DE3514690C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungsquelle für Anlagen zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mittels Glimmentladung, insbesondere Ionitrieranlagen, mit einem Gleichrichter, der eine anliegende Wechselspannung in die aus einzelnen Halbwellen bestehende, an die Kathode bildenden Werkstück und der Anode anliegende Gleichspannung umformt, und mit einem Wechselrichter in Form einer Brücke aus gesteuerten Stromventilen, dessen Ausgang mit einem elektrischen Schwingkreis sowie mit dem Eingang des Gleichrichters verbunden ist.

Das Ionitrierhärten läßt sich in zwei Phasen unterteilen:

• 1. Bei anliegender Gleichspannung schnelles Aufheizen des Werkstückes auf Temperaturen zwischen 400-600°C; dabei Säuberung der Werkstückoberfläche.
• 2. Verweilen bei dieser Temperatur bis zum Abschluß der Randschichthärtung des Werkstückes.

Während der ersten Phase kommt es neben den gewünschten Glimmentladungen zu stromstarken Lichtbogenentladungen, die die Gleichspannungsquelle dynamisch stark belasten und die Werkstückoberfläche beschädigen können, wohingegen in der zweiten Phase Lichtbogenentladungen nur sehr selten auftreten. Die Stromstärke wird in dieser Phase durch die temperatur- und oberflächenabhängigen Glimmentladungen bestimmt.

Eine gattungsgemäße Gleichspannungsquelle ist aus der GB 16 01 243 bekannt. Die dort beschriebene Gleichspannungsquelle weist einen Wechselrichter auf, der dazu dient, die Entladungsstrecke am Werkstück über den nachgeschalteten Gleichrichter mit einer pulsierenden Gleichspannung zu versorgen, deren Impulse wesentlich kürzer sind als bei Versorgung unmittelbar mit der am Eingang des Wechselrichters anliegenden Gleichspannung.

Bei der gattungsgemäßen Gleichspannungsquelle tritt jedoch das Problem auf, daß der Wechselrichter durch die zahlreichen beim Aufheizen in der ersten Behandlungsphase auftretenden Störungen der Entladung in den instabilen Betrieb übergehen kann. Maßnahmen zu seiner Stabilisierung sind nicht vorgesehen. Es sind zwar verschiedene Betriebsphasen angesprochen, jedoch erfolgt in diesen Phasen die Zufuhr von Strom nicht über ein und dieselbe Gleichspannungsstromquelle sondern von verschiedenen Stromquellen.

Eine andere Gleichspannungsquelle ist aus der DE-OS 23 46 053 bekannt. Bei ihr wird jedoch nicht zwischen den Phasen der Aufheizung zum Zwecke des Säuberns der Werkstückoberfläche und der eigentlichen Behandlung des Werkstücks zum Zwecke der Härtung unterschieden. Bei dieser Ionitrierhärteanlage liegt am Eingang der Arbeitskammer die gleichgerichtete Netzfrequenz an, ein Wechselrichter ist nicht vorhanden. Um im Falle eines Lichtbogens die Stromzufuhr an das Werkstück abschalten zu können, ist ein Brückengleichrichter mit Thyristoren vorgesehen, die in Abhängigkeit von dem Signal einer Überwachungseinrichtung für das Auftreten von Lichtbögen gezündet werden. Wird ein Lichtbogen festgestellt, so bleibt das Steuersignal für die eine Diagonale des Brückengleichrichters aus, so daß die Stromzufuhr zur Anlage für eine Halbwelle gesperrt wird. Bei gezündeten Thyristoren läßt sich aber innerhalb einer Halbwelle der Strom nicht unterbrechen. Daher besteht bei dieser bekannten Gleichspannungsquelle aufgrund der bei Netzfrequenz verhältnismäßig langen Dauer einer Halbwelle die Gefahr, daß das Auftreten eines Lichtbogens zu erheblichen Beschädigungen am Werkstück führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichspannungsquelle der eingangs genannten Art zu schaffen, die einerseits eine schnelle Aufheizung des Werkstückes in der ersten Behandlungsphase ermöglicht und andererseits in der zweiten Behandlungsphase die von der Gleichspannungsquelle gelieferte Energie mit möglichst wenigen Verlusten an die Last abgibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Schwingkreis ein Parallelschwingkreis ist, daß der Gleichrichter ein Brückengleichrichter ist, daß der Eingang des Brückengleichrichters parallel zu dem Schwingkreis geschaltet ist und daß parallel zu beiden ein abschaltbarer Dämpfungswiderstand geschaltet ist.

Bei der Erfindung werden als Gleichstrom der Last die gleichgerichteten Halbwellen des eine einphasige Wechselspannung liefernden Parallel-Schwingkreis-Wechselrichters zugeführt. Sofern über den Brückengleichrichter alle Halbwellen und nicht nur, wie es nach einer Ausgestaltung der Erfindung auch möglich ist, nur jede zweite Halbwelle gelangen, läßt sich bei auftretendem Lichtbogen der Strom in der einen Halbwelle sperren und damit der Lichtbogen zum Erlöschen bringen, und in der anderen Halbwelle die Stromzufuhr zur Last wieder aufnehmen. Dabei bleibt der Wechselrichter und ein ggf. ihn speisender, an einem Dreiphasennetz angeschlossener folgender Gleichrichter eingeschaltet. Da die Frequenz des Wechselrichters höher als die Netzfrequenz liegt, sind die für die Löschung des Lichtbogens nötigen Pausen der Energiezufuhr entsprechend kurz. Während in der ersten Betriebsphase der Dämpfungswiderstand eingeschaltet ist, ist er in der zweiten Betriebsphase abgeschaltet. Dieser Dämpfungswiderstand hat den Zweck, daß im abgeschalteten Zustand die Gleichspannungsquelle wegen des verlustarmen Parallel-Schwingkreises volle Leistung an das Werkstück abgibt, während bei eingeschaltetem Dämpfungswiderstand die Dämpfung des Parallel-Schwingkreises sich bei einer Lichtbogenentladung durch den dann wirksam werdenden, zusätzlichen Dämpfungswiderstand nicht wesentlich im Vergleich zu einer Situation ändert, bei der der Parallel-Schwingkreis-Wechselrichter nur mit einem verlustarmen Parallel-Schwingkreis auf die Last arbeitet und dann bei Bildung eines Lichtbogens stark gedämpft wird. Starke Dämpfungsunterschiede bedeuten nämlich für den Parallel-Schwingkreis-Wechselrichter stark unterschiedliche Löschzeiten, die eine sichere Kommutierung in Frage stellen und zu einem Kippen des Wechselrichters führen können.

Dadurch, daß nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung eine auf Lichtbögen zwischen Werkstück und Anode ansprechende Überwachungseinrichtung vorgesehen ist, die bei einem Lichtbogen mittels einer Schalteinrichtung den Stromfluß zwischen Gleichrichter und Werkstück bis mindestens zur nächsten Halbwelle sperrt, ergibt sich eine außerordentlich hohe Betriebssicherheit für die erfindungsgemäße Gleichspannungsquelle.

Vorzugsweise ist die Schalteinrichtung ein Thyristor, der im Takt der Zündimpulse des Wechselrichters Zündimpulse erhält und dem eine von der Überwachungseinrichtung angesteuerte Löscheinrichtung zugeordnet ist. Die Löscheinrichtung kann in an sich bekannter Weise aus einer Parallelschaltung zum Thyristor mit einem fremdgeladenen Kondensator, einer Induktivität und einem Thyristor bestehen. Im Falle eines Lichtbogens steuert die Überwachungseinrichtung den Thyristor an, über den dann aus dem fremdgeladenen Kondensator Strom über den den Gleichstrom an die Last liefernden Thyristor fließt und diesen zum Erlöschen bringt.

Zur Verbesserung der Funktionstüchtigkeit der Gleich­ spannungsquelle, insbesondere dann, wenn im Wechsel­ stromkreis eine Drossel zur Stromanstiegsbegrenzung liegt, kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Er­ findung im Wechselstromkreis zwischen dem Wechselrich­ ter und dem Brücken-Gleichrichter ein im Takt der Zünd­ impulse des Wechselrichters Zündimpulse empfangender Schalter aus antiparallelen Thyristoren angeordnet sein, wobei die Überwachungseinrichtung bei einem Lichtbogen die Zufuhr von Zündimpulsen sperrt. Mit diesen ausgestaltenden Merkmalen wird erreicht, daß bei einem Lichtbogen zusätzlich der Wechselstromkreis un­ terbrochen wird.

Für einen störungsfreien Betrieb des Wechselrichters hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Zündimpulse für den Thyristor der Schalteinrichtung und gegebenen­ falls die antiparallel geschalteten Thyristoren durch ein Verzögerungsglied gegenüber dem Zündimpuls des Wech­ selrichters verzögert sind.

Schließlich kann der Brücken-Gleichrichter so ausgelegt sein, daß er in der ersten Phase der Aufheizung, wie bereits erwähnt, nur jede zweite Halbwelle durchläßt. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß ein Brückenzweig des Brücken-Gleichrichters durch einen Schalter sperrbar ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Schaltbildes näher erläutert.

Ein Parallel-Schwingkreisumrichter 1 ist an einem Drei­ phasennetz L 1, L 2, L 3 angeschlossen und liefert eine ein­ phasige Wechselspannung mit einer gegenüber dem Drei­ phasennetz höheren Frequenz (Mittelfrequenz). Dieser Parallel-Schwingkreisumrichter hat den allgemein bekann­ ten Aufbau. Ein Regler IR, dem als Ist-Wert der Strom des Netzes L 1, L 2, L 3 neben einem frei wählbaren Soll- Wert zugeführt wird, liefert ein Stellsignal an einen Impulserzeuger GR-IE, der mit mehr oder weniger großem Phasenschnitt Zündimpulse an den folgenden Gleich­ richter G liefert. Dem Regler IR wird außerdem als Ist- Wert der Strom des Wechselrichters W zugeführt. Durch die Zufuhr dieses zusätzlichen Ist-Wertes wird der Kon­ stantstrom im Wechselrichter W vermindert und die Span­ nung am Parallel-Schwingkreis vermindert, wodurch der Neigung zu erneuter Lichtbogenbildung entgegengewirkt wird. Der Parallel-Schwingkreis C _HS , L _HS ist verlustarm ausgebildet. Die Thyristoren des Wechselrichters W er­ halten von einem weiteren, als Löschzeitregler LR ausgebildeten Impulserzeuger WR-IE Zündimpulse.

Die am Parallel-Schwingkreis C _HS , L _HS anstehende einpha­ sige Mittelfrequenzspannung wird einem aus Dioden D 1 bis D 4 bestehenden Brückengleichrichter B zugeführt. In dem Stromkreis zwischen dem Wechselrichter W und dem Brückengleichrichter B liegen eine Drossel D zur Strom­ begrenzung und ein aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren T 3, T 4 gebildeter Schalter.

Parallel zum Parallel-Schwingkreis C _HS , L _HS liegt ein Dämpfungswiderstand R _B , der mittels zwei in Reihe geschal­ teter antiparalleler Thyristoren T 1, T 2 an- und abschalt­ bar ist. Die Thyristoren T 1 bis T 4 erhalten vom Lösch­ zeitregler IR im Takt der den Thyristoren des Wechsel­ richters zugeführten Zündimpulsen über ein Verzögerungs­ glied V zeitverzögerte Zündimpulse. Diese zeitverzöger­ ten Zündimpulse bewirken, daß die Halbwellen des im Wech­ selstromkreis fließenden Stromes angeschnitten sind. Die Zündimpulse für die Thyristoren T 1, T 2 gelangen über einen Schalter E an die Elektroden des Thyristoren.

Dieser Schalter E ist in der ersten Phase der Aufhei­ zung, wenn häufig mit Lichtbogenentladungen zu rechnen ist, geschlossen und in der zweiten Phase geöffnet. Zu den Thyristoren T 3, T 4 gelangen die Zündimpulse über einen weiteren Schalter S, der nur bei einem festge­ stellten Lichtbogen geöffnet wird. Zu diesem Zweck wird er von einer Überwachungseinrichtung angesteuert, die aus einer Lichtbogen-Erfassungseinrichtung LE und einer Zeitstufe ZS besteht. Die Zeitstufe ZS bestimmt, wie lange der Schalter S geöffnet bleibt.

Der Zweig des Brücken-Gleichrichters B mit der Diode D 1 kann durch einen Schalter S 1 geöffnet werden; dadurch wird auch die Diode D 4 stromlos und nur jede zweite Halbwelle kann über einen Thyristor T 6 zur Last L gelangen. Die Last L ist im Ersatzschalt­ bild durch den Widerstand RG für die Glimm-Entladungen und den Widerstand R _dyn für die Lichtbogen-Entladungen dargestellt. Im Falle eines Lichtbogens ist der Schalter S 2 geschlossen. Die vom Löschzeitregler LR gelieferten Zündimpulse gelangen im lichtbogenfreien Betrieb über den Schalter S auch an die Steuerelektrode des Thyristors T 6. Das bedeutet, daß die­ ser bei jeder Halbwelle gezündet wird.

Um bei einem Lichtbogen den Thyristor T 6 löschen zu kön­ nen, ist diesem Thyristor eine Reihenschaltung aus einem fremdgeladenen Kondensator C, einer Induktivität I und einem Thyristor T 5 parallelge­ schaltet. Der Thyristor T 5 erhält seine Zündimpulse von der Lichtbogen-Erfassungseinrichtung LE.

Die erfindungsgemäße Gleichspannungsquelle arbeitet auf folgende Art und Weise:

Bei kaltem Werkstück ist der Schalter E geschlossen. Das bedeutet, daß der von Haus aus verlustarme Parallel- Schwingkreis C _HS , L _HS stark gedämpft wird. Da der Schal­ ter mit den Thyristoren T 3, T 4 bei jeder Halbwelle an beide Thyristoren Zündimpulse liefert, gelangt die ein­ phasige Wechselspannung an den Brücken-Gleichrichter B. Bei geschlossenem Schalter S 1 werden sämtliche Halb­ wellen gleichgerichtet, während bei offenem Schalter S 1 nur jede zweite Halbwelle durchgelassen wird. Da auch der Thyristor T 6 bei jeder Halbwelle einen Zündimpuls er­ hält, wird der Last L ein Gleichstrom aus einzelnen Halbwellen zugeführt. Sofern die Zeitverzögerungs-Ein­ richtung V wirksam ist, sind diese Halbwellen ange­ schnitten.

Tritt nun ein Lichtbogen auf, was einem Schließen des Schalters S 2 im Ersatzschaltbild der Last L gleichzu­ setzen ist, wird ohne Verzögerung der Schalter S für eine vom Zeitglied ZS bestimmte Zeit geöffnet, so daß keine weiteren Impulse mehr an den Schalter T 3, T 4 ge­ langen können, und der Thyristor T 5 gezündet, dessen fremdgeladener Kondensator C über den Thyristor T 6 mit umgekehrter Stromrichtung entlädt. Dadurch wird der Thyristor T 6 gelöscht. Der Schalter S kann wieder geschlossen werden, und bei der nächsten Halb­ welle erhalten die Thyristoren T 3, T 4, T 6 wieder Zünd­ impulse, so daß die Energiezufuhr zur Last wieder auf­ genommen wird.

Nach der Phase der Aufheizung wird der Schalter E geöffnet. In dieser Phase wird der Parallel-Schwingkreis C _HS , L _HS nur durch seine eigene, aber niedrig gewählte Dämpfung und durch die Last gedämpft. Das bedeutet, daß mit ge­ ringster Verlustleistung die Last mit Energie versorgt wird. Sollte es in dieser zweiten Phase zu einer Licht­ bogenentladung kommen, dann wird, wie beschrieben, die Zufuhr von Zündimpulsen zu den Thyristoren T 3, T 4, T 6 durch Öffnen des Schalters S unterbrochen und der Thyristor T 5 zum Zwecke der sofortigen Löschung des Thyristors T 6 gezündet.

Claims (6)

1. Gleichspannungsquelle für Anlagen zur Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mittels Glimmentladung, insbesondere Ionitrieranlagen, mit einem Gleichrichter (B), der eine anliegende Wechselspannung in die aus einzelnen Halbwellen bestehende, an die Kathode bildenden Werkstück und der Anode anliegende Gleichspannung umformt, und mit einem Wechselrichter (W) in Form einer Brücke aus gesteuerten Stromventilen, dessen Ausgang mit einem elektrischen Schwingkreis (C _HS , L _HS ) sowie mit dem Eingang des Gleichrichters (B) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schwingkreis (C _HS , L _HS ) ein Parallelschwingkreis ist,
daß der Gleichrichter ein Brückengleichrichter (B) ist,
daß der Eingang des Brückengleichrichters (B) parallel zu dem Schwingkreis (C _HS , L _HS ) geschaltet ist und
daß parallel zu beiden ein abschaltbarer Dämpfungswiderstand (R _B ) geschaltet ist.

2. Gleichspannungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf Lichtbögen zwischen Werkstück und Anode ansprechende Überwachungseinrichtung (LE, ZS) vorgesehen ist, die bei einem Lichtbogen mittels einer Schalteinrichtung (T 5, T 6, I, C) den Stromfluß zwischen Gleichrichter (B) und Werkstück bis mindestens zur nächsten Halbwelle sperrt.

3. Gleichspannungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung (T 5, T 6, I, C) einen Thyristor (T 6) aufweist, der im Takt der Zündimpulse des Wechselrichters (W) über einen Schalter (S), der bei Auftreten eines Lichtbogens geöffnet werden kann, Zündimpulse erhält und dem eine von der Überwachungseinrichtung (LE, ZS) angsteuerte Löscheinrichtung (T 5, I, C) zugeordnet ist.

4. Gleichspannungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Wechselstromkreis zwischen dem Wechselrichter (W) und dem Brückengleichrichter (B) ein Schalter aus antiparallelen Thyristoren (T 3, T 4) angeordnet ist, der im Takt der Zündimpulse des Wechselrichters (W) über einen Schalter (S), der bei Auftreten eines Lichtbogens geöffnet werden kann Zündimpulse erhält.

5. Gleichspannungsquelle nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch ein Verzögerungsglied (V) mit dem die Zündimpulse für den Thyristor (T 6) der Schalteinrichtung und ggf. die antiparallelen Thyristoren (T 3, T 4) gegenüber den Zündimpulsen des Wechselrichters (W) verzögert sind.

6. Gleichspannungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brückenzweig (D 1, D 4) des Brückengleichrichters (B) durch einen Schalter (S 1) sperrbar ist.