DE102007051666A1 - Power supply device for coreless induction furnace, has induction coils controlled in phase-in and phase-shift manner, where coils are connected in parallel by mechanically operatable contactors and by switches during in-phase operation - Google Patents

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Abstract

The device has parallel-compensated induction coils (2a-2c) fed with adjustable frequency by inverters (1a-1c), where the induction coils are controlled in a phase-in and phase-shift manner. The induction coils are connected in parallel by mechanically operatable contactors (5a-5d) and by thyristor switches during the in-phase operation, where the phase angle is 120 degrees during phase-shift control of the induction coils. The parallel-compensated induction coils surround goods e.g. metals, to be inductively heated and are arranged displaceably to each other.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung zur Speisung von Induktionsöfen mit wenigstens zwei zueinander versetzt angeordneten, das induktiv zu erwärmende Gut gemeinsam umgebenden, parallelkompensierten Induktionsspulen, wobei die Induktionsspulen jeweils durch wenigstens einen Wechselrichter mit einstellbarer Frequenz gespeist werden und wobei die Spulen phasengleich und phasenversetzt ansteuerbar sind.The The invention relates to a power supply device for feeding of induction furnaces with at least two mutually offset arranged, the product to be heated inductively together surrounding, parallel-compensated induction coils, wherein the induction coils each by at least one inverter with adjustable Frequency are fed and wherein the coils in phase and out of phase are controllable.

Induktionsöfen werden seit Jahrzehnten eingesetzt, um Metalle auf besonders effiziente Weise zu erwärmen und insbesondere zu schmelzen. Hierbei wird ausgenutzt, dass die für die Erwärmung erforderliche Energie direkt in das zu erwärmende bzw. zu schmelzende Metall induziert wird, so dass die Wärme unmittelbar am gewünschten Ort entsteht und nicht durch Wärmeübertragung unter Inkaufnahme von entsprechenden Verlusten in das zu erwärmende Gut eingetragen werden muss.induction have been used for decades to turn metals into highly efficient Way to heat and in particular to melt. in this connection is exploited that the energy required for heating directly into the metal to be heated or melted is induced so that the heat is directly at the desired Place is created and not by heat transfer at the expense of corresponding losses in the to be heated Good to be registered.

Bei modernen Induktionstiegelöfen soll das zu schmelzende Metall mit möglichst hoher Leistung und entsprechend in möglichst kurzer Zeit aufgeschmolzen werden. Hierzu werden die den Tiegel umgebenden Induktionsspulen in der Regel von leistungsstarken Mittelfrequenzumrichtern gespeist, wobei die Betriebsfrequenz der Wechselrichter derart gewählt ist, dass die Bewegung des Schmelzbades während des Aufschmelzvorgangs mit voller Leistung nicht zu groß wird, so dass ein Auswerfen des Schmelzgutes aus dem Ofen verhindert wird. Eine weitere Aufgabe besteht darin, beispielsweise zum Durchführen von Legierungsarbeiten bei flüssigem Ofeninhalt eine hohe Rührwirkung bei möglichst kleiner Leistung zu erzielen. Hierzu sind spezielle Umrichter mit Frequenzumschaltung im Einsatz, die die üblicherweise übereinander angeordneten, den Tiegel umgebenden Induktionsspulen speisen. Als nachteilig erweist sich hierbei regelmäßig, dass sich innerhalb der Schmelze abhängig von der Anzahl der eingesetzten Induktionsspulen mehrere Strömungswirbel übereinander ausbilden (s. 2a), so dass eine vollständige Durchmischung des Tiegelinhalts nur in sehr geringem Maße möglich ist. Um die Ausbildung eines Wirbels über die gesamte Höhe des Tiegelofens zu erreichen, welcher eine vollständige Durchmischung der Schmelze erlaubt, ist es möglich, die übereinander angeordneten Induktionsspulen phasenversetzt zu speisen.In modern induction crucible furnaces, the metal to be melted should be melted with as high a power as possible and correspondingly in the shortest possible time. For this purpose, the induction coils surrounding the crucible are usually fed by powerful medium-frequency converters, wherein the operating frequency of the inverter is chosen such that the movement of the molten bath during the melting process at full power is not too large, so that ejection of the melt material from the furnace prevented becomes. A further object is, for example, to achieve a high stirring effect at the lowest possible power for carrying out alloying work in liquid furnace contents. For this purpose, special inverters with frequency switching are in use, which feed the usually superposed, surrounding the crucible induction coils. It proves to be disadvantageous in this case regularly that a plurality of flow vortices are formed one above the other within the melt, depending on the number of induction coils used (see FIG. 2a ), so that a complete mixing of the crucible contents is possible only to a very limited extent. In order to achieve the formation of a vortex over the entire height of the crucible furnace, which allows a complete mixing of the melt, it is possible to feed the superimposed induction coils out of phase.

Üblicherweise sind aus dem Stand der Technik bekannte Induktionsöfen mit zwei Stromversorgungen versehen, wobei ein Mittelfrequenzumrichter zum Schmelzen und eine Netzfrequenzanlage zum Rühren eingesetzt wird. Bei der Netzfrequenzanlage wird die 120°-Phasenverschiebung der drei Wechselspannungen des Drehstromnetzes ausgenutzt, um die gewünschte Rührwirkung mit einem sich über die gesamte Höhe des Tiegels erstreckenden Wirbel zu erreichen (s. 2b).Usually known from the prior art induction furnaces are provided with two power supplies, wherein a medium-frequency converter for melting and a mains frequency system is used for stirring. In the grid frequency system, the 120 ° phase shift of the three AC voltages of the three-phase network is utilized to achieve the desired stirring effect with a vortex extending over the entire height of the crucible (s. 2 B ).

Bei einem aus der DE 10 2005 053 798 A1 bekannten Induktionsofen wird anstelle der Netzfrequenzanlage ein modifizierter Umrichter eingesetzt, welcher mehrere unabhängig steuerbare Wechselrichter umfasst, die jeweils einer parallel kompensierten Spule zugeordnet sind, so dass allein durch Veränderung des Steuerverfahrens entweder der Tiegelinhalt phasengleich mit hoher Leistung geschmolzen oder aber phasenversetzt mit vergleichsweise geringer Leistung gerührt werden kann. Hierbei bildet jede Induktionsspule mit der ihr zugeordneten Kondensatorbatterie einen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz fres unter Vernachlässigung des Ohmschen Widerstandes der Spule näherungsweise durch folgende Formel berechnet wird:

Figure 00030001
mit L: Induktivität der Spule; C: Kapazität der KondensatorbatterieAt one of the DE 10 2005 053 798 A1 known induction furnace, a modified inverter is used instead of the mains frequency system, which are each associated with a parallel compensated coil, so that only by changing the control process either the crucible contents in phase with high power melted or out of phase with relatively low power stirred can be. In this case, each induction coil with the capacitor bank assigned to it forms a resonant circuit whose resonant frequency f res , neglecting the ohmic resistance of the coil, is approximately calculated by the following formula:
Figure 00030001
with L: inductance of the coil; C: capacity of the capacitor bank

Ist bei diesem aus dem Stand der Technik bekannten Induktionsofen der Tiegel voll mit flüssiger Schmelze gefüllt, so haben alle Induktionsspulen des Ofens im Wesentlichen die gleiche Induktivität und den gleichen ohmschen Widerstand, so dass bei identischer Ausbildung der jeweiligen Kondensatorbatterien sich im Wesentlichen die gleiche Resonanzfrequenz und somit die gleiche Leistungsaufnahme der einzelnen Teilsysteme ergibt.is in this known from the prior art induction furnace of Crucible filled with liquid melt, so All induction coils of the furnace are essentially the same Inductance and the same ohmic resistance, so that with identical design of the respective capacitor banks in the Essentially the same resonant frequency and therefore the same Power consumption of the individual subsystems results.

Diese idealen Bedingungen treffen aber nur auf den voll mit flüssiger Schmelze gefüllten Tiegel zu. In nahezu jedem anderen Betriebszustand des Ofens, insbesondere bei einem teilgefüllten Tiegel oder während des Aufschmelzvorgangs, bei dem der Tiegelinhalt teils bereits in flüssiger, teils noch in fester Form vorliegt, können sich die Induktivitäten und Widerstände der einzelnen Induktionsspulen stark voneinander unterscheiden. Dies wiederum hat zur Folge, dass die Resonanzfrequenzen der Teilsysteme sich stark voneinander unterscheiden. So führt beispielsweise eine um den Faktor 2 unterschiedliche Induktivität zweier Induktionsspulen zu einer Abweichung in der Resonanzfrequenz von √2 .However, these ideal conditions only apply to the crucible filled with liquid melt. In almost every other operating state of the furnace, in particular in a partially filled crucible or during the melting process, in which the crucible contents partly already in liquid, partly still in solid form, the inductances and resistances of the individual induction coils can differ greatly. This in turn has the consequence that the resonance frequencies of the subsystems differ greatly from each other. For example, a factor of 2 different inductance of two induction coils leads to a deviation in the resonant frequency of √ 2 ,

Wird ein solches System mit einer mittleren Frequenz betrieben, so werden beide Schwingkreise ca. 20% außerhalb ihres Resonanzpunktes betrieben. Aufgrund des bekanntlich geringen Leistungsfaktors eines Induktionstiegelofens (cosφ ≈ 0,1) muss in diesem Fall jeder Wechselrichter ein mehrfaches seines Wirkstromes als Blindstrom liefern. Dies ergibt sich aus der Betrachtung der Blindwiderstände, die sich für die Induktionsspule zu XL = 2π·f·Lund für die Kondensatorbatterie zu

Figure 00040001
berechnen. Im Resonanzpunkt sind beide Werte betragsmäßig gleich und kompensieren sich daher zu Null. Beim Betrieb 20% außerhalb der Resonanz steigt der jeweils eine Blindwiderstandswert um 25% an, während der jeweils andere um 20% absinkt, so dass die Differenz 45% des Blindwiderstandswerts im Resonanzpunkt beträgt. Dies wiederum bedeutet, dass 45% des Blindstromes vom Umrichter geliefert werden muss. Wegen des Leistungsfaktors cosφ ≈ 0,1 ist jedoch der Blindstrom ca. 10 mal größer als der Wirkstrom. Folglich muss der Umrichter 10 mal 45% also das 4,5-fache des Wirkstroms als Blindstrom liefern. Dieser Zusammenhang ist anschaulich den Zeigerdiagrammen in 3a–c zu entnehmen.If such a system is operated with a medium frequency, then both oscillating circuits are operated approximately 20% outside their resonance point. Due to the known low power factor of an induction crucible furnace (cosφ ≈ 0.1), each inverter must deliver a multiple of its active current as reactive current in this case. This is evident from the consideration of the reactances that apply to the induction coil X L = 2π · f · L and for the capacitor bank too
Figure 00040001
to calculate. At the resonance point both values are equal in magnitude and therefore compensate each other to zero. When operating 20% out of resonance, one reactance value increases by 25% while the other decreases by 20%, so that the difference is 45% of the reactance value at the resonance point. This in turn means that 45% of the reactive current must be supplied by the inverter. Due to the power factor cosφ ≈ 0.1, however, the reactive current is approx. 10 times larger than the active current. Consequently, the inverter must deliver 10 times 45%, ie 4.5 times the active current, as reactive current. This connection is clearly the pointer diagrams in 3a -C.

Der entscheidende Nachteil des in der DE 10 2005 053 798 A1 beschriebenen Induktionsofen besteht somit darin, dass die einzelnen parallel kompensierten Induktionsspulen unter realen Bedingungen praktisch nie in ihrem jeweiligen Resonanzpunkt arbeiten, so dass die jeweils installierte Wechselrichterleistung stark überdimensioniert werden muss, um die gewünschte Wirkleistung in den Tiegel einzukoppeln.The decisive disadvantage of in the DE 10 2005 053 798 A1 described induction furnace is thus that the individual parallel-compensated induction coils under real conditions practically never work in their respective resonance point, so that each installed inverter power must be greatly oversized in order to couple the desired active power in the crucible.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Stromversorgungseinrichtung zur Speisung von Induktionsöfen der eingangs genannten Art anzugeben, die sowohl eine Schmelze mit hoher Leistung als auch ein Rühren der Schmelze mit kleiner Leistung und hoher Radbewegung in allen Betriebszuständen des Induktionsofen bzw. Füllzuständen des Tiegels ermöglicht.outgoing From this prior art, the invention is therefore the task underlying, a power supply device for feeding induction furnaces specify the type mentioned above, both with a melt high power as well as a stirring of the melt with less Performance and high wheel movement in all operating conditions of the induction furnace or filling conditions of the crucible allows.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Stromversorgungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass die Induktionsspulen bei phasengleichem Betrieb parallel schaltbar sind.The Object is according to the invention with a power supply device according to the preamble of claim 1 thereby solved that the induction coils at in-phase operation are switchable in parallel.

Durch Parallelschaltung der Wechselrichter im phasengleichen Betrieb ist es nunmehr möglich, über den gesamten Aufschmelzvorgang die volle Leistung zu erreichen. Hierbei wird ausgenutzt, dass die parallel kompensierten Induktionsspulen bei der erfindungsgemäßen Parallelschaltung ein gemeinsames Resonanzsystem mit einer zugeordneten einheitlichen Resonanzfrequenz fgesres bilden, auf die die einzelnen Wechselrichter eingestellt werden können. Diese gemeinsame Resonanzfrequenz berechnet sich zu:

Figure 00060001
mit n: Anzahl der InduktionsspulenBy parallel connection of the inverters in phase-locked operation, it is now possible to achieve full performance over the entire melting process. In this case, use is made of the fact that the parallel-compensated induction coils in the parallel circuit according to the invention have a common resonance system with an associated uniform resonance frequency f ges res to which the individual inverters can be set. This common resonance frequency is calculated as:
Figure 00060001
with n: number of induction coils

Die gemeinsame Resonanzfrequenz ist abhängig von den jeweiligen Induktivitäten der einzelnen Induktionsspulen, die stark voneinander abweichen können, beispielsweise wenn das zu schmelzende Metall im Tiegel oben noch fest und unten bereits flüssig ist. Während die Wechselrichter bei Induktionsöfen des Standes der Technik in diesem Fall ein hohen Blindleistungsanteil liefern müssen, wodurch die erreichbare Wirkleistung drastisch sinkt, ist es im Falle der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung möglich, durch Parallelschaltung der Induktionsspulen alle Wechselrichter blindleistungsfrei im Resonanzpunkt des Gesamtsystems mit der zugeordneten Resonanzfrequenz fgesres zu betreiben.The common resonance frequency is dependent on the respective inductances of the individual induction coils, which can vary greatly from one another, for example if the metal to be melted is still solid in the crucible at the top and already liquid at the bottom. While the inverters in induction furnaces of the prior art in this case have to deliver a high reactive power component, whereby the achievable active power drops drastically, it is possible in the case of the power supply device according to the invention, by parallel connection of the induction coils all inverters without reactive power in the resonance point of the entire system with the associated resonant frequency f ges res to operate.

Die Parallelschaltung der Induktionsspulen kann bei der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung über Schalter verschiedener Art erfolgen. So können die Schalter als mechanisch betätigbare Schütze oder als Thyristorschalter ausgebildet sein.The Parallel connection of the induction coils can in the inventive Power supply device via switches various Art done. So the switches can be used as mechanically actuated Sagittarius or be designed as a thyristor.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Stromversorgungseinrichtung insgesamt drei Induktionsspulen, wobei bei phasenversetzter Ansteuerung der Induktionsspulen der Phasenwinkel jeweils 120° beträgt. In diesem Betriebsmodus wird somit die durch das Drehstromnetz vorgegebene Phasenlage der einzelnen Drehstromwechselspannungen ausgenutzt. In diesem Fall kann dann mit kleiner Leistung effizient das Schmelzbad mit einem sich vom Tiegelboden bis zur Badoberfläche erstreckenden Wirbel gerührt werden, wodurch beispielsweise ein effizientes Legieren der Schmelze möglich ist.According to a further advantageous embodiment of the invention, the power supply device comprises a total of three induction coils, wherein in phase-offset control of the induction coils, the phase angle is 120 ° each. In this mode of operation is thus predefined by the three-phase network ne phase position of the individual AC alternating voltages exploited. In this case, the molten bath can then be efficiently stirred with a small amount of power with a vortex extending from the crucible bottom to the bath surface, whereby, for example, an efficient alloying of the melt is possible.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine der Induktionsspulen durch wenigstens zwei parallel geschaltete Wechselrichter gespeist wird. Da die mit einem Wechselrichter realisierbare Leistung begrenzt ist, kann durch Parallelschaltung von Wechselrichtern die erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung auch für sehr hohe Leistungen eingesetzt werden.To A further embodiment of the invention provides that at least one of the induction coils through at least two parallel switched inverter is fed. Since those with an inverter achievable power is limited, by parallel connection of inverters, the power supply device according to the invention also be used for very high performance.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden wenigstens zwei der Wechselrichter aus einem gemeinsamen Zwischenkreis gespeist. Durch diese Art der Schaltung kann die erforderliche Anzahl von Bauelementen in der Stromversorgungseinrichtung gesenkt werden, was zu einer effektiven Kosteneinsparung führt.To a further advantageous embodiment of the invention at least two of the inverters from a common DC link fed. Due to this type of circuit, the required number be lowered by components in the power supply device, which leads to an effective cost saving.

Der Zwischenkreis des bzw. der Umrichter der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung ist bevorzugt als Spannungszwischenkreis ausgebildet. Hierdurch lässt sich ein guter netzseitiger Leistungsfaktor erzielen. Ferner können sämtliche Wechselrichter der Stromversorgungseinrichtung aus einem gemeinsamen Zwischenkreis von wenigstens einem gemeinsamen Gleichrichter gespeist werden, wodurch der schaltungstechnische Aufwand für die Speisung der einzelnen Wechselrichter minimiert werden kann.Of the DC link of the converter (s) of the invention Power supply device is preferred as a voltage intermediate circuit educated. This allows a good network-side Achieve power factor. Furthermore, all Inverter of the power supply device from a common DC link fed by at least one common rectifier, whereby the circuit-technical expenditure for the supply the individual inverter can be minimized.

Besonders bevorzugt sind die Wechselrichter mit IGBT-Halbleiterbauelementen ausgeführt. Der Vorteil dieser speziell im Hochleistungsbereich eingesetzten Halbleiterbauelemente besteht in einer hohen Sperrspannung und der Fähigkeit, hohe Ströme schalten zu können. Insbesondere ist an der Ausgangsseite der Wechselrichter jeweils wenigstens eine Entkopplungsdrossel angeordnet.Especially preferred are the inverters with IGBT semiconductor devices executed. The advantage of this especially in the high performance range used semiconductor devices consists in a high reverse voltage and the ability to switch high currents. In particular, on the output side of the inverter respectively arranged at least one decoupling choke.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:in the The invention is based on an embodiment illustrative drawing explained in more detail. Show it:

1 eine Stromversorgungseinrichtung für einen Induktionsofen nach dem Stand der Technik, 1 a power supply device for an induction furnace according to the prior art,

2a, b das Strömungsfeld innerhalb eines Induktionstiegelofens bei phasengleicher und phasenversetzter Ansteuerung, 2a , b the flow field within an induction crucible furnace with in-phase and out-of-phase control,

3a–c das Stromzeigerdiagramm eines Wechselrichter gespeisten Parallelschwingkreises im Resonanzpunkt sowie im Betrieb 20% oberhalb und unterhalb des Resonanzpunktes, 3a C is the current vector diagram of an inverter fed parallel resonant circuit in the resonance point and in operation 20% above and below the resonance point,

4 eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung für einen Induktionsofen, 4 a power supply device according to the invention for an induction furnace,

5 die drei Wechselrichter der Stromversorgungseinrichtung aus 4 in einer bevorzugten Schaltungsanordnung und 5 the three inverters of the power supply device 4 in a preferred circuit arrangement and

6 das Schaltbild eines Wechselrichters mit angeschlossener Entkopplungsdrossel der Stromversorgungseinrichtung aus 4. 6 the circuit diagram of an inverter with a connected decoupling reactor of the power supply device 4 ,

In 1 ist eine Stromversorgungseinrichtung für einen Induktionstiegelofen nach dem Stand der Technik dargestellt. Sie umfasst drei Wechselrichter 1a', 1b', 1c' die ihrerseits über Zwischenkreise jeweils an einen Gleichrichter angeschlossen sind (nicht dargestellt). An der Ausgangsseite der jeweils einphasig ausgeführten Wechselrichter 1a', 1b', 1c' ist jeweils eine Induktionsspule 2a', 2b', 2c' angeschlossen, die ihrerseits über eine Kondensatorbatterie 3a', 3b', 3c' parallelkompensiert ist. Die Induktionsspulen 2a', 2b', 2c' sind übereinander versetzt angeordnet und umgeben gemeinsam einen Tiegel 4', welcher mit aufzuschmelzendem Metall gefüllt ist. Die Wechselrichter 1a', 1b', 1c' sind jeweils in ihrer Frequenz einstellbar und darüber hinaus über eine – nicht dargestellte – Steuereinheit phasengleich oder phasenversetzt zueinander ansteuerbar.In 1 a power supply device for an induction crucible furnace according to the prior art is shown. It includes three inverters 1a ' . 1b ' . 1c ' which are in turn connected via intermediate circuits to a rectifier (not shown). On the output side of the single-phase inverter 1a ' . 1b ' . 1c ' is in each case an induction coil 2a ' . 2 B' . 2c ' connected, in turn, via a capacitor bank 3a ' . 3b ' . 3c ' is compensated in parallel. The induction coils 2a ' . 2 B' . 2c ' are arranged one above the other and surround a crucible together 4 ' , which is filled with molten metal. The inverters 1a ' . 1b ' . 1c ' are each adjustable in their frequency and also via a - not shown - control unit in phase or out of phase controlled each other.

Beim Aufschmelzen des im Tiegel 4' befindlichen Metalls werden die drei Wechselrichter 1a', 1b', 1c' nun phasengleich mit hoher Leistung betrieben. Da das Aufschmelzen des Metalls über die gesamte Höhe des Tiegels 4' nicht homogen erfolgt, ist beispielsweise das im unteren Bereich des Tiegels 4' vorhandene Metall bereits verflüssigt, während das am oberen Rand des Tiegels 4' vorhandene Metall noch fest ist. Aufgrund der hieraus resultierenden stark voneinander abweichenden Induktivitäten der einzelnen Induktionsspulen 2a', 2b', 2c' kann maximal nur einer der durch die Induktionsspulen 2a', 2b', 2c' und die ihnen jeweils zugeordneten Kondensatorbatterien 3a', 3b', 3c' jeweils gebildeten Schwingkreise in Resonanz betrieben werden. Sinnvoller ist jedoch der Betrieb mit einer mittleren Frequenz, die zwischen den einzelnen Resonanzpunkten liegt. Die Stromversorgungseinrichtung der 1 wird also in annähernd allen Betriebssituationen des Induktionsofens mit einem hohen Blindleistungsanteil betrieben.When melting in the crucible 4 ' metal are the three inverters 1a ' . 1b ' . 1c ' now operated in phase with high power. Because the melting of the metal over the entire height of the crucible 4 ' is not homogeneous, for example, that in the lower part of the crucible 4 ' existing metal already liquefied, while that at the top of the crucible 4 ' existing metal is still solid. Due to the resulting highly divergent inductances of the individual induction coils 2a ' . 2 B' . 2c ' can only be one of the maximum through the induction coils 2a ' . 2 B' . 2c ' and their associated capacitor banks 3a ' . 3b ' . 3c ' each formed resonant circuits are operated in resonance. meaningful is, however, the operation with a mean frequency that lies between the individual resonance points. The power supply of the 1 is therefore operated in almost all operating situations of the induction furnace with a high reactive power component.

In den 3a, 3b, 3c sind hierzu erläuternd die Stromzeigerdiagramme eines aus einer Induktionsspule und ihrer zugeordneten Kondensatorbatterie jeweils gebildeten, von einem Wechselrichter gespeisten Parallelschwingkreises für verschiedene Betriebssituationen in der komplexen Ebene dargestellt. Dabei beschreibt IL den Spulenstrom, IC den Kondensatorstrom und IWR den resultierenden Strom des jeweiligen Wechselrichters. Erläuternd ist anzumerken, dass für den Spulenstrom IC auch der ohmsche Widerstand der Induktionsspule berücksichtigt ist, weshalb der Stromzeiger IL nicht parallel zur Im-Achse ausgerichtet ist.In the 3a . 3b . 3c For this purpose, the current vector diagrams of a parallel resonant circuit, each formed from an induction coil and its associated capacitor bank and fed by an inverter, for different operating situations in the complex plane are explained. I L describes the coil current, I C the capacitor current and I WR the resulting current of the respective inverter. It should be explained by way of explanation that the coil current I C also takes into account the ohmic resistance of the induction coil, for which reason the current phasor I L is not aligned parallel to the Im axis.

Die 3b und c stellen die Situation bei einem Betrieb außerhalb des Resonanzpunktes dar, bei dem die am Wechselrichter eingestellte Frequenz ca. 20% oberhalb (3b) bzw. unterhalb (3c) der Resonanzfrequenz liegt. Diese Situation liegt immer dann vor, wenn die durch die Induktionsspulen und die Kondensatorbatterien jeweils gebildeten Schwingkreise infolge unterschiedlicher Spuleninduktivitäten entsprechend unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen.The 3b and c represent the situation when operating outside the resonance point where the frequency set on the inverter is approximately 20% above ( 3b ) or below ( 3c ) is the resonant frequency. This situation always occurs when the resonant circuits formed by the induction coils and the capacitor banks each have correspondingly different resonance frequencies due to different coil inductances.

Unterschiedliche Spuleninduktivitäten liegen insbesondere dann vor, wenn, wie bereits erwähnt, der Tiegel nicht voll gefüllt ist oder der Tiegelinhalt bereits teilweise aufgeschmolzen, teilweise jedoch noch fest ist. In jedem Falle muss dann der Wechselrichter mit einem hohen Blindleistungsanteil arbeiten, was durch einen nicht auf der Re-Achse des Stromzeigerdiagramms liegenden Stromzeiger IWR verdeutlicht wird.Different coil inductances are present in particular if, as already mentioned, the crucible is not completely filled or the crucible contents are already partly melted, but still partially solid. In any case, then the inverter must work with a high reactive power component, which is illustrated by a lying on the re-axis of the current vector diagram current pointer I WR .

Der im Zusammenhang mit 1 beschriebene Nachteil der Stromversorgungseinrichtung des Standes der Technik wird durch die in 4 dargestellte erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung überwunden. Diese umfasst wiederum drei Wechselrichter 1a, 1b, 1c an deren Ausgängen jeweils eine durch eine Kondensatorbatterie 3a, 3b, 3c parallelkompensierte Induktionsspule 2a, 2b, 2c angeschlossen ist. Wie im Falle der 1 sind die Induktionsspulen 2a, 2b, 2c zueinander versetzt und übereinander angeordnet und umgeben das in dem Tiegel 4 induktiv zu erwärmende Gut gemeinsam. Ferner sind auch die Wechselrichter 1a, 1b, 1c in ihrer Frequenz einstellbar und über eine wiederum nicht dargestellte Steuereinheit phasenversetzt und phasengleich ansteuerbar. Erfindungsgemäß sind nun die Induktionsspulen 2a, 2b, 2c über Schalter 5a, 5b, 5c, 5d bei phasengleichem Betrieb parallel schaltbar. Die Schalter können als mechanische Schütze oder auch als Thyristorschalter ausgebildet sein. Sind die Schalter 5a, 5b, 5c, 5d sämtlich geschlossen, so bilden die drei Induktionsspulen 2a, 2b, 2c ein gemeinsames Resonanzsystem mit einer gemeinsamen Resonanzfrequenz, die sich wie folgt berechnet:

Figure 00120001
The related to 1 described disadvantage of the power supply device of the prior art is characterized by in 4 overcome inventive power supply device overcome. This again comprises three inverters 1a . 1b . 1c at their outputs one each through a capacitor bank 3a . 3b . 3c parallel-compensated induction coil 2a . 2 B . 2c connected. As in the case of 1 are the induction coils 2a . 2 B . 2c offset from one another and arranged one above the other and surround this in the crucible 4 to be heated inductively together. Further, the inverters are also 1a . 1b . 1c adjustable in frequency and phase-offset via a control unit, again not shown, and in phase controlled. According to the invention, the induction coils are now 2a . 2 B . 2c via switch 5a . 5b . 5c . 5d can be switched in parallel during in-phase operation. The switches can be designed as mechanical contactors or as a thyristor switch. Are the switches 5a . 5b . 5c . 5d all closed, so form the three induction coils 2a . 2 B . 2c a common resonance system with a common resonance frequency calculated as follows:
Figure 00120001

Somit kann das Aufschmelzen des Tiegelinhaltes mit voller Leistung in kurzer Zeit erfolgen, ohne dass ein nennenswerter Blindleistungsanteil in Kauf genommen werden muss.Consequently can melt the contents of the crucible with full power in be done in a short time, without a significant share of reactive power must be accepted.

Im Stromzeigerdiagramm der 3a ist dies dargestellt. Hier sind die Wechselrichter 1a, 1b, 1c auf die gemeinsame Resonanzfrequenz fgesres eingestellt, so dass ein reiner Wirkstrom fließt, wie durch den auf der Re-Achse liegenden Stromzeiger verdeutlicht wird. Hierdurch wird die volle Leistung in den Tiegelinhalt eingekoppelt, so dass ein Aufschmelzen desselben in kurzer Zeit erreicht werden kann.In the current vector diagram of 3a this is shown. Here are the inverters 1a . 1b . 1c to the common resonant frequency f ges res adjusted, so that a pure active current flows, as is illustrated by the lying on the Re axis current pointer. As a result, the full power is coupled into the crucible contents, so that a melting of the same can be achieved in a short time.

Ist der Tiegel 4 mit Metallschmelze gefüllt, die beispielsweise zum Zwecke des Legierens mit kleiner Leistung gerührt werden soll, so werden die Schalter 5a, 5b, 5c, 5d geöffnet und die Wechselrichter 1a, 1b, 1c phasenversetzt, bevorzugt mit 120°-Phasenversetzung, betrieben, so dass sich der in 2b dargestellte Wirbel in dem Schmelzbad ausbildet.Is the crucible 4 filled with molten metal to be stirred, for example, for the purpose of alloying with low power, so are the switches 5a . 5b . 5c . 5d opened and the inverters 1a . 1b . 1c out of phase, preferably with 120 ° phase displacement, operated so that the in 2 B vortex formed in the molten bath is formed.

In 5 ist nun eine besonders vorteilhafte Möglichkeit der Ansteuerung der drei Wechselrichter 1a*, 1b*, 1c*, die wiederum mit einstellbarer Frequenz betreibbar sowie phasengleich oder phasenversetzt ansteuerbar sind, dargestellt. So werden hierbei die drei Wechselrichter 1a*, 1b*, 1c* aus einem gemeinsamen Zwischenkreis 6, der vorliegend als Spannungszwischenkreis ausgeführt ist, von einem gemeinsamen Gleichrichter 5 gespeist.In 5 is now a particularly advantageous possibility of driving the three inverters 1a * . 1b * . 1c * , which in turn can be operated with adjustable frequency as well as in-phase or out-of-phase driven, shown. So here are the three inverters 1a * . 1b * . 1c * from a common DC link 6 , which in the present case is designed as a voltage intermediate circuit, by a common rectifier 5 fed.

In 6 ist schließlich das Schaltbild eines einzelnen Wechselrichters 1a, wie er in der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung zum Einsatz kommt, dargestellt. Auf der Eingangsseite wird er bevorzugt durch die Gleichspannung des Zwischenkreises eines Umrichters gespeist. Auf der Ausgangsseite liegt eine einphasige Wechselspannung an. Der Wechselrichter 1a ist vorliegend mit vier IGBT-Halbleiterbauelementen 11a, 12a, 13a, 14a ausgerüstet. Diese haben den Vorteil, eine hohe Sperrspannung zu besitzen und hohe Ströme schalten zu können. Anstelle von IGBT-Halbleiterbauelementen können jedoch auch andere abschaltbare Halbleiterbauelemente, wie z. B. MOS-FET, GTO oder Transistoren, zum Einsatz kommen. Wie der 6 ferner zu entnehmen ist, ist an der Ausgangsseite des Wechselrichters 1a eine Entkopplungsdrossel 7 vorgesehen.In 6 Finally, this is the circuit diagram of a single inverter 1a , as used in the power supply device according to the invention, shown. On the input side, it is preferably fed by the DC voltage of the intermediate circuit of an inverter. On the exit side is one single-phase AC voltage. The inverter 1a is present with four IGBT semiconductor devices 11a . 12a . 13a . 14a equipped. These have the advantage of having a high blocking voltage and switching high currents. Instead of IGBT semiconductor devices but other turn-off semiconductor devices, such as. As MOS-FET, GTO or transistors are used. Again 6 is also apparent, is on the output side of the inverter 1a a decoupling choke 7 intended.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (11)

Stromversorgungseinrichtung zur Speisung von Induktionsöfen mit wenigstens zwei zueinander versetzt angeordneten, das induktiv zu erwärmende Gut gemeinsam umgebenden, parallelkompensierten Induktionsspulen (2a, 2b, 2c), wobei die Induktionsspulen (2a, 2b, 2c) jeweils durch wenigstens einen Wechselrichter (1a, 1a*, 1b, 1b*, 1c, 1c*) mit einstellbarer Frequenz gespeist werden und wobei die Induktionsspulen (2a, 2b, 2c) phasengleich und phasenversetzt ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen (2a, 2b, 2c) bei phasengleichem Betrieb parallelschaltbar sind.Power supply device for feeding induction furnaces with at least two mutually staggered, the inductively to be heated Well together surrounding, parallel-compensated induction coils ( 2a . 2 B . 2c ), wherein the induction coils ( 2a . 2 B . 2c ) each by at least one inverter ( 1a . 1a * . 1b . 1b * . 1c . 1c * ) are fed with adjustable frequency and wherein the induction coils ( 2a . 2 B . 2c ) are in phase and phase-shifted controllable, characterized in that the induction coils ( 2a . 2 B . 2c ) can be connected in parallel with in-phase operation. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen (2a, 2b, 2c) über mechanisch betätigbare Schütze (5a, 5b, 5c, 5d) parallelschaltbar sind.Power supply device according to claim 1, characterized in that the induction coils ( 2a . 2 B . 2c ) via mechanically operated contactors ( 5a . 5b . 5c . 5d ) are parallel switchable. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspulen (2a, 2b, 2c) über Thyristorschalter (5a, 5b, 5c, 5d) parallelschaltbar sind.Power supply device according to claim 1, characterized in that the induction coils ( 2a . 2 B . 2c ) via thyristor switch ( 5a . 5b . 5c . 5d ) are parallel switchable. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinrichtung drei Induktionsspulen (2a, 2b, 2c) umfasst, wobei bei phasenversetzter Ansteuerung der Induktionsspulen (2a, 2b, 2c) der Phasenwinkel jeweils 120° beträgt.Power supply device according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the power supply device has three induction coils ( 2a . 2 B . 2c ), wherein in phase-shifted driving of the induction coils ( 2a . 2 B . 2c ) the phase angle is 120 ° in each case. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Induktionsspulen (2a, 2b, 2c) durch wenigstens zwei parallelgeschaltete Wechselrichter (1a*, 1b*, 1c*) gespeist wird.Power supply device according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one of the induction coils ( 2a . 2 B . 2c ) by at least two inverters ( 1a * . 1b * . 1c * ) is fed. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Wechselrichter (1a*, 1b*, 1c*) aus einem gemeinsamen Zwischenkreis (6) gespeist werden.Power supply device according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least two inverters ( 1a * . 1b * . 1c * ) from a common DC link ( 6 ) are fed. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Wechselrichter (1a*, 1b*, 1c*) der Stromversorgungseinrichtung aus einem gemeinsamen Zwischenkreis (6) von wenigstens einem gemeinsamen Gleichrichter (5) gespeist werden.Power supply device according to claim 6, characterized in that all inverters ( 1a * . 1b * . 1c * ) of the power supply device from a common intermediate circuit ( 6 ) of at least one common rectifier ( 5 ) are fed. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Zwischenkreise als Spannungszwischenkreise (6) ausgebildet sind.Power supply device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the one or more intermediate circuits as voltage intermediate circuits ( 6 ) are formed. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichter (1a, 1a*, 1b, 1b*, 1c, 1c*) mit IGBT-Halbleiterbauelementen (11a, 12a, 13a, 14a) ausgeführt sind.Power supply device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the inverters ( 1a . 1a * . 1b . 1b * 1c . 1c * ) with IGBT semiconductor devices ( 11a . 12a . 13a . 14a ) are executed. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ausgangsseite der Wechselrichter (1a, 1a*, 1b, 1b*, 1c, 1c*) jeweils wenigstens eine Entkopplungsdrossel (7) angeordnet ist.Power supply device according to one of claims 1 to 9, characterized in that on the output side of the inverter ( 1a . 1a * . 1b . 1b * . 1c . 1c * ) at least one decoupling choke ( 7 ) is arranged. Induktionstiegelofen mit einer Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Induction crucible furnace with a power supply device according to one of claims 1 to 10.
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