DE3151241C2 - Leistungsgesteuerter Stromgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen leistungsgesteuerten Stromgenerator, der insbesondere zur Speisung in einer Anordnung bestimmt ist, bei der es zu einer Entladung in einer verdünnten Gasatmosphäre kommt.

In der US 3 914 575 ist ein Stromgenerator zur Speisung von Gas-Entladungsgefäßen, die zur Bearbeitung von metallischen Werkstückoberflächen dienen, beschrieben. Für die Bereitstellung und Anpassung der Arbeitsspannung enthält die Leistungseinrichtung einen Transformator, eine im Sekundärkreis des Transformators angeordnete Thyristor- oder Thyratron-Vollweggleichrichtung und eine Zündsteuereinrichtung für die Zündung der Gleichrichterelemente.

Die Leistungseinrichtung enthält eine Überwachungseinrichtung für die Entladung, wobei die Zündsteuereinrichtung als ein schnell ansprechender Schalter fungiert, der die Entladung während einer Anzahl von Perioden unterbricht.

Die US 3 579 029 offenbart eine Überwachungseinrichtung für eine Glimm-Entladungsein­ richtung, bei der die Strom- und Spannungsverhältnisse am Verbraucher mit vorgegebenen Größen verglichen werden und bei dem ein Schmitt-Trigger ein Steuersignal erzeugt, wenn die Spannung-Strom-Verhältnisse eine unsichere Arbeitsweise signalisieren.

In der JP-A2 53-29 522 (Abstract) ist ein Transformator mit sekundärseitiger Gleichrichtung offenbart, bei dem beide primärseitigen Zuleitungen durch Transistoren zu- und abschaltbar sind und bei dem zur Rückgewinnung der eingespeisten Energie bei gesperrten Schaltern kreuzweise geschaltete Dioden zwischen Primärwicklung und Spannungsquelle zum Energierückfluß wirksam werden.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Generator zu schaffen, dessen Innenimpedanz voll­ ständig der des sich aus der Entladung ergebenden Gasplasmas angepaßt ist und die mit sehr kurzer Ansprechzeit auf jeglliche Intensitätsüberschrei­ tung reagiert, die durch eine Bogenbildung bedingt ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Generator geschaffen, der eine Speisevorrichtung besitzt, durch die ein pulsierender Gleichstrom kon­ stanter Frequenz und variabler Impulsbreite in den Primärkreis einer Induktionsspule eingespeist wird. Der Sekundärkreis der Induktionsspule liegt an einem Empfänger, wie einer Entladevorrichtung in einer gasförmigen Um­ gebung (Entladungsröhre) und weist eine Regelvorrichtung auf, durch die die Breite eines jeden der Impulse ge­ regelt werden kann, indem dieser Impuls dann unter­ brochen wird, wenn die im Primärkreis fließende Intensi­ tät des Stroms gleich einem einer Sollstromstärke repräsentativen Signal wird.

Mit einem derartigen Generator ist es für jeden der Impulse möglich, die vom Verbraucher geforderte Energie in Abhängigkeit von deren Bedarf zu speichern und sie danach diesem zur Verfügung zu stellen.

Wenn man an den Klemmen einer Induktanz eine Potentialdifferenz Ve schafft, beträgt der in der Induktanz fließende Strom i nach einem linearen Gesetz:

wobei Ve der Wert der gleichgerichteten an die Induktanz gelegten Spannung und L der Induktions­ koeffizient der Induktanz ist.

Demnach speichert während der gesamten Stromdurch­ gangszeitspanne in der Induktanz letztere eine Energie W, die gleich 1/2 (LI_f ²) ist. I_f ist der zum Zeitpunkt der Unterbrechung des Stromdurchgangs betragende Endwert, der von der Zeit t oder der Spannung Ve (wenn t konstant ist) abhängt. Die gespeicherte Stromstärke kann demnach durch Einwirken auf die Zeit t oder auf die Spannung Ve geregelt werden.

Zum Zeitpunkt der Stromunterbrechung (Ende des Strom­ stoßes der Speisevorrichtung) wird die gespeicherte Energie mit der gewünschten Polarität zum Empfänger hin geführt.

Der Vorteil dieses Systems beruht demnach auf der Tatsache, daß z. B. für eine, einer be­ sonderen Behandlungsart entsprechenden, festgelegte Stromstärke bei beliebiger, an die Eigenart des Empfängers gebundener Spannung, z. B. des Plasmas, der Generator die geforderte Stromstärke zu jedem Zeit­ punkt liefert.

Es ist somit klar, daß auf Grund der Tatsache, daß die Regelung bei konstanter Leistung durch­ geführt wird, der Generator parallel zu den umgekehr­ ten Spannungsschwankungen am Ausgang der Sekundärspule Intensitätsschwankungen entstehen läßt.

Bei dieser Vorrichtung kommen jeweils ein Organ, das die in der Sekundärspule fließende Stromintensität erfaßt und die Spannung an den Anschlüssen dieser Spule mißt, sowie eine Logikschaltung zum Einsatz, die die Impulsaussendung für den Fall unterbrechen soll, wenn gleichzeitig die Stromintensität einen vorge­ gebenen Schwellenwert überschreitet und die Spannung einen vorgegebenen Schwellenwert unterschreitet.

Erfindungsgemäß umfaßt die Speisevorrichtung einen Gleichstrom­ generator, der über eine durch einen Impulsgenerator variabler Impulsbreiten gesteuerte Schaltvorrichtung (ein­ facher Wechselbetrieb) an der Primärspule liegt. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Doppelwechselbetrieb mit zwei Induktionsspulen und zwei Schaltvorrichtungen vorgesehen. Hierbei arbeiten beide Schaltvorrichtungen ausgehend vom gleichen Impulsgenerator gegengeschaltet, und zwar der­ art, daß die eine Spule ihre Energie wiederherstellt, während die andere die ihre speichert (doppelter Wechselbetrieb).

Die Merkmale der Erfindung und deren technische Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbin­ dung mit den Ansprüchen und Zeichnungen. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Grund­ schaltplans eines Generators mit soge­ nanntem einfachen Wechselbetrieb;

Fig. 2 eine Zustandstabelle der Größen der in dem in Fig. 1 dargestellten Generator für die Bogenabschaltung verwendeten Logik­ schaltung;

Fig. 3 einen Grundschaltplan eines Generators mit sogenannten doppelten Wechselbetrieb; und

Fig. 4 einen Grundschaltplan eines mit Thyristortechnik ausgelegten Generators in der Art des in Fig. 3 dargestellten Generators.

Der im Beispiel der Fig. 1 dargestellte Stromgenera­ tor weist zunächst eine Gleichstromquelle auf, von der nur die Anschlüsse (+) und (-) eingezeichnet sind. Diese Anschlüsse (+, -) liegen an der Primärwicklung 1 einer Spule 2, und zwar über eine Schaltvorrichtung 3 (mit je einem Umschalter 4, 5 pro Leitung), die von einem Impulsgenerator 6 gesteuert wird, der einen Taktgeber 7 konstanter Frequenz aufweist, der an eine monostabile Kippschaltung 8 angeschlossen ist, deren metastabile Periode (Impulsbreite) steuerbar ist.

Im Primärschaltkreis der Spule 2 ist ein Organ 9 eingeschaltet, durch das an einen Komparator 10 ein die Intensität des Stroms I₁ darstellendes Signal gegeben werden kann.

Der Komparator 10 vergleicht dieses Intensitäts­ signal mit einem für die Stromstärke typischen einstellbaren Sollwert (Pfeil 11) und überträgt an die Kippschaltung 8 dann ein Signal, wenn das Intensitätssignal I₁ einen bestimmten Sollwert überschreitet.

Somit verändert die Kippschaltung 8 die durch den Taktgeber 7 erzeugten Impulse und bewirkt die Schließung der Umschalter 4 und 5. Sie verbleibt in diesem neuen Zustand bis zu dem Zeitpunkt, in welchem der vom Organ 9 erfaßte Strom I₁ das Sollsignal überschreitet. Zu diesem Zeit­ punkt sendet der Komparator 10 ein Signal aus, durch das die Kippschaltung 8 in ihren Ausgangszustand zurückgebracht wird und folglich die Umschalter 4, 5 wieder geöffnet werden. Dieser Vorgang läuft bei jedem Impuls des Generators erneut ab.

Es ist hierbei zu bemerken, daß jeder der Umschalter auf herkömmliche Art über eine Schutzdiode 13, 14 in Nebenschluß liegt, wodurch auch die Überschußenergie an die Stromquelle zurückgeführt werden kann.

Wie bereits erwähnt liegt die Sekundärwicklung 15 der Spule an den Klemmen einer Entladeeinrichtung in einer verdünnten Atmosphäre F, beispielshalber einem Ionenbeschuß-Vergüteofen, und zwar über einer Schal­ tung, die in Serie geschaltet einen Detektor 16, durch den die Stromintensität I₂ gemessen werden kann, und parallel geschaltet einen Detektor 17 aufweist, der an den Klemmen der Sekundärwicklung 15 die Spannung Vs mißt, wobei eine Diode 18 in Gegenrichtung auf dem negativen Zweig des Schaltkreises zwischengeschaltet ist.

Die beiden Detektoren 16, 17 liegen über zwei Komparatoren 21 bzw. 22 an einer Logikschaltung 20. Die Komparatoren liefern dabei nur dann ein Signal, wenn gemessene Spannung Vs oder die Inten­ sität I₂ einen bestimmten Schwellenwert Si, Sv überschreitet.

Die Logikschaltung 20 ist dazu bestimmt, das Anhalten des Taktgebers 7 in dem Fall zu steuern, wenn die ermittelte Intensität I₂ auf einem gegenüber dem Schwellenwert Si höheren Niveau liegt und wenn die ermittelte Spannung Vs den Schwellenwert Sv unter­ schreitet, was insbesondere bei der Bogenzündung auftritt.

In der Zustandstabelle der Fig. 2 sind mit 0 die Werte der Spannung Vs und der Intensität I₂, die unter dem Schwellenwert Si bzw. Sv liegen, sowie die Abgabe seitens der Logikschaltung 20 des die Sperrung des Taktgebers steuernden Signals ange­ zeigt. Dagegen entspricht 1 den die Schwellenwerte Sv bzw. Si überschreitenden Werte und der Nicht­ abgabe des Sperrsignals der Logikschaltung 20.

Nach Fig. 3 weist der mit Doppelwechselbetrieb arbeitende Generator zwei Schaltvorrichtungen 3′, 3″ und Induktionsspulen L₁, L₂ auf, die der Schaltung der Fig. 1 entsprechen und die an ein und derselben Gleichstromquelle (Klemmen +, -) liegen, wobei deren Ausgangskreise je nach den entsprechenden Pola­ ritäten an den Klemmen der Entladungseinrichtung F angeschlossen sind.

In diesem Beispiel werden die Umschalter 4′, 5′, 4″, 5″ beider Umschaltungen 3′, 3″ mittels eines (nicht dargestellten) Impulsgenerators gegenge­ schaltet gesteuert.

In dem in Fig. 4 dargestellten Stromgenerator, der in seiner Prinzipschaltung dem Generator der Fig. 3 entspricht, bestehen die Umschalter 4′, 5′ und 4″, 5″ jeweils aus einem in Serie geschalteten Thyristorpaar (ThA, ThA′), (ThB′, ThB), (ThA₁, ThA′₁) und (ThB′₁, ThB₁).

Im übrigen liegen die Anschlüsse über den Thyristo­ ren (ThA₁, ThA′₁) wie folgt:

• - einerseits über einem Kondensator C₁ an der Ver­ bindungsstrecke zwischen dem Thyristorenpaar (ThA, ThA′) und
• - andererseits über einem Schaltkreis, der in Serie geschaltet eine Diode D₁, eine Selbstinduktionsspule und eine Diode D′₂ aufweist, an der Verbindungsstrecke zwischen dem Thyristorenpaar (ThB′, ThB).

Im Analog liegen die Anschlüsse unter den Thyristo­ ren (ThB′₁, ThB₁) wie folgt:

• - einerseits über einem Kondensator C₂ an der Verbin­ dungsstrecke zwischen dem Thyristorenpaar (ThB′, ThB) und
• - andererseits über einem Schaltkreis, der in Serie geschaltet eine Diode D′₁, eine Selbstinduktions­ spule S₂ und eine Diode D₂ aufweist, an der Verbin­ dungsstrecke zwischen dem Thyristorenpaar (ThA, ThA′).

Gleichermaßen wie in dem vorhergehenden Beispiel beschrieben umfaßt dieser Schaltkreis darüber hin­ aus dem Schutz und der Energierückführung dienende Dioden, die den Spulen L₁ und L₂ sowie den Selbst­ induktionsspulen S₁ und S₂ zugeordnet sind.

Die Ansteuerung der Thyristoren ThA, ThA′, ThB′, ThB und ThA₁, ThA′₁, ThB′₁, ThB₁ erfolgt mittels einer (nicht dargestellten) Steuerschaltung nachstehender Betriebsweise:
Ausgehend von einem Anfangszustand, gemäß dem keiner der Thyristoren beansprucht ist, wird an den Steuer­ anschluß der Thyristoren ThA, ThA′, ThB′, ThB ein Steuerimpuls gegeben, worauf diese leitend werden.

Hierauf wird die Selbstinduktionsspule S₂ von einem Strom durchströmt, mit der Folge
einerseits der Aufladung des Kondensators C₁ kraft des auf der positiven Seite den Thyristor ThA und auf der negativen Seite den Thyristor ThB, die Diode D′₂, die Selbstinduktionsspule S₁ und die Diode D₁ umfassenden Schaltkreis und
andererseits der Aufladung des Kondensators C2 kraft des auf der positiven Seite den Thyristor ThA, die Diode D₂, die Selbstinduktionsspule S₂ und die Diode D′₁ und auf der negativen Seite den Thyristor ThB umfassenden Schaltkreis, wobei die Selbstinduktions­ spulen S₁ und S₂ vorgesehen sind, um die Aufladungs­ zeiten der Kondensatoren C₁ und C₂ (Verringerung von zu erhöhen.

Sind einmal die Kondensatoren C₁, C₂ geladen, steht die Einheit für die dann folgende Um­ schaltung bereit, wobei als selbstverständlich gilt, daß die minimalen Leitungszeiten der Thy­ ristoren ThA, ThA′, ThB, ThB′ hinreichend lang be­ messen sind, so daß die Kondensatoren gut aufgela­ den werden.

Um den Stromfluß in der Spule L₂ anzuhalten, wird ein Steuerimpuls an die Thyristoren ThA₁ und ThB₁ gelegt, die leitend werden, wobei gleichzeitig die Thyristoren ThA′₁ und ThB′₁ gesperrt werden.

Somit kommt es an den Klemmen der Thyristoren ThA und ThB zu einer Polaritätsumkehrung und demzufolge zu einer Sperrung dieser beiden Thyristoren.

Darüber hinaus laden sich die Kondensatoren C₁ und C₂ auf und bewirken bei Ladungsabschluß durch natürliche Umschaltung die Sperrung der Thyristoren ThA″, ThB′ und ThA₁, ThB₁ (Verschwinden des Stroms an den Klemmen dieser vier Thyristoren).

Hiernach erhalten die Thyristoren ThA′₁, ThB′₁ und ThA₁, ThB₁ einen Steuerimpuls, so daß sie leitend werden. Demgemäß fließt der Strom in der Spule L₁ während der gewünschten Dauer, nach dessen Ablauf an die Thyristoren ThA, ThB ein Steuerimpuls gelegt wird, die daraufhin leitend werden und eine Sperrung der Thyristoren ThA₁, ThB₁ bewirken. Sind erst ein­ mal die Thyristoren ThA′₁, ThB′₁ und ThA, ThB durch natürliche Umschaltung gesperrt, wird ein Steuerim­ puls an die Thyristoren ThA″, ThB′ und ThA, ThB ge­ legt, was zu einem Stromfluß in der Spule L₂ während der gewünschten Dauer führt, an deren Ende eine neue Folge eingeleitet werden kann, indem zunächst die Umschaltung der Thyristoren ThA₁ und ThB₁ be­ wirkt wird usw. . . .

Es ist bei schwachen Stromstärken auch möglich, den Schaltkreis dadurch zu vereinfachen, daß nur die nur auf der einen Seite der Spulen L₁ und L₂ gelegenen vier Thyristoren, bei­ spielshalber die Thyristoren ThA, ThA′; ThB′, ThB oder umgekehrt die Thyristoren ThA₁, ThA′₁; ThB′₁, ThB₁ verwendet werden, wobei das Um­ schaltungsprinzip das gleiche bleibt.

Darüber hinaus ist es übrigens bei den vorstehend beschriebenen Generatoren auch möglich, für ge­ ringe Impulsbreiten die Leistung dieser Generatoren dadurch anzupassen, daß man die Impulsfrequenz verän­ derlich hält. Ein derartiger Betrieb eignet sich insbesondere für die Entpassivierungs- oder Beizungs­ phase bei einer Wärmebehandlung oder Vergütung durch Ionenbeschuß.

Claims (7)

1. Leistungsgesteuerter Stromgenerator zur Speisung einer Last mit pul­ sierendem Gleichstrom konstanter Frequenz und variabler Impuls­ breite, wobei die Impedanz der sich hinsichtlich Spannungs- und Stromcharakteristika regellos verhaltenden Last ständig gemessen wird und wobei unerwünschte Betriebszustände der Last zu einer zeitlich begrenzten Abschaltung des Stromgenerators führen, gekennzeichnet durch,

• - eine Induktionsspule (2) mit Primär- und Sekundärwicklung (1, 15), wobei
• - die Primärwicklung (2) über eine steuerbare Schaltvorrichtung (3) mit einer Gleichspannungsquelle verbindbar ist, wobei
• - die Schaltvorrichtung (3) von einem Impulsgenerator (6) mit Impulsen angesteuert wird, deren Breite durch Soll-Istwert-Ver­ gleich des Stromes (J₁) in der Primärwicklung (1) beeinflußbar ist, wobei
• - in der Induktionsspule (2) gespeicherte Energie nach dem Sperren der Schaltvorrichtung (3) mittels der Sekundärwicklung (15) über einen Gleichrichter (Diode 18) an die Last (F) abgegeben wird und überschüssige Energie von der Primärwicklung zur Gleichspannungs­ quelle zurückgeführt wird und wobei
• - Spannung (Vs) und Strom (J₂) an der bzw. durch die Last mittels Detek­ toren (17, 16) erfaßt, mittels Komparatoren (22, 21) mit Sollwerten (S_v, S_i) verglichen und die Vergleichsergebnisse einer Logikschal­ tung (20) zugeführt werden, deren Ausgang mit dem Impulsgenerator ver­ bunden ist.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikschaltung (20) die Erzeugung von Taktimpulsen im Im­ pulsgenerator (6) unterbricht, wenn die Spannung (V_S) an der Last den Sollwert (S_V) unter- und gleichzeitig der Strom in der Last (J₂) den Sollwert (S_i) überschreitet.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (3) aus zwei simultan betätigten Schaltern (4, 5) besteht, von denen je einer an einer Seite der Primärwicklung (1) angeschlossen ist und zwei Dioden (13, 14) derart mit der Primär­ wicklung (1) und der Gleichspannungsquelle verbunden sind, daß bei gesperrten Schaltern ein Energiefluß von der Induktionsspule (2) zur Gleichspannungsquelle möglich ist.

4. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsspule in zwei parallelgeschaltete Induktionsspulen (L₁; L₂) aufgeteilt ist, von denen jeweils die Primärwicklung eine steuerbare Schaltvorrichtung (3′, 3″) besitzt und daß die steuerbaren Schaltvorrichtungen (3′, 3″) vom Impulsgenerator (6) gegenläufig schaltbar sind.

5. Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede der steuerbaren Schaltvorrichtungenn (3′, 3″) aus zwei simultan betätigten Schaltern (4′, 5′ bzw. 4″, 5″) besteht, von denen je einer an einer Seite der Primärwicklungen der Induktionsspulen (L₁, L₂) ange­ schlossen ist.

6. Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (4′, 5′) und (4″, 5″) jeweils durch ein in Serie ge­ schaltetes Thyristorenpaar (ThA, ThA′; ThB′, ThB) und (ThA₁, ThA′₁; ThB′₁, ThB₁) gebildet sind, daß der Verbindungspunkt zwischen dem er­ sten Thyristorenpaar (ThA₁, ThA′₁) folgendermaßen angeschlossen ist:

• - einerseits über einen Kondensator (C₁) an den Verbindungspunkt zwischen dem Thyristorpaar (ThA, ThA′) und
• - andererseits über einen Schaltkreis, der in Serie geschaltet eine Diode (D₁), eine Induktivität (S₁) und eine Diode (D′₂) aufweist, an denn Verbindungspunkt zwischen dem Thyristorenpaar (ThB′, ThB), daß analog der Verbindungspunkt zwischen den Thyristoren (ThB′₁, ThB₁) folgendermaßen angeschlossen ist:
• - einerseits über einen Kondensator C₂ an den Verbindungspunkt zwischen dem Thyristorenpaar (ThB′, ThB) und
• - andererseits über einen Schaltkreis, der in Serie geschaltet eine Diode (D′₁), eine Induktivität (S₂) und eine Diode (D₂) aufweist, an den Verbindungspunkt zwischen dem Thyristorenpaar (ThA, ThA′), daß die Thyristoren mittels eines Schaltkreises angesteuert werden, der, ausgehend von einem Anfangszustand, in dem keiner der Thyristoren geschaltet ist, nacheinander:
• - einen Steuerimpuls an den Steueranschluß der Thyristoren (ThA, ThA′), (ThB′, ThB),
• - bei aufgeladenen Kondensatoren (C₁, C₂) und am Ende einer bestimmten Zeitspanne einen Steuerimpuls an die Steueranschlüsse der Thyristoren (ThA₁) und (ThB₁),
• - bei umgekehrt aufgeladenen Kondensatoren (C₁, C₂) einen Steuer­ impuls an die Thyristoren (ThA′₁, ThB′₁) und (ThA₁, ThB₁) zur Leitend­ machung derselben,
• - am Ende einer bestimmten Zeitspanne einen Steuerimpuls an die Thyristoren (ThA) und (ThB) und hiernach
• - erneut einen Steuerimpuls an die Thyristoren (ThA′, ThB′), (ThA, ThB) sowie hiernach an die Thyristoren (ThA₁) und (ThB₁) usw. legt.

7. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Fall geringer Stromstärken im Verbraucherkreis nur die vier auf einer Seite der Induktionsspulen (L₁, L₂) liegenden Thyristoren, beispielsweise die Thyristoren (ThA, ThA′), (ThB′, ThB) oder die Thyristoren (ThA₁, ThA′₁), (ThB′₁, ThB₁), geschaltet sind, wobei das Um­ schaltungsprinzip im wesentlichen das gleiche ist.