DE3706153A1 - Elektrische sicherheitsschaltung fuer plasma-schneidanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Sicherheitsschal­ tung für eine Plasma-Schneidanlage nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Plasma-Schneidanlagen sind allgemein bekannt. Zwischen einem Schneidbrenner und dem Werkstück wird durch Anlegen einer hohen Spannung ein Lichtbogen erzeugt. Der Schneid­ brenner hat einen Kopf aus einer Elektrode und einer die Elektrode in Form einer Buchse umgebenden Schneiddüse; zwischen Elektrode und Schneiddüse ist ein Ringspalt gebildet, durch den Plasmagas zur Erzeugung des heißen Schneidstrahls geleitet ist. Der Lichtbogen bildet sich zwischen Elektrode und Werkstück aus. Bei den notwendigen hohen Spannungen zum Zünden des Lichtbogens sind Sicher­ heitsmaßnahmen gegen Berühren notwendig. So liegen beim Niederdrücken eines Brennertasters und gelöschtem Licht­ bogen am Schneidkopf Spannungen um 300 V an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheits­ schaltung anzugeben, die außerhalb des Schneidbetriebs zu hohe Spannungen an der Elektrode des Schneidkopfes unter­ bindet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten Anspruches gelöst. Mittels des Detektorkreises mit Schwellwertstufe wird immer dann die Schneidanlage span­ nungslos geschaltet, wenn die Ausgangsspannung kritische Werte übersteigt. Es ist bekannt, daß die bei brennendem Lichtbogen abfallende Ausgangsspannung wesentlich kleiner ist als die bei gelöschtem Lichtbogen anstehende Leerlauf­ spannung einer Plasma-Schneidanlage. Wird daher der vorge­ gebene Spannungswert der Schwellwertstufe etwas oberhalb der Schneidspannung, aber weit unterhalb der Leerlaufspan­ nung gewählt, so wird die Schneidanlage bei erloschenem Lichtbogen immer spannungslos geschaltet, so daß für Be­ dienungspersonen gefährliche Berührungsspannungen am Schneidkopf nicht anstehen.

Vorteilhaft ist als Schwellwertstufe eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einer in Sperrichtung geschalteten Zenerdiode über die Ausgangsspannung geschaltet, deren Zenerspannung größer als die bei brennendem Lichtbogen an­ stehende Ausgangsspannung und kleiner als die bei gelösch­ tem Lichtbogen anstehende Leerlaufspannung ist. Wird die Zenerspannung überschritten, wird die Diode leitend und eine am Widerstand abfallende Spannung steuert den im Steuerkreis angeordneten Unterbrecher. Vorteilhaft kann als Widerstand die Erregerspule des Unterbrecherrelais vorgese­ hen sein.

Zweckmäßig steuert die Schwellwertstufe über ein Verzöge­ rungsglied den Unterbrecher an, so daß kurzzeitiges Er­ löschen des Lichtbogens und damit ein kurzzeitiges Anspre­ chen der Schwellwertstufe nicht unmittelbar zu einem Ab­ schalten der Schneidanlage führt.

Der Detektorkreis ist vorteilhaft als Parallelzweig zur Reihenschaltung von Brennertaster und Schließer vorgesehen. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, daß nur dann ein Einschalten der Schneidanlage möglich ist, wenn die Klem­ men, über die dem Detektorkreis die Ausgangsspannung zuge­ führt ist, kurzgeschlossen sind. Dies ist der Fall, wenn der Schneidkopf auf das Werkstück aufgesetzt ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weite­ ren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen, welches nach­ folgend näher beschrieben ist. Es zeigen

Fig. 1 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Sicherheitsschaltung,

Fig. 2 eine Schaltung zur Ansteuerung eines Leistungs­ transformators mit nachgeschaltetem Gleichrichter.

Die Ausgangsspannung der nicht näher dargestellten Plasma- Schneidanlage wird wie üblich zwischen der im Schneidkopf zentrisch innerhalb der Schneiddüse angeordneten Elektrode und dem Werkstück angelegt, wobei der Pluspol mit dem Werk­ stück und der Minuspol mit der Elektrode verbunden ist. Die Schneiddüse des Schneidkopfes ist axial verschiebbar am Kopf geführt; wird der Schneidkopf auf das Werkstück aufge­ setzt, verschiebt sich die Schneiddüse gegen die Elektrode und wird dadurch mit der Elektrode leitend verbunden. Die nun zwischen der Schneiddüse und dem Werkstück anstehende Spannung erzeugt beim Abheben des Brenners einen Lichtbo­ gen, der diese Spannung auf die geringere Betriebsspannung reduziert. Die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltung be­ steht im wesentlichen aus drei Blöcken, nämlich der Span­ nungsversorgung 9, dem Steuerkreis 8 und dem Detektorkreis 7 zum Abtasten der Ausgangsspannung der Schneidanlage. Ein Brückengleichrichter D 9 liegt an den Klemmen 1 und 2 und damit an der Versorgungswechselspannung für die Sicher­ heitsschaltung. Am Gleichspannungsausgang des Gleichrich­ ters D 9 liegt ein Kondensator C 1 zur Spannungsglättung.

Die Gleichspannung dient zur Versorgung des Steuerkreises 8, der einen ersten Zweig aufweist, bestehend aus einer Rei­ henschaltung des Brennertasters BT (Schließer), einem Ar­ beitskontakt k 2 eines Relais K 2, einer in Durchlaßrichtung angeordneten Entkopplungsdiode D 3, einem Ruhekontakt k 3 eines Relais K 3 und der Erregerwicklung des Relais K 2 mit parallelgeschalteter Freilaufdiode D 2.

Parallel zu der Reihenschaltung aus der Diode D 3, dem Kon­ takt k 3 und der Erregerwicklung des Relais K 2 liegt die Erregerwicklung eines Relais K 1, zu der ebenfalls eine Freilaufdiode D 1 parallel geschaltet ist. Das Relais K 1 hat einen Arbeitskontakt 1 (Fig. 2), der über die Klemmen 5 und 6 das Schütz eines Leistungstransformators einschaltet, der über einen nachgeschalteten Gleichrichter den Schneidstrom liefert. Die parallel zum Kontakt k 1 liegende Reihenschal­ tung aus Kondensator C 3 und Ohm′schem Widerstand R 4 dient zum Löschen von Spannungsspitzen.

Parallel zum Brennertaster BT, dem Kontakt k 2 und der Ent­ kopplungsdiode D 3 ist eine Reihenschaltung aus einer in Durchlaßrichtung geschalteten Entkopplungsdiode D 5, einer in Sperrichtung geschalteten Zenerdiode D 7, einem Ohm′schen Widerstand R 2 und einer in Durchlaßrichtung ge­ schalteten Entkopplungsdiode D 4 der Detektorschaltung 7 an­ geschlossen. Die Reihenschaltung aus Zenerdiode D 7 und Wi­ derstand R 2 liegt an den Klemmen 3 und 4.

Parallel zum Widerstand R 2 liegt eine Reihenschaltung aus einem Ohm′schen Widerstand R 3 und einer weiteren, in Sperr­ ichtung geschalteten Zenerdiode D 8, zu der parallel die Erregerspule des Relais K 3 in Reihe mit einem Ohm′schen Widerstand R 1 liegt. Hiermit wird über den Anpaßkreis D 8, R3 die Ausgangsspannung der Schwellwertstufe der Betriebs­ spannung des Relais K 3 angepaßt.

Parallel zur Erregerspule des Relais K 3 ist einerseits eine Freilaufdiode D 6 zum Löschen von Spannungsspitzen sowie ein Kondensator C 2 geschaltet, der in Verbindung mit dem Wider­ stand R 1 zum zeitverzögerten Ansprechen des Relais K 3 dient.

Die Ausgangsklemme 3 ist an den Pluspol und die Ausgangs­ klemme 4 an den Minuspol der Stromversorgung für den Schneidbrenner angeschlossen. Die Spannung dieser Stromver­ sorgungsanlage wird dadurch angeschaltet, daß ein Schütz den (nicht dargestellten) Leistungstransformator der Anlage an das Netz anschaltet. Das Schütz wird über den Kontakt k 1 des Relais K 1 betätigt. Ist der Schneidkopf der Plasma- Schneidanlage nicht auf das Werkstück aufgesetzt, sind die Klemmen 3, 4 offen. Eine externe Spannung von der Strom­ versorgungsanlage liegt nicht an, solange der Kontakt k 1 geöffnet ist. Über die Zenerdiode D 7 kann kein Strom fließen, da die Zenerspannung wesentlich größer ist als die an den Klemmen 1, 2 anstehende Versorgungsspannung der Si­ cherheitsschaltung.

Durch Drücken des Brennertasters BT wird dieser Zustand noch nicht geändert, da der Stromkreis über das Relais K 1 durch den Arbeitskontakt k 2 des Relais K 2 unterbrochen ist.

Wird der Schneidkopf auf das Werkstück aufgesetzt, so wer­ den zunächst die Klemmen 3 und 4 kurzgeschlossen, da das Werkstück mit der Klemme 3 und die Elektrode mit der Klemme 4 verbunden ist und durch das Aufsetzen die Elektrode mit dem Schneidkopf leitend verbunden wird.

Über den Kurzschluß der Klemmen 3 und 4 liegt nun an der Klemme 4 die Versorgungsspannung aus den Klemmen 1, 2 an. Die Erregerwicklung des Relais K 2 erhält diese Spannung über den Kontakt k 3, und das Relais K 2 zieht an und schließt den Arbeitskontakt k 2. Dadurch erhält die Erre­ gerwicklung des Relais K 1 über den geschlossenen Brenner­ taster BT und k 2 Strom und zieht an. Der Arbeitskontakt k 1 schließt, und dadurch wird über das (nicht dargestellte) Schütz der Leistungstransformator an die Netzspannung ge­ schaltet. Wird nun der Schneidkopf vom Werkstück etwas ab­ gehoben, so steht an den Klemmen 3 und 4 kurzzeitig die gleichgerichtete Leerlauf-Ausgangsspannung des Leistungs­ transformators an, der Lichtbogen wird gezündet und die Betriebsspannung fällt auf den normalen Spannungswert ab.

Eine Erregung des Relais K 3 ist bei gezündetem Lichtbogen nicht möglich, da die bei vorhandenem Lichtbogen an den Klemmen 3 und 4 anstehende Betriebs-Gleichspannung (Schneidspannung) kleiner ist als die Zenerspannung der Diode D 7. Erst bei Loslassen des Brennerschalters BT fallen die Relais K 2 und K 1 ab; der Leistungstransformator wird ausgeschaltet, und über den Klemmen 3 und 4 liegt keine externe Ausgangsspannung mehr an.

Reißt bei einem Schneidvorgang der Lichtbogen ab und der Schneidkopf wird nicht wieder auf das Werkstück aufgesetzt, so kann die dann anstehende Leerlauf-Gleichspannung ebenfalls über den Brennertaster BT abgeschaltet werden. Wird dies versehentlich unterlassen, so schaltet die er­ findungsgemäße Sicherheitsschaltung den Leistungstransfor­ mator mit dem nachgeschalteten Gleichrichter selbsttätig ab.

Bei unterbrochenem Lichtbogen steigt die gleichgerichtete Ausgangsspannung an den Klemmen 3 und 4 bis auf die Leer­ laufspannung von ca. 300 V an. Die Zenerspannung der Diode D 7 ist kleiner als die Leerlaufspannung gewählt, so daß die Zenerdiode D 7 leitend wird und am Widerstand R 2 eine Span­ nung abfällt, die über die Zenerdiode D 8 an die Schalt­ spannung des Relais K 3 angepaßt ist. Nach einer durch den Kondensator C 2 und den Widerstand R 1 vorgebbaren Zeitdauer zieht das Relais K 3 an, wodurch der Ruhekontakt k 3 im Reihenzweig des Steuerkreises 8 geöffnet wird; das Relais K 2 fällt ab, wodurch der Arbeitskontakt k 2 öffnet und das Relais K 1 abfällt. Damit wird der Arbeitskontakt k 1 geöffnet und der Leistungstransformator über das zugehörige Schütz abgeschaltet. Das Relais K 3 fällt ab, und der Ruhekontakt k 3 schließt, so daß wieder die Ausgangslage gegeben ist.

Erst nach erneutem Aufsetzen des Schneidkopfes auf das Werkstück und Drücken der Brennertaste läßt sich die Schneidanlage wieder zünden.

Der Kondensator C 2 und der zugeordnete Widerstand R 1 stellen sicher, daß in der Zündphase des Lichtbogens die kurzen Momente, in denen an den Klemmen Leerlaufspannung ansteht, kein Ausschalten der Anlage durch Ansprechen des Relais K 3 erfolgen kann.

Claims (8)

1. Elektrische Sicherheitsschaltung für eine Plasma- Schneidanlage mit einem Schneidbrenner, dessen Kopf eine Elektrode und eine diese unter Bildung eines Ringspaltes umgebende Schneiddüse aufweist, wobei zur Bildung eines Lichtbogens zwischen Elektrode und Werkstück eine gleichgerichtete hohe Ausgangsspannung anliegt und zur Bildung des heißen Schneidstrahls ein Plasmagas durch den Ringspalt geführt ist, und mit einem Steuerkreis (8) zum Schalten der Ausgangsspannung, gekennzeichnet durch einen Detektorkreis (7), der die Ausgangsspannung der Stromversorgung für den Schneid­ brenner abtastet und eine Schwellwertstufe (D 7, R 2) aufweist, die einen die Ausgangsspannung bei Über­ schreiten eines vorgebbaren Spannungswertes abschal­ tenden Unterbrecher (k 3) im Steuerkreis (8) betätigt.

2. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertstufe durch eine parallel zur Ausgangsspannung liegende Reihenschal­ tung eines Widerstandes (R 2) und einer in Sperrichtung geschalteten Zenerdiode (D 7) gebildet ist, deren Zener­ spannung größer als die bei stehendem Lichtbogen anste­ hende Ausgangsspannung und kleiner als die bei gelösch­ tem Lichtbogen anstehende Leerlaufspannung ist.

3. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertstufe über ein Verzögerungsglied (C 2, R 1) den Unterbrecher (k 3) ansteuert.

4. Sicherheitsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrecher (k 3) ein Relaiskontakt ist.

5. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzögerungsglied ein parallel zur Erregerspule des Relais (K 3) liegender Kondensator (C 2) und ein die Schwellwertstufe und die Erregerspule des Relais (K 3) verbindender Widerstand (R 1) ist.

6. Sicherheitsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkreis (8) aus einer Reihenschaltung eines Brennertasters (BT), eines Arbeitskontaktes (k 2) mit Selbsthalteschaltung und eines die Selbsthalteschaltung entriegelnden Ruhekontaktes (k 3) als Unterbrecher besteht.

7. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektorkreis (7) als Parallelzweig zur Reihenschaltung von Brennertaster (BT) und Arbeitskontakt (k 2) liegt.

8. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung der Schwellwertstufe (D 7, R 2) über einen Anpaßkreis (R 3, D 8) an die Betriebsspannung des Relais angepaßt ist.