DE2501076A1

DE2501076A1 - Vorrichtung zur erzeugung von hochtemperatur-plasma

Info

Publication number: DE2501076A1
Application number: DE19752501076
Authority: DE
Inventors: Pierre Jean Verhoeven
Original assignee: SOUDURE AUTOGENE ELECT
Current assignee: SOUDURE AUTOGENE ELECT
Priority date: 1974-01-15
Filing date: 1975-01-13
Publication date: 1975-09-04
Also published as: BE809746A; FR2258079B1; IT1026989B; FR2258079A1; JPS50104585A; GB1476531A

Description

Patentanwälte ₅₁ ^ _{den 11# Jamar ig?5}

DIPL.-1NG. BRUNO SCHMETZ Augustastraße 14-16 ■ TeL (024T) 508051

DIPL-ING. WERNER KÖNIG

LA SOUDURE ELECIRIQUE AUTOGEHE, PROCEDES ARCOS, S.A. in Brüssel (Belgien)

Beschreibung zu Patentanmeldung Yorrichtang zur Erzeugung von Hochtemperatur-Plasma

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von Hochtemperatur-Plasma mit einem Plasmabrenner oder mehreren Plasmabrennern für überlagerte Lichtbogen und Mitteln zur Speisung derselben mit elektrischem Strom.

Vorrichtungen zur Erzeugung von Hochtemperatur-Plasma dieser Art sind bekannt. Auch gibt es schon verschiedene Mittel zur Speisung der überlagerten Lichtbogen, d.h. des Zündlichtbogens und des Leistungslichtbogens, des bzw. der Brenner von derartigen Vorrichtungen mit elektrischem Strom.

So ist es bekannt, die Zündlichtbögen mit Gleichstrom zu speisen, und zwar derart, daß eine ununterbrochene Ionisation des Plasma erzeugenden Gases gewährleistet wird, und eine Speisung der Leistungslichtbögen mit Wechselstrom zu bewirken, um erhöhte Leistungen zu erzielen.

Bei den bekannten Vorrichtungen kann im übrigen der Wechselstrom 3'e nach deren Ausbildung einen verschiedenen Weg nehmen. So kann er bei einer Vorrichtung mit einem Plasmabrenner zwischen diesem und einem von demselben zu behandelnden Werkstück verlaufen.

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Ferner kann er bei Vorrichtungen mit in gegensinniger Anordnung oder in sternförmiger Anordnung befindlichen Plasmabrennern, welche zur Erzeugung sehr hoher Temperaturen dienen, seinen Weg durch die von den Brennern erzeugten und zwischen diesen aufeinandertreffenden Plasmaflammen nehmen.

Es sind ach schon Plasmabrenner bekannt, welche einzeln benutzt werden, und zwar im allgemeinen für Schneidzwecke, und deren Speisung mit Strom entweder durch zwei voneinander unabhängige Stromquellen (belgisches Patent 623 218, USA-Patent 2 945 119 und deutsche Patentanmeldung P 18 07 960.2) oder durch eine einzige Gleichstromquelle (USA-Patente 2 862 099 und 3 612 807) besorgt wird, wobei im letzteren Falle aufgrund von Widerständen und Nebenschlußleitungen den Lichtbögen unterschiedliche Leistungen zugeführt werden.

Auch ist es bei der Speisung von Plasmabrennern mittels einer einzigen Gleichstromquelle schon bekannt, durch einen Hochfrequenzoszillator, der sich in einer Nebenschlußleitung befindet, im Innern des Brenners eine Zeit lang, und zwar während der Zünddauer, einen Lichtbogen mit Wechselstrom zu speisen (USA-Patent 3 450 926).

Bei Vorrichtungen mit mehreren Plasmabrennern ist gewöhnlich eine einzige einphasige oder dreiphasige Wechselstromquelle für die Speisung der Leistungslichtbögen vorgesehen, wobei im Falle einer dreiphasigen Wechselstromquelle im allgemeinen von jedem Brenner eine Phase beansprucht wird. Die Speisung der Zündlichtbögen erfolgt bei derartigen Vorrichtungen durch voneinander unabhängige Gleichstromquellen, wobei für jeden Brenner eine Stromquelle vorgesehen ist, vgl. hierzu die belgischen Patente 623 218 und 755 sowie das französische Patent 1 469 629. Die Wirkungscharakteristika derartiger Vorrichtungen sind sehr speziell.

Soweit bei den bekannten Vorrichtungen zur Speisung der Zündlichtbögen und Leistungslichtbögen jeweils zwei oder mehr Stromquellen

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benötigt werden, liegt hierin der Nachteil, daß dadurch die Kosten und der Raumbedarf für diese vergrößert werden. Benutzt man bei den Vorrichtungen Wechselströme mit erhöhter Spannung, so ergibt sich bei diesen der weitere Nachteil, daß eine ausreichende Isolierung der beiden Stromkreise, und zwar des Gleichstromkreises und des Wechselstromkreises, vorgesehen werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese und weitere Nachteile der bekannten Vorrichtungen zu beheben.

Hierzu sieht die Erfindung bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art vor, daß zur Speisung der überlagerten Lichtbögen, d.h. des Zündlichtbogens und des Leistungslichtbogens, des Plasmabrenners bzw. der Plasmabrenner lediglich eine einzige Wechselstromquelle vorgesehen ist und daß diese Wechselstromquelle auch den Gleichstrom für den Zündlichtbogen des Plasmabrenners bzw. der Plasmabrenner liefert.

Durch diese Ausbildung der neuen Vorrichtung wird gewährleistet, daß lediglich eine einzige Stromquelle, und zwar eine Wechselstromquelle, für die Speisung der überlagerten Lichtbogen des Plasmabrenners oder der Plasmabrenner derselben benötigt wird, und daß dabei der Zündlichtbogen jedes Plasmabrenners doch mit Gleichstrom gespeist werden kann, während eine Speisung des Leistungslichtbogens mittels Wechselstrom erfolgt.

Erfindungsgemäß ist bei der neuen Vorrichtung ferner vorgesehen, daß bei Vorhandensein eines Plasmabrenners zur Speisung des Zündlichtbogens mit Gleichstrom ein Abschnitt der Sekundärseite eines Wechselstromtransformators mit einer Nebenschlußleitung versehen ist, in deren beiden auf den Transformator folgenden Zweigen sich je ein Gleichrichter befindet und welche im Anschluß an die Gleichrichter über eine andere Leitung mit einer Elektrode des Plasmabrenners in Verbindung steht, und daß hierzu weiterhin von der Mitte des genannten Abschnitts der Sekundärseite des Transformators aus eine weitere Leitung zu der anderen Elektrode des Plasmabrenners führt.

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Ähnliche sowie weitere Merkmale für die Lichtbogenspeisung sieht die Erfindung für Ausführungsformen der neuen Torrichtung vor, bei welchen diese zwei Plasmabrenner, die sich in gegensinniger Anordnung an den entgegengesetzten Enden eines Ofens mit Lichtbogen-Plasma-Heizung befinden, oder drei sternförmig angeordnete Plasmabrenner aufweisen. ■

Bei allen Ausführungsformen der neuen Torrichtung besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, die Gleichrichter der gewünschten Polung der Plasmabrennerelektroden entsprechend zu schalten.

Auch kann bei allen Ausführungsformen der neuen Torrichtung erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Intensität der zur Anwendung kommenden Ströme unabhängig voneinander regelbar ist und daß eine Phasenregelung zwischen dem Gleichstrom bzw. den Gleichströmen und dem Wechselstrom stattfindet.

In der Zeichnung ist die Torrichtung zur Erzeugung von Hochtemperatur-Plasma gemäß der Erfindung beispielsweise sowie schematisch veranschaulicht, und zwar zeigen:

Pig. 1 eine Torrichtung mit einem auf ein Werkstück gerichteten Plasmabrenner

Fig. 2 eine Torrichtung mit zwei Plasmabrennern, die sich in gegensinniger Anordnung an den Enden eines Ofens mit Lichtbogen-Plasma-Heizung befinden und

Fig. 3 eine Torrichtung mit drei sternförmig angeordne-ten Plasmabrennern.

Bei der Torrichtung gemäß Fig. 1 besitzt der Plasmabrenner P.. eine Kathode 1, welche von einer massiven Elektrode gebildet ist, sowie eine Anode 2, bei der es sich um eine Düsenelektrode handelt. Der von dem Plasmabrenner P.. erzeugte Plasmastrahl3 ist auf ein Werkstück 4 gerichtet, welches als weitere Elektrode dient.

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Zwischen der massiven Elektrode 1 und der Düsenelektrode 2 brennt ein Zündlichtbogen, während sich von der Düsenelektrode 2 zu dem Werkstück 4 ein Lexstungslxchfbogen erstreckt. Durch diese Lichtbögen sowie einen durch die Düsenelektrode 2 in Richtung des Werkstückes 4 durchtretenden Gasstrom wird die Plasmaflamme 3 erzeugt.

Zur Speisung des Zündlichtbogens und des Leistungslichtbogens des Plasmabrenners P₁ mit elektrischem Strom dient ein Wechselstromtransformator, von dem lediglich dessen Sekundärseite 5 dargestellt ist. Der sich zwischen den Punkten A und B befindende Abschnitt an einem Ende der Sekundärseite 5 des Transformators ist mit einer Nebenschlußleitung 6 versehen. Diese üTebenschlußleitung besitzt zwei auf den Transformator folgende Zweige 6a und 6b, in welchen sich je ein Gleichrichter 7, 8 befindet. Im Anschluß an die Gleichrichter 7, 8 sind die beiden Zweige 6a und 6b der Nebenschlußleitung 6 über eine weitere Leitung 9 mit der massiven Elektrode 1 des Plasmabrenners P₁ verbunden. Von der Mitte 10 des SekundärSeitenabschnitts A-B des Transformators aus erstreckt sich eine weitere Leitung 11 zu der Düsenelektrode 2 des Plasmabrenners P..

Durch diese Schaltung wird eine Speisung des Zündlichtbogens des Plasmabrenners P. mit Gleichstrom erzielt, wobei aufgrund der Ausbildung und Anordnung der Gleichrichter 7, 8 an der massiven Elektrode 1 stets der negative Pol und an der Düsenelektrode 2 stets der positive Pol liegt, wodurch die massive Elektrode 1 die Kathode und die Düsenelektrode 2 die Anode des Plasmabrenners P. darstellt. Abgesehen davon bewirkt die Schaltung, daß von den Gleichrichtern eine doppelte Gleichrichtwirkung ausgeübt wird, d.h. daß eine Gleichrichtung des Wechselstromes über die gesamte Länge bzw. Dauer seiner Perioden stattfindet.

Von dem an dem anderen Ende der Sekundärseite 5 des Transformators befindlichen Punkt C erstreckt sich eine weitere Leitung 12 zu dem Werkstück 4. Über diese Leitung 12 sowie die zu der Düsenelektrode führende Leitung 11 wird der Leistungslichtbogen des Plasmabrenners P₁

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von der Sekundärseite 5 des Transformators aus mit Wechselstrom gespeist.

Bei der Vorrichtung gemäß Pig. 2 sind zwei Plasmabrenner P„ vorgesehen. Diese beiden Plasmabrenner Pp, P, befinden sich in gegensinniger Anordnung an den entgegengesetzten Enden eines Drehschmelzofens 13 mit Lichtbogen-Plasmaheizung gemäß dejn belgischen Patent 779 116 und dem USA-Patent 3 578 943.

Entsprechend der Vorrichtung der Fig. 1 besitzt jeder Plasmabrenner Ρ«, P- eine Kathode 1, welche von einer massiven Elektrode gebildet ist, sowie eine Anode 2, bei der es sich um eine Düsenelektrode handelt. Die Düsenelektroden 2 sind dabei an den Enden des Ofens 13 angeordnet, während sich die massiven Hektroden 1 mit Abstand von sowie axial zu diesem befinden. Die von den Plasmabrennern Pp, P- erzeugten Plasmaflammen 3 erstrecken sich in die Ofenkammer 14 und treffen in deren Mitte aufeinander.

Wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 brennt bei den Plasmabrennern Pp, P- zwischen den massiven Elektroden 1 und den Düsenelektroden ein Zündlichtbogen. Ferner erstreckt sich bei der Vorrichtung ein Leistungslichtbogen im Innern der Ofenkammer 14 durch die Plasmaflammen 3 von der Düsenelektrode 2 eines Brenners zu der Düsenelektrode 2 des anderen Brenners.

Zur Speisung der Zündlichtbögen und des Leistungslichtbogens der Plasmabrenner Pp, P-* dient ein Wechselstromtransformator 15 mit einer Primärseite 16 und einer Sekundärseite 17.

Für die Speisung der Zündlichtbögen der Brenner P„, P, sind an den beiden Enden dar Sekundärseite 17 des Transformators 15 in symmetrischer Anordnung mit Bezug auf die Sekundärseitenmitte für jeden Brenner Pp, P, entsprechende Schaltelemente wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 vorgesehen. Durch diese Schaltelemente wird daher auch eine entsprechende Wirkung wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erzielt.

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Die Speisung des Leistungslichtbogens mit Wechselstrom erfolgt bei der infrage stehenden Vorrichtung von der Sekundärseite 17 des Transformators 15 aus über die von der Mitte 10 der Sekundärseitenabschnitte A-B aus zu den Düsenelektroden 2 führenden Leitungen 11.

Bei der Torrichtung gemäß Fig. 3 sind drei sternförmig angeordnete Plasmabrenner P., P^- und Pg vorgesehen, und zwar in einer den Vorrichtungen des belgischen PaiHites 735 091 und des USA-Patentes 3 578 943 entsprechenden Art.

Bei dieser Vorrichtung besitzt, wie bei den Vorrichtungen der Fig. und 2, jeder Brenner P., Pj- und Pg eine Kathode 1, welche von einer massiven Elektrode gebildet ist, sowie eine Anode 2, bei der es sich um eine Düsenelektrode handelt. Die massiven Elektroden 1 sind dabei jeweils an der Außenseite und die Düsenelektroden 2 an der Innenseite der Vorrichtung angeordnet. Außerdem ist die Anordnung der Elektroden 1 und 2 derart, daß die von den Plasmabrennern erzeugten Plasmaflammen 3 auf einen mittleren Schnittpunkt gerichtet sind, an welchem sie aufeinandertreffen.

Wie bei den bereits beschriebenen Vorrichtungen brennt zwischen der massiven Elektrode 1 und der Düsenelektrode 2 jedes Plasmabrenners P., Pj-, Pg ein Zündlichtbogen. Weiterhin erstreckt sich jeweils von der Düsenelektrode 2 eines Brenners zu der Düsenelektrode 2 eines anderen Brenners ein Leistungslichtbogen.

Zur Speisung der Zündliehtbögen und Leistungslichtbögen besitzt die infrage stehende Vorrichtung eine dreiphasige Wechselstromquelle mit drei Primärseiten 18, 19, 20 und drei Sekundärseiten 21, 22,

Um die Zündlichtbögen der Brenner P., Pp- und Pg zu speisen, sind jeweils an einem Ende jeder der drei Sekundärseiten 21, 22, 23 der Stromquelle entsprechende Schaltelemente wie bei der Vorrichtung gemäß Pig. 1 vorgesehen. Durch diese Schaltelemente wird daher auch hinsichtlich der Speisung der Zündlichtbögen eine entsprechende Wirkung wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erzielt.

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Für die Speisung der Leistungslichfbögen mit Wechselstrom erstreckt sich von dem anderen Ende jeder der drei Sekundärseiten 21, 22, 23 der Stromquelle eine Leitung 24 zur Düsenelektrode 2 des im Gegenuhrzeigersinne benachbarten Brenners Pg, P^ bzw. P..

Über die von der Sekundärseite 21, 22, 23 zu den Düsenelektroden 2 benachbarter Brenner P>, Pg bzw.Pg, P^ bzw. P^, P. führenden
Leitungen 11 und 24 sowie die von diesen Brennern ausgehenden
Plasmaflammen 3 werden daher auch die Stromkreise für die Leistungslichtbögen geschlossen.

Bei der Vorrichtung der Fig. 1 kann man, ausgehend von einem
Wechselstromnetz mit 220 V, einen Wechselstrom von 2,4 A und 215 "V für den Leistungslichtbogen und einen Gleichstrom von 1 A und 80 V für den Zündlichtbogen erhalten.

Ist bei einer der dargestellten Vorrichtungen eine voneinander unabhängige Regelung der Intensität der zur Anwendung kommenden Ströme erwünscht, so kann dies dadurch geschehen, daß in eine der Nebenschlußleitungen ein Verstärker eingebaut wird.

Um eine Phasenregelung zwischen dem G-leichstrom bzw. den Gleichströmen und dem Wechselstrom vorzusehen, kann in die Schaltung
eine Phasenverschiebungseinrichtung eingebaut sein. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, ein Maximum der durch die Zündlichtbögen bewirkten Ionisation der Gasströme zu erreichen, wenn die Spannung
des Wechselstromes für die Leistungslichtbögen einen Nulldurchgang aufweist.

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Claims

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Patentansprüche

J Vorrichtung zur Erzeugung von Hochtemperatur-Plasma mit einem Plasmabrenner oder mehreren Plasmabrennern für überlagerte Lichtbögen und Mitteln zur Speisung derselben mit elektrischem Strom, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speisung der überlagerten Lichtbögen, d.h. des Zündlichtbogens und des Leistungslichtbogens, des Plasmabrenners bzw. der Plasmabrenner lediglich eine einzige Wechselstromquelle vorgesehen ist und daß diese Wechselstromquelle auch den Gleichstrom für den Zündlichtbogen des Plasmabrenners bzw. der Plasmabrenner liefert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein eines Plasmabrenners (P₁) zur Speisung des Zündlichtbogens mit Gleichstrom ein Abschnitt (A-B) der Sekundärseite (5) eines Wechselstromtransformators mit einer Nebenschlußleitung (6) versehen ist, in deren beiden auf den Transformator folgenden Zweigen (6a, 6b) sich je ein Gleichrichter (7, 8) befindet und welche im Anschluß an die Gleichrichter (7, 8) über eine andere Leitung (9) mit einer Elektrode (l) des Plasmabrenners (P₁) in Verbindung steht, und daß hierzu weiterhin von der Mitte (10) des genannten Abschnittes (A-B) der Sekundärseite (5) des Transformators aus eine weitere Leitung (ll) zu der anderen Elektrode (2) des Plasmabrenners (P₁) führt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein von zwei Plasmabrennern (Pp, P,), die sich in gegensinniger Anordnung an den entgegengesetzten Enden eines Ofens (13) mit Lichtbogen-Plasma-Heizung befinden, zur Speisung der Zündlichtbögen derselben mit Gleichstrom an den beiden Enden der Sekundärseite (17) eines Wechselstromtransformators (15) in symmetrischer Anordnung mit Bezug auf die Sekundärseitenmitte für jeden Plasmabrenner (Pp, P,) entsprechend Anspruch 2 je eine Eebenschlußleitung (6), zwei Gleichrichter (7, 8) sowie zu den Brennerelektroden (l, 2) führende Leitungen(9, 11) vorgesehen sind

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und daß der Wechselstromkreis für die Speisung der Leistungslichtbögen über die von der Mitte (10) der Sekundärseitenabschnitte (A-B) zu den Brennerelektroden (2) füllenden leitungen (11) sowie die sich in der Ofenkammer (14) treffenden Plasmaflammen (3) geschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein von drei sternförmig angeordneten Plasmabrennern (P., P₁-, Pg) und einer dreiphasigen Wechselstromquelle zur Speisung der Zündlichtbögen mit Gleichstrom jede der drei Sekundärseiten (21, 22, 23) dieser Wechselstromquelle für je einen Plasmabrenner (P., P(-, Pg) entsprechend Anspruch 2 eine Webenschlußleitung (6), zwei Gleichrichter (7, 8) und Verbindungsleitungen (9, 11) zu den BrenneBsLektroden (l, 2) aufweist und daß für die Speisung der Leistungslichtbögen mit Wechselstrom jede der drei Sekundärseiten (21, 22, 23) der Wechselstromquelle an je eine Elektrode (2) von zwei benachbarten Plasmabrennern (P., Pg bzw. Pg, P^ bzw. P^, P.) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichrichter (7, 8) der gewünschten Polung der Plasmabrennerelektroden (l, 2) entsprechend geschaltet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der zur Anwendung kommenden Ströme unabhängig voneinander regelbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Phasenregelung zwischen dem Gleichstrom bzw. den Gleichströmen und dem Wechselstrom vorgesehen ist.

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