CN105392224A - 用于加热熔体的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于提出一种在效率和无功功率方面改进的、用于借助高频电磁场加热熔体的装置。为此设置用于加热熔体(10)的装置(1)，其包括用于容纳熔体(10)的坩埚(2)及用于生成高频电磁场的装置(6)。该装置(6)具有用于生成高频电流的装置(5)和连接在该装置(5)上的感应线圈(3)，该装置(6)设置成由被高频电流流经的感应线圈(3)生成的高频场穿过坩埚(2)。该装置(5)包括整流器装置(12)、高频变换器(14)、电容器装置(16)以及用于连接感应线圈(3)的两个端口(18、19)。通过开关装置(140)的半导体开关元件能够生成交流电流。通过感应线圈(3)和电容器装置(16)形成串联振荡回路(20)。

Description

用于加热熔体的装置
技术领域
本发明总体上涉及熔融设备。本发明特别是涉及对导电熔体进行感应式加热的熔融设备。
背景技术
由DE19939778C2已知用于熔化和/或提纯无机化合物的装置，这种装置通过将高频能量输入到坩埚中来进行加热。在此，高频装置包括高频振荡回路以及振荡器，高频振荡回路具有缠绕坩埚的感应线圈。此外设置有第二振荡器，该第二振荡器能够与感应线圈一起接通。由此实现了即使在振荡器发生故障的情况下也确保设备的连续运转。振荡器为自激励式设计。
为了生成大功率的高频电流，目前通常仍然使用电子管。但是电子管发生器具有由原理导致的缺陷。在高频电子管中产生大量的热量损耗。该损耗造成通常小于65％的总效率。在期望的例如1000KW的HF功率情况下，因此需要从电网获取1550KW。另外，对于电子管来说需要晶闸管控制的功率控制装置。这种功率控制装置具有与负荷相关联的无功功率需求。这导致成本提高的、高要求的无功功率补偿。对于将来的另一个缺陷在于新电子管和替换电子管的可供使用性不明确。
发明内容
因此本发明的目的在于，提出一种在效率和无功功率方面改进的、用于借助高频电磁场加热熔体的装置。该目的通过独立权利要求的主题来实现。本发明的有利设计和扩展方案在相应的从属权利要求中给出。
根据本发明，为此设置一种用于加热熔体的装置，其中，该用于加热熔体的装置包括：
-用于容纳熔体的坩埚，以及
-用于生成高频电磁场的装置。
该用于生成高频电磁场的装置具有：
-用于生成高频电流的装置，以及
-连接在用于生成高频电流的装置上的感应线圈，该线圈设置成使得由被高频电流流经的感应线圈生成的高频场穿过坩埚。
用于生成高频电流的装置包括：
-用于将电网交流电压转换成直流电压的整流器装置，以及
-高频变换器，以及
-电容器装置，以及
-用于连接感应线圈的两个端口。
在此，高频变换器具有至少一个带有能够控制的半导体开关元件的开关装置，从而通过半导体开关元件的开关能够生成交流电流。电容器装置与其中一个端口连接，从而通过连接感应线圈形成具有感应线圈和电容器装置的串联振荡回路。
不同于本发明地，对于以前的HF加热的坩埚来说，形成具有电容器和感应线圈的并联振荡回路。如DE19939778A1中所述，这例如实现了在一个感应线圈上有多个发生器在并行地工作，并且在可能情况下能够单独地接通和断开这些发生器。然而设备的阻抗在谐振激励情况下(＝谐振阻抗)最大。但是，负荷的高阻抗不利于借助半导体开关元件变频。相比之下，在如根据本发明设置的串联振荡回路中，在谐振情况下，在理想的、即无阻抗的电流回路中存在短路连接。但是在实际情况下，该短路因电流回路的阻抗而受限。在此，不仅导线本身的欧姆电阻，还主要有熔体的欧姆电阻，对于通过感应线圈在熔体中生成的感应电流来说都起决定作用。将感应线圈设置在串联振荡回路中，由于仅通过欧姆电阻限制的短路，这导致了避免在半导体开关元件上的高电压，以及使半导体开关元件有利地作为电流控制元件来工作。
根据本发明的装置因此特别可以这样工作，即，串联振荡回路以谐振的方式受到激励。
因此，本发明也规定了一种用于加热熔体的方法，其中，
-在坩埚中形成或填充熔体，并且其中，
-利用一个装置来生成高频电磁场，其中，用于生成高频电磁场的该装置
-包括用来生成高频电流的装置，并且
-借助连接在用于生成高频电流的装置上并且被高频电流流经的感应线圈，产生高频场，该高频场穿过坩埚，从而在存在于坩埚中的导电熔体内产生感应电流，该感应电流通过熔体的欧姆电阻转变成热量，并且由此加热熔体。如所述的，用于生成高频电流的装置包括用于将电网交流电压转换成直流电压的整流器装置、以及高频变换器和电容器装置。感应线圈连接在用于生成高频电流的装置的两个端口上，其中，该电容器装置与其中一个端口连接，从而通过连接感应线圈形成了具有感应线圈和电容器装置的串联振荡回路。为了加热熔体，现在以一定频率产生高频电流，在该频率情况下，串联振荡回路以谐振的方式振荡。
谐振方式的振荡并非仅仅指精确地以谐振频率进行振荡。确切地说，也可以以在振荡回路的谐振曲线的半值宽度内的频率进行谐振激励。
附图说明
接下来根据附图以及通过实施例详细描述本发明。在附图中：
图1示意性地示出了用于加热熔体的装置的组件，
图2示出了用于生成高频电磁场的装置的方块图，该高频电磁场用于加热熔体，
图3示出了根据图2的装置的示意性线路图，
图4示出了作为时间函数的电流脉冲图，
图5示出了感应电流和开关装置电流脉冲随时间变化的曲线图，以及
图6和图7示出了用于加热熔体的、具有多个开关装置的装置配置。
具体实施方式
图1示出了用于加热熔体10的装置1(Vorrichtung)，该装置例如也可以根据本发明进行扩展。装置1包括坩埚2，熔融物容纳在该坩埚内。为了加热熔体10，设有感应线圈3，对该感应线圈输送高频电流。如果熔体导电，那么由感应线圈3发出的高频电磁场在熔体10中导致感应电流。随后由于熔体10的欧姆电阻使得感应电流转化为热量。
优选装置1为了本发明的目的用于玻璃熔体的加热。在此，装置1不仅能够用于玻璃熔体的熔融，也能够用于玻璃熔体的提纯。此外，根据本发明的一个实施方式，坩埚2设计成所谓的凝壳坩埚(Skulltiegel)。在凝壳坩埚的情况下，当加热熔体10期间，同时冷却坩埚2的壁，从而在该壁上形成由凝固的熔体材料构成的层。由此，熔体不接触异物，如特别是壁材料。这允许熔融和/或提纯特别纯净的玻璃。
如图1中所示，感应线圈3优选围绕坩埚2。但是也可以考虑其他的构造，例如具有本身集成在坩埚中的感应线圈。
为了对感应线圈3提供高频电流，设有用于生成高频电流的装置5(Einrichtung)，感应线圈3连接在该装置上。感应线圈3与该装置5一起形成用于生成高频电磁场的装置6。
为了熔融玻璃和其他无机材料，通常需要非常高的加热功率。在此，为了排出损耗功率，优选设置流体冷却装置，优选水冷却装置，通过该冷却装置来冷却装置5和/或感应线圈3。流体冷却装置也优选用于冷却坩埚2。在此，在图1所示的实施例中设置冷却水管道7，该冷却水管道既为坩埚2又为感应线圈3和用于生成高频电流的装置5供应冷却水。
图2示出了用于生成高频电磁场的装置6的一个实施例的方块图。
总体上并且不局限于图1和2所示的具体实施例，本发明设有用于加热熔体10的装置1，该装置包括：
-例如如图1中所示的用于容纳熔体10的坩埚2，以及
-用于生成高频电磁场的装置6，其中用于生成高频电磁场的该装置6包括：
-用于生成高频电流的装置5，和
-连接在用于生成高频电流的装置5上的感应线圈3，该感应线圈设置成从而由被高频电流流过的感应线圈3生成的高频场穿过坩埚2。
用于生成高频电流的装置5例如如图2所示包括：
-用于将电网交流电压转换成直流电压的整流器装置12，以及
-高频变换器14、
-电容器装置16、和
-两个用于连接感应线圈3的端口18、19。
高频变换器14具有包含可控半导体电路元件的开关装置，从而通过开关半导体电路元件能够生成交流电流，并且其中，电容器装置16与端口18、19之一相连，从而通过连接感应线圈3形成具有感应线圈3和电容器装置16的串联振荡回路20。
为此，图3对图2补充地示出了具有开关装置140的装置6的线路图实施例，该线路图例如能够用于根据本发明扩展的、用来加热熔体的、根据图1的装置1。
根据本发明的一个优选的实施方式，对于具有开关装置140的高频变换器的输入直流电压在300V至1000V的范围内，优选在400V和600V之间。通常，在三相电流整流中，整流器装置的输出电压达到约550V，该输出电压于是也形成高频变换器14的开关装置140的输入电压。
另外，在图2和图3所示的实施例中，根据本发明的一个优选的扩展方案，高频变换器14还包括连接在开关装置140上的隔离变压器(Trenntransformator，安全变压器)142，从而在初级侧对隔离变压器142供给开关装置140的交流电，并且输出端18、19设置在隔离变压器142的次级电流回路中。由于输出端18、19设置在次级电流回路中，也使得通过电容器装置16和感应线圈3形成的串联振荡回路20设置在次级电流回路中，和/或，隔离变压器142形成串联振荡回路20的电源。
根据本发明的另外一个扩展方案，隔离变压器142可以设有固定的变比。以这种方式实现简单且可靠的构造。变化的变比也是可行的。这特别是允许在第一次起动之前或者第一次起动时选择特定的变比，以该变比测试所述装置以及在可能情况下调整变比。
隔离变压器的变比优选在1至3的范围内。换句话说，根据本发明的该实施方式，隔离变压器142设计成使其输出电压为输入电压的1至3倍。
通过电网接头25对装置6供应电网电压。借助电网电压开关设备21对装置与电网接头25进行接通和切断。优选地，作为电网接头25，使用三相电流接头。
整流器装置12除了包括整流器二极管120之外，优选还包括平流装置作为用于对经整流的交流电平流化的平流装置可以设置具有电感123和电容124的合适的LC组件122。替代性地或者额外地，也可以设置主动的平流。然而特别优选的是不受控的整流器，即特别是如所示的具有多个整流器二极管。通过这种不受控的整流，相对于例如借助相位截止控制的主动整流，能够明显减小装置的无功功率需求。
现在，对高频变换器14供应由整流器装置12提供的直流电。如上所述，高频变换器14包括开关装置140并且，作为本发明的扩展，包括置于开关装置140之后的隔离变压器142。
总体上，开关装置包括至少一个特别是晶体管形式的半导体开关元件，以便通过对部件的接通从直流电产生交流电压。总体上优选使用IGBT(IGBT＝“InsulatedGateBipolarTransistor”，绝缘栅双极型晶体管)作为半导体开关元件。虽然原则上一个唯一的半导体开关元件足以通过接通而扰乱直流电并且以这种方式生成用于激励具有电容器装置16和感应线圈的串联振荡回路20的交流电，但是更有利的是，开关装置的每个输出端口以及装置5的两个输出端口18、19中的每个输出端口都分别单独通过半导体开关元件开关。
在图3所示的实施例中以及根据本发明的一个优选的实施方式，开关装置140包括两对串联在整流器装置12的输出端之间的半导体开关元件，其中，用于激励串联振荡回路20的电流回路的连接点分别位于其中一对半导体开关元件之间。
在所示的实施例中设置有四个IGBT1401、1402、1403、1404作为半导体开关元件。例如根据该线路图可以看出，IGBT1401、1402构成其中的一对，IGBT1403、1404构成另一对。在IGBT1401、1402和IGBT1403、1404之间连接有用于激励串联振荡回路20的电流回路。后者所述的电流回路可以是串联振荡回路20的电流回路本身。在具有隔离变压器的实施方式中，该电流回路通过隔离变压器142的初级回路形成。
通过在半导体开关元件的控制输入端上施加控制电压或控制电流来开关半导体开关元件。对于优选设置的IGBT而言，相应地在IGBT的栅极输入端1411、1412、1413、1414上施加控制电压。为了生成用于激励串联振荡回路20的交流电脉冲，以成对交叉的方式驱动IGBT。因此，根据电流脉冲的符号，或者开关IGBT1401和1404，或者开关IGBT1403和1402。
在图3的实施例中仅设置了一个唯一的开关装置140。但是根据本发明的一个扩展方案，变换器14也可以具有多个优选并行工作的开关装置140，以便提供特别大的功率。
根据本发明的一个扩展方案，因此设置至少三个、优选至少八个、特别优选十二个或更多个能够并行工作的开关装置140。例如，一个开关装置140可以被设计用于150千瓦的开关功率。每三个开关装置能够组合成单元，从而通过总共十二个开关装置140选择性地提供450千瓦(3个开关装置)、900千瓦(6个开关装置)或1800千瓦(12个开关装置)的输出功率。另外，多个开关装置140于是也能够设有各自的整流器装置12。然而特别有利的是，多个开关装置140设有一个整流器装置12，特别是由于提供有用于非常大的功率的整流器二极管。
为了接通各个开关装置140，于是可以以简单的方式使用电网电压-开关设备21。
构造有感应线圈3和电容器装置16的串联振荡回路20根据本发明的一个优选的实施方式具有5至150范围内的品质因数(Güte)。在此，该品质因数也取决于熔体的导电性如何。例如较热的、更导电的玻璃熔体的品质因数相比于较冷的或凝固的熔体的品质因数更低，因为在较热的熔体中感应出更多的感应电流，并且由此也提高了电阻损耗。对于热的玻璃熔体来说，振荡回路的品质因数优选在5和20之间。通常，振荡回路在正常运行时的品质因数为大约Q＝8至Q＝12。
依据品质因数，经激励的振荡回路进行不同时段的振荡。可输入的功率也与品质因数相关。在高的品质因数情况下，当振荡回路中的电流以及感应线圈上的电压不应当持续进一步增加时，半导体开关元件的每个开关过程仅能够输入较少的功率。因此一般来说有利的是，为了生成高频场而调节装置6的功率。为了调节功率，例如能够在主动整流情况下调整整流器装置的输出电压。
但是特别优选通过控制一个或多个半导体开关元件，即在图3所示的实施例中通过控制IGBT1401-1404而实施(控制)装置6的功率。根据本发明的一个扩展方案，在此通过半导体开关元件的开关脉冲的重复率来控制或调节装置6的高频功率，用于生成高频电磁场。
在此特别设置用于控制半导体开关元件的控制装置144，其中，该控制装置144被设计用来通过用于开关半导体开关元件的开关脉冲的重复率来调整输出到熔体10上的功率。在图3所示的实施例中，为此将IGBT1401-1404的栅极输入端1411-1414接通至控制装置144。IGBT1401-1404根据晶体管的种类被控制装置144要么低电阻地要么高电阻地接通。在图3所示的实施例中，使用通常截止的n沟道IGBT。但是当然可行的是，使用四种IGBT中的每一种类型(通常导通的或通常截止的、n沟道或p沟道)。不同类型的IGBT也可以在开关装置14中相互组合。
通过根据本发明的、例如图3所示的装置6，可以将损耗功率限制在低于10％。与此相对，例如在DE19939778C2中所述的电子管发生器通常具有超过35％的损耗功率。
根据本发明的另一种设计，开关装置14与串联振荡回路20解耦。相应地，在图3所示的实施例中，控制装置144不直接反馈至串联振荡回路20。换句话说，串联振荡回路20中的电压或电流不与开关装置14强制连接。与之不同地，例如就电子管发生器而言，振荡回路的电压反馈至电子管的栅极，从而该发生器自激励地振荡。相比之下，在根据本发明的设置中，串联振荡回路在其激励过程中进行强制的振荡，该强制的振荡通过半导体开关元件的周期性接通而设定。这起初看起来是个缺点，因为这样一来，用于生成高频电磁场的装置6并非自激励的振荡器，串联振荡回路20是无源的。
但是已经表明，激励振荡回路20的电流的解耦断开或者半导体开关元件的接通在没有来自串联振荡回路20的反馈情况下反而带来实质上的优势。由此特别避免了例如借助超电压保护装置27通过消除超电压而同样地反馈突然的电压变化。另外显著简化了功率调节，该功率调节接下来还会更详细地予以说明。通过解耦的控制装置，可以以这种方式通过直接控制开关时间点来获得功率。
但是间接的连接是优选的。作为间接的连接，例如可以在自由的振荡中测量串联振荡回路20的振荡频率，并且该测量值随后输送给控制装置144。该控制装置于是可以将开关脉冲的周期时间调整为对应于测得的频率的新的值。
图4作为曲线图示出了通过改变脉冲重复率来控制功率的一个实施例。仅展示了少数几个电流脉冲30。通过如图3所示的具有两对半导体开关元件的开关装置140，可以生成具有正符号和负符号的或者具有相反的流向的电流脉冲30。一个电流脉冲30和之后一个相反方向的电流脉冲得到具有持续时间τ1的高频电流振荡周期。
在此，周期持续时间τ随时间的推移保持恒定。因此实现了将具有感应线圈3和电容器装置16的串联振荡回路连续地激励成谐振。然而在这些组对的电流脉冲30之间的持续时间τ2发生变化。持续时间τ2越短，脉冲重复率就越大，并且在串联振荡回路20中引入的功率也越多。因此，在图4所示的实施例中，功率随时间的推移而增大，因为在电流脉冲之间的持续时间τ2缩短。相应地，在图4中在时间点t1时的持续时间τ2(t1)比在后面的时间点t2时的持续时间τ2(t2)更长。
这种运行模式在具有固态的或凝固的熔融物的坩埚投入工作情况下可以是有益的，所述熔融物在固体状态下不导电。特别是对于在软化的状态下才通过能够运动的离子而导电的玻璃来说就是这种情况。当只有一小部分熔融物导电时，如果一开始就已经输入大量功率，则可能产生超电压，并因此产生电弧。为了能够消除所产生的超电压，如同样在图3中所示，可以设置超电压保护装置27，该装置将在端口18、19上所产生的超电压短路。作为超电压保护装置27，例如可以使用火花放电装置，或者也可以使用变阻器。
因此根据本发明的一个扩展方案在总体上规定，在加热熔体10的过程中，即在熔体温度和/或熔化的熔融物量增大的时间段中，借助开关装置140生成的电流脉冲的重复率增大或者说，该电流脉冲的时间间隔缩短。
周期τ1与串联振荡回路20的谐振频率相匹配，以便通过电流脉冲获得谐振激励。电容器装置16的电容和感应线圈的电感根据本发明的一个实施方式经过优选设计，从而获得串联振荡回路20的在50kHz至350kHz范围内优选在75kHz至175kHz范围内的谐振频率。
根据一个实施例，感应线圈3的电感和电容器装置16的电容经过选择，从而获得20至130kHz的串联振荡回路的谐振频率。
图5的时间曲线图示出了流经感应线圈3的电流的变化曲线33。与图4中所示的实施例相似地，产生彼此相继的具有相反符号的电流脉冲30。如所示，通过两个电流脉冲来激励振荡回路，并且该振荡回路随后继续自由振荡。在此，通过阻尼使得流经感应线圈3的电流的幅度减小。因此，相同符号的电流脉冲30的时间间隔大于串联振荡回路的谐振频率的周期持续时间。在图5所示的实施例中，振荡回路仅仅在每第五个振荡周期时受到激励。为了控制功率，可以如所述地调整电流脉冲的重复率，其中，为了增大功率而提高重复率，或者为了减少功率而降低重复率。因此，根据该实施方式，通过改变半导体开关元件的开关脉冲30的重复率来控制或调节用于生成高频电磁场的装置6的高频功率。为了调节功率，特别是在装置高负荷运转的情况下，即在坩埚中的熔融物的最初熔化过程中，可以测量电容器装置16上的电压。随后，这些测量值用于控制电流脉冲30的重复率，并且因此也用于调节功率。在图3所示的实施例中，为此设置电压测量装置146，该电压测量装置与控制装置144相连接，用于传输电压测量值。随后能够通过控制装置144将测得的电压与预设的最大值相比较，并且依据这个比较，或者说依据测量值与预设最大值的偏差来调整脉冲重复率。因此，在本发明的扩展方案中设置控制装置144，该控制装置控制半导体开关元件优选IGBT1401、1402、1403、1404，以便通过对半导体开关元件的开关(Schalten)来生成开关脉冲，进而产生电流脉冲，这些脉冲激励串联振荡回路，并且其中，用于测量电容器装置16上的电压的电压测量装置146与控制装置连接，用于传输电压测量值，并且其中，该控制装置144被设计用于将电压测量值与预设的最大电压相比较，并且根据电压测量值与最大电压的比较情况来调整脉冲重复率或者说开关脉冲的重复率。通过脉冲重复率进行功率控制是特别有利的，因为开关时间点的相位能够维持不变，并且也能够完全开关半导体开关元件，进而以低电阻的方式进行接通。
类似于根据图4所描述的实施方式，特别是在加热熔体时可以首先以低的重复率开始，或者说在15个振荡周期的持续时间内接连两个具有相反符号的电流脉冲。通过加热熔体和/或增大熔化的熔融物体积，使得品质因数由于增大的电阻损耗而减小。由此例如依据在每第四个周期之后借助两个电流脉冲进行的激励，也在一个电流脉冲之后更快地减弱振荡回路的自由振荡，并且能够将重复率提高，如图5所示的曲线图那样。
另外如根据图5可以看出，电流脉冲30的开关时间点与流经感应线圈9的电流33的过零点同步。该同步并不局限于特别示出的实施例，它是本发明的一个特别优选的设计，以便将损耗功率减到最小。为了实现这种同步，根据本发明的一个实施方式，为此设置电流测量装置，该电流测量装置与控制装置144连接，用于传输代表交流电流信号的电流测量值。控制装置144被设计用于记录电流测量值、确定交流电流信号的过零点和开关半导体开关元件，从而使得接通时间点和断开时间点处于过零点或者处在过零点的区域内。有时无法实现开关时间点正好在过零点。但是，在过零区域内的开关时间点是这样的一个开关时间点，该开关时间点相对于交流电流信号的相位在量值上偏移了最多15°，优选在量值上偏移了最多5°，其中360°的角度表示交流电流信号的一个周期。
在此特别有利于将损耗功率最小化的是，也如图3中所示，借助电流测量装置145在隔离变压器的初级侧测量电流信号，该隔离变压器使开关装置140和串联振荡回路隔开，或者尽可能接近开关装置140。这是有利的，因为在开关装置的输出端和隔离变压器142的次级侧之间能够存在相位偏移。当所有的IGBT1401、1402、1403、1404都是高电阻时，在初级电流回路中的电流也可以借助电流测量装置145进行测量。根据本发明的一个扩展方案，为此设置保护二极管或自振荡二极管1415，该二极管与相应的IGBT在截止方向上并联连接。在此，反向的振荡电流流经保护二极管1415。这种保护二极管1415通常厂方就已经集成在IGBT元器件中了。因此，在图3中将保护二极管1415绘入IGBT1401、1402、1403、1404的开关符号内。但是也可以考虑其他的替换性或附加的措施，以便在高电阻地开关半导体开关元件时检测串联振荡回路的振荡，特别是检测其过零点。
根据本发明的又一优选的扩展方案，各个电流脉冲具有电流信号的周期持续时间的一半的长度，或者于是通常也具有串联振荡回路的谐振频率的一半的长度。换句话说，脉冲长度优选调整至周期持续时间的一半，或者调整至电流信号的振荡的半波的持续时间，或者说总体上调整至串联振荡回路的振荡半波的持续时间。通过根据过零点来控制开关时间点，即接通时间点和断开时间点，在此也有利地实现同时控制脉冲持续时间。
接下来描述根据本发明的用于加热熔体10的装置1的有利配置。如已述，有利的是，对多个开关装置140提供一个整流器装置12。同样如所述，优选使用至少八个特别优选至少十二个开关装置140，以便激励具有感应线圈3和电容器装置16的串联振荡回路。整流器装置12能够以简单的方式依据非常高的功率来设计，例如通过整流器二极管的并联来设计。因此，根据本发明的一个实施方式规定，装置1包括多个开关装置140，并且设置至少一个整流器装置12，在该整流器装置上连接有开关装置140中的多个，可能情况下也连接所有的开关装置140。图6示出了一种配置，按照这种配置，例如优选地设置十二个开关装置140作为高频变换器的组件。
通过两个整流器装置12对该设备进行馈电，其中，在每个整流器装置12上分别连接有六个开关装置140。
即使在如图6所示的实施例中存在多个开关装置140，也优选这些开关装置与串联振荡回路20的激励并行地工作，即通过开关装置140形成的高频变换器14连接在一个单个的感应线圈3上。也可以考虑具有多个串联振荡回路20的配置，但是优选也激励具有多个开关装置140的串联振荡回路中的至少一个。但是在多个感应线圈的情况下需要注意相互的感应，进而注意串联振荡回路的耦合。
根据本发明的又一个实施方式，将多个开关装置140组合为能够单独连接(开关，anschaltbaren)的单元或者群组。在图6所示的实施例中，为此设置变换器箱柜15作为能够单独接通的单元。每个变换器箱柜15都分别含有三个开关装置140。分别有两个变换器箱柜15连接在一个整流器装置12上。另外有利的是，将开关装置140设置成空间对称的，优选点对称、旋转对称或者镜面对称。这特别以简单的方式实现了设置相同的导线长度。这特别在开关装置140并行工作时对于激励串联振荡回路20来说是特别有利的。
在图6所示的实施例中，开关装置140分别以相同的方式设置在变换器箱柜15中。该变换器箱柜15以2x2的方式堆叠布置，从而开关装置140相对于变换器箱柜15之间的中点M具有点对称的结构。
另外，图7的实施例说明了开关装置140在隔离变压器142上连接的一个优选的实施方式。在该实施例中也设置四个变换器箱柜15，它们分别具有三个开关装置140作为高频变换器14的组成部分。变换器箱柜和开关装置140也可以串联地布置。但是该配置主要用于清楚明了的介绍。对于现在描述的实施例而言，也可以使得开关装置对称地布置，如根据图6已述。
已表明特别有利的是，借助独自的连接导线147将开关装置140连接到隔离变压器142上。如图7中所表示的，优选使用两芯的连接导线。根据本发明的一个实施方式，因此设置多个开关装置140以及一个隔离变压器142，其中，这些开关装置140优选每个开关装置借助各自的连接导线连接到隔离变压器上或者连接到隔离变压器的连接点上。为明了起见，在图7中仅示出最上面的具有连接导线147的两个开关装置140。另外特别有利的是，连接导线147具有相同的长度。
一眼就可以看出，这种具有多个连接导线的配置非常复杂。但是这种构造已表明是有利的，以便能够将高的电流强度从开关装置140传送到隔离变压器142，并且同时也将各个开关装置140之间的串扰或者不期望的耦合最小化。
尽管优选采用具有相同导线长度的对称结构，串联振荡回路20的通过隔离变压器142反馈的并且通过连接导线147传输的电流信号在各个开关装置上可以具有不同的相位偏移。但为了尽可能精确地特别优选在电流信号的过零点获得所期望的开关时间点，根据本发明的又一个不局限于图7的实施例和图6与7的示例性配置的实施方式规定，在多个并行工作的开关装置140的情况下给这些开关装置140配备有单独的电流测量装置145，并且，在图7中没有示出的控制装置144根据各个电流测量装置145的电流测量信号为分别配备的开关装置140求得各自的开关时间点，并且在相应的所求得的开关时间点上与开关相对应地控制半导体开关元件。如图7所示，可以将电流测量装置145集成到开关装置140中。但是也同样可行是，将电流测量装置145设置在连接导线147上或者设置在开关装置140与连接导线147的接头上。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明不局限于所示的实施例，而是可以以多种方式进行变化，其中，各个实施例的特征特别是也能够彼此结合。因此根据图4对脉冲重复率的调整也可以与脉冲宽度调制相组合。另外描述了具有各个控制装置144的实施例。在多个单独控制的开关装置情况下，也能够将控制装置144划分成各个独立的单元，用于控制开关装置。
另外在图4和图5的实施例中在时间上相邻的电流脉冲之间的间隔同等大小，其中，在图4的实施例中该间隔连续地减小。但是也可行的是，重复率间歇性地减小，或者电流脉冲30的间隔间歇性地增大。在此例如能够以在其它情况下等距的脉冲次序来引发各个脉冲。这实现了几乎无级地控制功率，因为以这种方式能够以时间均值为脉冲的重复率调整周期持续时间的每个合理比例。
附图标记列表
1用于加热熔体的装置
2坩埚
3感应线圈
5用于生成高频电流的装置
6用于生成高频电磁场的装置
7冷却水管道
10熔体
12整流器装置
14高频变换器
15变换器箱柜
16电容器装置
20串联振荡回路
18、19感应线圈3的端口
21电网电压开关设备
25电网接头
27超电压保护装置
30电流脉冲
33流经感应线圈3的电流
120整流器二极管
122LC组件
123122的电感
124122的电容
140开关装置
142隔离变压器
144控制装置
145电流测量装置
146电压测量装置
147连接导线
1401、1402、1403、1404IGBT
1411、1412、1413、1414栅极输入端
1415保护二极管，自振荡二极管

Claims (14)

1.一种用于加热熔体(10)的装置(1)，包括：
-用于容纳熔体(10)的坩埚(2)，以及
-用于生成高频电磁场的装置(6)，其中，所述用于生成高频电磁场的装置(6)包括：
-用于生成高频电流的装置(5)，和
-连接在所述用于生成高频电流的装置(5)上的感应线圈(3)，所述感应线圈设置成使得由被高频电流流经的所述感应线圈(3)生成的高频场穿过所述坩埚(2)，其中，所述用于生成高频电流的装置(5)包括：
-用于将电网交流电压转变成直流电压的整流器装置(12)，以及
-高频变换器(14)，以及
-电容器装置(16)，以及
-用于连接所述感应线圈(3)的两个端口(18、19)，其中，
-所述高频变换器(14)具有至少一个具有能够控制的半导体开关元件的开关装置(140)，从而通过所述半导体开关元件的开关能够生成交流电流，并且其中，
-所述电容器装置(16)与其中一个端口(18、19)连接，从而通过连接所述感应线圈(3)形成具有所述感应线圈(3)和所述电容器装置(16)的串联振荡回路(20)。
2.根据前面一项权利要求所述的装置(1)，其中，所述高频变换器(14)还包括连接在所述开关装置(140)上的隔离变压器(142)，从而在初级侧对所述隔离变压器(142)供给所述开关装置(140)的交流电流，并且端口(18、19)设置在所述隔离变压器(142)的次级电流回路中；和/或
所述隔离变压器(142)设计成使其输出电压为输入电压的1至3倍。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述开关装置(140)包括至少一个IGBT(1401、1402、1403、1404)作为半导体开关元件。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括至少四个、优选至少八个、特别优选十二个或更多个能够并行工作的开关装置(140)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括用于控制半导体开关元件的控制装置(144)，其中，所述控制装置(144)被设计用于通过用于开关半导体开关元件的开关脉冲的重复率来调整输出到所述熔体(10)上的功率；和/或
包括用于测量电容器装置(20)上的电压的电压测量装置(146)，所述电压测量装置与控制装置(144)相连接，用于传输电压测量值，其中，所述控制装置(144)被设计用于将电压测量值和预设的最大电压相比较，并且依据所述电压测量值与最大电压的比较来调整开关脉冲的重复率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括用于控制半导体开关元件的控制装置(144)以及电流测量装置(145)，所述电流测量装置用于传输代表交流电流信号的电流测量值并且与所述控制装置(144)连接，其中，所述控制装置(144)被设计用于记录电流测量值、确定交流电流信号的过零点以及开关半导体开关元件，从而使得接通时间点和断开时间点处于过零点的区域内，其中，开关时间点相对于交流电流信号的相位在量值上偏移最多20°，优选在量值上偏移最多10°。
7.根据前一项权利要求以及权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电流测量装置(145)设置成在所述隔离变压器(142)的初级侧测量电流。
8.根据前两项权利要求中任一项所述的装置，其具有多个开关装置(140)，其中，给所述多个开关装置(140)配备有单独的电流测量装置(145)，并且所述控制装置(144)被设计用于依据各个电流测量装置(145)的电流测量信号来确定用于相应配备的开关装置(140)的各自的开关时间点，并且通过在所确定的开关时间点上开关来控制半导体开关元件。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，具有多个开关装置(140)，其特征在于下述特征中的至少一项：
-设置至少一个整流器装置(12)，在所述整流器装置上连接多个所述开关装置(140)，
-多个开关装置(140)组合成能够单独连接的单元，
-所述开关装置(140)设置为空间对称的，优选点对称、旋转对称或镜面对称，
-所述开关装置(140)分别借助单独的连接导线(147)连接到一个隔离变压器(142)上。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，具有所述电容器装置(16)和感应线圈(3)的所述串联振荡回路(20)具有在50kHz至350kHz范围内，优选在75kHz至175kHz范围内，的谐振频率。
11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，包括超电压保护装置(27)，该超电压保护装置使得在所述端口(18、19)上出现的超电压短路。
12.用于加热熔体(10)的方法，其中，
-在坩埚(2)中产生或填充熔体(10)，并且其中，
-通过一个装置(6)产生高频电磁场，其中，用于生成高频电磁场的所述装置(6)
-包括一个用于生成高频电流的装置(5)，并且
-借助连接在所述用于生成高频电流的装置(5)上并且被高频电流流经的感应线圈(3)产生高频场，所述高频场穿过所述坩埚(2)，从而在存在于所述坩埚(2)中的导电的熔体(10)内产生感应电流，所述感应电流通过所述熔体(10)的欧姆电阻转变成热量，并且由此加热所述熔体，其中，所述用于生成高频电流的装置(5)包括：
-用于将电网交流电压转换成直流电压的整流器装置(12)、以及
-高频变换器(14)，以及
-电容器装置(16)，以及
-用于连接所述感应线圈(3)的两个端口(18、19)，其中，
-所述高频变换器(14)具有包含能够控制的半导体开关元件的开关装置(140)，并且通过开关所述半导体开关元件而生成交流电流，并且其中，
-所述电容器装置(16)与其中一个所述端口(18、19)连接，从而
-通过连接所述感应线圈(3)形成了具有所述感应线圈(3)和所述电容器装置(16)的串联振荡回路(20)，其中，
-产生具有一定频率的高频电流，从而所述串联振荡回路(20)以谐振的方式振荡。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，用于生成高频电磁场的装置(6)的高频功率通过改变所述半导体开关元件的开关脉冲(30)的重复率而控制。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，
-借助电流测量装置(145)将代表交流电流信号的电流测量值传输到控制装置(144)上，用于控制半导体开关元件，其中，
-所述控制装置(144)记录电流测量值，并且
-确定交流电流信号的过零点，以及
-开关半导体开关元件，从而使得接通时间点和断开时间点处于过零点的区域内，从而开关时间点相对于交流电流信号的相位在量值上偏移最多20°，优选在量值上偏移最多10°；和/或
使得多个开关装置(140)并行地工作，其中，给所述开关装置(140)配备有单独的电流测量装置(145)，并且所述控制装置(144)根据各个电流测量装置(145)的电流测量信号为相应配备的开关装置(140)确定各自的开关时间点，并且通过在所确定的开关时间点上开关来控制半导体开关元件。
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