wie es der Wellenform D deutlich zu entnehnen ist.

Fig. ?. veranschaulicht die Wellenformen, wie sie zu erwarten sind, falls bein Betrieb des elektrolytischen Verfahrens ein Kurzschluß auftreten sollte unc¹ die Leistungseinspeisung von der Anordnung abgeschaltet ist. {

Welle E zeigt die Spannung zwischen dem Werkstück 25 und dem Schneidwerkzeug 21 '.vischen dem Zeitintervall T₀ -T^.

Die Y/ellen F-G zeigen den plötzlichen Anstieg des Stromflusses, der bei einem Kurzschluß oder einer Teilstoßüberlastung der Schaltung auttreten würde. Die gestrichelte Linie zeigt den normalen Strom ohne einen Kurzschluß. Die Wellenform G gibt weiterhin die Wirkung der "Halte-Schaltung" innerhalb der Intervallschaltung wieder, wobei der Strom bei einer Spannungsumkehr seine Richtung nicht umkehrt, wie es bereits vorstehend erläutert worden ist.

Anhand der Welle H, die graphfch die Stromform am Eingang des Verstärkers A₀ des Vergleichskreises wiedergibt, sei gezeigt, daß der Strom nach seinem Durchgang durch die Differenzierschaltung zu der Zeit, zu der der Kurzschluß auftritt, die vorher festgelegte Spannungshöhe (die in der Zeichnung durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist) überschreitet und dadurch ein Ausgangssignal erzeugt, das das Relais RY₀ erregt. Aufgrund dieser Erregung des Relais RY₀ schließen die Kontakte S₀, die durch das Relais RY₂ gesteuert sind und zugleich erzeugt der Steuerkreis ein Ausgangssignal, das die Leistungseinspeisung 10 von der elektrolytischen Vorrichtung trennt.

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!.lit der vorstehenden Beschreibung ist somit dargelegt, daß die einzigartige Schaltungsanordnung für eine konstante Überwachung des elektrochenischen Bearbeitungsvorganges zum Schutz gegenüber möglichen Kurzschlüssen während des Arbeitsganges sorgt.

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ANSPRUCHE:

1)yüberwachungsanordnung für elektrochemische Bearbeitungsverfahren unter Verwendung einer in ein Schneidwerkzeug eingesetzten Elektrode, eines Werkstücks und einer die Polarität umkehrenden Leistungseinspeisung, deren einer Pol mit dem Werkstück und deren anderer Pol mit der Elektrode verbunden ist, gekennzeichnet durch die Kombination einer Strommeßvorrich.tung (15), einer Intervall-Integrierschaltung (5), die parallel zu der Strommeßvorrichtung (15) geschaltet ist, einer mit dem Ausgang der Intervall-Integrierschaltung (5) verbundenen -Differenzierschaltung (S), eines Vergleichskreises (7) für einen Vergleich des Ausgangssignals der Differenzierschaltung mit einer vorbestimmten Bezugsgröße, wobei ein Ausgangsimpuls von dem Vergleichskreis (7) zur Abschaltung des elektrochemischen Bearbeitungsverfahrens dann erhalten wird, wenn das Ausgangssignal des Differentiat/ors die vorbestimmte Bezugsgröße überschreitet, und eines mit dem Ausgang des Vergleichskreises (7) verbundenen Steuerkreises (0) zum Abschalten der die Polarität umkehrenden Leistungseinspeisung (10), wenn von dem Vergleichskreis ein Ausgangsimpuls erhalten wird.

2) Überwachungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Intervall-Integrierschaltung (5) eine Folge und Halte -Schaltung umfaßt, so daß der Betrieb des Intervall-Integrators während bestimmter Intervalle der Spannungsumkehrungen fortführbar ist.

3) überwachungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Intervall-Integrierschaltung (5) und der Vergleichskreis (7) beide einen Verstärker (A₁, A₂) nach Art eines Rechenverstärkers enthalten.

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4) Überwachungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Intervall-Integrierschaltung eine Zeitkonstanteschaltung (R_{0 n}) aufweist, die mit einem Pol eines Rechenverstärkers (A₁) verbunden ist.

5) überwachungsanordnung nach einem oder nehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung in wesentlichen gemäß der Beschreibung und der Zeichnung aufgebaut ist.

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