DE102014112456A1

DE102014112456A1 - Vorrichtung zur Beheizung einer Schmelze

Info

Publication number: DE102014112456A1
Application number: DE102014112456.1A
Authority: DE
Inventors: Guido Räke; Werner Axt
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2034-08-30
Also published as: CN105392224A; FR3025394A1; JP2016051701A; DE102014112456B4

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Blindleistung verbesserte Vorrichtung zum Beheizen von Schmelzen mittels hochfrequenter elektromagnetischer Felder bereitzustellen. Dazu ist eine Vorrichtung (1) zur Beheizung einer Schmelze (10) vorgesehen, welche einen Tiegel (2) zur Aufnahme einer Schmelze (10), sowie eine Vorrichtung (6) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds umfasst. Die Vorrichtung (6) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds weist eine Einrichtung (5) zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms und eine an die Einrichtung (5) zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms angeschlossene Induktorspule (3) auf, welche so angeordnet ist, dass das von der vom Hochfrequenzstrom durchflossenen Induktorspule (3) erzeugte Hochfrequenzfeld den Tiegel (2) durchdringt. Die Einrichtung (5) zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms umfasst eine Gleichrichter-Einrichtung (12), einen Hochfrequenz-Umrichter (14), eine Kondensator-Einrichtung (16), sowie zwei Anschlüsse (18, 19) zum Anschluss der Induktorspule (3). Durch Schalten der Halbleiter-Schaltungselemente einer Schalteinrichtung (140) ist ein Wechselstrom erzeugbar. Mit der Induktorspule (3) und der Kondensator-Einrichtung (16) wird ein Serienschwingkreis (20) gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Schmelzaggregate. Insbesondere betrifft die Erfindung Schmelzaggregate mit einer induktiven Beheizung elektrisch leitfähiger Schmelzen.
Aus der DE 199 39 778 C2 ist eine Vorrichtung zum Erschmelzen und/oder Läutern von anorganischen Verbindungen bekannt, bei welcher die Beheizung durch Einkoppeln von Hochfrequenz-Energie in den Tiegel erfolgt. Die Hochfrequenz-Einrichtung umfasst dabei einen Hochfrequenz-Schwingkreis mit einer Induktorspule, die den Tiegel umschlingt, sowie einen Oszillator. Außerdem ist ein zweiter Oszillator vorgesehen, der mit der Induktorspule zusammenschaltbar ist. Damit wird es ermöglicht, einen kontinuierlichen Betrieb des Aggregates selbst bei einem Ausfall eines Oszillators zu gewährleisten. Die Oszillatoren sind selbsterregend ausgebildet.
Um Hochfrequenz-Ströme hoher Leistung zu erzeugen, werden im Allgemeinen auch heute noch Röhren eingesetzt. Röhrengeneratoren haben aber einen prinzipbedingten Nachteil. In der Hochfrequenzröhre werden hohe Wärmeverluste erzeugt. Diese Verluste führen zu einem Gesamtwirkungsgrad von im Allgemeinen kleiner 65%. Bei einer gewünschten HF-Leistung von beispielsweise 1000 KW werden so 1550 KW vom Netz benötigt. Weiterhin wird für die Röhren eine Thyristor-gesteuerte Leistungssteuerung benötigt. Eine solche Leistungssteuerung hat einen lastabhängigen Blindleistungsbedarf. Dies führt zu einer kostenerhöhenden, anspruchsvollen Blindleistungskompensation. Ein weiterer Nachteil für die Zukunft ist die nicht klare Verfügbarkeit von Neu- und Ersatzröhren.
Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich des Wirkungsgrades und der Blindleistung verbesserte Vorrichtung zum Beheizen von Schmelzen mittels hochfrequenter elektromagnetischer Felder bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist dazu eine Vorrichtung zur Beheizung einer Schmelze vorgesehen, wobei die Vorrichtung zur Beheizung einer Schmelze

– einen Tiegel zur Aufnahme einer Schmelze, sowie
– eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds umfasst. Die Vorrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds weist
– eine Einrichtung zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms und
– eine an die Einrichtung zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms angeschlossene Induktorspule auf, welche so angeordnet ist, dass das von der vom Hochfrequenzstrom durchflossenen Induktorspule erzeugte Hochfrequenzfeld den Tiegel durchdringt.

Die Einrichtung zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms umfasst

– eine Gleichrichter-Einrichtung zur Umwandlung einer Netz-Wechselspannung in eine Gleichspannung, sowie
– einen Hochfrequenz-Umrichter, sowie
– eine Kondensator-Einrichtung, sowie
– zwei Anschlüsse zum Anschluss der Induktorspule.

Der Hochfrequenz-Umrichter weist dabei zumindest eine Schalteinrichtung mit ansteuerbaren Halbleiter-Schaltungselementen auf, so dass durch Schalten der Halbleiter-Schaltungselemente ein Wechselstrom erzeugbar ist. Die Kondensator-Einrichtung ist mit einem der Anschlüsse verbunden, so dass durch Anschluss der Induktorspule ein Serienschwingkreis mit der Induktorspule und der Kondensator-Einrichtung gebildet wird.
Im Unterschied zur Erfindung wurde bei bisherigen HF- beheizten Tiegeln ein Parallelschwingkreis mit einem Kondensator und der Induktorspule gebildet. Dies ermöglicht beispielsweise, wie in der DE 199 39 778 A1 beschrieben, mehrere Generatoren parallel an einer Induktorspule zu betreiben und die Generatoren gegebenenfalls separat an- und abschalten zu können. Allerdings wird der Widerstand der Anordnung bei der Resonanzanregung (=Resonanzwiderstand) maximal. Ein hoher Widerstand der Last ist allerdings ungünstig für das Umrichten mittels Halbleiter-Schaltungselementen. Bei einem Serienschwingkreis, wie er erfindungsgemäß vorgesehen ist, würde demgegenüber im Resonanzfall bei idealem, also widerstandsfreiem Stromkreis ein Kurzschluss vorliegen. Im Realfall wird der Kurzschluss aber durch den Widerstand des Stromkreises begrenzt. Hier ist nicht nur der ohmsche Widerstand der Leitungen selbst, sondern vor allem auch der ohmsche Widerstand der Schmelze für die mit der Induktorspule in der Schmelze erzeugten Induktionsströme maßgeblich. Die Anordnung der Induktorspule in einem Serienschwingkreis führt aufgrund des nur durch die ohmschen Widerstände begrenzten Kurzschlusses dazu, dass an den Halbleiter-Schaltungselementen hohe Spannungen vermieden und die Halbleiter-Schaltungselemente vorteilhaft als Stromsteuer-Elemente betrieben werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann also insbesondere so betrieben werden, dass der Serienschwingkreis resonant angeregt wird.
Demgemäß sieht die Erfindung auch ein Verfahren zum Beheizung einer Schmelze vor, bei welchem

– in einem Tiegel eine Schmelze erzeugt oder eingefüllt wird, und wobei
– mit einer Vorrichtung ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erzeugt wird, wobei die Vorrichtung zum Erzeugen des elektromagnetischen Hochfrequenzfelds eine
– Einrichtung umfasst, mit welcher ein Hochfrequenzstrom erzeugt wird und
– mittels einer an die Einrichtung zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms angeschlossenen und vom Hochfrequenzstrom durchflossenen Induktorspule ein Hochfrequenzfeld erzeugt wird, welches den Tiegel durchdringt, so dass in der im Tiegel vorhandenen leitfähigen Schmelze Induktionsströme erzeugt werden, welche durch den ohmschen Widerstand der Schmelze in Wärme umgesetzt und die Schmelze damit beheizt wird. Wie gesagt umfasst die Einrichtung zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms eine Gleichrichter-Einrichtung zur Umwandlung einer Netz-Wechselspannung in eine Gleichspannung, sowie einen Hochfrequenz-Umrichter und eine Kondensator-Einrichtung. Die Induktorspule wird an die zwei Anschlüsse der Einrichtung zum Erzeugen eines Hochfrequenzstrome angeschlossen, wobei die Kondensator-Einrichtung mit einem der Anschlüsse verbunden ist, so dass durch Anschluss der Induktorspule ein Serienschwingkreis mit der Induktorspule und der Kondensator-Einrichtung gebildet wird. Der Hochfrequenzstrom wird zum Beheizen der Schmelze nun mit einer Frequenz erzeugt, bei welcher der Serienschwingkreis in Resonanz schwingt.

Unter einer Schwingung in Resonanz wird nicht nur eine Schwingung exakt mit der Resonanzfrequenz verstanden. Vielmehr kann eine resonante Anregung auch mit einer Frequenz innerhalb der Halbwertsbreite der Resonanzkurve des Schwingkreises erfolgen.
Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand der beigeschlossenen Figuren und mit Ausführungsbeispielen beschrieben. In den Figuren zeigen:
1 schematisch Komponenten einer Vorrichtung zum Beheizen von Schmelzen,
2 ein Blockschaltbild einer einer Vorrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes zur Beheizung der Schmelze,
3 eine schematische Schaltung einer Vorrichtung gemäß 2,
4 ein Diagramm mit Strompulsen als Funktion der Zeit,
5 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf des Induktorstroms und von Strompulsen der Schalteinrichtung, und
6 und 7 Konfigurationen der Vorrichtung zum Beheizen von Schmelzen mit mehreren Schalteinrichtungen.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Beheizung einer Schmelze 10, wie sie auch erfindungsgemäß weitergebildet sein kann. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Tiegel 2 in welchem das Schmelzgut aufgenommen wird. Um die Schmelze 10 zu beheizen, ist eine Induktorspule 3 vorgesehen, die mit einem Hochfrequenz-Strom gespeist wird. Ist die Schmelze elektrisch leitfähig, so führt das von der Induktorspule 3 abgegebene elektromagnetische Hochfrequenzfeld zu Induktionsströmen in der Schmelze 10. Aufgrund des ohmschen Widerstands der Schmelze 10 werden die Induktionsströme dann in Wärme umgesetzt.
Vorzugsweise wird die Vorrichtung 1 für die Zwecke der Erfindung zur Beheizung von Glasschmelzen eingesetzt. Die Vorrichtung 1 kann dabei nicht nur zum Einschmelzen, sondern auch zum Läutern von Glasschmelzen verwendet werden. Weiterhin ist der Tiegel 2 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als sogenannter Skulltiegel ausgebildet. Bei einem Skulltiegel wird während des Beheizens der Schmelze 10 gleichzeitig die Wandung des Tiegels 2 gekühlt, so dass sich an der Wandung eine Schicht aus erstarrtem Schmelzenmaterial ausbildet. Damit kommt die Schmelze nicht in Kontakt mit Fremdmaterialien, wie insbesondere dem Material der Wandung. Dies erlaubt das Erschmelzen und/oder Läutern besonders reiner Gläser.
Wie in 1 dargestellt, umgibt die Induktionsspule 3 vorzugsweise den Tiegel 2. Denkbar sind aber auch andere Konfigurationen, etwa mit einer im Tiegel selbst integrierten Induktionsspule.
Um den Hochfrequenzstrom für die Induktionsspule 3 bereitzustellen, ist eine Einrichtung 5 zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms vorgesehen, an welche die Induktionsspule 3 angeschlossen ist. Die Induktionsspule 3 bildet zusammen mit der Einrichtung 5 eine Vorrichtung 6 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds.
Für das Schmelzen von Gläsern und anderen anorganischen Werkstoffen werden im Allgemeinen sehr hohe Heizleistungen benötigt. Vorzugsweise wird zur Abfuhr von Verlustleistungen dabei eine Fluidkühlung, vorzugsweise eine Wasserkühlung vorgesehen, mit welcher die Einrichtung 5 und/oder die Induktionsspule 3 gekühlt werden. Auch für die Kühlung des Tiegels 2 wird eine Fluidkühlung bevorzugt. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist dabei eine Kühlwasserleitung 7 vorgesehen, welche sowohl den Tiegel 2, als auch die Induktionsspule 3 und die Einrichtung 5 zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms mit Kühlwasser versorgt.
2 zeigt als Blockschaltbild ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 6 zum Erzeugen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds.
Allgemein, ohne Beschränkung auf die speziellen, in den 1 und 2 gezeigten Beispiele sieht die Erfindung eine Vorrichtung 1 zur Beheizung einer Schmelze 10 vor, umfassend

– wie beispielhaft in 1 gezeigt, einen Tiegel 2 zur Aufnahme einer Schmelze 10, sowie
– eine Vorrichtung 6 zum Erzeugen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds, wobei die Vorrichtung 6 zum Erzeugen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds eine
– Einrichtung 5 zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms und
– eine an die Einrichtung 5 zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms angeschlossene Induktorspule 3 umfasst, welche so angeordnet ist, dass das von der vom Hochfrequenzstrom durchflossenen Induktorspule 3 erzeugte Hochfrequenzfeld den Tiegel 2 durchdringt.

Die Einrichtung 5 zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms umfasst, wie auch im Beispiel der 2 dargestellt,

– eine Gleichrichter-Einrichtung 12 zur Umwandlung einer Netz-Wechselspannung in eine Gleichspannung, sowie
– einen Hochfrequenz-Umrichter 14,
– eine Kondensator-Einrichtung 16, und
– zwei Anschlüsse 18, 19 zum Anschluss der Induktorspule 3.

Der Hochfrequenz-Umrichter 14 weist eine Schalteinrichtung mit ansteuerbaren Halbleiter-Schaltungselementen auf, so dass durch Schalten der Halbleiter-Schaltungselemente ein Wechselstrom erzeugbar ist, und wobei die Kondensator-Einrichtung 16 mit einem der Anschlüsse 18, 19 verbunden ist, so dass durch Anschluss der Induktorspule 3 ein Serienschwingkreis 20 mit der Induktorspule 3 und der Kondensator-Einrichtung 16 gebildet wird.
In 3 ist dazu ergänzend zu 2 ein Ausführungsbeispiel der Schaltung einer Vorrichtung 6 mit einer Schalteinrichtung 140 gezeigt, wie sie für eine erfindungsgemäß weitergebildete Vorrichtung 1 zur Beheizung von Schmelzen gemäß 1 verwendet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt die Eingangs-Gleichspannung für den Hochfrequenz-Umrichter mit der Schalteinrichtung 140 im Bereich von 300 V bis 1000 V, vorzugsweise zwischen 400 V und 600 V. Typischerweise wird bei der Drehstrom-Gleichrichtung eine Ausgangsspannung der Gleichrichter-Einrichtung von etwa 550 V erreicht, die dann auch die Eingangsspannung für die Schalteinrichtung 140 des Hochfrequenz-Umrichters 14 bildet.
Wie auch bei den in den 2 und 3 gezeigten Beispielen umfasst gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung der Hochfrequenz-Umrichter 14 weiterhin einen an die Schalteinrichtung 140 angeschlossenen Trenntransformator 142, so dass der Trenntransformator 142 primärseitig vom Wechselstrom der Schalteinrichtung 140 gespeist wird, und die Ausgänge 18, 19 im Sekundärstromkreis des Trenntransformators 142 angeordnet sind. Da die Ausgänge 18, 19 im Sekundärstromkreis angeordnet sind, gilt auch, dass der mit der Kondensatoreinrichtung 16 und der Induktorspule 3 gebildete Serienschwingkreis 20 im Sekundärstromkreis angeordnet sind und/oder, dass der Trenntransformator 142 die Stromquelle für den Serienschwingkreis 20 bildet.
Der Trenntransformator 142 kann gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung mit einem festen Übersetzungsverhältnis ausgebildet sein. Auf diese Weise wird ein einfacher und robuster Aufbau erzielt. Ebenso möglich ist ein variables Übersetzungsverhältnis. Dieses erlaubt es insbesondere, vor oder bei der ersten Inbetriebnahme ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis zu wählen, die Vorrichtung mit diesem Übersetzungsverhältnis zu testen und gegebenenfalls das Übersetzungsverhältnis anzupassen.
Das Übersetzungsverhältnis des Trenntransformators liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 3. Mit anderen Worten ist gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung der Trenntransformator 142 also so ausgebildet, dass dessen Ausgangsspannung das 1 bis 3-fache der Eingangsspannung beträgt.
Die Vorrichtung 6 wird mit Netzspannnung über einen Netzanschluss 25 gespeist. Das Anschalten und Trennen der Vorrichtung vom Netzanschluss 25 erfolgt mittels einer Netzspannungs-Schaltanlage 21. Vorzugsweise wird als Netzanschluss 25 ein Dreiphasen- oder Drehstromanschluss verwendet.
Die Gleichrichter-Einrichtung 12 umfasst zusätzlich zu den Gleichrichter-Dioden 120 vorzugsweise noch eine Glättungseinrichtung. Als Glättungseinrichtung zur Glättung des gleichgerichteten Wechselstroms kann ein geeignetes LC-Glied 122 mit einer Induktivität 123 und einem Kondensator 124 vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine aktive Glättung vorgesehen werden. Besonders bevorzugt wird allerdings ein ungesteuerter Gleichrichter, also insbesondere wie dargestellt mit mehreren Gleichrichterdioden. Mit einer solchen ungesteuerten Gleichrichtung kann der Blindleistungsbedarf der Vorrichtung deutlich gegenüber einer aktiven Gleichrichtung, etwa mittels einer Phasenanschnittsteuerung verringert werden.
Mit dem von der Gleichrichter-Einrichtung 12 bereitgestellten Gleichstrom wird nun der Hochfrequenz-Umrichter 14 versorgt. Der Hochfrequenz-Umrichter 14 umfasst wie bereits oben gesagt, eine Schalteinrichtung 140 und als Weiterbildung der Erfindung einen der Schalteinrichtung 140 nachgeschalteten Trenntransformator 142.
Allgemein umfasst die Schalteinrichtung zumindest ein Halbleiter-Schaltungselement, insbesondere in Form eines Transistors, um aus dem Gleichstrom durch Schalten des Elements eine Wechselspannung zu erzeugen. Allgemein bevorzugt werden IGBTs (IGBT=“Insulated Gate Bipolar Transistor“) als Halbleiter-Schaltungselemente eingesetzt. Zwar reicht im Prinzip ein einzelnes Halbleiter-Schaltungselement aus, um durch Schalten den Gleichstrom zu zerhacken und auf diese Weise einen Wechselstrom zum Anregen des Serienschwingkreises 20 mit der Kondensatoreinrichtung 16 und der Induktorspule zu erzeugen, allerdings ist es günstiger, jeden der Ausgänge der Schalteinrichtung und damit auch jeden der beiden Ausgänge 16, 19 der Einrichtung 5 separat mit Halbleiter-Schaltungselementen zu schalten.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel und gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Schalteinrichtung 140 zwei Paare von zwischen den Ausgängen der Gleichrichtereinrichtung 12 in Reihe geschalteten Halbleiter-Schaltungselementen, wobei die Anschlusspunkte des Stromkreises zur Anregung des Serienschwingkreises 20 jeweils zwischen den Halbleiter-Schaltungselementen eines der Paare liegen.
Vier IGBTs 1401, 1402, 1403, 1404 sind bei dem gezeigten Beispiel als Halbleiter-Schaltungselemente vorgesehen. Wie anhand des Schaltbilds ersichtlich, bilden die IGBTs 1401, 1402 eines dieser Paare, die IGBTs 1403, 1404 das weitere Paar. Zwischen den IGBTs 1401, 1402 und den IGBTs 1403, 1404 ist der Stromkreis zur Erregung des Serienschwingkreises 20 angeschlossen. Letzterer Stromkreis kann der Stromkreis des Serienschwingkreises 20 selbst sein. Bei der Ausführungsform mit Trenntransformator wird der Stromkreis durch den Primärkreis des Trenntransformators 142 gebildet.
Das Schalten der Halbleiter-Schaltungselemente erfolgt durch Anlegen von Steuerspannungen oder Steuerströmen an Steuereingänge der Halbleiter-Schaltungselemente. Bei den vorzugsweise vorgesehenen IGBTs wird dementsprechend eine Steuerspannung an die Gate-Eingänge 1411, 1412, 1413, 1414 der IGBTs angelegt. Um Wechselstrom-Impulse zur Erregung des Serienschwingkreises 20 zu erzeugen, werden die IGBTs paarweise überkreuz betrieben. Demgemäß werden je nach Vorzeichen eines Stromimpulses entweder die IGBTs 1401 und 1404, oder die IGBTs 1403 und 1402 geschaltet.
Bei dem Beispiel der 3 ist nur eine einzelne Schalteinrichtung 140 vorgesehen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Umrichter 14 aber auch mehrere, vorzugsweise parallel betriebene Schalteinrichtungen 140 aufweisen, um besonders hohe Leistungen bereitzustellen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind so mindestens drei, vorzugsweise mindestens acht, besonders bevorzugt zwölf oder mehr parallel betreibbare Schalteinrichtungen 140 vorgesehen. Beispielsweise kann eine Schalteinrichtung 140 für eine Schaltleistung von 150 Kilowatt ausgelegt sein. Jeweils drei Schalteinrichtungen können zu Einheiten zusammengefasst werden, so dass mit insgesamt zwölf Schalteinrichtungen 140 wahlweise Ausgangsleistungen von 450 Kilowatt (3 Schalteinrichtungen), 900 Kilowatt (6 Schalteinrichtungen) oder 1800 Kilowatt (12 Schalteinrichtungen) zur Verfügung stehen. Weiterhin können die mehreren Schalteinrichtungen 140 dann auch mit eigenen Gleichrichter-Einrichtungen 12 versehen sein. Vorteilhaft ist aber insbesondere, mehrere Schalteinrichtungen 140 mit einer Gleichrichter-Einrichtung 12 zu versorgen, unter anderem, da Gleichrichterdioden für sehr hohe Leistungen zur Verfügung stehen.
Um die einzelnen Schalteinrichtungen 140 zuzuschalten, kann dann in einfacher Weise die Netzspannungs-Schaltanlage 21 verwendet werden.
Der mit der Induktorspule 3 und der Kondensator-Einrichtung 16 aufgebaute Serienschwingkreis 20 weist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine Güte im Bereich von 5 bis 150 auf. Die Güte ist dabei auch abhängig davon, wie leitfähig die Schmelze ist. Bei einer heißeren, leitfähigeren Glasschmelze ist beispielsweise die Güte niedriger, als bei einer kälteren oder erstarrten Schmelze, da in der heißeren Schmelze mehr Induktionsströme induziert und damit auch die ohmschen Verluste erhöht werden. Für eine heiße Glasschmelze liegt die Güte des Schwingkreises vorzugsweise zwischen 5 und 20. Typischerweise liegt die Güte des Schwingkreises im Regelbetrieb bei etwa Q = 8 bis Q = 12.
Abhängig von der Güte schwingt der angeregte Schwingkreis unterschiedlich lange nach. Auch hängt die einkoppelbare Leistung von der Güte ab. Bei einer hohen Güte kann nur wenig Leistung pro Schaltvorgang der Halbleiter-Schaltungselemente eingekoppelt werden, wenn der Strom im Schwingkreis und die Spannung über der Induktorspule nicht immer weiter anwachsen soll. Es ist daher allgemein günstig, die Leistung der Vorrichtung 6 zum Erzeugen des Hochfrequenz-Felds zu regeln. Um die Leistung zu regeln, könnte beispielsweise die Ausgangsspannung der Gleichrichter-Einrichtung bei einer aktiven Gleichrichtung eingestellt werden.
Besonders bevorzugt wird aber die Leistung der Vorrichtung 6 durch die Ansteuerung des oder der Halbleiter-Schaltungselemente, also bei dem in 3 gezeigten Beispiel durch Ansteuerung der IGBTs 1401–1404 vorgenommen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt dabei die Regelung oder Einstellung der Hochfrequenz-Leistung der Vorrichtung 6 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds durch Wiederholungsrate von Schaltpulsen der Halbleiter-Schaltungselemente.
Im Speziellen ist dabei eine Steuereinrichtung 144 zur Ansteuerung der Halbleiter-Schaltungselemente vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung 144 eingerichtet ist, die an die Schmelze 10 abgegebene Leistung durch die Wiederholungsrate von Schaltpulsen zur Schaltung der Halbleiter-Schaltungselemente einzustellen. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel sind dazu die Gate-Eingänge 1411–1414 der IGBTs 1401–1404 an die Steuereinrichtung 144 angeschaltet. Die IGBTs 1401–1404 werden durch die von der Steuereinrichtung 144 je nach Typ der Transistoren entweder niederohmig oder hochohmig geschaltet. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel werden normalsperrende n-Kanal-IGBTs verwendet. Es ist aber selbstverständlich möglich, jeden der vier IGBT-Typen (normalleitend oder normalsperrend, n-Kanal oder p-Kanal) zu verwenden. Auch können verschiedene IGBT-Typen in der Schalteinrichtung 14 miteinander kombiniert werden.
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 6, wie sie beispielhaft in 3 dargestellt ist, kann die Verlustleistung auf unter 10 % begrenzt werden. Demgemäß weisen Röhrengeneratoren, wie sie auch in der DE 199 39 778 C2 beschrieben sind, typischerweise Verlustleistungen von über 35% auf.
Gemäß einer weiteren, Ausgestaltung der Erfindung ist die Schalteinrichtung 14 vom Serienschwingkreis 20 entkoppelt. Dementsprechend weist bei dem in 3 gezeigten Beispiel die Steuereinrichtung 144 keine direkte Rückkopplung zum Serienschwingkreis 20 auf. Mit anderen Worten werden also die Spannung oder der Strom im Serienschwingkreis 20 nicht mit der Schalteinrichtung 14 zwangsgekoppelt. Im Unterschied dazu wird beispielsweise bei Röhrengeneratoren die Spannung im Schwingkreis auf die Gitter der Röhren zurückgekoppelt, so dass der Generator selbsterregt oszilliert. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung führt der Serienschwingkreis demgegenüber bei dessen Anregung eine erzwungene Schwingung aus, die durch die periodische Schaltung der Halbleiterschaltungselemente vorgegeben wird. Dies erscheint zunächst scheinbar als Nachteil, denn so stellt die Vorrichtung 6 zum Erzeugen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds keinen selbsterregenden Oszillator dar, der Serienschwingkreis 20 ist passiv.
Es hat sich aber gezeigt, dass die entkoppelte Schaltung der den Schwingkreis 20 anregenden Ströme, beziehungsweise eine Schaltung der Halbleiter-Schaltungselemente ohne Rückkopplung aus dem Serienschwingkreis 20 vielmehr wesentliche Vorteile mit sich bringt. Es wird so unter anderem vermieden, dass abrupte Spannungsänderungen, etwa durch Abbau von Überspannungen mittels der Überspannungsschutzvorrichtung 27 ebenfalls rückgekoppelt werden. Zudem vereinfacht sich die Leistungsregelung, die auch weiter unten genauer beschrieben wird, erheblich. Die Leistung lässt sich mit der entkoppelten Steuereinrichtung auf diese Weise durch direkte Steuerung von Schaltzeitpunkten erreichen.
Eine indirekte Kopplung wird allerdings bevorzugt. Beispielsweise könnte als indirekte Kopplung die Schwingungsfrequenz des Serienschwingkreises 20 bei freier Schwingung gemessen werden und dieser Messwert dann der Steuereinrichtung 144 zugeführt werden. Diese kann dann die Periodendauer der Schaltpulse auf einen neuen Wert korrespondierend zur gemessenen Frequenz einstellen.
4 zeigt als Diagramm ein Beispiel einer Steuerung der Leistung über eine Veränderung der Pulswiederholrate. Es sind nur einige Strompulse 30 dargestellt. Mit einer Schalteinrichtung 140 mit zwei Paaren von Halbleiter-Schaltelementen, wie sie auch 3 zeigt, können Strompulse 30 mit positivem und negativem Vorzeichen, beziehungsweise mit entgegengesetzten Durchflussrichtungen erzeugt werden. Ein Strompuls 30 und ein nachfolgender Strompuls in entgegengesetzter Richtung ergeben eine Periode der Schwingung des Hochfrequenzstroms mit einer Dauer τ1.
Die Periodendauer τ bleibt dabei im Verlauf der Zeit konstant. Damit wird erreicht, dass der Serienschwingkreis mit Induktorspule 3 und Kondensatoreinrichtung 16 durchgehend in Resonanz angeregt wird. Allerdings ändert sich die Dauer τ2 zwischen den Paaren von Strompulsen 30. Je kürzer die Dauer τ2 ist, desto höher ist die Pulswiederholrate und desto mehr Leistung wird in den Serienschwingkreis 20 eingebracht. Demgemäß steigt bei dem in 4 gezeigten Beispiel die Leistung im Laufe der Zeit an, da die Dauer τ2 zwischen den Strompulsen abnimmt. Dementsprechend ist in 4 die Dauer τ2(t1) zum Zeitpunkt t1 länger als die Dauer τ2(t2) zu einem späteren Zeitpunkt t2.
Ein solcher Betriebsmodus kann sinnvoll beim Inbetriebnehmen eines Tiegels mit festem oder erstarrtem Schmelzgut sein, welches im festen Zustand nicht elektrisch leitet. Dies ist insbesondere bei Gläsern der Fall, die erst im erweichten Zustand durch die dann beweglichen Ionen leitfähig werden. Wird zu Beginn, wenn nur ein kleiner Teil des Schmelzguts leitfähig ist, bereits sehr viel Leistung eingekoppelt, kann es zu Überspannungen und damit zu Überschlägen kommen. Um auftretende Überspannungen abbauen zu können, kann, wie in 3 ebenfalls dargestellt, eine Überspannungsschutzvorrichtung 27 vorgesehen werden, welche an den Anschlüssen 18, 19 auftretende Überspannungen kurzschließt. Als Überspannungsschutzvorrichtung 27 kann beispielsweise eine Funkenstrecke oder auch ein Varistor verwendet werden.
Allgemein ist daher gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass während des Aufheizens der Schmelze 10, also während des Zeitraums, in welchem die Temperatur der Schmelze und/oder die Menge des eingeschmolzenen Schmelzguts ansteigt, die Wiederholrate der mittels der Schalteinrichtung 140 erzeugten Strompulse verlängert, beziehungsweise deren zeitlicher Abstand verkürzt wird.
Die Periode τ1 ist an die Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises 20 angepasst, um mit den Strompulsen eine Resonanzanregung zu erwirken. Die Kapazität der Kondensatoreinrichtung 16 und die Induktivität der Induktorspule sind gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorzugsweise so ausgelegt, dass sich eine Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises 20 im Bereich von 50 kHz bis 350 kHz, vorzugsweise im Bereich von 75 kHz bis 175 kHz ergibt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Induktivität der Induktorspule 3 und die Kapazität der Kondensatoreinrichtung 16 so gewählt, dass sich eine Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises 20 von 130 kHz ergibt.
Das Zeitdiagramm der 5. zeigt den Verlauf 33 des Stroms durch die Induktorspule 3. Ähnlich wie bei dem in 4 gezeigten Beispiel werden aufeinanderfolgende Strompulse 30 mit umgekehrtem Vorzeichen erzeugt. Wie dargestellt, wird über zwei Strompulse der Schwinkgkreis angeregt und schwingt dann frei weiter. Durch die Dämpfung nimmt dabei die Amplitude des Stroms durch die Induktorspule 3 ab. Der zeitliche Abstand der Strompulse 30 gleichen Vorzeichens ist damit größer als die Periodendauer der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel wird der Schwingkreis nur jede fünfte Schwingungsperiode angeregt. Um die Leistung zu regeln, kann wie gesagt die Wiederholrate der Strompulse angepasst werden, wobei die Wiederholrate zur Steigerung der Leistung erhöht oder zur Erniedrigung der Leistung abgesenkt wird. Demgemäß erfolgt also gemäß dieser Ausführungsform die Regelung oder Einstellung der Hochfrequenz-Leistung der Vorrichtung 6 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds durch Änderung der Wiederholrate von Schaltpulsen 30 der Halbleiter-Schaltungselemente. Für eine Regelung der Leistung, insbesondere beim Hochfahren der Vorrichtung, also während des anfänglichen Einschmelzens des Schmelzguts im Tiegel kann die Spannung über der Kondensator-Einrichtung 16 gemessen werden. Die Messwerte werden dann zur Regelung der Wiederholungsrate der Strompulse 30 und damit auch der Leistung verwendet. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel ist dazu eine Spannungsmesseinrichtung 146 vorgesehen, welche mit der Steuereinrichtung 144 zur Übertragung der Spannungsmesswerte angeschlossen ist. Die gemessene Spannung kann dann von der Steuereinrichtung 144 mit einem vorgegebenen Maximalwert verglichen und anhand des Vergleichs, beziehungsweise anhand der Abweichung des gemessenen Werts vom vorgegebenen Maximalwert die Pulswiederholrate einstellen. Demgemäß ist in Weiterbildung der Erfindung eine Steuereinrichtung 144 vorgesehen, welche die Halbleiter-Schaltungselemente, vorzugsweise IGBTs 1401, 1402, 1403, 1404 ansteuert, um durch Schalten der Halbleiter-Schaltungselemente Schaltpulse und damit Strompulse zu erzeugen, welche den Serienschwingkreis erregen, und wobei eine Spannungsmesseinrichtung 146 zur Messung der Spannung über der Kondensatoreinrichtung 16 mit der Steuerungseinrichtung zur Übermittlung der Spannungsmesswerte verbunden ist, und wobei die Steuerungseinrichtung 144 eingerichtet ist, die Spannungsmesswerte mit einer vorgegebenen Maximalspannung zu vergleichen und eine Pulswiederholrate, beziehungsweise Wiederholungsrate von Schaltpulsen abhängig vom Vergleich der Spannungsmesswerte mit der Maximalspannung einzustellen. Die Leistungsregelung über die Pulswiederholrate ist besonders günstig, da die Phasen der Schaltzeitpunkte beibehalten und auch die Halbleiter-Schaltungselemente voll durchgeschaltet und damit niederohmig geschaltet werden können.
Analog zu der anhand von 4 erläuterten Ausführungsform kann insbesondere beim Aufheizen der Schmelze zunächst mit einer geringen Wiederholrate, beispielsweise eine Folge zweier Strompulse mit umgekehrtem Vorzeichen innerhalb einer Zeitdauer von 15 Schwingungsperioden begonnen werden. Durch das Aufheizen der Schmelze und/oder der Vergrößerung des Volumens von eingeschmolzenem Schmelzgut sinkt die Güte aufgrund der steigenden ohmschen Verluste ab. Damit klingt auch die freie Schwingung des Schwingkreises nach einem Strompuls schneller ab und die Wiederholrate kann erhöht werden, beispielsweise auf eine Anregung mittels zweier Strompulse nach jeder vierten Periode, wie bei dem in 5 gezeigten Diagramm.
Wie anhand der 5 weiterhin zu sehen ist, sind die Schaltzeitpunkte der Strompulse 30 mit den Nulldurchgängen des Stroms 33 durch die Induktorspule 9 synchronisiert. Diese Synchronisierung, ohne Beschränkung auf das spezielle dargestellte Beispiel ist eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, um die Verlustleistung zu minimieren. Um eine solche Synchronisierung zu erreichen ist dazu gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Strommesseinrichtung vorgesehen, welche mit der Steuereinrichtung 144 zur Übermittlung von Strommesswerten, die ein Wechselstromsignal repräsentieren, gekoppelt ist. Die Steuereinrichtung 144 ist dazu ausgebildet, die Strommesswerte zu erfassen, Nulldurchgänge des Wechselstromsignals zu bestimmen und die Halbleiter-Schaltungselemente so zu schalten, dass die Ein- und Ausschaltzeitpunkte an den oder im Bereich der Nulldurchgänge liegen. Unter Umständen lässt sich ein Schaltzeitpunkt exakt währende des Nulldurchgangs nicht erreichen. Als ein Schaltzeitpunkt im Bereich eines Nulldurchgangs wird aber ein Schaltzeitpunkt verstanden, welcher um betragsmäßig höchstens 15°, vorzugsweise betragsmäßig höchstens 5° gegenüber der Phase des Wechselstromsignals verschoben ist, wobei ein Winkel von 360° eine Periode des Wechselstromsignals kennzeichnet.
Besonders vorteilhaft zur Minimierung der Verlustleistung ist dabei, wie auch in 3 gezeigt, eine Messung des Stromsignals mittels einer Strommesseinrichtung 145 auf der Primärseite des Trenntransformators, der die Schalteinrichtung 140 vom Serienschwingkreis trennt, beziehungsweise möglichst nah an der Schalteinrichtung 140. Dies ist günstig, da zwischen den Ausgängen der Schalteinrichtung und der Sekundärseite des Trenntransformators 142 Phasenverschiebungen vorhanden sein können. Der Strom im Primärstromkreis kann mittels der Strommesseinrichtung 145 auch gemessen werden, wenn alle IGBTs 1401, 1402, 1403, 1404 hochohmig sind. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind dazu Schutz- oder Freilaufdioden 1415 vorgesehen, welche parallel zum jeweiligen IGBT in Sperrichtung geschaltet sind. Dabei werden rückwärtige Schwingungsströme über diese Schutzdioden 1415 geführt. Oft sind solche Schutzdioden 1415 bereits werkseitig in IGBT-Bauelementen integriert. In 3 sind daher die Schutzdioden 1415 innerhalb der Schaltsymbole der IGBTs 1401, 1402, 1403, 1404 eingezeichnet. Denkbar sind aber auch andere, alternative oder zusätzliche Maßnahmen, um bei hochohmig geschalteten Halbleiter-Schaltungselementen die Schwingung des Serienschwingkreises und insbesondere deren Nulldurchgänge zu erfassen.
Die einzelnen Strompulse weisen gemäß noch einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung eine Länge von einer halben Periodendauer des Stromsignals, beziehungsweise dann im Allgemeinen auch der Resonanzfrequenz des Serienschwingkreises auf. Mit anderen Worten wird also die Pulslänge vorzugsweise auf die halbe Periodendauer oder die Dauer einer Halbwelle der Schwingung des Stromsignals, beziehungsweise allgemeiner des Serienschwingkreises angepasst. Durch Regelung der Schaltzeitpunkte, also Ein- und Ausschaltzeitpunkte anhand der Nulldurchgänge wird dabei vorteilhaft auch gleichzeitig eine Regelung der Pulsdauer erzielt.
Nachfolgend werden vorteilhafte Konfigurationen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Beheizung einer Schmelze 10 beschrieben. Wie bereits beschrieben, ist es günstig, mit einer Gleichrichter-Einrichtung 12 mehrere Schalteinrichtungen 140 zu versorgen. Wie ebenfalls genannt, werden vorzugsweise mindestens acht, besonders bevorzugt mindestens zwölf Schalteinrichtungen 140 verwendet, um den Serienschwingkreis mit Induktorspule 3 und Kondensator-Einrichtung 16 zu erregen. Die Gleichrichter-Einrichtung 12 kann in einfacher Weise auf sehr hohe Leistungen ausgelegt werden, beispielsweise durch Parallelschaltung von Gleichrichterdioden. Daher ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Vorrichtung 1 mehrere Schalteinrichtungen 140 umfasst, und zumindest eine Gleichrichter-Einrichtung 12 vorgesehen ist, an welche mehrere der Schalteinrichtungen 140, gegebenenfalls auch alle Schalteinrichtungen 140 angeschlossen sind. 6 zeigt eine Konfiguration, bei welcher, wie bevorzugt, zwölf Schalteinrichtungen 140 als Bestandteil eines Hochfrequenz-Umrichters vorgesehen sind.
Die Anordnung wird durch zwei Gleichrichter-Einrichtungen 12 gespeist, wobei an jede Gleichrichter-Einrichtung 12 jeweils sechs Schalteinrichtungen 140 angeschlossen sind.
Auch wenn mehrere Schalteinrichtungen 140, wie bei dem in 6 gezeigten Beispiel vorhanden sind, wird bevorzugt, diese parallel zur Erregung des Serienschwingkreises 20 zu betreiben, also den mit den Schalteinrichtungen 140 gebildeten Hochfrequenz-Umrichter 14 an eine einzelne Induktorspule 3 anzuschließen. Denkbar wäre auch eine Konfiguration mit mehreren Serienschwingkreisen 20, wobei dann aber vorzugsweise wiederum zumindest einer der Serienschwingkreise mit mehreren Schalteinrichtungen 140 erregt wird. Bei mehreren Induktorspulen wäre allerdings eine gegenseitige Induktion und damit eine Kopplung der Serienschwingkreise zu beachten.
Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung werden mehrere Schalteinrichtungen 140 zu separat anschaltbaren Einheiten, beziehungsweise Gruppen zusammengefasst. Bei dem in 6 gezeigten Beispiel sind dazu Umrichter-Schränke 15 als separat anschaltbare Einheiten vorgesehen. Jeder der Umrichter-Schränke 15 enthält jeweils drei Schalteinrichtungen 140. Jeweils zwei der Umrichter-Schränke 15 sind an eine Gleichrichter-Einrichtung 12 angeschlossen. Weiterhin ist es günstig, die Schalteinrichtungen 140 räumlich symmetrisch, vorzugsweise punkt- rotations- oder spiegelsymmetrisch anzuordnen. Dies ermöglicht unter anderem in einfacher Weise, gleiche Leitungslängen vorzusehen. Dies ist insbesondere beim parallelen Betrieb der Schalteinrichtungen 140 zur Erregung des Serienschwingkreises 20 besonders von Vorteil.
Bei dem in 6 dargestellten Beispiel sind die Schalteinrichtungen 140 in den Umrichter-Schränken 15 jeweils gleich angeordnet. Die Umrichter-Schränke 15 sind in einer 2×2-Anordnung so aufgestellt, dass die Schalteinrichtungen 140 eine punktsymmetrische Anordnung bezüglich des Mittelpunkts M zwischen den Umrichter-Schränken 15 aufweisen.
Das Beispiel der 7 erläutert weiterhin eine bevorzugte Ausführungsform des Anschlusses der Schalteinrichtungen 140 an den Trenntransformator 142. Auch bei diesem Beispiel sind vier Umrichter-Schränke 15 mit jeweils drei Schalteinrichtungen 140 als Bestandteil des Hochfrequenz-Umrichters 14 vorgesehen. Die Anordnung der Umrichter-Schränke und Schalteinrichtungen 140 in einer Reihe ist ebenfalls möglich. Diese Konfiguration dient aber vor allem einer übersichtlichen Darstellung. Auch bei dem nun erläuterten Beispiel kann eine symmetrische Anordnung der Schalteinrichtungen gegeben sein, wie sie anhand von 6 erläutert wurde.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die Schalteinrichtungen 140 mittels eigener Anschlussleitungen 147 an den Trenntransformator 142 anzuschließen.
Vorzugsweise werden, wie in 7 symbolisiert, zweiadrige Anschlussleitungen verwendet. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind also mehrere Schalteinrichtungen 140, sowie ein Trenntransformator 142 vorgesehen, wobei die Schalteinrichtungen 140, vorzugsweise jede der Schalteinrichtungen, mittels einer eigenen Anschlussleitung am Trenntransformator oder an Anschlusspunkten des Trenntransformators angeschlossen ist. Der Übersichtlichkeit halber sind in 7 nur die beiden obersten Schalteinrichtungen 140 mit Anschlussleitungen 147 dargestellt. Es ist weiterhin besonders von Vorteil, wenn die Anschlussleitungen 147 die gleiche Länge aufweisen.
Auf den ersten Blick erscheint eine solche Konfiguration mit einer Vielzahl von Anschlussleitungen sehr aufwändig. Allerdings erweist sich diese Anordnung als günstig, um hohe Stromstärken von den Schalteinrichtungen 140 zum Trenntransformator 142 leiten zu können und gleichzeitig auch ein Übersprechen, beziehungsweise eine unerwünschte Kopplung zwischen den einzelnen Schalteinrichtungen 140 zu minimieren.
Trotz der bevorzugten symmetrischen Anordnung mit gleichen Leitungslängen kann das über den Trenntransformator 142 rückgekoppelte und über die Anschlussleitungen 147 übertragene Stromsignal des Serienschwingkreises 20 an den einzelnen Schalteinrichtungen unterschiedliche Phasenverschiebungen aufweisen. Um die gewünschten Schaltzeitpunkte, besonders bevorzugt an Nulldurchgängen des Stromsignals dennoch möglichst exakt zu treffen, ist gemäß noch einer nicht auf das Ausführungsbeispiel der 7 und die beispielhaften Konfigurationen der 6 und 7 beschränkten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass bei mehreren parallel betriebenen Schalteinrichtungen 140 den Schalteinrichtungen 140 separate Strommesseinrichtungen 145 zugeordnet sind, und die in 7 nicht dargestellte Steuereinrichtung 144 anhand der Strommesssignale der einzelnen Strommesseinrichtungen 145 individuelle Schaltzeitpunkte für die jeweiligen zugeordneten Schalteinrichtungen 140 ermittelt und die Halbleiter-Schaltungselemente entsprechend zur Schaltung an den jeweiligen ermittelten Schaltzeitpunkten ansteuert. Wie in 7 gezeigt, können die Strommesseinrichtungen 145 in den Schalteinrichtungen 140 integriert sein. Ebenso möglich ist aber auch, die Strommesseinrichtungen 145 an den Anschlussleitungen 147 oder an den Anschlüssen der Schalteinrichtungen 140 mit den Anschlussleitungen 147 vorzusehen.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, wobei die Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele insbesondere auch miteinander kombiniert werden können. So kann eine Anpassung der Pulswiederholrate gemäß 4 auch mit einer Pulsweitenmodulation kombiniert werden. Weiterhin wurden die Beispiele mit einer einzelnen Steuereinrichtung 144 beschrieben. Bei mehreren separat angesteuerten Schalteinrichtungen kann die Steuereinrichtung 144 auch in einzelnen unabhängige Einheiten zur Ansteuerung der Schalteinrichtungen aufgeteilt sein.
Weiterhin sind die Abstände zwischen zeitlich benachbarten Strompulsen in den Beispielen der 4 und 5 gleich groß, wobei bei dem Beispiel der 4 der Abstand sich sukzessive verkleinert. Es ist aber auch möglich, die Wiederholungsrate zwischenzeitlich zu verkleinern, beziehungsweise den Abstand der Strompulse 30 zwischenzeitlich zu vergrößern. Beispielsweise können dabei in einer sonst äquidistanten Pulsfolge einzelne Pulse ausgelassen werden. Dies ermöglicht es, nahezu stufenlos die Leistung zu regeln, weil auf diese Weise in der zeitlichen Mittelung jedes rationale Verhältnis der Periodendauer für die Wiederholungsrate der Pulse einstellbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Beheizung von Schmelzen
2: Tiegel
3: Induktorspule
5: Einrichtung zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms
6: Vorrichtung zum Erzeugen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds
7: Kühlwasserleitung
10: Schmelze
12: Gleichrichter-Einrichtung
14: Hochfrequenz-Umrichter
15: Umrichter-Schrank
16: Kondensator-Einrichtung
20: Serienschwingkreis
18, 19: Anschluss für Induktorspule 3
21: Netzspannungs-Schaltanlage
25: Netzanschluss
27: Überspannungsschutzvorrichtung
30: Strompuls
33: Strom durch Induktorspule 3
120: Gleichrichterdiode
122: LC-Glied
123: Induktivität von 122
124: Kondensator von 122
140: Schalteinrichtung
142: Trenntransformator
144: Steuereinrichtung
145: Strommesseinrichtung
146: Spannungsmesseinrichtung
147: Anschlussleitung
1401, 1402, 1403, 1404: IGBT
1411, 1412, 1413, 1414: Gate-Eingang
1415: Schutzdiode, Freilaufdiode

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19939778 C2 [0002, 0047]
DE 19939778 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung (1) zur Beheizung einer Schmelze (10), umfassend – einen Tiegel (2) zur Aufnahme einer Schmelze (10), sowie – eine Vorrichtung (6) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds, wobei die Vorrichtung (6) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds eine – Einrichtung (5) zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms und – eine an die Einrichtung (5) zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms angeschlossene Induktorspule (3) umfasst, welche so angeordnet ist, dass das von der vom Hochfrequenzstrom durchflossenen Induktorspule (3) erzeugte Hochfrequenzfeld den Tiegel (2) durchdringt, wobei die Einrichtung (5) zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms – eine Gleichrichter-Einrichtung (12) zur Umwandlung einer Netz-Wechselspannung in eine Gleichspannung, sowie – einen Hochfrequenz-Umrichter (14), sowie – eine Kondensator-Einrichtung (16), sowie – zwei Anschlüsse (18, 19) zum Anschluss der Induktorspule (3) umfasst, wobei – der Hochfrequenz-Umrichter (14) zumindest eine Schalteinrichtung (140) mit ansteuerbaren Halbleiter-Schaltungselementen aufweist, so dass durch Schalten der Halbleiter-Schaltungselemente ein Wechselstrom erzeugbar ist, und wobei – die Kondensator-Einrichtung (16) mit einem der Anschlüsse (18, 19) verbunden ist, so dass durch Anschluss der Induktorspule (3) ein Serienschwingkreis (20) mit der Induktorspule (3) und der Kondensator-Einrichtung (16) gebildet wird.
Vorrichtung (1) gemäß dem vorstehenden Anspruch, bei welcher der Hochfrequenz-Umrichter (14) weiterhin einen an die Schalteinrichtung (140) angeschlossenen Trenntransformator (142) umfasst, so dass der Trenntransformator (142) primärseitig vom Wechselstrom der Schalteinrichtung (140) gespeist wird, und die Ausgänge 18, 19 im Sekundärstromkreis des Trenntransformators (142) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenntransformator (142) so ausgebildet ist, dass dessen Ausgangsspannung das 1 bis 3-fache der Eingangsspannung beträgt.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (140) zumindest einen IGBT (1401, 1402, 1403, 1404) als Halbleiter-Schaltungselement umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest vier, vorzugsweise zumindest acht, besonders bevorzugt zwölf oder mehr parallel betreibbare Schalteinrichtungen (140).
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (144) zur Ansteuerung der Halbleiter-Schaltungselemente, wobei die Steuereinrichtung (144) eingerichtet ist, die an die Schmelze (10) abgegebene Leistung durch die Wiederholungsrate von Schaltpulsen zur Schaltung der Halbleiter-Schaltungselemente einzustellen.
Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Spannungsmesseinrichtung (146) zur Messung der Spannung über der Kondensatoreinrichtung (20), welche mit der Steuerungseinrichtung (144) zur Übermittlung der Spannungsmesswerte verbunden ist, wobei die Steuerungseinrichtung (144) eingerichtet ist, die Spannungsmesswerte mit einer vorgegebenen Maximalspannung zu vergleichen und die Wiederholungsrate von Schaltpulsen abhängig vom Vergleich der Spannungsmesswerte mit der Maximalspannung einzustellen.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (144) zur Ansteuerung der Halbleiter-Schaltungselemente, sowie eine Strommesseinrichtung (145), welche zur Übermittlung von Strommesswerten, die ein Wechselstromsignal repräsentieren, mit der Steuereinrichtung (144) gekoppelt ist, wobei die Steuereinrichtung (144) dazu ausgebildet ist, die Strommesswerte zu erfassen, Nulldurchgänge des Wechselstromsignals zu bestimmen und die Halbleiter-Schaltungselemente so zu schalten, dass die Ein- und Ausschaltzeitpunkte im Bereich der Nulldurchgänge liegen, wobei die Schaltzeitpunkte um betragsmäßig höchstens 20°, vorzugsweise betragsmäßig höchstens 10° gegenüber der Phase des Wechselstromsignals verschoben sind.
Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommesseinrichtung (145) so angeordnet ist, dass diese den Strom auf der Primärseite des Trenntransformators (142) misst.
Vorrichtung gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, mit mehreren Schalteinrichtungen (140), wobei den Schalteinrichtungen (140) separate Strommesseinrichtungen (145) zugeordnet sind, und die Steuereinrichtung (144) eingerichtet ist, anhand der Strommesssignale der einzelnen Strommesseinrichtungen (145) individuelle Schaltzeitpunkte für die jeweiligen zugeordneten Schalteinrichtungen (140) zu ermitteln und die Halbleiter-Schaltungselemente unter Schaltung an den ermittelten Schaltzeitpunkten anzusteuern.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit mehreren Schalteinrichtungen (140), gekennzeichnet durch zumindest eines der folgenden Merkmale: – es ist zumindest eine Gleichrichter-Einrichtung (12) vorgesehen, an welche mehrere der Schalteinrichtungen (140), angeschlossen sind, – mehrere Schalteinrichtungen (140) sind zu separat anschaltbaren Einheiten zusammengefasst, – die Schalteinrichtungen (140) sind räumlich symmetrisch, vorzugsweise punkt- rotations- oder spiegelsymmetrisch angeordnet, – die Schalteinrichtungen (140) sind jeweils mittels einer eigenen Anschlussleitung (147) an einem Trenntransformator (142) angeschlossen.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Serienschwingkreis (20) mit der Kondensatoreinrichtung (16) und der Induktorspule (3) eine Resonanzfrequenz im Bereich von 50 kHz bis 350 kHz, vorzugsweise im Bereich von 75 kHz bis 175 kHz aufweist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Überspannungsschutzvorrichtung (27), welche an den Anschlüssen (18, 19) auftretende Überspannungen kurzschließt.
Verfahren zum Beheizung einer Schmelze (10), bei welchem – in einem Tiegel (2) eine Schmelze (10) erzeugt oder eingefüllt wird, und wobei – mit einer Vorrichtung (6) ein elektromagnetisches Hochfrequenzfeld erzeugt wird, wobei die Vorrichtung (6) zum Erzeugen eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds eine – Einrichtung (5) umfasst, mit welcher ein Hochfrequenzstrom erzeugt wird und – mittels einer an die Einrichtung (5) zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms angeschlossenen und vom Hochfrequenzstrom durchflossenen Induktorspule (3) ein Hochfrequenzfeld erzeugt wird, welches den Tiegel (2) durchdringt, so dass in der im Tiegel (2) vorhandenen leitfähigen Schmelze (10) Induktionsströme erzeugt werden, welche durch den ohmschen Widerstand der Schmelze (10) in Wärme umgesetzt und die Schmelze damit beheizt wird, wobei die Einrichtung (5) zum Erzeugen eines Hochfrequenzstroms – eine Gleichrichter-Einrichtung (12) zur Umwandlung einer Netz-Wechselspannung in eine Gleichspannung, sowie – einen Hochfrequenz-Umrichter (14), sowie – eine Kondensator-Einrichtung (16), sowie – zwei Anschlüsse (18, 19) zum Anschluss der Induktorspule (3) umfasst, wobei – der Hochfrequenz-Umrichter (14) eine Schalteinrichtung (140) mit ansteuerbaren Halbleiter-Schaltungselementen aufweist, und durch Schalten der Halbleiter-Schaltungselemente ein Wechselstrom erzeugt wird, und wobei – die Kondensator-Einrichtung (16) mit einem der Anschlüsse (18, 19) verbunden ist, so dass – durch Anschluss der Induktorspule (3) ein Serienschwingkreis (20) mit der Induktorspule (3) und der Kondensator-Einrichtung (16) gebildet wird, wobei – der Hochfrequenzstrom mit einer Frequenz erzeugt wird, so dass der Serienschwingkreis (20) in Resonanz schwingt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenz-Leistung der Vorrichtung (6) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Hochfrequenzfelds durch Änderung der Wiederholrate von Schaltpulsen (30) der Halbleiter-Schaltungselemente geregelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem – mittels einer Strommesseinrichtung (145) Strommesswerte, die ein Wechselstromsignal repräsentieren, an eine Steuereinrichtung (144) zur Ansteuerung der Halbleiter-Schaltungselemente zur Ansteuerung der Halbleiter-Schaltungselemente übermittelt werden, wobei – die Steuereinrichtung (144) die Strommesswerte erfasst und – Nulldurchgänge des Wechselstromsignals zu bestimmt und – die Halbleiter-Schaltungselemente so schaltet, dass die Ein- und Ausschaltzeitpunkte im Bereich der Nulldurchgänge liegen, derart, dass die Schaltzeitpunkte um betragsmäßig höchstens 20°, vorzugsweise betragsmäßig höchstens 10° gegenüber der Phase des Wechselstromsignals verschoben sind.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei mehrere Schalteinrichtungen (140) parallel betrieben werden, wobei den Schalteinrichtungen (140) separate Strommesseinrichtungen (145) zugeordnet sind, und die Steuereinrichtung (144) anhand der Strommesssignale der einzelnen Strommesseinrichtungen (145) individuelle Schaltzeitpunkte für die jeweiligen zugeordneten Schalteinrichtungen (140) ermittelt und die Halbleiter-Schaltungselemente unter Schaltung an den ermittelten Schaltzeitpunkten ansteuert.