DE2325808C2 - Schaltung zur Regelung der Betriebsparameter eines Elektronenstrahlerzeugers - Google Patents
Schaltung zur Regelung der Betriebsparameter eines ElektronenstrahlerzeugersInfo
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Description
40
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs I.
Indirekt beheizte Katoden für Elektronenstrahlsysteme
gewinnen zunehmend an Bedeutung, da sie den J>
direkt beheizten Katoden hinsichtlich Leistungsdichte und Standzeit merklich überlegen sind. Hierbei ist von
Bedeutung, daß sich die Standzeit einer Katode umgekehrt proportional zu der ihr aufgezwungenen
Leistungsdichte verhält Indirekt beheizte Katoden sind « auch weniger empfindlich gegenüber Einflüssen des zu
bearbeitenden bzw. behandelnden Guts. Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, direkt beheizte Elektronenstrahlsysteme
von Hochleistungskanonen durch indirekt beheizte zu ersetzen. Ein erhebliches Hindernis auf
diesem Wege ist jedoch das ungenügende Regelverhalter-der indirekt beheizbaren Kanonen.
Durch die DE-OS 19 35 710 ist bereits eine Schaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei der
lediglich der Strahlstrom des Hauptstroms erfaßt und einem Regelsystem aufgeschaltet wird, das in Parallel·
schaltung und mit gleichsinniger Wirkung die Heizung der Primärkatode sowie die Beschleunigungsspannung
zwischen Primär- und Sekundärkatode beeinflußt. Nach den dort gemachten Ausführungen ist es zwar möglich, &■>
einen der beiden parallelen Regelkreise wegzulassen, jedoch wird dann lediglich der Regelkreis für die
Beheizung der Hilfskatode wirksam, der in Folge der Eigenart der Katode eine beträchtliche Trägheit,
verbunden mit einem ungünstigen EinschwingverhaUen
besitzt Eine Regelung oder gar Begrenzung des Emissionsstroms zwischen Hilfs- und Hauptkatode ist
nicht vorgesehen, so daß das bekannte System sehr anfällig auf eine Überlastung und/oder eine Störung
reagiert Sofern der Hauptstrahl nicht mehr aufgefangen wird oder das Meßsignal, ζ. B, durch eine
Leitungsunterbrechung, nicht mehr in die Regelanordnung zurückgeführt wird, tritt automatisch el: Hochregeln
der Heizleistung der Hilfskatode ein, die notwendigerweise im Extremfall bis zur Zerstörung der
Hauptkatode führt Eine Stabilisierung des bekannten Regelsystems ist praktisch nicht möglich, so daß eine
erhebliche Schwingungsneigung beim Auftreten von Regelungsvorgängen in Kauf genommen werden muß.
Hierbei ist insbesondere von Bedeutung, daß Elektronenstrahlerzeuger für Schmelz- und Materialbearbeitungsanlagen
spontanen Änderungen der Betriebsparameter unterliegen. Da bei der bekannten Schaltung der
Regelkreis nur die Beschleunigungsspannung an der Hauptkatode beeinflußt ändern sich die Elektronengeschwindigkeiten
und damit notwendigerweise auch die Strahlfokussierung, weil die Ablenkung von Elektronen
sich bei konstantem Magnetfeld der elektromagnetischen Fokussierungslinse mit der Elektronengeschwindigkeit
ändert Gerade die Strahlfokussierung für den Emissionsstrom d(-<
Hauptkatode aber soll bei bestimmten Bearbeitungsvorgängen möglichst unverändert
bleiben. Schließlich ist auch bei dem bekannten System keine Vorsorge für die Vermeidung von Totzeiten in
den einzelnen Teiisystemen getroffen worden.
Durch die DD-PS 70 674 ist es bei einem aus Primär- und Sekundärkatode bestehenden Katodensystem bekannt,
die Emissionstemperatur der Sekundärkatode konstant zu halten. Dies geschieht über den Heizstrom
der Primärkatode, die von einer Transduktorschaltung beeinflußt wird. Der Widerstand der Transduktorschaltung
wird außer von einem Sollwert mittels einer ersten Steuerwicklung über zwei elektrisrhe Kreise beeinflußt
in denen weitere Steuerwicklungen liegen, die beide der ersten Steuerwicklung entgegenwirken. Der eine
elektrische Kreis erfaßt den Heizstrom der Primärkato^ de, der andere elektrische Kreis den Emissionsstrom der
Primärkatode, der zur Sekundärkatode fließt Beide elektrische Kreise sind über Stellwiderstände einstellbar
und besitzen Zenerdioden, die das Regelverhalten von Zweipunktreglern besitzen. Wie aus der Funktionsbeschreibung
hervorgeht, stellen die beiden elektrischen Kreise sogenannte Begrenzungsschaltungen dar, durch
welche die Maximalwerte des Heiz- und Emissionsstroms der Primärkatode festgelegt werden. In der
bekannten Schaltung fehlt völlig eine Erfassung und Regelung des Emissionsstroms der Hauptkatode, der für
viele Fälle, insbesondere aber zur kontinuierlichen Regelung des gesamten Elektronenstrahlerzeuger
unerläßlich ist
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung der eingangs genannten Art anzugeben, die
sich durch gutes Stabilitätsverhalten, kurze Ansprechzeiten, geringe Regelabweichungen, die Möglichkeit der
Begrenzung der einzelnen Regelgrößen und eine leichte Inbetriebnahme gegenüber dem Stande der Technik
auszeichnet.
Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschriebenen Schaltung
erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale.
Durch die erfindungsgeinlße Schaltung wird die
gestellte Aufgabe in vollem Umfang gelöst; Die Schaltung weist ein ausgezeichnetes Stabilitätsverhalten
bei Eingriffen in die Betriebsparameter auf. Es erfolgt eine sofortige überschwingungsfreie Einstellung
auf sprunghafte Änderungen vorgegebener Werte, Durch das bei der erfindungsgemäßen Schaltung
erreichte Konstanthalten der Beschleunigungsspannung der Hauptkatode unterliegt die Strahlfokussierung
keinen unerwünschten Änderungen, Die systembeding-1 ο
ten Totzeiten können zwischen den in Reihe geschalteten Einzelreglern jeweils unterdrückt werden, so daß
sich keine Addition der Totzeiten ergibt Jede der einzelnen Störgrößen wird für sich genommen zurückgeführt,
so daß jeder der dadurch gebildeten Regelkrei- is
se für sich stabilisiert werden kann.
Gegenüber dem Stande der Technik gestauet die erfindungsgemäße Kaskadenschaltung eine unabhängige
Optimiemng sämtlicher drei Regelkreise. Nach einer Optimierung des ersten Regelkreises ist es möglich,
auch den zweiten und danach den dritten Regelkreis zu optimieren, ohne daß nach jeder Optimierung jeweils
der vorangegangene Regelkreis neu optimiert herden
muß. Diese Unabhängigkeit der Regelkreise hat dynamische Vorteile, welche die inherente Trägheit der
Hilfskatode bzw. deren Beheizung mehr als ausgleichen.
Außerdem ermöglicht die Kaskadenschaltung eine Begrenzung der einzelnen Regelgrößen in jedem
Regelkreis. Die Begrenzung kann hierbei auch unterschiedlich sein, je nach dem Werkstoff und damit der jo
Temperaturbeständigkeit der Hauptkatode. Dies ist insbesondere deswegen von Bedeutung, weil der
Strahlstrom der Hilfskatode mit einer großen Energiedichte auf die Hauptkatode auftrifft, die unvermeidbar
eine gewisse Wärmeträgheit besitzt Eine zu starke Beheizung führt häufig zum teilweisen Verspritzen und
Verdampfen des Materials der Hauptkatode, so daß eine verkürzte Lebensdauer die Folge ist Die
erfindungsgemäße Schaltung zeichnet sich zusätzlich durch eine wesentlich größere Standzeit des gesamten
Katodensysteirs aus.
Die Unterdrückung der Totzeiten erfolgt gemäß einer Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch
2 dadurch, daß den Eingängen der Einzelregler je eine, vorzugsweise veränderbare Spannungsquelle
zugeordnet ist deren Polarität derjenigen des rückgeführten Signals entgegengesetzt ist Die Spannungsquelle
kann dabei beispielsweise von einem unter Spannung stehenden Verstellwiderstand gebildet werden. Eine
andere Weiterbildung der Erfindung ist im Anspruch 3 gekennzeichnet
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und seine Wirkungsweise seien nachfolgend anhand der
F i g. 1 und 2 näher beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä-Ben Schaltung einschließlich der wesentlichsten Teile
eines Elektronenstrahlerzeugers in schematischer Darstellung und
F i g. 2 Diagramme von Emissionsströmen der Haupt- und Hilfskatode in Abhängigkeit von Heizstrom bzw.
Emissionsstrom der Hilfskatode.
In Fig. 1 ist mit 10 ein indirekt beheizbarer Elektronenstrahlerzeuger eines Typs bezeichnet, wie er
für Schmelz- und Verdampfungszwecke eingesetzt wird. Die Kanone besteht aus einer direkt beheizbaren 65
Hilfskatode 11, einer indirekt beheizbaren Hauptkatode 12, einer Beschleunigur.gsanode 13 und einer Fokussieruneslinse
14. Im Betrieb sendet die Hilfskatode 11 einen Emissionsstrom /ei aus, durch den die Hauptkatode
12 auf die gewünschte Betriebstemperatur gebracht wird. Richtung und Leistung des Heizelektronenstroms
15 werden durch die Beschleunigungsspannung m
zwischen Hilfs- und Hauptkatode bestimmt Die Hauptkatode 12 sendet ihrerseits unter dem Einfluß
ihrer Betriebstemperatur und einer Potentialdifferenz U2 zur Beschleunigungsanode 13 ein ElektronenbQndel
16 aus, das duröh eine elektromagnetische FokussierungsJinse
14 fokussiert wird. Die Fokussierungswirkung läßt sich durch Veränderung des an den Klemmen
49 angelegten Fokussierungsstromes beeinflussen. Das Elektronenbündel 16 trifft schließlich auf das zu
behandelnde Cut 17, beispielsweise eine zu schmelzende und/oder zu verdampfende Metallmenge auf, wobei
sich die Strahlenergie in Wärme umwandelt Das Gut 17 befindet sich in einem elektrisch leitenden Behälter 18,
der einen Anschluß 19 für eine Leitung 20 eines Regelsystems besitzt Einzelheiten des Strahlerzeugers
10, seine Anwendung und die Einflüsse seiner Betriebsparameter sind jedoch Stand der Technik, so daß sich
ein weiteres Eingehen hieraus erübrigt
Der Hilfskatode 11 ist über die Leitungen 21 und 22 ein Transformator 23 vorgeschaltet, der den Heizstrom
ν* und die Heizspannung für die Hilfskatode 11 liefert
Auf der Primärseite des Transformators 23 befindet sich zur Regelang der Heizleistung ein Thyristorsteller 24,
dem die benötigten Steuerimpulse von einem Gittersteuersatz 25 zugeführt werden. Der Gittersteuersatz
erhält seinerseits die erforderlichen Regelsignale von einem Heizstromregler 26. Die Heizstromversorgung
erfolgt über die Anschlußklemmen 48. Ein dem Heizstromwert /* proportionales Signal wird über den
Wandler 27 und die Leitung 28 auf den Mischpunkt 29 des Heizstromreglers 26 zurückgeführt Durch diese
Rückführung wird erreicht, daß die Heizstromstärke und damit die Temperatur der Hilfskatode 11 auf
vorgegebene Werte begrenzt werden kann. Dem rückgeführten Signal wird außerdem eine Kompensationsspannungsquellc
entgegengeschaltet durch weiche die systembedingten Totzeiten der Kanone vermindert
und die Ansprechgeschwindigkeiten erhöht werden. Die erforderliche Kompensationsspannungsquelle enthält
im vorliegenden Fall einen Verstellwiderstand 30.
Durch Anschluß der Sekundärseite des Transformators 23 über eine Leitung 31 und der Hanptkatode 12
über eine Leitung 32 an einen Gleichrichter 34 mit Transformator 33 kann zwischen Hilfskatode 11 und
Hauptkatode 12 eine Potentialdifferenz u\ erzeugt werden, die als Beschleunigungsspannung für den
Heizelektronenstrom 15 dient Klemmen 35 dienen zum Anschluß des Systems in eine Spannungsversorgung.
Der Emissionsstrom /ei der Hilfskatode 11 teilt sich
auch der Primärseite des Transformators 33 mit und wird auoh von dort über einen Wandler 36 und eine
Leitung 37 zum Mischpunkt 38 des Emissionsstromreglers
39 zurückgeführt der dem Heizstromrtsgler 26 vorgeschaltet ist, d. h., das Ausgangssignal des Emissionsstromreglers 39 ist das Sollwertsignal für den
unterlagerten Heizatromregelkreis. Durch die Rückführung
des Emissionsstroms 4/ wird erreicht, daß die Emissionsstromstlrke des Hilfskatodenkreises und
damit die Temperatur der Hauptkatod? 12 auf vorgegebene Werte begrenzt werden kann. Analog zur
Anordnung am Eingang des Heizstromreglers 26 wird auch hier dem Mischpunkt 38 des Emissionsstromreglers
39 eine Kompensaticnsspannungsquelle mit Verstellwiderstand 43 eingeschaltet, wodurch die
Totzeit des Hauptkatodensystems eliminiert werden kann. Jede Änderung des Emissionsstroms ie ι teilt sich
damit auch sofort dem Heizsiromregler 26 mit und führt infolgedessen zur jeweils erforderlichen Vergrößerung
oder Verkleinerung des Heizstroms der Hüfskatode.
Dem Emissionsstromrcglcr 39 für die Hüfskatode ti
ist ein Strahlstromregler für die Regelung des Strahlstromes der Hauptkatode 12 vorgeschaltet, d. h.
das Ausgangssignal des Strahlstromreglers 40 ist das Sollwertsignal für den unterlagerten Emissionsstromre- to
gelkreis der Hüfskatode. Dem Mischpunkt 42 des Reglers 40 werden neben dem Sollwertsignal 44 ein dem
Emissionsstrom /,.> der Hauptkatode 12 bzw. dem
Strahlstrom des Elektronenbündels 16 entsprechendes Regelsignal über die Leitung 20 zugeführt, die über ι-,
einen Widerstand 41 — zur Erzeugung eines Spannungsabfalles für die Messung — mit dem Anschluß 19
am Behälter 18 in Verbindung steht. Jede Änderung des Sollwertes der Emissionsströme der Haupt- und
Hüfskstcde teilt sich dsmit sofort dprn Erni*s!on**tpom- ?·>
regler 39 und dem Heizstromregler 26 mit. Um durch schnelle Änderung des Sollwertsignals 44 die Katode
nicht zu stark dynamisch zu beanspruchen, kann dem Mischpunkt 42 ein die Anstiegssteilheit des Sollwerts
begrenzendes Glied 50 vorgeschaltet werden. :ϊ
Die Versorgung des Strahlerzeugers mit Hochspannung erfolgt über die Anschlußklemmen 45, den
Dreiphasentransformator 46 und den Gleichrichtersatz 47. Bei Versorgung mehrerer Strahlerzeuger durch eine
Spannungsquelle wird für das Rückführungssignal zweckmäßig ein auf der Hochspannungsseite des
Tranformators angeordneter Wandler benutzt.
Fig.2 zeigt den funktionellen Zusammenhang der
einzelnen Betriebsparameter des Elektronenstrahlerzeugers. F i g. 2a gibt die Abhängigkeit des Emissionsstroms iei der Hüfskatode 11 von der Höhe des
Heizstromes in wieder und Fig. 2b die Abhängigkeit
des Emissionsstromes iC2 der Hauptkatode 12 vom
Emissionsstrom /,/ der Hüfskatode 11. In Fig. 2c ist
praktisch eine I 'Verlagerung der Kurven gemäß F i g. 2a
und 2b dargestellt, nämlich die Abhängigkeit des Emissionsstromes ie? der Hauptkatode 12 vom Heizstrom
/// der Hüfskatode. Es ist erkennbar, daß die
Einzelglieder des Strahlerzeugers regelungstechnisch gesehen mit Totzeiten und einem Proportionalitätsvcr
halten behaftet sind. Zur Eliminierung der Totzeiten Hipnpn Hip mittels der Verstellwiderstände 30 und 43 an
die Mischpunkte 29 bzw. 38 angelegten Signale, die im Falle der Fig. 2 beispielsweise jeweils den mit rA'
bezeichneten Wert haben. Die Wirkung ist die, daß deT 0-Punkt des Koordinatensystems auf den jeweiligen
Punkt @verschoben wird, was in F i g. 2c durch die zweite Ordinate 51 veranschaulicht ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichrungen
Claims (3)
1. Schakng zur Regelung der Betriebsparameter
eines Elektronenstrahlerzeuger:;, insbesondere für
Zwecke des Verdampfens, Schmelzens, Schweißens, Schneidens und Bohrens, bestehend aus einer
unmittelbar beheizbaren Hilfskatode und aus einer mittelbar durch die Hilfskatode beheizbaren Hauptkatode
mit Mitteln zur Rückführung eines dem Emissionsstrom der Hauptkatode entsprechenden
Signals zu einer Regeleinrichtung für die Energieversorgung der Hilfskatode, dadurch gekennzeichnet,
daß die Regeleinrichtung für die Hilfskatode (U) aus drei in Kaskadenanordnung geschalteten Einzelreglern (26,39, 40) besteht, und is
ein Signal, das dem Heizstrom der Hilfskatode (11) entspricht, einem Heizstromregler (26), ein weiteres,
vom ersten getrenntes Signal, das dem Emissionsstrom der Hilfskatode (11) entspricht, einem dem
Heizstromregler (26) überlagerten Emissionsstromregier
(3S^ für die Regelung des Emissionsstromes
der Hilfskatode (U) und schließlich ein drittes, unabhängiges Signal, das dem Emissionsstrom der
Hauptkatode (12) entspricht, einem dem Emissionsstromregler (39) überlagerten Strahlstromregler (40)
für die Regelung des von der Hauptkatode (12) erzeugten Strahlstroms aufgeschaltet ist.
2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Eingängen der Einzelregler (26,
39) je eine vorzugsweise veränderbare Kompensationsspannungsquelle
zugeordnet ist, deren Polarität derjenigen des rückgeführten Signals entgegengesetzt
ist
3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß dem Mischpunkt (42) des Strahlstromreglers (40) ein die Anstieg geschwindigkeit des
Sollwerts begrenzendes Glied (50) vorgeschaltet ist
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