CH676180A5

CH676180A5 -

Info

Publication number: CH676180A5
Application number: CH1753/88A
Authority: CH
Inventors: Hans G Mathes
Original assignee: Aeg Elotherm Gmbh
Priority date: 1987-09-19
Filing date: 1988-05-09
Publication date: 1990-12-14
Also published as: IT1224883B; IT8848339A0; DE3731555C1; BR8802958A

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Parallelschwingkreis-Umrichter zum Erwärmen von Werkstücken mittels eines die Last bildenden Induktors mit einem steuerbaren Gleichrichter, einem über einen Zwischenkreis daran angeschlossenen, aus in Brük-kenschaltung angeordneten Thyristoren bestehenden Wechselrichter, einem an die Lastpunkte der Brückenschaltung angeschlossenen Parallelschwingkreis, einer Strommeßeinrichtung für den dem Schwingkreis zugeführten Laststrom, einer Spannungsmeßeinrichtung für die am Schwingkreis anliegende Lastspannung und mit einer Regeleinheit für den Laststrom, die als Eingangsgrösse die Signale der Strom- und Spannungs-Messeinrichtung erhält und in Abhängigkeit von durch einen Strom-sollwertgeber und einen Spannungssollwertgeber vorgegebenen Sollwerten den Gleichrichter ansteuert, wobei der an die Regeleinheit abgegebene Spannungssollwert des Spannungssollwertgebers auf eine Grenzspannung begrenzt ist.

Ein derartiger Umrichter ist bekannt. Der von dem Sollwertgeber für den Laststrom abgegebene Sollwert ist auf einen konstanten Wert festgelegt, der beispielsweise dem maximal zulässigen Laststrom entspricht. Mit diesem Stromsollwert wird nicht nur das Signal für den Lastiststrom, sondern auch das additiv hinzugefügte Signal für die Lastspannung verglichen. Beim Erwärmungsbetrieb sorgt die Regeleinheit durch Verstellen des Steuerwinkels der Thyristoren des Gleichrichters dafür, daß die Lastspannung begrenzt wird. Kommt es jedoch während des Erwärmungsvorgangs, z.B. durch zusätzliche, in den Induktor gegebene kalte Werkstückteile oder durch einen Kurzschluß an einem der Thyristoren des Wechselrichters zu einer plötzlichen Abnahme der Impedanz und damit auch zu einem sprunghaften Abfall der Lastspannung bis unter die Grenzspannung des Spannungsollwertgebers, dann liefert der Spannungssollwertgeber kein weiteres Signal additiv zum Signal des Lastiststroms an den Eingang des Reglers. Die dadurch bedingte plötzliche große Regelabweichung zwischen den Stromsignalen führt zu einer sprunghaften Erhöhung des Laststromes. Dadurch können Thyristoren der Brückenschaltung beschädigt werden.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Umrichter der eingangs genannten Art bei sprunghafter Verringerung der Impedanz der Last einen unzulässig hohen Anstieg des Laststromes zu verhindern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stromsollwertgeber von der Strommeßeinrichtung angesteuert wird und derartige Verstärkungselemente aufweist, dass der Stromsollwert dem um den Verstärkungsfaktor geänderten Istwert des Laststromes entspricht, und weiterhin derartige Dämpfungselemente enthält, daß der Stromsollwert nur solche Istwertveränderungen berücksichtigt, die unterhalb einer zulässigen Änderungsgeschwindigkeit liegen.

Gemäß der Erfindung wird also der Sollwert für die Regelung des Laststromes jeweils eng an dessen Istwert angepaßt, indem als Sollwert für den Laststrom der um einen geeigneten Verstärkungsfaktor geänderte Istwert auf die Regelung einwirkt. Im normalen Betrieb, d.h. wenn der Umrichter über die Laststromregelung zur Einstellung des gewünschten Erwärmungsverlaufs im Werkstück betrieben wird, erhöht sich somit der Stromsollwert kontinuierlich entsprechend dem Verstärkungsfaktor gegenüber dem jeweiligen Istwert, der dann seinerseits wiederum dem korrigierten Sollwert nachfolgt. Somit erfolgt eine selbsttätige Erhöhung des Laststromes, wobei der Spannungssollwertgeber aufgrund des Grenzspannungsreglers dafür sorgt, daß eine unzulässig hohe Lastspannung nicht erreicht wird. Erfolgt nun eine sprunghafte Impedanzverringerung des Lastkreises, so daß die Grenzspannung des Spannungsollwertgebers unterschritten wird, dann liefert dieser kein Ausgangssignal mehr an den Eingang der Regeleinheit. Der Ausfall dieses Signals führt aber nicht zu einer so großen Regelabweichung wie beim Stand der Technik, sondern nur zu einer Regelabweichung, die dem Verstärkungsfaktor des Istwertes des Laststromes entspricht. Deshalb reagiert der erfindungsgemäße Umrichter auf eine plötzliche Änderung der Impedanz der Last nicht mit einem sprunghaften Anstieg der Last des Stromes. Zu einem schädlichen Überschwingen kommt es somit nicht. Die Dämpfungselemente sorgen dafür, daß der Sollwert für den Laststrom dem Istwert für den Laststrom nicht unmittelbar, sondern verzögert nachfolgt, so daß unerwünschte, schnelle Schwankungen des Istwertes nicht auf den Sollwert übertragen werden und den Regelkreis negativ beeinflussen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Prinzipschaltbildes eines Parallelschwingkreis-Umrichters erläutert.

Der Parallelschwingkreis-Umrichter besteht aus einem von einem Drehstromnetz RST gespeisten steuerbaren Gleichrichter 1, einer Zwischenkreis-Glättungsdrossel 2 und einem Wechselrichter 3. Sowohl der Gleichrichter 1 als auch der Wechselrichter 3 sind thyristorisiert. Ein als Parallelschwingkreis ausgebildeter Lastkreis 4 besteht aus einem Widerstand 4a, einer Induktivität 4b und einer Kompensationskapazität 4c. Das elektrische Verhalten des mit dem zu erwärmenden Werkstück gefüllten Induktors wird durch die Ersatzschaltbildgrößen des Widerstandes 4a und der Induktivität 4b dargestellt. Der Parallelschwingkreis 4 ist an den Lastpunkten der Brückenschaltung des Wechselrichters 3 derart angeschlossen, daß der Lastkreis 4 wechselweise von den Diagonalen des Wechselrichters 3 mit Strom versorgt wird.

Der vom Lastkreis 4 aufgenommene Strom wird von einer Strommeßeinrichtung 5 gemessen, die aus einem induktiv an die Eingangsleitungen des Gleichrichters 1 gekoppelten Stromwandler besteht. Mittels der am Eingang des Gleichrichters angeordneten Meßeinrichtung 5 läßt sich der vom Lastkreis 4 aufgenommene Strom indirekt messen, weil dieser Strom mit dem dem Gleichrichter 1 zugeführten Strom um einen Formfaktor verknüpft ist. Alterna-

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tiv ist es allerdings auch möglich, den vom Lastkreis 4 aufgenommenen Strom direkt zu messen. Eine Spannungsmeßeinrichtung 6, die parallel zu den Klemmen des Lastkreises 4 angeordnet ist, mißt die am Lastkreis anliegende Spannung. Der von der Strommeßeinrichtung 5 gemessene Wert wird direkt dem eingangsseitigen Summierungspunkt S7 der Regeleinheit 7 zugeführt. Dem gleichen Summierungspunkt S7 wird das Ausgangssignal eines Spannungssollwertgebers 8 zugeführt, dessen einem Grenzwertgeber G für die maximal zulässige Lastspannung aufweisender Eingang von der Spannungsmeßeinrichtung 6 das Signal für die Lastspannung erhält.

Die Strommeßeinrichtung 5 ist außerdem mit dem Eingang eines Impedanzwandlers 11 verbunden, dessen Ausgang ein dem Laststrom entsprechendes, um einen bestimmten Faktor verstärktes Signal an einen weiteren Summierungspunkt Sg abgibt, der am Eingang eines Reglers 9 mit Proportional- und Integralverhalten für die Sollwertvorgabe der Regeleinheit 7 liegt. Um eine Entkopplung des Sollwertregelkreises, bestehend aus den Elementen 11 und 9, von der Leistungsseite des Umrichters zu ermöglichen, ist ein Entkopplungselement 11 als Impedanzwandler vorgesehen, der ein Übersetzungsverhältnis für den Laststrom von 1:1 aufweist und eine um das erforderliche Maß gegenüber der Eingangsimpedanz erhöhte Ausgangsimpedanz hat. Der weitere Summierungspunkt Sg ist über eine Diode D mit einem Potentiometer 12 zur Vorgabe eines maximal einzustellenden Sollwertes verbunden. Am Ausgang des Sollwertgebers 9 liegt der um den Verstärkungsfaktor verstärkte, von der Strommeßeinrichtung 5 gemessene Istwert des Laststromes als Sollwert für die Regeleinheit 7 am Summierungspunkt S7 an. Parallel zum Ausgang des Sollwertgebers 3 ist ein Startwertgeber 10 angeordnet. In den Ausgangsleitungen des Sollwertgebers 9 und des Startwertgebers 10 sind jeweils Dioden angeordnet, deren Anoden miteinander verbunden sind. Dadurch wird erreicht, daß zum Beispiel zu Beginn des Erwärmungsvorganges der Startwertgeber 10 dem Summierungspunkt S7 ein Signal liefert, weil in dieser Phase der Soilwertgeber 9 noch kein Signal oder ein zu kleines Signal liefert. Erst wenn das Signal des Soilwertgebers 9 das des Startwertgebers 10 übersteigt, wird das Signal des Sollwertgebers 9 am Summierungspunkt S7 wirksam.

In Abhängigkeit der Regeldifferenz am Summierungspunkt S7 verstellt die aus einem Pl-Regler und einer Impulsverschiebungsstufe bestehende Regeleinheit 7 die Phasenlage der Steuerimpulse für die Thyristoren des steuerbaren Gleichrichters 1 und regelt auf diese Weise den Laststrom des Gleichrichters 1 entsprechend den Sollwertvorgaben.

Im folgenden wird die Funktion des erfindungsgemäßen Umrichters beschrieben: Bei Beginn des Erwärmungsvorganges wird über den Startwertgeber 10 ein Startsollwert für den Laststrom vorgegeben. Sobald die Regelung angesprochen hat und der Sollwertgeber 9 ein Signal liefert, das größer ist als das des Startwertgebers 10, erfolgt automatisch die Um-schaltung vom Signal des Startwertgebers 10 auf das des Sollwertgebers 9. Da der Eingang des Sollwertgebers 9 mit der Strommeßeinrichtung 5 verbunden ist, liefert der Sollwertgeber 9 den um den Verstärkungsfaktor (z.B. 1,05) erhöhten Iststrom als Sollwert. Somit wirkt die Regeleinheit 7 derart, daß sich auch der Istwert entsprechend dem Sollwert einstellt, woraufhin wiederum der Sollwert entsprechend der Verstärkung des Sollwertgebers 9 ansteigt. Die Zunahme des Istwertes erfolgt demnach kontinuierlich.

Mit dem Sollwertvorgabepotentiometer 12 wird von einer Bedienungsperson der im Betriebsfall maximal zulässige Sollwert für den Laststrom vorgegeben. Wird dieser am Ausgang des Impedanzwandlers 11 erreicht, so kann ein Strom durch die Diode D fließen, wodurch über den Pl-Regler 9 der Sollwert für den Laststrom nicht mehr weiter erhöht wird.

Der ebenfalls auf dem Summierungspunkt S7 additiv zum Sollwert des Laststromes arbeitende Spannungssollwertgeber (Grenzspannungsregler 8) liefert nur dann ein Ausgangssignal, welches gleich der von der Spannungsmeßeinrichtung 6 gemessenen Lastspannung ist, wenn diese oberhalb der von einem Potentiometer vorgebbaren Grenzspannung liegt. Somit wird also der Laststromregelung durch die Regeleinheit 7 von dem Grenzspannungsregler 8 eine Grenzstromregelung unterlagert, derart, daß bei oberhalb der Grenzspannung liegenden Lastspannung die Regeleinheit 7 den Steuerwinkel der Thyristoren des Gleichrichters 1 einer ansteigenden Lastspannung durch Laststromreduzierung entgegenwirkt.

Erfolgt nun eine plötzliche Abnahme der Lastkreisimpedanz, z.B. durch das Einbringen von kalten Werkstücken in den Induktor oder durch einen Kurzschluß an einem der Thyristoren des Wechselrichters 3, so daß die Lastspannung bis unter die Grenzspannung fällt, dann liefert der Spannungsollwertgeber 8 kein Signal mehr an den Summierungspunkt S7. Durch Wegfall dieses Signals am Summierungspunkt S7 entsteht zwar ein Sprung in der Regeldifferenz am Eingang der Regeleinheit 7, doch in einem zum Stand der Technik vergleichsweise kleinen Ausmaß. Während beim Stand der Technik durch Wegfall des Signals des Spannungsollwertgebers 8 dem auf 100% zulässigen Laststrom festgelegten Sollwertsignal das in dieser Phase vergleichsweise kleine Istsignal des Laststromes gegenübersteht, ist bei der Erfindung wegen des modifizierten Sollwertsignals die Regeldifferenz klein. Wegen des nur wenig über 1 liegenden Verstärkungsfaktors (P-Verhalten) des Sollwertgebers kommt es nicht zu einem Überschwingen des Laststromes bei plötzlichem Absinken der Schwingkreisimpedanz, sondern der Laststrom wird aufgrund der direkten Rückkopplung zwischen Istwert und Sollwertgeber 9 auf dem derzeit aktuellen Sollwert gehalten. Das Zeitverhalten des Sollwertgebers 9 (I-Verhalten) ist dabei so gewählt, daß die Sollwertvorgabe einerseits aus Gründen eines möglichst schnellen Ansprechens des Regelkreises schnell genug der Istwertänderung nachfolgt, andererseits aber auch diese Änderung nicht zu schnell erfolgt, so daß eine Instabilität auftreten könnte. Die Dämpfung des Sollwertgebers 9 wird demnach

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so träge gewählt werden, daß die korrigierte Sollwertvorgabe nur eine solche Istwertänderung berücksichtigt, die unterhalb der zulässigen Ande-rungsgeschwindigkeit des Laststromes liegt.

Bei Erreichen des durch das Sollwertpotentiome-ter 12 eingestellten Sollwertgrenzwertes wird der Umrichter mit konstantem Laststrom betrieben, der diesem Grenzwert entspricht.

Claims

Patentansprüche

1. Parallelschwingkreis-Umrichter zum Erwärmen von Werkstücken mittels eines die Last bildenden Induktors mit einem steuerbaren Gleichrichter (1), einem über einen Zwischenkreis (2) daran angeschlossenen, aus in Brückenschaltung angeordneten Thyristoren bestehenden Wechselrichter (3), einem an die Lastpunkte der Brückenschaltung angeschlossenen Parallelschwingkreis (4), einer Strommeßeinrichtung (5) für den dem Schwingkreis (4) zugeführten Laststrom, einer Spannungsmeßeinrichtung (6) für die am Schwingkreis anliegende Lastspannung und mit einer Regeleinheit (7) für den Laststrom, die als Eingangsgröße die Signale der Strom- und Spannungs-Messeinrichtungen (5, 6) erhält und in Abhängigkeit von durch einen Stromsollwertgeber (9) und einen Spannungssollwertgeber (8) vorgegebenen Sollwerten den Gleichrichter (1) ansteuert, wobei der an die Regeleinheit (7) abgegebene Spannungssollwert des Spannungssollwertgebers (8) auf eine Grenzspannung begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromsollwertgeber (9) von der Strommeßeinrichtung (5) angesteuert wird und derartige Verstärkungselemente aufweist, dass der Stromsollwert dem um den Verstärkungsfaktor geänderten Ist-Wert des Laststromes entspricht, und weiterhin derartige Dämpfungselemente enthält, dass der Stromsollwert nur solche Istwertveränderungen berücksichtigt, die unterhalb einer zulässigen Änderungsgeschwindigkeit liegen.

2. Parallelschwingkreis-Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Eingang der Regeleinheit (7) ein Startwertgeber (10) zur Einstellung des Laststromes bei Beginn des Erwärmungsvorganges schaltbar ist.

3. Paralleischwingkreis-Umrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwertgeber (9) einen Begrenzungsschaltkreis (12) aufweist, durch den der Stromsollwert begrenzbar ist.

4. Parallelschwingkreis-Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Strommeßeinrichtung (5) und dem Sollwertgeber (9) eine Entkopplungsschaltung (11) angeordnet ist, die einen Impedanzwandler enthält.

5. Parallelschwingkreis-Umrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor des Stromsollwertgebers (9) zwischen 1,01 und 1,1, vorzugsweise bei 1,05 liegt.

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