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Die
Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung zur Speisung
von Induktionsöfen oder
Induktoren mit einem Drehstromversorgu ngsanschluss, mit
wenigstens zwei an den Drehstromversorgungsanschluss angeschlossenen
Zwischenkreisumrichtern jeweils bestehend aus einem Gleichrichter,
einem Zwischenkreis und einem Wechselrichter und mit einer an die
Wechselrichter angeschlossenen parallelkompensierten Last, insbesondere
einem Induktionsofen oder Induktor.
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Derartige
Stromversorgungseinrichtungen dienen der Speisung von Induktoren
u.a. in Tiegelöfen
oder Rinnenöfen
zum Schmelzen, Warmhalten und/oder Überhitzen von Metallen oder
in Induktionsöfen
zur Wärmebehandlung
metallischer Werkstücke oder
zur Warmformung. Aufgrund des sehr hohen Leistungsbedarfs der vorgenannten
Anwendungen sind die Induktoren über
ihren Netzanschluss stets an das Drehstromnetz anzuschließen.
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Der
Einsatz von Zwischenkreisumrichtern zur Stromversorgung von Induktoren
ist seit längerem
bekannt. Dabei stellt der Parallelschwingkreisumrichter mittlerweile
den für
alle Anwendungen im Gebiet der induktiven Elektrowärme meist
eingesetzten Umrichtertyp dar. Bei diesem bilden ein Kompensationskondensator
und die induktive Last eines Induktors einen Parallelschwingkreis.
Der Vorteil dabei liegt hauptsächlich
in der im Vergleich zu einem Serienschwingkreis reduzierte Strombelastung
des Wechselrichters. Nach herkömmlichen
Schaltungskonzepten wird der Parallelschwingkreis von einem Umrichter
mit Stromzwischenkreis gespeist.
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In
der
EP 1 186 208 B1 ist
ein Parallelschwingkreisumrichter beschrieben, welcher durch einen
Spannungszwischenkreis gespeist wird. Bei diesem Konzept werden
die Vorteile des Parallelschwingkreises mit denen des Spannungszwischenkreises,
nämlich
einem guten netzseitigen Leistungsfaktor, kombiniert. Der in der
Patentschrift beschriebene Wechselrichter ist dabei aus abschaltbaren Halbleiterbauelementen
in Form von IGBTs aufgebaut und sein Ausgang über eine Entkopplungsdrossel
mit dem Parallelschwingkreis verbunden.
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Für verschiedene
Anwendungen sind besonders hohe Induktorleistungen von Bedeutung.
Leistungen bis max. wenige MW können
durch die Parallelschaltung mehrerer Wechselrichter bei konstanter Ausgangsspannung
mit dem Nachteil entsprechend hoher Stromstärken noch realisiert werden.
Zur weiteren Erhöhung
der Induktorleistung ist eine Erhöhung der Ausgangsspannung des
Wechselrichters erforderlich, um die hohen Ströme zu begrenzen. Die maximal
erreichbare Ausgangsspannung des Wechselrichters wird dabei durch
die Spannungsfestigkeit der eingesetzten Halbleiterbauelemente bestimmt. Experimente
haben dabei gezeigt, dass ein besonders zuverlässiger und wirtschaftlicher
Betrieb eines Induktionsofens bei einer Wechselrichterausgangsspannung
von ca. 3 kV möglich
ist.
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Um
Ausgangsspannungen dieser Größenordnung
zu erreichen, ist es einerseits möglich, den Wechselrichter als
Mehrpunkt-Wechselrichter auszuführen.
Dabei wird die Zwischenkreisspannung in zwei oder mehr in Serie
geschaltete Spannungen aufgeteilt, so dass verschiedene Spannungspegel am
Wechselrichterausgang realisiert werden können. Der zentrale Nachteil
eines solchen Schaltungskonzeptes liegt jedoch in der hohen Anzahl
der erforderlichen Halbleiterbauelemente, welche die Komplexität der Schaltung
und damit den Herstellungs- und Serviceaufwand erhöhen. Eine
Ausgangsspannung im Bereich von 3 kV kann andererseits auch durch
den Einsatz hochsperrender Halbleiterbauelemente erreicht werden,
wobei diese jedoch mit steigender Spannung sehr hohe Schaltverluste
erzeugen, was letztlich zu einem Absinken der Ausgangsleistung des
Wechselrichters führt.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungseinrichtung
zur Speisung von Induktionsöfen
oder Induktoren nach dem Oberbegriff zu schaffen, welche hohe Ausgangsspannungen,
insbesondere im Bereich von 3 kV, bei gleichzeitig minimalen Schaltverlusten
erzeugt und sich dabei durch einen einfachen, kostengünstig realisierbaren
Aufbau auszeichnet.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Stromversorgungseinrichtung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass
die Gleichrichter galvanisch voneinander getrennt an den Drehstromversorgungsanschluss
angeschlossen sind und dass die Ausgänge der Wechselrichter der
Zwischenkreisumrichter in Reihe geschaltet sind.
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Die
Reihenschaltung der Wechselrichterausgänge der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung
ermöglicht
eine Verdopplung der Spannung im Lastkreis. Dadurch lassen sich
problemlos Ausgangsspannungen in dem bevorzugten Bereich von ca.
3 kV auch mit einer vergleichsweise geringen Anzahl niedrig sperrender,
verlustarm schaltender Halbleiterbauelemente erreichen. Aufgrund
ihres somit einfachen Aufbaus ist die Stromversorgungseinrichtung
kostengünstig
zu fertigen und verursacht nur geringe Service- und Reparaturkosten.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Gleichrichter über einen
Transformator an den Drehstromversorgungsanschluss angeschlossen,
wobei die Sekundärwicklungen
des Transformators galvanisch voneinander getrennt sind. Der Anschluss
der Gleichrichter an das Netz mittels eines Transformators ist problemlos
realisierbar und erlaubt eine einfache Anpassung der Eingangsspannung
der Gleichrichter über
die Wicklungsszahl.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass die Gleichrichter mehrpulsig, insbesondere 12 oder 24-pulsig, ausgeführt sind.
Eine mehrpulsige Ausführung
der Gleichrichter ist insbesondere bei höheren Induktorleistungen vorteilhaft,
da sie eine signifikante Reduzierung der vom Gleichrichter ins Netz
gespeisten Oberschwingungen ermöglicht.
Bei einer 12-pulsigen Ausführung
der Gleichrichter sind deren Schaltungskomponenten zweifach vorhanden,
so dass die Realisierung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Stromversorgungseinrichtung
hinsichtlich des Schaltungsaufwandes auf der Gleichrichterseite
ohne zusätzliche
Schaltungskomponenten möglich
ist. Eine 24-pulsige
Ausführung
der Gleichrichter ermöglicht sogar
die Reihenschaltung von vier Wechselrichtern, so dass eine Wechselrichterausgangsspannung
von 3 kV und höher
auch mit besonders schnellen, niedrig sperrenden Halbleitern möglich ist.
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Die
Zwischenkreise der erfindungsgemäß vorgesehenen
Zwischenkreisumrichter sind bevorzugt als Spannungszwischenkreis
ausgeführt.
Wie bereits erwähnt,
kann somit der Gleichrichter immer voll aufgesteuert betrieben werden,
so dass ein guter Leistungsfaktor am Netzanschluss erreicht wird.
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Zur
Begrenzung der Oberschwingungen der durch die Gleichrichter erzeugten
Gleichspannung kann in der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung
an der Ausgangsseite der Gleichrichter jeweils wenigstens eine Glättungsdrossel
angeordnet sein. An der Ausgangsseite der Wechselrichter ist bevorzugt
jeweils wenigstens eine Entkopplungsdrossel angeordnet.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein
zusätzlicher
Kondensator vorgesehen, welcher mit der an die Wechselrichter angeschlossenen
parallelkompensierten Last in Reihe geschaltet ist. Dadurch ist
Lastkreis der Induktor über
einen kapazitiven Spannungsteiler mit dem Wechselrichterausgang
verbunden. Mithilfe dieser Schaltungsvariante, die bei Induktionsöfen bereits
erfolgreich eingesetzt wird (s. z.B. WO 00/51410), kann die Spannung
im Lastkreis nochmals erhöht
werden. Werden die Kapazitäten
der beiden Kondensatoren gleich groß gewählt, so kann entsprechend etwa
eine Verdopplung der am Induktor anliegenden Spannung erreicht werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Anpassung der Wechselrichterausgangsspannung an die am Induktor geforderte
Spannung besteht darin, dass zwischen den Ausgängen der Wechselrichter und
der parallelkompensierten Last ein Transformator geschaltet ist.
Dieser kann auch als Spartransformator ausgeführt sein.
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Nach
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass an die Zwischenkreise jeweils zwei oder mehr Wechselrichter
angeschlossen sind, wobei die an jeweils unterschiedliche Zwischenkreise
angeschlossenen Wechselrichter paarweise in Reihe geschaltet sind.
Dadurch lassen sich an die erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung
weitere parallelkompensierte Induktionsöfen oder Induktoren anschließen.
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Die
Wechselrichter der Zwischenkreisumrichter selbst sind bevorzugt
mit IGBT-Halbleiterbauelementen ausgeführt. Es können jedoch auch beliebig andere
abschaltbare Halbleiterbauelemente eingesetzt werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 das
Schaltbild einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung
für Induktionsöfen,
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2 das
Schaltbild der Stromversorgungseinrichtung aus 1 mit
einem zusätzlichen,
zum Induktor in Reihe geschalteten Kondensator,
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3 das
Schaltbild der Stromversorgungseinrichtung aus 1 mit
lastseitig zwischengeschaltetem Transformator,
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4 das
Schaltbild der Stromversorgungseinrichtung aus 4 in
abgewandelter Konfiguration,
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5 das
Schaltbild der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung
aus 1 zur Speisung zweier Induktoren und
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6 das
Schaltbild eines Wechselrichters der Stromversorgungseinrichtung
aus 1.
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Die
erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung
umfasst gemäß dem Schaltbild
der 1 einen Drehstromversorgungsanschluss (nicht dargestellt),
zwei an den Drehstromversorgungsanschluss angeschlossene, zueinander
identisch ausgeführte Zwischenkreisumrichter 1, 2 jeweils
bestehend aus einem Gleichrichter 3, 4, einem
Zwischenkreis 5, 6 und einem Wechselrichter 7, 8 sowie
eine an die Wechselrichter 7, 8 angeschlossenen
Last in Form eines Induktors 9, welche über einen parallel geschalteten
Kondensator 10 kompensiert ist. Erfindungsgemäß sind die
Gleichrichter 3, 4 galvanisch voneinander getrennt
an den Drehstromversorgungsanschluss angeschlossenen. Vorliegend
erfolgt dies über
einen Dreiwicklertransformator 11, dessen Sekundärwicklungen 11a, 11b jeweils
einen der Gleichrichter 3, 4 speisen und galvanisch
voneinander getrennt sind.
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Die
Zwischenkreise 5, 6 der Zwischenkreisumrichter 1, 2 sind
als Spannungszwischenkreise mit jeweils einer Kondensatorbatterie 14, 15 ausgeführt. Die Kondensatorbatterien 14, 15 werden
durch die Gleichrichter 3, 4 über Glättungsdrosseln 12, 13 gespeist.
An die Kondensatorbatterien 14, 15 wiederum sind
die einphasig ausgeführten
Wechselrichter 7, 8 angeschlossen. Über zwei
Entkopplungsdrosseln 16, 17 sind die Wechselrichter 7, 8 ausgangsseitig
gemäß der Lehre
der Erfindung in Reihe geschaltet und speisen den aus Induktor 9 und
dazu parallel geschaltetem Kompensationskondensator 10 bestehenden
Lastkreis. Der besondere Vorteil der Reihenschaltung der Wechselrichter 7, 8 liegt
darin, dass die am Induktor 9 anliegende Ausgangsspannung
verdoppelt wird, wodurch in den einzelnen Wechselrichtern trotz
der am Induktor 9 anliegenden hohen Spannung, die für eine hohe
Induktorleistung benötigt wird,
niedrig sperrende, verlustarm schaltende Halbleiterbauelemente,
vorzugsweise IGBTs, eingesetzt werden können.
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Die
Schaltung gemäß 2 unterscheidet sich
gegenüber
der aus 1 dahingehend, dass ein zusätzlicher
Kondensator 18 mit dem Induktor 9 in Reihe geschaltet
ist. Dadurch wird ein kapazitiver Spannungsteiler realisiert. Durch
geeignete Wahl der Kapazitäten
der Kondensatoren 10, 18 kann eine weitere Erhöhung der
Spannung am Induktor 9 erreicht werden. Sind die Kapazitäten beispielsweise gleich
groß,
stellt sich am Induktor 9 etwa der doppelte Wert der Ausgangsspannung
der in Reihe geschalteten Wechselrichter 7, 8 ein.
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Bei
der Stromversorgungseinrichtung gemäß 3 ist zwischen
den Wechselrichtern 7, 8 und der parallelkompensierten
Last ein Transformator 19 geschaltet. Über eine entsprechende Dimensionierung
dieses Transformators 19 kann die Umrichterausgangsspannung
der Wechselrichter 7, 8 an die am Induktor 9 geforderte
Spannung angepasst werden. Vorliegend ist der Transformator 19 als
Trenntransformator ausgeführt.
Eine Ausführung
als Spartransformator ist ebenfalls möglich. Wie in 4 dargestellt,
ist es ebenso möglich,
einen Transformator 19a nur einem Wechselrichter 7 zuzuordnen.
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Die
in 5 im Schaltbild dargestellte Stromversorgungseinrichtung
dient der Speisung zweier parallelkompensierter Induktoren 9, 9*.
So sind an die Zwischenkreise 5, 6 jeweils zwei
identisch ausgebildete Wechselrichter 7, 7*, 8, 8* angeschlossen.
Dabei sind die an jeweils unterschiedliche Zwischenkreise 5, 6 angeschlossenen
Wechselrichter 7, 7*, 8, 8* paarweise
in Reihe geschaltet. Vorliegend sind somit die Ausgänge der
den ersten Induktor 9 speisenden Wechselrichter 7, 8 und
die Ausgänge der
den zweiten Induktor 9* speisenden Wechselrichter 7*, 8* in
Reihe geschaltet, wodurch sich jeweils eine Verdopplung der an den
Induktoren 9, 9* jeweils anliegenden Spannung
ergibt. An jeden Zwischenkreis können
auch mehr als zwei, beispielsweise vier, Wechselrichter angeschlossen
werden, wobei wiederum die Wechselrichter jeweils unterschiedlicher Zwischenkreise
paarweise in Reihe geschaltet sind. Eine der Anzahl der in Reihe
geschalteten Wechselrichterpaare ensprechende Anzahl von Induktoren kann
somit durch eine einzige Stromversorgungseinrichtung gespeist werden.
Ebenso ist es möglich, dass
die Wechselrichter unterschiedlich ausgelegt sind, so dass die an
die einzelnen Wechselrichterpaare angeschlossenen Induktoren mit
unterschiedlichen Leistungen versorgt werden. Die zuvor beschriebenen
Ausführungsformen
können
beliebig miteinander kombiniert werden.
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In 6 ist
schließlich
das Schaltbild eines einzelnen Wechselrichters 7 dargestellt,
wie er in der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung zum
Einsatz kommt. Auf der Eingangsseite 7e wird er durch die
Gleichspannung des Zwischenkreises gespeist. Auf der Ausgangsseite 7f liegt
eine einphasige Wechselspannung an. Der Wechselrichter 7 ist vorliegend
mit vier IGBT-Halbleiterbauelementen 7a, 7b, 7c, 7d ausgerüstet. Ebenso
können
auch andere abschaltbare Halbleiterbauelemente, wie z.B. MOS-FET,
GTO oder Transistoren, zum Einsatz kommen.