DE10361458A1 - Vorrichtung zur Generierung von Schaltsignalen eines Umrichters - Google Patents

Vorrichtung zur Generierung von Schaltsignalen eines Umrichters Download PDF

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Siegfried Weber
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Umrichter, insbesondere zur Erzeugung von Wirkleistung für die induktive Erwärmung, dessen einziges frequenzbestimmendes Element die Frequenz des Lastkreises ist.

Description

  • Zur Härtung von elektrisch leitfähigen Materialien werden diese häufig mittels eines magnetischen Wechselfeldes induktiv erwärmt. Dabei entsteht die Erwärmung des Materials durch Verluste, die durch Wirbelströme hervorgerufen werden, die das magnetische Wechselfeld in dem Material erzeugt. Die Verwendung eines hochfrequenten Wechselfeldes führt zu einer Erwärmung der Oberfläche des zu härtenden Materials, während niederfrequente Wechselfelder eine höhere Eindringtiefe besitzen. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall besteht die Notwendigkeit, die verwendete Frequenz des magnetischen Wechselfeldes anzupassen.
  • Es sind vielfältige Vorrichtungen für Umrichter bekannt. Die Umrichter umfassen Wechselrichter, die eine Eingangsspannung in eine Ausgangswechselspannung mit einer gewünschten Frequenz umwandeln.
  • Zunehmend werden IGBT's (Insulated Gate Bipolar Transistor) in Wechselrichtern verwendet, die die bisher eingesetzten MOSFET's (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) verdrängen. IGBT's sind robuster und zeichnen sich durch ihre kurzen Schaltzeiten, einen geringen Spannungsabfall im leitenden Zustand und hohe Stromtragfähigkeit aus, so dass sie bei großen Spannungs- oder Stromspitzen weniger häufig zerstört werden. Nachteilig bei der Verwendung von IGBT's ist jedoch ihre insbesondere bei Hochfrequenz nicht vernachlässigbare Trägheit, die insbesondere bei Hochfrequenz zu nicht vernachlässigbaren Ein- und Ausschaltzeiten und ohne spezielle Schaltungsmaßnahmen zu Schaltverlusten führt. Um die Schaltverluste an den IGBT's zu minimieren, müssen die IGBT's genau im Nulldurchgang der Lastkreisspannung bzw. des Lastkreisstromes schalten. Hohe Schaltverluste führen zu Erwärmung der IGBT's, die daher gekühlt werden, beispielsweise durch Aufbringen auf eine Kühlplatte und/oder durch Wasserkühlung.
  • Durch die induktive Behandlung des Materials werden seine Materialeigenschaften teilweise erheblich verändert, beispielsweise der ohmsche Widerstand oder die relative Permeabilität des Materials, insbesondere wenn die Temperatur die Curie-Temperatur erreicht bzw. übersteigt, bei der die ferromagnetischen Materialien paramagnetisch werden. Zum Einen muss aufgrund der Veränderung der Impedanz des Materials die Frequenz im Lastkreis nachgeregelt werden. Zum Anderen führt die erhebliche Veränderung der Induktivität zu Spannung- und Stromspitzen, die zum Ausfall des Umrichters und zu Zerstörung von Bauteilen führen kann.
  • Die Offenlegungsschrift DE 197 51 666 A1 betrifft eine Phasenregelungseinrichtung für einen Wechselrichter, an den ein Reihenschwingkreis angeschlossen ist. Der Wechselrichter erhält seine Steuerimpulse von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO, Voltage Control Oscillator). Zur Regelung der Phasengleichheit der Wechselrichterausgangsspannung und des Wechselrichterausgangstroms wird ein Phasendiskriminator eingesetzt. Die Verzögerung bildet die Schaltzeiten im Wechselrichter nach, so dass die IGBT's im wesentlichen optimal schalten. Die Ozillatorspannung wird verzögert, um die Verzögerungszeit des IGBTs nachzubilden.
  • Die Verwendung eines trägen Reglers führt jedoch bei schnellen Laständerungen zu Phasendifferenzen, die sich über die Perioden aufsummieren, durch den Regler nicht ausreichend ausgeregelt werden und die zum Ausfall des Umrichters führen können.
  • Bei Verwendung einer Regelung mittels eines spannungsgesteuerten Oszillators und eines Phasendiskriminators besteht daher folgender Kompromiss: Da die Frequenz des Lastkreises nach dem Einschalten des Umrichters zunächst unbekannt ist, muss sich die Regelung an den idealen Arbeitspunkt über einige Perioden herantasten.
  • Eine träge Regelung führt dazu, dass bei extremer Laständerung, beispielsweise bei Überschreiten der Curie-Temperatur, Spannungspitzen auftreten, die einen Ausfall des Umrichters zur Folge haben können. Andererseits schalten die IGBT's sehr genau im Nulldurchgang der Lastkreisspannung bzw. des Lastkreisstromes, wodurch die Schaltverluste an den IGBT's sehr gering sind.
  • Bei Einsatz einer schnellen Regelung wird dagegen der spannungsgesteuerte Oszillator ausreichend schnell angesteuert, um Spannungs- bzw. Stromspitzen zu vermeiden. Jedoch führt der Phasenjitter im Lastkreis dazu die IGBT's nicht genau im Nulldurchgang schalten und daher hohe Schaltverluste an den IGBT's auftreten, was die Notwendigkeit der Kühlung erhöht und ggf. den Einsatz von mehr IGBT's erforderlich macht, um die auftretenden Verluste zu verteilen.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist, einen Umrichter zur Erzeugung von Wirkleistung für die induktive Erwärmung zu schaffen, der die oben angeführten Probleme vermeidet, mit dem daher unabhängig von Schwankungen der Betriebsspannung des Wechselrichters, unabhängig von Änderungen der Parameter eines an den Wechselrichter angeschlossenen Lastkreises, Spannungs- und Stromspitzen vermieden werden, der Wechselrichter so angesteuert ist, dass die am Wechselrichter auftretenden Verluste minimiert sind und der kostengünstig zu fertigen ist.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch einen Umrichter, insbesondere zur Erzeugung von Wirkleistung für die induktive Erwärmung, dessen einziges frequenzbestimmendes Element die Frequenz des Lastkreises ist. Die Frequenz der Schaltsignale des Umrichters sind durch die Frequenz des Lastkreises bestimmt. Dadurch ist der Aufbau des Umrichters einfach und kostengünstig.
  • Bevorzugt umfasst der Umrichter einen Wechselrichter, wobei der Wechselrichter mindestens einen IGBT aufweist, wobei für den IGBT ein IGBT-Schaltsignal vorgesehen ist, dessen Frequenz bevorzugt die Frequenz des Lastkreises ist. Vorteilhafterweise sind IGBT's sehr robust. Hohe Spannungs- und Stromspitzen führen daher seltener zu einem Abschalten aufgrund von nicht definierten Betriebsbedingungen oder einem Ausfall des Umrichters. Das ist auch deshalb vorteilhaft, weil jede Unterbrechung der induktiven Erwärmung zu einer Verschlechterung der Qualität oder Schrott des behandelten Materials führt.
  • Vorzugsweise ist der an den Wechselrichter angeschlossene Lastkreis ein Reihenschwingkreis oder ein Parallelschwingkreis. Bevorzugt wird der Schwingkreis mit Resonanzfrequenz betrieben. Dadurch werden die Schaltverluste im Lastkreis reduziert, unnötige Blindleistungsverluste im wesentlichen vermieden und der Wirkungsgrad des Umrichters optimiert. Im wesentlichen steht die maximal mögliche Wirkleistung am Schwingkreis zur Verfügung.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Umrichter eine Steuerung zur Erzeugung des IGBT-Schaltsignals, wobei der Steuerung ein Lastkreissignal zugeführt ist und wobei das Lastkreissignal bei Anschluss eines Reihenschwingkreises ein Abbild des Schwingkreisstromes oder bei Anschluss eines Parallelschwingkreises ein Abbild der Schwingkreisspannung ist. Dadurch steht der Steuerung ein Lastkreissignal mit der Frequenz des Lastkreises unmittelbar zur Verarbeitung zur Verfügung.
  • Bevorzugt eilt der IGBT-Schaltsignal dem Nulldurchgang des Lastkreissignals um eine Zeit toff vor. Vorteilhafterweise ist die Zeit toff so gewählt, dass durch das Voreilen des IGBT-Schaltsignals vor dem Nulldurchgang des Lastkreissignals die Trägheit des IGBT's ausgeglichen wird, so dass der IGBT im wesentlichen im Nulldurchgang des Lastkreissignals schaltet. Daher werden Schaltverluste an dem IGBT im wesentlichen vermieden. Vorteilhafterweise kann die Kühlung des IGBT's daher relativ zu einem IGBT, das nicht im Nulldurchgang des Lastkreissignals schaltet, vereinfacht werden. Der Fachmann weiß, dass IGBT's entsprechend dem Anwendungsfall ggf. aufwendig gekühlt werden, beispielsweise mittels Kühlplatten und/oder Wasserkühlung. Eine Reduzierung der notwendigen Kühlung ist daher kostengünstig. Die auftretenden Verluste werden durch Parallelschalten von IGBT's auf diese verteilt. Durch die Reduzierung der Schaltverluste kann die Anzahl der IGBT's reduziert sein, wodurch der Bauteilbedarf und der Fertigungsaufwand verringert ist und was daher kostengünstig ist.
  • Vorzugsweise umfasst der Umrichter ein Mittel zum Ermitteln der Periodendauer, das die Periodendauer des Lastkreissignals in weniger als der Zeitdifferenz zweier aufeinanderfolgender Nulldurchgänge des Lastkreissignals bestimmt. Im Normalfall ist die Laständerung so langsam bzw. die Frequenz im Lastkreis so hoch, dass sie innerhalb der ersten Hälfte der aktuellen Halbwelle detektiert wird. Spannungs- und Stromspitzen, die bei starken Laständerungen auftreten und durch eine träge Regelung zum Ausfall des Umrichters führen können, werden daher vorteilhafterweise vermieden. Selbst wenn eine Laständerung erst in der zweiten Hälfte der aktuellen Halbwelle des Lastkreissignals durch eine Phasenverschiebung erkennbar ist, wird sie bereits in der folgenden Halbwelle des Lastkreissignals ausgeglichen. Insbesondere bei Hochfrequenz schaltet der IGBT daher im wesentlichen exakt im Nulldurchgang des Lastkreissignals. Die Schaltverluste an den IGBT's sind daher minimiert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Steuerung ein Zeitglied, wobei das Zeitglied im Nulldurchgang des Lastkreissignals mit der Zeit toff angestoßen wird, wobei sich der Schaltzeitpunkt des IGBT-Schaltsignals durch Spiegelung der Zeit toff an einer imaginären Achse, die im Maximum der Halbwelle liegt, ergibt. Durch Laständerung oder Änderung der Betriebsspannung des Umrichters ändert sich die Periodendauer ständig und ist daher unbekannt. Durch die Spiegelung der Zeit toff an einer imaginären Achse besteht dennoch nicht die Notwendigkeit, die Periodendauer zu bestimmen. Sondern der Schaltzeitpunkt des IGBT-Schaltsignals ist durch die Spiegelung der Zeit toff an der imaginären Achse so bestimmt, dass der IGBT im wesentlichen im Nulldurchgang des Lastkreissignals schaltet.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird während der Zeit toff ein Speicher auf den Wert des Lastkreissignals bis zum Ablauf der Zeit toff aufgeladen und der nächstfolgende Schnittpunkt des Speichersignals mit dem Wert des Lastkreissignals bestimmt einen Schaltzeitpunkt des IGBT-Schaltsignals. Der Fachmann erkennt, dass ein geeigneter Speicher insbesondere ein Kondensator ist, dass eine mögliche Realisierung durch eine Sample and Hold-Schaltung sowie einem Komparator erfolgt, wobei die Eingangssignale des Komparators das Lastkreissignal sowie das Ausgangssignal der Sample and Hold-Schaltung sind und der Komparator den Schnittpunkt der beiden Signale detektiert. Vorteilhafterweise ist diese Bereitstellung des IGBT-Schaltsignals sehr einfach und kostengünstig möglich.
  • Vorteilhafterweise ist der IGBT-Schaltsignal aus der Periodendauer und der Zeit toff bestimmt. Die Ansprüche 9 – 14 beschreiben Realisierungen weiterer bevorzugter Ausführungsformen zur Bereitstellung des IGBT-Schaltsignals.
  • Da die Frequenz des Lastkreises die Frequenz des Umrichters bestimmt, besteht nicht die Notwendigkeit, mehrere schwingende Systeme, beispielsweise einen spannungsgesteuerten Oszillator und ein Lastkreissignal, mittels einer Regelung in Übereinstimmung zu bringen. Der sich aus den Eigenschaften einer solchen Regelung ergebende Kompromiss zwischen einer trägen Regelung und einer schnellen Regelung wird daher vermieden. Mit dem erfindungsgemäßen Umrichter werden auch bei erheblichen Änderungen der Last Spannungs- und Stromspitzen im wesentlichen vermieden. Trotz des durch die Welligkeit der Betriebsspannung hervorgerufenen Phasenjitters schaltet der Umrichter im wesentlichen in den Nulldurchgängen des Lastkreissignals, so dass die Schaltverluste an den IGBT's minimiert sind. Aufgrund der minimierten Schaltverluste der IGBT's sowie dem einfach zu realisierenden Aufbau der Steuerung ist die Fertigung des Umrichters kostengünstig möglich.
    •
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand der 1 – 9 beschrieben. Die Beschreibungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform eines Umrichters entsprechend dem Stand der Technik
  • 2 zeigt den Phasenjitter einer in der Mitte liegenden idealen Lastkreisspannung.
  • 3 zeigt sich aufsummierende Phasendifferenzen einer realen Schwingung im Lastkreis im Vergleich zu einem Vorgabesignal (3) eines spannungsgesteuerten Oszillators.
  • 4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Umrichters.
  • 5 zeigt schematisch eine Halbwelle eines Lastkreissignals und verdeutlicht den Schaltzeitpunkt eines IGBT-Schaltsignals.
  • 6 zeigt schematisch eine Halbwelle eines Lastkreissignals und verdeutlicht die Bestimmung des Schaltzeitpunktes eines IGBT-Schaltsignals.
  • 7 zeigt schematisch eine Halbwelle eines Lastkreissignals und verdeutlicht eine mögliche Ausführungsform zur Generierung des Schaltzeitpunktes eines IGBT-Schaltsignals.
  • 8 zeigt ein Blockschaltbild eine mögliche Ausführungsform der Steuerung eines Wechselrichters eines erfindungsgemäßen Umrichters.
  • 9 zeigt schematisch eine Halbwelle eines Lastkreissignals und verdeutlicht eine mögliche Ausführungsform zur Generierung des Schaltzeitpunktes eines IGBT-Schaltsignals.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform eines Umrichters entsprechend dem Stand der Technik. Der Umrichter weist einen frequenzbestimmenden spannungsgesteuerten Oszillator 15, einen Wechselrichter 16 ein zusätzliches Zeitglied 17, einen Phasendiskriminator 18 sowie einen Tiefpass 14 auf. Das Ausgangssignal des spannungsgesteuerten Oszillators 15 wird nicht nur dem Wechselrichter 16, sondern auch dem Zeitglied 17 zugeführt, welches die Schaltzeiten im Wechselrichter 16 nachbildet. So kann über den Phasendiskriminator 18 eine Regelspannung erzeugt werden, die über den Tiefpass 14 den spannungsgesteuerten Oszillator 15 nachregelt.
  • 2 zeigt den Phasenjitter einer in der Mitte liegenden idealen Lastkreisspannung bzw. des Lastkreisstromes 1. Bei einer Amplitude 19 von beispielsweise 565V beträgt die durch den Phasenjitter hervorgerufene mögliche Spannungsungenauigkeit 20 im Vergleich zum Nulldurchgang der idealen Lastkreisspannung bereits +/- 45V.
  • 3 zeigt sich aufsummierende Phasendifferenzen einer realen Schwingung im Lastkreis im Vergleich zu einem Vorgabesignal 3 eines spannungsgesteuerten Oszillators. Während bei einer Periodendauer 21 von 2500ns nach einer halben Periode die Phasendifferenz 22 zwischen dem Vorgabesignal 3 und der realen Schwingung im Lastkreis 2 zum Beispiel nur 62,5ns beträgt, ist die Phasendifferenz 22 eine Periode später bereis auf das Dreifache (187,5ns) angestiegen.
  • 4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Umrichters. Ein Gleichrichter 6, beispielsweise ein Einphasengleichrichter oder ein Dreiphasengleichrichter, beliefert einen Wechselrichter 7, bestehend aus einer Wechselrichterbrücke mit vier IGBT's 24 und zugehörigen Treiberschaltungen 8, mit einer pulsierenden Gleichspannung. Ein Lastkreis 11, der aus einem Induktor L und einer Blindleistungskompensation C sowie einem Wirkanteil R besteht, ist über einen Transformator 23 mit den Ausgängen der Wechselrichterbrücke gekoppelt. Der Umrichter weist eine Steuerung 10 auf, die für die IGBT's 24 der Wechselrichterbrücke IGBT-Schaltsignale zur Verfügung stellt. Ihr wird ein Abbild des sinusförmigen Lastkreisstroms über einen geeigneten Sensor 9 zugeführt.
  • 5 zeigt schematisch eine Halbwelle eines Lastkreissignals 13 und verdeutlicht den Schaltzeitpunkt t2 eines IGBT-Schaltsignals. Der IGBT-Schaltsignal muss sich bereits im Schaltzeitpunkt t2 ändern, damit der IGBT im Zeitpunkt t3 schaltet. Die Zeit toff entspricht bevorzugt der Ausschaltzeit des IGBT's.
  • 6 zeigt schematisch eine Halbwelle eines Lastkreissignals 13 und verdeutlicht die Bestimmung des Schaltzeitpunktes t2 eines IGBT-Schaltsignals. Das dargestellte Lastkreissignal 13 führt eine sinusförmige Schwingung mit der Frequenz f aus. Trägt man nach einem Nulldurchgang t0 sowie vor dem nächstfolgenden Nulldurchgang t3 einer Halbwelle 1/2f die Zeit toff auf der Zeitachse auf, so wird deutlich, dass der Schaltzeitpunkt t2 des IGBT-Schaltsignals sich aus der Spiegelung des Zeitpunktes t1 = t0 + toff an einer imaginären Achse 4, die senkrecht zur Zeitachse steht und durch das Maximum des Lastkreissignal 13, ergibt.
  • 7 zeigt schematisch eine Halbwelle eines Lastkreissignals 13 und verdeutlicht eine mögliche Ausführungsform zur Generierung des Schaltzeitpunktes t2 eines IGBT-Schaltsignals. Nach dem Nulldurchgang t0 wird während der Zeit toff bis zum Zeitpunkt t1 ein Speicher, insbesondere ein Kondensator, aufgeladen, dessen Ladezustand bis über den Zeitpunkt t2 hinaus gehalten wird, so dass der Schnittpunkt 12 des Lastkreissignals 13 mit dem Speichersignal 5, beispielsweise der Ladespannung des Kondensators, mittels Komparator detektiert werden kann. Der analoge Vorgang erfolgt während der negativen Halbwelle des Lastkreissignals ab dem folgenden Nulldurchgang t3 des Lastkreissignals.
  • 8 zeigt ein Blockschaltbild eine mögliche Ausführungsform der Steuerung 10 des Wechselrichters 7 eines erfindungsgemäßen Umrichters. Zunächst generiert eine erste monostabile Kippstufe, die einem Komparator nachgeschaltet ist, A1 die Zeit toff, die nach jedem Nulldurchgang t1, t3 des Lastkreissignals gestartet wird. Der Ausgang dieser ersten monostabilen Kippstufe A1 steuert einen Sample And Hold-Verstärker A2, welcher einen Kondensators auflädt und die Ladespannung 5 über den Zeitpunkt t1 hinaus beibehält. Ein weiterer Komparator mit einer zweiten nachgeschalteten monostabilen Kippstufe A3 schaltet in den Schnittpunkten des Lastkreissignals mit dem Ausgangssignal des Sample And Hold-Verstärkers A2 und liefert an den Ausgängen ON und OFF die Schaltzeitpunkte t2, t2 in Form von Ein- und Ausschaltflanken für die IGBT-Schaltsignale IGBT 1/3, IGBT 2/4 der IGBT's der Wechselrichterbrücke. Diese Flanken werden von der nachfolgenden Logik A4 in die endgültigen IGBT-Schaltsignale geformt. Während der Zeit toff und etwas darüber hinaus wird der Vergleichsvorgang in der zweiten monostabilen Kippstufe A3 unterdrückt.
  • Der erfindungsgemäße Umrichter ist zur Frequenzumrichtung in einer Vielzahl verschiedener Anwendungen geeignet, insbesondere als Umrichter für die induktive Erwärmung. Er ist sowohl für den Einsatz im Nieder- als auch im Hochfrequenzbereich, vorzugsweise 100 Hz – 500 kHz, geeignet.
  • 9 zeigt schematisch eine Halbwelle eines Lastkreissignals 13 und verdeutlicht eine mögliche Ausführungsform zur Generierung des Schaltzeitpunktes t2 eines IGBT-Schaltsignals. Das Lastkreissignal wird einem Spitzenwertspeicher zugeführt, der den Spitzenwert über das Maximum des Lastkreissignals hinaus hält. Der Ausgang des Spitzenwertspeichers ist an einen Spannungsteiler angeschlossen, der die Spannungen U1 und U2 abgreifbar macht. Der Teiler ist so ausgelegt, dass bei der Projektion der Spannungen U1 und U2 auf eine Zeitachse die Zeitdifferenz zwischen tU1 und tU2 gleich der Zeitdifferenz zwischen tU2 und tU3 ist und dass die Lastkreisspannung mittels Komparatoren mit den Spannungen U1 und U2 verglichen werden und dass vor und nach der Zeit tU2 ein Zähler, der bei tU1 gestartet wird, gegensinnig zählt und ein bestimmter Zählerstand nach tU2 den Schaltzeitpunkt t2 des IGBT-Schaltsignals betimmt.
    • 1
    Phasenjitter einer in der Mitte liegenden idealen
    Lastkreisspannung
    2
    reale Schwingung eines Lastkreissignals mit Phasenunterschied
    nach schneller Laständerung und träger Reglung
    3
    Durch einen VCO vorgegebenes ideales Lastkreissignal
    4
    imaginäre Spiegelungsachse zur Bestimmung des
    Schaltzeitpunktes eines IGBT-Schaltsignals
    5
    Sample and Hold – Signal eines Kondensators zur Generierung
    des Schaltzeitpunktes eines IGBT-Schaltsignals
    6
    Gleichrichter
    7
    Wechselrichter
    8
    Treiber für ein IGBT
    9
    Sensor
    10
    Steuerung des Wechselrichters
    11
    Lastkreis in Form eines Reihenschwingkreises
    12
    Schnittpunkt des Lastkreissignals mit einem durch eine Sample
    and Hold-Schaltung erzeugten Speichersignal
    13
    Lastkreissignal
    14
    Tiefpass
    15
    Spannungsgesteuerter Oszillator
    16
    Wechselrichterbrücke
    17
    Zeitglied
    18
    Phasendiskriminator
    19
    Amplitude der idealen Lastkreisspannung
    20
    durch den Phasenjitter hervorgerufene mögliche
    Spannungsungenauigkeit
    21
    Periodendauer eines durch einen spannungsgesteuerten
    Oszillator vorgegebenen Signals
    22
    Phasendifferenz
    23
    Transformator
    24
    IGBT's in einer Wechselrichtrbrücke
    toff
    Schaltzeit eines IGBT's
    t0
    Nulldurchgang des Lastkreissignals, Startzeitpunkt zur
    Bestimmung des Schaltzeitpunktes des IGBT-Schaltsignals
    t1
    t0 + toff
    t2
    Schaltzeitpunkt des IGBT-Steuersignals
    t3
    Schaltzeitpunkt des IGBT's
    f
    Frequenz eines Signals
    L
    Induktor im Lastkreis
    R
    Wirkanteil im Lastkreises
    C
    Blindleistungskompensation im Lastkreis
    I
    Strom
    IGBT1 – IGBT4
    IGBT's in einer Wechselrichterbrücke

Claims (15)

  1. Umrichter, insbesondere zur Erzeugung von Wirkleistung für die induktive Erwärmung, dessen einziges frequenzbestimmendes Element die Frequenz (f) des Lastkreises (11) ist.
  2. Umrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter einen Wechselrichter (16) umfasst, wobei der Wechselrichter (16) mindestens einen IGBT (24) aufweist, wobei für den IGBT (24) ein IGBT-Schaltsignal (IGBT 1/3, IGBT 2/4) vorgesehen ist, dessen Frequenz (f) bevorzugt die Frequenz (f) des Lastkreises (11) ist.
  3. Umrichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der an den Wechselrichter (16) angeschlossene Lastkreis (11) ein Reihenschwingkreis oder ein Parallelschwingkreis ist.
  4. Umrichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter eine Steuerung (10) zur Erzeugung des IGBT-Schaltsignals (IGBT 1/3, IGBT 2/4) umfasst, wobei der Steuerung (10) ein Lastkreissignal (13) zugeführt ist und wobei das Lastkreissignal (13) bei Anschluss eines Reihenschwingkreises ein Abbild des Schwingkreisstromes oder bei Anschluss eines Parallelschwingkreises ein Abbild der Schwingkreisspannung ist.
  5. Umrichter nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der IGBT-Schaltsignal (IGBT 1/3, IGBT 2/4) dem Nulldurchgang des Lastkreissignals (13) um eine Zeit toff voreilt.
  6. Umrichter nach einem der Ansprüche 4 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) ein Mittel zum Detektieren der Periodendauer umfasst, das die Periodendauer des Lastkreissignals (13) in weniger als der Zeitdifferenz zweier aufeinanderfolgender Nulldurchgänge des Lastkreissignals (13) bestimmt.
  7. Umrichter nach einem der Ansprüche 4 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) ein Zeitglied umfasst, wobei das Zeitglied im Nulldurchgang des Lastkreissignals (13) mit der Zeit toff angestoßen wird, wobei sich der Schaltzeitpunkt (t2) des IGBT-Schaltsignals durch Spiegelung der Zeit toff an einer imaginären, durch das Maximum der Halbwelle verlaufenden, senkrecht zur Zeitachse stehenden Achse (4) ergibt.
  8. Umrichter nach einem der Ansprüche 4 – 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung einen Speicher umfasst, dass während der Zeit toff der Speicher auf den Wert des Lastkreissignals (13) bis zum Ablauf der Zeit toff (t1) aufgeladen wird und dass der nächstfolgende Schnittpunkt des Speichersignals (12) mit dem Wert des Lastkreissignals (13) den Schaltzeitpunkt (t2) des IGBT-Schaltsignals (IGBT 1/3, IGBT 2/4) bestimmt.
  9. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (10) ein Mittel zum Detektieren des Maximums des Lastkreissignals (13) umfasst und dass das Mittel zum Detektieren des Maximums des Lastkreissignals (13) der IGBT-Schaltsignal (IGBT 1/3, IGBT 2/4) dadurch erzeugt, dass das Maximum des Lastkreissignals (13) detektiert wird und vor und nach dem Maximum ein Zähler oder eine Spannungsrampe gegensinnig zählt und ein bestimmter Zählerstand nach dem Maximum den Schaltzeitpunkt (t2) des IGBT-Schaltsignals (IGBT 1/3, IGBT 2/4) bestimmt.
  10. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Detektieren des Maximums des Lastkreissignals (13) einen digitalen Komparator, einen Analog-Digital-Umwandler sowie einen Digital-Speicher umfasst, wobei der Speicher alle Messwerte des Analog-Digital-Wandlers beginnend mit dem Nulldurchgang des Lastkreissignals (13) speichert, wobei der Komparator den aktuellen Messwert mit dem vorherigen Messwert vergleicht, wobei der Komparator durch Änderung seines Ausgangssignals anzeigt, wenn der aktuelle Messwert kleiner oder gleich als der vorherige ist.
  11. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Detektieren des Maximums des Lastkreissignals (13) einen Komparator und ein Integrierglied umfasst oder dass das Mittel zum Detektieren des Maximums des Lastkreissignals (13) einen Komparator und ein Verzögerungsglied umfasst, wobei das Lastkreissignal (13) an einem ersten Eingang des Komparators direkt anliegt, wobei das Lastkreissignal (13) an einem zweiten Eingang des Komparators über das Integrierglied oder über das Verzögerungsglied anliegt, wobei der Komparator durch Änderung seines Ausgangssignals anzeigt, wenn der Eingang der erste Eingang des Komparators betragsmäßig kleiner ist, als der zweite Eingang des Komparators.
  12. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Detektieren des Maximums ein möglichst ideales Differenzglied ist, welches die erste mathematische Ableitung des Lastkreissignals (13) realisiert, gefolgt von einem Komparator, welcher die Nulldurchgänge des differenzierten Signals erfasst, so dass an dessen Ausgang ein Rechtecksignal ansteht, bei welchem die Schaltflanken in den Maximas des Lastkreissignals liegen und so die Zeit vom Nulldurchgang des Lastkreissignals bis zum Maxima zur Verfügung steht.
  13. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Detektieren der Periodendauer eine digitale oder analoge Vergleichsschaltung ist, welche eine zwischen dem Nulldurchgang und dem nachfolgenden Maxima genommene Probe des Lastkreissignals ins Verhältnis zu der Signalgröße im Maxima setzt und daraus entsprechend einer Wertetabelle oder einer besonders gestalteten Kennlinie die Periodendauer ermittelt.
  14. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Detektieren der Periodendauer eine halbe Periodendauer ermittelt durch Multiplikation der Zeit von einem Nulldurchgang des Lastkreissignals (13) bis zum Maximum des Lastkreissignals (13) mit dem Faktor 2.
  15. Umrichter nach einem der Ansprüche 1 – 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lastkreissignal einem Spitzenwertspeicher zugeführt wird, der den Spitzenwert über das Maximum des Lastkreissignals hinaus hält, und dass der Ausgang des Spitzenwertspeichers an einen Spannungsteiler angeschlossen ist, der die Spannungen U1 und U2 abgreifbar macht und dass der Teiler so ausgelegt ist, dass bei der Projektion der Spannungen U1 und U2 auf die Zeitachse die Zeitdifferenz zwischen tU1 und tU2 gleich der Zeitdifferenz zwischen tU2 und t3 ist und dass die Lastkreisspannung mittels Komparatoren mit den Spannungen U1 und U2 verglichen werden und dass vor und nach der Zeit tU2 ein Zähler, der bei tU1 gestartet wird, gegensinnig zählt und ein bestimmter Zählerstand nach tU2 den Schaltzeitpunkt t2 des IGBT-Schaltsignals bestimmt.
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