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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung der Stromrichterventile
von gleichstromseitig in Reihe geschalteten Parallelschwingkreiswechselrichtern
gemäß dem Oberbegriff
der nebengeordneten Ansprüche
1 und 6.
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Ein
solches Verfahren zur Ansteuerung der Stromrichterventile von gleichstromseitig
in Reihe geschalteten Parallelschwingkreiswechselrichtern ist sowohl
der
DE 42 09 645 A1 als
auch der
DE 44 03 078
A1 bekannt. Dort sind Anlagen beschrieben, bei denen zwei
oder mehr Parallelschwingkreiswechselrichter – die jeweils einem eigenen
Induktionsofen zugehörig
sind – aus
einer gemeinsamen Gleichstromquelle mit lediglich einem Gleichrichter
zur Umformung einer Netzwechselspannung in eine Gleichspannung gespeist
werden. Die momentan erzeugte Gleichrichterleistung entspricht der
Summe aller momentan verbrauchten Parallelschwingkreiswechselrichterleistungen.
Dabei ist es beispielsweise möglich,
die installierte Gleichrichterleistung nach der installierten Leistung
eines Parallelschwingkreiswechselrichters zu bemessen. Das hat den
Vorteil hoher Kosteneinsparungen im Vergleich zur konventionellen
Technik, bei der jeder Parallelschwingkreiswechselrichter einen
eigenen Gleichrichter mit auf den Parallelschwingkreiswechselrichter
abgestimmter Leistung benötigt.
Es ist möglich,
die momentan verbrauchten Parallel schwingkreiswechselrichterleistungen
stufenlos und unabhängig
voneinander einzustellen, wobei die Summe aller momentan benötigten Wechselrichterleistungen
selbstverständlich
nicht die installierte Gleichrichterleistung überschreiten darf.
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Aus
der
DE 36 07 125 C1 ist
eine Stromversorgungsanlage für
mehrere parallel an Sammelschienen anschließbare, eine Last bildende Parallelschwingkreise,
mit jeweils einem Induktor zum induktiven Erwärmen von Werkstücken bekannt,
wobei mehrere in Abhängigkeit
von der Leistungsaufnahme der Last Wechselstrom in die Sammelschienen
einspeisenden, zu- und abschaltbare Stromrichter vorgesehen sind.
Zum Starten eines dieser mehreren Parallelschwingkreise wird ein
eingeladener Startkondensator über
einen Thyristorschalter gelegt.
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Eine
vergleichbare Starteinrichtung für
einen Parallelschwingkreis-Umrichter mit mehreren eine Last bildenden
Parallelschwingkreisen zum induktiven Erwärmen von Werkstücken durch
die als Induktoren ausgebildeten Induktivitäten der Parallelschwingkreise
ist aus der
DE 35 12
491 C2 bekannt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ansteuerung
der Stromrichterventile von gleichstromseitig in Reihe geschalteten
Parallelschwingkreiswechselrichtern der eingangs genannten Art anzugeben,
das ein Abschalten und Zuschalten einzelner Parallelschwingkreise
während des
Betriebes ermöglicht,
ohne dass dabei vorher die weiteren Parallelschwingkreise abzuschalten
sind.
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Diese
Aufgabe wird bezüglich
des Abschaltens eines Schwingkreises in Verbindung mit den Merkmalen
des Oberbegriffs erfindungsgemäss durch
die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Diese
Aufgabe wird bezüglich
des Zuschaltens eines Schwingkreises in Verbindung mit den Merkmalen
des Oberbegriffs erfindungsgemäss durch
die im Kennzeichen des Anspruchs 6 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin,
dass bei der aus mindestens zwei gleichstromseitig in Reihe geschalteten
Parallelschwingkreiswechselrichtern bestehenden Anlage unterbrechungsfrei
einzelne Parallelschwingkreise ab- und zugeschaltet werden können, ohne
dass dabei in den Betrieb der weiteren Parallelschwingkreise in
störender
Weise eingegriffen werden muss. Gleichwohl kann in abgestimmter
Weise in den Betrieb der Gleichstromquelle und/oder in den Betrieb der
weiteren Parallelschwingkreise eingegriffen werden, um stets eine
optimale Ausnutzung und Betriebsführung der Anlage zu gewährleisten.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Anlage mit vier von einer Gleichstromquelle gespeisten Parallelschwingkreiswechselrichtern
mit Steuereinrichtung zur Leistungseinstellung und Leistungsaufteilung,
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2 einen über einen
Wechselrichter gespeisten Parallelschwingkreis.
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In 1 ist
eine Anlage mit vier von einer Gleichstromquelle gespeisten Parallelschwingkreiswechselrichtern
mit Steuereinrichtung zur Leistungseinstellung und Leistungsaufteilung
gezeigt. Es ist ein Gleichrichter 1 zu erkennen, der wechselspannungsseitig
an ein Drehstromnetz 2 angeschlossen ist und gleichstromseitig
einen Zwischenkreis mit Glättungsdrossel
Ld speist. Die Gleichspannung des Zwischenkreises
ist mit U bezeichnet, der Gleichstrom beträgt Id.
Zwischen positivem Pol 3 und negativem Pol 4 des
Zwischenkreises bzw. der Gleichstromquelle sind vier Parallelschwingkreiswechselrichter 5, 6, 7, 8 gleichstromseitig
in Reihe geschaltet.
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Der
Wechselrichter 5 speist einen aus einer Spule 9 eines
Induktionsofens sowie einem Kompensationskondensator C1 bestehenden
Parallelschwingkreis. In gleicher Weise versorgen die Wechselrichter 6 bzw. 7 bzw. 8 Parallelschwingkreise,
bestehend aus Spulen 10 bzw. 11 bzw. 12 von
Induktionsöfen
und Kompensationskondensatoren C2 bzw. C3 bzw. C4. Bei einer
Nennleistung von 100% je Parallelschwingkreiswechselrichter 5 bis 8 wird
der Gleichrichter 1 beispielsweise auf 200% dieser Leistung
ausgelegt, wobei dann beispielsweise zwei Induktionsöfen gleichzeitig
mit je 90% Nennleistung (Schmelzbetrieb) und zwei Induktionsöfen mit
je 10% Nennleistung (Warmhaltebetrieb) optimal betrieben werden
können.
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Zur
Steuerung/Regelung der Anlage dient eine Steuer- und Regeleinrichtung 13 inklusive
der Zündimpulsbildner
für die
Stromrichterventile der Wechselrichter und des Gleichrichters. Dieser
Steuer- und Regeleinrichtung 13 liegen eingangsseitig die einzustellenden
Leistungen P1, P2,
P3, P4 der einzelnen
Parallelschwingkreise bzw. Parallelschwingkreiswechselrichter und
damit der Spulen 9, 10, 11, 12 der
Induktionsöfen
an. Über
eine Strom erfassungseinrichtung 14 kann der im Zwischenkreis
fließende
Gleichstrom Id erfaßt und an die Steuer- und Regeleinrichtung 13 gemeldet
werden. Anstelle des Gleichstroms kann alternativ auch der Strom
auf der Wechselspannungsseite erfaßt werden. Ausgangsseitig steuert
die Steuer- und Regeleinrichtung 13 die Stromrichterventile
der Wechselrichter 5 bis 8 und des Gleichrichters 1 über entsprechende
Impulse an.
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Die
Steuer- und Regeleinrichtung 13 steuert darüberhinaus
auch Starteinrichtungen 15 bzw. 16 bzw. 17 bzw. 18 an,
die den einzelnen Wechselrichtern 5 bzw. 6 bzw. 7 bzw. 8 zugeordnet
sind.
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In 2 ist
beispielhaft ein über
einen Wechselrichter gespeister Parallelschwingkreis gezeigt. Es ist
der aus vier Stromrichterventilen T1 bis T4 bestehende Wechselrichter 5 zu
erkennen, wobei die Anoden der Ventile T1, T2 am positiven Pol des
Zwischenkreises und die Kathoden der Stromrichterventile T3 bzw.
T4 am Verbindungspunkt mit dem weiteren Wechselrichter 6 liegen.
Dieser Verbindungspunkt ist gleichzeitig der negative Pol für den Wechselrichter 5.
Der Verbindungspunkt der Kathode des Ventils T1 und der Anode des
Ventils T3 bildet den ersten Lastanschluß sowie der Verbindungspunkt
der Kathode des Ventils T2 und der Anode des Ventils T4 den zweiten
Lastanschluß.
Zwischen beiden Lastanschlüssen
ist der aus einem Kompensationskondensator C1 und
der Spule 9 des Induktionsofens bestehende Parallelschwingkreis
geschaltet, wobei eine Kommutierungsinduktivität LK1 zwischen einem Lastanschluß und dem
Parallelschwingkreis angeordnet ist. Der über die Kommutierungsinduktivität LK1 fließende Strom
ist mit IW1 bezeichnet. Die Spule 9 weist eine Induktivität L01 und
einen ohmschen Ersatz-Widerstand R01 auf. Die Spannung am Kompensationskondensator
ist mit UC1 bezeichnet.
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Parallel
zum Kompensationskondensator C1 ist die
Starteinrichtung 15 angeordnet, bestehend aus einem Start-Kondensator
CS, einem Ladekreis 19 für den Start-Kondensator CS
und einem Stromrichterventil TS. An den Anschlüssen des Kompensationskondensators
C1 liegen die Kathode des Ventils TS sowie
der freie, d. h. nicht mit der Anode des Ventils TS verbundene Anschluß des Kondensators
CS.
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In
gleicher Art und Weise wie unter
2 beschrieben,
sind auch die weiteren Wechselrichter mit Parallelschwingkreisen
der Anlage aufgebaut. Dabei wird in
1 lediglich
beispielhaft von einer Anlage mit vier in Reihe liegenden Wechselrichtern
mit Parallelschwingkreisen ausgegangen. Es sind auch Anlagen mit
zwei, drei, fünf
usw. in Reihen geschalteten Wechselrichtern einsetzbar. Zur Betriebsweise
der Anlage bzw. der einzelnen Wechselrichter wird auf die detaillierten
Ausführungen
gemäß
DE 42 09 645 A1 und
DE 44 03 078 A1 hingewiesen.
Allgemein für Parallelschwingkreiswechselrichter
gilt, daß durch Zünden von
jeweils zwei sich diagonal gegenüberliegenden
Stromrichterventilen eines Wechselrichters ein Stromfluß aus der
Gleichstromquelle über
den an diesem Wechselrichter angeschlossenen Parallelschwingkreis
eingestellt wird.
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Gemäß der
DE 42 09 645 A1 wird
ein Verfahren zur Ansteuerung der Stromrichterventile von zwei oder
mehr aus einer gemeinsamen Gleichstromquelle gespeisten, gleichstromseitig
in Reihe geschalteten lastgeführten
Parallelschwingkreiswechselrichtern vorgeschlagen, bei dem jeweils
zwei sich diagonal gegenüberliegende
Stromrichterventile eines Wechselrichters zeitverzögert gezündet werden,
so daß sich
kurzzeitig ein ”Kurzschlußstrom” über zwei direkt
in Serie liegende Stromrichterventile dieses Wechselrichters ergibt.
Die von jedem Parallelschwingkreis aufgenommene Leistung wird durch Variation
der Zeitverzögerung
bei der Zündung
von zwei sich diagonal gegenüberliegenden
Stromrichterventilen unabhängig
voneinander und stufenlos eingestellt.
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Gemäß der
DE 44 03 078 A1 wird
ein Verfahren zur Steuerung/Regelung der Stromrichterventile von
zwei oder mehr aus einer gemeinsamen Gleichstromquelle bzw. Gleichspannungsquelle
gespeisten, gleichstromseitig in Reihe geschalteten, lastgeführten Parallelschwingkreiswechselrichtern
vorgeschlagen, bei dem die Lastphasenwinkel der Parallelschwingkreiswechselrichter
derart eingestellt werden, daß einerseits
die beliebig vorgegebenen einzelnen Leistungen der Parallelschwingkreise
resultieren, wobei die maximal von der Gleichstromquelle bzw. Gleichspannungsquelle
abgebbare Leistung berücksichtigt
wird und daß anderer seits
das vorgegebene Verhältnis
zwischen den einzelnen Leistungen der Parallelschwingkreise erzielt
wird. In die Steuerung/Regelung der Gleichstromquelle (beispielsweise
bestehend aus Gleichspannungsquelle mit Drossel) wird erst dann
eingegriffen, wenn einer der einzustellenden Lastphasenwinkel des
Wechselrichters den insbesondere durch Ventilschonzeiten bedingten Minimalwert
erreicht, um dann den Gleichstrom (bzw. die Gleichspannung) zu reduzieren,
während
bei einzustellenden Lastphasenwinkeln des Wechselrichters über dem
Minimalwert die Gleichstromquelle bzw. Gleichspannungquelle voll
ausgesteuert betrieben wird.
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Soll
während
des Betriebes der Anlage der Parallelschwingkreis eines Wechselrichters
abgeschaltet werden, sind hierzu drei unterschiedliche Verfahrensvarianten
möglich,
die nachfolgend anhand von 2 erläutert werden.
Bei allen drei Varianten wird beispielhaft davon ausgegangen, daß kurz vor
dem Abschalten des Parallelschwingkreises ein Stromfluß über die
Ventile T1–T4
auftritt. Während
einer gewissen Zeitdauer wird dieser Stromfluß beibehalten, d. h. die Ventile
T2, T3 der weiteren Diagonale werden nicht gezündet, sondern die zuletzt leitenden
Ventile T1, T4 werden im leitenden Zustand belassen und es fließt ein Strom
IW1 über
die Ventile T1, T4 und den Parallelschwingkreis. Es ergeben sich
dabei mehrere gedämpfte
Schwingungen des Parallelschwingkreises (Dämpfung durch RO1), nach denen
sich die Spannung UC1 (Amplitudenwert) am Kompensationskondensator
C1, d. h. die Lastspannung des Wechselrichters
dem Wert 0 annähert.
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Es
ergeben sich zwei Möglichkeiten
zur Ermittlung des genauen Zeitpunktes ta,
zu dem sich die Lastspannung dem Wert 0 annähert, d. h. beispielsweise
auf ungefähr
1 ... 3% des Nennwertes abgefallen ist. Die erste Möglichkeit
besteht in der meßtechnischen
Erfassung der Lastspannung und im Vergleich dieser aktuellen Lastspannung
mit einem vorgegebenen Schwellwert. Die zweite Möglichkeit besteht in der Vorgabe
einer festen Zeitspanne, während
der sich die zwei diagonal gegenüberliegenden Stromrichterventile
im leitenden Zustand befinden müssen.
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Gemäß der ersten
Variante wird zum Zeitpunkt ta das Ventil
T3 gezündet,
wordurch sich nachfolgend ein Stromfluß über T1–T3 einstellt und der Strom über den
Lastkreis IW1 sowie der Stromfluß über T4 verlöschen. Gemäß der zweiten Verfahrensvariante
wird zum Zeitpunkt ta das Ventil T2 gezündet, wodurch
sich nachfolgend ein Stromfluß über T2–T4 einstellt
und der Strom IW1 sowie der Stromfluß über T1 verlöschen. Gemäß der dritten
Verfahrensvariante werden zum Zeitpunkt ta die
Ventile T2 und T3 gezündet,
wodurch sich nachfolgend Stromflüsse über T1–T3 und
T2–T4
einstellen und der Strom IW1 verlöscht.
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Die
dritte Verfahrensvariante ist besonders vorteilhaft, da sie den
Strom Id nach der Abschaltung des Lastkreises über zwei
parallele Ventilpfade aufteilt, wodurch jeder Ventilpfad lediglich
mit Id/2 belastet wird. Im Ergebnis ist
jedoch bei allen drei Varianten der Wechselrichter des abgeschalteten
Parallelschwingkreises kurzgeschlossen, während die weiteren seriengeschalteten
Parallelschwingkreiswechselrichter weiterhin in Betrieb sind. Dabei
spielt es selbstverständlich
keine Rolle, an welcher Stelle sich der abzuschaltende Parallelschwingkreis
innerhalb der Wechselrichter-Serienschaltung befindet.
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Des
weiteren ist es auch möglich,
beispielsweise zwei oder mehr Parallelschwingkreise gleichzeitig
oder gestaffelt abzuschalten, während
die weiteren Parallelschwingkreiswechselrichter der Anlage weiterhin
in Betrieb bleiben.
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Die
Abschaltung wird über
die Steuer- und Regeleinrichtung 13 bewirkt, indem die
Leistung des abzuschaltenden Parallelschwingkreises zu Null vorgegeben
wird. Dabei ist es insbesondere bei der Abschaltung von Parallelschwingkreisen
mit relativ hoher eingestellter Leistung wichtig, daß koordiniert
mit der Abschaltung auch eine Herabsetzung der vom Gleichrichter 1 abgegebenen
Leistung erfolgt, d. h. die Ventile des Gleichrichters werden mit
veränderten
Ansteuersignalen beaufschlagt, so daß der Gleichstrom Id (beispielsweise durch Reduktion der Gleichspannung
U) für
die Leistungsreduktion entsprechend herabgesetzt wird. Alternativ
hierzu ist es auch möglich,
bei der Abschaltung eines Parallelschwingkreises gleichzeitig die
Leistung der in Betrieb bleibenden Parallelschwingkreise in koordinierter
Weise über
die Steuer- und Regeleinrichtung 13 zu erhöhen, wodurch
eine Änderung
der Gleichrichterleistung entbehrlich wird. Letzteres ist insbesondere
dann sinnvoll, wenn der Gleichrichter vor der Abschaltung eines
Parallelschwingkreises bereits mit Nennleistung betrieben wurde
und eine Leistungserhöhung
der weiteren, in Betrieb bleibenden Parallelschwingkreise erwünscht ist.
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Auch
eine Zuschaltung eines abgeschalteten Parallelschwingkreises ist
während
des Betriebes der Anlage ohne Unterbrechung des Betriebes der weiteren
Schwingkreise möglich.
Zur Erläuterung
der Zuschaltung wird beispielhaft davon ausgegangen, daß vor dem
Zuschalten ein Stromfluß über die
Ventile T1–T3
des kurzgeschlossenen Wechselrichters auftritt. Des weiteren ist
vorauszusetzen, daß der Start-Kondensator
CS über
den Ladekreis
19 aufgeladen worden ist. In einem ersten
Verfahrensschritt der Zuschaltung steuert die Steuer- und Regeleinrichtung
13 das
Stromrichterventil TS an, so daß sich der
Kondensator CS auf den Kompensationskondensator C1 entlädt. Koordiniert
hierzu wird auch das Ventil T2 angesteuert und das Ventil T1 geht
in den sperrenden Zustand über.
Es ergibt sich ein Stromfluß über T2–T3 und
den Parallelschwingkreis (Strom IW1 über LK1). Entsprechend der
sich einstellenden Lastspannung UC1 am Kompensationskondensator C1
(Schwingung) erfolgt die Ansteuerung der Ventile T1–T4 bzw.
T2–T3
in der aus der
DE 42
09 645 A1 oder der
DE
44 03 078 A1 bekannten Art und Weise.
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Die
Zuschaltung kann in gleichwertiger Art bewirkt werden, wenn vor
dem Zuschalten ein Stromfluß über die
Ventile T2–T4
oder über
beide Ventilzweige T1–T3
und T2–T4
des kurzgeschlossenen Wechselrichters auftritt. Es ist wiederum
unbeachtlich, an welchen Stellen sich der zuzuschaltende Parallelschwingkreis
innerhalb der Wechselrichter-Serienschaltung befindet. Des weiteren
ist es auch möglich,
zwei oder mehr Parallelschwingkreise gleichzeitig oder gestaffelt
zuzuschalten, während
die weiteren Wechselrichter der Anlage unterbrechungsfrei in Betrieb
bleiben. Die Zuschaltung wird allgemein über die Steuer- und Regeleinrichtung 13 bewirkt,
indem die Leistung des zuzuschaltenden Parallelschwingkreises vorgegeben
wird. Dabei ist es insbesondere bei der Zuschaltung von Wechselrichtern
mit relativ hoher eingestellter Leistung wichtig, daß koordiniert mit
der Zuschaltung auch eine Heraufsetzung der vom Gleichrichter 1 abgegebenen
Leistung erfolgt, d. h. die Ventile des Gleichrichters werden durch
die Steuer- und Regeleinrichtung 13 mit veränderten
Ansteuersignalen beaufschlagt, so daß der Gleichstrom Id trotz der Zuschaltung von Wechselrichtern
auf konstantem Wert gehalten oder heraufgesetzt wird (beispielsweise
durch Erhöhung
der Gleichspannung U). Alternativ hierzu ist es auch möglich, bei
der Zuschaltung von Parallelschwingkreisen koordiniert die Leistung
von weiteren in Betrieb befindlichen Parallelschwingkreisen über die
Steuer- und Regeleinrichtung 13 herabzusetzen, wenn unmittelbar
vor der Zuschaltung beispielsweise der Gleichrichter 1 bereits mit
Nennleistung betrieben wurde und deshalb keine weitere Erhöhung der
Gleichrichterleistung mehr möglich
ist.