DE10110375B4 - Induktionserwärmungsanlage - Google Patents

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Abstract

Induktionserwärmungsanlage mit einem Gleichrichter (8), welcher über einem Stromzwischenkreis (4) mit mindestens einer Stromzwischenkreis-Drossel (LC) mit einem Stromwechselrichter (11) verbunden ist, an welchen ein Lastschwingkreis mit Lastkondensator (6, Clast) und Induktionsofen (7, Lofen, Rofen) angeschlossen ist, wobei zwischen Gleichrichter (8) und Stromzwischenkreis (4) mit Stromwechselrichter (11) ein Spannungszwischenkreis (9) mit mindestens einem Spannungszwischenkreis-Kondensator (CDC) und ein Tiefsetzsteller (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefsetzsteller (10) aus einem Hauptschalter (TC), dessen Ansteuerung durch eine Zweipunktregelung eines Wechselrichtereingangsstromes (ILC) geregelt ist, im Längszweig und einer Freilaufdiode (DC) im Querzweig gebildet ist, wobei der Tiefsetzsteller (10) auf eine Wechselrichtereingangsspannung (UWR) synchronisiert ist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Induktionserwärmungsanlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Induktionserwärmungsanlagen weisen einen Stromrichter auf, welcher die elektrische Energie aus einem Wechselspannungsnetz in eine zur Speisung eines Induktionsofens geeignete Form umsetzt und dabei die Funktion der Steuerung der Leistung (Spannung, Strom) des Induktionsofens erfüllt. Die Erfindung kann beispielsweise bei Induktionserwärmungsanlagen für Gießereien, für Stahlwerke oder für die Automobilindustrie verwendet werden.
  • Induktionserwärmungsanlagen dienen der gezielten Umsetzung elektrischer Energie in thermische Energie zur Erwärmung oder zum Schmelzen von Materialien. Anlagen mittlerer und hoher Leistungen (Bereich 100 kW–20 MW) werden aus einem Wechselspannungsnetz meist mittlerer Spannung gespeist, an welches sie häufig über einen Transformator angeschlossen sind. Die Umsetzung elektrischer in thermische Energie und der Schmelz- bzw. Erwärmungsprozeß erfolgt in einem Induktionsofen. Der Induktionsofen bildet üblicherweise im mittleren bzw. hohen Leistungsbereich zusammen mit einem Lastkondensator einen Schwingkreis, welcher über einen Stromrichter mit dem Transformator verbunden ist. Es sind sowohl Topologien mit Reihenschwingkreis als auch Topologien mit Parallelschwingkreis allgemein bekannt. Der Stromrichter zwischen Transformator und Schwingkreis dient der Umwandlung der Parameter der am Eingang des Stromrichters zur Verfügung gestellten elektrischen Energie (Phasenzahl, Frequenz, Amplitude von Strom und Spannung), so dass die Leistung (Ofenstrom, Ofenspannung) in optimaler Weise gestellt werden kann.
  • Ein Prinzipschaltbild einer allgemein bekannten Induktionserwärmungsanlage mit Parallelschwingkreis ist in 11 dargestellt (Blockschaltbild einer konventionellen Anlage zur Induktionserwärmung auf Basis eines Thyristor-Gleichrichters und eines Thyristor-Stromwechselrichters). Die bekannte Anlage besteht aus einem Netzanschluss 1 (dargestellt ohne Leistungsschalter und Sekundärtechnik), einem Transformator 2, einem Stromrichter und einem Lastschwingkreis, bestehend aus Lastkondensator 6 und Induktionsofen 7. Der Stromrichter wird durch einen Thyristor-Gleichrichter 3 und einen Thyristor-Stromwechselrichter 5 gebildet, wobei beide Komponenten durch einen Gleichstromzwischenkreis 4 miteinander verbunden sind. Für den Aufbau des Gleichstromzwischenkreises derartiger Stromrichter ist eine Stromzwischenkreis-Drossel mit hoher Induktivität erforderlich. Um die Leistung des Induktionsofens 7 zu steuern, werden optional sowohl der Thyristor-Gleichrichter 3 als auch der Thyristor-Stromwechselrichter 5 netz- bzw. lastgeführt mit Phasenanschnittsteuerung betrieben.
  • Die wesentlichsten Nachteile der bekannten Anlage gemäß 11 sind der durch den gesteuerten Betrieb des Thyristor-Gleichrichters 3 bedingte ungünstige Leistungsfaktor sowie die erzeugten Oberschwingungen. Auch die hohen Kosten und Verluste der Stromzwischenkreis-Drossel des Stromzwischenkreises 4 sind nachteilig. Ein weiterer substantieller Nachteil ist die komplizierte Steuerung des Stromwechselrichters 5, wenn zwei Öfen an einen Wechselrichter angeschlossen werden sollen. Sehr nachteilig ist ferner, dass in der Regel nicht mehr als zwei Öfen an einen Stromrichter angeschlossen werden können.
  • Der französische Artikel „Onduleur de Courant a GTO Applique ... Paris, No. 6. Juni 1992, ISSN 0035-3116" zeigt eine Induktionserwärmungsanlage mit einem Gleichrichter, der über einen Stromzwischenkreis mit mindestens einer Stromzwischenkreis-Drossel und einem Stromwechselrichter verbunden ist, an welchen ein Lastschwingkreis mit Lastkondensator und Induktionsofen angeschlossen sind, wobei zwischen Gleichrichter und Stromzwischenkreis mit Stromwechselrichter ein Spannungszwischenkreis mit einem Spannungszwischenkreis-Kondensator und einem Tiefsetzsteller angeordnet sind.
  • DE 37 24 639 A1 offenbart eine regelbare Wechselstromquelle zur Ozonerzeugung, bei der eine gesteuerte oder ungesteuerte Gleichspannungsquelle über eine Zwischenkreis-Induktivität einen Wechselrichter speist, welcher über einen Hochspannungstransformator den Strom für den Ozonerzeuger liefert. Bei einem ungesteuerten Gleichrichter kann vorgesehen sein, einen Tiefsetzsteller zu verwenden.
  • DE 38 04 478 C2 offenbart eine Beschaltung für einen Wechselrichter mit mehreren Zweigpaaren aus wenigstens zwei gleichsinnig in Reihe liegenden elektronischen Zweigschaltern, die eine antiparallel geschaltete Rücklaufdiode sowie ein RCD-Netzwerk aufweisen, bestehend aus jeweils einer gleichsinnig zu jedem Zweigschalter gepolten Diode und einem reihengeschalteten Entlastungskondensator, von denen entweder der Diode oder dem Entlastungskondensator ein über einen Hilfsschalter steuerbarer Entladewiderstand parallel liegt.
  • DE 37 25 369 A1 offenbart Ausschaltentlastungen von schnellen Halbleiterschaltern durch Laden oder Entladen eines Kondensators oder mehrerer Kondensatoren in der Ausschaltphase, wobei vor der Ausschaltphase für das Umladen eine Spannung verwendet wird, die aus einer mit einer Hauptinduktivität des Lastkreises magnetisch verkoppelten Wicklung stammt. Eine derartige Ausschaltentlastung kann auch für einen Tiefsetzsteller verwendet werden.
  • US 6,148,019 offenbart ein modular aufgebautes Hochleistungs-Induktionserwärmungssystem mit einer Mehrzahl parallel zueinander geschalteter Induktionsöfen.
  • Aus Nührmann, Dieter: Das große Werkbuch Elektronik, Franzis Verlag, 1989 ist eine L-C-Siebschaltung sowie eine Drehstromgleichrichterschaltung bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Induktionserwärmungsanlage der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die erforderliche Induktivität der Stromzwischenkreis-Drossel, aus welchem der Wechselrichter gespeist wird, maßgeblich reduziert ist sowie ein Leistungsfaktor im Netz von nahe 1 erzielt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit der vorgeschlagenen dreistufigen Anordnung Gleichrichter – Tiefsetzsteller – Stromwechselrichter eine Verkleinerung der erforderlichen Induktivität der Stromzwischenkreis-Drossel realisiert wird, wodurch zugleich die notwendigen Kosten, de Verluste, die Serviceanforderungen und das Bauvolumen des vorgeschlagenen Stromrichters gegenüber Stromrichtern mit konventioneller Technik gesenkt werden. Der vorgeschlagene Stromrichter läßt sich mit einem günstigen Leistungsfaktor und mit reduzierten Oberschwingungen im Netz betreiben. Weiterhin kann der Stromrichter in einfacher Weise modular aufgebaut werden, wodurch durch Parallelschaltung einzelner Module oder von Modulgruppen ein Gesamtstromrichter vielfacher Leistung sowie der Anschluß von zwei oder mehreren Öfen an einen Stromrichter realisiert werden kann. Auch bei Anschluß von mehr als zwei Öfen ist keine komplizierte Steuerung des Tiefsetzstellers und/oder Stromwechselrichters erforderlich. Mit dem vorgeschlagenen Stromrichtersystem können Anlagen zur Induktionserwärmung in einem sehr weiten Leistungsbereich – von einigen kW bis zu einigen 10 MW Ofenleistung – realisiert werden.
  • Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
  • 1 das Blockschaltbild einer Anlage zur Induktionserwärmung gemäß der Erfindung in der Grundkonfiguration, d. h. einsträngig ausgeführt (ohne Parallelschaltung von Modulen),
  • 2 eine Ausführungsform der gesamten Schaltung des Leistungsteiles einer Anlage zur Induktionserwärmung gemäß der Erfindung, mit vereinfachter Darstellung der Module in der Grundkonfiguration, d. h. einsträngig ausgeführt (ohne Parallelschaltung von Modulen),
  • 3a exemplarisch wesentliche Strom- und Spannungsverläufe der Schaltung nach 2,
  • 3b eine zweite Ausführungsform der Schaltung des Gleichrichters (als halbgesteuerter Gleichrichter),
  • 3c eine dritte Ausführungsform der Schaltung des Gleichrichters (als zwölfpulsiger Gleichrichter),
  • 3d eine vierte Ausführungsform der Schaltung des Gleichrichters (als zwölfpulsiger Gleichrichter),
  • 4 eine zweite Ausführungsform der Schaltung eines Tiefsetzstellermodules mit Spannungs- und Stromzwischenkreis,
  • 5a eine dritte Ausführungsform der Schaltung eines Tiefsetzstellermodules mit Spannungs- und Stromzwischenkreis,
  • 5b eine weitere Ausführungsform der Schaltung eines Tiefsetzstellermodules mit Spannungs- und Stromzwischenkreis,
  • 6 eine vierte Ausführungsform der Schaltung eines Tiefsetzstellermodules mit Spannungs- und Stromzwischenkreis,
  • 7 eine zweite Ausführungsform der Schaltung eines Wechselrichtermodules,
  • 8 eine dritte Ausführungsform der Schaltung eines Wechselrichtermodules,
  • 9 eine vierte Ausführungsform der Schaltung eines Wechselrichtermodules,
  • 10 das Blockschaltbild einer Anlage zur Induktionserwärmung gemäß der Erfindung, basierend auf der Grundkonfiguration nach 1, mit Parallelschaltung einzelner Module (Gleichrichter, Tiefsetzsteller) und von Modulgruppen (Tiefsetzsteller + Wechselrichter oder Tiefsetzsteller + Wechselrichter + Lastschwingkreis mit Induktionsofen), zur Veranschaulichung des Prinzips des modularen Aufbaus.
  • 11 das Blockschaltbild einer konventionellen Anlage zur Induktionserwärmung auf Basis eines Thyristor-Gleichrichters und eines Thyristor-Stromwechselrichters (Stand der Technik),
  • Gegenüber der konventionellen Anlage zur Induktionserwärmung gemäß dem Stand der Technik, deren Blockschaltbild in 11 dargestellt ist, wird in der Anlage gemäß der Erfindung anstelle des zweistufigen ein dreistufiger Stromrichter eingesetzt, bestehend aus den drei Teilstromrichtern Gleichrichter, Tiefsetzsteller und Stromwechselrichter. Diese drei Teilstromrichter lassen sich in einfacher Weise als Module ausführen, wie später noch im einzelnen ausgeführt wird. Die Anwendung eines ungesteuerten Gleichrichters stellt dabei eine vorteilhafte Möglichkeit dar, einen schlechten Leistungsfaktor im Netz zu vermeiden. Durch phasenversetzte Parallelschaltung mehrerer derartiger ungesteuerter Gleichrichter lassen sich auch die im Netz erzeugten Oberschwingungen reduzieren. Der ungesteuerte Betrieb des Gleichrichters in einer konventionellen Anlage gemäß 11 bzw. der Ersatz des Thyristor-Gleichrichters 3 durch einen Dioden-Gleichrichter zieht allerdings eine nicht hinnehmbare Begrenzung des Steuerbereiches der Ofenleistung nach sich. Es ist deshalb erforderlich, einen Tiefsetzsteller als zusätzliches leistungselektronisches Stellglied zwischen Gleichrichter und Stromwechselrichter einzufügen.
  • In 1 ist ein Blockschaltbild einer Anlage zur Induktionserwärmung gemäß der Erfindung in der Grundkonfiguration – d. h. einsträngig ausgeführt (ohne Parallelschaltung von Modulen) – dargestellt. Ein Gleichrichter 8 ist über den Transformator 2 mit dem Netzanschluß 1 (Wechelspannungsnetz) verbunden. Der Gleichrichter 8 speist einen Spannungszwischenkreis 9 (mit Spannungszwischenkreis-Kondensator), an welchem ein Tiefsetzsteller 10 angeschlossen ist, welcher über einen Stromzwischenkreis 4 mit Stromzwischenkreis-Drossel einen Stromwechselrichter 11 (IGCT-Stromwechselrichter) speist. Am Ausgang des Stromwechselrichters 11 ist der Last-Parallelschwingkreis bestehend aus Lastkondensator 6 und Induktionsofen 7 angeschlossen. Die Regelung des Energieflusses wird im wesentlichen durch den Tiefsetzsteller 10 vorgenommen.
  • In 2 ist eine Ausführungsform der gesamten Schaltung des Leistungsteiles einer Anlage zur Induktionserwärmung gemäß der Erfindung mit vereinfachter Darstellung der Module in der Grundkonfiguration – d. h. einsträngig ausgeführt (ohne Parallelschaltung von Modulen) – dargestellt, wobei IGCTs (Integrated Gate Commutated Thyristor) als Hauptschalter im Tiefsetzsteller-(Ziffer 10) und im Wechselrichtermodul (Ziffer 11) eingesetzt werden. Die Schaltung besteht aus den Komponenten Netzanschluß 1, Transformator 2, Gleichrichter 8, Spannungszwischenkreis 9 mit Spannungszwischenkreis-Kondensator CDC, Tiefsetzsteller 10, Stromzwischenkreis 4 mit Stromzwischenkreis-Drossel LC, Stromwechselrichter 11, Lastkondensator 6 bzw. Clast und Induktionsofen 7.
  • In 2 wird ein konventioneller Transformator 2 zur Spannungsanpassung und als ungesteuerter Gleichrichter 8 eine sechspulsige Diodenbrücke mit Dioden D1, D2, D3, D4, D5, D6 eingesetzt. Bei nicht hinreichend großer Streuinduktivität des Transformators 2 oder keinem vorhandenem Transformator können optional zwischen Transformator 2 (bzw. Netzanschluß 1) und Diodenbrücke mit den Dioden D1...D6 bzw. zwischen Diodenbrücke und Spannungszwischenkreis-Kondensator CDC Drosselspulen zur Stromglättung bzw. Reduktion des di/dt's vorgesehen werden.
  • Alternativ zur Diodenbrücke mit den Dioden D1...D6 können auch ein sechspulsiger Thyristor-Gleichrichter oder eine halbgesteuerte sechspulsige Schaltung als Gleichrichter 8 verwendet werden. Der Spannungszwischenkreis-Kondensator CDC dient zur Glättung der gleichgerichteten Spannung.
  • Der Tiefsetzsteller 10 besteht aus einem Hauptschalter TC, einer Freilaufdiode DC und einem Einschaltentlastungsnetzwerk mit den Komponenten Einschaltentlastungs-Drossel LS, Einschaltentlastungs-Diode DS, Einschaltentlastungs-Kondensator CS und Einschaltentlastungs-Widerstand RS. Das Einschaltentlastungsnetzwerk ist insbesondere bei dem Einsatz eines IGCT als Hauptschalter TC vorzusehen. Es kann jedoch auch bei Verwendung anderer Halbleiterschalter (z. B. IGBT oder MOSFET) vorgesehen werden. Zwischen Tiefsetzsteller 10 und Stromwechselrichter 11 befindet sich die Stromzwischenkreis-Drossel LC, welche den Tiefsetzstellerausgangsstrom bzw. den Wechselrichtereingangsstrom ILC glättet. Der Stromwechselrichter 11 besteht aus zwei symmetrischen (rückwärts sperrenden) Hauptschaltern (Leistungshalbleiterschalter) je Zweig, d. h. aus insgesamt vier Leistungshalbleiterschaltern T11, T12, T21, T22. Eine Kommutierungsdrossel Lkomm ist in einer oder beiden Phasen zwischen den Wechselrichterzweigen und dem Lastkondensator 6 angeschlossen und begrenzt die di/dt's während der Kommutierungen der Hauptschalter T11–T22.
  • Der Lastkondensator 6 bzw. Clast bildet zusammen mit dem parallel geschalteten Induktionsofen 7, welcher durch eine Reihenschaltung des Ofenwiderstandes Rofen und der Ofeninduktivität Lofen nachgebildet werden kann, einen Schwingkreis. Die Eigenfrequenz des Schwingkreises, genannt Ofenfrequenz, wird durch die Größe des Lastkondensators 6 und die Ofenparameter bestimmt und ist mit den Ofenparametern vom Zustand des Ofens, d. h. Masse, Zusammensetzung und Temperatur seines Inhalts, abhängig.
  • Im Folgenden wird die Funktionsweise der Anlage am Beispiel der Ausführungsform der Schaltung mit IGCTs nach 2 erläutert. Der Spannungszwischenkreis-Kondensator CDC wird durch den Gleichrichter 8 auf eine Gleichspannung geladen. Das Übersetzungsverhältnis des Transformators 2, welches zusammen mit der Höhe der Nennspannung des Netzanschlusses 1 die Höhe der Spannung des Spannungszwischenkreises 9 bestimmt, ist so zu bemessen, dass die Spannung UDC des Spannungszwischenkreises 9 geringfügig grösser ist als der maximale Mittelwert der Wechselrichtereingangsspannung UWR bzw. der maximale Gleichrichtwert der Spannung Ulast am Induktionsofen (Ofenspannung).
  • Die Steuerung bzw. Regelung der Ofenleistung kann durch eine Steuerung bzw. Regelung der Ausgangsspannung des Tiefsetzstellers 10 durch Variation der Ein- bzw. Auszeiten des Schalters TC erfolgen. Hierzu wird die Ansteuerung des Hauptschalters TC im Tiefsetzsteller durch eine Zweipunktregelung des Stromes ILC realisiert. Der Tiefsetzsteller 10 kann mit löckenden oder mit nicht löckenden Strom ILC betrieben werden. Die Steuerung des Tiefsetzstellers 10 ist auf die Wechselrichtereingangsspannung UWR synchronisiert.
  • Der Stromwechselrichter 11 arbeitet last- oder selbstgeführt. Bei Lastführung wird er im Blockbetrieb so angesteuert, dass kurz vor Spannungsumkehr am Lastkondensator Clast die Hauptschalter der gerade nicht leitenden Diagonale, welche mit Blockierspannung beansprucht sind, gezündet werden und damit der Strom ILC begrenzt durch die Kommutierungsinduktivität Lkomm auf diese Diagonale kommutiert, wonach die Hauptschalter der anderen Diagonale passiv ausschalten und kurzzeitig Sperrspannung übernehmen, bis sich die Spannung am Lastkondensator Clast umkehrt. Danach übernehmen die gerade ausgeschalteten Hauptschalter Blockierspannung. Die Hauptschalter T11...T22 des Stromwechselrichters 11 werden in der Regel aktiv ein- und passiv ausgeschaltet (d. h. nach dem Rückstromabriss). Da die Kommutierung im stationären Zustand im Allgemeinen in der Nähe des Nulldurchganges der Ofenspannung Ulast initiiert wird, entstehen nur geringe Schaltverluste.
  • In 3a sind exemplarisch zur vorstehenden Erläuterung der Funktionsweise wesentliche zeitliche Strom- und Spannungsverläufe der Schaltung nach 2 dargestellt, und zwar der Spannung UDC des Spannungszwischenkreises 9, der Wechselrichtereingangsspannung UWR, des Tiefsetzsteller-Ausgangsstromes ILC, welcher gleichzeitig den Wechselrichter-Eingangsstrom darstellt, der Ofenspannung Ulast und des Laststromes Ilast zwischen Stromwechselrichter 11 und Lastkondensator 6.
  • Zusätzlich zur Leistungsregelung durch den Tiefsetzsteller 10 ist eine Leistungsregelung durch den Stromwechselrichter 11 möglich, indem der Stromwechselrichter 11 mit Phasenanschnitt- oder Phasenabschnittsteuerung oder PWM betrieben wird. Im Fall der Phasenabschnittsteuerung bzw. PWM arbeitet der Stromwechselrichter 11 selbstgeführt.
  • In den 3b, 3c, 3d sind drei alternative Ausführungsformen des Gleichrichters 8 bzw. des Gleichrichtermodules mit Netzanschluß 1, Transformator 2 und Spannungszwischenkreis 9 dargestellt. 3b zeigt einen halbgesteuerten Gleichrichter, bestehend aus den Thyristoren T1, T2, T3 und den Dioden D4, D5, D6. Ein halbgesteuerter Gleichrichter ermöglicht gegenüber einem ungesteuerten Gleichrichter ein langsames Hochfahren der Spannung UDC des Spannungszwischenkreises (CDC) ohne zusätzliche Starteinrichtung. Diese Funktion wird auch durch einen vollgesteuerten Gleichrichter, bestehend aus sechs Thyristoren T1, T2, T3, T4, T5, T6 in Brückenschaltung erfüllt.
  • 3c bzw. 3d zeigen zwei ungesteuerte 12-pulsige Gleichrichter (Diodengleichrichter), wobei die Ausgänge der beiden Diodenbrücken in einer Parallel- bzw. Reihenschaltung miteinander verbunden sind. Die Eingänge der Diodenbrücken sind an einen Stern-Stern-Dreieck-Transformator mit 30° Phasenverschiebung zwischen den Sekundärwicklungen angeschlossen.
  • In den 4, 5a, 5b und 6 sind vier alternative Ausführungsformen des Tiefsetzstellers 10 bzw. Tiefsetzstellermodules mit Spannungszwischenkreis 9 und Stromzwischenkreis 4 detaillierter dargestellt. In 4 ist eine zweite Ausführungsform der Schaltung eines Tiefsetzstellermodules mit Spannungs- und Stromzwischenkreis dargestellt. 4 zeigt die Schaltung des Tiefsetzstellermodules wie in 2, wobei zusätzlich ein Widerstand RDis parallel zu CDC und eine Spule LG zwischen Gleichrichter 8 und den Anschlüssen von RDiS und CDC vorgesehen sind. Der Widerstand RDis ist für die gesicherte Entladung des Spannungszwischenkreis-Kondensators CDC nach dem Herunterfahren des Stromrichters erforderlich. Die Spule LG dient der dynamischen Entkopplung mehrerer parallel an einem Spannungszwischenkreis 9 angeschlossener Tiefsetzsteller. Anstelle eines IGCT kann im Tiefsetzsteller auch ein IGBT, ein GTO oder ein anderer über den Steueranschluß ein- und ausschaltbarer Leistungshalbleiterschalter – beispielsweise MOSFET, MCT, IEGT, SiC-Bauelement – für den Hauptschalter TC eingesetzt werden.
  • Beim Einsatz eines IGBT ist das Einschaltentlastungsnetzwerk bestehend aus den vorstehend erwähnten Komponenten LS, DS, CS und RS nicht erforderlich. Diese in 6 gezeigte Schaltung stellt eine vierte Ausführungsform der Schaltung eines Tiefsetzstellers bzw. Tiefsetzstellermodules mit Spannungs- und Stromzwischenkreis dar. Bei An wendung eines GTOs sind entsprechende, allgemein bekannte Ein- und Ausschaltentlastungsnetzwerke in den Tiefsetzsteller zu integrieren. Optional können Ein- und Ausschaltentlastungsnetzwerke auch zur Reduktion der Schaltverluste bei dem Einsatz von Bauelementen, welche Ein- und/oder Ausschaltentlastungsnetzwerke nicht zwingend erfordern (wie z. B. IGBTs oder MOSFETs), eingesetzt werden.
  • 5b zeigt eine weitere Ausführungsform des Tiefsetzstellers mit einem solchen aus den Komponenten LS, DS, CS2 und RS bestehenden Ein- und Ausschaltentlastungsnetzwerk. Zur Ausschaltentlastung ist gegenüber dem vorstehend beschriebenen Einschaltentlastungsnetzwerk der Ausschaltentlastungs-Kondensator CS2 ergänzt.
  • In 5a ist eine dritte Ausführungsform der Schaltung eines Tiefsetzstellers mit Spannungs- und Stromzwischenkreis dargestellt, und zwar zeigt 5a eine Schaltung des Tiefsetzstellers bzw. Tiefsetzstellermodules mit einem zusätzlichen Schalter TS1. Beim Einsatz eines IGCTs oder GTOs für den Hauptschalter TC kann im Fehlerfall im Tiefsetzsteller oder im Stromwechselrichter durch Ausschalten des zusätzlichen Schalters TS1 der Spannungszwischenkreis 9 rechtzeitig vom Netzanschluß 1 getrennt werden, um eine Nachladung des Spannungszwischenkreis-Kondensators CDC und eine dadurch bedingte Zerstörung von Komponenten des Tiefsetzstellers und/oder Stromwechselrichters zu verhindern. Der zusätzliche Schalter TS1 kann als IGCT, IGBT oder auch als anderer schnell schaltender, über den Steueranschluß ein- und ausschaltbarer Leistungshalbleiterschalter realisiert werden.
  • Die Stromzwischenkreis-Drossel LC kann unabhängig von der Auswahl des Leistungshalbleiters, dem Einsatz eines zusätzlichen Schalters TS1 und dem Einsatz einer Spule LG als einfache Spule im Hinleiter, wie in 4 und 6 gezeigt, oder als auf Hin- und Rückleiter verteilte, magnetisch gekoppelte Spule, wie in 5a, b gezeigt, ausgeführt werden. Die Ausführung von LC gemäß 5a, b kann hinsichtlich der Entkopplung von Stromwechselrichter und Tiefsetzsteller vorteilhaft sein.
  • In den 7 bzw. 8 bzw. 9 sind eine zweite bzw. dritte bzw. vierte Ausführungsform der Schaltung eines Stromwechselrichters bzw. Wechselrichtermodules detailliert dargestellt. Gegenüber der Schaltung in 2 ist in 7 ein zusätzlicher, parallel zu den aus den Leistungsschaltern T11...T22 gebildeten Zweigen angeordneter Schalter (Thyristor) TS2 gezeigt, dessen Gate-Anschluß an eine Schutzsteuerung 12 angeschlossen ist. Die zusätzliche Anordnung von TS2 dient dem Schutz der Leistungsschalter T11 bis T22. Im Fehlerfall (z. B. bei Überspannung) kann TS2 eingeschaltet werden und den Strom ILC übernehmen.
  • Eine sehr einfache Möglichkeit der Realisierung der Schutzsteuerung 12 stellt eine Kippspannungsdiode (BOD-Diode) DBOD dar, die kathodenseitig an die positive Klemme des Wechselrichtereingangs und anodenseitig an den Gate-Anschluß des Schalters (Thyristors) TS2 angeschlossen ist, wie in 8 dargestellt ist. Die Kippspannungsdiode DBOD ist so auszulegen, daß sie vor Erreichen der maximal zulässigen Sperrspannung der Leistungsschalter T11 bis T22 über Kopf zündet und damit den Thyristor TS2 einschaltet. Der Thyristor TS2 schließt den Wechselrichtereingang kurz.
  • Die Leistungsschalter T11 bis T22 des Stromwechselrichters können als symmetrische, aktiv ein- und/oder ausschaltbare Leistungshalbleiterschalter – z. B. GTO, IGCT, MCT, Thyristoren, SiC-Bauelemente – oder als asymmetrische, aktiv ein- und/oder ausschaltbare Leistungshalbleiterschalter – z. B. GTO, IGCT, IGBT, MCT, IEGT, Thyristoren, MOSFET, SiC-Bauelemente – mit Reihendiode (siehe Reihendioden D11, D12, D21, D22 in 8) ausgeführt werden. Beim Einsatz von GTOs oder Thyristoren sind entsprechende, aus der Literatur allgemein bekannte Entlastungsnetzwerke vorzusehen.
  • Exemplarisch zeigen 7 eine Schaltung mit Einsatz von symmetrischen IGCTs und 8 eine Schaltung mit Einsatz von asymmetrischen IGCTs mit Reihendioden D11 bis D22. Die Kommutierungsdrossel Lkomm (siehe 7 und 8) ist zur Begrenzung des di/dt bei Betrieb des Wechselrichters in Phasenanschnittsteuerung bei Verwendung von einrastenden Bauelementen – z. B. GTO, IGCT, Thyristoren – erforderlich, falls die Streuinduktivität Lσ (siehe 9) nicht hinreichend groß ist. Soll der Stromwechselrichter 11 in Phasenabschnittsteuerung betrieben werden, können zur Entlastung der Ausschaltvorgänge durch Begrenzung des du/dt Snubberkondensatoren CSN parallel zu den Hauptschaltern T11 bis T22 angeordnet werden, wie in 9 gezeigt ist.
  • Der modulare Aufbau des Stromrichters erlaubt eine Erweiterung der Schaltung, indem einzelne Module oder Gruppen von Modulen parallel zusammen geschaltet werden. Damit können sehr einfach Stromrichter vielfacher Leistung modulartig aufgebaut werden und Induktionsöfen sehr großer Leistung durch derartige zusammengeschaltete Stromrichter betrieben werden oder auch mehrere Induktionsöfen an einer Anlage betrieben werden, wobei einzelne Stromrichtermodule für mehrere Öfen genutzt werden können.
  • In 10 ist das Blockschaltbild einer Anlage zur Induktionserwärmung gemäß der Erfindung, basierend auf der Grundkonfiguration nach 1, mit Parallelschaltung einzelner Module (Gleichrichter, Tiefsetzsteller) und von Modulgruppen (Tiefsetzsteller + Stromwechselrichter oder Tiefsetzsteller + Stromwechselrichter + Lastschwingkreis mit Induktionsofen), zur Veranschaulichung des Prinzips des modularen Aufbaus dargestellt. Insbesondere sind die Möglichkeiten des Zusammenschaltens von Stromrichtermodulen anhand des gezeigten Blockschaltbildes exemplarisch dargestellt.
  • Gemeinsamer Verbindungspunkt in der Kette der drei Stromrichtermodule Gleichrichter 8, Tiefsetzsteller 10 und Stromwechselrichter 11 ist der Spannungszwischenkreis 9. Die zur Bereitstellung der gewünschten Leistung erforderliche Zahl von Gleichrichtern 8 – zum Beispiel sechspulsige Diodengleichrichter wie in 2 – sind parallel an den Spannungszwischenkreis 9 angeschlossen. Jeder Gleichrichter 8 kann entweder durch einen eigenen Transformator 2 an das Netz 1 (Mittelspannungsnetz) angeschlossen sein oder es kann ein Mehrwicklungs-Transformator zum Anschluß mehrerer Gleichrichter dienen. Durch den Anschluß zweier sechspulsiger Dioden-Gleichrichter an einen Dreiwicklungs-Transformator entsteht beispielsweise ein 12-pulsiger Gleichrichter.
  • Durch eine geeignete netzseitige Zusammenschaltung von drei oder vier sechspulsigen Gleichrichtern 8 (Dioden-Gleichrichter) mit entsprechenden Transformatoren 2 kann eine 18- bzw. 24-Puls Charakteristik erreicht werden. Damit ist insbesondere bei hohen Leistungen unter Nutzung mehrerer parallel geschalteter Dioden-Gleichrichter ein Betrieb mit hohem Leistungsfaktor und deutlich reduzierten Stromoberschwingungen im Netz möglich. Die Anzahl der Gleichrichter 8, welche in den Spannungszwischenkreis 9 einspeisen, muß nicht gleich der Zahl der an den Spannungszwischenkreis 9 angeschlossenen Tiefsetzsteller 10 sein.
  • An den Spannungszwischenkreis 9 können parallel mehrere Tiefsetzsteller 10 angeschlossen sein. Die Spannungszwischenkreis-Kondensatoren CDC können direkt an der Sammelschiene des Spannungszwischenkreises 9 angeordnet werden oder sind Bestandteil der Tiefsetzsteller 10 bzw. Tiefsetzstellermodule. In letzterem Fall können sie vorteilhafter Weise über eine Spule (siehe LG in 4) an die Sammelschiene angeschlossen werden, um eine dynamische Entkopplung zu erzielen. Es besteht sowohl die Möglichkeit, daß jeder Tiefsetzsteller 10 einen eigenen Stromwechselrichter 11 speist als auch, daß zwei oder mehrere Tiefsetzsteller 10 parallel einen oder mehrere Stromwechselrichter 11 speisen. Die Ansteuerung der Tiefsetzsteller 10 bzw. Tiefsetzstellermodule kann unabhängig voneinander erfolgen. Ein einzelner oder die parallel geschalteten Ausgänge mehrerer Stromwechselrichter 11 speisen einen Lastschwingkreis.
  • Für den Fall, daß mehrere Stromwechselrichter 11 parallel einen Lastschwingkreis mit Induktionsofen speisen, müssen diese Stromwechselrichter 11 synchron angesteuert werden. Für einen Induktionsofen mit 8 MW Leistung können beispielsweise vier Tiefsetzsteller 10 zu 2 MW Leistung und zwei Stromwechselrichter 11 zu 4 MW Leistung zu einem Stromrichter zusammen geschaltet werden, wobei je zwei Tiefsetzsteller 10 einen Stromwechselrichter 11 speisen und beide Stromwechselrichter 11 parallel den Lastschwingkreis speisen. An denselben Spannungszwischenkreis 9 können problemlos weitere Induktionsöfen verschiedener Leistung angeschlossen werden.
  • Die mechanische Konstruktion des Stromrichters wird vorteilhaft so ausgeführt, daß die Module Gleichrichter 8, Tiefsetzsteller 10 und Stromwechselrichter 11 nicht nur elektrisch, sondern auch mechanisch als Einheiten zu verstehen sind. Die mechanische Modularität vereinfacht den Zusammenbau oben beschriebener Stromrichter höherer Leistung und den Service der Stromrichter. Der Spannungszwischenkreis-Kondensator CDC bzw. die Spannungszwischenkreis-Kondensatoren für den Spannungszwischenkreis 9 (zwischen Gleichrichter 8 und Tiefsetzsteller 10) und die Stromzwischenkreis-Drossel bzw. -Drosseln LC (zwischen Tiefsetzsteller 10 und Stromwechselrichter 11) können mechanisch vorzugsweise als Bestandteil des Tiefsetzstellers 10 bzw. Tiefsetzstellermodules ausgeführt werden.

Claims (19)

  1. Induktionserwärmungsanlage mit einem Gleichrichter (8), welcher über einem Stromzwischenkreis (4) mit mindestens einer Stromzwischenkreis-Drossel (LC) mit einem Stromwechselrichter (11) verbunden ist, an welchen ein Lastschwingkreis mit Lastkondensator (6, Clast) und Induktionsofen (7, Lofen, Rofen) angeschlossen ist, wobei zwischen Gleichrichter (8) und Stromzwischenkreis (4) mit Stromwechselrichter (11) ein Spannungszwischenkreis (9) mit mindestens einem Spannungszwischenkreis-Kondensator (CDC) und ein Tiefsetzsteller (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiefsetzsteller (10) aus einem Hauptschalter (TC), dessen Ansteuerung durch eine Zweipunktregelung eines Wechselrichtereingangsstromes (ILC) geregelt ist, im Längszweig und einer Freilaufdiode (DC) im Querzweig gebildet ist, wobei der Tiefsetzsteller (10) auf eine Wechselrichtereingangsspannung (UWR) synchronisiert ist.
  2. Induktionserwärmungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptschalter (TC) mit einem Einschaltentlastungsnetzwerk mit Einschaltentlastungs-Drossel (LS), Einschaltentlastungs-Diode (DS), Einschaltentlastungs-Kondensator (CS) und Einschaltentlastungs-Widerstand (RS) beschaltet ist.
  3. Induktionserwärmungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptschalter (TC) mit einem Ein- und Ausschaltentlastungsnetzwerk mit Schaltentlastungs-Drossel (LS), Schaltentlastungs-Diode (DS), Schaltentlastungs-Kondensatoren (CS und CS2) und Schaltentlastungs-Widerstand (RS) beschaltet ist.
  4. Induktionserwärmungsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstand (RDis) parallel zum Spannungszwischenkreis-Kondensator (CDC) angeordnet ist.
  5. Induktionserwärmungsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spule (LG) zwischen Gleichrichter (8) und Spannungszwischenkreis (9) angeordnet ist.
  6. Induktionserwärmungsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Schalter (TS1) zwischen Gleichrichter (8) und Spannungszwischenkreis (9) angeordnet ist.
  7. Induktionserwärmungsanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromwechselrichter (11) aus vier, zwei Wechselrichterzweige bildende Leistungshalbleiterschaltern (T11, T12, T21, T22) besteht.
  8. Induktionserwärmungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kommutierungsdrossel (Lkomm) in einer der beiden Phasen zwischen den Wechselrichterzweigen und dem Lastschwingkreis angeordnet ist.
  9. Induktionserwärmungsanlage nach Anspruch 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass den Leistungsschaltern (T11, T12, T21, T22) jeweils Dioden (D11, D12, D21, D22) in Reihe liegen.
  10. Induktionserwärmungsanlage nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass den Leistungsschaltern (T11, T12, T21, T22) jeweils Snubberkondensatoren (CSN) parallel liegen.
  11. Induktionserwärmungsanlage nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu den Wechselrichterzweigen ein zusätzlicher, mittels einer Schutzsteuerung (12) ansteuerbarer Schalter (TS2) angeordnet ist.
  12. Induktionserwärmungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kippspannungsdiode (DBOD) als Schutzsteuerung dient.
  13. Induktionserwärmungsanlage nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ungesteuerten Gleichrichter (D1, D2, D3, D4, D5, D6).
  14. Induktionserwärmungsanlage nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen halbgesteuerten Gleichrichter (T1, T2, T3, D4, D5, D6).
  15. Induktionserwärmungsanlage nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen höherpulsig gesteuerten oder ungesteuerten Gleichrichter (D1...D12).
  16. Induktionserwärmungsanlage nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (8) über einen Transformator (2) an ein Netz (1) angeschlossen ist.
  17. Induktionserwärmungsanlage nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gleichrichter (8), und/oder Tiefsetzsteller (10) und/oder Stromwechselrichter (11) jeweils als Modul, d. h. Gleichrichtermodul, Tiefsetzstellermodul, Stromwechselrichtermodul, ausgebildet sind.
  18. Induktionserwärmungsanlage nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein als Modul ausgebildeter Tiefsetzsteller mindestens einen Spannungszwischenkreis-Kondensator (CDC) und/oder mindestens eine Stromzwischenkreis-Drossel (LC) enthält.
  19. Induktionserwärmungsanlage nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Teilstromrichter, wie Gleichrichter (8), Tiefsetzsteller (10) und/oder Stromwechselrichter (11), oder Module oder Gruppen von Modulen zu einem Stromrichter größerer Leistung zusammengeschaltet sind, wobei ein oder mehrere Gleichrichtermodule in den Spannungszwischenkreis (9) einspeisen, ein oder mehrere Tiefsetzstellermodule an den Spannungszwischenkreis (9) angeschlossen sind, ein oder mehrere Tiefsetzstellermodule einen oder mehrere Stromwechselrichtermodule speisen und ein oder mehrere Stromwechselrichtermodule einen Lastschwingkreis mit Lastkondensator (6, Clast) und Induktionsofen (7, Lofen, Rofen) speisen, ein oder mehrere Lastschwingkreise mit Lastkondensator und Induktionsofen an den Stromrichter angeschlossen sind.
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NÜHRMANN,Dieter: Das große Werkbuch Elektronik, Franzis Verlag, Poing, 1998, ISBN 3-7723-6547-7, S.2606-2609,2568-2573 NUNS, J. PEUREUX J.L.: ONDULEUR DE COURANT A GTO APPLIQUE AU CHAUFFAGE PAR INDUCTION A FORTE PUISS-AMCE ET MOYENNE FREQUENCE REVUE GENERALE DE L` ELECTRICITE, RGE, Paris, No.6, Juni 1992, ISSN 0035-3116
NUNS, J.; PEUREUX J.L.: ONDULEUR DE COURANT A GTO APPLIQUE AU CHAUFFAGE PAR INDUCTION A FORTE PUISS-AMCE ET MOYENNE FREQUENCE REVUE GENERALE DE L` ELECTRICITE, RGE, Paris, No.6, Juni 1992, ISSN 0035-3116 *

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