DE3609297A1 - Gleichstromversorgung nach dem stromumkehrverfahren, insbesondere fuer elektrolytische baeder zur stoffabscheidung bzw. stoffabtragung - Google Patents

Gleichstromversorgung nach dem stromumkehrverfahren, insbesondere fuer elektrolytische baeder zur stoffabscheidung bzw. stoffabtragung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur verlustarmen Bereitstellung eines hohen Gleichstromes für einen Verbraucher, insbesondere ein Bad zur elektro­ lytischen Stoffabscheidung bzw. Stoffabtragung, mit kurzzeitigem und insbesondere periodischem Vorzeichen­ wechsel des Gleichstromes.
In der Galvanotechnik ist es bekannt, die Polarität des Versorgungsgleichstromes eines elektrolytischen Bades zur Stoffabscheidung oder Stoffabtragung in periodischen Zeitabständen kurzzeitig zu wechseln. Dieses sogenannte "Stromumkehrverfahren" (PCR-Verfahren: periodic current reversal), wie es z.B. in der DE-OS 26 50 589 angegeben ist, ermöglicht z.B. bei der Gewinnungselektrolyse die Erzeugung besonders gleichmäßiger, dichter und glänzen­ der Oberflächenschichten. Die aus dem wäßrigen Elektro­ lyten abgeschiedenen Metalle sind bevorzugt Zink, Kupfer, Mangan. Besonders das Aluminisieren von Blechen ist insbesondere für die Verpackungsmittel- und Auto­ mobilindustrie von Bedeutung. Aber auch bei der elek­ trolytischen Stoffabtragung wird das PCR-Verfahren vorteilhaft eingesetzt. Es ermöglicht eine definierte Oberflächenrauhigkeit z.B. bei der Herstellung von Kondensatorfolien, so daß die äußeren Abmessungen von Wickelkondensatoren bei gleichem Kapazitätswert verringert werden können.
An die Gleichstromversorgungen nach dem PCR-Verfahren betriebener Elektrolyseanlagen werden hohe Anforderungen gestellt, die bisher einen großen gerätetechnischen Aufwand zur Folge hatten.
So ist aus der DE-PS 28 22 332 eine "Elektrolyseanlage in Brückenschaltung" bekannt. Vier galvanische Bäder sind dabei als Zweige einer Brücke miteinander verbun­ den. Ein steuerbarer Gleichrichter, der auf einer Dia­ gonalen der Anordnung mit den Bädern verbunden ist, stellt den eigentlichen Elektrolysestrom zur Verfügung. Ein zusätzlicher umkehrbarer Doppelstromrichter auf der anderen Diagonalen der Brücke ermöglicht nach Abschaltung des steuerbaren Gleichrichters den gewünschten kurzzei­ tigen Laststrompolaritätswechsel.
Aus der DE-OS 31 22 222 ist eine weitere Galvanikstrom­ versorgung bekannt. Dabei werden zwei elektrolytische Bäder getrennt von je einem steuerbaren Gleichrichter mit Elektrolysestrom versorgt. Beide Anordnungen sind in "Gegenreihe" zueinander geschaltet. Ein zusätzlicher, umkehrbarer Gleichrichter ermöglicht in diesem Stromkreis bei Abschaltung eines der beiden steuerbaren Gleichrichter einen Stromfluß in umgekehrter Richtung durch das dazugehörige Bad. Voraussetzung für die Möglichkeit des kurzzeitigen Laststrompolaritäts­ wechsel ist, wie bei der vorher beschriebenen Anordnung, auch hier das Vorhandensein mehrerer galvanischer Bäder, die im Verbund gespeist werden.
Es ist ferner bekannt, zur Stromversorgung von Elektro­ lyseanlagen auch selbstgeführte Stromrichter einzusetzen, so z.B. einen "Vierquadrantenschalter mit Phasenfolge­ löschung".
Bei diesen bisher bekannten, recht aufwendigen Schal­ tungen zur Galvanikstromversorgung treten wegen der großen Stromstärken von bis zu 40 kA bei Massenabschei­ dungsverfahren und der schaltungsmäßigen Trennung von Elektrolysestromversorgung und Stromrichtungsumkehr relativ große Verluste im Kilowattbereich auf. Zudem führt die Anschnittsteuerung der Ventile unter vollem Laststrom zu einer starken Belastung derselben und einer weiteren Erhöhung der Verluste. Ferner wird das Netz durch die Anschnittsteuerung am Netz stark mit Oberwellen verseucht und mit zusätzlichen Blindströmen belastet.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine nach dem PCR-Verfahren arbeitende, netzfreundliche Galvanikstrom­ versorgung zu schaffen, die besonders auch für einzelne Bäder verwendet werden kann. Ein möglichst einfacher und kompakter Aufbau insbesondere im "Hochstrombereich" der Schaltung soll die Verluste so klein als möglich halten.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung, die aus einem Transformator, dessen Primärwicklung von einer Wechselstromquelle gespeist wird, und dessen Sekundär­ wicklung mit einer Mittenanzapfung versehen und mit einem der Anschlüsse des Verbrauchers verbunden ist, und aus zwei in einer Richtung angeordneten elektrischen Ven­ tilen, die den anderen Anschluß des Verbrauchers mit den beiden Anschlüssen der Sekundärwicklung verbinden, und aus zwei in der anderen Richtung angeordneten elektri­ schen Ventilen, die den anderen Anschluß des Verbrau­ chers ebenfalls mit den beiden Anschlüssen der Sekundär­ wicklung verbinden, und aus einer Impulssteuerung, die zum Aufbau eines Gleichstromes durch den Verbraucher ein Paar Ventile gleicher Richtung mit Schaltimpulsen ver­ sorgt, und diese für den periodischen Vorzeichenwechsel kurzzeitig auf das andere Ventilpaar umschaltet, be­ steht.
Es ist besonders vorteilhaft, einen Zwischenkreisumrich­ ter mit einem über einen Steller im Zwischenkreis ein­ geprägten Gleichstrom als Wechselstromquelle zu ver­ wenden. Dabei schaltet bevorzugt ein Stromregler den Steller ein bzw. aus bei Unter- bzw. Überschreiten eines Toleranzbandes durch die Regelabweichung, welche sich aus der Differenz eines über einen Geber einstellbaren Sollwertes und dem über ein Meßglied erfaßten Zwischen­ kreisstrom ergibt. Ferner ist es vorteilhaft, wenn eine synchronisierte Sollwertumschaltung den Steller für die Dauer des Vorzeichenwechsels mit einem anderen Sollwert versorgt.
Ein Filter aus je einer Sicherung, einer Reiheninduk­ tivität und einem zuschaltbaren Anfahrwiderstand pro Phase wird vorteilhaft der Wechselstromquelle vorge­ schaltet. Schließlich werden als elektrische Ventile bevorzugt Thyristoren eingesetzt.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung dienen die nach­ folgend kurz angeführten Figuren. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen Stromversorgung,
Fig. 2 beispielhaft die dazugehörigen zeitlichen Abläufe der wichtigsten Ströme,
Fig. 3 ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Stromversorgung, und
Fig. 4 beispielhaft die dazugehörigen zeitlichen Ab­ läufe der wichtigsten Ströme.
Fig. 1 zeigt die prinzipielle Anordnung der erfindungs­ gemäßen Galvanikstromversorgung zur Speisung eines Ver­ brauchers L. Dieser ist bevorzugt ein elektrolytisches Bad, bei dem in wäßriger Lösung je nach Richtung des Elektrolysestromes i L relativ zu den Elektroden ein Stoff, insbesondere ein Metall, abgeschieden bzw. ab­ getragen wird. Die Stromversorgung kann also sowohl "kathodischen" als auch "anodischen" Gleichstrom lie­ fern. Hierzu speist eine einstellbare Wechselstromquelle 100 die Primärwicklung 21 eines Transformators 20. Die Last ist erfindungsgemäß über einen ihrer Anschlüsse mit einer auf der Sekundärseite herausgeführten Mitten­ anzapfung 23 verbunden. Das Übersetzungsverhältnis des Transformators 20 ist wegen der gewünschten Hoch­ stromversorgung so gewählt, daß ein Primärstrom i T einen sehr hohen Strom i A bzw. i B auf der Sekundärseite hervorruft. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit sind diese Ströme in Fig. 2 der Einfachheit halber als Rechtecksignale dargestellt.
Zur Erzeugung eines Lastgleichstromes i L mit einer ge­ wünschten Stromrichtung wird erfindungsgemäß eines der beiden elektrischen Ventilpaare 41, 42 bzw. 51, 52, welche den anderen Anschluß der Last L in Stromsperr- bzw. Stromdurchlaßrichtung mit den beiden Anschlüssen 24 und 25 der Sekundärwicklung verbinden, von einer Impuls­ steuerung 3 mit Einschaltsignalen versorgt. Für einen, wie in Fig. 1 dargestellten, positiven Laststrom i L wird der auf der Sekundärseite des Transformators induzierte Wechselstrom durch abwechselnde Einschaltung der beiden Ventile 41 und 42 gleichgerichtet. So treibt ein positiver Strom i A bei eingeschaltetem Ventil 41 bzw. ein negativer Strom i B bei eingeschaltetem Ventil 42 den positiven Laststrom. Die Stromführungsdauern der beiden Ventile und die Zeitverläufe von i A und i B sind in Fig. 2 links der Zeitmarke t 1 bzw. rechts von t2 als Rechtecksignale dargestellt. Entsprechend werden zur Erzeugung eines negativen Laststromes i L bei negativem Strom i A das Ventil 51 bzw. bei postivem Strom i B das Ventil 52 eingeschaltet.
Mit der erfindungsgemäßen Stromversorgung ist es ferner nicht nur möglich, einen Lastgleichstrom mit gewünschtem Vorzeichen zu erzeugen, sondern dieses Vorzeichen gemäß dem PCR-Verfahren kurzzeitig und bevorzugt periodisch umzukehren. Hierzu werden die Steuersignale für das den normalen Elektrolysegleichstrom liefernde Ventilpaar durch die Impulssteuerung 3 lediglich kurzzeitig auf das andere Ventilpaar umgeschaltet. In Fig. 2 ist ein solcher Fall innerhalb der Zeitmarken t 1 und t 2 darge­ stellt, wobei zur kurzzeitigen Umpolung des positiven Laststromes i L die Steuersignale vom Ventilpaar 41, 42 auf das Paar 51, 52 umgeschaltet werden. Die dazuge­ hörigen Stromführungsdauern T sind in Fig. 2 als schraffierte Rechtecke dargestellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend Fig. 1 vereint die beiden Funktionen "Versorgung mit Gleich­ strom beliebigen Vorzeichens" und "kurzzeitiger, periodischer Vorzeichenwechsel gemäß PCR-Verfahren" auf vorteilhafte Weise ohne einen aufwendigen schaltungs­ technischen Aufbau. So ist an der Stromführung insbeson­ dere nur ein elektrisches Ventil beteiligt, wodurch sich die Durchlaßverluste im Vergleich zu den bekannten Schaltungen zumindest halbieren. Ferner ist es von besonderem Vorteil, daß der Betrag des Lastgleichstromes i L durch die einstellbare Stromquelle 100 auf der Transformatorprimärseite vorgegeben wird, und somit auf der sekundären Hochstromseite statt einer Anschnitt­ steuerung nur eine ungesteuerte Gleichrichtung erforder­ lich ist. Diese Maßnahme reduziert die Belastung der einzelnen Ventile, und somit die Verluste. Zudem tritt durch das Wegfallen einer Anschnittsteuerung am Netz nur eine geringe Oberschwingungsbelastung des speisenden Netzes auf. Der kompakte und somit induktivitätsarme Aufbau der Schaltung wird weiter dadurch begünstigt, daß als elektrische Ventile bevorzugt normale Netzthyri­ storen verwendet werden können, und keine Beschaltungen zu deren Zwangslöschung notwendig sind.
Fig. 3 zeigt ein besonders vorteilhaftes Ausführungs­ beispiel der erfindungsgemäßen Gleichstromversorgung, bei dem die Gleichstromquelle 100 als Zwischenkreisum­ richter mit einem über einen Steller ST eingeprägten Zwischenkreisstrom i G ausgeführt ist. Dem Umrichter ist auf der Wechselstromseite ein Filter 101 vorgeschaltet, mit je einer Reiheninduktivität, einer Sicherung und einem zuschaltbaren Anfahrwiderstand pro Phase. Ein ungesteuerter Gleichrichter GR mit Zwischenkreiskon­ densator ZK zur Stabilisierung der Ausgangsgleichs­ spannung ist durch einen Steller ST mit Schutzdiode SD zu einem bei hoher Frequenz, bevorzugt im Bereich um 5 kHz, betriebenen Gleichstromsteller erweitert. Dieser wird von einem Stromregler 7 dann ein- bzw. ausgeschal­ tet, wenn die Regelabweichung ein Toleranzband unter­ bzw. überschreitet. Die Regelabweichung des Stromreglers ergibt sich dabei aus der Differenz eines gewünschten Sollwertes und dem über ein Meßglied MI erfaßten Zwischenkreisstrom i G . Ein an den Gleichstromsteller angeschlossener Wechselrichter WR, bestehend aus vier steuerbaren Ventilen Tr 1 bis Tr 4 mit antiparallelen Freilaufdioden D 1 bis D 4 und betrieben mit einer Arbeitsfrequenz bevorzugt im Bereich um 1kHz, stellt den eigentlichen eingeprägten Wechselstrom i T zur Speisung der Primärwicklung 21 des Hochstromtransformators 20 bereit. Eine zusätzliche Zwischenkreisdrossel ZD zwischen Gleichstromsteller und Wechselrichter ist auf die Arbeitsfrequenz des Stellers ST abgestimmt. Sie entkoppelt das an den Gleichrichter GR angeschlossene Netz von eventuellen Rückwirkungen des Wechselrichters WR, und stellt zusammen mit einer Freilaufdiode FD den konstanten Stromfluß des Zwischenkreisgleichstromes i G sicher.
Die Gleichstromversorgung gemäß Fig. 3 hat den besonderen Vorteil, daß sie für das Netz einen nahezu symmetrischen Wirkstromverbraucher darstellt. Sie ist darüberhinaus "netzfreundlich", da sie wegen des unge­ steuerten Gleichrichters GR zu keinerlei Oberschwin­ gungsbelastung führt. Der verlustarme Betrieb der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1 wird durch den Zwischenkreisumrichter als einstellbare Wechselstrom­ quelle 100 weiter dadurch begünstigt, daß die hoch­ frequente Wechselrichtung des Stromes i G zwar auf hohem Spannungsniveau, aber niedrigem Stromniveau stattfindet, wodurch auch der Verschleiß der elektronischen Schalter Tr 1 bis Tr 4 vermindert wird.
Schließlich ermöglicht es eine zusätzliche synchroni­ sierte Sollwertumschaltung, die Amplituden des Last­ stromes i L im Normalbetrieb und im Zeitraum des Pola­ ritätswechsels entsprechend dem jeweiligen galvanischen Prozeß unterschiedlich vorzugeben. Hierzu wird am Ein­ gang des Reglers 7 zwischen zwei über die Führungs­ größengeber 61 und 62 vorgegebenen "anodischen" und "kathodischen" Sollwerten i GA und i GK umgeschaltet.
Diese Umschaltung erfolgt über die Impulssteuerung 3 synchron zu den über Zeitschalter 31 und 32 vorgebbaren Zeiten t A und t B , welche die Dauer des Laststromes i L in anodischer bzw. kathodischer Richtung bestimmen.
Fig. 4 stellt schließlich entsprechend der Fig. 2 die Zeitverläufe der wichtigsten Ströme des Ausführungs­ beispiels gemäß Fig. 3 dar. Insbesondere erfolgt während des dargestellten Polaritätswechsels des Last­ stromes i L zwischen den Zeitmarken t 1 und t 2 eine damit synchronisierte Sollwertumschaltung, indem der Zwischen­ kreisstrom i G vorübergehend auf einen anderen Betrag geregelt wird.
Die Arbeitsfrequenz des Wechselrichters WR wird zur Minimierung der Verluste und Ventilbelastungen bevor­ zugt so eingestellt, daß deren halbe Periodendauer der kürzesten einstellbaren Stromführungsdauer mit vorüber­ gehend umgekehrten Vorzeichen entspricht. Längere Strom­ führungsdauern sind dann leicht dadurch einstellbar, daß erst nach Ablauf mehrerer Halbperioden des Wechselrich­ tertaktes auf den Gleichstrom mit normalem Vorzeichen und Amplitude zurückgeschaltet wird. So fallen in den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 bzw. 4 drei bzw. vier Halbperioden des Wechselrichtertaktes zwischen die Zeit­ marken t 1 und t 2.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur verlustarmen Bereitstellung eines hohen Gleichstromes (i L ) für einen Verbraucher (L), insbesondere ein Bad zur elektrolytischen Stoffab­ scheidung bzw. Stoffabtragung, mit kurzzeitigem und insbesondere periodischem Vorzeichenwechsel des Gleichstromes, bestehend aus
  • a) einem Transformator (20), dessen Primärwicklung (21) von einer Wechselstromquelle (100) gespeist wird, und dessen Sekundärwicklung (22) mit einer Mittenan­ zapfung (23) versehen und mit einem der Anschlüsse des Verbrauchers (L) verbunden ist,
  • b) zwei in einer Richtung angeordneten elektrischen Ventilen (41, 42), die den anderen Anschluß des Ver­ brauchers mit den beiden Anschlüssen (24, 25) der Sekundärwicklung (22) verbinden,
  • c) zwei in der anderen Richtung angeordneten elektri­ schen Ventilen (51, 52), die den anderen Anschluß des Verbrauchers ebenfalls mit den beiden Anschlüssen (24, 25) der Sekundärwicklung (22) verbinden, und
  • d) einer Impulssteuerung (3), die zum Aufbau eines Gleichstromes (i L ) durch den Verbraucher ein Paar Ventile gleicher Richtung (41, 42 bzw. 51, 52) mit Schaltimpulsen versorgt, und diese für den periodischen Vorzeichenwechsel kurzzeitig auf das andere Ventilpaar (51, 52 bzw. 41, 42) umschaltet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch einen Zwischenkreisumrichter mit einem über einen Steller (ST) im Zwischenkreis einge­ prägten Gleichstrom (i G ) als Wechselstromquelle (100).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeich­ net durch einen Stromregler (7), der den Steller (ST) ein- bzw. ausschaltet bei Unter- bzw. Über­ schreiten eines Toleranzbandes durch die Regelabweichung, welche sich aus der Differenz eines über einen Geber (61 bzw. 62) einstellbaren Sollwertes (i GA bzw. i GK ) und dem über ein Meßglied erfaßten Zwischenkreisstrom (i G ) er­ gibt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeich­ net durch eine synchronisierte Sollwertumschal­ tung, die den Steller (ST) für die Dauer des Vorzeichen­ wechsels mit einem anderen Sollwert (i GA bzw. i GK ) versorgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeich­ net durch ein der Wechselstromquelle (100) vorgeschaltetes Filter (101) aus je einer Sicherung, einer Reiheninduktivität und einem zuschaltbaren Anfahr­ widerstand pro Phase.
6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch Thyristoren als elektrische Ventile (41, 42, 51, 52).
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