DE3544605A1 - Verfahren zum erzeugen eines plasmalichtbogens und plasmalichtbogenbrenner zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zum erzeugen eines plasmalichtbogens und plasmalichtbogenbrenner zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines
Plasmalichtbogens, bei dem ein Gasstrahl durch Anlegen
einer ersten Spannungsquelle zumindest teilweise ionisiert
und in dem zumindest teilweise ionisierten Gasstrahl durch
Anlegen einer zweiten Spannungsquelle ein Lichtbogen gezündet
wird. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Plasmalichtbogenbrenner
zur Durchführung des Verfahrens.
Unter dem Begriff Plasma ist im vorliegenden Fall ein
durch Temperaturerhöhung ionisiertes Gas zu verstehen,
das aus Molekülen, Atomen, Ionen und Elektronen besteht
und das in seiner Gesamtheit elektrisch neutral ist. Die
Temperaturerhöhung erfolgt insbesondere durch Stromfluß,
wobei das Gas selbst den Strom leitet, d. h. die notwendige
Temperaturerhöhung erfolgt durch Gasentladung im Lichtbogen.
Ein Plasmabrenner enthält als wesentliche Bestandteile
eine Düse, aus der ein Gasstrahl austritt, sowie
im Inneren der Düse eine Elektrode, die bis in die Nähe
der Düsenöffnung reicht. Als Gas wird insbesondere Argon,
da es billig ist und eine geringe Ionisationsspannung besitzt,
oder Helium oder Neon verwendet. Auch zweiatomige
Gase, wie z. B. N2 oder H2, oder Gemische der vorgenannten
Gase oder Luft können als Plasmagas eingesetzt werden.
Eine erste Spannungsquelle ist zwischen der Elektrode und
der Düse angeschlossen und erzeugt im Bereich der Düsenöffnung
zwischen der Düsenwandung und der Elektrode einen
Hilfslichtbogen, der je nach Bedarf nur zum Zünden des
Hauptlichtbogens oder während des gesamten Betriebs brennt.
Der Hilfslichtbogen hat die Aufgabe, den aus der Düse austretenden
Gasstrahl mindestens teilweise zu ionisieren.
Eine zweite Spannungsquelle ist zwischen der Elektrode
und dem durch den Plasmalichtbogen zu erhitzenden Werkstück
angelegt und erzeugt zwischen dem Brenner und dem
Werkstück einen Lichtbogen (Hauptlichtbogen).
Das ionisierte Gas, das aus der Brennerdüse austritt,
befindet sich in instabilem Zustand, d. h. es hat die Tendenz,
zu rekombinieren. Dadurch nimmt die Zahl der freien
Ladungsträger ab und der Hauptlichtbogen zündet und brennt
unsicher. Die Rekombination ist umso stärker, je kälter
das Gas ist und je mehr ungeladene Atome (Verunreinigungen,
wie z. B. Wasserdampf) in dem Gasstrahl enthalten sind.
Je größer der Abstand zwischen der Elektrode und dem zu
behandelnden Werkstück ist, desto größer muß die Austrittsgeschwindigkeit
des Gasstrahls aus der Düse gewählt werden,
um dem Lichtbogen die nötige Richtungsstabilität zu verleihen.
Durch die erhöhte Gasgeschwindigkeit wird aber
einerseits mehr Wärme aus dem Lichtbogen abgeführt und
andererseits aufgrund von Verwirbelungen die Zahl der
Fremdatome im Plasma stark erhöht. Aus diesen Gründen
läßt sich ein Plasmalichtbogen nur bei relativ kurzen
Distanzen zwischen Elektrode und Werkstück sicher aufrechterhalten,
während bei größeren Abständen der Lichtbogen
schlecht zündet und unsicher brennt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln,
bei dem ein Plasmalichtbogen sicher gezündet
und über relativ große Distanzen aufrechterhalten werden
kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
der zweiten Lichtbogenspannung Spannungsimpulse überlagert
werden.
Die Spannungsimpulse bewirken eine schlagartige Erhöhung
des Ionisierungsgrades des Gasstrahls und begünstigen
damit sowohl die Zündung als auch die Aufrechterhaltung
des Plasmalichtbogens.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens weisen die Spannungsimpulse steile Anstriegsflanken
auf, die im Hochfrequenzbereich liegen.
Der Begriff Hochfrequenz bezieht sich auf die Flankensteilheit
der Impulse, nicht auf den zeitlichen Abstand
der Impulse, d. h. die Flankensteilheit der Impulse entspricht
in der Steilheit einer Hochfrequenzwelle. Als
Hochfrequenz werden im vorliegenden Fall Frequenzen im
Bereich von Kilohertz bis Megahertz bezeichnet.
Die Flankensteilheit sollte möglichst groß sein, sie ist
jedoch in der Praxis durch die Induktivitäten im Spannungsimpulsgenerator
begrenzt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgen die Spannungsimpulse diskontinuierlich.
Es erfolgt in z. B. regelmäßigen zeitlichen Abständen
eine Reihe von Impulsen, wobei der zeitliche Abstand
zweier Impulse innerhalb einer Reihe kürzer als der zeitliche
Abstand zweiter Impulsreihen ist.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens beträgt die Spannung der Spannungsimpulse 2 kV
bis 60 kV. Vorzugsweise liegt die Spannung zwischen 10 und
30 kV.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erzeugt die zweite Spannungsquelle eine Wechselspannung
und die Spannungsimpulse werden nur während der
positiven und/oder negativen Spannungsscheitel oder kurz
davor überlagert.
Bei Wechselspannung ändert sich ständig die Stromrichtung
in dem Lichtbogen. Die überlagerten Spannungsimpulse erfolgen
entweder nur bei einer positiven Halbwelle oder
bei einer negativen Halbwelle der zweiten Spannungsquelle
oder bei beiden Halbwellen. Bei einer dreiphasigen Drehstromschaltung
ergeben sich die Möglichkeiten, daß die
Impulse nur bei einer Phase, bei zwei oder bei allen
drei Phasen überlagert werden, und zwar jeweils wieder
bei der positiven und/oder bei der negativen Halbwelle.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind die Spannungsimpulse direkt und/oder invers
gepolt. Dies bedeutet, daß entweder ausschließlich negative
oder positive oder aber abwechselnd negative und
positive Impulse überlagert werden. Vorzugsweise werden
bei Wechselspannung der zweiten Spannungsquelle bei
einer positiven Halbwelle positive Spannungsimpulse,
bei einer negativen Halbwelle negative Spannungsimpulse
überlagert.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden pro Halbwelle der zweiten Spannungsquelle
1 bis 10 Spannungsimpulse überlagert.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden dem Lichtbogen der ersten Spannungsquelle
Spannungsimpulse einer zusätzlichen Hochfrequenz-Spannungsquelle
überlagert.
Ein Plasmalichtbogenbrenner zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens umfaßt mindestens eine Düse für ein
Gas, die eine Elektrode enthält, eine erste an die Düse
sowie die Elektrode angeschlossene Spannungsquelle, und
eine zweite an die Elektrode angeschlossene Spannungsquelle,
und ist gekennzeichnet durch mindestens einen Spannungsimpulsgenerator,
der einerseits an die Elektrode und andererseits
an Masse oder an eine zweite Elektrode angeschlossen
ist.
Die zweite Spannungsquelle ist einerseits an die Elektrode
einer Brennerdüse und andererseits entweder an das zu erhitzende
Werkstück oder an eine zweite Elektrode angeschlossen,
wobei sich im ersten Fall der Lichtbogen zwischen
der Elektrode und dem Werkstück, im zweiten Fall
von der ersten Elektrode zu dem Werkstück und von dort
zurück zu der zweiten Elektrode erstreckt. Umfaßt der
Plasmalichtbogenbrenner mehrere Einzelbrennersysteme, so
ist entweder ein Spannungsimpulsgenerator zwischen Masse
und einer Elektrode oder es sind mehrere Spannungsimpulsgeneratoren
zwischen Masse und je einer Elektrode oder
ein Spannungsimpulsgenerator zwischen zwei Elektroden
(oder bei mehr als zwei Elektroden mehrere Spannungsimpulsgeneratoren
zwischen jeweils einem Elektrodenpaar)
vorgesehen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Plasmalichtbogenbrenners sind die Elektrode bzw. Elektroden
in einen Schmelztiegel eingesetzt, der an seiner
Innenseite mit einer in die Schmelze reichenden, auf Masse
gelegten Leitspur versehen ist.
Der Schmelztiegel weist eine metallische Außenseite sowie
eine schlecht elektrisch leitende Innenseite (z. B. Keramik)
auf. An der Innenseite des Schmelztiegels ist eine Leitspur,
z. B. eine streifenförmige Schicht aus Aufschlämmung
von Graphit- und Ausmauerungsmasse oder eine z. B. autogen
aufgespritzte Metallschicht) aufgebracht. Die Leitspur
ist mit der leitenden Außenwand des Tiegels verbunden.
Die Leitspur hat den Zweck, daß die Spannungsimpulse,
die von der Elektrodenspitze zum Fußpunkt des Lichtbogens
in der Schmelze gelangen, über die Leitspur von der Schmelze
an die Außenwand des Tiegels und von dort zum Spannungsimpulsgenerator
zurückgeleitet werden, wenn der zweite
Pol des Spannungsimpulsgenerators an der Außenwand anliegt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes
ist zwischen dem Elektrodenanschluß des Spannungsimpulsgenerators
und der zweiten Spannungsquelle eine
Hochfrequenz-Sperrdrossel eingesetzt.
Die Sperrdrossel verhindert, daß Impulse vom Spannungsimpulsgenerator
zur zweiten Spannungsquelle laufen, so
daß die Impulse zum Hauptlichtbogen gelangen.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes
ist in der Vor- oder Rücklaufleitung des Spannungsimpulsgenerators
eine Leuchtstoffröhre angeordnet. Die
Leuchtstoffröhre leuchtet auf, sobald der Spannungsimpulsgenerator
arbeitet und dient damit der Funktionskontrolle.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Plasmalichtbogenbrenners weist der Spannungsimpulsgenerator
mehrere in Serie geschaltete Kondensatoren auf und
ist die Serie über eine Funkenstrecke kurzgeschlossen.
Zum Aufbau der benötigten Spannung sind vorzugsweise drei
Kondensatoren in Reihe geschaltet. Um einen Impuls von großer
Flankensteilheit zu erzeugen, werden die Kondensatoren über
eine Funkenstrecke entladen, die erst bei Erreichen einer
bestimmten Grenzspannung durchbrochen wird. Der dabei fließende
Strom wird vorzugsweise über die Primärspule eines Impulstransformators
geleitet, mit dem die Ausgangsspannung des
Entspannungsimpulsgenerators hochgespannt werden kann.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung
werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen
Verfahrens
Fig. 2 einen Plasmalichtbogenbrenner mit drei Elektroden
in Drehstromanordnung
Fig. 3 das Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen
Spannungsimpulsgenerators.
Fig. 4 ein Spannungs-Phasen-Diagramm.
Das Verfahren gemäß Fig. 1 dient zum Erhitzen eines
metallischen Werkstücks 1 mit Hilfe eines Plasmalichtbogens
2. Zur Erzeugung des Plasmalichtbogens 2 ist ein
Plasmalichtbogenbrenner 3 mit einer Düse 4 vorgesehen,
die an ihrem Ende eine Öffnung 5 aufweist. Dem Plasmalichtbogenbrenner
3 wird ein Inertgas, vorzugsweise
Argon, zugeführt, das durch Pfeile 6 angedeutet ist.
Das Gas strömt durch die Öffnung 5 aus der Düse 4 in
Richtung auf das zu erhitzende Werkstück 1 aus. Im
Inneren der Düse 4 befindet sich eine stabförmige Elektrode
7, die knapp oberhalb der Öffnung 5 endet. Zwischen der
Elektrode 7 und der Düse 4 ist eine erste Spannungsquelle 8
angeschlossen, die eine Spannung in der Größenordnung von
100 bis 500 V effektiv liefert. Die erste Spannungsquelle 8
erzeugt zwischen der Elektrode 7 und der Düse 4 im Bereich
der Öffnung 5 einen ersten Lichtbogen (Hilfslichtbogen) 9.
Durch die angelegte Spannung wird zumindest ein Teil des
Gasstroms 6 ionisiert, so daß aus der Öffnung 5 ein zumindest
teilweise ionisierter Gasstrahl austritt. Eine zweite
Spannungsquelle 10 ist einerseits an die Elektrode 7 und
andererseits an das zu erhitzende Werkstück 1 angeschlossen.
Die Spannungsquelle 10, die wahlweise Gleich- oder Wechselspannung
liefert, erzeugt einen Plasmalichtbogen 2 in
der ionisierten Gaswolke, die aus der Öffnung 5 ausströmt,
zwischen der Elektrode 7 und dem Werkstück 1. Durch den
Lichtbogen 2 wird das Werkstück erhitzt und beispielsweise
geschmolzen. Zum Zünden und Stabilisieren des Lichtbogens
2 werden der zweiten Lichtbogenspannung Spannungsimpulse
überlagert, die von einem Spannungsimpulsgenerator 11
geliefert werden. Der Spannungsimpulsgenerator 11 ist ebenso
wie die zweite Spannungsquelle 10 einerseits an die Elektrode
7 und andererseits an das Werkstück 1 angeschlossen.
Der Impulsgenerator 11 liefert Spannungsimpulse, die im Bereich
zwischen 2 und 60 kV liegen. Vorzugsweise betragen
die Spannungsimpulse etwa 20 kV. Die Impulse besitzen eine
sehr hohe Flankensteilheit, wobei der Anstiegwinkel etwa
in der Größenordnung des Anstiegs einer Ultrakurzwelle
liegt. (vorzugsweise dU/dt ≦λτ 20 kV/μsec). Um die Spannungsimpulse
über die Lichtbogenstrecke zu zwingen und zu verhindern,
daß die Spannungsimpulse in die zweite Spannungsquelle
10 laufen, ist in der Elektrodenleitung der zweiten Spannungsquelle
10 eine Hochfrequenz-Sperrdrossel 12 angeordnet.
Die Hochfrequenz-Sperrdrossel 12 weist eine Induktivität
in der Größenordnung 800 µHy auf.
Bei Bedarf wird der ersten Lichtbogenspannung 8 ein zusätzlicher
Spannungsimpulsgenerator 13 überlagert, der unter
Zwischenschaltung einer Hochfrequenz-Sperrdrossel 14 parallel
zur ersten Spannungsquelle 8 geschaltet ist. Der Spannungsimpulsgenerator
13 liefert Spannungsimpulse in der Größenordnung
von 2 bis 10 kV, vorzugsweise 6 kV, die der ersten
Spannungsquelle 8 zum Zünden des ersten Lichtbogens 9
überlagert werden.
In Fig. 2 ist ein Anwendungsfall des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt, bei dem mit Hilfe von Plasmalichtbogenbrennern
beispielsweise Schrott eingeschmolzen wird.
Im Gegensatz zu dem Prinzipschaltbild gemäß Fig. 1 sind
drei Einzelbrennersysteme vorgesehen, deren Elektroden
in Drehstromschaltung geschaltet sind. Die Gaszuführungen
zu den Elektroden sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen
worden. In der gewählten Schnittdarstellung sind
zwei Elektroden 7 a, 7 b zu sehen. Die Elektroden 7 a, 7 b sind
in einen Schmelztiegel 15 eingesetzt. Der Schmelztiegel 15
ist aus einem äußeren Stahlmantel 16 sowie einer inneren
Auskleidung 17, z. B. aus Keramik, zusammengesetzt. In dem
Schmelztiegel 15 wird Schrott geschmolzen. Der Spiegel
des Schmelzbades 18 befindet sich in einem Abstand von
30 bis 200 cm, vorzugsweise ca. 50 cm unterhalb der Elektrodenspitzen.
An der Innenseite der Auskleidung 17 ist
eine streifenförmige Leitspur 19 vorgesehen, die bis zum
Boden des Schmelztiegels 15 reicht und die am oberen Rand
des Tiegels mit dem Mantel 16 verbunden ist. Der Mantel
16 ist auf Masse gelegt.
Die Elektroden 7 a, 7 b sind mit den Anschlüssen S, T einer
Spannungsquelle 20 in Drehstromschaltung verbunden. Die
im Bild nicht dargestellte dritte Elektrode ist mit dem
Anschluß R der Spannungsquelle 20 verbunden. Die Spannungsquelle
20 entspricht der in Fig. 1 schematisch dargestellten
zweiten Spannungsquelle 10. (Die erste Spannungsquelle
8 ist in Fig. 2 der Übersichtlichkeit halber weggelassen
worden). Die an den Anschlüssen S, T anliegende
Wechselspannung erzeugt Lichtbögen 2 a, 2 b zwischen den
Elektroden 7 a, 7 b und der Schmelze 18. Der Stromfluß in
den Lichtbögen ist dabei je nach Phasenlage von der einen
Elektrode zur Schmelze und von der Schmelze zur nächsten
Elektrode bzw. in umgekehrter Richtung. Die Scheitelspannung
der Spannungsquelle 20 beträgt vorzugsweise 300 bis 800 V.
Aufgrund des relativ großen Abstandes zwischen der Brennerspitze
und der Schmelze brennen die Lichtbögen 2 a, 2 b unstabil
und zünden schlecht. Zur Stabilisierung der Lichtbögen
und zur Verbesserung des Zündverhaltens sind der
Spannungsquelle 20 Spannungsimpulsgeneratoren 11 a, 11 b
überlagert. Je nach den jeweiligen Verfahrensbedingungen
ist ein einziger, mit einer der Elektroden verbundener
Spannungsimpulsgenerator ausreichend, oder es sind zwei
oder sogar drei Spannungsimpulsgeneratoren vorgesehen.
Jeder der beiden dargestellten Spannungsimpulsgeneratoren
11 a, 11 b, die in Prinzip und Wirkungsweise dem Spannungsimpulsgenerator
11 gemäß Fig. 1 entsprechen, ist zur
Spannungsversorgung an die Anschlüsse S, T der Spannungsquelle
20 angeschlossen, wobei der Spannungsimpulsgenerator
11 b zur Korrektur der Phasenlage umgekehrt wie der
Spannungsimpulsgenerator 11 a verpolt ist. Ausgangsseitig
sind die Spannungsimpulsgeneratoren 11 a, 11 b einerseits
mit der Elektrode 7 a bzw. 7 b verbunden, über die die erzeugten
Spannungsimpulse den Lichtbögen 2 a bzw. 2 b zugeführt
werden sollen und andererseits mit dem Mantel 16
des Tiegels 15 verbunden. Die Spannungsimpulse laufen
von den Generatoren 11 a bzw. 11 b zu den Elektroden 7 a
bzw. 7 b und durch die Lichtbögen 2 a bzw. 2 b in die
Schmelze 18. Von dort gelangen die Impulse durch die Leitspur
19 und die Masseverbindung des Mantels 16 zurück in
die Spannungsimpulsgeneratoren 11 a bzw. 11 b.
Um zu verhindern, daß die Spannungsimpulse in die Spannungsquelle
20 laufen, ist zwischen dem Elektrodenanschluß und
der Spannungsquelle 20 jeweils eine Hochfrequenz-Sperrdrossel
12 a, 12 b vorgesehen. Die Sperrdrosseln 12 a, 12 b
sind für die steilen Spannungsimpulse der Generatoren 11 a,
11 b undurchlässig, während sie die relativ niederfrequente
Wechselspannung der Spannungsquelle 20 (z. B. 50 Hz) ungehindert
passieren lassen.
In den Rücklaufleitungen der Spannungsimpulsgeneratoren
11 a, 11 b ist jeweils eine Leuchtstoffröhre 21 vorgesehen,
die ein Kontrollinstrument für das Funktionieren
der Generatoren darstellt. Die Leuchtstoffröhren 21 leuchten
bei Funktionieren der Spannungsimpulsgeneratoren auf.
Sie können ebenso in den Vorlaufleitungen angeordnet sein.
Fig. 3 zeigt das Prinzipschaltbild eines Spannungsimpulsgenerators
gemäß der Erfindung. Der Spannungsimpulsgenerator
ist an zwei Wechselspannungsanschlüsse S, T angeschlossen,
die beispielsweise Teile eines Drehstromanschlusses
sind. Der Spannungsimpulsgenerator enthält drei
Primärwicklungen 23 a, 23 b, 23 c, die parallel an die Anschlüsse
S, T angeschlossen sind. Dem Spannungsimpulsgenerator
ist an dem Anschluß S eine Dämpfungsdrossel 22
vorgeschaltet, die bewirkt, daß eventuelle Stromspitzen
gedämpft werden.
Parallel zu den Primärwicklungen 23 a, b, c sind Dioden 24 a,
b, c eingesetzt, zwischen den Primärwicklungen 23 a, b, c
und dem Anschluß T sind Dioden 25 a, b, c vorgesehen. Die
Dioden 25 a, b, c bewirken, daß nur eine
Halbwelle der Wechselspannung zwischen S und T den Spannungsimpulsgenerator
erreicht. Die Dioden 24 a, b, c
besitzen die Funktion von Freilaufdioden.
Über Sekundärwicklungen 26 a, 26 b, 26 c, die den Primärwicklungen
23 a, b, c zugeordnet sind, werden drei in Serie
geschaltete Kondensatoren 28 a, 28 b, 28 c einzeln aufgeladen.
Die auf die Kondensatoren 28 a, b, c übertragene Spannung
beträgt beispielsweise 2,5 kV. Die Kondensatoren 28 a, 28 b,
28 c besitzen eine Kapazität von jeweils beispielsweise
0,02 µF. Die Kondensatoren 28 a, b, c sind über eine Funkenstrecke
29, die beispielsweise sechs hintereinanderliegende
Spalten mit jeweils 0,5 mm Spaltbreite aufweist, mit den
Primärwicklungen dreier in Serie geschalteter Impulstransformatoren
30 a, 30 b, 30 c verbunden. Die Primärwicklungen
weisen beispielsweise 50 Windungen auf. Diesen sind drei
in Serie geschaltete Sekundärspulen mit beispielsweise jeweils
300 Windungen zugeordnet, deren freie Enden an den Spannungsimpulsausgängen
31, 32 des Spannungsimpulsgenerators anliegen.
Den Sekundärwicklungen des Impulstransformators
30 a ist ein Koppelglied (z. B. 1 µF) mit einem Entladewiderstand
von z. B. 200 kOhm nachgeschaltet, um die Impulstransformatoren
von der Niederfrequenz der Spannungsversorgung
(z. B. 50 Hz) abzukoppeln.
Im Primärkreis des Impulstransformators ist zwischen den
Kondensatoren 28 a, b, c und den Primärwicklungen 30 a, b, c
ein RC-Glied 34 angeordnet mit einem Kondensator von z. B.
0,01 µF und drei parallel dazu geschalteten ohmschen Widerständen
mit jeweils beispielsweise 100 kOhm. Das RC-Glied
34 bewirkt eine Erhöhung der Flankensteilheit des in dem
Spannungsimpulsgenerator erzeugten Impulses.
Der oben beschriebene Spannungsimpulsgenerator funktioniert
wie folgt: Vorausgeschickt sei, daß der obengenannte
Impulsgenerator eine Kippschwingung liefert. Die dem
Transformator 20 entnommene Spannung - angeklemmt hier
zwischen den Polen S und T -, wird entweder mit beiden
Halbwellen (keine Dioden) oder nur eine Halbwelle (mit Dioden)
auf die parallel geschalteten Primärwicklungen 23 a, b, c
geführt und höher gespannt. Die höheren Sekundärspannungen
- Wicklungen 26 a, b, c - laden die Kondensatoren 28 a, b, c
parallel und phasengleich. Die Kondensatorserie wird über
einige Serienfunkenstrecken bestehend aus 6 Einzelstrecken
mit entsprechenden dI/dt über die in Reihe geschalteten
Primärwicklungen der Impulstransformatoren 30 a, b, c
entladen. Diese Entladung erfolgt umso schneller (steilflankiger),
je geringer die Induktivität des Entladekreises
gewählt wird. Die Sekundärwindungen des Impulstransformators
liegen ihrerseits in Reihe und werden über einen
Koppelkondensator mit parallelem Entladewiderstand auf
den Lichtbogen geführt. Die Serienschaltung dient der
Erzielung einer hohen Gesamtspannung ohne Entladung bereits
im Transformator.
Fig. 4 zeigt den Verlauf der Spannung U in Abhängigkeit
von dem Phasenwinkel ϕ in den Lichtbögen eines Plasmabrenners
mit drei Elektroden, die in Drehstromschaltung
geschaltet sind. Die drei Phasen, die den Anschlüssen R,
S, T zugeordnet sind, sind um jeweils 120° gegeneinander
phasenverschoben. Der dem Anschluß T zugeordneten Phase
sind Spannungsimpulse überlagert, die mit dem Bezugszeichen
35 bezeichnet sind. Die Impulse erfolgen im Scheitel
der Wechselspannung oder kurz davor. Der oberen Halbwelle
sind positive Spannungsimpulse, der unteren Halbwelle
negative Spannungsimpulse überlagert (direkte Polung).
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt daneben die Möglichkeiten,
daß die Spannungsimpulse nicht nur bei einer
Phase, sondern bei zwei oder bei drei Phasen überlagert
werden, daß ferner die Spannungsimpulse nur jeweils bei
der oberen oder bei der unteren Halbwelle erfolgen und
daß die Spannungsimpulse jeweils nur positiv oder nur
negativ sind (abwechselnd direkte und inverse Polung).
Claims (13)
1. Verfahren zum Erzeugen eines Plasmalichtbogens, bei
dem ein Gasstrahl durch Anlegen einer ersten Spannungsquelle
zumindest teilweise ionisiert und in dem zumindest
teilweise ionisierten Gasstrahl durch Anlagen einer
zweiten Spannungsquelle ein Lichtbogen gezündet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweiten Lichtobenspannung
Spannungsimpulse überlagert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungsimpulse steile Anstiegsflanken aufweisen,
die im Hochfrequenzbereich liegen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannungsimpulse diskontinuierlich erfolgen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spannung der Spannungsimpulse
zwischen 2 und 60 kV beträgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Spannungsquelle eine
Wechselspannung erzeugt und die Spannungsimpulse nur
während der positiven und/oder negativen Spannungsscheitel
oder kurz davor überlagert werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Spannungsimpulse direkt
und/oder invers gepolt sind.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß pro Halbwelle der zweiten Spannungsquelle
1 bis 10 Spannungsimpulse überlagert werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß dem Lichtbogen der ersten Spannungsquelle
Spannungsimpulse einer zusätzlichen Hochfrequenz-
Spannungsquelle überlagert werden.
9. Plasmalichtbogenbrenner zur Durchführung des Verfahrens
nach Anspruch 1 mit mindestens einer Düse
für ein Gas, die eine Elektrode enthält, mit einer
ersten an die Düse sowie die Elektrode angeschlossene
Spannungsquelle, und mit einer zweiten an die Elektrode
angeschlossenen Spannungsquelle, gekennzeichnet durch
mindestens einen Spannungsimpulsgenerator (11) der
einerseits an die Elektrode (7) und andererseits an
Masse oder an eine zweite Elektrode angeschlossen ist.
10. Plasmalichtbogenbrenner nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Elektrode bzw. Elektroden (7 a,
7 b) in einem Schmelztiegel (15) eingesetzt sind, der
an seiner Innenseite mit einer in die Schmelze reichenden,
auf Masse gelegten Leitspur (19) versehen ist.
11. Plasmalichtbogenbrenner nach Anspruch 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem Elektrodenanschluß des
Spannungsimpulsgenerators (11) und der zweiten Spannungsquelle
(10) eine Hochfrequenz-Sperrdrossel (12) eingesetzt
ist.
12. Plasmalichtbogenbrenner nach einem der Ansprüche 9
bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vor- oder
Rücklaufleitung des Spannungsimpulsgenerators (11)
eine Leuchtstoffröhre (21) angeordnet ist.
13. Plasmalichtbogenbrenner nach einem der Ansprüche 9
bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsimpulsgenerator
mehrere in Serie geschaltete Kondensatoren (28 a, b, c)
aufweist und die Serie über eine Funkenstrecke (29)
kurzgeschlossen ist.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19853544605 DE3544605A1 (de) | 1985-12-17 | 1985-12-17 | Verfahren zum erzeugen eines plasmalichtbogens und plasmalichtbogenbrenner zur durchfuehrung des verfahrens |
AT0047286A AT384340B (de) | 1985-12-17 | 1986-02-24 | Verfahren zum erzeugen eines plasmalichtbogens und plasmalichtbogenbrenner zur durchfuehrung des verfahrens |
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