DE1816866C3 - Arrangement for the detection and signaling of short circuits in the working gap of electrochemical metalworking devices - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung und Signalisierung von Kurzschlüssen im Arbeitsspalt elektrochemischer Metallbearbeitungsvorrichtungen mit einem an den Arbeitsspalt angeschlossenen Detektor, der einen Differenzbildner zum Vergleich der Spaltspannung mit einer Vergleichsspannung enthält.The invention relates to an arrangement for detecting and signaling short circuits in the working gap electrochemical metalworking devices with one connected to the working gap Detector that contains a difference generator for comparing the gap voltage with a comparison voltage.

Derartige Anordnungen werden z. B. an elektrochemischen Metallbearbeitungsmaschinen zur Abschaltung der Gleichstromversorgung des Arbeitsspalts im Kurzschlußfall zwischen der Bearbeitungselektrode und dem zu bearbeitenden Werkstück benutzt, um so die Bearbeitungselektrode vor elektrischen Überströmen und damit vor der Zerstörung zu schützen. Da die Bearbeitungselektrode solcher Maschinen im allgemeinen kostspielige Maschinenbauteile sind, kommt entsprechenden Schutzvorrichtungen besondere Bedeutung zu.Such arrangements are z. B. on electrochemical metalworking machines to shutdown the direct current supply of the working gap in the event of a short circuit between the machining electrode and the workpiece to be machined is used to protect the machining electrode from electrical overcurrents and thus to protect against destruction. As the machining electrode of such machines in general are expensive machine components, appropriate protective devices are of particular importance to.

Bei elektrochemischen Metallbearbeitungsmaschinen, deren Gleichstromversorgung über steuerbare Gleichrichter aus dem Drehstromnetz erfolgt, ist es bekannt (FR-PS 14 53 382), die Steuerung der Gleichrichter über Differenzverstärker vorzunehmen, die eingangsseitig einerseits mit einer Gleichspannung, die über ein Tiefpaßfilter aus der Spaltspannung der Maschine abgeleitet ist, und andererseits mit einem Vergleichssignal beaufschlagt sind, das im Kurzschlußfall durch einen Funkendetektor unterdrückt wird. Der Wegfall der Vergleichsspannung am Eingang der Differenzverstärker bewirkt die Sperrung der Gleichrichter und damit die Abschaltung der Stromversorgung. Die Anordnung weist den Nachteil auf, daß auch hochfrequente Streuimpulse zur Sperrung der Stromversorgung führen können, weshalb an dem Detektor besondere Maßnahmen zur Unterdrückung der Wirkung solcher Streuimpulse getroffen werden müssen.In electrochemical metalworking machines, their direct current supply via controllable Rectifier takes place from the three-phase network, it is known (FR-PS 14 53 382), the control of the rectifier make via differential amplifier, the input side on the one hand with a DC voltage, the is derived from the gap voltage of the machine via a low-pass filter, and on the other hand with a Comparison signal are applied, which is suppressed in the event of a short circuit by a spark detector. the If the comparison voltage at the input of the differential amplifier is omitted, the rectifier is blocked and thus the disconnection of the power supply. The arrangement has the disadvantage that also High-frequency stray pulses can lead to the power supply being blocked, which is why the detector special measures must be taken to suppress the effect of such scattered pulses.

Zur Unterdrückung des Einflusses solcher Streuimpulse ist es bekannt (BE-PS 6 76 163), die im Kurzschlußfall abfallende Spaltspannung über ein Hochpaßfilter, das die hochfrequenten Komponenten der abfallenden Spaltspannung passieren läßt, einer Schaltvorrichtung zuzuführen, die nur dann anspricht, wenn die durch das Filter hindurchtretenden Impulse eine bestimmte Mindestdauer überschreiten.To suppress the influence of such stray pulses it is known (BE-PS 6 76 163) that the gap voltage dropping in the event of a short circuit over a A high-pass filter that lets the high-frequency components of the falling gap voltage pass through To supply switching device that responds only when the pulses passing through the filter exceed a certain minimum duration.

An elektrochemischen Bearbeitungsmaschinen, deren Arbeitsspalt bekanntlich großen Widerstandsschwankungen zwischen einem dem normalen Betrieb und einem dem Kurzschlußfall entsprechenden Widerstandswert unterliegt, ist es bekannt (DT-AS 11 88 228), die Versorgungsspp.nnung in Abhängigkeit von der Spaltspannung mittels eines Spannungsreglers zu regeln, dem als Regelabweichung die Differenz aus der Spahspannung und aus einer miifels einer Zenerdiode vorgegebenen Vergleichsspannung zugeführt wird.It is known (DT-AS 11 88 228) to regulate the supply voltage as a function of the gap voltage by means of a voltage regulator, the the difference between the spah voltage and a reference voltage specified by means of a Zener diode is supplied as the control deviation.

Jene bekannten Anordnungen, bei denen die Abschaltung der Versorgungsspannung vom Auftreten bestimmter hochfrequenter Komponenten der Spaltspannung abhängig gemacht wird, leiden unter dem Mangel, daß »schleichend« verlaufende Kurzschlüsse nicht erfaßt w?rdon.Those known arrangements in which the disconnection of the supply voltage from the occurrence of certain high-frequency components of the gap voltage are made dependent, suffer from the deficiency, that "creeping" short circuits would not be detected.

Andere Anordnungen, die den im Kurzschlußfall auftretenden Überstrom im Arbeitsspalt bzw. die zugehörige Unterspannung über zugehörige Schaltvorrichtungen zur Kurzschlußabschaltung benutzen, weisen den Mangel auf, daß für die Überspannung und den Überstrom jeweils von Hand einstellbare Grenzwerte vorgegeben werden müssen, deren Überschreitung den Schaltvorgang auslöst. Die zugehörigen Detektoren müssen deshalb in bezug auf die üblichen Schwankungen der Arbeitsspannung am Arbeitsspalt unempfindlich eingestellt werden, wodurch auch die Empfindlichkeit der Kurzschlußabschaltung bzw. deren Schnelligkeit leidet. Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, eine Anordnung der eingangs näher bezeichneten Art anzugeben, die es auf einfache Weise gestattet, Kurzschlüsse auch bei schwankender Spaltspannung bzw. unabhängig von der jeweiligen Höhe der Spaltspannung allein aus dem Abfall der Spaltspannung selbst zu ermitteln.Other arrangements, the overcurrent occurring in the case of a short circuit in the working gap or the Use associated undervoltage via associated switching devices for short-circuit shutdown the lack of manually adjustable limit values for the overvoltage and the overcurrent must be specified, the exceeding of which triggers the switching process. The associated detectors must therefore be insensitive to the usual fluctuations in the working voltage at the working gap can be set, whereby the sensitivity of the short-circuit shutdown or its speed suffers. The invention is concerned with the object of providing an arrangement of the type specified in the introduction specify which allows short-circuits to be eliminated in a simple manner, even with fluctuating gap voltage or independently of the respective level of the gap voltage solely from the drop in the gap voltage to determine yourself.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Anordnung der eingangs näher bezeichneten Art dadurch gelöst, daß an den einen Eingang des Differenzbildners eine der Spaltspannung unmittelbar entsprechende Spannung e 1 und an den anderen Eingang eine den Schwankungen mit negativem Differentialquotienten dieser Spannung e 1 mit einem demgegenüber wesentlich geringeren Differentialquotienten folgende Spannung e2 angeschlossen ist und daß am Ausgang des Differenzbildners ein Kurzschlußsignal erscheint, sobald e 2 größer als e 1 wird.According to the invention, this object is achieved with an arrangement of the type specified in the introduction solved in that one of the gap voltage is directly applied to one input of the difference generator corresponding voltage e 1 and at the other input one to the fluctuations with negative Differential quotient of this voltage e 1 with a significantly lower differential quotient in comparison the following voltage e2 is connected and that a short-circuit signal at the output of the difference calculator appears as soon as e 2 is greater than e 1.

Die Ausbildung kann dabei erfindungsgemäß derart getroffen sein, daß der Arbeitsspalt über einen Spannungsteiler und eine Diode an einen von einem Entladewiderstand überbrückten Kondensator angeschlossen und die Kondensatorspannung dem Differenzbildner als Vergleichsspannung zugeführt ist.The training can be made according to the invention such that the working gap over a Voltage divider and a diode connected to a capacitor bridged by a discharge resistor and the capacitor voltage is fed to the subtractor as a comparison voltage.

Zweckmäßig ist dabei zur Verhinderung der völligen Entladung des Kondensators in Reihe zu dem Entladewiderstand eine Hilfsgleichspannungsquelle ge-It is useful to prevent the capacitor in series from completely discharging Discharge resistor an auxiliary DC voltage source

schaltet.switches.

Ferner ist es zweckmüßig, die Differenzbildung mit Hilfe eines elektronischen Differenzversiärkers vorzunehmen. Furthermore, it is advisable to calculate the difference with the aid of an electronic differential insurer.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnungen nüher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawings.

Fig. I zeigt das Blockschaltbild einer üblichen Gleichstromversorgung des Arbeits',palts einer elektrochemischen Metallbearbeitungsmaschine;Fig. I shows the block diagram of a conventional direct current supply of the work ', palts an electrochemical Metalworking machine;

F i g. 2 zeigt das Prinzipschaltbild einer der Erfindung entsprechenden Anordnung, die in der Einrichtung nach Fig. I zur Anwendung gelangt;F i g. FIG. 2 shows the basic circuit diagram of an arrangement corresponding to the invention, which is used in the device according to FIG Fig. I is applied;

F i g. 3 Ui.d 4 zeigen zur Erläuterung der Funktion der Anordnung nach Fig. 2 die Spannung am Ein- und Ausgang der Anordnung nach Fig. 2 im normalen Betriebsfall bzw. beim Auftreten eines Kurzschlusses am Arbeitsspalt;F i g. 3 Ui.d 4 show to explain the function of the arrangement according to FIG. 2, the voltage at the input and Output of the arrangement according to FIG. 2 in normal operation or when a short circuit occurs at the working gap;

Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung nach dem Prinzip der Fi g. 2.Fig. 5 shows a circuit arrangement according to the principle of Fi g. 2.

Gemäß F i g. 1 speist eine aus einem Netztransforinator und Gleichrichter bestehende Gleichstromquelle 1 den Arbeitsspalt 2 einer Maschine zur eiekfrochemischen Metallbearbeitung. Ein elektrisch betätigbarer Schalter 3 dient zur Unterbrechung der Stromversorgung des Spalts. Parallel zum Arbeitsspalt sind Thyristoren 4 geschaltet, die nach dem Auftreten eines Kurzschlusses gezündet werden und dann einen elektrischen Nebenschluß zum Arbeitsspalt bilden. Eine der Kurzschlußerfassung dienende Detektoranordnung 5, die mit der Spannung am Arbeitsspalt 2 beaufschlagt ist, liefert ein Steuersignal, das einem Verstärker 6 zugeführt ist und gegebenenfalls in geeigneter Weise aufbereitet zur Steuerung des Schalters 3 und der Thyristoren 4 dient.According to FIG. 1 feeds one from a network transformer and rectifier existing direct current source 1 the working gap 2 of a machine for eiekfrochemischen Metalworking. An electrically operated switch 3 is used to interrupt the power supply of the gap. In parallel with the working gap, thyristors 4 are connected, which after the occurrence of a Short circuit are ignited and then form an electrical shunt to the working gap. One Detector arrangement 5 serving for short-circuit detection and applied with the voltage at working gap 2 is, supplies a control signal which is fed to an amplifier 6 and optionally in a suitable manner processed to control the switch 3 and the thyristors 4 is used.

Die Anordnung 5 besteht in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 aus einem Differenzverstärker 7 in integrierter Schaltung, der durch geometrische Addition zweier Eingangssignale el und e2 ein Ausgangssignal eO erzeugt. Das Eingangssignal el ist aus der Spaltspannung am Arbeitsspalt 2 direkt und das Signal el entsprechend der Erfindung durch entsprechende Aufbereitung aus der Spaltspannung abgeleitet. Zur Aufbereitung dient ein Verzögerungsglied, das aus einer Diode 8, einem Kondensator 9 und einem Widerstand 10 besteht. Dem Verzögerungsglied wird nicht eine Spaltspannung mit gleicher Amplitude wie dem Differenzverstärker — Eingang e 1 zugeführt, sondern dieses erhält eine mittels Spannungsteiler 11 reduzierte Spannung. Außerdem enthält die Schaltung eine Hilfs-Gleichspannungsquelle 12, welcher sicherstellt, daß die Spannung am Eingang el des Differenzverstärkers auch dann nicht auf Null absinken kann, wenn der Eingang e 1 bzw. das Verzögerungsglied Keine Signalspannung erhält.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the arrangement 5 consists of a differential amplifier 7 in an integrated circuit which generates an output signal eO by geometrically adding two input signals e1 and e2. The input signal el is directly from the gap voltage at the working gap 2 and the signal el according to the invention by appropriate processing of the gap voltage derived. A delay element consisting of a diode 8, a capacitor 9 and a resistor 10 is used for processing. A gap voltage with the same amplitude as the differential amplifier input e 1 is not fed to the delay element, but rather the latter receives a voltage reduced by means of a voltage divider 11. In addition, the circuit contains an auxiliary DC voltage source 12, which ensures that the voltage at the input e1 of the differential amplifier cannot drop to zero even when the input e1 or the delay element receives no signal voltage.

Fig. 3a zeigt den zeitlichen Verlauf der Eingangsspannung und Fig.3b den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung am Differenzverstärker im eingeschwungenen Zustand, wenn der elektrochemische Werkstoffabtrag ordnungsgemäß vonstatten geht, d. h. wenn kein Kurzschluß im Arbeitsspalt vorhanden ist. Da die am Arbeitsspalt anliegende Arbeitsgleichspannung eine hohe Welligkeit aufweist, sind auch die Eingangsgleichspannungen el und el des Differenzverstärkers noch mit einer Welligkeit behaftet. Die Amplitude der Eingangsspannung el ist größer, weil e2 das Produkt einer Spannungsteilung ist. Die Ausgangsspannung eO des Differenzverstärkers ist dann — wie in F i g. 3b gezeigt — eine negative Gleichspannung.FIG. 3a shows the time profile of the input voltage and FIG. 3b shows the time profile of the output voltage at the differential amplifier in the steady state when the electrochemical material removal is taking place properly, ie when there is no short circuit in the working gap. Since the working DC voltage applied to the working gap has a high ripple, the input DC voltages E1 and E1 of the differential amplifier are also subject to ripples. The amplitude of the input voltage el is greater because e2 is the product of a voltage division. The output voltage eO of the differential amplifier is then - as in FIG. 3b shown - a negative DC voltage.

Aus Fig.4 werden dagegen die zeitliehen Verläufe der Ein- und Ausgangsspannungen des Differenzverstärkers deutlich, wenn ein Kurzschluß im Arbeitsspalt auftritt. Die Eingangsspannung e 1 bricht — wie F i g. 4a zeigt — mit sehr hohem negativem Differentialquotienten der Spannung nach der Zeit zusammen. Die Spannung el dagegen sinkt mit wesentlich geringerer Steigung, nämlich nach einer Kondensator-Entladc-Funktion, da die Spannung e2 in dem Kondensator 9 gespeichert ist, der nach Auftreten eines Kurzschlusses mit entsprechender Zeitkonstante über den Widerstand 10 auf die Größe der Spannung der Hilfs-Gleichspannungsquelle 12 entladen wird. Dadurch wird aber in sehr kurzer Zeit die Spannung e2 größer als c 1, wodurch als Ausgangsspannung eO ein positiv gerichteter Impuls erscheint, der das Signal zur Einleitung der Energieabschaltung und Zündung der Thyristoren ist.On the other hand, FIG. 4 clearly shows the time curves of the input and output voltages of the differential amplifier when a short circuit occurs in the working gap. The input voltage e 1 breaks - as in FIG. 4a shows - together with a very high negative differential quotient of the voltage with respect to time. The voltage el, on the other hand, drops with a much smaller gradient, namely after a capacitor discharge function, since the voltage e2 is stored in the capacitor 9, which after a short circuit occurs with a corresponding time constant across the resistor 10 to the size of the voltage of the auxiliary DC voltage source 12 is discharged. As a result, however, the voltage e2 becomes greater than c 1 in a very short time, as a result of which a positively directed pulse appears as the output voltage eO, which is the signal for initiating the power shutdown and ignition of the thyristors.

Mit der erfindungsgemäß aufgezeigten Lösung, praktisch verwirklicht mit der erläuterten Schaltungsanordnung, ist ein Kurzschluß bereits in ca. 5 Mikrosekunden zu erfassen und die Energiciibschaltung in hundert Mikrosekunden zu bewerkstelligen.With the solution shown according to the invention, implemented in practice with the circuit arrangement explained, a short circuit can be detected in about 5 microseconds and the power connection can be achieved in a hundred microseconds.

Anstelle eines Differenzverstärkers in integrierter Schaltung kann ebenso eine Schaltungsanordnung mit diskreten Bauelementen und Transistoren verwendet werden, wie in Fig. 5 gezeigt. In der gezeigten Schaltungsanordnung wird der Differenzverstärker von den Transistoren ρ 1 und pl gebildet. Die Widerstände rl, r3, r5 und der Transistor ρ3 bilden eine Konstant-Stromquelle, die innerhalb eines Differenzverstärkers bekanntlich die Gleichtaktunterdrückung verbessert. Der Widerstand /■ 1 ist als Vorwiderstand für die Eingangsspannungen des Differenzverstärkers gedacht, damit dieser bei zu hohen Eingangsspannungen nicht zerstört wird. /4 ist der Basisableitwiderstand des Transistors ρ 1, /'6 und r7 sind Arbeitswiderstände der Transistoren pl und ρ 2. Der Kondensator K 5 entspricht dem Kondensator 9 in Fig. 2. Mittels der Diode η 1 und des Widerstandes /11 wird die Hilfs-Gleichspannung erzeugt, die der Hilfs-Gleichspannungsquelle 12 in F i g. 2 entspricht. Der Widerstand r 10 ist der Entladewiderstand für K 5; er entspricht dem Widerstand 10 in Fig. 2. Die Diode n\ entspricht der Diode 8 in F i g. 2; beide haben die Aufgabe, zu verhindern, daß sich der Kondensator über den Spannungsteiler (11 in Fig. 2; r8 in Fig. 5) entladen kann. Die Dioden (n 1, 8) erzwingen demnach verschiedene Zeitkonstanten für Auf- und Entladung des Kondensators (K 5,9).Instead of a differential amplifier in an integrated circuit, a circuit arrangement with discrete components and transistors can also be used, as shown in FIG. 5. In the circuit arrangement shown, the differential amplifier is formed by the transistors ρ 1 and p1. The resistors rl, r3, r5 and the transistor ρ3 form a constant current source which, as is known, improves the common mode rejection within a differential amplifier. The resistor / ■ 1 is intended as a series resistor for the input voltages of the differential amplifier so that it is not destroyed if the input voltages are too high. / 4, the base drain of the transistor ρ 1 / '6 and R 7 are load resistors of the transistors pl and ρ 2. The capacitor K 5 corresponds to the capacitor 9 in Fig. 2. By means of the diode and the resistor η 1/11, the auxiliary DC voltage generated, which the auxiliary DC voltage source 12 in F i g. 2 corresponds. The resistance r 10 is the discharge resistance for K 5; it corresponds to the resistor 10 in FIG. 2. The diode n \ corresponds to the diode 8 in FIG. 2; both have the task of preventing the capacitor from discharging via the voltage divider (11 in FIG. 2; r8 in FIG. 5). The diodes (n 1, 8) therefore force different time constants for charging and discharging the capacitor (K 5.9).

Mit der beschriebenen Schaltungsanordnung ist oine sichere Erfassung des Kurzschlusses und eine rasche Abschaltung der Energieversorgung bzw. Ansteuerung der Nebenschlüsse gewährleistet. Durch Einfügung der Hilfs-Gleichspannungsquelle in die Schaltung ist sichergestellt, daß die Kurzschlußerfassung nicht nur bei Kurzschlüssen anspricht, die einen schnellen Spannungszusammenbruch zur Folge haben. Die Kurzschlußerfassung wird auch wirksam bei sogenannten schleichenden Kurzschlüssen, bei denen die Spannung langsam zusammenbricht.The circuit arrangement described enables reliable detection of the short circuit and rapid detection Shutdown of the energy supply or activation of the shunts guaranteed. By inserting the Auxiliary DC voltage source in the circuit ensures that the short-circuit detection is not limited to Short circuits responding, which result in a rapid voltage breakdown. The short circuit detection is also effective in so-called creeping short circuits, in which the voltage slowly collapses.

In einem solchen Fall verschwindet die Eingangsspannung e 1 des Differenzverstärkers langsam, während e 2 den Wert der Hilfs-Gleichspannung annimmt. Die Ausgangsspannung eO ist dann kein positiver Spannungsimpuls, sondern eine positive Gleichspannung, welche dann als Steuersignal dient.In such a case, the input voltage e 1 of the differential amplifier slowly disappears, while e 2 assumes the value of the auxiliary DC voltage. The output voltage eO is then not a positive voltage pulse, but a positive DC voltage, which then serves as a control signal.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims (4)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Anordnung zur Erfassung und Signalisierung von Kurzschlüssen im Arbeitsspalt elektrochemischer Metallbearbeitungsvorrichtungen mit einem an den Arbeitsspalt angeschlossenen Detektor, der einen Differenzbildner zum Vergleich der Spaltspannung mit einer Vergleichsspannung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß an den einen Eingang des Differenzbildners eine der Spaltspannung unmittelbar entsprechende Spannung (e 1) und an den anderen Eingang eine den Schwankungen mit negativem Differentialquotienten dieser Spannung (ei) mit einem demgegenüber wesentlich geringeren Differentialquotienten folgende Spannung (el) angeschlossen ist und daß am Ausgang des Differenzbildners ein Kurzschlußsignal erscheint, sobald (e 2) größer als (e 1) wird.1. Arrangement for the detection and signaling of short circuits in the working gap of electrochemical metalworking devices with a detector connected to the working gap which contains a difference generator for comparing the gap voltage with a reference voltage, characterized in that at one input of the difference generator a voltage directly corresponding to the gap voltage ( e 1) and to the other input a voltage (el) following the fluctuations with a negative differential quotient of this voltage (ei) with a significantly lower differential quotient is connected and that a short-circuit signal appears at the output of the differentiator as soon as (e 2) is greater than ( e 1) will. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsspalt (2) über einen Spannungsteiler (11) und eine Diode (8) an einen von einem Entladewiderstand (10) überbrückten Kondensator ((J) angeschlossen und die Kondensatorspannung dem Differenzbildner (7) als Vergleichsspannung zugeführt ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the working gap (2) is connected via a voltage divider (11) and a diode (8) to a capacitor ((J) bridged by a discharge resistor (10) and the capacitor voltage is connected to the subtractor (7) ) is supplied as a comparison voltage. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu dem Entladewiderstand (10) eine Hilfsgleichspannungsquelle (12) zur Begrenzung der Entladung des Kondensators (9) geschaltet ist.3. Arrangement according to claim 2, characterized in that in series with the discharge resistor (10) an auxiliary DC voltage source (12) to limit the discharge of the capacitor (9) is switched. 4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzbildner als Differenzverstärker (7) ausgebildet ist.4. Arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that the difference generator is designed as a differential amplifier (7). 3535