CH718588B1 - Method for controlling a load power factor using a matrix converter for induction melting furnaces. - Google Patents
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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.The invention relates to a method for command-controlled control of a load power factor against the change in load inductance of an induction heating furnace coil by controlling the output frequency. The method is characterized in that in the case of a power factor angle (Δφ) lagging a power factor angle command value (Δφ∗), an output frequency of the matrix converter is reduced to make the power factor angle (Δφ) track the power factor angle command value (Δφ∗). , and in the case of the power factor angle (Δφ) leading the power factor angle command value (Δφ∗), the output frequency of the matrix converter is increased to make the power factor angle (Δφ) track the power factor angle command value (Δφ∗).
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL FIELD
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Lastleistungsfaktors mittels eines Matrixkonverters für Induktionsschmelzöfen. The present invention relates to a method for controlling a load power factor using a matrix converter for induction melting furnaces.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
[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. In recent years, the demand for induction heaters is increasing because they are safe and secure, achieve high efficiency and provide clean heating compared to conventional heaters such as gas ovens, electric ovens, etc. Induction heating is a process in which a coil is supplied with high frequency current and thereby a metal which is a load is supplied with induction current according to the law of electromagnetic induction, in order to generate Joule heat through the induction current and the internal resistance of the metal and thus directly heat the metal. In the control of such conventional induction melting furnaces, it is known that power factor control is important, in which control is carried out so that the load power factor always approaches 1. For example, Patent Document 1 describes an induction melting furnace characterized in that in a first stage for melting a material to be melted, a control signal of a frequency at which an output power factor detected via a power factor detection part is 1 is formed, in a second stage for adding a component regulator to the molten material to be melted, a control signal of a frequency suitable for melting the component regulator into the material to be melted is formed, and in a third stage, after melting the component regulator into the material to be melted, a control signal of a frequency at which the output power factor detected via the power factor detection part is 1 is formed.
DOKUMENT ZUM STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART DOCUMENT
PATENTDOKUMENTPATENT DOCUMENT
[0003] Patentdokument 1: JP 2012-074196 A [0003] Patent Document 1: JP 2012-074196 A
OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF INVENTION
ZU LÖSENDE AUFGABE DER ERFINDUNGTASK TO BE SOLVED BY THE INVENTION
[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. However, the conventional method for controlling an induction melting furnace is based on the following task. For example, the inductance change on the induction heating coil for use in induction melting furnaces occurs during heating of the material to be melted. This changes the power factor angle between the output voltage and the current, which causes the problems such as efficiency decrease, power change, increase in switching loss due to hard switching, etc. I.e. the load power factor is controlled constantly in the conventional matrix converter, but varies in the induction heater because the inductance of the load coil is varied during operation (due to the temperature rise of the material to be melted). To meet the current conditions for the soft circuit, the output current iout of the matrix converter must lag the output voltage vout to some extent, i.e. H. the power factor angle Δφ must be a positive constant value or more because the output current iout represents a sine wave. The further the load power factor gets from 1, the worse the efficiency of the load becomes. It is therefore desirable to maintain the load power factor angle at an optimal value at which smooth switching is possible and efficiency is maximum. The present invention aims to solve the above object and therefore proposes a method for command-controlling the load power factor against the load inductance change of the induction melting furnace coil by controlling the output frequency.
MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABEMEANS OF SOLVING THE TASK
[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. The method according to the invention for controlling a load power factor by means of a matrix converter for induction melting furnaces is characterized in that in the case of a power factor angle Δφ which lags a power factor angle command value Δφ∗, an output frequency fr of the matrix converter is reduced in order to bring the power factor angle Δφ to the power factor angle command value Δφ∗ to follow, and in the case of the power factor angle Δφ leading the power factor angle command value Δφ∗, the output frequency fr of the matrix converter is increased to make the power factor angle Δφ follow the power factor angle command value Δφ∗. According to the claimed invention, the power factor angle Δφ is thereby obtained by detecting an output current iout of the matrix converter using a current detection circuit at the detection points 0 + α and π - α for the phase value θ in the current waveform, where α is an angle in the interval 0 < α < π /2 is.
VORTEILE DER ERFINDUNGADVANTAGES OF THE INVENTION
[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. In the method according to the invention for regulating a load power factor by means of a matrix converter for induction melting furnaces, the load power factor can be regulated according to the command against the change in load inductance of the coil of the induction melting furnace by controlling the output frequency. I.e. By controlling the load power factor of the induction heater, the power factor angle can follow any value. In addition, the miniaturization of the device or the increase in its efficiency can be realized since the three-phase alternating current can be directly converted into a high-frequency alternating current by using the matrix converter.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[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.1 shows a main circuit structure of a device according to the invention for controlling a load power factor on a matrix converter for induction melting furnaces. Fig. 2 shows vector diagrams of an RLC series connection. Fig. 3 shows a schematic view of a current detection circuit. Fig. 4 shows a calculation of a power factor angle Δφ. Fig. 5 shows a calculation of a direct current component ΔIout. Fig. 6 shows experimental waveforms of an embodiment. Fig. 7 shows output voltage and current waveforms of the embodiment. Fig. 8 shows control characteristics of the exemplary embodiment.
AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNGEMBODIMENT OF THE INVENTION
[0008] Im Folgenden wird ein Verfahren zur Regelung eines Lastleistungsfaktors mittels eines Matrixkonverters für Induktionsschmelzöfen gemäß der vorliegenden Ausführungsform anhand der Figuren erläutert. A method for controlling a load power factor using a matrix converter for induction melting furnaces according to the present embodiment will be explained below with reference to the figures.
[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. 1 shows a main circuit structure of a device according to the invention for controlling a load power factor on a matrix converter for induction melting furnaces. As shown in Fig. 1, the device is composed of a three-phase AC power source (esu, esv, esw), an LC filter (Lf, Cf), a matrix converter (MC), high-frequency transformers (T1, T2), an induction melting furnace (Rw, Lw ) and a resonance capacitor (C). In Fig. 1, the primary side of the matching transformer (T1) is referred to as a power supply side and the secondary side thereof as a load side, respectively. The three-phase AC power source (esu, esv, esw) is connected to the matrix converter (MC) through the LC filter made of Lf and Cf to suppress the harmonic portion of the current flowing in the power source. On the load side, the resonance capacitor (C) and the load inductance (Lw) are connected in series via the current transformer (T2) and cause an LC resonance.
[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) [0010] The power factor angle is detected as follows. I.e. the output voltage (vout) and the output current (iout) of the matrix converter (MC) are approximated with the sine waves of the effective values (Vout, Iout) and represented with the following formulas. Formula 1)
Formel (2) Formula (2)
Formel (3) θ = ωt = 2πfrt · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · (3) Formula (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) The power factor angle Δφ per half cycle of the output frequency fr is detected using formulas (1), (2) and (3). I.e. To detect the power factor angle Δφ, the output current iout (π/4), iout (3π/4) at θ = π/4, 3π/4 in a half-period 0 < θ < π, for example using a current detection circuit mentioned later (see Fig .3) recorded and inserted into the formula (2). Thereby, the power factor angle Δφ and the output current RMS value lout are obtained using the following formula (4) to (7). Formula (4) I+= iout(π/4) + iout(3π/4) · · · · · · · · · · · (4) Formula (5) I-= iout(π/4) - iout(3π/4) · · · · · · · · · · · (5) Formula (6)
Formel (7) Formula (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. Next, the power factor control according to the present invention will be explained. I.e. In the method according to the invention for regulating a load power factor by means of a matrix converter for induction melting furnaces, it will adapt to the change in the load inductance Lw on the way of heating the metal to be melted. According to the change in the load inductance Lw, the power factor angle Δφ is also changed, so that the output frequency fr of the matrix converter (MC) is regulated and thus the power factor angle Δφ is regulated.
[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) The change in the load inductance Lw connected in series on the load side occurs due to the temperature, so that the power factor angle Δφ is regulated as follows. The load side (secondary side of the matching transformer (T1)) in the circuit according to FIG. 1 is designed as an RLC series connection via the current converter (T2), so that the relationship formula between the output voltage (vout) and the output current (iout) of the matrix converter (MC) and the phase difference (power factor angle Δφ) can each be represented using the following formulas (9) and (10), where the number of turns ratio of the matching transformer (T1) and the current transformer (T2) is referred to as n1 and n2, respectively. Formula (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. Formula (10) From these formulas (9), (10) it follows that when the load inductance (Lw) of the coil of the induction melting furnace is increased, the power factor angle Δφ lags and when it is reduced, it leads because it is positive at the lagging current.
[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. 2 shows vector diagrams of the RLC series connection, namely the vector diagrams of formulas (9) and (10). Fig. 2 (a) shows a case where the power factor angle Δφ lags the power factor angle command value Δϕ∗, and Fig. 2 (b) shows a case where it leads it. According to the invention, the power factor angle Δφ is controlled in such a way that the power factor angle deviation Δφ∗-Δφ is subjected to a PI control calculation and is fed back to the output frequency fr of the matrix converter (MC). Full details will be mentioned later.
[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) Next, the current detection circuit used in the embodiment is shown in Fig. 3. A current sensor of the current transformer type according to FIG. 3 (LA55-P from LEM Japan K.K.) is placed on the output current (iout) of the matrix converter (MC) according to FIG. 1, which is then converted into a voltage by a measuring resistor and through a voltage follower is passed through. Thereafter, the thus obtained analog quantity is input into an FPGA board (XC6SLX45-2FGG676C from Xilinx, Inc. is used) through an SMB coaxial connector. The number of turns ratio of the current sensor is 1:1000. In the embodiment, the wiring is done in such a way that the Hall effect current transformer is supplied with power once. Therefore, the maximum input current of the current ioutmax is represented by the following formula (11). Formula (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) The output current (iout) of the matrix converter (MC) is detected at the current detection circuit according to FIG. 3 and the power factor angle Δφ is calculated therefrom as follows. First, the power factor angle Δφ per half-period of the output frequency (fr) of the matrix converter (MC) is determined. In this case, the output current (iout) of the matrix converter is approximated with the sine wave of the effective value (Iout) and represented by the following formulas (12), (13). In these formulas the current lags the voltage by Δφ. Formula (12)
Formel (13) θ = ωt = 2πfrt (13) Formula (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) 4 shows waveforms of the output voltage (vout) and the output current (iout). As shown in Fig. 4, in the half period, 0 < θ < π the output current (iout (π/4)) at θ = π/4 and the output current (iout (3π/4)) is recorded at θ = 3π/4 and then substituted into the output current (iout) formula, obtaining formula (14). Formula (14) By solving the formula (14) as a simultaneous equation, the power factor angle Δφ and the output current rms value (Iout) are obtained as shown in formulas (15) and (16). Formula (15)
Formel (16) Formula (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. [0018] Also in the next half period π ≤ θ <2π iout (5π/4) = - iout (π/4), iout (7π/4) = - iout (3π/4) recorded, whereby the same results of the power factor angle Δφ and the output current RMS value (Iout) can be obtained. The output current effective value (Iout) is used to stop the control when the heavy current flows.
[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). [0019] In the embodiment, θ = π/4, 3π/4 is used to simplify the calculation, but, As can be seen from the explanation for Fig. 4, θ = π/4, 3π/4 need not be used as long as the distance between 0 and π is the same. I.e. the detection points do not need to be set to π/4, 3π/4. If the values at the points “0+α” and “π-α” for θ in the current waveform relative to the voltage phase are the same, the phase difference is 0 and the power factor is 1, so for θ in the current waveform only the current must be recorded at the points “0+α” and “π-α” (with 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. 5 shows Output current (iout) waveforms of formulas (15) and (16). Based on Fig. 5, a method for calculating the direct current component ΔIout is shown below. If I + (see Fig. 4) in the positive half-period 0 < θ < π and negative half-period π < θ < 2π of the output voltage (vout) in Fig. 5 is denoted as I + +, I + -, respectively, results | I + + | ≠ | I + - | by the DC component ΔIout, as shown in Fig. 5. If the difference of the absolute values I + + and I + - is denoted as ΔI+, it is represented by the following formula (17). Formula (17) I.e. This means that the regulation can take place in such a way that ΔI+ = 4ΔIout = 0.
[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) If the direct current component ΔIout is plotted over the output current iout, the output current iout is represented by the following formula (18). Formula (18) If ΔIout in formula (18) is 0, i.e. H. if the sum at the points 0+a and π+α is 0 and therefore the direct current component is 0, the sum of the following formula (18-1) is 0, since the current shows the sine wave. Formula (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. The changed power factor angle is then regulated by subjecting the power factor angle deviation to a PI control calculation and feeding it back to the output frequency. Specific means of doing this are explained below. Fig. 2 shows vector diagrams showing the relationship between the output voltage (vout) and the output current (iout) of the matrix converter. Fig. 2 (a) shows a case where the power factor angle Δφ lags the power factor angle command value Δφ∗, and Fig. 2 (b) shows a case where it leads it.
[0023] A in Fig. 2 wird mit folgender Formel (19) dargestellt. Formel (19) A in Fig. 2 is represented by the following formula (19). Formula (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. As shown in Fig. 2(a), when the power factor angle Δφ is increased and lags the power factor angle command value Δφ∗, the output angular frequency fr of the matrix converter is reduced. This reduces the inductance component of the output current (iout), increases the capacitor component, reduces the power factor angle Δφ and thus leads the output current (iout). I.e. in the case of the power factor angle Δφ lagging the power factor angle command value Δφ∗, the output frequency fr of the matrix converter (MC) is reduced, allowing the power factor angle Δφ to lag the power factor angle command value Δφ∗.
[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. As shown in Fig. 2(b), an output angular frequency fr of the matrix converter is increased as the power factor angle Δφ is reduced and advances the power factor angle command value Δφ∗. This increases the inductance component of the output current (iout), reduces the capacitor component and therefore lags the output current (iout). I.e. in the case of the power factor angle Δφ leading the power factor angle command value Δφ∗, the output frequency fr of the matrix converter (MC) is increased, whereby the power factor angle Δφ can track the power factor angle command value Δφ∗.
[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) The output current (iout) of the matrix converter is then detected using the current detection circuit according to FIG. 3 and the power factor angle Δφ is calculated therefrom, then the deviation dΔφ between the value ΔφL passed through the low-pass filter (LPF) and the power factor angle command value Δφ∗ determined using the following formula (20). Formula (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) The deviation dΔφ determined with the formula (20) is subjected to a PI control using the following formula (21), whereby a correction term Δfr of the output frequency fr of the matrix converter (MC) is determined. Formula (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) Here, KP and KI each stand for a proportional gain and an integral gain in the control system. The formula (21) and an arbitrary initial output frequency fr are added and referred to as an output frequency command value fr* of the matrix converter (MC), which is represented by the following formula (22). Formula (22)
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL EXAMPLE
[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] An exemplary embodiment of the present invention will then be explained. Table 1 shows the conditions used in the exemplary embodiment. The exemplary embodiment was carried out in such a way that there was an RLC series connection on the output side of the matrix converter. A constant value for the output frequency fr = 11 kHz was given and then the power factor control was started. [Table 1]
Tabelle 1Table 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[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 ><Evaluation of the exemplary embodiment>
[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. The evaluation of the exemplary embodiment is shown in FIGS. 6 to 8. Fig. 6 shows from above a waveform of the source voltage esu, the source current isu as well as the output voltage vout and the output current iout of the matrix converter in two periods of the current source for a phase in the steady state in the power factor control. The source current isu was sine wave and THD was 6.40%. Fig. 7 (a) shows waveforms before the power factor control and (b) after the control, which correspond to the waveform of the output voltage vout and the output current iout of the matrix converter in one period, respectively. Fig. 8 (a) shows waveforms in the case where a constant value for the output frequency fr = 11 kHz was given. The power factor angle was Δφ = 0.12 radians, i.e. H. a lagging stream. Fig. 8 (b) shows steady-state waveforms in the case where the control was performed with the power factor angle command value Δφ∗ = 0, in which the current waveform iout shows the current at detection points and the approximate sine wave. The current waveform is regulated to the power factor of 1. Fig. 8 shows control characteristics of the output frequency fr and the phase difference Δφ at the beginning of the control. They converge in approx. 75 s to fr = 10.36 kHz and Δφ = 0 radians. The change in inductance of the induction heating device does not take place quickly, so that a sufficient convergence time was given so that no overshoot occurred.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEITINDUSTRIAL APPLICABILITY
[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. The method according to the invention for controlling the load power factor by means of the matrix converter for induction melting furnaces is a method for command-controlling the load power factor against the load inductance change of the coil of the induction melting furnace by controlling the output frequency, so that it can find wide application for induction melting furnaces and shows high commercial applicability .
BEZUGSZEICHENLISTEREFERENCE SYMBOL LIST
[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 [0033] δφ performance factor angle δφ ° Power factor angle command value for output frequency of a matrix converter for* output frequency command value of the matrix converter ESU, ESW three-phase change generator LF, CF LC filter MC MATRIXCONVERTER T1 high frequency transformer, adjustment t2 high frequency Formator, current converter LW load inductance of an induction melting furnace RW load resistance of the Induction melting furnace C resonance capacitor vout output voltage of the matrix converter iout output current of the matrix converter Vout, Iout effective value Δφ∗ - Δφ power factor angle deviation ioutmax maximum input current formula ΔIout DC component α angle in the interval 0 < α < π/2
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