DE1287230B - Verfahren zum Betrieb eines wechselstromgespeisten Plasmastrahlgenerators und Anordnung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich in erster Linie auf ein Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist Verfahren zum Betrieb eines mit Wechselstrom ge- vorgesehen, daß die Stromversorgung mit Wechselspeisten Plasmastrahlgenerators, welcher aus zwei spannung wählbarer Frequenz im wesentlichen durch gleichachsig mit axialem Abstand voneinander an- vier steuerbare Ventile gebildet wird, die in einer geordneten Ringelektroden, zwischen denen ein um 5 Brückenschaltung zwischen einer Gleichspannungsdie gemeinsame Achse rotierender Lichtbogen brennt, quelle gleichgerichtet angeordnet sind. Dabei werden besteht, ferner aus Elektromagneten zur Erzeugung zur Versorgung einer in die freie Brückendiagonale eines Magnetfeldes, durch welches die Rotation des beispielsweise einzuschaltenden Erregerwicklung in Lichtbogens erzwungen wird, und aus einem den der Brücke jeweils gegenüberliegende Ventile syn-Entladungsraum umgebenden Gehäuse, das auf einer io chron leitend gesteuert.

Seite eine in Richtung der gemeinsamen Achse der Zur weiteren Erläuterung der Erfindung soll die Ringelelektroden weisende und in dieser Achse lie- Zeichnung herangezogen werden, in der Ausführungsgende Austrittsdüse für den Plasmastrahl aufweist. beispiele schematisch dargestellt sind.
Ein solcher Plasmastrahlgenerator an sich, der auch Fig. 1 zeigt einen Plasmastrahlgenerator mit einer für Betrieb mit Wechselstrom geeignet sein dürfte, 15 Anordnung nach der Erfindung bei axial geschnitteist aus der britischen Patentschrift 959 464 bekannt. nen Ringelektroden und Erregerspulen. Die Erreger-

Durch hohe Umlaufgeschwindigkeit des Licht- wicklung wird von einer Stromversorgung mit Wechbogens und durch wässergekühlte Elektroden verhin- selspannung wählbarer Frequenz eingespeist;
dert man, daß sich der Lichtbogen an einer Stelle der Fig. 2 ist ein Blockdiagramm zur weiteren Er-Elektrodenoberfläche festsetzt und die Elektroden 20 läuterung der Erfindung. Es ist ein Plasmastrahlzerstört. Austretendes Kühlwasser könnte sonst in die generator nach F i g. 1 dargestellt;
Lichtbogenkammer gelangen und weitere Zerstörun- Fig. 3 gibt ein Ausführungsbeispiel mit einer gen verursachen. Selbst bei starker Kühlung ist eine Gleichstromversorgung der Elektroden wieder.
Mindestumlaufgeschwindigkeit des Lichtbogens er- In Fig. 1 ist in der strichpunktierten Umrandung forderlich, da sonst der Lichtbogenfußpunkt an einer 25 die Lichtbogenkammer 10 eines Plasmastrahlengenebestimmten Elektrodenstelle Verweilzeiten erreicht, rators im Schnitt dargestellt. In der Lichtbogenkambei denen die meisten verfügbaren Elektrodenmate- mer 10 mit Gehäuse 9 sind axial gegenüberstehend rialien schmelzen. Die Stromstärke des Lichtbogens wassergekühlte Ringelektroden 11 und 12 angeordnet und die Stärke des Magnetfeldes bestimmen die Um- sowie zu jeder Ringelektrode jeweils koaxial gehallaufgeschwmdigkeit des Lichtbogens. 30 tene Ringspulen 13 und 12 der Erregerwicklung. Die

Die gewählte Lichtbogenumlaufgeschwindigkeit be- Ringspulen sind durch eine Verbindung 24 in Reihe einflußt nicht nur die erforderliche Elektrodenküh- geschaltet. Die Lichtbogenkammer kann am Pfad des lung, sondern auch die Heizleistung für das auf- Lichtbogens 23 durch ein Hitzeschild 15 aus beispielszuheizende Arbeitsgas. Außerdem hängt die Licht- weise hochtemperaturbeständiger Keramik abbogenstabilität von der Umlaufgeschwindigkeit ab, da 35 geschlossen sein. Das ringförmige Hitzeschild schützt sich der Lichtbogen bei hohen Geschwindigkeiten die Ringspulen 13 und 14 vor direkter Strahlung des unter der Fliehkraftwirkung stark ausbaucht. Um aufgeheizten Arbeitsgases, das dann Plasmaeigenoptimale Heizleistungen zu erreichen, muß die Um- schaft aufweist, und vor direkter Strahlung der Eleklaufgeschwindigkeit hinsichtlich Gasdichte und Vis- troden.

kosität sowie hinsichtlich der elektrischen Leitfähig- 40 In der oberen Ringelektrode 11 ist eine Düse 16

keit des Arbeitsgases ausgewählt werden. mit einem Ausströmungskanal 17 nach Art einer

Bei gleicher Umlaufrichtung des Lichtbogens treten Lavaldüse angeordnet. An der unteren Elektrode 12

weiterhin im Arbeitsgas in der Lichtbogenkammer schließt sich eine Bodenplatte 18 aus hitzebeständi-

Temperaturgradienten auf, die von der Zentrifugal- gern Material an, um die Lichtbogenkammer ab-

kraft auf das Arbeitsgas herrühren. Dadurch entsteht 45 zuschließen. Das aufzuheizende Arbeitsgas aus der

im axialen Bereich der Ringelektroden ein Gaskern Leitung 19 wird durch einen Kanal 29 eingeleitet,

geringerer Dichte, der sogar noch in nachgeschalteten An den Elektroden 11 und 12 sind Leiter 21 bzw.

Ausströmungsdüsen erhalten bleiben kann. 22 angeschlossen, die zu einer Stromversorgung für

Um alle die geschilderten Nachteile zu vermeiden, den Lichtbogen führen. Im Ausführungsbeispiel He-

ist nach der Erfindung vorgesehen, daß man zumin- 50 fert diese Stromversorgung Wechselspannung kon-

dest den Ringelektroden oder den Erregerwicklungen stanter Frequenz.

des Magnetfeldes eine Wechselspannung zuführt, Zur Zündung des Lichtbogens können bekannte deren Frequenz im Sinne der Erzielung eines stabilen, Hilfsmittel herangezogen werden. So kann beispielsnicht ausbauchenden Lichtbogens verändert wird. Es se eine der Elektroden axial beweglich ausgebildet hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, daß 55 sein, oder man kann einen auf Elektrodenpotential man neben einer besonders guten Gasmischung bei liegenden Starter einsetzen. Die bewegliche Elektrode einer Umlaufgeschwindigkeit für optimale Heiz- oder der Starter sind dann zur Zündung des Lichtleistung einen stabil brennenden Lichtbogen erzielen bogens an die feste Elektrode heranzuführen, wokann, der nicht ausbaucht. Man erhält dabei einen nach sie in die Ausgangslage zurückgeführt werden. Lichtbogen periodisch umkehrender Umlaufrichtung. 60 Ebenso kann man zwischen den Elektroden einen Umlaufgeschwindigkeit und Umkehrperiode lassen Zünddraht anbringen oder zunächst ein Gas verwensich in einem weiten Bereich einstellen. den, dem leitfähige Keime zugesetzt sind.

Zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfin- Normalerweise wird ein Lichtbogen der geschilderdung ist eine Anordnung günstig, bei der zumindest ten Art durch eine Erregerwicklung in Umlauf geeine der Stromversorgungen für die Elektroden und 65 bracht, deren Spulen 13 und 14 so in Reihe geschalden Elektromagneten zur Erzeugung von Wechsel- tet sind oder an denen solche Potentiale angelegt sind, spannung wählbarer Frequenz ausgelegt ist. daß die Magnetfelder einander entgegengerichtet sind.

Nach einer Ausgestaltung der Anordnung zur Dadurch entsteht ein überlagertes Feld (Cusp-Feld),

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dessen Feldlinien im Mittelbereich radial, also trans- Vom Anschluß der Spule 13 an der Leitung 81'

versal zum Lichtbogen 23 zwischen den Elektroden führt der Strompfad über die Leitung 24 zur Spule 14

11 und 12 verläuft. und vom Ausgang dieser Spule zur Leitung 82'. Die

Wird die Erregerwicklung mit den Ringspulen 13 Leitung 82' ist mit der Kathode 53 des Ventils 51 und 14 durch Gleichstrom erregt, so daß das Magnet- 5 verbunden, und die Anode 52 dieses Ventils ist mit feld seine Richtung beibehält und dafür an die Elek- der Leitung 46 verbunden. Die Leitung 82' führt auch troden Wechselspannung angelegt, wirkt auf den zur Anode 72 des Ventils 71, und die Kathode 73 Lichtbogen eine Kraft ein, die senkrecht zum Licht- dieses Ventils ist mit der Leitung 66 verbunden,
bogen und senkrecht zum Magnetfeld am Lichtbogen Die in der Brückenschaltung einander gegenübersteht. Diese Kraft führt den Lichtbogen so lange über ¹⁰ liegenden Ventile 41 und 71 werden von einer HaIbdie Ringelektroden in einer Richtung in Umlauf, bis welle des Ausgangssignals vom Oszillator 34' synsich die Lichtbogenspannung bei vertauschtem Elek- chron leitend gesteuert. Der Strom vom Gleichrichter trodenpotentitl umkehrt. Dann wird der Lichtbogen 25 findet dann einen Pfad über die Leitung 48 durch zurückgeführt. Jedesmal, wenn sich das Elektroden- die Drosselspule 47 über Leitung 46, Ventil 41, Leipotential umkehrt, ändert auch der Lichtbogen seine *5 tung 81', Spule 13, Leitung 24, Spule 14, Leitung 82', Umlaufrichtung. Diesem Umkehrbetrieb verdankt Ventil 71, Leitung 66, Drosselspule 67 und über die man die eingangs geschilderten Vorteile. Leitung 68 zurück zum Gleichrichter 25. Die Schal-Entsprechend kann man zwischen den Elektroden tung soll von den Anschlußklemmen der Erregerwickeine Gleichspannung anlegen und dafür die Strom- lung ab als Stromversorgung bezeichnet werden.
Versorgung der Erregerwicklung für Wechselspan- a° Während der nächsten Halbwelle des Oszillatornung auslegen. Weiterhin kann man sowohl zwischen signals werden die Ventile 51 und 61 leitend gesteuden Elektroden als auch an die Erregerwicklung ert, während die Ventile 41 und 71 nichtleitend sind. Wechselspannung anlegen. Der Strompfad verläuft dann vom Gleichrichter 25

Werden beide Stromquellen für Wechselspannung über Leitung 48, Drosselspule 47, Leitung 46, Ventil ausgelegt, so folgt der Lichtbogenumlauf folgender <*5 51, Leitung 82', Spule 14, Leitung 24, Spule 13, Lei-Regel: tung 81', Ventil 61, Leitung 66, Drosselspule 67 und

Die Änderungsfrequenz der Umlaufrichtung ist zurück über die Leitung 68 zum negativen Ausgang

gleich der Differenz zwischen Bogenstromfrequenz des Gleichrichters 25.

und Erregerstromfrequenz. Die Ventile 41, 51, 61 und 71 werden durch posi-

Ändert man die Erregerstromfrequenz, so beein- 3° tives Potential zwischen den Steuerelementen und den flußt man also auch die Zeit bis zur Umkehr der Kathoden leitend gesteuert. Der Signalkreis zum Aus-Lichtbogenumlaufrichtung, also auch die Anzahl der steuern des Ventils 41 umfaßt die Leitung 81', die mit Umläufe vor der Umkehr. einer Seite der Sekundärwicklung 49 verbunden ist

Es soll nun auf das Blockschaltbild nach F i g. 2 und die ihrerseits mit der Primärwicklung 85 induk-

eingegangen werden. Der Gleichrichter 25 wird durch 35 tiv gekoppelt ist. Die andere Seite der Sekundärwick-

dreiphasigen Wechselstrom über die Leitungen 26, 27 lung 49 ist über die Leitung 45 mit dem Steuerelement

und 28 eingespeist. Der entnommene Gleichstrom 44 des Ventils 41 verbunden.

wird über die Leitungen 31 und 32 dem Wechsel- Das Ventil 71, das mit dem Ventil 41 synchron richter 33 zugeführt. Dieser Wechselrichter wird leitend gesteuert wird, ist über den Steuereingang 74 durch die Ausgangssignale eines einstellbaren Oszilla- 40 und die Leitung 75 zu einer Seite der Sekundärwicktors 34 gesteuert. Der Wechselrichter wird dazu über lung 79 geführt. Die Ventile 41 und 71 werden durch die Leitungen 35,36 und 37 durch die Steuersignale gleichsinnige Signale der Spulen 49 und 79 des Transdes Oszillators beaufschlagt. Wechselstrom wählbarer formators 84 beaufschlagt. Die andere Seite der Spule Frequenz wird dann über die Leitungen 81 und 82 79 ist über die Leitung 66 mit der Kathode 73 des der Erregerwicklung 13' eines Plasmabrenners züge- 45 Ventils 71 verbunden, wodurch dieser Signalkreis geleitet, schlossen ist. Liegt das Steuerelement 74 beispiels-

Aus F i g. 1 entnimmt man eine besonders günstige weise gegenüber der Kathode 73 auf positivem Poten-

Schaltung des Wechselrichters 33 sowie eine mög- tial, so wird das Ventil 71 leitend,

liehe Aufschaltung des Oszillators 34 der F i g. 2 in Der Oszillator 34' weist einen weiteren Transfor-

einem größeren Maßstab. Darüber hinaus können 5° mator 87 mit einer Primärwicklung 88 und zwei Se-

aber auch andere gebräuchliche Schaltungen verwen- kundärwicklungen 69 und 59 auf. Eine Seite der Se-

det werden. kundärwicklung 59 ist über die Leitung 56 mit dem

In Fig. 1 sind vier steuerbare Ventile, beispielsweise Steuerelement 54 des Ventils 51 verbunden, und die

gesteuerte Siliziumgleichrichter, dargestellt, die mit andere Spulenseite ist über die Leitung 82' mit der

41,51, 61 und 71 bezeichnet sind. Die Anoden sind 55 Kathode 53 dieses Ventils verbunden. Vor der Spule

in gleicher Reihenfolge mit 42, 52, 62 und 72 be- 69 führen Leitung 66 und 65 zu Kathode 63 und

zeichnet, die Kathoden mit 43,53, 63 und 73. Die Steuerelement 64.

Steuerelemente der Ventile sind mit 44,54,64 und Am Stellknopf 39 kann man die Frequenz des Os-

74 wiedergegeben. Die Anoden 42 und 52 sind beide zillators 34' einstellen. Die eingestellte Frequenz, die

durch die Leitung 46 miteinander verbunden und 60 die Ventile 41, 51, 61 und 71 aussteuert, kann am

über die Drosselspule 47 und die Leitung 48 mit dem Anzeigegerät 110 abgelesen werden. Es empfiehlt

positiven Ausgang des Gleichrichters 25. Die Kathode sich, das Anzeigegerät auf die Frequenz des Oszilla-

43 ist mit der Leitung 81' verbunden, die zu einem tors zu eichen, wenn eine der Stromversorgungen für Anschluß der Ringspule 13 sowie zur Anode 62 des Gleichspannung ausgelegt ist. Falls die Stromversor-

Ventils 61 geführt ist. Die Kathode 63 des Ventils 61 65 gung für die Elektroden und für die Erregerwicklung

ist mit der Leitung 66 verbunden und über die Dros- beide Wechselspannung abgeben, kann das Anzeigeselspule 67 und die Leitung 68 mit dem negativen gerät 110 auch direkt auf die Umkehrfrequenz des

Ausgang des Gleichrichters 25. Lichtbogens geeicht werden.

Zwischen den Leitungen 81' und 82' ist ein Kondensator 90 eingegeschaltet, der auch mit der Diode 91 und der Anode des Ventils 41 verbunden ist. Eine Diode 92 ist zwischen der Leitung 8Γ und der Leitung 68 eingeschaltet. Die Kathode der Diode 92 ist dabei mit der Leitung 8Γ verbunden und die Anode mit der Leitung 68. Eine dritte Diode 93 ist zwischen den Leitungen 82' und 48 eingeschaltet, wobei die Anode mit der Leitung 82' verbunden ist. Zwischen den Leitungen 82' und 68 ist eine vierte Diode 94 eingeschaltet, deren Kathode mit der Leitung 82' und deren Anode mit der Leitung 68 verbunden ist.

Die Dioden 91,92,93 und 94 sind, wie ersichtlich, in Antiparallelscnaltung mit den Ventilen 41, 61,51 bzw. 71 zusammengeschaltet. Die Dioden übernehmen die Stromführung in den Umschaltpausen der gesteuerten Ventile.

Um Verlustströme von den Steuereinrichtungen zur Kathode der Ventile 41, 51,61 und 71 zu unterbinden, kann eine bekannte Trickschaltung verwendet ao werden. Danach können 4 Gleichrichter bzw. Dioden eingesetzt werden, die jeweils zwischen Steuerleitung und Kathode der Ventile einzuschalten sind.

Falls es sich bei den Ventilen 41,51,61 und 71 um Siliziumventile handelt, kann nach folgenden Methoden die Sperrphase eingeleitet werden:

Einmal kann man den Anodenstrom unter den Haltewert absinken lassen oder andererseits die Polarität der Spannung zwischen Anode und Kathode vertauschen.

Bei einer Ausführung nach der zweiten Methode können die Drosselspulen 47 und 67 zeitweise eine ausreichende Spannung umgekehrter Polarität liefern, um die gesteuerten Ventile zu löschen. Blindwiederstände ausreichender Höhe können auch durch die Gesamtschaltung geliefert werden.

Um die Stromstärke unter den Haltewert der gesteuerten Ventile absinken zu lassen, kann eine Last mit negativem Phasenwinkel eingeschaltet sein. Der Strom geht dann vor der Spannung durch Null. Im Ausführungsbeispiel dient dazu der Kondensator 90, der zur Induktivität der Erregerwicklung mit den Ringspulen 13 und 14 parallel liegt. Der Kondensator ist dann lediglich geeignet zu bemessen.

Die Drosselspulen 47 und 67 können durch Strombegrenzungswiderstände ersetzt werden. Der Kondensator 90 und die Drosselspulen 47 und 67 verbessern auch gleichzeitig die Spannungsform und den Stromverlauf in den Spulen 13 und 14. Erforderlichenfalls kann ein LC-Netzwerk mit der Erregerwicklung in Reihe geschaltet werden.

Wünscht man besonders kurze Umschaltpausen, empfiehlt es sich, Stromversorgungen mit gepulster Spannung einzusetzen. Es läßt sich dann ein wesentlich steilerer Spannungsanstieg nach Null erzielen. Kleine Umschaltpausen haben den Vorteil, daß sich der Lichtbogen auch bei ungünstigsten Bedingungen nicht an einem Elektrodenfleck festsetzen kann. So kann der Oszillator 34' für sinusförmige Spannung oder für gepulsten Ausgang ausgelegt sein. Bei gepulstem Ausgang ist lediglich darauf zu achten, daß der Erregerwicklung Impulse wechselnden Vorzeichens zugeführt werden.

Die Elektroden 11 und 12 sind durch die Leitungen 21 und 22 über eine Drosselspule 98 mit dem Ausgang einer Stromversorgung für Wechselspannung verbunden. Die Drosselspule kann auch bereits in der Stromversorgung enthalten sein oder gegebenenfalls wegfallen. Dazu sind sie an die Seiten der Sekundärspule 99 eines Transformators mit der Primärwicklung 100 angeschlossen. Der Transformator mit den Wicklungen 99 und 100 kann auch lediglich einer Stromversorgung nachgeschaltet sein, mit der er durch Leitungen 101 und 102 verbunden ist.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Elektroden durch Gleichstrom versorgt werden. Der Plasmabrenner ist durch den Block 10 symbolisiert und kann eine Lichtbogenkammer nach F i g. 1 aufweisen. An Hand von Fig. 1 orientiert ist die Spule 14 an die Leitungen 82' angeschlossen. Die Leitungen 81' und 82' führen zu einer nicht dargestellten Stromversorgung, die Wechselspannung wählbarer Frequenz abgibt. Die Leitungen 21' und 22' führen einerseits zu den Elektrodenil und 12 und andererseits zu einer Gleichstromversorgung 120. Die Stromversorgung für die Elektroden für Gleichspannung auszulegen, empfiehlt sich insbesondere dann, wenn Lichtbogen besonders hoher Leistung bei Stromstärken etwa oberhalb 10 000 A gefordert werden. Bei niedrigen Lichtbogenleistungen kann man auch an die Erregerwicklung Gleichspannung anlegen und dafür an die Elektroden Wechselspannung anschließen.

Bei einer Ausführung nach F i g. 3 kehrt der Lichtbogen seine Umlaufrichtung bei jeder Spannungsumkehr an der Erregerwicklung um. Die Anzahl der Richtungsumkehrungen ist dann zweimal so hoch wie die Frequenz der Erregerspannung.

Da der erfindungsgemäß betriebene Plasmastrahlgenerator, bei dem die Elektrodenform und die Anordnung der Elektroden in weiten Grenzen variiert werden können, einen besonders guten Mischungseffekt ergibt, eignet er sich insbesondere für Anwendungen in der Chemie.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb eines mit Wechselstrom gespeisten Plasmastrahlgenerators, welcher aus zwei gleichachsig mit axialem Abstand voneinander angeordneten Ringelektroden, zwischen denen ein um die gemeinsame Achse rotierender Lichtbogen brennt, besteht, ferner aus Elektromagneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes, durch welches die Rotation des Lichtbogens erzwungen wird, und aus einem den Entladungsraum umgebenden Gehäuse, das auf einer Seite eine in Richtung der gemeinsamen Achse der Ringelektroden weisende und in dieser Achse liegende Austrittsdüse für den Plasmastrahl aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man zumindest den Ringelektroden oder den Erregerwicklungen des Magnetfeldes eine Wechselspannung zuführt, deren Frequenz im Sinne der Erzielung eines stabilden, nicht ausbauchenden Lichtbogens verändert wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Stromversorgungen (25, 99) für die Elektroden (11,12) und die Erregerwicklung (13,14) des Magnetfeldes zur Erzeugung von Wechselspannung wählbarer Frequenz ausgelegt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung für die Elektroden oder die Erregerwicklung für Wechsel-

spannung konstanter Frequenz und die andere Stromversorgung zur Abgabe von Wechselspannung wählbarer Frequenz ausgelegt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 für Plasmastrahlgeneratoren großer Lichtbogenleistung, dadurch gekennzeichnet, daß an der Erregerwicklung eine Stromversorgung mit Wechselspannung wählbarer Frequenz und an den Elektroden eine Gleichstromversorgung angeschlossen ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromversorgung mit Wechselspannung wählbarer Frequenz im wesentlichen durch vier steuerbare Ventile gebildet wird, die in einer Brückenschaltung

zwischen einer Gleichspannungsquelle gleichgerichtet angeordnet sind und von denen jeweils gegenüberliegende Ventile synchron leitend gesteuert werden, zur Versorgung des in der freien Brückendiagonale einzuschaltenden Verbrauchers.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang eines einstellbaren Oszillators zwei Primärwicklungen und jeweils zwei Sekundärwicklungen angeordnet sind, von denen jeweils Spulenseiten mit synchron gleichgerichtetem Signal mit den Steuerelementen der Synchron leitend zu steuernden Ventile verbunden sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 909 503/1305