DE3731450A1 - Plasmaschneidgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Plasmaschneidgerät mit einer insbesondere einen Netztransformator mit nachge­ schaltetem Gleichrichter umfassenden potentialfreien Spannungsversorgung, die über einen an das Schneidgut an­ klemmbaren Hauptstromzweig mit einer Elektrode sowie über einen parallel zu einem zum Schneidgut führenden Hauptstrom­ zweigabschnitt verlaufenen Hilfsstromzweig mit einer Hilfs­ elektrode zur Erzeugung eines Pilotlichtbogens verbindbar ist, wobei der Hilfselektrode ein Vorwiderstand und ein Trennschalter zur Unterbrechung des Hilfsstromzweiges zugeordnet ist.

In Plasmaschneidgeräten bzw. -brennern wird zur Erzeugung eines sehr heißen Plasmastrahls ein strömendes Gas in einem Lichtbogen auf Temperaturen bis zu 50 000°C erhitzt, so daß mit diesen Geräten auch schwer schmelzbare Materialien zu bearbeiten sind. Um auch lackierte oder mit Schutzfolien oder dgl. elektrisch nicht leitenden Uberzügen versehene metallische Schneidgüter bearbeiten zu können, ist bei Geräten herkömmlicher Bauart der Überzug mit Hilfe eines Pilotlichtbogens zunächst zu durchbrennen, bevor der Haupt­ lichtbogen gezündet wird.

Bei bekannten Geräten der eingangs genannten Art ist der Leistungstransformator der Geräte­ spannungsversorgung über den Hauptstromzweig direkt mit dem Schneidgut zu verbinden, wobei der der Hilfselektrode zugeordnete Vorwiderstand in den mit dem Hauptstromzweig verbundenen Hilfsstromzweig angeordnet ist. Zwischen der elektrisch nicht isolierbaren Elektrode und dem Schneidgut dieser Geräte können daher Leerlaufspannungen bis ca. 300 Volt auftreten, so daß bei Berührung von Geräteteilen für die Bedienpersonen Lebensgefahr besteht.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Plasma­ schneidgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem weiterhin die Möglichkeit der Zündung eines Pilotlicht­ bogens und eines Hauptlichtbogens besteht, jedoch an von der Bedienperson berührbaren Teilen lebensgefährliche Span­ nungen nicht anliegen können.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich das Plasmaschneidge­ rät nach der Erfindung einerseits durch die im kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale und andererseits durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 angegebenen Merkmale aus.

Wesentlicher Vorteil des Plasmaschneidgerätes nach der Erfindung ist, daß für eine Bedienperson kritische Span­ nungszustände an berührbaren Teilen des Gerätes bzw. am Schneidgut, beispielsweise Leerlaufspannungen in einer Größenordnung wie bei den bekannten Schneidgeräten, nicht auftreten können. Bei dem Plasmaschneidgerät gemäß Anspruch 1 ist bei Inbetriebnahme der an das Schneidgut anzuklemmende Abschnitt des Hauptstromzweiges solange galvanisch abge­ trennt zu halten, bis der von der elektronischen Steuer­ schaltung betätigte Steuerschalter nach Vorliegen eines elektrischen Potentials am Schneidgut den zum Schneidgut führenden Hauptstromzweigabschnitt freigibt. Auch die von außen her zugängliche Brennerdüse kann somit gefahrlos berührt werden. Ist elektrisch isoliertes Schneidgut, z.B. lackiertes Blech, zu bearbeiten, ist zunächst der Pilot­ lichtbogen kontrolliert zu zünden, wozu die Bedienperson zunächst den am Brenner vorgesehenen Startschalter betätigt und dann die Brennerdüse auf das Schneidgut aufdrückt. Infolge der relativ beweglichen Halterung von Brennerdüse und Elektrode zueinander ist eine elektrische Verbindung zwischen Elektrode und Düse und damit ein Kurzschluß zwischen diesen Teilen herzustellen. Die elektronische Steuerschaltung ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß bei Inbetriebnahme des Gerätes das Vorliegen dieses Kurz­ schlusses mittels einer Strommeßeinrichtung überwacht wird, so daß im Falle eines nicht erfolgten Kurzschlusses das Gerät elektrisch zu blockieren ist. Eine versehentliche Zündung des Lichtbogens ist damit verhindert. Zudem kann die Steuerschaltung daneben auch noch Timerelemente haben, um eine Blockierung des Gerätes zu haben, wenn nicht inner­ halb vorgebbarer Zeitintervalle der Kurzschlußstrom dedek­ tiert. Damit ist eine Zündungsmöglichkeit bei zufällig erzeugten Kurzschlüssen so gut wie ausgeschlossen. Desweite­ ren ist die Steuerschaltung zweckmäßigerweise derart aus­ gebildet, daß die elektrische Spannungsversorgung zur Zün­ dung eines Hauptlichtbogens erst dann freigegeben ist, wenn einerseits der Kurzschlußstrom über die Strommeßein­ richtung quittiert und andererseits ein ungleichmäßiger Wechselstrom am Schneidgut über eine Dedektorleitung durch die Steuerschaltung dedektiert wird, woraus zu schließen ist, daß über den Pilotlichtbogen eine elektrische Verbin­ dung zwischen Elektrode und Schneidgut nach Durchbrennen z. B. der Lackschicht entstanden ist, da die Flamme des Pilotlichtbogens einen mit einer Diode vergleichbaren elek­ trischen Leiter darstellt. Steuerschaltungsintern sind die vorbeschriebenen Steuerungen mit geeigneten, bekannten elektronischen Bauteilen zu realisieren.

Vorzugsweise ist mit Hilfe einer im Hilfsstromzweig ange­ ordneten Strommeßeinrichtung durch die elektronische Steuer­ schaltung zu überprüfen, ob der Pilotlichtbogen noch brennt und Strom über die die Hilfselektrode bildende Brennerdüse fließt. Sobald der Pilotlichtbogen erloschen ist, kann dann von der elektronischen Steuerschaltung der zur Düse führende Abschnitt des Hilfsstromzweiges mittels des Trenn­ schalters unterbrochen werden, so daß bei einem evtl. Ab­ reißen des Hauptlichtbogens ein Pilotlichtbogen nicht ge­ zündet werden kann. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Plasmaschneidgerätes ist ein Klemmen der Brennerdüse weitestgehend ausgeschlossen. Darüberhinaus läßt sich mit­ tels einer geeignet ausgebildeten elektronischen Schaltung ein Kurzschluß am offenen Brennerkopf, z.B. bedingt durch Reinigungsarbeiten mit einer Drahtbürste, erkennen und ein versehentliches Starten des Gerätes auch in diesem Fall mittels der Steuerschaltung verhindern.

Gleichermaßen ist mittels der elektronischen Steuerschaltung während des Schneidbetriebes der Lichtbogenstrom zu über­ wachen, damit beim Abreißen des Lichtbogens der Transfor­ mator auch bei betätigtem Starttaster abgeschaltet wird. Hierdurch ist sichergestellt, daß auch nach dem Erlöschen des Lichtbogens die Leerlaufspannung nicht länger als z. B. 50 ms zwischen berührbaren Teilen auftreten kann.

Sollen mit dem Plasmaschneidgerät nach Anspruch 1 z.B. blanke Bleche bearbeitet werden, ist durch die elektronische Steuerschaltung nach Inbetriebnahme des Gerätes und Auf­ setzen der Brennerdüse auf das Schneidgut eine elektrische Verbindung zwischen Elektrode bzw. Düse und dem Schneidgut und somit ein elektrisches Potential zu dedektieren, so daß vor dem Einschalten des Transformators der Spannungsver­ sorgung der Steuerschalter geschlossen und der im Hilfs­ stromzweig angeordnete Trennschalter offengehalten werden kann, so daß nach Aufheben des Kurzschlusses direkt der Hauptlichtbogen unter Verhinderung der Entstehung eines Pilotlichtbogens zu zünden ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Plasmaschneidgerät nach Anspruch 2 ist nach Inbetriebnahme des Gerätes sicherzustellen, daß das Schneidgut und die Brennerdüse übereinstimmende elektrische Potentiale haben, so daß in der Startphase des Gerätes kritische Spannungen an berührbaren Teilen ebenfalls nicht auftreten können. Durch die Anordnung des Vorwiderstandes im Hauptstromzweig ist zudem der Kurzschluß­ strom des Transformators auch bei der Bearbeitung von elek­ trisch nicht isoliertem Schneidgut erheblich reduziert. Ansonsten gelten auch bei dieser erfindungsgemäßen Ausbil­ dung des Plasmaschneidgerätes die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Gerät nach Anspruch 1 vorstehend beschrie­ benen Vorteile und Ausbildungsmöglichkeiten in analoger Weise.

Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung wird auf weitere Unteransprüche, die Zeichnung und die nachfolgende Beschreibung verwiesen. In der Zeich­ nung zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltschema eines Ausführungsbei­ spiels eines Plasmaschneidgerätes nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Prinzipschaltschema eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Plasmaschneidge­ rätes nach der Erfindung.

Das in der Zeichnung im einzelnen nicht dargestellte Plasma­ schneidgerät hat einen im Hauptstromzweig 1 angeordneten Hauptschalter 2, einen Netztransformator 3, einen Gleich­ richter 4, eine Drossel 5 und einen aus Elektrode 6 sowie einer metallischen Düse 7 bestehenden Brenner. Mit 8 ist das zu bearbeitende Schneidgut beziffert, das über eine Zange 9 oder eine sonstige geeignete Anschlußklemmverbindung mit dem zum Schneidgut 8 führenden Hauptstromzweigabschnitt 10 zu verbinden ist. Parallel zu dem zum Schneidgut füh­ renden Hauptstromzweigabschnitt 10 verläuft der allgemein mit 11 bezifferte Hilfsstromzweig zum Anschluß der die Hilfselektrode zur Erzeugung eines Pilotlichtbogens bilden­ den metallischen Brennerdüse 7. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist in analoger Weise wie bei bekannten Plasma­ schneidgeräten der Vorwiderstand 12 sowie der Trennschalter 13 in dem Hilfsstromzweig 11 angeordnet.

Die Spannungsversorgung des Brenners ist aufgrund des vor­ gesehenen Transformators potentialfrei. In dem zum Schneid­ gut führenden Hauptstromzweigabschnitt 10 ist in dem Aus­ führungsbeispiel nach Fig. 1 ein Steuerschalter 14 angeord­ net, der mittels einer allgemein mit 15 bezifferten elektro­ nischen Steuerschaltung betätigbar ist. Durch den Steuer­ schalter 14 ist der zum Schneidgut führende Hauptstromzweig­ abschnitt 10 galvanisch abzutrennen, wonach am Schneidgut 8 bzw. der Brennerdüse 7 für eine Bedienperson kritische Spannungen nicht mehr auftreten können. Soll mit dem Plasma­ schneidgerät nach dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bei­ spielsweise ein lackiertes Blech bearbeitet werden, ist erst der Starttaster 1 bzw. Starttaster 16 der elektro­ nischen Steuerschaltung zu betätigen. Die elektronische Steuerschaltung überprüft dann zunächst, ob der Steuer­ schalter 14 sich in Offenstellung befindet und blockiert das Gerät, falls der Hauptstromzweigabschnitt 10 nicht galvanisch abgetrennt sein sollte. Bei positiver Rückmeldung kann durch die Bedienperson nun der Startvorgang durch Aufdrücken der Düse 7 auf das Schneidgut 6 eingeleitet werden, wobei infolge der relativen Beweglichkeit zueinander von Brennerdüse 7 und Elektrode 8 zwischen diesen beiden Teilen eine elektrische Verbindung erzeugt wird. Mittels der elektronischen Steuerschaltung 15 wird die Erzeugung des Kurzschlusses ebenfalls überwacht. Sollte dieser Kurz­ schluß nicht erzeugt worden sein, ist das Gerät blockiert. Wenn nach Erzeugung des Kurzschlußstromes durch Anheben des Brenners der Kurzschluß zwischen Düse 7 und Elektrode 6 aufgehoben wird, entsteht der Pilotlichtbogen, mit dem die Isolierschicht des Schneidgutes 8 zunächst durchtrennt wird. Sobald diese Isolierschicht durchtrennt ist, liegt an dem Schneidgut ein elektrisches Potential an, das mittels der elektronischen Steuerschaltung 15 zu dedektieren ist, so daß nach positiver Rückmeldung der Steuerschalter 14 im Schließsinne betätigt und der Hauptlichtbogen gezündet wird. Nach Abschalten des Hauptlichtbogens beispielsweise durch Betätigung des Hauptschalters 1 oder durch Abziehen des Brenners vom Schneidgut erlaubt die elektronische Steuerschaltung 15 einen Wiederstart erst dann, wenn ein zur Kühlung benötigter einstellbarer Zeitraum von z.B. 15 Sekunden verstrichen ist. Durch die elektronische Steuer­ schaltung 15 ist beispielsweise auch eine auf Klemmen, Kurzschluß oder Unterbrechung in der Zuleitung zurückzu­ führendes fehlerhaftes Arbeiten des Gerätes zu überwachen. Gleichfalls ist in der Arbeitsphase durch die elektronische Steuerschaltung 15 der Lichtbogenstrom überwacht, damit beim Abreißen des Lichtbogens der Transformator 3 auch bei gedrücktem Starttaster 14 abgeschaltet wird. Hierdurch ist sichergestellt, daß auch nach dem Erlöschen des Licht­ bogens die Leerlaufspannung nicht länger als 50 ms zwischen berührbaren Teilen auftreten kann. Durch die elektronische Steuerschaltung 15 sind alle für die Sicherheit des Gerätes relevanten Gerätekomponenten entweder kontinuierlich oder in bestimmten Betriebsintervallen zu überwachen, beispiels­ weise der Trennschalter 1, Triac 17, Starttaster 16 und dgl. mehr.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist bei ansonsten im wesentlichen analoger Ausbildung wie bei dem Ausführungs­ beispiel nach Fig. 1 der Vorwiderstand 12 nicht in dem zur Brennerdüse führenden Hilfsstromzweig 11 angeordnet,son­ dern sowohl dem Hilfsstromzweig 11 als auch dem parallel zum Hilfsstromzweig 11 verlaufenden Hauptstromzweigabschnitt 10 vorgeschaltet, so daß nach Inbetriebnahme des Gerätes sowohl am Schneidgut 8 als auch der Brennerdüse 7 im wesent­ lichen übereinstimmende elektrische Potentiale anliegen und für Bedienpersonen kritische Spannungswerte an berühr­ baren Teilen nicht auftreten können. Der Vorwiderstand 12 ist über eine Verbindungsleitung 19 kurzzuschließen, in der der von der elektronischen Steuerschaltung 15 betä­ tigbare Steuerschalter 14 angeordnet ist. Bei Inbetriebnahme des Gerätes ist der Steuerschalter 14 geöffnet, was zuvor in analoger Weise wie bei dem Gerät nach Fig. 1 von der Steuerschaltung 15 überprüft wird. In gleicher Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Trennschal­ ter 13 beim Start in geschlossener Stellung, so daß nach Andrücken des Brenners auf das Schneidgut und erzeugtem Kurzschluß zwischen Düse 7 und Elektrode 8 der Pilotlicht­ bogen erzeugt werden kann. Die elektronische Steuerschaltung 15 überwacht den Stromfluß zwischen Brennerdüse 7 und Schneidgut 8 und schließt bei positiver Rückmeldung den Steuerschalter 14, so daß der Vorwiderstand 12 über die Verbindungs- bzw. Kurzschlußleitung 19 zur Erzeugung des Hauptlichtbogens zu überbrücken ist. In analoger Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist in dem Hilfsstromzweig 11 eine Strommeßeinrichtung 18 vorgesehen, die an die elektronische Steuerschaltung 15 angeschlossen ist und im Falle eines gezündeten Hauptlichtbogens zwecks Vermeidung einer versehentlichen Zündung eines Pilotlicht­ bogens bei über den Hilfsstromzweig 11 nicht mehr fließendem Strom ein entsprechendes Signal abgibt, wonach der Trenn­ schalter 13 in seine den Hilfsstromzweig 11 abtrennende Offenstellung überführt wird.

Im Falle der Bearbeitung von elektrisch nicht isoliertem Schneidgut wird bei den Geräten nach den Fig. 1 und 2 durch die elektronische Steuerschaltung 15 in der Startphase beim Aufdrücken der Brennerdüse auf das Schneidgut 8 eine elektrische Verbindung zwischen der Elektrode und dem Schneidut dedektiert und über die elektronische Steuer­ schaltung 15 noch vor Inbetriebsetzen des Transformators 3 der Steuerschalter 11 geschlossen und der Trennschalter 13 geöffnet. Hierdurch entsteht beim Aufheben des Kurz­ schlusses direkt der Hauptlichtbogen. Die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten neben dem Vorteil einer Verhinderung von unzulässig hohen Spannungen an berührbaren Bauteilen die weiteren Vorteile, daß mittels der elektro­ nischen Steuerschaltung sämtliche für die Gerätesicherheit entscheidenden Gerätebauteile zu überwachen sind und zudem das Auftreten von Spitzenströmen im Versorgungsnetz beim Einschalten des Gerätes ebenfalls vermieden ist.

Claims (10)

1. Plasmaschneidgerät mit einer insbesondere einen Netztransformator (3) mit nachgeschaltetem Gleichrichter (4) umfassenden potentialfreien Spannungsversorgung, die über einen an das Schneidgut (8) anklemmbaren Hauptstrom­ zweig (1, 10) mit einer Elektrode (6) sowie über einen parallel zu einem zum Schneidgut (8) führenden Hauptstrom­ zweigabschnitt (10) verlaufenden Hilfsstromzweig (11) mit einer Hilfselektrode (7) zur Erzeugung eines Pilotlicht­ bogens verbindbar ist, wobei der Hilfselektrode (6) ein Vorwiderstand (12) und ein Trennschalter (13) zur Unter­ brechung des Hilfsstromzweiges (11) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Schneidgut (8) führende Haupt­ stromzweigabschnitt (10) beim Einschalten des Gerätes durch einen Steuerschalter (14) galvanisch abgetrennt ist, daß eine elektronische Steuerschaltung (15) den abgetrennten Hauptstromzweigabschnitt (10) auf ein anliegendes elek­ trisches Potential überwacht und daß der Steuerschalter (14) in Abhängigkeit eines von der elektronischen Steuer­ schaltung (15) dedektierten elektrischen Potentials im Schließsinn betätigbar ist.

2. Plasmaschneidgerät mit einer insbesondere einen Netztransformator (3) mit nachgeschaltetem Gleichrichter (4) umfassenden potentialfreien Spannungsversorgung, die über einen an das Schneidgut (8) anklemmbaren Hauptstrom­ zweig (1, 10) mit einer Elektrode (6) sowie über einen parallel zu einem zum Schneidgut (8) führenden Hauptstrom­ zweigabschnitt (10) verlaufenden Hilfsstromzweig (11) mit einer Hilfselektrode (7) zur Erzeugung eines Pilotlicht­ bogens verbindbar ist, wobei der Hilfselektrode (7) ein Vorwiderstand (17) und ein Trennschalter (13) zur Unter­ brechung des Hilfsstromzweiges (11) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorwiderstand (12) dem zum Schneid­ gut (8) führenden Hauptstromzweigabschnitt (10) sowie dem parallel zu diesem verlaufenden Hilfsstromzweig (11) vorge­ schaltet, im Hauptstromzweig (1) angeordnet und über eine einen Steuerschalter (14) aufweisende Verbindungsleitung (19) kurzschließbar ist, daß eine elektronische Steuer­ schaltung (15) den Stromfluß zwischen Elektrode (6) und Schneidgut (8) überwacht und daß der Steuerschalter (14) in Abhängigkeit des von der elektronischen Steuerschaltung (15) dedektierten Stromflusses im Schließsinn betätigbar ist.

3. Plasmaschneidgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerschaltung (15) bei Inbetriebnahme des Gerätes den Hilfsstromzweig (11) auf einen Kurzschlußstrom zwischen Elektrode (6) und Hilfs­ elektrode (7) überwacht und bei nicht dedektiertem Kurz­ schlußstrom ein die Spannungsversorgung (3, 4) blockierendes Steuersignal abgibt.

4. Plasmaschneidgerät nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei nicht dedektiertem Kurzschlußstrom sowie bei nicht dedektierter elektrischer Verbindung der Elektrode und Schneidgut über den Pilotlichtbogen die elek­ tronische Steuerschaltung (15) ein die Spannungsversorgung (3,4) blockierendes Steuersignal abgibt.

5. Plasmaschneidgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (6) und die Hilfselektrode (7) relativ zueinander beweglich gehaltert sind.

6. Plasmaschneidgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steuerschaltung (15) bei Inbetriebnahme des Gerätes die Offenstellung des Steuerschalters (14) überprüft und bei nicht vorliegender Offenstellung des Steuerschalters (14) ein die Spannungsversorgung (3, 4) blockierendes Steuer­ signal abgibt.

7. Plasmaschneidgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennschalter (13) des Hilfsstromzweiges (11) von der elektronischen Steuer­ schaltung (15) betätigbar ist.

8. Plasmaschneidgerät nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Hilfsstromzweig (11) eine der elektro­ nischen Steuerschaltung (15) zugeordnete Strommeßeinrichtung (18) vorgesehen und der Trennschalter (13) im stromlosen Zustand des Hilfsstromzweiges (11) betätigbar ist.

9. Plasmaschneidgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsnetzanschluß­ leitung der Spannungsversorgung (3, 4) einen elektronisch steuerbaren Schalter (17) umfaßt und der Netztransformator (3) der Spannungsversorgung nur bei vorbestimmbaren Phasenwinkel der Versorgungsnetzspannung einschaltbar ist.

10. Plasmaschneidgerät nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gerätehauptschalter (2) zur Inbetriebnahme des Gerätes mit dem elektronisch steuerbaren Schalter (17) sowie der elektronischen Steuerschaltung (15) verbindbar und nur im stromlosen Zustand betätigbar ist.