DE2346053A1 - Stromversorgungseinrichtung zum betrieb von gasentladungsbehaeltern - Google Patents
Stromversorgungseinrichtung zum betrieb von gasentladungsbehaelternInfo
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Description
BB-607
ELEKTROPHYSIKALISCHE ANSTALT VADUZ
BERNHARD BERGHAUS LIECHTENSTEIN
Stromversorgungseinrichtung zum Betrieb von Gasentladungsbehältern
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungseinrichtung
zum Betrieb von Gasentladungsbehältern zur Behandlung metallischer Werkstücke , insbesondere von Ionitrieröfen,
mit einem Transformator und Gleichrichtern zur Herstellung der Betriebsspannung aus dem Wechsel- oder Drehstromnetz
, mit einer kontinuierlich arbeitenden Regeleinrichtung für die Betriebsspannung, mit einer Ueberwachungseinrichtung
für den Entladungsvorgang während des Prozesses und mit einem schnellwirkenden Schalter zur kurzzeitigen Unterbrechung
des Betriebs beim Ansprechen der Ueberwachungseinrichtung.
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Derartige Stromversorgungseinrichtungen sind bereits in verschiedenen
Ausführungen bekannt, beispielsweise unter Verwendung eines Regeltransformators als kontinuierlich arbeitende
Regeleinrichtung oder auch gittergesteuerter Gleichrichter mit einer Regelvorrichtung für deren Steuergitter. Bei allen
derartigen Stromversorgungseinrichtungen, die zum Betrieb von Gasentladungsprozessen bestimmt sind, ist es von grosser Bedeutung,
dass eine schnell ansprechende Ueberwachungseinrichtung vorhanden ist, die beim Auftreten von Unregelmässigkeiten
in der Entladung eine schnelle kurzzeitige Abschaltung der Betriebsspannung bewirken. Ohne eine solche kurzzeitige
Abschaltung würde bekanntlich eine Störung des Entladungsvorgangs , beispielsweise ein winziger Gasausbruch aus der Oberfläche
der behandelten metallischen Werkstücke, einen Uebergang der Gasentladung in eine Lichtbogenentladung bewirken,
was zu einer Beschädigung der Metalloberfläche führen könnte. Insbesondere beim Betrieb von Ionitrieröfen mit einer Stromstarken
elektrischen Glimmentladung, die in industriellem Umfange verwendet werden, ist es beim Anlaufvorgang zu Beginn
der Nitrierbehandlung nicht zu vermeiden , dass häufig solche ünvollkommenheiten bei der Entladung auftreten, die jeweils
eine kurzzeitige Schnellabschaltung des Glimmentladungsbetriebes erforderlich machen. Beispielsweise ist im schweizerischen
Patent Nr. 349.283 dieser Anlaufvorgang und seine Beherrschung durch kurzzeitige Abschaltung des Betriebes näher erläutert.
Die dort beschriebene Ueberwachungseinrichtung stellt aber nur
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eines der vielen bekannten Systeme zur Ueberwachung des Betriebszustandes
von Gas- und Glimmentladungsprozessen dar und andere in der Praxis bewährte Bauarten solcher Ueberwachungseinrichtungen
sind beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DBP 1.275.228 der Anmelderin bekannt.
Beim Betrieb einer Glimm- oder Gasentladung mit einer gleichgerichteten
Wechselspannung aus einem Einphasen-Wechselstromnetz hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass bei jedem Nulldurchgang
der Betriebsspannung die Entladung kurzzeitig erlischt, um erst beim nachfolgenden Wiederanstieg der Betriebsspannung
nach Brreichen des sogenannten Zündspannungswertes wieder einzusetzen. Diese mit doppelter Frequenz der verwendeten
Wechselspannung erfolgenden kurzzeitigen Unterbrüche des Entladungsvorgangs sind aber im allgemeinen zeitlich so kurz,
dass beim Vorhandensein einer Störung der Glimmentladung die
Störungsursache noch nicht genügend abgeklungen ist, also beim Wiedereinsetzen des Entladungsvorgangs noch weiter besteht.
Die vorliegende Stromversorgungseinrichtung mit einer Gleichrichtung
der Wechselspannung zur Erzeugung der Betriebsspannunstellt eine besonders einfache und billige Bauart dar, die den
Effekt des kurzzeitigen Aussetzens der Entladung bei jedem Nulldurchgang der gleichgerichteten Betriebsspannung benützt,
aber die oben angegebenen Nachteile vermeidet. Gekennzeichnet, ist die erfindungsgemässe Stromversorgungseinrichtung durch
eine im Primärkreis des Transformators befindliche Eisendrossel
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durch einen im Sekundärkreis vorgesehenen Vollweg-Gleichrichter
mit Thyratron- oder Thyristor-Einrichtungen und einer Zündsteuerung zur kontinuierlichen Einstellung der Phasenlage bei deren"
Zündung zwecks Regelung der Betriebsspannung, durch gleichzeitige Verwendung dieser Zündsteuerung zur Unterdrückung der erneuten
Zündung nach einem Nulldurchgang der Sekundär-Wechselspannung mittels eines beim Ansprechen der Ueberwachungseinrichtung erzeugten
Steuerimpulses, und durch eine dem erreichten Reinheitsgrad der Werkstücke entsprechende Einstellung der Phasenlage zur
zeitlichen Verzögerung des auf jeden Nulldurchgang folgenden Wiederanstiegs
der Sekundärspannung, solange, bis klänere Entladungsstörungen
an den Werkstückoberflächen abgeklungen sind.
Die Erfindung ist nachstehend in einem Ausführungsbeispiel anhand der Figuren 1 und 2 der Zeichnung näher erläutert. Diese
zeigen :
Figur 1 ein vereinfachtes Schaltschema der Stromversorgungseinrichtung
mit einem angeschlossenen Ionitrierofen,
Figur 2 den zeitlichen Verlauf der Sekundär-Wechselspannung
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel befindet sich in einem metallischen Unterdruckgefäss 10 mit einer Gaszuführung 11
und einer Gasableitung 12 das Werkstück 13, das beispielsweise in einer stickstoffhaltigen Atmosphäre mittels einer Glimmentladung
ionitriert werden soll. Das metallische Werkstück 13 ist über ein metallisches Kupplungsorgan 14 mit dem Innenlei-
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ter einer schematisch angedeuteten isolierten Stromdurchführung 15 verbunden, deren aussenliegender Anschluss 16 den negativen
Pol der Stromversorgungseinrichtung bildet. Der andere Pol 17 der Stromversorgungseinrichtung ist mit dem metallischen
Gefäss 10 und mit Erde verbunden. Zwischen den Anschlüssen 16 und 17 herrscht die Betriebsspannung ü_, deren zeitlicher Verlauf
schematisch in Figur 2 durch die Kurve wiedergegeben ist.
An der Spannung ü_ ist über den Spannungsteiler aus den Widerständen
18, 19 das Ueberwachungsgerät 20 angeschlossen, dem
auch der Spannungsabfall am Serienwiderstand 21 in der Zuleitung zum Anschluss 17 zugeführt wird. Die Funktion dieses Ueberwachungsgerätes
bedarf keiner ausführlichen Erläuterung, da es beispielsweise im schweizerischen Patent Nr. 499.825 ausführlich
beschrieben ist. Mit dem überwachungsgerät 20 ist ein
Steuergerät 22 verbunden, das nach dem bekannten sogenannten Phasenanschnittverfahren den Zündzeitpunkt der Thyratron- oder
Thyristor-Gleichrichter 28, 29, 30, 31 während jeder Halbperiode bestimmt. Dieser Zeitpunkt ist mit dem schematisch angedeuteten
Regler 23 von Hand einstellbar. Die Gleichrichter 28, 29 30, 31 bilden eine Vollweg-Gleichrichterschaltung für die Wechselspannung
der Sekundärseite 27 des Transformators 26.
Beim Ansprechen des Ueberwachungsgerätes 20 infolge einer stärkeren
Störung der Glimmentladung am Werkstück 13 erhält das Steuergerät 22 einen Steuerimpuls , der bewirkt, dass beim nächstfolgenden
Nulldurchgang der Wechselspannung im Sekundärkreis diese un-
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terbrochen bleibt und eine Wiedereinschaltung erst durch einen zweiten Steuerimpuls erfolgt, der vom Ueberwachungsgerät 20 nach
einer dort einstellbaren Verzögerungszeit automatisch abgegeben wird.
Die Primärseite 25 des Transformators 26 liegt über die Eisendrossel
24 am Stromnetz, eventuell unter Vorschaltung von Ents törungselementen zur Unterdrückung hochfrequenter Störungen
seitens der Gleichrichter 28, 29, 30, 31. Die Wirkung der Induktivität 24 wird nachstehend noch erläutert.
Prinzipiell wäre die oben beschriebene Stromversorgungseinrichtung
geraäss Figur 1 auch ohne die Eisendrossel 24 durchaus geeignet für den einwandfreien Betrieb eines Glimm- oder Gasentladungsprozesses
der beschriebenen Art, da durch die Ueberwachungseinrichtung 20, das Steuergerät 22 und die steuerbaren Gleichrichter
28, 29, 30, 31 dafür gesorgt ist, dass beim Auftreten einer Störung
im Entladungsvorgang die Betriebsspannung Uß beim nächstfolgenden
Nulldurchgang ausgeschaltet bleibt, bis nach einer von der Einstellung des Ueberwachungsgerätes 20 abhängigen Zeit die
Gleichrichter 28, 29, 30, 31 wieder zünden. Die Erfahrung hat aber gezeigt, dass beispielsweise bei der industriemässigen Ionitrierung
von Werkstücken, besonders der gleichzeitigen Behandlung einer Vielzahl verschiedener Werkstücke in einem gemeinsamen
Entladungsgefäss, die Häufigkeit der Störungen besonders beim
Anfahrvorgang zu Beginn des Ionitrierprozesses so gross ist, dass sich dieser Vorgang wegen der häufigen Abschaltungen auf
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viele Stunden erstrecken kann. Damit wird aber die Ausnützung des
betreffenden Ionitrierofens in unerwünschter Weise um die stark verlängerte Anfahrzeit vermindert, was bei einer vorbestimmten
Kapazität eines Ionitrierbetriebes die Aufstellung zusätzlicher Ionitrieranlagen erfordert. Durch die vorliegende Stromversorgungseinrichtung
mit dem Steuergerät 22 und der im Primärkreis vorgesehenen Induktivität 24 wird aber diese unerwünscht lange Ausdehnung
des Anfahrvorgangs beseitigt, ohne dass hierdurch Mangel
bei den behandelten Werkstücken auftreten.
Wie im Diagramm der Figur 2 angedeutet, erfolgt beim Nulldurchgang
der Betriebsspannung U nach dem Unterschreiten der Zündspannung U beim Punkt 33 ein Aussetzen des Entladungsvorgangs,
der aber normalerweise beim Wiederanstieg der Spannung nach dem Erreichen der Zündspannung U_ beim Punkt 34 wieder einsetzt. Die
Aussetzdauer tn beim Nulldurchgang der Betriebsspannung U be-
J. 13
trägt aber normalerweise nur eine Millisekunde oder weniger und ist ,zu kurz , um ein Abklingen eventuell im Entstehen begriffener
Störstellen an den Werkstückoberflächen zu ermöglichen, sodass nach dem Passieren des Punktes 34 durch die Betriebsspannung U
solche Störstellen weiterwirken und das Ansprechen des Ueberwachungsgerätes 20 und damit die kurzzeitige Ausschaltung des Ent- .'
ladungsgefässes 10 zur Folge haben. Durch die Induktivität 24 im Primärkreis 25 des Transformators 26 einerseits und richtige
Einstellung des Steuergerätes 22 andererseits wird dagegen erreicht , dass nach dem Nulldurchgang der Betriebsspannung U der
ID
Wiederanstieg erst nach der Zeit t2 erfolgt. Die Eisendrossel
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sorgt dafür, dass der Wiederanstieg der Spannung nach t_ nicht
so steil erfolgt, wie im Diagramm der Figur 2 schematisch angedeutet
, was die Gefahr für das Wiederauftreten der betreffenden
Störstellen vergrössern würde. Die Verlängerung der Aussetzdauer t_ kann derart gewählt und dem Reinheitsgrad der Oberfläche so angepasst
werden, dass eine Vielzahl von im Entstehen begriffener
kleineren Störstellen beim Wiedereinsetzen des Entladungsvorgangs nach ty genügend weit abgeklungen sind, um ein Ansprechen der
Ueberwachungseinrichtung 20 während der nachfolgenden Halbwelle der Betriebsspannung U zu vermeiden. Dies bewirkt aber, dass
beim Anfahrvorgang eines Gas- und Glimmentladungsprozesses die
Ansprechhäufigkeit der Ueberwachungseinrichtung 20 stark reduziert wird, was erfahrungsgemäss eine wesentliche Verkürzung der
insgesamt erforderlichen Anlaufdauer bewirkt.
Beispielsweise wird beim Betrieb eines Ionitrierofens mit einer Nennleistung von etwa 40 kW mit einer mittleren Betriebsspannung
von 500 V häufig ein Anfahrvorgang bis zu 5 Stundendauer beobachtet. Wird dagegen eine Induktivität 24 in den Primärkreis eingeschaltet
, die im vorliegenden Fall aus einer Eisendrossel von 3,2 mHy ausgelegt für etwa 20 kVA besteht, so kann die Anfahrdauer
bei der gleichen Art von Werkstücken auf etwa 1/2 bis 2 Stunden vermindert werden. Bei einer normalen Nitrierzeit von 6 bis 8
Stunden bedeutet die Einsparung von 2 bis 3 Stunden Anfahrzeit aber eine wesentliche Verbesserung des Wirkungsgrades des betreffenden
Nitrierofens, da nunmehr der Durchsatz an Nitriergut beim
Dauerbetrieb der Anlage um etwa 25 - 40 % vergrössert ist. Bei
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dieser Stromversorgungseinrichtung wird während des Anfahrvorgangs
die Verzögerungszeit t_ entsprechend dem Leistungsbedarf zum Erhitzen der Werkstücke eingeregelt und nicht kleiner als etwa
6 - 7 ms gemacht. Mit zunehmendem Reinheitsgrad kann dann t2 vermindert werden, bis beim normalen Betriebszustand etwa
tj a 2 ms erreicht sind, welcher Wert nicht unterschritten werden
sollte.
Natürlich wird durch die Verlängerung des Nulldurchgangs der Betriebsspannung
keineswegs die Ueberwachungseinrichtung und die von ihr betätigte Schnellabschaltung unnötig. Nur wird jetzt die
Ansprechhäufigkeit dieser Ueberwachungseinrichtung trotz gleicher Empfindlichkeit derselben vermindert und auf jene Fälle beschränkt
, bei denen die Störursache auch innerhalb des verlängerten Nulldurchgangs der Betriebsspannung nicht abgeklungen ist.
Trotz des gesteigerten Wirkungsgrades ,der mit der beschriebenen
Stromversorgungseinrichtung erreicht wird, werden einwandfrei nitrierte Oberflächen erzielt, die frei sind von sogenannten Entladungsfiguren
oder Brennstellen.
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Claims (1)
- PATENTANSPRUCHStromversorgungseinrichtung zum Betrieb von Gasentladungsbehältern zur Behandlung metallischer Werkstücke , insbesondere von Ionitrieröfen, mit einem Transformator und Gleichrichtern zur Herstellung der Betriebsspannung aus dem Wechsel- oder Drehstromnetz , mit einer kontinuierlich arbeitenden Regeleinrichtung für die Betriebsspannung, mit einer Ueberwachungseinrichtung für den Entladungsvorgang während des Prozesses und mit einem schnellwirkenden Schalter zur kurzzeitigen Unterbrechung des Betriebs beim Ansprechen der Ueberwachungseinrichtung, gekennzeichnet durch eine im Primärkreis des Transformators befindliche Eisendrossel, durch einen im Sekundärkreis vorgesehenen Vollweg-Gleichrichter mit Thyratron- oder Thyristor-Einrichtungen und einer Zündsteuerung zur kontinuierlichen Einstellung der Phasenlage bei deren Zündung zwecks Regelung der Betriebsspannung,durch gleichzeitige Verwendung dieser Zündsteuerung zur Unterdrückung der erneuten Zündung nach einem Nulldurchgang der Sekundär-Wechselspannung mittels eines beim Ansprechen der Ueberwachungseinrichtung erzeugten Steuerimpulses , und durch eine dem erreichten Reinheitsgrad der Werkstücke entsprechende Einstellung der Phasenlage zur zeitlichen Verzögerung des auf jeden Nulldurchgang folgenden Wiederanstiegs der Sekundärspannung solange, bis kleinere Entladungsstörungen an den Werkstückoberflächen abgeklungen sind.409836/0682
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