DE1615126B1

DE1615126B1 - Verfahren zur Beseitigung der Gleichstromerhoehung ueber Nennstrom bei Parallelschwingkreisumrichtern mit steuerbarer Betriebsfrequenz

Info

Publication number: DE1615126B1
Application number: DE19671615126D
Authority: DE
Inventors: Herbert Geisel
Original assignee: AEG Elotherm GmbH
Current assignee: SMS Elotherm GmbH
Priority date: 1967-12-29
Filing date: 1967-12-29
Publication date: 1972-05-31
Also published as: US3551632A; FR1593372A; GB1254549A

Description

Betriebsfrequenz das Frequenzverhältnis — von 1,05

auf -~- = 1,165. Nimmt nun gleichzeitig die Dämp-

fung d₀ des Induktors 18 von beispielsweise 0,15 bei 5 mit Metallblöckchen gefülltem Induktor auf 0,05 bei leerem Induktor ab, so läßt sich mit Hilfe der Formel (1) errechnen, daß bei konstant gehaltener Betriebsfrequenz ω und konstanter Wechselrichterausgangsspannung Ui₀ der Gleichstrom Ig etwa den l,6fachen Wert annimmt. Der Gleichrichter muß demgemäß um etwa 60% überdimensioniert werden, was verständlicherweise den Schwingkreisumrichter durch Bestückung größerer Thyristoren wesentlich verteuert.

Aus der deutschen Patentschrift 741 246 ist nun der Gedanke bekannt, bei steuerbarer Betriebsfrequenz, in Anpassung an die während des Betriebes sich ändernde Belastung die Betriebsfrequenz nachzuregeln. Dieses bekannte Frequenzregelsystem betrifft aber einen Serienschwingkreisumrichter, bei dem völlig andere Verhältnisse vorliegen als bei einem Parallelschwingkreisumrichter.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines aus einem steuerbaren Gleichrichter sowie Wechselrichter und Parallelschwingkreis bestehenden Schwingkreisumrichter mit steuerbarer Betriebsfrequenz anzugeben, der zur Speisung eines Induktors zur induktiven Erwärmung von insbesondere ferromagnetische!! Metallblöckchen dient und bei dem während des Betriebes die Erhöhung des vom Gleichrichter gelieferten Gleichstromes über Nennstrom vermieden wird.

Dieses Verfahren ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß beim Füllen des Induktors mit Metallblöckchen und sinkender Induktor-Induktivität die Betriebsfrequenz bis zur Betriebsfrequenz bei mit Metallblöckchen gefülltem Induktor gesteigert wird, daß beim Entleeren des mit Metallblöckchen gefüllten Induktors und ansteigender Induktor-Induktivität die Betriebsfrequenz entsprechend der aus dem Induktor ausgestoßenen Metallblöckchen verringert wird, und zwar als Funktion davon, daß jeweils der Phasenwinkel zwischen Nulldurchgang des Wechselrichterausgangsstromes und dem nächstfolgenden Nulldurchgang der +5 Wechselrichterausgangsspannung konstant geregelt wird.

Bei dieser Verfahrensweise ergibt sich auch, daß das Verhältnis von Wechselrichterausgangsspannung U₁₀ zu Gleichspannung U₉ konstant bleibt. Der Winkel So zwischen Nulldurchgang des Wechselrichterausgangsstromes und dem nächstfolgenden Nulldurchgang der Wechselrichterausgangsspannung, der die Phasenverschiebung an den Wechselrichterausgangsklemmen 14 und 15 angibt, ist mit y bezeichnet.

Für das Verhältnis von Wechselrichterausgangsspannung U_w zu Gleichspannung U₃ gilt die Formel:

Uw

U_g

2]/2 cosy

und für den Leistungsfaktor cosy, bezogen auf den Wechselrichterausgang 14 und 15,

cosy =

-T-¹T

Ist nun, wie bereits angenommen, die Dämpfung bei mit Metallblöckchen gefülltem Induktor d₀ = 0,15 und das Verhältnis von Betriebsfrequenz zu Resonanzfrequenz des Schwingkreises — = 1,05, dann ist nach

Gleichung (3) der Leistungsfaktor cos y = 0,818. Bei leerem Induktor ist die Dämpfung des Schwingkreises d₀ = 0,05. Um auch bei leerem Induktor den gleichen Leistungsfaktor cosy = 0,818 zu erhalten, ist das Verhältnis Betriebsfrequenz zu Resonanzfrequenz

— = 1,0175. Da sich die Resonanzfrequenzen bei mit

Metallblöckchen gefülltem Induktor zu leerem Induktor wie 1:0,9 verhalten, verringert sich die Betriebsfrequenz um 13%· Be™ induktiven Erwärmen von Metallblöckchen in einem Induktor ist die Betriebsfrequenz beim Füllen des Induktors mit Metallblöckchen 13% geringer als die Betriebsnennfrequenz, wird dann bis zur vollständigen Füllung des Induktors auf Betriebsnennfrequenz gesteigert und beim Entleeren des Induktors die Betriebsfrequenz von Betriebsnennfrequenz entsprechend der aus dem Induktor ausgestoßenen Metallblöckchen verringert. Wenn beim Füllen oder Entleeren des Induktors mit verringerter Betriebsfrequenz als die Betriebsnennfrequenz gefahren wird und zugleich der Leistungsfaktor konstant gehalten wird, dann tritt keine Gleichstromerhöhung beim Füllen oder Entleeren des Induktors mit Metallblöckchen mehr auf. Zur Bestimmung des Winkels y zwischen Nulldurchgang des Wechselrichterausgangsstromes und dem nächstfolgenden Nulldurchgang der Wechselrichterausgangsspannung wird dieser als Istwert gemessen und durch Regelung der Betriebsfrequenz konstant gehalten. Bei konstant gehaltenem Leistungsfaktor cos y bleibt dann wegen der durch Gleichung (2) gegebenen Beziehung bei konstant gehaltener Gleichspannung U_g die Wechselrichterausgangsspannung U₁₀ ebenfalls konstant.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2

- spannung U_g umgewandelt. Hierzu dienen steuerbare

Patentanspruch: Zellen2, z.B. Thyristoren in Drehstrombrücken-

schaltung. Die Gleichspannung U_g wird dem aus

Verfahren zur Beseitigung der Gleichstrom- Thyristoren 4, 5, 6, 7 bestehenden Wechselrichter 3 erhöhung über Nennstrom bei aus steuerbarem 5 über eine Glättungsdrossel 17 zugeführt. Beim EinGleichrichter sowie Wechselrichter und Parallel- schalten des Netzschalters 10 und des nicht dargeschwingkreis bestehendem Schwingkreisumrichter stellten Impulssteuergerätes für den Wechselrichter 3 mit steuerbarer Betriebsfrequenz zur induktiven werden jeweils die Thyristoren 4, 5, 6, 7 abwechselnd Erwärmung von insbesondere ferromagnetischen gezündet, wodurch die Polarität an den Eingangs-Metallblöckchen, dadurch ge kennzeich- i° klemmen 8 und 9 des aus Kondensator 11, Induktivin e t, daß beim Füllen des Induktors mit Metall- tat 12 und Ohmschem Widerstand bestehenden blöckchen und sinkender Induktivität die Betriebs- Schwingkreises 16 gewechselt wird. Zur Schonung frequenz bis zur Betriebsnennfrequenz bei mit der Thyristoren 4, 5, 6, 7 ist die Betriebsfrequenz, d.h. Metallblöckchen gefülltem Induktor gesteigert die Taktfrequenz, stets höher als die Resonanzfrequenz wird, daß beim Entleeren des mit Metallblöckchen ¹S des Schwingkreises 16, wobei der Wechselrichtergefüllten Induktors und ansteigender Induktor- ausgang 14 und 15 dann durch den Kondensator 11 Induktivität die Betriebsfrequenz entsprechend leicht kapazitiv belastet wird. Die Regelung der der aus dem Induktor ausgestoßenen Metall· Wechselrichterausgangsspannung U_w geschieht in einblöckchen verringert wird, und zwar als Funktion fächer Weise durch Veränderung der Gleichspannung davon, daß jeweils der Phasenwinkel zwischen ²⁰ U₉ durch Phasenanschnitt im Gleichrichter 1 mittels Nulldurchgang des Wechselrichterausgangsstromes eines nicht dargestellten Steuergerätes. Bei konstant und dem nächstfolgenden Nulldurchgang der gehaltener Betriebsfrequenz und Ausgangsspannung U_w Wechselrichterausgangsspannung konstant geregelt stellt sich bei gegebener konstant gehaltener Belastung wird. durch einen den Induktor 18 enthaltenen Parallel-

²5 schwingkreis 16 mit konstantem Ohmschen Widerstand 13, konstanter Induktivität 12 und konstanter Kapazität 11 ein bestimmter Wert des vom Gleichrichter 1 gelieferten Gleichstromes I₉ ein. Wird nun bei der induktiven Erwärmung von Metallblöcken im

Für das induktive Erwärmen von Werkstücken ³° Vorschubverfahren bei weiterhin konstant gehaltener wurden bisher ausschließlich rotierende Mittelfrequenz- Betriebsfrequenz und Ausgangsspannung U_u der Inumformer eingesetzt. Der Generator speist einen ***«· ^Ζ·^Β· Jet Betaebsaufn^me, von den diesen Parallelschwingkreis, der aus einer Kondensator- Induktor durchlaufenden Metallblöckchen nach und batterie und aus einem Heizinduktor besteht. _Die-„ nachgefüllt so ergibt dies emedempwemgenFullungs-Kondensatorbatterie ist in einen fest angescMossenen ³⁵ f ^addes ¹⁰^P. ^ent _t ^sprf ^h™^de ^TI J?5 Z^ »Stamm« und in schaltbare Einheiten aufgeteilt. Mit ^des °j™^schen Widerstandes 13 und der Induktivität 12 Hilfe der schaltbaren Kondensatoreinheiten kann die ^df Schwingkreises 16, die zu einer Erhöhung des Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises so ab- Wertes des Gleichstromes/^ fuhren
gestimmt werden, daß sie mit der fest eingestellten ₄₀ Wenn man also, wie bei dem. Betrieb mit einem Betriebsfrequenz (Mittelfrequenz) des Generators ^rotierenden Umformer, die Ausgangsspannung U_w übereinstimmt. Bei dieser Betriebsweise gibt der ™^d _n ^df Betnebsfrequenzdes thyristorgesteuer en Generator nur Wirkleistung und keine Blindleistung Parallelschwmgkreiswechselrichters konstant gehalten an den Parallelschwingkreis ab. Insbesondere beim ^^erdf' ^so „erfordert ^ ^weS^e? ^der eintretenden Erwärmen ferromagnetischer Werkstücke von Raum- ₄₅ Gleichstromanderung|n eine nach eihge Uberdimentemperatur auf Temperaturen oberhalb des magne- ^S1°?™| des Gleichrichters. Welche Ausmaße die tischen Umwandlungspunktes (Curiepunkt) müisen eintretende Gleichstromerh^ohung dabei erreichen kann, wegen der hierbei abnehmenden Induktivität des wird nun an Hand der nachstehenden Gleichung fur 7, Heizinduktors während des Erwärmungsvorganges - ™<i e_ines Zahlenbeispieles erläutert.

laufend Kondensatoreneinheiten aus der Konden- 50 _π ι_ω \2_Ί / ft-—r^ =ϊ^

satorenbatterie zugeschaltet werden. Da aber der Er- Ig = —γ^ΙΙν,ω ei—-) T/SEl.^2+ |_^_j — 1 . regungsbedarf des Generators bei Zuschalten der 1\1 \^ωΙ \ ω \\^ωοI J

Kondensatoreinheiten unterschiedlich ist, wird bei (1)

konstantem Erregerstrom die abgegebene Mittel- . . Hierin ist .

frequenzspannung des Generators schwanken. Aus 55■■''" TJ_W ^ die Wechsekichterausgängsspannung,
diesem Grunde ist es .üblich,'diese Anlagen mit Cdie Schwingkreiskapazität, ■

einem Konstantspannungsregler'zu versehen, def den ω die Betriebsfreqüenz,.'

Erregerstrom für den Generator so einstellt; daß die ω₀ die Resonanzfrequenz, ·

Ausgangsspannung des-Generators konstant ist. Die J₀ die Schwingkreisdämpfung.

Mittelfreqiienzerwärmungsanlägen mit rotierenden 60

Umformern arbeiten' daher sowohl -^t konstanter Erhöht sich nun beim Entleeren des mit Metall-

Frequenz als auch mit konstanter Ausgangsspännüng. ."· blöckcheri 'gefüllten Jiiduktors 18 seine Induktivität 12 Auch sind in jüngster Zeit Erwärmungsanlagen mit beispielsweise um 20%, so^:';sinkt die Resonanzthyristorengesteuertem Schwingkreisumrichter be- fiequenz»_ö um 10%; also im Verhältnis von gefülltem kanntgeworden. Die Figur zeigt beispielsweise eine 65 zum entleertem induktprvl8,wie ,1:0,9. Ist das Ver-Schaltungsanordnung eines solchen Schwingkreis- ,..,. · „ . . , _x ""' '^, ,. ω

Umrichters. Die Wechselspannung der Netzphasen R, ^haltms ^von Betnebsfrequenz zu Resonanzfrequenz — S, T wird zunächst im Gleichrichterteil 1 in Gleich- angenommen 1,05, so steigt bei Konstanthaltung der