DE102013106232A1

DE102013106232A1 - Umrichter mit Energiespeichermitteln

Info

Publication number: DE102013106232A1
Application number: DE201310106232
Authority: DE
Inventors: Josef Wagner; Edmund Zok
Original assignee: SMS Elotherm GmbH
Current assignee: SMS Elotherm GmbH
Priority date: 2013-06-14
Filing date: 2013-06-14
Publication date: 2014-12-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Umrichter (220) für eine Impulshärtungsvorrichtung (200), wobei der Umrichter (220) eingerichtet ist, während einer Impulsphase elektrische Leistung an einem Ausgang (223) des Umrichters (220) abzugeben, wobei der Umrichter (220) Energiespeichermittel (224) umfasst, die eingerichtet sind zumindest außerhalb der Impulsphase Energie zu speichern. Ferner betrifft die Erfindung eine Impulshärtungsvorrichtung (200) mit einem derartigen Umrichter (220). Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren umfassend das Speichern von Energie in Energiespeichermitteln (224), wobei die Energiespeichermittel (224) von einem Umrichter (220) für eine Impulshärtungsvorrichtung (200) umfasst sind, wobei der Umrichter (220) eingerichtet ist, während einer Impulsphase elektrische Leistung an einem Ausgang (223) des Umrichters (220) abzugeben, und wobei das Speichern von Energie in den Energiespeichermitteln (224) zumindest außerhalb der Impulsphase erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter für eine Impulshärtungsvorrichtung, wobei der Umrichter eingerichtet ist, während einer Impulsphase – die meist eine Dauer zwischen 0,3 s und mehreren Minuten aufweist – elektrische Leistung an einem Ausgang des Umrichters abzugeben. Ferner betrifft die Erfindung eine Impulshärtungsvorrichtung mit einem derartigen Umrichter. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren umfassend das Speichern von Energie in Energiespeichermitteln eines Umrichters.
Beim Impulshärten werden durch Schwingungspakete (Leistungsimpulse) die Oberflächenschichten eines Werkstücks für eine kurze Zeit auf Austenitisierungstemperatur gebracht. Dabei ist die Impulsdauer relativ kurz, die Impulsleistung jedoch sehr hoch. Nach anschließendem Abkühlen – durch Selbstabkühlung oder Abschrecken – erhält man ein gehärtetes Werkstück.
Eine Gruppe von Impulshärtungsvorrichtungen ist eine spezielle Art von Induktionshärtungsvorrichtung. Sie führt dem Werkstück Leistungsimpulse zu, indem sie im Werkstück einen entsprechenden elektrischen Wechselstrom induziert. Bei derartigen Impulshärtungsvorrichtungen können Umrichter zum Einsatz kommen, die eine verfügbare Anschlussspannung so wandeln, dass sie für das Induzieren eines Leistungsimpulses im Werkstück nutzbar ist.
Während der Impulsdauer müssen induktiv arbeitende Impulshärtungsvorrichtungen in der Lage sein, die benötigte, hohe elektrische Leistung abzugeben. Soll der Impulshärtungsvorrichtung eine Anschlussleistung zu Verfügung gestellt werden, die zumindest so groß ist wie die Impulsleistung ist, entstehen hohe Anschlusskosten für den Betreiber der Impulshärtungsvorrichtung. Außerdem ist während der Impulsdauer, die meist zwischen 0,3 s und mehreren Minuten beträgt, mit einer erheblichen Impulsbelastung des elektrischen Netzes zu rechnen, an das die Impulshärtungsvorrichtung angeschlossen ist.
Es ist demgegenüber eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Umrichter für eine Impulshärtungsvorrichtung, eine Impulshärtungsvorrichtung mit einem derartigen Umrichter sowie ein entsprechendes Verfahren anzugeben.
Bei einem Umrichter der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Umrichter Energiespeichermittel umfasst, die eingerichtet sind zumindest außerhalb der Impulsphase Energie zu speichern.
Bei einer erfindungsgemäßen Impulshärtungsvorrichtung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Impulshärtungsvorrichtung einen erfindungsgemäßen Umrichter umfasst.
Bei einem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Energiespeichermittel von einem Umrichter für eine Impulshärtungsvorrichtung umfasst sind, wobei der Umrichter eingerichtet ist, während einer Impulsphase elektrische Leistung an einem Ausgang des Umrichters abzugeben, und wobei das Speichern von Energie in den Energiespeichermittel zumindest außerhalb der Impulsphase erfolgt.
Nachfolgend wird aus Gründen der Übersichtlichkeit die Erfindung vorwiegend anhand des erfindungsgemäßen Umrichters erläutert. Die Ausführungen hierzu gelten jedoch entsprechend für die erfindungsgemäße Impulshärtungsvorrichtung und für das erfindungsgemäße Verfahren.
Dadurch, dass die vorgesehenen Energiespeichermittel eingerichtet sind, zumindest außerhalb der Impulsphase Energie zu speichern, können sie während der Impulsphase zuvor gespeicherte Energie abgeben. Die Energiespeichermittel können somit zumindest außerhalb der Impulsphase durchgängig mit einer vergleichsweise kleinen Leistung geladen werden und während der relativ kurzen Impulsphase einen signifikanten Teil der Impulsleistung – bis hin zu einem Großteil der Impulsleistung oder der vollständigen Impulsleistung – abgeben. Um während der Impulsphase die nötige Leistung am Ausgang des Umrichters bereitstellen zu können, kann es dann ausreichen, an einem Eingang des Umrichters eine geringere Eingangsleistung bereitzustellen. Insbesondere kann es so bei einer Impulshärtungsvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Umrichter ausreichend sein, der Impulshärtungsvorrichtung eine geringere Anschlussleistung zur Verfügung zu stellen, ohne dass die Impulsleistung reduziert werden müsste. Eine Kostenreduktion kann ebenso die Folge sein wie eine Reduktion der Impulsbelastung des elektrischen Netzes, das die Anschlussleistung bereitstellt.
Eine Impulshärtungsvorrichtung, in der ein erfindungsgemäßer Umrichter einsetzbar ist, kann insbesondere eine Induktionshärtungsvorrichtung sein. Mit der Induktionshärtungsvorrichtung kann neben dem Impulshärten auch das induktive Härten mit anderen Strom- bzw. Spannungsverläufen möglich sein.
Die Einrichtung des Umrichters, elektrische Leistung an einem Ausgang des Umrichters abzugeben, kann insbesondere umfassen, dass der Umrichter eingerichtet ist, unmittelbar oder mittelbar elektrische Leistung an eine Induktionsspule abzugeben, mittels welcher im Werkstück der Leistungsimpuls induziert wird. Der Ausgang des Umrichters kann beispielsweise durch elektrische Anschlüsse gebildet sein. Die elektrischen Anschlüsse des Umrichters können fest mit elektrischen Anschlüssen anderer elektrischer Komponenten, beispielsweise einer Induktionsspule, verbundenen sein, z. B. verlötet oder verschweißt sein.
Ein Impulshärtungsvorgang kann in zwei Phasen untergliedert werden. Eine erste Phase ist die Impulsphase. Während der Impulsphase wird über eine Induktionsspule in einem Werkstück ein Leistungsimpuls induziert. Die Impulsphase wird teilweise auch als Prozessphase bezeichnet. Außerhalb der Impulsphase, d. h. wenn gerade keine Impulsphase vorliegt, somit aktuell also im Werkstück kein Leistungsimpuls induziert wird, kann z. B. ein Austausch des zu bearbeitenden Werkstücks erfolgen, so dass ein in der letzten Impulsphase gehärtetes Werkstück entfernt wird und ein in der nächsten Impulsphase zu härtendes Werkstück für den Härtungsvorgang positioniert wird. Diese Phase kann auch als Impulspausenphase oder schlicht als Pausenphase bezeichnet werden.
Dass die Energiespeichermittel eingerichtet sind, zumindest außerhalb der Impulsphase Energie zu speichern, kann bedeuten, dass die Energiespeichermittel eingerichtet sind, lediglich außerhalb der Impulsphase Energie aufzunehmen, so dass also während der Impulsphase keine Energie aufgenommen bzw. gespeichert wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind jedoch die Energiespeichermittel eingerichtet, innerhalb der Impulsphase Energie aufzunehmen.
In Kombination mit dem Merkmal der Erfindung, dass die Energiespeichermittel eingerichtet sind, zumindest außerhalb der Impulsphase Energie zu speichern, kann somit eine kontinuierliche Energieaufnahme der Energiespeichermittel erreicht werden. Die notwendige Energie für die Erzeugung des Leistungsimpulses kann dann während der gesamten Impulsdauer unmittelbar stets ausschließlich den Energiespeichermitteln entnommen werden, wobei auch innerhalb der Impulsphase die zur Verfügung stehende Netzanschlussleistung genutzt werden kann, indem diese zunächst den Energiespeichermitteln zugeführt wird, bevor sie für die Leistungsimpulserzeugung verwendet wird. Schaltungstechnische Vereinfachungen können sich hieraus ergeben, da ein Umschalten von der Energiezufuhr aus den Energiespeichermitteln auf eine unter Umgehung der Energiespeichermittel erfolgende, direktere Energiezufuhr aus dem elektrischen Netz verzichtet werden kann.
Die Energiespeicherkapazität der Energiespeichermittel muss gegenüber einer Ausgestaltung, bei der die Energiespeichermittel eingerichtet sind, lediglich außerhalb der Impulsphase Energie zu speichern und ansonsten keine Energie aufzunehmen, nicht zwingend erhöht sein. Dazu darf die den Energiespeichermitteln entnommene Energie durch die innerhalb der Impulsphase aufgenommene Energie höchstens kompensiert werden, z. B. indem die den Energiespeichermitteln aus dem Netz zugeführte Leistung die ihnen innerhalb der Impulsphase für den Härtevorgang entnommene Leistung nicht übersteigt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Energiespeichermittel in einem Zwischenkreis des Umrichters angeordnet.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel können die Energiespeichermittel Nutzen aus dem Zwischenkreis vorgeschalteten elektrischen Komponenten bzw. Schaltungen ziehen. So können z. B. im Fall eines dem Zwischenkreis vorgeschalteten Gleichrichters Energiespeichermittel, die für das Speichern von Energie mit Gleichspannung versorgt werden müssen, davon profitieren, dass eine solche Gleichspannung mittels des Gleichrichters zur Verfügung gestellt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel enthält der Umrichter Gleichrichtermittel und Wechselrichtermittel, wobei der Zwischenkreis zwischen den Gleichrichtermitteln und den Wechselrichtermitteln angeordnet ist.
Derartige Umrichter mit einem mit Gleichspannung betriebenen Zwischenkreis werden folglich auch als Zwischenkreisumrichter bezeichnet. Die Anordnung des Zwischenkreises zwischen den Gleichrichtermitteln und den Wechselrichtermitteln ist dabei schaltungstechnisch zu verstehen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die maximale Leistungsaufnahme der Energiespeichermittel mindestens gleich dem Betrag der an einem Eingang des Umrichters zu Verfügung stehenden Leistung.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann ein besonders effektives Speichern von Energie in den Energiespeichermitteln möglich sein. Den Energiespeichermitteln ist es in diesem Fall möglich, Energie so schnell zu speichern, dass die verfügbare Eingangsleistung von ihnen aufgenommen werden kann.
Der Eingang des Umrichters kann beispielsweise durch elektrische Anschlüsse gebildet werden. Der Eingang des Umrichters kann insbesondere mit einem Netzanschluss verbunden sein, so dass es sich bei der an dem Eingang zur Verfügung stehenden Leistung um eine Anschlussleistung bzw. Netzanschlussleistung handelt.
Vorteilhafterweise ist die maximale Leistungsabgabe der Energiespeichermittel so groß, dass während der Impulsphase die in den Energiespeichermitteln gespeicherte Energie so schnell abgegeben werden kann, dass für die Dauer der Impulsphase die gewünschte Leistungsabgabe möglich ist. Die gewünschte Leistungsabgabe kann in der Bilanz dabei insbesondere die Differenz zwischen der geforderten Impulsleistung und der Eingangsleistung, z. B. der Netzanschlussleistung, sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Energiespeichermittel eingerichtet, die über die Zeit zwischen zwei Impulsphasen an einem Eingang des Umrichters zur Verfügung stehende Leistung vollständig aufzunehmen.
Auf diese Weise kann es möglich sein, eine maximale Energiespeicherung zwischen zwei Impulsphasen zu erhalten. Zur Verfügung stehende Energie muss nicht ungenutzt bleiben. In diesem Fall kann es ausreichen, bei gleicher Impulsleistung eine Eingangsleistung am Eingang des Umrichters, z. B. eine Netzanschlussleistung, bereitzustellen, die gegenüber dem Fall der Verwendung eines Umrichters ohne erfindungsgemäßen Energiespeichermittel reduziert ist. Die gemäß diesem Ausführungsbeispiel notwendige Eingangsleistung ist dann die bei Einsatz eines Umrichters ohne erfindungsgemäße Energiespeichermittel notwendige Eingangsleistung multipliziert mit dem Faktor
Dabei bezeichnet T_Pause die Dauer der Pausenphase und T_Puls bezeichnet die Dauer der Impulsphase.
Mehrere Impulsphasen können z. B. aufeinander folgen, weil dasselbe Werkstück durch mehrere Leistungsimpulse gehärtet werden soll oder aber weil mehrere Werkstücke gehärtet werden, wobei für jedes Werkstück mindestens eine Impulsphase zur Härtung benötigt wird. Zwischen zwei Impulsphasen liegt eine Pausenphase. Diese kann beispielweise zum Austausch des zu bearbeitenden Werkstücks genutzt werden, so dass ein in der letzten Impulsphase gehärtetes Werkstück entfernt wird und ein in der nächsten Impulsphase zu härtendes Werkstück für den Härtungsvorgang positioniert wird.
Zum Einrichten der Energiespeichermittel zur vollständigen Aufnahme der über die Zeit zwischen zwei Impulsphasen an einem Eingang des Umrichters zur Verfügung stehende Leistung kann die Energiespeicherkapazität der Energiespeichermittel entsprechend ausgelegt sein. Insbesondere kann die Energiespeicherkapazität so ausgelegt sein, dass sie für eine bestimmte Dauer der Pausenphase, d. h. für eine bestimmte Dauer der Zeit zwischen zwei Impulsphasen, bei vollständiger Aufnahme der an einem Eingang des Umrichters zur Verfügung stehenden Leistung über die Dauer der Pausenphase ausreichend bemessen ist. Die Energiespeicherkapazität der Energiespeichermittel kann also so bemessen sein, dass die Energiespeichermittel die Energie W_Pause = P_Eingang·T_Pause aufnehmen können, wobei P_Eingang die am Eingang des Umrichters zur Verfügung stehenden Leistung bezeichnet.
Dass die Energiespeichermittel eingerichtet sind, die über die Zeit zwischen zwei Impulsphasen an einem Eingang des Umrichters zur Verfügung stehende Leistung vollständig aufzunehmen, bedeutet nicht, dass exakt die am Eingang des Umrichter zur Verfügung stehende Leistung von den Energiespeichermitteln aufgenommen werden muss. Vielmehr ist gemeint, dass übliche Toleranzen einbezogen sind, so dass anfallende elektrische Verluste zu einer Leistungsaufnahme – und damit zu einer Energieaufnahme – der Energiespeichermittel führen können, die geringfügig unterhalb der am Eingang des Umrichters zur Verfügung stehenden Leistung liegt. Es kann somit die alternative Formulierung verwendet werden, dass die Energiespeichermittel eingerichtet sind, die über die Zeit zwischen zwei Impulsphasen an einem Eingang des Umrichters zur Verfügung stehende Leistung im Wesentlichen vollständig aufzunehmen.
Ist eine bestimmte Eingangsleistung, z. B. Netzanschlussleistung vorgegeben, können gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung Energiespeichermittel mit einer daran angepassten maximalen Leistungsaufnahme eingesetzt werden. Um eine bestimmte, vorgegebene Impulsleistung für eine vorgegebene Impulsdauer realisieren zu können, kann die Dauer der Pausenphase abhängig von Eingangsleistung und/oder der maximalen Leistungsaufnahme entsprechend angepasst sein, so dass in der Impulsphase die benötigte Impulsleistung aufgebracht werden kann. Auf eine ausreichend große maximale Energiespeicherkapazität der Energiespeichermittel ist dabei zu achten. Ebenso kann, wenn die Impulsleistung, die Dauer der Impulsphase und die Dauer der Pausenphase vorgegeben sind, eine Anpassung der Eingangsleistung – z. B. durch Vereinbarung mit einem Netzbetreiber – vorgenommen werden, um in der Pausenphase genug Energie in den Energiespeichermitteln speichern zu können, um für die volle Dauer der Impulsphase die geforderte Impulsleistung abgeben zu können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen die Energiespeichermittel eine Kondensatorbatterie.
Die Kondensatorbatterie kann eine Mehrzahl zusammengeschalteter Kondensatoren umfassen.
Die Verwendung einer Kondensatorbatterie kann vorteilhaft sein, da Kondensatorbatterien die Fähigkeit zur schnellen Energiespeicherung bzw. Energieabgabe und gleichzeitig eine große Energiespeicherkapazität bieten können.
So können mit einer Kondensatorbatterie beispielsweise Energiespeichermittel realisiert werden, deren maximale Leistungsaufnahme mindestens gleich dem Betrag der an einem Eingang des Umrichters zu Verfügung stehenden Leistung ist, auch wenn die am Eingang des Umrichters zur Verfügung stehende Leistung groß ist. Zum Beispiel kann es sich bei der am Eingang des Umrichters zur Verfügung stehenden Leistung um eine Netzanschlussleistung handeln. Diese kann beispielsweise im Bereich zwischen 100 kW und 150 kW liegen, z. B. kann eine Netzanschlussleistung von 125 kW angenommen werden.
Zudem können Energiespeichermittel mit einer Kondensatorbatterie eine Energiespeicherkapazität aufweisen, die ausreichend ist, eine über die Zeit zwischen zwei Impulsphasen an einem Eingang des Umrichters zur Verfügung stehende Leistung vollständig aufzunehmen. Die Energiespeicherkapazität einer im Rahmen der Erfindung verwendeten Kondensatorbatterie kann beispielsweise im Bereich von bis 1000 kJ 2000 kJ liegen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Kondensatorbatterie mehrere Superkondensatoren.
Superkondensatoren zeichnen sich durch eine hohe Energiedichte aus, d. h. bezogen auf ihr Bauvolumen haben sie eine besonders große Kapazität. Daher lässt sich aus Superkondensatoren eine Kondensatorbatterie aufbauen, die sowohl die Anforderungen hinsichtlich der im Rahmen der Erfindung notwendigen Energiespeicherkapazität erfüllt als auch räumlich vergleichsweise kompakt ist.
Bei den Superkondensatoren, die im Rahmen des Ausführungsbeispiels zum Einsatz kommen können, kann es sich beispielsweise um Doppelschichtkondensatoren, Pseudokondensatoren oder Hybridkondensatoren handeln. Dabei können alle Kondensatoren der Kondensatorbatterie vom gleichen Typ sein oder es können gleichzeitig Kondensatoren unterschiedlicher Typen verwendet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von vier Figuren erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Schaltbilds einer Impulshärtungsvorrichtung nach dem Stand der Technik in Zusammenschau mit drei Leistungsflussdiagrammen;
2 eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Impulshärtungsvorrichtung mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Umrichters in Zusammenschau mit vier Leistungsflussdiagrammen;
3 vier Leistungsflussdiagramme, die sich auf ein Beispiel eines Anwendungsszenarios der Impulshärtungsvorrichtung aus 2 beziehen;
4 eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms, welches ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft, das mit der Impulshärtungsvorrichtung aus 2 realisierbar ist.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltbilds einer Impulshärtungsvorrichtung 100 nach dem Stand der Technik in Zusammenschau mit drei Leistungsflussdiagrammen.
Die im oberen Teil von 1 dargestellte Impulshärtungsvorrichtung 100 umfasst einen Lasttrennschalter 110, einen Umrichter 120, einen Kondensator 130 sowie eine Induktionsspule 140, die auch als Induktor bezeichnet wird. Mittels des Lasttrennschalters 110 ist der Umrichter 120 der Induktionshärtungsvorrichtung 100 an ein elektrisches Netz eines Energieversorgers angeschlossen. Das elektrische Netz wird durch den Transformator 101 symbolisiert. Im Rahmen des anhand von 1 erläuterten Szenarios wird angenommen, dass der Energieversorger der Impulshärtungsvorrichtung 100 eine maximale Anschlussleistung von 1000 kW zur Verfügung stellt. Ferner wird angenommen, dass die geforderte Impulsleistung ebenfalls 1000 kW beträgt.
Bei der Impulshärtungsvorrichtung 100 handelt es sich um eine spezielle Art von Induktionshärtungsvorrichtung. Sie führt einem Werkstück (nicht dargestellt) einen Leistungsimpuls zu, indem sie im Werkstück einen entsprechenden elektrischen Wechselstrom induziert. Dies geschieht mittels der Induktionsspule 140. Der Umrichter 120 hat die Aufgabe, die durch das Netz 101 zur Verfügung gestellte Anschlussspannung so zu wandeln, dass sie für das Induzieren eines Leistungsimpulses im Werkstück nutzbar ist. Der Kondensator 130 bildet mit der Induktionsspule 140 einen Schwingkreis. Es kann ein Serien- oder Parallelschwingkreis sein.
Der Umrichter 120 enthält eine Gleichrichterschaltung, welche durch den Thyristor 121 symbolisiert wird, und eine Wechselrichterschaltung 122, welche durch den Transistor 122 symbolisiert wird. Aus der am Ausgang der Gleichrichterschaltung 121 verfügbaren Gleichspannung formt der Wechselrichter im Betrieb die dem Werkstück mittels der Induktionsspule 140 zu induzierenden Schwingungspakete/Leistungsimpulse. Während einer Impulsphase gibt der Umrichter 120 elektrische Leistung an seinem durch die Anschlüsse 123 symbolisierten Ausgang ab.
Im unteren Teil von 1 sind drei Leistungsflussdiagramme gezeigt, in welchen jeweils Leistungsflüsse aus dem elektrischen Netz bzw. aus Komponenten des Umrichters 120 über einer Zeitachse aufgetragen sind.
Diagramm a) zeigt den Leistungsfluss aus dem durch den Transformator 101 symbolisierten elektrischen Netz. Ab dem Zeitpunkt t_A wird von der Impulshärtungsvorrichtung 100 in einem Werkstück (nicht gezeigt) ein elektrischer Leistungsimpuls mit der Dauer T_Puls induziert. Wie in Diagramm a) zu erkennen ist, steigt daher zum Zeitpunkt t_A der Leistungsfluss auf die Impulsleistung von 1000 kW an, was der elektrischen Anschlussleistung entspricht. Während der Impulsphase bleibt der Leistungsfluss bei 1000 kW. Die Zeitachse des Diagramms a) beginnt mit dem Zeitpunkt t₁. Außerhalb der Impulsphase, d. h. in der Zeit zwischen t₁ und t_A, wird dem elektrischen Netz keine Leistung entnommen. Der Leistungsfluss ist in diesem Intervall 0.
Diagramm b) zeigt den Leistungsfluss aus der Gleichrichterschaltung 121. Der in Diagramm b) gezeigte Leistungsfluss entspricht dem in Diagramm a) gezeigten Leistungsfluss.
Diagramm c) zeigt den Leistungsfluss aus der Wechselrichterschaltung 122. Der in Diagramm c) gezeigte Leistungsfluss entspricht ebenfalls den in den Diagrammen a) und b) gezeigten Leistungsflüssen.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltbilds eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Impulshärtungsvorrichtung 200 mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Umrichters 220.
Die Impulshärtungsvorrichtung 200 weist einige Ähnlichkeiten zu der Impulshärtungsvorrichtung 100 aus 1 auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird nachfolgend lediglich auf Unterschiede zwischen der Impulshärtungsvorrichtung 200 und der Impulshärtungsvorrichtung 100 eingegangen.
Bei dem Umrichter 220 der Impulshärtungsvorrichtung 200 sind Energiespeichermittel in Form einer zusätzlichen Kondensatorbatterie 224 (in 2 durch das Kondensatorschaltzeichen symbolisiert) vorgesehen. Sie besteht aus einer Mehrzahl zusammengeschalteter Superkondensatoren (nicht dargestellt). Die Kondensatorbatterie ist in einem Zwischenkreis 225 angeordnet, wobei der Zwischenkreis 225 wiederum schaltungstechnisch zwischen der Gleichrichterschaltung 221 und der Wechselrichterschaltung 222 angeordnet ist.
Die Kondensatorbatterie 224 ist eingerichtet, sowohl außerhalb einer Impulsphase Energie zu speichern aus auch innerhalb der Impulsphase Energie aufzunehmen. Somit kann eine kontinuierliche Energieaufnahme erfolgen.
3 zeigt vier Leistungsflussdiagramme, die sich auf ein Beispiel eines Anwendungsszenarios der Impulshärtungsvorrichtung 200 aus 2 beziehen.
Die Funktionsweise der Impulshärtungsvorrichtung 200 bzw. des Umrichters 220 wird nachfolgend anhand der Leistungsflussdiagramme aus 3 und anhand des Flussdiagramms aus 4 erläutert.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Flussdiagramms, welches ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft, das mittels der Induktionshärtungsvorrichtung 200 aus 2 realisierbar ist.
Das Flussdiagramm umfasst die Schritte 401 bis 404. Die Schritte 402 bis 404 sind optional. Lediglich Schritt 401 ist für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich.
Anders als bei dem anhand von 1 erläuterten Szenario wird nun angenommen, dass der der Impulshärtungsvorrichtung 200 durch das elektrische Netz 201 eine maximale Anschlussleistung von 125 kW zur Verfügung gestellt wird. Es wird jedoch angenommen, dass die geforderte Impulsleistung unverändert 1000 kW beträgt.
Das Flussdiagramm in 4 beginnt zu einem Zeitpunkt t₁. Dieser Zeitpunkt markiert den Abschluss einer vorangegangenen Impulsphase. In Schritt 401 wird in den Energiespeichermitteln, d. h. in der Kondensatorbatterie 224, Energie gespeichert. Das Speichern von Energie in der Kondensatorbatterie 224 beginnt unmittelbar mit Abschluss der vorangegangenen Impulsphase, d. h. zum Zeitpunkt t₁. Die elektrische Leistung, mit der die Kondensatorbatterie 224 aufgeladen wird, wird dem elektrischen Netz 201 entnommen.
Während die Kondensatorbatterie 224 geladen wird und somit Energie speichert, wird in Schritt 402 ein Werkstück, in welchem in der vorangegangene ein Leistungsimpuls induziert wurde, der Impulshärtungsvorrichtung 200 entnommen. Es kann dann abkühlen bzw. abgeschreckt werden.
In Schritt 403 wird ein neues, zu härtendes Werkstück für den Härtungsvorgang positioniert, d. h. es wird in geeigneter Weise relativ zu der Induktionsspule 240 angeordnet.
In Schritt 404 wird beginnend mit dem Zeitpunkt t_A und für eine Dauer T_Puls in dem in Schritt 403 positionierten Werkstück ein Leistungsimpuls induziert. Der Umrichter 220 gibt also für die Dauer T_Puls an seinem Ausgang 223 Energie ab.
Nachdem in dem Werkstück in Schritt 404 ein Leistungsimpuls induziert wurde, kann das Verfahren entweder beendet sein oder die Schritte 401 bis 404 werden erneut durchlaufen.
Wie in dem Leistungsflussdiagramm a) in 3, welches den Leistungsfluss aus dem elektrischen Netz 201 zeigt, zu erkennen ist, gibt das elektrische Netz 201 auch nach dem Zeitpunkt t₁ eine Leistung von 125 kW, d. h. die maximale zur Verfügung stehende Leistung, ab. Auch wenn erst zu dem Zeitpunkt t_A die nächste Impulsphase beginnt, wird also dem elektrischen Netz 201 bereits Leistung entnommen, um die Kondensatorbatterie 224 zu laden.
Leistungsflussdiagramm b) in 3 zeigt den Leistungsfluss aus der Gleichrichterschaltung 221. Der in Diagramm b) gezeigte Leistungsfluss entspricht dem in Diagramm a) gezeigten Leistungsfluss. Somit beträgt auch an dieser Stelle der Leistungsfluss konstant 125 kW.
Leistungsflussdiagramm c) in 2 zeigt den Leistungsfluss bezogen auf die Kondensatorbatterie 224. Vom Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t_A wird die Kondensatorbatterie 224 geladen, d. h. sie speichert Energie. Die Kondensatorbatterie 224 besitzt eine maximale Leistungsaufnahme, die geringfügig oberhalb des Betrags der an einem Eingang des Umrichters 220 zu Verfügung stehenden Leistung, d. h. der durch das elektrische Netz 201 zur Verfügung gestellten maximalen Anschlussleistung von 125 kW, liegt. Die Kondensatorbatterie 224 ist also in der Lage, Energie so schnell zu speichern, dass sie die verfügbare Netzanschlussleistung von 125 kW aufnehmen kann. Dementsprechend liegt der Leistungsfluss in dem Zeitraum von t₁ bis t_A bei – 125 kW, da von der Kondensatorbatterie Leistung aufgenommen und nicht abgegeben wird. Die Dauer T_Pause der Pausenphase, d. h. der Phase zwischen t₁ und t_A, ist hier siebenmal so lang wie die die Dauer T_Puls der Pulsphase. Es gilt also T_Pause = 7·T_Puls.
Die Kondensatorbatterie 224 besitzt eine ausreichend große Kapazität, um über die Zeit zwischen zwei Impulsphasen, d. h. über die Dauer T_Pause, die am Eingang des Umrichters 220 zur Verfügung stehende Leistung, d. h. die Netzanschlussleistung von 125 kW vollständig aufzunehmen. Die Kondensatorbatterie ist so ausgelegt, dass sie mindestens die Energie W_Pause = P_Eingang·T_Pause speichern kann, wobei P_Eingang die Netzanschlussleistung bezeichnet. Zur Verfügung stehende Leistung muss also nicht ungenutzt bleiben. Insgesamt kann daher bei gleichbleibender Impulsleistung von 1000 kW gegenüber dem mit Bezug auf 1 erläuterten Szenario die notwendige Anschlussleistung reduziert werden. Sie ergibt such durch Multiplikation der vormals notwendigen Anschlussleistung mit dem Faktor
Weil in dem hier diskutierten Beispiel T_Pause = 7·T_Puls gilt, muss lediglich ein Achtel der vormaligen Anschlussleistung, d. h. 125 kW, bereitgestellt werden.
Ad dem Zeitpunkt t_A gibt die Kondensatorbatterie 224 für die Dauert T_Puls der Impulsphase eine Leistung P_Puls, für die gilt P_Puls = 7·P_Eingang, ab. Zum Zeitpunkt t_A steigt der in Diagramm c) dargestellte Leistungsfluss für die Dauer T_Puls auf 875 kW an. Der Anstieg des Leistungsflusses über die Netzanschlussleistung hinaus ist möglich, da wie bereits geschildert T_Pause = 7·T_Puls gilt und somit ausreichend viel Energie in der Kondensatorbatterie 224 gespeichert ist, wenn die Impulsphase beginnt.
Innerhalb der Impulsphase nimmt die Kondensatorbatterie 224 weiterhin die vom elektrischen Netz 201 zur Verfügung gestellte Leistung und damit elektrische Energie auf. Auch innerhalb der Impulsphase wird die Netzanschlussleistung nicht direkt unter Umgehung der Kondensatorbatterie 224 für die Leistungsimpulserzeugung verwendet. Die notwendige Energie für die Leistungsimpulserzeugung kann daher während der gesamten Impulsdauer T_Puls unmittelbar stets ausschließlich der Kondensatorbatterie 224 entnommen werden. Es ist somit nicht notwendig, schaltungstechnische Vorkehrungen für ein Umschalten von der Energiezufuhr aus der Kondensatorbatterie 224 auf eine unter Umgehung der Kondensatorbatterie 224 erfolgende, direktere Energiezufuhr aus dem elektrischen Netz 201 zu treffen.
Da die Leistung, die die Kondensatorbatterie 224 während der Impulsphase aufnimmt der Impulsleistung entspricht, muss die Energiespeicherkapazität der Kondensatorbatterie 224 nicht größer dimensioniert werden, als in einem Fall, in dem die Kondensatorbatterie 224 eingerichtet ist, lediglich außerhalb der Impulsphase Energie aus dem elektrischen Netz aufzunehmen.
Leistungsflussdiagramm d) in 2 zeigt den Leistungsfluss bezogen auf die Wechselrichterschaltung 222. Während der Pausenphase ist der Leistungsfluss aus der Wechselrichterschaltung 0, da in der Pausenphase von der Wechselrichterschaltung 222 Leistung weder aufgenommen noch abgegeben wird. Zum Zeitpunkt t_A steigt der Leistungsfluss dann für die Dauer T_Puls der Impulsphase auf die Impulsleistung von 1000 kW an.
In den Leistungsflussdiagrammen c) und d) in 3 ist der dem zum Zeitpunkt t_A beginnende Leistungsimpuls vorangehende Leistungsimpuls, welcher zum Zeitpunkt t₁ endet, zur Veranschaulichung ebenfalls dargestellt (gestrichelte Linien).

Claims

Umrichter (220) für eine Impulshärtungsvorrichtung (200), wobei der Umrichter (220) eingerichtet ist, während einer Impulsphase (T_Puls) elektrische Leistung an einem Ausgang (223) des Umrichters (220) abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (220) Energiespeichermittel (224) umfasst, die eingerichtet sind zumindest außerhalb der Impulsphase (T_Puls) Energie zu speichern.
Umrichter (220) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermittel (224) eingerichtet sind, innerhalb der Impulsphase (T_Puls) Energie aufzunehmen.
Umrichter (220) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermittel (224) in einem Zwischenkreis (225) des Umrichters (220) angeordnet sind.
Umrichter (220) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (220) Gleichrichtermittel (221) und Wechselrichtermittel (222) enthält, wobei der Zwischenkreis (225) zwischen den Gleichrichtermitteln (221) und den Wechselrichtermitteln (222) angeordnet ist.
Umrichter (220) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Leistungsaufnahme der Energiespeichermittel (224) mindestens gleich dem Betrag der an einem Eingang des Umrichters (220) zu Verfügung stehenden Leistung ist.
Umrichter (220) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermittel (224) eingerichtet sind, die über die Zeit zwischen zwei Impulsphasen (T_Puls) an einem Eingang des Umrichters (220) zur Verfügung stehende Leistung vollständig aufzunehmen.
Umrichter (220) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermittel (224) eine Kondensatorbatterie umfassen.
Umrichter (220) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorbatterie (224) mehrere Superkondensatoren umfasst.
Impulshärtungsvorrichtung (200) mit einem Umrichter (220) nach einem der vorherigen Ansprüche.
Verfahren umfassend: – Speichern von Energie in Energiespeichermitteln (224), dadurch gekennzeichnet, dass die Energiespeichermittel (224) von einem Umrichter (220) für eine Impulshärtungsvorrichtung (200) umfasst sind, wobei der Umrichter (220) eingerichtet ist, während einer Impulsphase (T_Puls) elektrische Leistung an einem Ausgang (223) des Umrichters (220) abzugeben, und wobei das Speichern von Energie in den Energiespeichermitteln (224) zumindest außerhalb der Impulsphase (T_Puls) erfolgt.