DE102013002796A1

DE102013002796A1 - Vorrichtung zur Erdschlusserkennung in Mehrofenanlagen und Mehrofenanlage

Info

Publication number: DE102013002796A1
Application number: DE102013002796.9A
Authority: DE
Inventors: Matthias Bartkowiak; Christoph Forsthoevel; Daniel Green
Original assignee: ABP INDUCTION SYSTEMS GmbH
Current assignee: ABP INDUCTION SYSTEMS GmbH
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2013-02-19
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2033-02-20
Also published as: US9746510B2; DE102013002796B4; WO2014071912A1; US20150301098A1

Abstract

Es werden eine Vorrichtung zur Erdschlusserkennung in Mehrofenanlagen mit mindestens zwei Induktionsöfen sowie eine Mehrofenanlage beschrieben. Jedem Induktionsofen ist eine Erdschlussüberwachung zugeordnet, die an die elektrische Zuleitung zur Induktionsofenspule angeschlossen ist. Ferner besitzt die Vorrichtung einen Ableitstromdetektor. Darüber hinaus weist die Vorrichtung eine zusätzliche Erdschlussüberwachung auf, die an der gleichen Stelle misst wie der Ableitstromdetektor. Auf diese Weise wird eine Sicherheitsverbesserung beim Betrieb der Anlage erreicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erdschlusserkennung in Mehrofenanlagen mit mindestens zwei Induktionsöfen, die jeweils eine Induktionsofenspule aufweisen, welche Teil eines von mindestens zwei in Reihe oder parallel geschalteten Lastschwingkreisen bildet, mit mindestens zwei parallel oder in Reihe geschalteten Wechselrichtern, die jeweils einen Lastschwingkreis versorgen und operativ mit einem gemeinsamen, an eine Wechselstromquelle angeschlossenen Gleichrichter verbunden sind, einer jedem Induktionsofen zugeordneten und an die elektrische Zuleitung zur Induktionsofenspule angeschlossenen Erdschlussüberwachung und einem Ableitstromdetektor, der an die mindestens zwei Wechselrichter geschaltet ist.
Eine derartige Vorrichtung ist bekannt (betriebsinterner Stand der Technik).
Die frühzeitige Erkennung eines Erdschlusses ist bei derartigen Mehrofenanlagen mit mehreren Induktionsöfen eine wichtige Maßnahme, um die Betriebssicherheit von derartigen Mehrofenanlagen zu erhöhen. Hierzu finden Erdschlussüberwachungseinrichtungen Verwendung. Mit diesen Einrichtungen wird eine Messung durchgeführt, bei der mit Hilfe einer eigenen Stromquelle ein Widerstandswert ermittelt wird. Dabei kann ein Analogausgang des Gerätes über ein Zeigerinstrument visualisiert werden und ein programmierbarer Schwellwert eine Alarmmeldung generieren.
Ferner können solche Erdschlüsse über eine Ableitstromüberwachung mit Hilfe eines Ableitstromdetektors erkannt werden. Hierbei wird eine passive Messung durchgeführt, bei der über einen Stromwandler der nach Erde abfließende Strom gemessen wird. Ein Analogausgang des entsprechenden Gerätes kann über ein Zeigerinstrument visualisiert werden und ein einstellbarer Schwellwert eine Alarmmeldung erzeugen.
Bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung des Standes der Technik finden eine jedem Induktionsofen zugeordnete und an die elektrische Zuleitung zur Induktionsofenspule angeschlossene Erdschlussüberwachung sowie ein Ableitstromdetektor, der an die mindestens zwei Wechselrichter geschaltet ist, Verwendung. Die ofenbezogenen Erdschlussüberwachungen müssen bei einer derartigen Vorrichtung abgeschaltet werden, sobald mindestens ein Ofen betrieben wird, da sie sich gegenseitig beeinflussen, so dass eine zuverlässige Auslösung nicht möglich ist. Der Ableitstromdetektor übernimmt dann die Aufgabe der Erkennung eines Erdschlusses. Ein von der Energieversorgung getrennter Ofen wird weiterhin durch die Erdschlussüberwachung überwacht, da diese bei getrenntem Ofen nicht abgeschaltet wird. Bei besonderen Erfordernissen (z. B. zu nasser Tiegel) muss die Erdschlussüberwachung mit einem Schlüsselschalter deaktiviert werden, um den betreffenden Ofen betreiben zu können.
Der vorgesehene Ableitstromdetektor ermöglicht eine schnelle Reaktion auf durch elektrische Überschläge (Lichtbögen) verursachte Fehler. Hierbei wird der Ableitstrom mit Hilfe eines Stromdetektors gemessen, wobei der Detektor Hochfrequenzstrom passieren lässt, der typischerweise mit einer Lichtbogenbildung assoziiert ist, die durch Isolationsdurchschlag in der Feststoffauskleidung des Induktionsofens oder der die Spule des Induktionsofens umgebenden Isolierung verursacht wird, und der Spannungskomponenten niedriger Frequenz abweist. Wenn der Lichtbogenstrom einen voreingestellten Schwellenwert übersteigt, wird ein Auslösesignal erzeugt und ein Alarm wird ausgegeben, um dem Ofenbediener den Erdschlussfehler anzuzeigen. Vorzugsweise wird dabei der Ofen abgeschaltet. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Ableitstromüberwachung bei kleinen Ofenspannungen nicht in jedem Fall zuverlässig arbeitet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art zur Verfügung zu stellen, mit der die Sicherheit einer Mehrfachofenanlage weiter verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine zusätzliche Erdschlussüberwachung aufweist, die an gleicher Stelle misst wie der Ableitstromdetektor.
Eine solche zusätzliche Erdschlussüberwachung, die an gleicher Stelle misst wie die Ableitstromüberwachung (Ableitstromdetektor), reagiert auch bei kleinen Spannungen zuverlässig, arbeitet jedoch integrierend, so dass ein Erdschlussfehler erst mit Verzögerung erkannt werden kann. Die erfindungsgemäß vorgesehene gleichzeitige Verwendung einer Erdschlussüberwachung und einer Ableitstromüberwachung stellt jedoch eine deutliche Sicherheitsverbesserung dar, da die Erdschlussüberwachung unabhängig von der Ofenspannung funktioniert, während die Ableitstromüberwachung sich durch eine schnelle Reaktion auszeichnet.
Was die Ausbildung der zusätzlichen Erdschlussüberwachung anbetrifft, so injiziert diese vorzugsweise als Erdungswiderstandswächter einen Wechselstrom niedriger Frequenz in den Ofenschaltkreis und misst die Größe dieses Niederfrequenzstromes. Die Größe dieses Niederfrequenzstromes verhalt sich dabei proportional zum Gesamterdungswiderstand der Ofenanlage. Wenn der Erdungswiderstand unter einen eingestellten Schwellenwert fällt, wird ein Auslösesignal erzeugt und wird ein Alarm ausgegeben, um dem Ofenbediener den Erdwiderstandfehler aufzuzeigen. Vorzugsweise wird dabei der Ofen abgeschaltet.
Die Erfindung betrifft vorzugsweise eine Ausführungsform, bei der zwei Induktionsöfen je einen Lastschwingkreis besitzen, der von je einem Wechselrichter versorgt wird, wobei der Ableitstromdetektor und die zusätzliche Erdschlussüberwachung zwischen die beiden Wechselrichter geschaltet sind.
Eine solche Tandemanlage besitzt vorzugsweise zwei Induktionsöfen und zwei zu den Öfen parallel geschaltete Kondensator-Batterien, die zusammen mit der Induktivität der Ofenspule den Lastschwingkreis (Parallelschwingkreis) bilden. Die Einspeisung erfolgt über zwei Wechselrichter, die in Reihe geschaltet mit einem gemeinsamen Gleichrichter und ggf. einem Zwischenkreis arbeiten. Die Wechselrichter-Abgänge zum Lastschwingkreis sind vorzugsweise schaltbar ausgeführt, um einen schadhaften Ofen von der Anlage zu trennen und somit mit dem verbleibenden Ofen weiter arbeiten zu können. Jedem Ofen ist hierbei eine Erdschlussüberwachung zugeordnet, die direkt an die elektrische Zuleitung zur Ofenspule angeschlossen ist.
Bei einer speziellen Ausführungsform nutzen die mindestens zwei Induktionsöfen Strom aus einer gemeinsamen Stromversorgung mit Stromteilung.
Der Ableitstromdetektor (Wechselstromableitstromdetektor) weist vorzugsweise eine R/C-Beschaltung auf. Hierbei lässt der Kondensator Hochfrequenzstrom passieren, der, wie erwähnt, typischerweise mit einer Lichtbogenbildung assoziiert ist.
Die jedem Induktionsofen zugeordneten und an die elektrische Zuleitung zur Induktionsofenspule angeschlossenen Erdschlussüberwachungen sind vorzugsweise abschaltbar, wenn die Öfen eingeschaltet werden, und zuschaltbar, wenn die Öfen abgeschaltet werden. Hierfür finden geeignete Relais Verwendung. Es wird hierdurch eine individuelle Anzeige des Erdungswiderstandes zu den jeweiligen Induktionsöfen ermöglicht. Werden einer oder beide Öfen abgeschaltet, werden die Öfen durch ihre jeweiligen Wechselrichter voneinander isoliert, so dass der Erdungswiderstand jedes Ofens individuell angezeigt werden kann.
Liegt bei einem Ofen ein Erdschluss vor, so muss er isoliert werden, damit der Betrieb des anderen Ofens fortgesetzt werden kann. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung Schalteinrichtungen zur Trennung der Lastkreise der jeweiligen Induktionsöfen von den entsprechenden Wechselrichtern vor, insbesondere Schütze. Zusätzlich zu den Schützen können Bypass-Thyristoren bereitgestellt werden, wobei die jeweils fehlerhaften Öfen durch Einschalten des Bypass-Thyristors und Ausschalten des entsprechenden Wechselrichters isoliert werden können.
Bei deaktivierter Erdschlussüberwachung können nicht beide Öfen einer zwei Öfen aufweisenden Anlage zuverlässig überwacht werden. Sobald zwei Öfen einer solchen Anlage gleichzeitig betrieben werden, stellt sich ein gemeinsamer Widerstand gegen Erde ein. Ist es nötig, eine Erdschlussüberwachung zu deaktivieren, weil der Isolationswiderstand gegen Erde sehr niedrig ist (z. B. durch einen nassen, neu zugestellten Tiegel), so kann der zweite Ofen, der gleichzeitig betrieben wird, nicht zuverlässig überwacht werden. Ein Erdschluss von Bad zur Spule könnte daher nicht erkannt werden.
Sobald die Erdschlussüberwachung eines Ofens deaktiviert wird, verbietet die Anlagensteuerung den gleichzeitigen Betrieb von zwei Öfen. Um einen Ofen einschalten zu können, muss somit der Trennschalter des jeweils anderen Ofens geöffnet werden.
Bei Anlagen mit automatisierten Ofen-Trennschaltern ist die Bedienung insofern vereinfacht, als dass der Bediener nur den gewünschten Ofen wie gewohnt einschalten muss. Die Anlagensteuerung trennt dann vor dem eigentlichen Einschalten den jeweils anderen Ofen von der Anlage ab.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Ofenanlage mit mindestens zwei Induktionsöfen, die jeweils eine Induktionsofenspule (8) aufweisen, die Teil eines von mindestens zwei in Reihe oder parallel geschalteten Lastschwingkreisen bildet, mindestens zwei parallel oder in Reihe geschalteten Wechselrichtern (3, 4), die jeweils einen Lastschwingkreis versorgen und operativ mit einem gemeinsamen, an eine Wechselstromquelle angeschlossenen Gleichrichter (1) verbunden sind, und einer Vorrichtung zur Erdschlusserkennung mit einer Erdschlussüberwachung (13, 14), die jedem Induktionsofen zugeordnet und an die elektrische Zuleitung zur Induktionsofenspule (8) angeschlossen ist, einem Ableitstromdetektor (10), der an die mindestens zwei Wechselrichter (3, 4) geschaltet ist, und einer zusätzlichen Erdschlussüberwachung (11), die an gleicher Stelle misst wie der Ableitstromdetektor (10).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch den Aufbau einer Mehrofenanlage mit Erdschlusserkennung.
Die Figur zeigt eine Mehrofenanlage mit zwei Induktionsöfen, die Strom aus einer gemeinsamen Stromversorgung mit Stromteilung nutzen. Entsprechend der Anlage wird eine dreiphasige Netzwechselspannung vom Stromversorgungsnetz an einen Gleichrichter 1 gelegt. Der Gleichrichter 1 wandelt die dreiphasige Netzwechselspannung in eine Gleichspannung um. Der Gleichstrom vom Gleichrichter 1 fließt durch eine Drossel 2, die die Restwelligkeit des Gleichstroms vermindert. Der Gleichstrom von der Drossel 2 fließt dann durch zwei Wechselrichter 3 und 4. Jeder Wechselrichter 3, 4 versorgt einen Lastschwingkreis umfassend einen Kondensator 5 und eine Induktionsofenspule 6 für den Ofen, der operativ mit dem Wechselrichter 3 verbunden ist, und einen Kondensator 7 zusammen mit einer Induktionsofenspule 8 für den Ofen, der operativ mit dem Wechselrichter 4 verbunden ist.
Bei dem in der Figur dargestellten Schaltungsaufbau handelt es sich um eine Stromversorgung mit Stromteilung, bei der zwei Induktionsöfen den aus der gemeinsamen Stromquelle verfügbaren Strom in jedem gewünschten Verhältnis teilen können. Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung gleichsam auf in Reihe oder parallel geschaltete Lastkreise und in Reihe oder parallel geschaltete Wechselrichter, die operativ mit einem gemeinsamen Gleichrichter verbunden sind, anwendbar ist.
Das System besitzt Erdschlussmesseinrichtungen 13, 14, die operativ mit ihren jeweiligen Induktionsofenspulen 6 und 8 verbunden sind. Diese Erdschlussmesseinrichtungen werden mittels der Relais 15 und 16 weggeschaltet, wenn die Öfen eingeschaltet werden, und wieder zugeschaltet, wenn die Öfen abgeschaltet werden, wodurch sie eine individuelle Anzeige des Erdungswiderstandes zu ihren jeweiligen Induktionsöfen ermöglichen. Werden einer oder beide Öfen abgeschaltet, werden die Öfen durch ihre jeweiligen Wechselrichter voneinander isoliert, so dass der Erdungswiderstand jedes Ofens individuell angezeigt werden kann.
Ferner sind Schalteinrichtungen 18, 19 in Form von Schützen vorgesehen, um die Lastkreise der jeweiligen Induktionsöfen von den entsprechenden Wechselrichtern zu isolieren. Liegt nämlich bei einem Ofen ein Erdschluss vor, muss er isoliert werden, damit der Betrieb des anderen Ofens fortgesetzt werden kann. Zusätzlich zu den Schalteinrichtungen (Schützen) 18, 19 können Bypass-Thyristoren 20, 21 bereitgestellt werden, wobei die jeweils fehlerhaften Öfen durch Einschalten des Bypass-Thyristors und Ausschalten des entsprechenden Wechselrichters isoliert werden können.
Ferner besitzt die Vorrichtung einen Ableitstromdetektor (Wechselstromableitstromdetektor) 10, der den Ableitstrom durch eine R/C-Beschaltung 9 misst. Der Kondensator lässt Hochfrequenzstrom passieren, der typischerweise mit Lichtbogenbildung assoziiert ist, durch Isolationsdurchschlag in der Feststoffauskleidung des Induktionsofens oder der die Spule umgebenden Isolierung verursacht wird, während er Spannungskomponenten niedrigerer Frequenz abweist. Wenn der Lichtbogenstrom einen voreingestellten Schwellenwert übersteigt, wird ein Auslösesignal erzeugt, um den Ofen abzuschalten, und ein Alarm wird ausgegeben, um dem Ofenbediener den Erdschlussfehler anzuzeigen.
Des Weiteren besitzt die Vorrichtung eine Erdschlussüberwachung (Erdungswiderstandswächter) 11, die einen Wechselstrom niedriger Frequenz durch eine Drossel 12 in den Ofenschaltkreis injiziert. Mittels Erdschlussmessung wird die Größe dieses Niederfrequenzstromes, der sich proportional zum Gesamterdungswiderstand der Ofenanlage verhält, gemessen. Wenn der Erdungswiderstand unter einen voreingestellten Schwellenwert fällt, wird ein Auslösesignal erzeugt, um den Ofen abzuschalten, und ein Alarm wird ausgegeben, um dem Ofenbediener den Erdungswiderstandsfehler anzuzeigen.
Es kommen somit in Kombination ein Ableitstromdetektor 10 und eine Erdschlussüberwachung 11 zur Anwendung. Da die Erdschlussüberwachung unabhängig von der Ofenspannung funktioniert, während die Ableitstromüberwachung sich durch eine schnelle Reaktion auszeichnet, wird eine Sicherheitsverbesserung erreicht.

Claims

Vorrichtung zur Erdschlusserkennung in Mehrofenanlagen mit mindestens zwei Induktionsöfen, die jeweils eine Induktionsofenspule aufweisen, welche Teil eines von mindestens zwei in Reihe oder parallel geschalteten Lastschwingkreisen bildet, mit mindestens zwei parallel oder in Reihe geschalteten Wechselrichtern, die jeweils einen Lastschwingkreis versorgen und operativ mit einem gemeinsamen, an eine Wechselstromquelle angeschlossenen Gleichrichter verbunden sind, einer jedem Induktionsofen zugeordneten und an die elektrische Zuleitung zur Induktionsofenspule angeschlossenen Erdschlussüberwachung und einem Ableitstromdetektor, der an die mindestens zwei Wechselrichter geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine zusätzliche Erdschlussüberwachung (11) aufweist, die an gleicher Stelle misst wie der Ableitstromdetektor (10).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Erdschlussüberwachung (11) als Erdungswiderstandswächter einen Wechselstrom niedriger Frequenz in den Ofenschaltkreis injiziert und die Größe dieses Niederfrequenzstromes misst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Induktionsöfen je einen Lastschwingkreis besitzen, der von je einem Wechselrichter (3, 4) versorgt wird, wobei der Ableitstromdetektor (10) und die zusätzliche Erdschlussüberwachung (11) zwischen die beiden Wechselrichter (3, 4) geschaltet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Induktionsöfen Strom aus einer gemeinsamen Stromversorgung mit Leistungsaufteilung nutzen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ableitstromdetektor (10) eine R/C-Beschaltung (9) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Schalteinrichtungen (18, 19) zur Trennung der Lastkreise der jeweiligen Induktionsöfen von den entsprechenden Wechselrichtern (3, 4) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jedem Induktionsofen zugeordneten und an die elektrische Zuleitung zur Induktionsofenspule (6, 8) angeschlossenen Erdschlussüberwachungen (13, 14) über Schalteinrichtungen (15, 16) zu- und abschaltbar sind.
Mehrofenanlage mit mindestens zwei Induktionsöfen, die jeweils eine Induktionsofenspule (8) aufweisen, die Teil eines von mindestens zwei in Reihe oder parallel geschalteten Lastschwingkreisen bildet, mindestens zwei parallel oder in Reihe geschalteten Wechselrichtern (3, 4), die jeweils einen Lastschwingkreis versorgen und operativ mit einem gemeinsamen, an eine Wechselstromquelle angeschlossenen Gleichrichter (1) verbunden sind, und einer Vorrichtung zur Erdschlusserkennung mit einer Erdschlussüberwachung (13, 14), die jedem Induktionsofen zugeordnet und an die elektrische Zuleitung zur Induktionsofenspule (8) angeschlossen ist, einem Ableitstromdetektor (10), der an die mindestens zwei Wechselrichter (3, 4) geschaltet ist, und einer zusätzlichen Erdschlussüberwachung (11), die an gleicher Stelle misst wie der Ableitstromdetektor (10).