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Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizvorrichtung
zum induktiven Heizen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Induktionsheizvorrichtung.
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Derartige Induktionsheizvorrichtungen
werden eingesetzt, um berührungslos
elektrisch leitende Materialien zu erhitzen oder zu schmelzen.
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Eine Induktionsheizvorrichtung nach
dem Stand der Technik ist wie folgt aufgebaut:
Aus ein- oder
dreiphasigen Netzversorgung wird Wechselspannung mit Netzfrequenz
zugeführt.
Diese Wechselspannung wird mittels eines Gleichrichters gleichgerichtet
und durch einen Glättungskondensator
geglättet.
Die notwendige Kapazität
des Glättungskondensators
ergibt sich aus der Restwelligkeit der gleichgerichteten Wechselspannung,
die im Falle eines einphasigen Netzes sehr viel höher ist als
bei einem dreiphasigem Netz, und dem abgenommenen Strom. Üblicherweise
kann die so erzeugte Gleichspannung höhere Spannungswerte erreichen als
der Effektivwert der Wechselspannung. Der Bestandteil der elektrischen
Schaltung hinter dem Gleichrichter wird als Zwischenkreis bezeichnet
und die hier anliegende Gleichspannung als Zwischenkreisspannung.
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Hinter dem Zwischenkreis schließt sich
ein Wechselrichter an, der die Gleichspannung wieder in eine nun
höherfrequente
Wechselspannung umformt. Um eine möglichst hohe Effektivität der Schaltung
zu erreichen, werden hier Frequenzen im Bereich von 10 kHz bis 100
kHz verwendet. Dazu weist der Wechselrichter vier in Brückenschaltung
angeordnete elektronische Schalter auf, die den Ausgang entweder
direkt mit dem Eingang des Wechselrichters oder den Ausgang umgepolt
mit dem Eingang des Wechselrichters verbinden. Durch abwechselndes
Schalten jeweils zweier elektronischer Schalter wird so aus der
Gleichspannung eine rechteckförmige
Wechselspannung erzeugt.
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Mit der durch den Wechselrichter
erzeugten Wechselspannung wird eine Spule gespeist, die mit dem
zu erhitzenden Heizgut zusammenwirkt. Das durch die Spule erzeugte
wechselnde Magnetfeld induziert in dem Heizgut Ströme, die
für die
Erwärmung des
Heizgutes sorgen. Um einen höheren
Wirkungsgrad zu erreichen, wird zusätzlich zu der Spule ein Kondensator
geschaltet, der mit der Spule zusammen einen Schwingkreis bildet.
Idealerweise wird der Wechselrichter im Bereich der Resonanzfrequenz dieses
Schwingkreises betrieben.
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Eine solche Schaltung wird beispielsweise
in der Patentanmeldung
DE
101 06 245 A1 beschrieben.
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Die Leistungsregelung einer Induktionsheizvorrichtung
kann auf verschiedene Weise erfolgen. So ist es aus der
DE 101 13 123 A1 bekannt,
durch einen Steuerwinkelregler am Gleichrichter die Zwischenkreisspannung
zu beeinflussen. In der
DE
101 06 245 A1 erfolgt dies durch eine Pulsweitenmodulation
im Schwingkreis. Die
EP
450 744 B1 setzt hier auf eine Phasenverschiebung in Schwingkreis,
während
es weiterhin bekannt ist, eine Leistungsanpassung durch Veränderung
der Schwingkreis-Frequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz vorzunehmen.
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Es ergibt sich aus dem Aufbau der
Schaltung einer Induktionsheizvorrichtung, dass bei einem einphasigen
Netz durch den Gleichrichter immer dann ein sehr hoher Strom aus
dem Netz entnommen wird, wenn die Netzspannung die Spannung des
Zwischenkreises übersteigt.
Dies ist jeweils nur kurzzeitig während der Spannungsspitzen
der Fall. Dadurch wird das Versorgungsnetz ungünstig belastet. Es ist zwar
beispielsweise aus der
DE
40 05 129 A1 bekannt, durch entsprechendes Regeleinrichtungen dem
Netz möglichst
sinusähnliche
Ströme
zu entnehmen. Dies setzt jedoch aufwändige Regelschaltungen und
Ansteuerungen dieser Schaltungen voraus.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
eine einfache und preiswerte Schaltung für eine Induktionsheizvorrichtung
für den
Betrieb an einem einphasigen Netz bereitzustellen, die im Betrieb
möglichst blindleistungsfrei
und oberwellenfrei am Netz betrieben werden kann. Darüber hinaus
ergibt sich als weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen,
mit dein die erfindungsgemäße Schaltung hinsichtlich
ihrer Leistung gesteuert werden kann, ohne die Vorteile der Schaltung
einzubüßen.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch
in die Merkmale der Ansprüche
1 und 8 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis
zu Grunde, dass die Netzstörungen
im wesentlichen durch den kurzen, impulsartigen Stromfluss verursacht werden,
der in dem Moment auftritt, in dein die Netzspannung die Zwischenkreisspannung übersteigt und
der üblicherweise
in einphasigen Netzen eingesetzte Glättungskondensator zur Glättung der
welligen Gleichspannung aufgeladen wird. Es wurde überraschenderweise
erkannt, dass ein solcher Glättungskondensator
für den
Betrieb einer Induktionsheizvorrichtung nicht erforderlich ist.
Dabei wird in Kauf genommen, dass die Netzfrequenz bzw. durch die
Gleichrichtung die doppelte Netzfrequenz letztendlich auch am Heizgut
anliegt. Dies ist jedoch für den
Heizvorgang nicht störend,
da die Dynamik der thermischen Vorgänge weit außerhalb der Netzfrequenz liegt.
Der Vorteil dieser Schaltung liegt nun darin, dass dem Netz über die
volle Periode einer Netzschwingung dein Netz phasengleich zur Spannung Strom
entnommen wird.
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Da der Schwingkreis und das Netz
direkt in Verbindung stehen, würde
sich die Schwingkreisfrequenz als Störung auf dem Netz auswirken.
Es wird daher in einer Weiterbildung der Erfindung zwischen dem
Gleichrichter und dem Wechselrichter ein Tiefpassfilter eingesetzt,
dass die Schwingkreisfrequenz aus der Netzfrequenz herausfiltert.
Dieses Tiefpassfilter ist nicht mit einem Glättungskondensator oder Glättungsfilter
zu verwechseln. Während
ein Glättungskondensator
die Aufgabe hat, aus der pulsierenden Gleichspannung eine geglättete Gleichspannung
zu machen, hat das hier eingesetzte Tiefpassfilter eine wesentlich
höhere
Grenzfrequenz, die deutlich oberhalb der Netzfrequenz liegt. Je
nach Ordnung dieses Filters hat bereits eine um den Faktor fünf oder
zehn oberhalb der Netzfrequenz liegende Grenzfrequenz des Filters
keine Glättungswirkung auf
die Gleichspannung.
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Andererseits muss die Grenzfrequenz
deutlich unterhalb der Frequenz des Wechselrichters liegen. Werte
unterhalb einem Drittel beziehungsweise einem Zehntel der Wechselrichterfrequenz
haben sich als wirkungsvoll herausgestellt.
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Das Tiefpassfilter kann durch einen
Zwischenkreiskondensator geeigneter Kapazität gebildet werden. Um zu erreichen,
dass sich die Spannungsänderung,
wie sie gewollt durch das Umschwingen des Schwingkreiskondensators
erfolgt, sich nur mit einer geringeren Amplitude auf den Zwischenkreiskondensator
auswirkt, sollte die Kapazität des
Zwischenkreiskondensators höher
als die des Schwingkreiskondensators sein, zumindest um den Faktor
3, Idealerweise um den noch größeren Faktor 10.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben
einer Induktionsheizvorrichtung baut auf der Tatsache auf, dass
in dem Wechselrichter jeweils zwei Schalterpaare abwechselnd in
der Weise von einer Steuereinrichtung geschaltet werden, dass aus der
Gleichspannung eine Rechteckwechselspannung erzeugt wird. Um die
Leistungsregelung zu gewährleisten,
werden in dein erfindungsgemäßen Verfahren
einzelne Betätigungen,
mit denen die Schalterpaare angesteuert werden, in dem Maße ausgelassen,
wie eine Leistungsminderung erwünscht
ist.
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In einer Weiterentwicklung des Verfahrens wird
das Steuergerät
so betrieben, dass sich die durchgeführten und ausgelassenen Betätigungen möglichst
oft abwechseln. Hierdurch wird zumindest teilweise vermieden, dass
der Wechselrichterfrequenz ein geringerfrequenter Anteil überlagert
wird. Ein störender
Gleichspannungsanteil wird dadurch vermieden, dass das Auslassen
der Betätigung gleichmäßig mit
beiden Schalterpaaren erfolgt.
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Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden unter
Hinweis auf die beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben.
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Es stellen dar:
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1 Das
Schaltbild der erfindungsgemäßen Induktionsheizvorrichtung,
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2.1 den
Schwingkreisspannungsverlauf in großem Zeitmaßstab bei Volllast,
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2.2 den
Schwingkreisstromverlauf in großem
Zeitmaßstab
bei Volllast,
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2.3 den
Netzstromverlauf in großem Zeitmaßstab bei
Volllast,
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3.1 den
Schwingkreisspannungsverlauf in kleinem Zeitmaßstab bei Volllast als Hüllkurve,
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3.2 den
Schwingkreisstromverlauf in kleinem Zeitmaßstab bei Volllast als Hüllkurve,
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3.3 den
Netzstromverlauf in kleinem Zeitmaßstab bei Volllast,
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4.1 den
Schwingkreisspannungsverlauf in großem Zeitmaßstab bei Teillast,
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4.2 den
Schwingkreisstromverlauf in großem
Zeitmaßstab
bei Teillast,
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4.3 den
Netzstromverlauf in großem Zeitmaßstab bei
Teillast,
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5.1 den
Schwingkreisspannungsverlauf in kleinem Zeitmaßstab bei Teillast,
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5.2 den
Schwingkreisstromverlauf in kleinem Zeitmaßstab bei Teillast als Hüllkurve,
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5.3 den
Netzstromverlauf in kleinem Zeitmaßstab bei Teillast.
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In 1 ist
das Schaltbild der erfindungsgemäßen Induktionsheizvorrichtung
dargestellt. Die Induktionsheizvorrichtung zur Erwärmung des
Heizgutes 1 ist an einem einphasigen Netz 2 mit
der Netzspannung uNetz und der Netzfrequenz
fNetz angeschlossen. In einem Gleichrichter 3,
der hier aus vier Dioden als Brückengleichrichter
aufgebaut ist, wird die Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung
gewandelt. Hinter dem Gleichrichter 3 schließt sich
ein Zwischenkreis 5 an. Optional enthält der Zwischenkreis zur Filterung
der hochfrequenten Störungen,
die von dem Netz 2 ferngehalten werden sollen, einen Tiefpassfilter,
der sich aus dem Zwischenkreiskondensator 5.1 und der Zwischenkreisspule 5.2 zusammensetzt.
Es ist hier nicht die Aufgabe des Zwischenkreiskondensators 5.1 die
Gleichspannung zu glätten,
das heißt
sich während
der Spannungsmaxima aufzuladen, um dann die nachfolgende Schaltung
zu versorgen, während
die Netzspannung ihren Nulldurchgang hat. Vielmehr soll hier der
Spannungsverlauf des Gleichrichters im Wesentlichen unverändert bleiben.
Die Kapazität
des Zwischenkreiskondensators 5.1 ist daher so gering gewählt, dass
er zusammen mit der Zwischenkreisspule 5.2 einen Tiefpassfilter
bildet, dessen Eckfrequenz deutlich oberhalb der Netzfrequenz liegt.
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Hinter dem Zwischenkreis 5 schließt sich
ein Wechselrichter 4 an, der die Gleichspannung in eine hochfrequente
Wechselspannung umrichtet. Die durch den Wechselrichter erzeugte
Frequenz fSchw liegt um Größenordnungen
oberhalb der Netzfrequenz fNetz. Der Wechselrichter
baut sich aus vier elektronischen Schaltern 4.1.1, 4.1.2, 4.2.1 und 4.2.2 auf,
die als Vollbrückenschaltung
geschaltet sind und jeweils paarweise schaltbar sind. Dabei bilden
die beiden Schalter 4.1.1 und 4.1.2 sowie die
beiden Schalter 4.2.1 und 4.2.2 jeweils ein Paar.
Als elektronische Schalter werden hier vorzugsweise IGBT oder MOSFET-Schalter
eingesetzt.
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Mit einer Steuereinrichtung 9 erfolgt
durch die Ansteuerung 9.1 und 9.2 die Betätigung der Schalterpaare.
Bei Aktivierung der Ansteuerung 9.1 werden die Schalter 4.1.1 und 4.1.2 betätigt und
dadurch leitend. Dabei fließt
ein Strom iSchw in der dargestellten Richtung.
Wird hingegen die Ansteuerung 9.2 betätigt, werden die Schalter 4.2.1 und 4.2.2 leitend. Dabei
fließt
ein Strom iSchw in einer der Darstellung entgegengesetzten
Richtung. Es versteht sich von selbst, dass die Ansteuerung 9.1 und 9.2 nicht
zur selben Zeit aktiviert werden dürfen. Vielmehr werden die Ansteuerung
und 9.1 und 9.2 mit einer Schaltfrequenz fSchw jeweils abwechselnd aktiviert, so dass
am Ausgang des Wechselrichters 4 eine hochfrequente Wechselspannung
uSchw mit der Frequenz fSchw wirkt. Mit
dieser Frequenz wird der aus der Induktionsspule 7 und
dem Schwingkreiskondensator 8 gebildete Schwingkreis 6 gespeist.
Dabei sind die Induktionsspule 7 und der Schwingkreiskondensator 8 sowie die
Schwingkreisfrequenz fSchw so aufeinander
abgestimmt, dass der Schwingkreis in der Nähe seiner Resonanzfrequenz
betrieben wird.
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Im Wirkbereich der Induktionsspule 7 befindet
sich das Heizgut 1. Durch das wechselnde elektromagnetische
Feld wird in dem Heizgut ein Strom induziert, der das Heizgut erwärmt. Dies
kann beispielsweise eine Schmelze sein. Parallel zu den Schalter 4.1.1, 4.1.2, 4.2.1 und 4.2.2 sind
jeweils Freilaufdioden 4.3 geschaltet, die auch bei nicht
betätigten
Schaltern einen Stromfluss ermöglichen.
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Um die Leistung der Induktionsheizvorrichtung
zu drosseln, wird der Steuereinrichtung 9 ein Leistungssollwert 10 zugeführt. Abhängig von
dem Leistungssollwert 10 lässt die Steuereinrichtung 9 einzelne
Betätigungen
der Ansteuerungen 9.1 oder 9.2 aus, so dass dem
Schwingkreis kurzzeitig keine Energie zugeführt wird.
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In den nachfolgenden 2.1 bis 5.3 sind Simulationsergebnisse
der erfindungsgemäßen Schaltung
aus 1 dargestellt. Dabei
stellt die x.1 jeweils den Spannungsverlauf
uSchw des Schwingkreises dar, die x.2 den dazu gehörenden Stromverlauf iSchw des Schwingkreises, und die x.3 stellt den dazu gehörenden Verlauf
des Netzstromes iNetz dar.
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In 2.1 bis 2.3 sind die Werte mit einer
hohen Zeitauflösung
dargestellt. Die Induktionsheizvorrichtung wird hier mit Volllast
betrieben. Man erkennt in 2.1 den
Spannungsverlauf der Schwingkreisspannung uSchw,
die mit der Schwingkreisfrequenz fSchw rechteckförmig oszilliert.
In der darunter dargestellten 2.2 ist
der dazugehörige
Strom des Schwingkreises iSchw dargestellt.
Da der Schwingkreis durch die Schwingkreisspannung uSchw zu
Schwingungen angeregt wird, ist der Verlauf hier sinusförmig. Die 2.3 zeigt den Verlauf des
Netzstromes iNetz, der hier auf Grund der
Tiefpasscharakteristik des Zwischenkreises keine Anteile mit der
Schwingkreisfrequenz fSchw enthält.
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In 3 sind
die Diagramme aus 2 in
einem kleineren Zeitmaßstab
dargestellt. Aus Darstellungsgründen
werden in 3.1 und 3.2 die Hüllkurven gezeigt, da die Schwingkreisfrequenz
in diesem Maßstab
nicht mehr aufgelöst
werden kann. Es ist hier zwar zu erkennen, dass die Netzfrequenz
sich auch im Schwingkreis auswirkt. Dies ist jedoch wegen der großen Trägheit der
Aufleizvorgänge
nicht relevant. Auf der anderen Seite ist in 3.3 zu erkennen, dass der Stromverlauf
iNetz sehr gut einem Sinusverlauf angenähert ist.
Es sind vor allem keine Anteile der Schwingkreisfrequenz fSchw zu verzeichnen. Lediglich nach den Nulldurchgängen tritt
eine geringe Welligkeit auf. Zudem ist der Stromverlauf iNetz mit dem Netzspannungsverlauf in Phase,
so dass keine Blindleistung übertragen
wird.
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Die 4 und 5 stellen die gleichen Diagramme
wie in den 2 und 3, jedoch für den Teillastbetrieb,
dar. Es werden hier, wie in 4.1 dargestellt,
in der Schwingkreisspannung uSchw jeweils
auf zwei durchgeführte
Betätigungen
der Schalterpaare im Wechselrichter 4 in 1 zwei Betätigungen ausgelassen. Der Schwingkreisstrom
iSchw in 4.2 lässt erkennen,
dass sich die Schwingung während
der durchgeführten
Schalterbetätigungen aufbaut,
während
sie während
der ausgelassenen Schalterbetätigungen
abklingt. Auf Grund dieses Auf- und Abklingens weist der zugehörige Stromverlauf
in 4.3 eine gewisse
Welligkeit auf. Es ist jedoch möglich,
diese Welligkeit entweder durch eine optimierte Abfolge der durchgeführten oder
ausgelassenen Schalterbetätigungen
oder durch eine niedrigere Filtereckfrequenz im Zwischenkreis zu
minimieren. Eine optimierte Abfolge der durchgeführten oder ausgelassenen Schalterbetätigungen
könnte
beispielsweise darin bestehen, dass jeweils nur eine durchgeführte und
ausgelassenen Schalterbetätigung
aufeinander folgen, wodurch die Welligkeit des Netzstromes in einen
höheren
Frequenzbereich und damit in einen Bereich verschoben wird, der
von dem Tiefpassfilter des Zwischenkreises gefiltert wird.
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In den 5.1 bis 5.3 sind wiederum die Diagramme 4.1 bis 4.3 in
kleinerem Zeitmaßstab
dargestellt. Wie schon in 4.3 beschrieben,
fällt auch in 5.3 die Restwelligkeit des
Netzstromes iNetz auf. Auch hier sei auf
die in der Beschreibung zu 4.1 eingegangenen
Gegenmaßnahmen
hingewiesen. Vergleicht man die 5.3 mit
der 3.3, so kann anhand
der Skalierung die geringere Stromaufnahme im Teillastbetrieb erkannt
werden.
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- 1.
- Heizgut
- 2.
- Netz
- 3.
- Gleichrichter
- 4.
- Wechselrichter
- 4.1.1
- Elektronischer
Schalter
- 4.1.2
- Elektronischer
Schalter
- 4.2.1
- Elektronischer
Schalter
- 4.2.2
- Elektronischer
Schalter
- 4.3
- Freilaufdioden
- 5.
- Zwischenkreis
- 5.1
- Zwischenkreiskondensator
- 5.2
- Zwischenkreisspule
- 6.
- Schwingkreis
- 7.
- Induktionsspule
- 8.
- Schwingkreiskondensator
- 9.
- Steuereinrichtung
- 9.1
- Ansteuerung
- 9.2
- Ansteuerung
- 10.
- Leistungssollwert
- uNetz
- Netzspannung
- iNetz
- Netzstrom
- fNetz
- Netzfrequenz
- uZK
- Zwischenkreisspannung
- uSchw
- Schwingkreisspannung
- iSchw
- Schwingkreisstrom
- fSchw
- Schwingkreisfrequenz
- fg
- Grenzfrequenz