Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 1849
Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Heinz Kühn
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 621.9.018.5
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Herwart Opitz
Dr.-Ing. Wolfgang Weigand
Dr.-Ing. Bernd Schumacher
Laboratorium fiir Werkzeugmaschinen und Betriebslehre
der Rhein.-Westf. Techn. Hochschule Aachen
Funkenerosion mit statischen Impulsgeneratoren
Thyristorgesteuerte Schaltungen, Probleme der Vorschubregelung,
Abtragverhalten
WESTDEUTSCHER VERLAG KÖLN UND OPLADEN 1967
ISBN 978-3-663-06318-6 ISBN 978-3-663-07231-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07231-7
Verlags-Nr. 011849
© 1967 by Westdeutscher Verlag, Köln und Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
Inhalt
Einleitung ........................................................ 5
1. Verwendung eines Thyristors für einen gesteuerten Impulsgenerator . . . 5
1.1 Rückwirkungsfreie Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Einfache Schaltvorgänge und Probleme der Stabilität bei Parallel-
schaltung mehrerer Impulsgeneratoren .......... . . . . . . . . . . . . .. 10
1.3 Der Löschvorgang des Hauptthyristors ....................... 12
2. Dimensionierung der Einzelelemente sowie spezielle Impulsschaltungen
zur Anpassung an die Netzversorgung und Bearbeitungsstrecke ........ 20
2.1 Dimensionierung des Einschaltkreises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 21
2.2 Dimensionierung von Lösch- und Umladekreis ................ 24
2.3 Schutzbeschaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 27
2.4 Schaltung zur Verminderung der Löschenergie ................ 30
2.5 Verlustleistung - KurzschluBstrom und Entladungsstabilität ..... 32
2.6 Parallelgeschaltete Impulsgeneratoren
(120 V/l0 A und 40 V/90 A) ........... .............. ........ 33
3. Steuerung einer und mehrerer Schalteinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35
3.1 Ansteuerung einer Schalteinheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36
3.2 Steuerung bei Parallelschaltung und Frequenzvervielfachung .... 39
4. Vorschubregelung der Werkzeugelektrode
bei gesteuerten Erosionsgeneratoren ............................... 42
4.1 Durchschlagsfestigkeit des Dielektrikums und Stellweg der Werk-
zeugelektrode zwischen Leerlauf und KurzschluB . . . . . . . . . . . . . .. 42
4.2 Typischer Strom- und Spannungsverlauf an der Entladestrecke . .. 45
4.3 RegelgröBe und Soll-Ist-Vergleich ...... ...... . ....... ........ 50
4.4 Der geschlossene Regelkreis ................................. 55
4.5 Die Stabilität des geschlossenen Regelkreises .................. 57
3
5. Leistungsverhalten von Funkenerosionsgeneratoren . . . . . . . . . . . . . . . . .. 61
5.1 Eigenschaften der Generator-Grundtypen ..................... 61
5.2 Abtragverhalten und WerkzeugverschleiG ..................... 66
5.2.1 Schwingkreisgenerator...................................... 66
5.2.2 Statische Impulsgeneratoren ................................. 72
5.3 Bedeutung der EinfluGgröGen ............................... 88
5.4 Untersuchung des Arbeitsergebnisses ......................... 88
5.4.1 Rauheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 88
5.4.2 Thermische Oberflächenbeeinflussung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 92
5.5 Gegenüberstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 96
Zusammenfassung ................................................. 99
Abkürzung und Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 101
Literaturverzeichnis ................................................ 103
4
Einleitung
Für das elektroerosive Abtragverfahren haben sich in den letzten Jahren haupt
sächlich transistorgcsteuerte Impulsgeneratoren durchgesetzt und die vorhan
denen Schwingkreisgeneratoren weitgehend abgelöst. Obgleich der schaltungs
technische Aufwand weitaus gröBer ist, überwiegen beim gesteuerten Generator
die V orteile des geringeren ElektrodenverschleiGes im Schruppbereich sowie der
höheren Abtragleistung.
Neben Leistungstransistoren, die vor aIlem in ihrer maximalen Betriebsspannung
auf 60-100 V beschränkt sind aber auch als schaltbaren Maximalstrom nur
10-15 A erreichen, können Thyristoren als gesteuerte Schalter in einem Impuls
generator eingesetzt werden. Der Thyristor hat den V orteil groBer schaltbarer
Ströme, die heute bis zu 800 A bei 1200 V Sperrspannung betragen. Demgegen
über besteht der Nachteil, daB ein Thyristor nicht wie ein Transistor bei fehlender
Aussteuerung sperrt, sondern durch eine Unterbrechung der positiven Anoden
spannung für die typische Freiwerdezeit der ZeIle gelöscht werden muB. Diese
Löschung muB durch eine äuBere Beschaltung, den sogenannten Löschkreis, er
folgen.
Der Entwurf und die Berechnung eines thyristorgesteuerten Impulsgenerators ist
Gegenstand des ersten Teiles dies es Berichtes. Im zweiten Teil werden Entlade
vorgänge sowie Probleme der Vorschubregelung behandelt. Die Vorschubrege
lung der Werkzeugelektrode wirft besondere Probleme auf, da einmal der Ver
steIlbereich der Impulsenergien wesentlich erweitert wurde, zum anderen abet
auch mit wesentlich höheren Tastverhältnissen, als~ einem erhöhten zeitlichen
Materialabtrag, gearbeitet wird.
Im dritten Teil werden Versuchsergebnisse diskutiert, die beim Einsatz von ge
steuerten, statischen Impulsgeneratoren gewonnen wurden. Dabei werden bis her
unbekannte Zusammenhänge zwischen einzelnen Arbeitsparametern und den
mechanischen LeistungskenngröBen aufgezeigt und gleichzeitig wird das Lei
stungsverhalten der neueren Generatortypen gegenüber den bis her gebräuch
lichen Schwingkreisgeneratoren abgegrenzt.
1. Verwendung eines Thyristors
für einen gesteuerten Impulsgenerator
Der Einsatz ei nes Thyristors als gesteuerter Schalter im Gleichstromkreis bringt
einige Schwierigkeiten mit sich. Zwar werden heute bereits ZeIlen mit einem
Nennstrom von 800 A bei einer Nennspannung bis zu 1200 V hergesteIlt, doch
5
besitzt der Thyristor wie auch das Thyratron die Eigenschaft, bei fehlender Aus
steuerung nicht zu sperren, wie dies beim Transistor der Fall ist. Der Thyristor
wird durch einen positiven Spannungsimpuls von 2 bis 6 V wzischen Steueran
schluG und Kathode bei ebenfalls positiver Anodenspannung in den leitenden
Zustand versetzt und bleibt dies solange, bis die Anoden-Kathodenspannung zu
Null oder negativ wird. Wird die Spannung am Thyristor für mehr als die ty
pische Freiwerdezeit zu Null oder negativ, so sperrt die Zelle auch bei nachfolgend
positiver Anoden-Kathodenspannung bis zu einem erneuten Steuerimpuls. Das
heiGt also, daG beim Einsatz eines Thyristors in einem gesteuerten lmpulsgene
rator der Strom durch eine äuGere Beschaltung gelöscht werden muG. Eine der
artige Schaltung ist bereits in der Literatur beschrieben [6]. Es gibt grundsätzlich
zwei Möglichkeiten für die Löschung eines Thyristors. Sie kann entweder durch
ein Anheben des Kathodenpotentials auf positive Werte gegenüber der Anode
oder durch ein Absenken des Anodenpotentials auf negative Werte gegenüber der
Kathode erfolgen. lm ersten Fall wird der auf den Thyristor folgende Leitungszug
beeinfluBt, während im zweiten Fall eine rückwirkungsfreie Löschung erzielt
werden kann. Letztere kommt für die Erzeugung definierter Rechteckimpulse mit
einstellbarem Tastverhältnis und Folgefrequenz nur in Frage.
1.1 Rückwirkungsfreie Schaltung
lm folgenden solI eine Schaltung erläutert werden, mit deren Hilfe alle gestelIten
Forderungen bezüglich Tastverhältnis, Frequenz und Rückwirkungsfreiheit er
füllt werden können. Abb. 1 zeigt das vollständige Schaltbild. Die an sich erst
zum Ersatzschaltbild gehörende lnduktivität L3 ist bereits mit eingezeichnet.
Arbeits-und Löschkreis sind netzseitig parallel geschaltet und lediglich durch die
Diode Di 1 miteinander verbunden. Daraus resultiert eine Unabhängigkeit der
beiden Kreise voneinander und ei ne mögliche absolute Stabilität des Löschkreises,
d. h., daG dieser auch dann noch stabil weiter arbeiten kann, wenn aus irgendeinem
Grunde der Thyristor Th 1 durchgeschaltet bleiben sollte. Dies ist ein auBer-
Thl
Dil
o~ , BSt.
Di2
L_
Abb. 1 Vollständiges Schaltbild des Impulsgenerators mit drei Thyristoren
6
ordentlicher V orteil, der erlaubt, mit der zur Verfügung gestellten Freiwerdezeit
bis an die Grenze der für den eingesetzten Thyristortyp zulässigen Werte zu
gehen. Für die Stabilität der Schaltung ist auBerdem die Reihenfolge der Ein
schaltimpulse für die drei Thyristoren von entscheidender Bedeutung. Auf den
Aufbau einer geeigneten Steuereinrichtung für einen Impulsgenerator mit drei
Thyristoren wird später noch einmal näher eingegangen.
Die Belastung an der Bearbeitungsstelle B. St. ist ohne EinfluB auf das Ver halten
oder gar die Stabilität der Schaltung. Dies ist ein weiterer Vorteil, der für den
Einsatz der Impulsschaltung bei der elektroerosiven Bearbeitung von groBer
Bedeutung ist. Daraus folgt, daB die Übergänge von KurzschluB in den Leerlauf
und umgekehrt immer stabil verlaufen. Es ist daher ausreichend, die Schaltung
auf ihre Stabilität, d. h. eine ausreichende Freiwerdezeit für Th 1, im KurzschluB
zu prüfen.
Im folgenden soll nun ein vollständiger Zyklus rnit der Einschaltreihenfolge der
drei Thyristoren erläutert werden. Da zur Erzeugung eines Impulses eine fest
gelegte Reihenfolge der Einschaltimpulse für die Thyristoren eingehalten werden
muB, für die Stabilität der Schaltung jedoch ausschlaggebend ist, ob an jeder be
liebigen Stelle dies es Zyklus begonnen werden kann, solI rnit dem ungünstigsten
Fall angefangen werden. Gleichzeitig wird die gesamte Funktion der einzelnen
Widerstände, Induktivitäten und Kapazitäten erläutert. Die Bearbeitungsstelle sei
als kurzgeschlossen angenommen.
Beim Einschalten von Thyristor Th 1 baut sich ein Strom nach einer e-Funktion
auf, dessen Zeitkonstante von dem Verhältnis L3/RI bestimmt wird und den End
wert UO/RI besitzt. Der EinfluB von R2 kann beim Einschaltvorgang vernach
lässigt werden, zumal dieser, sofern er nicht bifilar gewickelt ist, eine wesentlich
gröBere Induktivität hat als die Zuleitungsinduktivität L3 ergibt. Zur Abschaltung
des Stromes wird Th 2 durchgeschaltet. V oraussetzung für die Stromübernahme
und Erzeugung einer negativen Spannung an der Anode von Th 1 ist jedoch, daB
der Kondensator Cl auf eine genügend groBe Spannung UclO mit der links von
Cl eingezeichneten Polarität aufgeladen war. Ist dies nicht der Fall, so wird Th 1
nicht gelöscht, sondern Cllediglich auf eine Spannung Uc I aufgeladen, und zwar
aus C2 über L2 und teilweise über R2 - L2. Damit wird die Spannung Uc I
gröBer als Uo; im Grenzfall für C2 ~ Cl und einen verlustfreien Einschaltvorgang
steigt die Spannung auf 2 Uo. Beim Nulldurchgang des Stromes i5 wird durch
die Sperrwirkung des Thyristors Th 2 für einen Strom gegen die DurchlaB
richtung der nun folgende Ausgleichsvorgang unterbrochen. Gleichzeitig springt
die Spannung am Thyristor Th 2 auf einen negativen Wert, der etwa gleich der
Differenz der Spannungswerte an den Kondensatoren Cl und C2 ist. Damit ist
eine sichere Sperrwirkung von Th 2 erreichbar, selbst dann noch, wenn Auf
schwingen der Netzversorgung nach einer Entlastung durch den Arbeitsstrom
einer parallel geschalteten Einheit auftritt. Auf Probleme der Stabilität des Lösch
kreises beim Betrieb mehrerer Generatoreneinheiten am gleichen Netz wird später
noch eingegangen.
Nach Ablauf einer Verzugszeit von 100 bis 300 fJ-s vom Zeitpunkt der Schaltung
des Thyristors Th 2 kann nun der dritte Thyristor Th 3 angesteuert werden. Der
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Kondensator wird über Ll mit einem den Verlusten im Schaltkreis entsprechenden
Wirkungsgrad auf die Spannung Uc 10 umgeladen. Die Sperrung von Th 3 wird
bei Nulldurchgang des Stromes i7 erzwungen.
Der Thyristor Th 1 ist weiterhin durchgeschaltet, da es zu keiner Löschung ge
kommen war. Wird jedoch Th 2 zum zweiten Male angesteuert, so wird durch die
Spannung Uc 10 eine Stromübernahme erzwungen und zusätzlich eine negative
Spannung an Th 1 erzeugt. Das heWt also, daB bei einem ungünstigen Einschalt
au ge nb lick schlimmstenfalls ein Impuls von zweifacher Periodendauer der ein
gestellten Frequenz entstehen kann.
Die Grenzfrequenz der Schaltung ergibt sich allein aus der Dimensionierung der
Löschschaltung unter Berücksichtigung der Zuleitungsinduktivität L3 im Haupt
kreis. Die Wiederholzeit darf nicht kleiner werden als die Löschdauer und Um
J
ladedauer zusammen. edem der beiden Thyristoren Th 2 und Th 3 muB zusätzlich
noch eine Freiwerdezeit tJ von 15 bis 20 fLs zur Verfügung stehen. Die theo
retische Grenzfrequenz ergibt sich dahcr zu
Hierin bedeutet tL die Zeit vom Schaltbeginn des Thyristors Th 2 bis zum Strom
nulldurchgang von i5, tu ist die Zeit vom Schaltbeginn des Thyristors Th 3 bis
zum Nulldurchgang des Stromes h (Abb. 1). Aus dem in Abb. 2 dargestellten
Impulsdiagramm sind die Zusammenhänge noch einmal deutlich zu entnehmen.
Dieses Diagramm gibt die Reihenfolge der Einschaltimpulse für die einzelnen
Thyristoren bei Grenzfrequenz wieder. Das Tastverhältnis T, d. h. das Verhältnis
von Einschaltdauer te zur Periodendauer Tp, ist auch hier noch bis zu beliebig
kleinen Werten eins teil bar.
Bezüglich der längsten Einschaltdauer te ist zu sagen, daB während des Lösch
vorganges am Thyristor Th 1 kein positiver Einschaltimpuls anliegen darf, da
Thl
Zeit-
Th~
Zeit-
Th3
Zcit -
Abb. 2 Ansteuerimpulse für Einschalt-, Lösch- und Umladethyristor
bei Grenzfrequenz der Schaltung
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sonst während der Sperrphase Ladungsträger in die Sperrschicht des Thyristors
eingebracht werden und zu groGen Verlusten in diesem führen; dies ist unter
allen Umständen zu vermeiden. Somit ergibt sich die maximale Einschaltdauer zu
lemax = Tp - IJ
Mit Ij ist hier die Zeit der negativen Sperrspannung am Thyristor Th 1 und nicht
die typische Freiwerdezeit der Zelle gemeint.
+ +
Aus gemessenen Werten für IL tj und tu tj ergibt sich eine theoretische
Grenzfrequenz von etwa 4 kHz. Bei dieser Angabe ist jedoch noch nichts über
den Wirkungsgrad der Schaltung in diesem Frequenzbereich gesagt. Bei 4 kHz
fallen bereits die Schaltverluste in den einzelnen Thyristoren beträchtlich ins
Gewicht. Daher scheint vielmehr bei 2 kHz eine wirtschaftliche Grenze zu liegen,
da hier bereits ein Löschstrom von 10 bis 12 A bezogen auf ei ne Impulsstrom
amplitude von 100 AflieGt und ei ne beträchtliche Erwärmung der Thyristoren 2
und 3 durch Schalt- und DurchlaGverluste meGbar ist.
Auf Grund der vollständigen Trennung zwischen Last- und Löschkreis kann die
Schaltung mit 3 Thyristoren im oberen Frequenzbereich wesentlich besser aus
genutzt werden als bei einer Schaltung mit 2 Thyristoren, bei der der Haupt
thyristor noch zusätzlich mit den bei der Umladung des Kondensators C ent
stehenden Verlusten belastet wird. In der 3-Thyristor-Schaltung ist der Maximal
str~m lediglich durch die DurchlaBverluste und Schaltverluste im Thyristor Th 1
begrenzt, die zusammen nicht die maximale Verlustleistung der Zelle übersteigen
dürfen.
Die beiden in der Schaltung enthaltenen Dioden Di 1 und Di 2 erfüllen folgende
Aufgaben:
Di 1 dient der Entkoppelung von Last- und Löschkreis. Lediglich für die Zeit
der Löschung des Laststromes flie13t ein Strom durch die Diode, und zwar zu
Beginn der Löschung mit einer Amplitude, die gleich der des vorher geflossenen
Laststromes ist. Die Diode muG daher für einen periodischen Spitzenstrom aus
gelegt werden, der gröGer ist als die in Th 1 maximal flieGende Impulsamplitude,
wob ei der StromfluGwinkel, soweit man hier von einem solchen sprechen kann,
von der eingestellten Schaltfrequenz bestimmt wird. Aus dem später berechneten
Stromverlauf von it und entsprechenden Oszillogrammen kann die Maximal
belastung der Diode ermittelt werden; es kann jedoch bereits jetzt festgestellt
werden, daG sie für den Nennstrom des Lastkreises nicht ausgelegt zu werden
braucht. Die maximal auftretende Spannung an der Diode ist gleich der Konden
satorspannung Uc 1 max der Impulsschaltung. Die Diode hat lediglich die Auf
gabe, einen Sperrstrom durch den Thyristor Th 1 zu ermöglichen und dient
fernerhin als Freilaufdiode für die durch die Leitung zwischen Impulsschaltung
und Bearbeitungsstelle gebildete Induktivität. Auf Grund des sogenannten
Trägerspeicher-Effektes kommt es in der sperren den pn-Schicht des Thyristors zu
einem kurzzeitigen Sperrstrom, der sich ausbilden können muG, wenn kurze Frei
werdezeiten des Hauptthyristors eingehalten werden sollen. Beim KurzschluG des
Bearbeitungsspaltes ist sie auch danq noch notwendig, wenn die Leitungsinduk
tivität bis zur Arbeitsstelle einen nennenswerten Betrag hat, was fast immer der
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Fall ist. Leitungslängen von 2 bis 3 m sind üblièh und bilden einen für die Schal
tung insofern gefährlichen Energiespeicher, als sie auf Grund ihres Induktivitäts
belages auch nach dem Ausschaltbefehl noch einen Laststrom für einige [.Ls auf
rechtzuerhalten suchen. Dieser müSte durch Th 1 flieSen, wenn nicht durch die
Diode ein paralleIer Stromzweig ge schaffen würde; zusätzlich können zur Aus
bildung des Sperrstromes L~dungsträger an die Kathode des Thyristors Th 1
geführt werden. Zur Dim~nsionierung dieser Diode ist zu sagen, daS die in
Sperrichtung auftretende Spannung gleich der Spannung Uo der Netzversorgung
ist. Die Maximalstromamplitude ist gleich der Summe des Sperrstromes und des
Stromes an der Bearbeitungsstrecke. Ist letztere kurzgeschlossen, so kann sich ein
Ausgleichsstrom nach dem Ausschaltbefehl ungehindert ausbilden, und zwar mit
einer Abklingzeitkonstanten, die den Verlusten im KurzschluSkreis entspricht.
Die meiste Energie wird dabei auf Grund der DurchlaSverluste in der Diode in
Wärme umgesetzt. Die maximale Verlustleistung ist somit
In dieser Gleichung ist LL die Leitungsinduktivität zwischen Impulsgenerator
und Bearbeitungsspalt, i der Scheitelwert des Impulsstromes im Augenblick des
Löschbefehles und f die eingestellte Impulsfolgefrequenz. Unter der Voraus
setzung, daS die magnetische Energie zur Hälfte in der Diode 2 in Wärme umge
setzt wird, ergibt sich bei 20 [.LH Leitungsinduktivität, 100 A Impulsstromampli
tude und 2 kHz Impulsfolgefrequenz eine Verlustleistung von 100 W. Bei län
geren Impulsleitungen ist daher äuSerste Vorsicht geboten. Im Erosionsbetrieb
wird die magnetische Energie im Funkenspalt umgesetzt, so daS in der Regel für
einen 100-A-Generator eine 20-A-Zelle ausreicht.
1.2 Einfache Schaltvorgänge und Probleme der Stabilität
bei Parallelschaltung mehrerer Impulsgeneratoren
In der in Abb. 1 dargestellten Schaltung verlaufen zwei der drei Schaltvorgänge
nach einfachen Gesetzmäf3igkeiten, d. h., der jeweilige Stromverlauf ist durch
eine Differentialgleichung 1. bzw. 2. Ordnung gekennzeichnet. Der Einschalt
vorgang des Laststromes durch Th 1 verläuft wiederum nach einer Übergangs
funktion 1. Ordnung mit dem Endwert UO/RI' sofern der stationäre Wert auf
Grund einer genügend langen Impulsdauer erreicht wird. Die Umladung des
Kondensators ergibt eine schwach gedämpfte Schwingung, deren Verlauf bereits
an anderer Stelle erläutert wurde. Es bleibt also die Berechnung des Löschvor
ganges bis zum Erreichen annähernd stationärer Spannungswerte an den Kon
densatoren. Im vorliegenden Fall ergibt sich eine Differentialgleichung 4. Ord
nung. Die Lösung soH nicht nur den Verlauf der Ströme it, i5 und ialiefern sowie
die sich aus dem Verlauf der Spannung am Kondensator Cl ergebende Freiwerde
zeit tj, sondern auch Probleme der Stabilität bei der Parallelschaltung mehrerer
Schalteinheiten an einem speisenden Netz klären. Bei Versuchen, mehrere Im-
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