DD231918A1

DD231918A1 - METHOD FOR THE ENERGETICALLY ADJUSTED OPERATION OF DC LIGHT BOLTS

Info

Publication number: DD231918A1
Application number: DD26651784A
Authority: DD
Inventors: Hans-Dieter Musikowski; Hans-Juergen Scheibe
Original assignee: Univ Magdeburg Tech
Priority date: 1984-08-22
Filing date: 1984-08-22
Publication date: 1986-01-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum energetisch angepassten Betrieb von Gleichstromlichtboegen, insbesondere in Plasmageneratoren, zur Anwendung bei der Gaserhitzung, der Plasmachemie, des Plasmaspritzens, des Plasmaschmelzens und aehnlichen Anwendungen. Ziel ist ein vergroesserter Anwendungsbereich bei verringertem Betriebs- und Realisierungsaufwand. Hierzu soll ein erweiterter Arbeitsbereich bei verringertem Blindleistungsanteil sowie guter Prozessstabilitaet erreicht werden. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die maximale Ausgangsgleichspannung der elektrischen Versorgungseinrichtung waehrend der mittels einer Zuendeinrichtung eingeleiteten Lichtbogenzuendung bis zum Erreichen eines durch diese Zuendeinrichtung mit zu realisierenden Mindeststromwertes als untere Schranke eines technologischen Arbeitsbereiches einen annaehernd konstanten Hoechstwert behaelt. Anschliessend wird die maximale Ausgangsgleichspannung im gesamten, durch einen maximalen Nennstrom als obere Schranke, begrenzten, technologischen Arbeitsbereich stromabhaengig in ihrem funktionellen Verlauf an die stationaere Bogenspannungs-Bogenstrom-Abhaengigkeit des Gleichstromlichtbogens derart angepasst, dass sie jeweils um einen annaehernd konstanten Betrag groesser ist als die dem jeweils gleichen Bogenstrom zuzuordnende stationaere Bogenspannung.The invention relates to a method for the energetically adapted operation of DC Lichtboegen, in particular in plasma generators, for use in gas heating, plasma chemistry, plasma spraying, plasma melting and similar applications. The goal is an increased scope of application with reduced operating and implementation costs. For this purpose, an extended work area is to be achieved with a reduced reactive power share and good process stability. According to the invention, the object is achieved in that the maximum DC output voltage of the electrical supply device during the arc application initiated by an ignition device until reaching a minimum current value to be realized by this ignition device as the lower limit of a technological working range has an approximately constant maximum value. Subsequently, the maximum DC output voltage in the entire, limited by a maximum rated current as the upper limit, technological work area downstream in its functional course to the stationary arc voltage Bogenstrom-Abhaengigkeit the DC arc is adjusted so that it is greater by an approximately constant amount the respective same arc current attributable stationary arc voltage.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum energetisch angepaßten Betrieb von Gleichstromlichtbögen, insbesondere in PlasTnageneratoren, die aus regelbaren elektrischen Versorgungseinrichtungen gespeist werden und die in weiten Arbeitsbereichen mitzunehmendem Bogenstrom eine kleiner werdende Bogenspannung aufweisen.The invention relates to a method for the energetically adapted operation of DC arcs, in particular in PlasTnageneratoren, which are fed from controllable electrical supply devices and have in wide work areas mitzunehmendem arc current a decreasing arc voltage.

Es findet Anwendung beim Betrieb von Lichtbogen und Plasmageneratoren für Zwecke der Gaserhitzung, der Plasmachemie, des Plasmaspritzens, des Plasmaschmelzens und ähnlichen Anwendungen in der Plasmatechnologie, der Plasmatechnik und der Plasmaforschung.It is used in the operation of arc and plasma generators for gas heating, plasma chemistry, plasma spraying, plasma melting and similar applications in plasma, plasma and plasma.

Characteristic of the known technical solutions

Lichtbögen in Plasmageneratoren, wie sie zur Erzeugung hoher Energiedichten für technologische Aufgaben eingesetzt werden, sind in ihrem elektrischen Zweipolverhalten durch eine mit zunehmendem Bogenstrom abnehmende Bogenspannung gekennzeichnet. Diese Bogenspannungs-Bogenstrom-Abhängigkeit ist nichtlinear und wird in der Regel durch eine hyperbelähnliche Funktion näherungsweise beschrieben/Rieder,/W.: Plasma und Lichtbogen, Verlag Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig, 1967/.Arcs in plasma generators, as they are used to generate high energy densities for technological tasks, are characterized in their electrical two-pole behavior by a decreasing with increasing arc current arc voltage. This arc voltage-arc current dependency is non-linear and is usually approximately described by a hyperbola-like function / Rieder, / W .: Plasma and Arc, Verlag Friedrich Vieweg and Sohn, Braunschweig, 1967 /.

Zum Betreiben derartiger Plasmageneratoren werden als elektrische Versorgungseinrichtungen zunehmend netzgeführte Thyristorgleichrichter eingesetzt. Diese liefern im gesamten Arbeitsbereich unabhängig von den Lastverhältnissen eine nahezu konstante maximale Ausgangsgleichspannung. Bisher angewendete Verfahren zum Betrieb von Gleichstromlichtbögen gehen grundsätzlich von einer leistuhgsmäßig nach dem höchsten zu realisierenden Bogenstrom und der höchsten zu realisierenden Bogenspannung des technologischen Arbeitsbereiches ausgelegten elektrischen Versorgungseinrichtung aus. Die besondere funktioneile Bogenspannungs-Bogenstrom-Abhängigkeit des Lichtbogens findet dabei keine Berücksichtigung. Nach der in bekannter Weise eingeleiteten Zündung, z. B. mittels Hochspannungsdurchschlag zwischen den Elektroden und Betrieb der P'lasmageneratoren in einem technologischen Arbeitsbereich, wird bei Variation des Bogenstromes die Anpassung der Ausgangsgleichspannung der netzgeführten Thyristorgleichrichter an die arbeitspunktabhängige Bogenspannung mittels Phasenanschnittsteuerung, d. h. durch Veränderung des Zündverzögerungswinkels der Stromrichterventile, gewährleistet/ Gerber, R.: Kombinierte elektrische Ausrüstung für Windkanalantriebe oder Plasmabrenner-Speisung, BB Mitt. (1977), H. 2, S. 83-88/.In order to operate such plasma generators, increasingly mains-driven thyristor rectifiers are used as electrical supply devices. These deliver a nearly constant maximum DC output voltage throughout the entire working range, regardless of the load conditions. Previously used methods for the operation of DC arcs are generally based on a power supply according to the highest to be realized arc current and the highest to be realized arc voltage of the technological work area designed electrical supply device. The special functional arc voltage arc current dependency of the arc is not considered. After the initiated in a known manner ignition, z. B. by means of high voltage breakdown between the electrodes and operation of P'lasmageneratoren in a technological work area, the adaptation of the DC output voltage of the line-commutated thyristor rectifier to the operating point-dependent arc voltage by means of phase control, d. H. by changing the Zündverzögerungswinkels the power converter valves, guaranteed / Gerber, R .: Combined electrical equipment for wind tunnel drives or plasma torch feed, BB Mitt. (1977), H. 2, pp. 83-88 /.

Da für eine Vielzahl von technologischen Anwendungen in der Regel vorgegebene Bogenstromwerte möglichst exakt eingehalten werden müssen, erfolgt während des Betriebes der Plasmageneratoren eine ständige Erfassung des Bogenstromistwertes und Vergleich mit dem geforderten Stromsollwert. Bei Abweichungen des Arbeitspunktes durch z. B. betriebsmäßig auftretende Schwankungen im Bogenbrennverhalten wird durch die Wirkung eines elektronischen Stromreglers in Verbindung mit der Phasenanschnittsteuerung die Ausgangsgleichspannung des Thyristorgleichrichters so verändert, daß der geforderte Bogenstrom wieder erreicht wird. Hierzu muß in jedem einzustellenden Arbeitspunkt eine ausreichende Spannungsregelreserve vorhanden sein/Musikowski, H.-D.; Scheibe, H.-J.: Zur verbrauchergerechten Anpassung der Stromversorgung an Plasmatrons mittlerer Leistung, Wiss. Zeitschrift TH Magdeburg 24 (1980) H.6 S.75—79/.' Die bisher angewendeten Verfahren zum Betreiben von Gleichstromlichtbögen besitzen den Nachteil, daß nach erfolgter Lichtbogenzündung mit steigendem Bogenstrom die Ausgangsgleichspannung der elektrischen Versorgungseinrichtung durch ständiges Vergrößern des Zündwinkels der Stromrichterventile entsprechend dem arbeitspunktabhängigen Bogenspannungsniveau verringert werden muß. Dadurch bedingt wird die installierte elektrische Versorgungsleistung betriebsmäßig nicht ausgelastet und es wird besonders bei großen Bogenstromwerten wegen der großen Zündverzögerungswinkel ein hoher Blindleistungsanteil erzeugt, der erhöhte Betriebskosten verursacht und zusätzlichen Schaltungsaufwand für Kompensationsmaßnahmen erfordert.Since, for a large number of technological applications, generally predetermined arc current values must be maintained as accurately as possible, a continuous detection of the actual arc current value and comparison with the required current setpoint takes place during operation of the plasma generators. For deviations of the operating point by z. B. operationally occurring fluctuations in the arc burning behavior is changed by the action of an electronic current regulator in conjunction with the phase control, the DC output voltage of the thyristor rectifier so that the required arc current is reached again. For this purpose, a sufficient voltage regulation reserve must be present in each operating point to be set / Musikowski, H.-D .; Scheibe, H.-J .: For user-friendly adaptation of the power supply to Plasmatron medium power, Wiss. Magazine TH Magdeburg 24 (1980) H.6 p.75-79 /. ' The previously used methods for operating direct current arcs have the disadvantage that after arc ignition with increasing arc current, the DC output voltage of the electrical supply device must be reduced by constantly increasing the firing angle of the converter valves according to the operating point-dependent arc voltage level. As a result, the installed electrical supply power is operationally underutilized and it is generated especially at large Bogenstromwerten because of the large Zündverzögerungswinkel a high reactive power component, which causes increased operating costs and additional circuit complexity for compensation measures required.

Gleichermaßen führt der Betrieb mit großen Zündverzögerungswinkeln zu einer.erhöhten Welligkeit der Ausgangsgleichspannung der elektrischen Versorgungseinrichtung bzw. des Bogenstromes, so daß zur Sicherung eines stabilen Lichtbogenbetriebes und zur Gewährleistung einer gleichbleibend guten Qualität des Plasmas ein hoher Glättungsaufwand erforderlich ist.Similarly, the operation with large ignition delay angles leads to an increased ripple in the DC output voltage of the electrical supply device or the arc current, so that a high level of smoothing is required to ensure stable arc operation and to ensure a consistently good quality of the plasma.

Es erweist sich weiterhin als Mangel bisheriger Verfahren, daß bei Verringerung des Bogenstromes wegen der sich dabei vergrößernden Bogenspannung die zum Ausregeln betriebsmäßig auftretender Schwankungen im LichtbogenbrennverhaltenIt also proves to be a deficiency of previous methods that when reducing the arc current because of the thereby increasing arc voltage for the purpose of balancing operational fluctuations in the arc burning behavior

erforderliche Spannungsregelreserve zwischen der arbeitspunktabhängigen mittleren Bogenspannung und der maximalen relativ konstanten Ausgangsgleichspannung der elektrischen Versorgungseinrichtung ebenfalls verringert. Das führt bei Unterschreitung gewisser Mindestwerte der Spannungsregeireserve zu sehr instabilem Lichtbogenbrennverhalten, häufigem Lichtbogenabriß und damit zur Begrenzung des technologischen Arbeitsbereiches in Richtung kleiner Bogenstromwerte. Hierdurch verkleinert sich der Anwendungsbereich bei bekannten Stromversorgungsprinzipien.required voltage control reserve between the operating point-dependent mean arc voltage and the maximum relatively constant DC output voltage of the electrical supply device also reduced. This leads to falls below certain minimum values of the voltage control reserve to very unstable arc burning behavior, frequent arc demolition and thus to limit the technological work area in the direction of small arc current values. This reduces the scope of application in known power supply principles.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum energetisch angepaßten Betrieb von Gleichstromlichtbögen, insbesondere in Plasmageneratoren, die aus regelbaren elektrischen Versorgungseinrichtungen gespeist werden, zu schaffen, das bei vergrößertem Anwendungsbereich verringerte Betriebskosten und einen verminderten Realisierungsaufwand besitzt.The aim of the invention is to provide a method for energetically adapted operation of DC arcs, in particular in plasma generators, which are fed from controllable electrical supply devices, which has reduced operating costs and a reduced implementation cost with an enlarged range of application.

Essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum energetisch angepaßten Betrieb von Gleichstromlichtbögen, insbesondere in Plasmageneratoren, die aus regelbaren elektrischen Versorgungseinrichtungen gespeist werden, zu entwickeln, die trotz einer Verminderung der installierten Anlagenleistung der elektrischen Versorgungseinrichtung gegenüber dem Betrieb mittels herkömmlichen rietzgeführten Thyristorstromrichteranlagen, einen erweiterten Arbeitsbereich, einen verminderten Blindleistungsanteil und eine im gesamten Arbeitsbereich gute Prozeßstabilität besitzt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die maximale Ausgangsgleichspannung der elektrischen Versorgungseinrichtung während der mittels einer Zündeinrichtung eingeleiteten Lichtbogenzündung bis zum Erreichen eines durch diese Zündeinrichtung mit zu realisierenden Mindeststromwertes als untere Schranke eines technologischen Arbeitsbereiches einen annähernd konstanten Höchstwert behält. Anschließend wird die maximale Ausgangsgleichspannung im gesamten, durch einen maximalen Nennstrom als obere Schranke, begrenzten, technologischen Arbeitsbereich stromabhängig in ihrem funktionellen Verlauf an die stationäre Bogenspannungs-Bogenstrom-Abhängigkeit des Gleichstromlichtbogens derart angepaßt, daß sie jeweils um einen annähernd konstanten Betrag größer ist als die dem jeweils gleichen Bogenstrom zuzuordnende stationäre Bogenspannung.The invention has for its object to provide a method for energetically adapted operation of DC arcs, especially in plasma generators, which are fed from controllable electrical supply facilities to develop, despite a reduction of the installed system performance of the electrical supply device compared to the operation by means of conventional rietzgeführt Thyristorstromrichteranlagen, a extended work area, reduced reactive power and good process stability throughout the work area. According to the invention the object is achieved in that the maximum DC output voltage of the electrical supply device during the initiated by means of an ignition arc ignition until reaching a minimum through this ignition with realizing minimum current value as the lower bound of a technological workspace retains an approximately constant maximum value. Subsequently, the maximum DC output voltage in the entire, limited by a maximum rated current as the upper bound, technological work area current-dependent in their functional course to the stationary arc voltage arc current dependence of the DC arc adapted such that it is greater by an approximately constant amount the respective same arc current attributable stationary arc voltage.

Für die Anwendung des Verfahrens hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn der Betrag der Spannungsdifferenz zwischen der maximalen Ausgangsspannung der elektrischen Versorgungseinrichtung und der mittleren stationären Lichtbogenspannung im gesamten Arbeitsbereich des Stromes auf einen Wert zwischen 10% und 30% der Bogenbrennspannung beim maximalen Nennstrom eingestellt wird.For the application of the method, it has proved to be particularly favorable if the amount of the voltage difference between the maximum output voltage of the electrical supply device and the mean stationary arc voltage in the entire operating range of the current to a value between 10% and 30% of the arc voltage at the maximum rated current becomes.

Ebenso ist es zweckmäßig, wenn die erfindungsgemäße funktioneile Stromabhängigkeit der elektrischen Versorgungseinrichtung durch additive Überlagerung der Ausgangsspannungen mehrerer Teilstromrichter erzeugt wird, wobei mindestens einer regelbar ausgeführt sein soll. Bei Verwendung nichtregelbarer Teilstromrichter müssen deren Ausgangsgleichspannungen zusammen im gesamten Arbeitsstrombereich stets kleiner sein als die zugehörige Lichtbogenbrennspannung.It is likewise expedient if the functional current dependency of the electrical supply device according to the invention is generated by additive superimposition of the output voltages of a plurality of partial converter, at least one of which should be controllable. When using non-adjustable partial converter, their DC output voltages must always be smaller than the associated arc voltage across the entire working current range.

Ausführungsbeispiei

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.

In den zugehörigen Figuren zeigenIn the accompanying figures show

Fig. 1: das Spannungs-Stromdiagramm für das erfindungsgemäße Zusammenwirken zwischen elektrischerFig. 1: the voltage-current diagram for the inventive interaction between electrical

Versorgungseinrichtung und Lichtbogen im Plasmagenerator und Fig. 2: eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.Supply device and arc in the plasma generator and Fig. 2: an advantageous device for carrying out the method.

Gemäß Fig. 1 wird mit Hilfe einer Zündeinrichtung ein Mindeststrom 1 auf der Charakteristik der Lichtbogenspannung als Funktion eines Stromes 2 erreicht. Im Bereich zwischen dem Mindeststrom 1 und einem maximalen Arbeitsstrom 2 wird die Ausgangscharakteristik der elektrischen Versorgungseinrichtung als Funktion des Stromes 4 um einen Spannungsbetrag AU größer gewählt als die Bogenbrennspannung beim maximalen Arbeitsstrom 3. Auftretende Störungen können so im gesamten Arbeitsbereich mit gleicher Sicherheit ausgeregelt werden. In der Vorzugsvariante der Verfahrensrealisierung gemäß Fig. 2 wird die Charakteristik der elektrischen Versorgungseinrichtung durch eine ausgangseitige Reihenschaltung eines nichtregelbaren sechspulsigen Gleichrichters 5 mit dem nachgeschalteten Gleichrichter eines geregelten Schwingkreisumrichters 6 mit transformatorischer, galvanisch trennender Spannungsanpassung realisiert. Dabei wird der nichtregelbare Gleichrichter 5 gleichzeitig zur Erzeugung einer erforderlichen Zwischenkreisspannung für den Schwingkreisumrichter 6 verwendet. Das Ausgangsspannungsniveau 7 in Fig. 1 des Gleichrichters 5 ist so gewählt, daß es das Niveau der Lichtbogenspannung in keinem Punkt des Arbeitsstrom bereiches erreicht. Die natürlichen maximalen Ausgangskennlinien der beiden Teilstromrichter zusammen passen sich an die Charakteristik des Lichtbogens so an, daß sie nur um etwa den Spannungsbetrag AU voneinander abweichen.According to FIG. 1, a minimum current 1 on the characteristic of the arc voltage as a function of a current 2 is achieved with the aid of an ignition device. In the area between the minimum current 1 and a maximum operating current 2, the output characteristic of the electrical supply device is selected as a function of the current 4 by a voltage amount AU greater than the arc voltage at maximum operating current 3. Occurring disturbances can be compensated in the entire work area with the same security. In the preferred variant of the process realization according to FIG. 2, the characteristic of the electrical supply device is realized by an output-side series connection of a non-controllable six-pulse rectifier 5 with the downstream rectifier of a controlled oscillator 6 with transforming, galvanically isolating voltage adaptation. In this case, the non-adjustable rectifier 5 is simultaneously used to generate a required intermediate circuit voltage for the resonant circuit 6. The output voltage level 7 in Fig. 1 of the rectifier 5 is selected so that it reaches the level of arc voltage at any point of the working current range. The natural maximum output characteristics of the two partial converter together to adapt to the characteristic of the arc so that they differ only by about the voltage amount AU from each other.

Daraus ergibt sich ein wesentlich verminderter Anteil installierter Anlagenleistung für den regelbar ausgeführten Anteil der elektrischen Versorgungseinrichtung. Dieser ist durch den schraffierten Bereich 8 in Fig. 1 gekennzeichnet. Die Begrenzung des Regelbereiches der Betriebsstromversorgung auf den Mindeststrom 1 und die damit verbundene Fixierung der Ausgangscharakteristik 4 auf einen konstanten Spannungswert bei kleinen Strömen dient der Beschränkung der Bauelementebelastung der elektrischen Versorgungseinrichtung.This results in a substantially reduced proportion of installed system power for the controllable exported portion of the electrical supply device. This is indicated by the hatched area 8 in FIG. The limitation of the control range of the operating power supply to the minimum current 1 and the associated fixing of the output characteristic 4 to a constant voltage value at low currents serves to limit the component load of the electrical supply device.

Claims

Invention claim:

1. A method for energetically adapted operation of DC arcs, in particular in plasma generators, which are fed from controllable electrical supply devices and which have in wide work areas with increasing arc current a decreasing arc voltage, characterized in that the maximum DC output voltage of the electrical supply device during the means of an ignition device initiated arc ignition until reaching a minimum current value to be realized by this ignition device as a lower bound of a technological workspace retains an approximately constant maximum value, and then in the total, limited by a maximum rated current as the upper bound, technological work area current dependent in its functional course to the stationary arc voltage Arc current dependence of the DC arc is adjusted so that they each by an approximately constant Amount is greater than the steady current arc voltage attributable to the same current.

2. The method according to item 1, characterized in that the amount of the voltage difference between the maximum DC output voltage of the electrical supply device and the stationary arc voltage throughout the technological work area is appropriately selected between 10% and 30% of the arc voltage at the maximum rated current.

3. The method according to item 1, characterized in that the inventive functional current dependency of the electrical supply device is generated favorably by additive superimposition of several partial converters, wherein at least one is designed adjustable and the DC output voltages of the non-adjustable partial converter together are always smaller than that throughout technological workspace possible stationary arc voltage.

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