DE2907088A1

DE2907088A1 - Zuendfunkenerzeuger, insbesondere fuer oelbrenner

Info

Publication number: DE2907088A1
Application number: DE19792907088
Authority: DE
Inventors: Shuji Morio
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1978-02-28
Filing date: 1979-02-23
Publication date: 1979-08-30
Also published as: SE7901757L; GB2016083A; FR2418419A1; IT7948150A0; IT1114974B; US4247880A; AU4366779A; JPS54115975A; JPS5745975B2

Description

Die Erfindung Betrifft einen Zündfunkenerzeuger gemäß Gattungs*- begri,f f des Anspruchs 1. Bei der Verwendung von Zündelektroden zum Zünden der Flamme Bei ölbrennern, ergeben sich mitunter dadurch Schwierigkeiten, daß sich zerstäubtes öl und Verbrennungsrückstände auf den Elektroden niederschlagen und man deshalb die Zündelektroden in einem gewissen Abstand vom ölzerstäuber anbringen möchte. Dies erfordert, daß der erzeugte Zündfunken von den Elektroden durch einen Luftstrom zur Zerstäuberdüse gedrückt wird. Somit ist es erforderlich, einen Zündfunken hoher Leistung zu erzeugen, dabei die Verluste in der Schaltungsanordnung weitgehend zu verringern, um ohne unzulässige Erwärmung des ZündfuRkengenerators einen fortlaufenden Betrieb über längere Zeit -zu ermöglichen. '; ' ■-··■■

Für Verbrennungskraftmaschinen sind Zündfunkengeneratoren bekannt, wie sie in den Figuren 1a und 1b dargestellt sind. Der Zündfunkengenerator gemäß Figur 1a ist in der ÜS-PS 3 523 211 beschrieben. Aus einer Gleichspannung,beispielsweise der Batteriespannung, wird in einem Gleichstrom/Gleichstromumsetzer 20, eine höhere Gleichspannung gewonnen. Einem Ladekondensator 4 ist die Reihenschaltung der Primärwicklung 12 des Zündtransformators 11 mit einem Thyristor parallel^geschaltet. Weiterhin liegt dem Ladekondensator 4 die Reihenschaltung einer Drosselspule 13 und einer Diode 16 parallel. Die Sekundärwicklung 14 des Zündtransformators 11 speist die Zündelektrode 17.

In Figur 1b sind jeweils über der Zeit die Spannung Vc am Ladekondensator 4, sowie die Spannung Vi an den Zündelektroden 17 wiedergegeben. Beim Zünden des Thyristors'5 zur Zeit t_Q beginnt die Entladung des Ladekondensators 4 über die Primärwicklung 12 des Zündtransformators. Zur Zeit t- erreicht zwar die Spannung Vc den Wert O, jedoch fließt weiterhin ein Strom,welcher für eine kurze Zeitdauer im Anschluß an tj den Kondensator 4 mit entgegengesetzter Polarität aufzuladen beginnt. Während der Zeitspanne, zwischen t_Q und t^ fließt ein Stromimpuls durch die Primärwicklung 12, sodaß an der Sekundärwicklung des Zündtransformators 11 ein Hochspannungsimpuls entsteht, der an den Elektroden 17

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einen.Funken erzeugt. Nachteilig bei dieser Zündeinrichtung ist, daß im Anschluß an den Zeitpunkt t.. die EMK, welche der in der Primärwicklung 12 bis zur Zeit t- induzierten EMK entgegen gerichtet ist, in der Primärwicklung 12 einen Strom erzeugt, welcher von der Primärwicklung 12 durch den Thyristor 5, die Diode 16 und die Drosselspule 13 zurück zur Primärwicklung 12 fließt. Dieser Strom i_ durchfließt den Thyristor 5 und die Diode 16 in Vorwärtsrichtung und baut die magnetische Energie in der Primärwicklung 12 ab. Damit wird nicht nur die auf den Kondensator 4 mit entgegengesetzter Polarität zurückgeführte Ladung verringert, sondern es wird auch die Anstiegszeit der Spannung zwischen Anode und Kathode des Thyristors 5 verkürzt. Außerdem steht keine genügende Abschaltzeit für den Thyristor 5 zur Verfügung, sodaß dessen Abschaltung Schwierigkeiten bereitet. Um diese zu* vermeiden, kann», man die Drosselspule 13 mit einer großen Induktivität ausstatten. Dies bedeutet jedoch, daß die geringe Ladung entgegengesetzter Polarität auf dem Ladekondensator 4 nicht innerhalb kurzer Zeit zurück^jgewonnen und zur Aufrechterhaltung des Zündfunkens ausgenutzt werden kann. Damit wird die Oszillatorfrequenz verringert und die Erzeugung energiereicher Zündfunken behindert. Außderdem bedeutet eine Drosselspule hoher Induktivität eine beträchtliche Verteuerung 'der Schaltung.

Figur 2a zeigen einen aus der japanischen Patentschrift 737,844 bekannten weiteren Zündfunkengenerator. Diejenigen Bauteile_fwelche mit der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1a übereinstimmen, tragen die gleichen Bezugszeichen. Der Zündtransformator 11 ist hier mit einer Hilfswicklung 13 versehen, die induktiv mit der Primärwicklung 12 und der Sekundärwicklung 14 gekoppelt ist. Diese tertiäre Hilswicklung 13 ist mit einer Diode 16 und mit einer Drosselspule 21 in Reihe geschaltet. Der Zündtransformator 11 weist eine Anzapfung 22 auf, die mit der Anode des Thyristors 5 verbunden iart, dessen Kathode einerseits mit dem negativen Anschluß des Ladekondensators 4 und andererseits mit dem der Hilfswicklung 13 abgewandten Ende der Drosselspule 21 Verbindung steht. Der Thyristor 5 liegt parallel zu einer Reihenschaltung bestehend

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aus der Hilfswicklung d 3, der Diode 16 und der Drosselspule .23 .

Die Betriebsweise des Zündfunkengenerators gemäß Figur 2a ist schematis.cn..--in Figur 2b wiedergegeben. Aufgetragen dort jeweils über der Zeit die Spannung Vc am Ladekondensator 4, der Strom Ig_CR durch, den Thyristor 5, sowie die Spannung V_gCR am Thyristor. Wird der Thyristor 5 gezündet, so entlädt sich der Kondensator 5 über die Primärwicklung 12 und den Thyristor 5. Im Gegensatz zur Schaltungsanordnung gemäß Figur 1a sind hier die Primärwicklung 12 und die Hilfswicklung 13 mit solcher Polarität - angedeutet durch die Punkte 23a und 23b - gewickelt, daß die in der Primärwicklung 12 und der Hilswicklung 13 induzierten Spannungen die gleiche Polarität haben. Damit wird in der Hilfswicklung 13 innerhalb der Zeitspanne zwischen t und t- eine Vorwärtsspannung für den Thyristor 5 und die Diode 16 erzeugt, sodaß ein Kurzschlußstrom i_e fließt. Dieser fließt jedoch nicht in der Zeitspanne zwischen t- und t₂· Damit wird die Ladung auf dem Kondensator 4 umgepolt. Nach der Zeit t-2 versucht der Kondensator 4 wieder seinen ursprünglichen Ladezustand anzunehmen, wobei der Umladestrom zur Zeit t₃ einen Stromfluß in umgekehrter Richtung durch den Thyristor 5 bewirkt und gleichzeitig durch die Drosselspule 21 fließt. Damit entsteht am Thyristor 5 eine Spannung in Gegenrichtung. Bei diesem Zündfunkengenerator kann somit der Thyristor 5 leicht abgeschaltet werden. Nachteilig ist jedoch, daß der Kurzschlußstrom i_ ziemlieh groß werden kann,30 daß den Thyristor 5 ein Strom durchfließt, der wesentlich größer ist als benötigt, so daß die Gefahr besteht, daß der Thyristor 5 durchschlägt und übermäßig erhitzt wird. Außerdem werden zur Zeit t₃ dem Thyristor 5 sowohl eine hohe Spannung als auch ein großer Strom aufgeprägt, um den Thyristor vorzeitig zu sperren, wodurch eine beträchtliche Verlustleistung ersteht. Wählt man,um dies zu vermeiden, die Drossel-¹ spule 21 derart, daß sie eine hohe Induktivität hat, so wird auch hier wie bei der Schaltungsanordnung gemäß Figur 1a die Schwingungsfrequenz erniedrigt, die Ausgangsleistung des Zündfunkens" ' verringert und das Gerät verteuert.

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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es folglich, einen Halbleiter-Zündfunkengenerator der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher eine hohe Zündfunkenleistung bei einfachem und störungssicherem Schaltungsaufbau des Generators liefert, wobei der Halbleiterschalter des Generators keiner übermäßigen Beanspruchung ausgesetzt ist und die Zündfunkenleistung ausreicht _f auch ölbrenner am Zerstäuber ohne Hilfsflamme oder dergleichen unmittelbar zu zünden. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand von Figur 3 erläutert. Erneut sind diejenigen Schaltungselemente welche bereits in den bekannten Schaltungen nach den Figuren 1a und 2a vorhanden sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In Figur 3 wird der Zündfunkengenerator aus einer Wechselspannungsquelle 50, beispielsweise dem Wechselspannungsnetz mit 5OHz und 100V, gespeist. Von der Wechselspannungsquelle 1 gelangt die Wechselspannung über eine Diode 2 und eine Drosselspule 3 zum Ladekondensator 4. Diesem ist einerseits die Reihenschaltung des Thyristors 5 mit der Primärwicklung 12 des Zündtransformators 11 und andererseits die Reihenschaltung der Tertiärwicklung 13 des Zundtransformators 11 und einer Diode 16 parallelgeschaltet. Dabei liegt die positive Belegung des Lädekondensators 4 einerseits an der Anode des Thyristors 5 und andererseits an der Kathode der Diode 16. Der Zündtransformator 11 hat ferner eine Sekundärwicklung 14, welche die Zündelektroden 17a und 17b speist. Die drei Wicklungen 12, 13 und 14 sind magnetisch miteinander gekoppelt. Die Primärwicklung 12 und die Tertiärwicklung 13 sind derart gewickelt, daß die gegenseitig induzierten elektromotorischen Kräfte die durch die Punkte 15a und 15b angedeutete Polarität haben. Die beiden Wicklungen 12 und 13 sind vorzugsweise bifilar gewickelt, um einen bestimmten Grad der magnetischen Kopplung zu gewährleisten. Die Windungszahl der Tertiärwicklung 13 ist größer als diejenige der Primärwicklung 12, so daß die Induktivität der Tertiärwicklung 13 größer ist als die der Primärwicklung 12. Der Schaltungsteil 6 des Zündfünkengenerators gemäß Figur 3 enthält ein Zeitkonstanten-Glied bestehhend aus einem Widerstand 7 und einem Kondensator 8. Letzterem

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ist die Reihenschaltung einer Zenerdiode 9 mit einem Widerstand 10 parallelgeschaltet. Der Verbindungspunkt zwischen Zenerdiode 9 und Widerstand 10 liegt an der Steuerelektrode des Thyristors. Wenn die Steuerspannung des Thyristors 5 gleichmäßig ist_r kann die . Zenerdiode 9 entfallen.

Die Betriebsweise des Zündfunkengenerators gemäß Figur 3 wird nachfolgend^anhand der Figuren 4a, 4b und 5 erläutert. Dabei zeigen die Figuren 4a und 4b die für bestimmte Schaltungszustände ableitbaren Ersatzschaltbilder, während Figur 5 Spannungsbzw. Stromverläufe an verschiedenen Schaltungspunkten wiedergibt; und zwar in der oberen Kurve la) die Anoden-Kathoden-Spannung V des Thyristors 5,

in der darunter liegenden Kurve.<bJ den Annodenstrom t_gCR des Thyristors 5

in der folgenden Kurve (c) den durch die Tertiärwicklungi 3 fließenden Strom i^ und

in der unteren Kurve (d) die in der Primärwicklung 12 und der TertiÄrwicklung 13 induzierten Spannungen V1 und V3.jeweils in Abhängigkeit von der Zeit, während einer Betriebsperiode.

Die Diode 2 bewirkt,daß der Zündfunkengenerator jeweils während derjenigen Halbwelle der Versorgungswechselspannung arbeitet, in der an der oberen Klemme I^ eine positive Halbwelle steht. Während der anderen Halbwelle der Versorgungswechselspannung Wird kein Funke erzeugt. Während der genannten positiven Halbwelle fließt ein Strom i_Q über die Diode 2 und die der Strombegrenzung dienende Drosselspule 3 auf den Ladekondensator 4 und lädt diesen auf. Gleichzeitig fließt der Ladestrom i_Q über den Widerstand 7, den Kondensator 8 sowie die Primärwicklung 12 des Zündtrans™ formators 31, so-daß auch der Kondensator 8 aufgeladen wird. Da der Ladekondensator 4 eher aufgeladen 1st als der Kondensator 8, ist gewährleistet, daß der Ladekondensator 4 auf jeden Fall hinreichend aufgeladen ist, ehe:· der Thyristor 5 an «einer Steuerelektrode ein Schaltsignal· erhält» Wird der Thyristor 5 .zur Zeit t_Q gezündet, so entlädt sich der Ladekondensator 4 über den Thyristor 5 und die Primärwicklung 12. Damit bleibt die Spannung V

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am Thyristor 5 während der Zeit t bis t₂ praktisch Null,und ein Anodenstromimpuls i- entsteht. Zu dieser Zeit wird in der mit der Primärwicklung magnetisch gekoppelten Sekundärwicklung ein Hochspannungsimpuls erzeugt, welcher zwischen den Zündelektroden 17a und 17b einen Zündfunken entstehen läßt. Insoweit ist die Wirkungsweise die gleiche wie bei bekannten Zündfunkengeneratoren. Während der Entladeperiode zwischen t und t₂|Und zwar in der Zeitspanne t bis t-,wird eine positive Spannung e- an der Klemme m der Primärwicklung 12 induziert, nämlich die Spannung V- gemäß Figur 5d. Zur gleichen Zeit entsteht an der Klemme ο der Tertiärwicklung 13 ein ebenfalls positiver Spannungsimpuls V₃. Das Ersatzschaltbild gemäß Figur 4a zeigt diesen Zustand. Die induzierte positive Spannung e₃ ist etwas größer als die Spannung e.., so daß die Differenzspannung e = e~ - e* zwischen Anode und Kathode des Thyristors 5 steht. Folglich fließt ein Strom I_SCR durch den Thyristor 5, welcher der Summe des Entladestromes i* und des Kurzschlußstromes i_ entspricht. Da die Differenzspannung e_Q auf einen geeigneten Wert festgelegt werden kann, ist es möglich, einen Durchschlac^des Thyristors 5 und die Erzeugung einer unzulässigen Verlustwärme dadurch zu vermeiden, daß man den Strom durch den Thyristor 5 in geeigneter Weise festlegt.

In der Zeitspanne t.. bis t~ wird die Differenzspannung e in entgegengesetzter Richtung an den Thyristor 5 und die Diode 16 gelegt, so daß kein Kurzschlußstrom i_g fließt. Nach der Zeit t₂ bewirkt die Ladung entgegengesetzter Polarität auf dem Ladekondensator 4 einen Strom i'<» der durch den Thyristor 5 fließt und damit den Thyristor 5 in den Sperrzustand überführt.

Aus dem Ersatzschaltbild gemäß Figur 4b ergibt sich, daß in der Primärwicklung 12 eine Spannung e¹^ und in der Tertiärwicklung 13 eine Spannung e¹, induziert werden, die entgegengesetzte Polarität haben im Vergleich zu den Spannungen e^ £*w. e₃· Die Differenzspannung e'_o « e'-j - e¹- liegt als Spannung entgegengesetzter Polarität am Thyristor 5. In Figur 5a ist gestrichelt eingezeich-

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net, daS diese Spannung entgegengesetzter Polarität bei den be~ kannten Schaltungsanordnungen zur Zeit t₃ sehr groß ist, während sie beim Zündfunkengenerator gemäß der Erfindung entsprechend
der obigen Gleichung als Differenzspannung e* auf einen zulässigen Wert begrenzt ist.

Bislang w,ar es üblich, zum Sperren des Thyristors an diesen sofort eine hohe Spannung entgegengesetzter Polarität zu legen.
Dies bedeutet wegen des gleich auftretenden Stromes eine beträchtliche Verlustleistung, sodaß Maßnahmen zur guten Wärmeableitung unerläßlich sind. Zugleich wird es schwierig, einen solchen Zündfunkengenerator ohne thermische Überlastung über längere Zeiträume zubetreiben. Die Erfindung vermeidet diese Schwierigkeiten, so daß der Zündfunkengenerator auch im Langzeitbetrieb keiner thermischen Überlastung ausgesetzt ist. Außerdem neigt der Thyristor dazu, Abschaltzeit zu verlängern, wenn der Halbleiter erwärmt wird. Es ist deshalb nötig den Wert der Gegespannung
am Thyristor einzustellen. Ausch dies kann durch die Erfindung
erreicht werden.

Wird der Thyristor 5 zur Zeit t'₃ abgeschaltet, so wird praktisch die gesamte auf dem Ladekondensator 4 mit entgegengesetzter Polarität gespeicherte Energie durch die Tertiärwicklung 13"und die Diode 16 auf den Ladekondensator zurück übertragen und auf diese Weise die Restenergie wiedergewonnen. Der Stromimpuls i,
zwischen t, und te gemäß Figur 5c zeigt diesen Vorgang . Dieser Stromimpuls i₃ zur Übertragungszeit erzeugt in der Sekundärwicklung 14 eine hohe Spannung, welcheVlonisationszustand der Luft
aufrechterhält, welcher vom Zündfunken während der Entladezeit zwischen t_Q und t^ erzeugt wurde. Hierdurch wird der Zündfunken für längere Zeit aufrechterhalten. Nach der Zeit t_5/zu der die Wiedergewinnung der Restenergie des Ladekondensators 4 abgeschlossen ist, wird die Ladung des Kondensators 4 von der Wechselstromquelle 1 her über die Drosselspule 3 aufgefüllt. Zur Zeit
tg beginnt der nächste Schwingungszyklus. Dieser Vorgang wiederholt sich mit einer Frequenz von etwa 1OkHz.

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Bei den eingangs beschriebenen Zündfunkengeneratoren für Verbren' nungskraftmaschinen wird ein Gleichstrom/Gleichstromumforjner 20 benutzt, welcher die Ladestromimpulse für den Ladekondensator 4 liefert. Zur Zeit t, wenn der Thyristor 5 in Gegenrichtung geschaltet ist, wird der Stromimpuls dem Umformer 20 zugeführt,und es besteht die Gefahr, daß das Abschalten des Thyristors 5 behindert wird. Dies läßt sich durch Einstellen der Abschaltung des Stromimpulses verhindern. Der Zündfunkengenerator gemäß der Erfindung ist in erster Linie für ölbrenner bestimmt, so daß der zeitliche Verlauf des Stromimpulses durch die Drosselspule 3 eingestellt werden kann. Nach der Zeit t₃ versucht die im Kondensator 4 vorhandene Restenergie Strom durch die Stromquelle 1 und die Diode 2 zu treiben. Jedoch verursacht dieser Umlädestrom zur Zeit t, Schwierigkeiten beim Abschalten des Thyristors 5. In diesem Fall begrenzt die Drosselspule den Stromanstieg, so daß diese für die Anwendung des Zündfunkengenerators bei ölbrennern besondere Bedeutung haben kann.

Bei einem erprobten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Zündfunkengenerators. folgende Werte:

Bauelement:	2	Bemessung:
Diode	3	V06D
Drosselspule	4	150 mH
Ladekondensa tor	5	0,1 JiF
Thyristor	11	CR2AM-8
Zündtrans formator	7	Primär 80 Windungen Sekundär 7200 " Tertia r 85 Windunqen
Widerstand	8	50 kOhm
Kondensator	10	0,1 uF
Widerstand	500 0hm

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Die Erfindung führt zu einem wesentlich verbesserten Zündfunkengenerator, der sich, insbesondere für die direkte Flammenzündung in ölbrennern eignet. Er kann auch für Gasbrenner vorteilhaft eingesetzt werden. Er verwendet einen Zündtransformator der außen der üblichen Primär- und Sekundärwicklung eine Tertiärwicklung aufweist, welche mit vom Stand der Technik abweichender Polarität gewickelt bzw. eingeschaltet ist und die Umschaltverluste des Halbleiterschalters begrenzt, welche beim Stand der Technik infolge einer übermäßig hohen Gegenspannung im Halbleiterschalter, beispielsweise im Thyristor, verursacht werden. Hierdurch wird es möglich, den Zündgenerator nicht kurzzeitig sondern auch über längere Zeiträume hinweg durchgehend zu betreiben. Der durch die Tertiärwicklung fließende Kurzschlußstrom erzeugt eine Differenzspannung zwischen den in der Primärwicklung und in der Tertiärwicklung induzierten Spannungen, so daß zur Kurzschlußstrombegrenzung keine Drosselspule im Stromkreis der Tertiärwicklung benötigt wird. Entsteht kein Zündfunken, d.h. fehlt die Belastung der Sekundärwicklung, so wird die in der Primärwicklung und in der Tertiärwicklung induzierte Spannung erhöht. Da auch hier der kurzschlußstrom durch die Differenz dieser Spannungen bestimmt ist, wird eine übermäßige Wärmeentwicklung im Thyristor vermieden.

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Claims

YAMATAKE HONEYWELL Co. Ltd. 22. Februar 1979

Tokio, Japan . 9803971 Ge

Zündfunkenerzeuger, insbesondere für ölbrenner

Patentansprüche:

Iy Zündfunkenerzeuger, insbesondere für ölbrenner, mit einem einen Ladekondensator und die Primärwicklung eines Zündtransformator s enthaltenden Schwingkreis sowie einem an den Schwingkreis angeschlossenen Halbleiterschalter zur Steuerung der Ladung und Entladung des Ladekondensators dadurch gekennzeichnet, daß der Zündtransformator (11) außer einer an die Zündelektroden (17) angeschlossenen Sekundärwicklung (14) eine mit einer Diode (16) in Reihe geschaltete Tertiärwicklung (13) aufweist, welche mit solcher Polarität mit der Primärwicklung (12) gekoppelt ist, daß die in der Tertiärwicklung induzierte EMK größer ist als die in der Primärwicklung (.12) induzierte EMK und dieser entgegen gerichtet ist, und daß die Spannung an der Tertiärwicklung (13) dem Halbleiterschalter (5) zugeführt ist.
2. Zündfunkenerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Speisestromquelle (1j,2) und dem Schwingkreis (12,4) eine Drosselspule (13) eingeschaltet ist.
3. Zündfunkenerzeuger nach Anspruch 1 oder 2 mit einer dem Ladekondensator parallel geschalteten Reihenschaltung eines Thyristors und der Primärwicklung des Zündtransformators dadurch gekennzeichnet, daß dem Ladekondensator (4) die Reihenschaltung von Tertiärwicklung (13) und Diode (16) derart parallel geschaltet ist, daß die Kathode der Diode (16) mit der Anode des Thyristors (5) in Verbindung steht.

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4. Zündfunkenerzeuger nach Anspruch. 3, dadurch, gekennzeichnet, daß zwischen Steuerelektrode und Kathode des Thyristors (5) ein Widerstand (10) und zwischen Anode und Kathode des Thyristors (5) die Reihenschaltung eines Widerstandes (7) mit einem Kondensator (8) eingeschaltet ist.
5. Zündfunkenerzeuger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt von Widerstand (7) und Kondensator (8) über eine Zenerdiode C9) an die Steuerelektrode des Thyristors (5) angeschlossen ist.

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