DE2716332C3

DE2716332C3 - Stromversorgungseinheit für eine Plasma-Anlage

Info

Publication number: DE2716332C3
Application number: DE2716332A
Authority: DE
Inventors: Paul Zurzach Boeninger
Original assignee: PLASMAINVENT AG ZUG CH
Current assignee: PLASMAINVENT AG ZUG CH
Priority date: 1977-04-13
Filing date: 1977-04-13
Publication date: 1982-01-28
Also published as: DE2716332A1; CH629611A5; DE2716332B2; US4224662A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungseinheit für eine Plasma-Anlage insbesondere Plasma-Spritzanlage, mit einem eingangsseitigen Trenntransformator und einer den Transformator ein- und ausschaltenden Thyristoranordnung, die von einem Steuersatz gezündet wird, der von einem Spannungsregler angesteuert ist, wobei dem Spannungsregler die am Plasmabrenner abgegriffene Spannung und eine Referenzspannung zugeführt wird und ein Stromwandler zur Messung des Plasmastromes derart vorgesehen ist, daß bei Erreichen des Zündzeitpunktes des Plasmas der Spannungsregler derart beeinflußt wird, daß der Steuersatz von einem aus einem Soll-Wertgeber für den Plasmastrom und einem nachgeschalleien Integricrglied bestehenden Schaltungstcil gesteuert ist.

Bei einer bekannten Stromversorgungseinheit mit Trenntransformator, Stromrej/clariordnung und Gleichrichteranordnung wird die Spannung des Drehstromnetzes in dem 'Irerir.iranslonriaior heruntertransformiert, der Sekundarstioin iibi.-r I ransdukiorcn gesteuert und dann über Siliziumdioden gleichgerichtet. Der jil(:i(.hyi:ri<.hn:ii; Snom i.neidii über eine .Seriendrossel f|':ti l'l;iMn;ib(i:titi«:r VrIbM. Der Plasmastrom wird ;":in':v.<:ii uri'l Ί·:ιιι':νγ.|ιη:< heiid die Magnetisierung der I ;;ιΐι·.ΊΐιΐΊ')[':η ubm innen Dreipunktregler und einen Ι'ι:;'<:Ιπ;ιμ·.Ι</ιπι;ιιοι ;M;;iii<lert. Hei Kurzschluß oder (X'rr.iioiii wiifl i|i:r Gleichrichter über ein Stromrelais

Der Plasmabrenner selbst liegt nicht nur an der Stromversorgungseinheit, welche ihm den Plasmastrom als Arbeitsstrom zuführt, sondern weiter an einem Hf-Zündgerät, mit dessen Hilfe der Bogen im Plasmabrenner gezündet wird. Die Plasmastromregelung ist verhältnismäßig langsam, und bei Überstrom oder Kurzschluß muß ein Abschalten der gesamten Gleichrichteranordnung erfolgen

Eine Stromversorgungseinheit für eine Plasma-Anlage der eingangs beschriebenen Art ist durch die DE-OS 22 44 472 bekanntgeworden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungseinheit der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, welche eine schnelle, genaue und stufenlose Regelung des Plasmastromes sowie ein Halten der Leerlaufspannung der Plasma-Anlage auch bei einem Ausfall des Plasmastromes auf einem vorbestimmten Wert ermöglicht, von welchem Wert aus mit dem Strom-Sollwertgeber hochgeregelt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

a) an dem Spannungsregler ein Spannungs-Sollwert für den Leerlauf der Plasma-Anlage eingebbar ist,

b) dem Spannungsregler ein Stromregler unterlagen ist, dessen Ausgang mit dem Eingang des Steuersatzes für die Thyristoranordnung verbunden ist,

c) der Strom-Istwert sowohl dem Spannungsregler zum Zwecke einer Überlaufregelung durch den Strom zur Regelung auf maximal erreichbare Spannung als auch dem Stromregler derart zugeführt ist, daß vom Integrierglied mit vorgeschaltetem Soll-Wertgeber der Strom hochregelbar ist und bei Abfallen des Stromes eine Spannungsregelung auf die durch ein Potentiometer vorgegebene Leerlaufspannung erfolgt.

Eine solche Stromversorgungseinheit ermöglicht sehr schnelle, genaue und stufenlose Regelung des Plasmastromes und ist unempfindlich gegen Netzspannungsschwankungen. Dank kleiner Verlustleistungen hat die Stromversorgungseinheit einen hohen Wirkungsgrad. Weiter erfolgt infolge der dauernden Regelung des Stromes kein ungewolltes Abstellen, nicht einmal bei einem auftretenden Kurzschluß, da auch ein auftretender Kurzschlußstrom im wesentlichen auf den vorgegebenen Plasmastromwert begrenzt werden kann.

Die Leerlaufspannung kann unter die vorgeschriebenen bzw. empfohlenen Werte von beispielsweise 75 V Gleichspannung eingestellt werden. Für den Plasmabrenner ergibt sich infolge der genauen Plasmastromregelung eine günstigere Standzeit verglichen mit bekannten Anlagen. Schließlich ist die Stromversorgungseinheit erheblich leichter und kompakter und doch zugänglicher als bekannte Stromversorgungseinheiten aufzubauen.

Durch die Ausbildung der äußeren Spannungsregelschleife derart, daß bei Strom Null auf eine vorbestimmte Leerlaufspannung und bei fließendem Strom auf maximal erreichbare Spannung geregelt wird, werden durch die begrenzte Leerlaufspannung und durch die sehr schnelle Stromregelung dynamische Stromspitzen beim Zünden des Lichtbogens im Plasmabrenner vermieden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen

Stromversorgungseinheil fur eine Plasma-Anlage, und

F i g. 2 ein Schaltbild der Thyristoranordnung für die Stromversorgungseinheit in Fig. 1 samt nachgeschaltetem Filter.

Die in Fig. 1 dargestellte Stromveisorgungseinheit enthält ein Potentiometer oder einen Spannungsteiler 1, an welchem der Spannungs-Sollwert der Einheil für Leerlauf, d. h. die Leerlaufspannung eingestellt wird. Die Einstellung des Spannungs-Sollwertes erfolgt an einem Spannungsregler 2, auf dessen Eingang sowohl die .,, Spannung des Plasmabrenners 15 als auch der Plasmastrom selbst Ober einen Stromwandler 11 unmittelbar hinter einem Trenntransformator 10 vom Netz her und über eine Stromwandlerbürde 6 zurückgeführt find. Der Ausgang des Spannungsreglers , , 2 ist auf einen Stromregler 5 geschaltet. Der Stromregler 5 erhält seinen Strom-Sollwert über einen Sollwertgeber in Form eines Potentiometers 3 und über ein Integrierglied oder einen Nachiaufintegrator 4. Auf den Eingang des Stromreglers 5 ist der Plasmastrom geführt, und zwar ebenfalls über den Stromwandler 11 und die Stromwandlerbürde 6.

Der Stromregler 5 arbeitet auf einen Steuersatz 7, welcher seinerseits die Thyristoren einer Thyristoranordnung 13 in Drehstrombrückenschaltung steuert.

Die Thyristoranordnung 13 ist eingangsseitig an den Trenntransformator 10 und ausgangsseitig an ein Filter

14 angeschlossen. Am Ausgang der Thyristoranordnung 13 wird über einen Gleich/Gleich-Wandler 8 der Istwert für den Spannungsregler 2 abgenommen. Auf der in Eingangsseite der Thyristoranordnung 13 ist ein Überspannungsbegrenzer 12 vorgesehen. Am Ausgang des Filters 14 ist der Plasmabrenner 15 angeschlossen.

Die Thyristoren der Thyristoranordnung 13 sind Silizium-Scheibenthyristoren, welche in Drehstrom- i > brückenschaltung angeordnet sind. Die Steuerung von Strom und Spannung der Thyristoranordnung erfolgt gleichzeitig mit der Gleichrichtung in den Silizium-Scheibenthyrstoren, wodurch sich eine sehr schnelle und verlustarme Steuerung ergibt. -to

Der Plasmastrom wird ständig überwacht und geregelt.

Eine Überlastung der Stromversorgungseinheit kann infolge der beschriebenen Ausbildung nicht auftreten, da sogar bei Kurzschluß der Sollwert des Plasmastroms 4> nicht überschritten wird und dementsprechend die Stromversorgungseinheit nicht abgestellt werden braucht. Die elektronische Regelung des Plasmastromes auf dem am Potentiometer 3 eingestellten Sollwert erfolgt sehr schnell und sehr genau. to

Vor dem Zünden des Lichtbogens im Plasmabrenner

15 wird mit Hilfe des Spannungsreglers 2 auf eine Leerlaufspannung geregelt, die so hoch liegt, daß bei einsetzender Hochfrequenzspannung eine Ionisation im Plasmabrenner stattfinden kann. Das Anlegen einer ^ri5 Hochfrequenzspannung an den Plasmabrenner führt damit zur sofortigen Zündung. Der resultierende Strom kann jedoch infolge der vorgesehenen Regelung auch dynamisch keinen Überstromstoß erzeugen.

Nach erfolgter Zündung wird durch Überlaufrege- bo lung durch den Strom die äußere Spannungsregelschleife voll durchgesteuert, so daß die je nach Bedarf maximal erreichbare Spannung zur Verfügung steht. Im Betrieb wird dabei über die innert Stromregelschleife nur noch auf konstanten Plasmastrom geregelt. Sobald der T'lasmastrom jedoch auf Null sinkt, übernimmt die ä'ißere Spannungsregelschleife erneut die Regelung auf die vorgewählte Leerlaufspannung.

Die beschriebene Regelung ist nicht nur außerordentlich schnell, sondern die Stromversorgungseinheit ist auch unempfindlich gegen Spannungsschwankungen. So können beispielsweise ±10% Spannungsschwankungen zeitlich begrenzt oder dauernd auftreten, ohne daß die Funktion der Stromversorgungseinheit beeinträchtigt wird.

Der Nachlaufintegrator 4. über welchen der am Potentiometer 3 eingestellte Sollwert des Plasmastroms an den Stromregler 5 weitergegeben wird, ist in der Zeit einstellbar. Der auf der Eingangsseite der Thyristoranordnung 13 vorgesehene Überspannungsschutz 12 macht Überspannungen und c/u/c/f-Spitzen unwirksam.

F i g. 2 zeigt schemalisch ein Schaltbild der Thyrisioranordnung 13 und des nachgeschalteten Filters 14. Die Thyristoranordnung 13 enthält sechs in Drehstrombrükkenschaltung geschaltete Thyristoren 16 und ist mit ihren Ausgangsanschlüssen auf die Eingangsanschlüsse des Filters 14 geschaltet. Der Eingang des Filters 14 wird vor einem RC-C\\ed in Form der Reihenschaltung eines Widerstands 17 mit einem Kondensator 18 überbrückt. Parallel zu dem RC-GWed ist als Hf-Schutz der Thyristoranordnung 13 von der Wechselstromseite her ein Überspannungsbegrenzer 25 geschaltet. Der Überspannungsbegrenzer 25 ist zweckmäßig Avalanche-Diode.

Dem Filter 14 folgt dann eine in Reihe geschaltete Drossel 19 sowie ein quergeschalteter Filterkondensator 20. Parallel zu dem Filterkondensator 20 und den Ausgangsklemmen ist ein weiteres /?C-Glied bestehend aus einem Widerstand 21 und einem Kondensator 22 geschaltet. Die beiden äußeren Anschlüsse dieses /?C-Gliedes sind jeweils über eine Hf-Drossel 23 auf die Ausgangsanschlüsse 24 des Filters 14 geschaltet. Das Filter 14 besteht somit aus einem schwingfähigen System mit zusätzlichem Hf-Schutz und di/dt-Begrenzung.

Mit dem Filter 14 wird eine harte Ausgangscharakteristik für den Ausgangsstrom, d. h. eine Stromspannungskennlinie mit scharfem Knick erreicht, und der Plasmastrom kann auch bezüglich der überlagerten Wechselstromenergie genau beherrscht werden. Damit wird auch die Standzeit der Anoden und Kathoden des Plasmabrenners 15, d. h. der Düsen und der Elektroden, erheblich verbessert.

Die beschriebene Stromversorgungseinheit mit dem besonderen Filter 14 zeigt somit bezüglich des Plasmastroms am Plasmabrenner 15 keine fallende, sondern eine relativ starre Stromspannungskennlinie. Außerdem weist die Stromversorgungseinheit eine adaptive Spannungsregelung in Abhängigkeit des Plasmastroms auf. Solange der Plasmastrom fließt, steht ständig die maximale Spannung zur Verfügung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Stromversorgungseinheit für eine Plasma-Anlage, insbesondere Plasma-Spritzanlage, mit einem eingangsseitigen Trenntransformator und einer den Transformator ein- und ausschaltenden Thyristorarordnung, die von einem Steuersatz gezündet wird, der von einem Spannungsregler angesteuert ist, wobei dem Spannungsregler die am Plasmabrenner abgegriffene Spannung und eine Referenzspannung zugeführt wird und ein Stromwandler zur Messung des Plasmastromes derart vorgesehen ist, daß bei Erreichen des Zündzeitpunktes des Plasmas der Spannungsregler derart beeinflußt wird, daß der Steuersatz von einem aus einem Soll-Wertgeber für den Plasmastrom und einem nachgeschalteten Integrierglied bestehenden 3chaltungsteil gesteuert ist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) an dem Spannungsregler (2) ein Spannungs-Sollwert für den Leerlauf der Plasma-Anlage eingebbar ist,

b) dem Spannungsregler (2) ein Stromregler (5) unterlagen ist, dessen Ausgang mit dem Eingang des Steuersatzes (7) für die Thyrisloranordnung (13) verbunden ist,

c) der Strom-Istwert sowohl dem Spannungsregler (2) zum Zwecke einer Überlaufregelung durch den Strom zur Regelung auf maximal erreichbare Spannung als auch dem Stromregler (5) derart zugeführt ist, daß vom Intergrierglied (4) mit vorgeschaltetem Soll-Wertgeber (3) der Strom hochregelbar ist und bei Abfallen des Stromes eine Spannungsregelung auf die durch ein Potentiometer (1) vorgegebene Leerlaufspannung erfolgt.