CH718588B1 - Verfahren zur Steuerung eines Lastleistungsfaktors mittels eines Matrixkonverters für Induktionsschmelzöfen. - Google Patents

Verfahren zur Steuerung eines Lastleistungsfaktors mittels eines Matrixkonverters für Induktionsschmelzöfen. Download PDF

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CH718588B1
CH718588B1 CH001005/2022A CH10052022A CH718588B1 CH 718588 B1 CH718588 B1 CH 718588B1 CH 001005/2022 A CH001005/2022 A CH 001005/2022A CH 10052022 A CH10052022 A CH 10052022A CH 718588 B1 CH718588 B1 CH 718588B1
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CH001005/2022A
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Yada Akihisa
Watanuki Masatoshi
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Hamamatsu Heat Tech Co Ltd
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur befehlsgemäßen Steuerung eines Lastleistungsfaktors gegen die Lastinduktivitätsänderung einer Induktionsheizofenspule durch Regelung der Ausgangsfrequenz. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass im Fall eines Leistungsfaktorwinkels (Δφ), der einem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert (Δφ∗) nacheilt, eine Ausgangsfrequenz des Matrixkonverters verringert wird, um den Leistungsfaktorwinkel (Δφ) dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert (Δφ∗) nachfolgen zu lassen, und im Fall des Leistungsfaktorwinkels (Δφ), der dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert (Δφ∗) voreilt, die Ausgangsfrequenz des Matrixkonverters erhöht wird, um den Leistungsfaktorwinkel (Δφ) dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert (Δφ∗) nachfolgen zu lassen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Lastleistungsfaktors mittels eines Matrixkonverters für Induktionsschmelzöfen.
STAND DER TECHNIK
[0002] In den letzten Jahren steigert sich die Nachfrage nach Induktionsheizvorrichtungen, da sie im Vergleich mit herkömmlichen Heizvorrichtungen, wie Gasöfen, Elektroöfen usw., sicher und geborgen sind, einen hohen Wirkungsgrad erzielen und saubere Erwärmung ermöglichen. Bei der Induktionsheizung handelt es sich um ein Verfahren, in dem eine Spule mit Hochfrequenzstrom versorgt und dadurch ein Metall, das eine Last ist, nach dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion mit Induktionsstrom versorgt wird, um durch den Induktionsstrom und den internen Widerstand des Metalls Joule'sche Wärme zu erzeugen und damit das Metall unmittelbar zu erwärmen. Bei der Steuerung derartiger herkömmlicher Induktionsschmelzöfen ist es bekannt, dass die Leistungsfaktorsteuerung wichtig ist, bei der die Steuerung derart erfoigt, dass sich der Lastleistungsfaktor stets zu 1 annähert. Beispielsweise beschreibt Patentdokument 1 einen Induktionsschmelzofen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass in einer ersten Stufe zum Schmelzen eines zu schmelzenden Materials ein Steuerungssignal einer Frequenz, bei der ein über ein Leistungsfaktorerfassungsteil erfasster Ausgangsleistungsfaktor 1 ist, gebildet wird, in einer zweiten Stufe zum Zusetzen eines Komponentenregulators zu dem geschmolzenen, zu schmelzenden Material ein Steuerungssignal einer Frequenz, die sich für das Einschmelzen des Komponentenregulators in das zu schmelzenden Material eignet, gebildet wird, und in einer dritten Stufe nach dem Einschmelzen des Komponentenregulators in das zu schmelzende Material ein Steuerungssignal einer Frequenz, bei der der über das Leistungsfaktorerfassungsteil erfasste Ausgangsleistungsfaktor 1 ist, gebildet wird.
DOKUMENT ZUM STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENT
[0003] Patentdokument 1: JP 2012-074196 A
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
ZU LÖSENDE AUFGABE DER ERFINDUNG
[0004] Dem herkömmlichen Verfahren zur Steuerung eines Induktionsschmelzofens liegt jedoch folgende Aufgabe zugrunde. Beispielsweise tritt die Induktivitätsänderung an der Induktionsheizungsspule zur Verwendung für Induktionsschmelzöfen während der Erwärmung des zu schmelzenden Materials auf. Dadurch wird der Leistungsfaktorwinkel zwischen der Ausgangsspannung und dem Strom verändert, was die Probleme, wie Wirkungsgradabnahme, Leistungsänderung, Zunahme des Schaltverlusts durch die harte Schaltung usw. bewirkt. D. h. der Lastleistungsfaktor wird beim herkömmlichen Matrixkonverter konstant gesteuert, aber bei der Induktionsheizvorrichtung variiert, da die Induktivität der Spule der Last im Betrieb (durch den Temperaturanstieg des zu schmelzenden Materials) variiert wird. Zur Erfüllung der Strombedingungen für die weiche Schaltung muss der Ausgangsstrom iout des Matrixkonverters der Ausgangsspannung vout einigermaßen nacheilen, d. h. der Leistungsfaktorwinkel Δφ muss ein positiver konstanter Wert oder mehr sein, da der Ausgangsstrom iout eine Sinuswelle darstellt. Je ferner der Lastleistungsfaktor von 1 wird, desto schlechter wird der Wirkungsgrad der Last. Es ist daher erwünscht, den Lastleistungsfaktorwinkel auf einen optimalen Wert, bei dem die weiche Schaltung möglich und der Wirkungsgrad maximal ist, zu halten. Die vorliegende Erfindung zielt darauf, die obengenannte Aufgabe zu lösen, und schlägt daher ein Verfahren zur befehlsgemäßen Regelung des Lastleistungsfaktors gegen die Lastinduktivitätsänderung der Induktionsschmelzofenspule durch Regelung der Ausgangsfrequenz vor.
MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABE
[0005] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung eines Lastleistungsfaktors mittels eines Matrixkonverters für Induktionsschmelzöfen ist dadurch gekennzeichnet, dass im Fall eines Leistungsfaktorwinkels Δφ, der einem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert Δφ∗ nacheilt, eine Ausgangsfrequenz fr des Matrixkonverters verringert wird, um den Leistungsfaktorwinkel Δφ dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert Δφ∗ nachfolgen zu lassen, und im Fall des Leistungsfaktorwinkels Δφ, der dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert Δφ∗ voreilt, die Ausgangsfrequenz fr des Matrixkonverters erhöht wird, um den Leistungsfaktorwinkel Δφ dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert Δφ∗ nachfolgen zu lassen. Gemäß der beanspruchten Erfindung wird der Leistungsfaktorwinkel Δφ dabei durch Erfassen eines Ausgangsstroms iout des Matrixkonverters unter Verwendung einer Stromerfassungsschaltung an den Erfassungspunkten 0 + α und π - α für den Phasenwert θ in der Stromwellenform erhalten, wobei α ein Winkel im Intervall 0 < α < π/2 ist.
VORTEILE DER ERFINDUNG
[0006] Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung eines Lastleistungsfaktors mittels eines Matrixkonverters für Induktionsschmelzöfen kann der Lastleistungsfaktor gegen die Lastinduktivitätsänderung der Spule des Induktionsschmelzofens durch Regelung der Ausgangsfrequenz befehlsgemäß geregelt werden. D. h. durch Regelung des Lastleistungsfaktors der Induktionsheizvorrichtung kann der Leistungsfaktorwinkel einem beliebigen Wert nachfolgen. Zudem kann die Miniaturisierung der Vorrichtung bzw. die Erhöhung deren Wirkungsgrads realisiert werden, da der Dreiphasenwechselstrom durch Verwendung des Matrixkonverters unmittelbar in einen Hochfrequenzwechselstrom umgewandelt werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0007] Fig. 1 zeigt eine Hauptschaltungsstruktur einer Vorrichtung zur erfindungsgemässen Regelung eines Lastleistungsfaktors an einem Matrixkonverter für Induktionsschmelzöfen. Fig. 2 zeigt Vektordiagramme einer RLC-Reihenschaltung. Fig. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer Stromerfassungsschaltung. Fig. 4 zeigt eine Berechnung eines Leistungsfaktorwinkels Δφ. Fig. 5 zeigt eine Berechnung einer Gleichstromkomponente ΔIout. Fig. 6 zeigt Versuchswellenformen eines Ausführungsbeispiels. Fig. 7 zeigt Ausgangsspannungs- und -strom-Wellenformen des Ausführungsbeispiels. Fig. 8 zeigt Regelkennlinien des Ausführungsbeispiels.
AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
[0008] Im Folgenden wird ein Verfahren zur Regelung eines Lastleistungsfaktors mittels eines Matrixkonverters für Induktionsschmelzöfen gemäß der vorliegenden Ausführungsform anhand der Figuren erläutert.
[0009] Fig. 1 zeigt eine Hauptschaltungsstruktur einer Vorrichtung zur erfindungsgemässen Regelung eines Lastleistungsfaktors an einem Matrixkonverter für Induktionsschmelzöfen. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Vorrichtung aus einer Dreiphasenwechselstromquelle (esu, esv, esw), einem LC-Filter (Lf, Cf), einem Matrixkonverter (MC), Hochfrequenztransformatoren (T1, T2), einem Induktionsschmelzofen (Rw, Lw) und einem Resonanzkondensator (C) ausgebildet. In Fig. 1 ist die primäre Seite des Anpassungstransformators (T1) als eine Stromquellenseite (Power Supply side) und die sekundäre Seite desselben als eine Lastseite (Load side) jeweils bezeichnet. Die Dreiphasenwechselstromquelle (esu, esv, esw) ist durch den LC-Filter aus Lf und Cf mit dem Matrixkonverter (MC) verbunden, um den Oberschwindungsanteil des in der Stromquelle fließenden Stroms zu unterdrücken. Auf der Lastseite sind der Resonanzkondensator (C) und die Lastinduktivität (Lw) über den Stromwandler (T2) in Reihe geschaltet und bewirken eine LC-Resonanz.
[0010] Die Erfassung des Leistungsfaktorwinkels erfolgt wie folgt. D. h. die Ausgangsspannung (vout) und der Ausgangsstrom (iout) des Matrixkonverters (MC) werden mit den Sinuswellen der Effektivwerte (Vout, Iout) angenähert und mit folgenden Formeln dargestellt. Formel (1)
Formel (2)
Formel (3) θ = ωt = 2πfrt · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (3)
[0011] Der Leistungsfaktorwinkel Δφ pro Halbperiode der Ausgangsfrequenz fr wird unter Verwendung der Formeln (1), (2) und (3) erfasst. D. h. zur Erfassung des Leistungsfaktorwinkels Δφ wird der Ausgangsstrom iout (π/4), iout (3π/4) bei θ = π/4, 3π/4 in einer Halbperiode 0 < θ < π beispielsweise unter Verwendung eines später erwähnten Stromerfassungsschaltung (s. Fig. 3) erfasst und in die Formel (2) eingesetzt. Dadurch werden der Leistungsfaktorwinkel Δφ und der Ausgangsstrom-Effektivwert lout unter Verwendung folgender Formel (4) bis (7) gewonnen. Formel (4) I+= iout(π/4) + iout(3π/4) · · · · · · · · · · · (4) Formel (5) I-= iout(π/4) - iout(3π/4) · · · · · · · · · · · (5) Formel (6)
Formel (7)
[0012] Anschließend wird die Leistungsfaktorregelung gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. D. h. im erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung eines Lastleistungsfaktors mittels eines Matrixkonverters für Induktionsschmelzöfen wird er der Veränderung der Lastinduktivität Lw auf dem Weg der Erwärmung des zu schmelzenden Metalls anpassen. Entsprechend der Veränderung der Lastinduktivität Lw wird auch der Leistungsfaktorwinkel Δφ verändert, so dass die Ausgangsfrequenz fr des Matrixkonverters (MC) geregelt und damit der Leistungsfaktorwinkel Δφ geregelt wird.
[0013] Die Veränderung der auf der Lastseite in Reihe geschalteten Lastinduktivität Lw tritt durch die Temperatur auf, so dass der Leistungsfaktorwinkel Δφ wie foigt geregelt wird. Die Lastseite (sekundäre Seite des Anpassungstransformators (T1)) in der Schaltung gemäß Fig. 1 ist als eine RLC-Reihenschaltung über den Stromwandler (T2) ausgebildet, so dass die Beziehungsformel zwischen der Ausgangsspannung (vout) und dem Ausgangsstrom (iout) des Matrixkonverters (MC) sowie die Phasendifferenz (Leistungsfaktorwinkel Δφ) jeweils mit folgenden Formeln (9) und (10) dargestellt werden können, wobei das Windungszahlverhältnis des Anpassungstransformators (T1) und des Stromwandlers (T2) jeweils als n1 und n2 bezeichnet wird. Formel (9)
Formel (10) Aus diesen Formeln (9), (10) ergibt sich, dass bei der Erhöhung der Lastinduktivität (Lw) der Spule des Induktionsschmelzofens der Leistungsfaktorwinkel Δφ nacheilt und bei deren Verringerung voreilt, da er beim nacheilenden Strom positiv ist.
[0014] Fig. 2 zeigt Vektordiagramme der RLC-Reihenschaltung, und zwar die Vektordiagramme der Formeln (9) und (10). Fig. 2 (a) zeigt einen Fall, in dem der Leistungsfaktorwinkel Δφ dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert Δϕ∗ nacheilt, und Fig. 2 (b) einen Fall, in dem er ihm voreilt. Erfindungsgemäß wird der Leistungsfaktorwinkel Δφ derart geregelt, dass die Leistungsfaktorwinkelabweichung Δφ∗-Δφ einer PI-Regelungsberechnung unterzogen und an die Ausgangsfrequenz fr des Matrixkonverters (MC) rückgekoppelt wird. Ausführliche Details werden später erwähnt.
[0015] Anschließend wird die in der Ausführungsform verwendete Stromerfassungsschaltung in Fig. 3 gezeigt. Ein Stromsensor des Stromwandler-Typs gemäß Fig. 3 (LA55-P von der Fa. LEM Japan K.K.) wird am Ausgangsstrom (iout) des Matrixkonverters (MC) gemäß Fig. 1 aufgestellt, der dann durch einen Messwiderstand in eine Spannung umgewandelt und durch einen Spannungsfolger durchgelassen wird. Danach wird die so erhaltene analoge Menge durch einen SMB-Koaxialsteckverbinder in eine FPGA-Platine (XC6SLX45-2FGG676C von der Fa. Xilinx, Inc. wird verwendet) eingegeben. Das Windungszahlverhältnis des Stromsensors beträgt 1:1000. In der Ausführungsform erfolgt die Verdrahtung derart, dass der Halleffekt-Stromwandler einmal mit Strom versorgt wird. Deshalb wird der maximale Eingangsstrom des Stroms ioutmax mit folgender Formel (11) dargestellt. Formel (11)
[0016] An der Stromerfassungsschaltung gemäß Fig. 3 wird der Ausgangsstrom (iout) des Matrixkonverters (MC) erfasst und daraus der Leistungsfaktorwinkel Δφ wie folgt berechnet. Zunächst wird der Leistungsfaktorwinkel Δφ pro Halbperiode der Ausgangsfrequenz (fr) des Matrixkonverters (MC) ermittelt. In diesem Fall wird der Ausgangsstrom (iout) des Matrixkonverters mit der Sinuswelle des Effektivwerts (Iout) angenähert und mit folgenden Formeln (12), (13) dargestellt. In diesen Formeln eilt der Strom der Spannung um Δφ nach. Formel (12)
Formel (13) θ = ωt = 2πfrt (13)
[0017] Fig. 4 zeigt Wellenformen der Ausgangsspannung (vout) und des Ausgangsstroms (iout). Wie in Fig. 4 gezeigt, werden in der Halbperiode 0 < θ < π der Ausgangsstrom (iout (π/4)) bei θ = π/4 und der Ausgangsstrom (iout (3π/4)) bei θ = 3π/4 erfasst und dann in die Formel des Ausgangsstroms (iout) eingesetzt, wodurch die Formel (14) erhalten wird. Formel (14) Durch das Lösen der Formel (14) als eine simultane Gleichung werden der Leistungsfaktorwinkel Δφ und der Ausgangsstrom-Effektivwert (Iout) gewonnen, wie in Formeln (15) und (16) gezeigt. Formel (15)
Formel (16)
[0018] Auch in der nächsten Haibperiode π ≤ θ < 2π werden iout (5π/4) = - iout (π/4), iout (7π/4) = - iout (3π/4) erfasst, wodurch dieselben Ergebnisse des Leistungsfaktorwinkels Δφ und des Ausgangsstrom-Effektivwerts (Iout) gewonnen werden können. Hierbei wird der Ausgangsstrom-Effektivwert (Iout) benutzt, um beim Fließen des Starkstroms die Regelung anzuhalten.
[0019] In der Ausführungsform wird θ = π/4, 3π/4 eingesetzt, um die Berechnung zu vereinfachen, aber, wie aus der Erläuterung für Fig. 4 ersichtlich, müssen θ = π/4, 3π/4 nicht verwendet werden, sofern der Abstand von 0 und π gleich ist. D. h. die Erfassungspunkte müssen nicht auf π/4, 3π/4 festgesetzt werden. Wenn die Werte an den Punkten „0+α“ und „π-α“ für θ in der Stromwellenform, bezogen auf die Spannungsphase, gleich sind, ist die Phasendifferenz 0 und der Leistungsfaktor 1, so dass für θ in der Stromwellenform nur der Strom an den Punkten „0+α“ und „π-α“ erfasst werden muss (mit 0 < α < π/2).
[0020] Fig. 5 zeigt Wellenformen des Ausgangsstroms (iout) der Formeln (15) und (16). Aufgrund der Fig. 5 wird ein Verfahren zur Berechnung der Gleichstromkomponente ΔIout im Folgenden dargestellt. Wenn I + (s. Fig. 4) in der positiven Halbperiode 0 < θ < π und negativen Halbperiode π < θ < 2π der Ausgangsspannung (vout) in Fig. 5 jeweils als I + +, I + - bezeichnet wird, ergibt sich | I + + | ≠ | I + - | durch die Gleichstromkomponente ΔIout, wie in Fig. 5 gezeigt. Wenn der Unterschied der absoluten Werte I + + und I + - als ΔI+ bezeichnet wird, wird er mit folgender Formel (17) dargestellt. Formel (17) D. h. daraus ergibt sich, dass die Regelung derart erfolgen kann, dass ΔI+ = 4ΔIout = 0 ist.
[0021] Wenn die Gleichstromkomponente ΔIout über den Ausgangsstrom iout aufgetragen wird, wird der Ausgangsstrom iout mit folgender Formel (18) dargestellt. Formel (18) Wenn ΔIout in der Formel (18) 0 ist, d. h. wenn die Summe an den Punkten 0+a und π+α 0 ausmacht und somit die Gleichstromkomponente 0 ist, ist die Summe folgender Formel (18-1) 0, da der Strom dabei die Sinuswelle zeigt. Formel (18-1)
[0022] Anschließend wird der veränderte Leistungsfaktorwinkel dadurch geregelt, dass die Leistungsfaktorwinkelabweichung einer PI-Regelungsberechnung unterzogen und an die Ausgangsfrequenz rückgekoppelt wird. Konkrete Mittel dafür werden im Folgenden erläutert. Fig. 2 zeigt Vektordiagramme zur Darstellung der Beziehung zwischen der Ausgangsspannung (vout) und dem Ausgangsstrom (iout) des Matrixkonverters. Fig. 2 (a) zeigt einen Fall, in dem der Leistungsfaktorwinkel Δφ dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert Δφ∗ nacheilt, und Fig. 2 (b) einen Fall, in dem er ihm voreilt.
[0023] A in Fig. 2 wird mit folgender Formel (19) dargestellt. Formel (19)
[0024] Wie in Fig. 2 (a) gezeigt, wird die Ausgangswinkelfrequenz fr des Matrixkonverters verringert, wenn der Leistungsfaktorwinkel Δφ vergrößert wird und dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert Δφ∗ nacheilt. Dadurch wird die Induktivitätskomponente des Ausgangsstroms (iout) verkleinert, die Kondensatorkomponente vergrößert, der Leistungsfaktorwinkel Δφ verkleinert und damit eilt der Ausgangsstrom (iout) vor. D. h. im Fall des Leistungsfaktorwinkels Δφ, der dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert Δφ∗ nacheilt, wird die Ausgangsfrequenz fr des Matrixkonverters (MC) verringert, wodurch der Leistungsfaktorwinkel Δφ dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert Δφ∗ nachfolgen kann.
[0025] Wie in Fig. 2 (b) gezeigt, wird eine Ausgangswinkelfrequenz fr des Matrixkonverters erhöht, wenn der Leistungsfaktorwinkels Δφ verkleinert wird und dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert Δφ∗ voreilt. Dadurch wird die Induktivitatskomponente des Ausgangsstroms (iout) vergrößert, die Kondensatorkomponente verkleinert und damit eilt der Ausgangsstrom (iout) nach. D. h. im Fall des Leistungsfaktorwinkels Δφ, der dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert Δφ∗ voreilt, wird die Ausgangsfrequenz fr des Matrixkonverters (MC) erhöht, wodurch der Leistungsfaktorwinkel Δφ dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert Δφ∗ nachfolgen kann.
[0026] Anschließend wird der Ausgangsstrom (iout) des Matrixkonverters unter Verwendung der Stromerfassungsschaltung gemäß Fig. 3 erfasst und daraus der Leistungsfaktorwinkel Δφ berechnet, dann die Abweichung dΔφ zwischen dem durch den Tiefpassfilter (LPF) durchgelassenen Wert ΔφL und dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert Δφ∗ mit folgender Formel (20) ermittelt. Formel (20) dΔφ = Δφ* - Δφ (20)
[0027] Die mit der Formel (20) ermittelte Abweichung dΔφ wird einer PI-Regelung folgender Formel (21) unterzogen, wodurch ein Korrekturterm Δfr der Ausgangsfrequenz fr des Matrixkonverters (MC) ermittelt wird. Formel (21)
[0028] Hierbei stehen KP und KI jeweils für eine Proportionalverstärkung und eine Integralverstärkung im Regelsystem. Die Formel (21) und eine beliebige Anfangsausgangsfrequenz fr werden addiert und als ein Ausgangsfrequenz-Befehlswert fr* des Matrixkonverters (MC) bezeichnet, der mit folgender Formel (22) dargestellt wird. Formel (22)
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
[0029] Anschließend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. In Tabelle 1 sind im Ausführungsbeispiel verwendete Bedingungen angegeben. Das Ausführungsbeispiel wurde derart durchgeführt, dass auf der Ausgangsseite des Matrixkonverters eine RLC-Reihenschaltung lag. Ein konstanter Wert für die Ausgangsfrequenz fr = 11 kHz wurde gegeben und danach die Leistungsfaktorregelung begonnen. [Tabelle 1]
Tabelle 1
[0030] Output power pout 1 kW Source voltage E, w 100 V, 2π×60 rad/s Refarence output voltage V1<*> 115 V Input filter Lf, Cf 1.0 mH, 3.3 µF Damping resistor Rf 27 Ω Load resistance Ru, 11 Ω Load inducter Lw 0.25 mH Load capacitor Cw 1 µF Reference power factor angle Δφ∗ 0 rad
< Bewertung des Ausführungsbeispiels >
[0031] Die Bewertung des Ausführungsbeispiels ist in Fig. 6 bis Fig. 8 dargestellt. Fig. 6 zeigt von oben jeweils eine Wellenform der Quellenspannung esu, des Quellenstroms isu sowie der Ausgangsspannung vout und des Ausgangsstroms iout des Matrixkonverters in zwei Perioden der Stromquelle für eine Phase im stationären Zustand bei der Leistungsfaktorregelung. Der Quellenstrom isu war sinuswellenförmig und THD betrug 6,40 %. Fig. 7 (a) zeigt Wellenformen vor der Leistungsfaktorregelung und (b) nach der Regelung, die jeweils der Wellenform der Ausgangsspannung vout und des Ausgangsstroms iout des Matrixkonverters in einer Periode entsprechen. Fig. 8 (a) zeigt Wellenformen im Fall, in dem ein konstanter Wert für die Ausgangsfrequenz fr = 11 kHz gegeben wurde. Dabei war der Leistungsfaktorwinkel Δφ = 0,12 rad, d. h. ein nacheilender Strom. Fig. 8 (b) zeigt Wellenformen im stationären Zustand im Fall, in dem die Regelung mit dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert Δφ∗ = 0 erfolgte, wobei in der Stromwellenform iout der Strom an Erfassungspunkten und die angenäherte Sinuswelle gezeigt sind. Die Stromwellenform wird auf den Leistungsfaktor von 1 geregelt. Fig. 8 zeigt Regelkennlinien der Ausgangsfrequenz fr und der Phasendifferenz Δφ am Anfang der Regelung. Sie konvergieren in ca. 75 s jeweils zu fr = 10,36 kHz und Δφ = 0 rad. Dabei findet die Induktivitätsänderung der Induktionsheizvorrichtung nicht schnell statt, so dass eine ausreichende Konvergenzzeit gegeben wurde, damit keine Überschwingung auftrat.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
[0032] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung des Lastleistungsfaktors mittels des Matrixkonverters für Induktionsschmelzöfen ist ein Verfahren zur befehlsgemäßen Regelung des Lastleistungsfaktors gegen die Lastinduktivitätsänderung der Spule des Induktionsschmelzofens durch Regelung der Ausgangsfrequenz, so dass es breite Anwendung für Induktionsschmelzöfen finden kann und eine hohe gewerbliche Anwendbarkeit zeigt.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0033] Δφ Leistungsfaktorwinkel Δφ∗ Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert fr Ausgangsfrequenz eines Matrixkonverters fr* Ausgangsfrequenz-Befehlswert des Matrixkonverters esu, esv, esw Dreiphasenwechselstromquelle Lf, Cf LC-Filter MC Matrixkonverter T1 Hochfrequenztransformator, Anpassungstransformator T2 Hochfrequenztransformator, Stromwandler Lw Lastinduktivität eines Induktionsschmelzofens Rw Lastwiderstand des Induktionsschmelzofens C Resonanzkondensator vout Ausgangsspannung des Matrixkonverters iout Ausgangsstrom des Matrixkonverters Vout, Iout Effektivwert Δφ∗ - Δφ Leistungsfaktorwinkelabweichung ioutmax maximale Eingangsstromformel ΔIout Gleichstromkomponente α Winkel im Intervall 0 < α < π/2

Claims (1)

1. Verfahren zur Regelung eines Lastleistungsfaktors mittels eines Matrixkonverters für Induktionsschmelzöfen, dadurch gekennzeichnet, dass
im Fall eines Leistungsfaktorwinkels (Δφ), der einem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert (Δφ∗) nacheilt, eine Ausgangsfrequenz (fr) des Matrixkonverters verringert wird, um den Leistungsfaktorwinkel (Δφ) dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert (Δφ∗) nachfolgen zu lassen, und
im Fall des Leistungsfaktorwinkels (Δφ), der dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert (Δφ∗) voreilt, die Ausgangsfrequenz (fr) des Matrixkonverters erhöht wird, um den Leistungsfaktorwinkel (Δφ) dem Leistungsfaktorwinkel-Befehlswert (Δφ∗) nachfolgen zu lassen,
wobei der Leistungsfaktorwinkel (Δφ) durch Erfassen eines Ausgangsstroms (iout) des Matrixkonverters unter Verwendung einer Stromerfassungsschaltung an den Erfassungspunkten 0 + α und π - α für den Phasenwert (θ) in der Stromwellenform erhalten wird, wobei α ein Winkel im Intervall 0 < α < π/2 ist.
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