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Gleichspannungsquelle für Anlagen zur
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Oberflächenbearbeitung von Werkstücken, insbesondere für eine Ionitrierhärtanlage
Die Erfindung betrifft eine Gleichspannungsquelle für Anlagen zur Oberflächenbearbeitung
von Werkstücken, insbesondere für eine lonitrierhärtanlage, bei der zwischen dem
an dem einen Pol der Spannungsquelle angeschlossenen Werkstück und einer an dem
anderen Pol der Spannungsquelle angeschlossenen Elektrode Lichtbögen entstehen können,
die über eine Uberwachungseinrichtung die Abschaltung der Stromzufuhr bewirken.
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Bei einer bekannten Gleichspannungsquelle für eine lonitrierhärtanlage
wird die dreiphasige Netzspannung mittels eines gesteuerten, thyristorisierten Vollwellen-Brückengleichrichters
in eine Gleichspannung umgewandelt. Zur Glättung des der Last zugeführten Stromes
liegt im Stromkreis eine Glättungsdrossel.
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Während der negative Pol der Gleichspannungsquelle mit dem zu härtenden
Werkstück verbunden ist, ist der positive Pol an einem das Werkstück umgebenden
Mantel eines sogenannten Ofens angelegt, in dem das Werkstück unter einer stickstoffhaltigen
Atmosphäre gehalten wird,
Das Ionitrierhärten läßt sich in zwei
Phasen unterteilen: 1) Bei anliegender Gleichspannung schnelles Aufheizen des Werkstückes
auf Temperaturen zwischen 4000 C und 6000 C; dabei Säuberung der Werkstückoberfläche.
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2) Verweilen bei dieser Temperatur bis zum Abschluß der Randschichthärtung
des Werkstückes.
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Während der ersten Phase kommt es neben den gewünschten Glimmentladungen
zu stromstarken Lichtbogenentladungen, die die Gleichspannungscuelle - I dynamisch
stark belasten und die Werkstückoberfläche beschädigen können.
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In der zweiten Phase treten Lichtbogenentladungen nur sehr selten
auf. Die Stromstärke wird in dieser Phase durch die temperatur- und oberflächenabhängigen
Glimmentladungen bestimmt. Wegen der sowohl für die Gleichspannungsquelle als auch
für das Werkstück gefährlichen stromstarken Lichtbogenentladungen in der ersten
Phase ist bei der bekannten Ionikieranlage eine Überwachungseinrichtung vorgesehen,
die bei auftretendem Lichtbogen zur Abschaltung des Gleichrichters führt.
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Die Gleichrichter-Thyristoren werden gelöscht und die Ansteuerimpulse
in den sogenannten "Wechselrichterbereich" umgesteuert. Es müssen Maßnahmen vorgesehen
sein, um die bei Stromunterbrechung in der Glättungsdrossel gespeicherte magnetische
Energie unschädlich zu machen.
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Nach dem durch Abschalten der treibenden Gleichspannung zum Erlöschen
gebrachten Lichtbogen kann die Gleichspannungsquelle sofort wieder eingeschaltet
werden.
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Während der Lichtbogen nur wenige Millisekunden brennt, werden etwa
20 Millisekunden benötigt, um nach dem Abschalten der Gleichspannungsquelle Gleichspannung
wieder
zur Verfügung zu stellen. Diese langen Energiezufuhrpausen sind für eine schnelle
Aufheizung des Werkstückes ungünstig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gleichspannungsquelle
der eingangs genannten Art zu schaffen, die einerseits eine schnelle Aufheizung
des Werkstückes in der ersten Behandlungsphase ermöglicht und andererseits in der
zweiten Phase die von der Gleichspannungsquelle gelieferte Energie mit möglichst
wenig Verlusten an die Last abgibt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemä dadurch gelöst, daß die Gleichspannungsqulle
aus einem Parallel-Schwingkreiswechselrichter mit einem verlustarmen Parallel-Schwingkreis
und gesteuerten Thyristoren und einem nachgeschalteten Brücken-Gleichrichter besteht,
daß am Parallel-Schwingkreis ein abschaltbarer Dämpfungswiderstand angeschlossen
ist und daß im Gleichstromkreis des Brücken-Gleichrichters eine von der überwachungseinrichtung
angesteuerte Schalteinrichtung liegt, die bei einem Lichtbogen den Strom bis zu
einer vollen Halbwelle sperrt.
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Bei der Erfindung werden als Gleichstrom der Last die gleichgerichteten
Halbwellen dem eine einphasige Wechselspannung liefernden Parallel-Schwingkreis-Wechselrichter-
zugeführt. Sofern über den Brücken-Gleichrichter alle Halbwellen und nicht nur,
wie es nach einer Ausw gestaltung der Erfindung auch möglich ist, nur jede zweite
Halbwelle gelangen, läßt sich bei auftretendem Lichtbogen der Strom in der einen
Halbwelle sperren und damit den Lichtbogen zum Erlöschen bringen, und in der anderen
Halbwelle die Stromzufuhr zur Last wieder aufnehmen. Dabei bleibt der Wechselrichter
und ein gegebenenfalls ihn
speisender, an einem Dreiphasennetz angeschlossener
folgende Gleichrichter eingeschaltet. Da die Frequenz des Wechselrichters höher
als die Netzfrequenz liegt, sind die für die Löschung des Lichtbogens nötigen Pausen
der Energiezufuhr entsprechend kurz. Während in der ersten Betriebsphase der Dämpfungswiderstand
eingeschaltet ist, ist er in der zweiten Betriebsphase abgeschaltet. Dieser Dämpfungswiderstand
hat den Zweck, daß im abgeschalteten Zustand die Gleichspannungsquelle wegen des
verlustarmen Parallel-Schwingkreises volle Leistung an das Werkstück abgibt, während
bei eingeschaltetem Dämpfungswiderstand die Dämpfung des Parallel-Schwingkreises
sich bei einer Lichtbogenentladung durch den dann wirksam werdenden, zusätzlichen
Dämpfungswiderstand nicht wesentlich im Vergleich zu einer Situation ändert, bei
der der Parallel-Schwingkreis-Wechselrichter nur mit einem verlustarmen Parallel-Schwingkreis
auf die Last arbeitet und dann bei Bildung eines Lichtbogens stark gedämpft wird.
Starke Dämpfungsunterschiede bedeuten nämlich für den Parallel-Schwingkreis-Wechselrichter
stark unterschiedliche Löschzeiten, die eine sichere Kommutierung in Frage stellen
und zu einem Kippen des Wechselrichters führen können.
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Vorzugsweise ist die Schalteinrichtung ein Thyristor, der im Takt
der Zündimpulse des Wechselrichters Zündimpulse erhält und dem eine von der überwachungseinrichtung
angesteuerte Löscheinrichtung zugeordnet ist. Die Löscheinrichtung kann in an sich
bekannter Weise aus einer Parallelschaltung zum Thyristor mit einem fremd-.-geladenen
Kondensator, einer Induktivität und einem Thyristor bestehen. Im Falle eines Lichtbogens
steuert die Uberwachungseinrichtung den Thyristor an, über den dann aus dem fremdgeladenen
Kondensator Strom über den den Gleichstrom an die Last liefernden Thyristor fließt
und diesen zum Erlöschen bringt.
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Zur Verbesserung der Funktionstüchtigkeit der Gleichspannungsquelle,
insbesondere dann, wenn im Wechselstromkreis eine Drossel zur Stromanstiegsbegrenzung
liegt, kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung im Wechselstromkreis
zwischen dem W2chselrichter und dem Brücken-Gleichrichter ein im Takt der Zündimpulse
des Wechselrichters Zündimpulse empfangender.
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Schalter aus antiparallelen Thyristoren angeordnet sein, wobei die
überwachungseinrichtung bei einem Lichtbogen die Zufuhr von Zündimpulsen sperrt.
Mit diesen ausgestaltenden Merkmalen wird erreicht, daß bei einem Lichtbogen zusätzlich
der Wechselstromkreis unterbrochen wird.
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Für einen störungsfreien Betrieb des Wechselrichters hat es sich als
günstig erwiesen, wenn die Zündimpulse für den Thyristor der Schalteinrichtung und
gegebenenfalls die antiparallel geschalteten Thyristoren durch ein Verzögerungsglied
gegenüber dem Zündimpuls des Wechselrichters verzögert sind.
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Schließlich kann in der ersten Phase der Aufheizung, wie bereits erwähnt,
der Brücken-Gleichrichter so ausgelegt sein, daß er nur jede zweite Halbwelle durchläßt.
Dies läßt sich dadurch erreichen, daß eine Brückendiagonale des Brücken-Gleichrichters
durch einen Schalter sperrbar ist.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Schaltbildes näher erläutert.
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Ein Parallel-Schwingkreisumrichter 1 ist an einem Dreiphasennetz L1,
L2, L3 angeschlossen und liefert eine einphasige Wechselspannung mit einer gegenüber
dem Dreiphasennetz höheren Frequenz (Mittelfrequenz). Dieser
Parallel-Schwingkreisumrichter
hat den allgemein bekannten Aufbau. Ein Regler IR, dem als Ist-Wert der Strom des
Netzes L1, L2, L3 neben einem frei wählbaren Soll-Wert zugeführt wird, liefert ein
Stellsignal an einen Impulserzeuger IE, der mit mehr oder weniger großem Phasenanschnitt
Zündimpulse an den folgenden Gleichrichter G liefert. Dem Regler IR wird außerdem
als Ist-Wert der Strom des Wechselrichters W zugeführt. Durch die Zufuhr dieses
zusätzlichen Ist-Wertes wird der Konstantstrom im Wechselrichter W vermindert und
die Spannung am Parallel-Schwingkreis vermindert, wodurch der Neigung zu erneuter
Lichtbogenbildung entgegengewirkt wird. Der Parallel-Schwingkreis CHS LHS ist verlustarm
ausgebildet. Die Thyristoren des Wechselrichters W erhalten von einem Löschzeitregler
LR Zündimpulse.
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Die am Parallel-Schwingkreis CHS LH5 anstehende einphasige Mittelfrequenzspannung
wird einem aus Dioden D1 bis D4 bestehenden Brückengleichrichter B zugeführt.
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In dem Stromkreis zwischen dem Wechselrichter W und dem Brückengleichrichter
B liegen eine Drossel D zur Strombegrenzung und ein aus zwei antiparallel geschalteten
Thyristoren T3, T4 gebildeter Schalter.
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Parallel zum Parallel-Schwingkreis CHs, LHS liegt ein Dämpfungswiderstand
RBt der mittels zwei in Reihe geschalteter antiparalleler Thyristoren T1, T2 an-
und abschaltbar ist. Die Thyristoren T1 bis T4 erhalten vom Löschzeitregler LR im
Takt der den Thyristoren des Wechselrichters zugeführten Zündimpulsen über ein Verzögerungsglied
V zeitverzögerte Zündimpulse. Diese zeitverzögerten Zündimpulse bewirken, daß die
Halbwellen des im Wechselstromkreis fließenden Stromes angeschnitten sind.
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Die Zündimpulse für die Thyristoren T1, T2 gelangen über einen Schalter
E an die Elektroden der Thyristoren.
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Dieser Schalter E ist in der ersten Phase der Aufheizung, wenn häufig
mit Lichtbogenentladungen zu rechnen ist, geschlossen und in der zweiten Phase geöffnet.
Zu den Thyristoren T3, T4 gelangen die Zündimpulse über einen weiteren Schalter
S, der nur bei einem festgestellten Lichtbogen geöffnet wird. Zu diesem Zweck wird
er von einer überwachungseinrichtung angesteuert, die aus einer Lichtbogen-Erfassungseinrichtung
LE und einer Zeitstufe ZS besteht. Die Zeitstufe ZS bestimmt, wie lange der Schalter
S geöffnet bleibt.
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Die Diagonale des Brücken-Gleichrichters B mit den Dioden D1, D4 kann
durch einen Schalter S1 geöffnet werden, so daß nur jede zweite Halbwelle über einen
Thyristor T6 zur Last L gelangen kann. Die Last L ist im Ersatzschaltbild durch
den Widerstand RG für die Glimm-Entladungen und den Widerstand Rdyn für die Lichtbogen-Entladungen
dargestellt. Im Falle eines Lichtbogens ist der Schalter S2 geschlossen. Die vom
Löschzeitregler LR gelieferten Zündimpulse gelangen über den Schalter S auch an
die Steuerelektrode des Thyristors T6. Das bedeutet, daß dieser bei jeder Halbwelle
gezündet wird.
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Um bei einem Lichtbogen den Thyristor T6 löschen zu können, ist parallel
zum Thyristor eine Reihenschaltung aus einem fremdgeladenen Kondensator C, einer
Induktivität I und einem Thyristor T5 dem Thyristor T6 parallelgeschaltet. Der Thyristor
T5 erhält seine Zündimpulse von der Lichtbogen-Erfassungseinrichtung LE.
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Die erfindungsgemäße Gleichspannungsquelle arbeitet auf folgende Art
und Weise: Bei kaltem Werkstück ist der Schalter E geschlossen. Das bedeutet, daß
der von Hause aus verlustarme Parallel-
Schwingkreis CHS, LHS stark
gedämpft wird. Da der Schalter mit den Thyristoren T3, T4 bei jeder Halbwelle an
beide Thyristoren Zündimpulse liefert, gelangt die einphasige Wechselspannung an
den Brücken-Gleichrichter B.
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Bei geschlossenem Schalter S1 werden sämtliche Halbwellen gleichgerichtet,
während bei offenem Schalter S1 nur jede zweite Halbwelle durchgelassen wird. Da
auch der Thyristor T6 bei jeder Halbwelle einen Zündimpuls erhält, wird der Last
L ein Gleichstrom aus einzelnen Halbwellen zugeführt. Sofern die Zeitverzögerungs-Einrichtung
V wirksam ist, sind diese Halbwellen angeschnitten.
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Tritt nun ein Lichtbogen auf, was einem Schließen des Schalters S2
im Ersatzschaltbild der Last L gleichzusetzen ist, wird ohne Verzögerung der Schalter
S für eine vom Zeitglied ZS bestimmte Zeit geöffnet, so daß keine weiteren Impulse
mehr an den Schalter T3, T4 gelangen könnens und der Thyristor T5 gezündet, dessen
fremdgeladener Kondensator C über den Thyristor T6 mit umgekehrter Stror.richtuna
entlädt. Dadurch wird der Thyristor T6 gelöscht. Der Schalter S kann wieder geschlossen
werden, und bei der nächsten Halbwelle erhalten die Thyristoren T3, T4, T6 wieder
Zündimpulse, so daß die Energiezufuhr zur Last wieder aufgenommen wird.
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Nach der Phase der Aufheizung wird der Schalter E geöffnet.
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In dieser Phase wird der Parallel-Schwingkreis CHS LHS nur durch seine
eigene, aber niedrig gewählte Dämpfung und durch die Last gedämpft. Das bedeutet,
daß mit geringster Verlustleistung die Last mit Energie versorgt wird. Sollte es
in dieser zweiten Phase zu einer Lichtbogenentladung kommen, dann wird, wie beschrieben,
die Zufuhr von Zündimpulsen zu den Thyristoren T3, T4, T6 durch
öffnen
des Schalters S unterbrochen und des Thyristors T5 zum Zwecke der sofortigen Löschung
des Thyristors T6 gezündet.
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