DE2634667A1

DE2634667A1 - Leistungssteller

Info

Publication number: DE2634667A1
Application number: DE19762634667
Authority: DE
Inventors: George Havas
Original assignee: Ajax Magnethermic Corp
Current assignee: Park Ohio Holdings Inc
Priority date: 1975-08-04
Filing date: 1976-08-02
Publication date: 1977-02-17
Also published as: CA1067125A; US4037044A; JPS5219339A; GB1555366A; JPS5523433B2

Description

DIPL.-ING. HANS W. GROENING

PATENTANWALT

A 41-1

Ajax Magnethermic Corporation Warren/Ohio,USA

Leistungssteller

Die Erfindung betrifft einen Leistungssteiler, der besonders für Einphasen-Heiz- oder Schmelz-Induktionsöfen vorgesehen ist, die mit Netzfrequenz betreibbar sind.

Ein derartiger Leistungssteiler ist bereits bekannt (vgl. US-PS 3 821 456) .

Der erfindungsgemäße Leistungssteiler ist ebenfalls wie der bekannte insbesondere anwendbar bei Ofenlasten,deren Impedanz, und zwar sowohl ohmscher Widerstandswert als auch Reaktanz,stark während eines Arbeitstaktes schwanken.

Grundsätzlich ist es seit langem bekannt, antiparallel geschaltete gesteuerte Gleichrichterventile aus Silicium,im

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allgemeinen Thyristoren genannt, zur Leistungssteuerung von Einphasen-Lasten verschiedensten Aufbaus zu verwenden.

Ein größerer Nachteil eines derartigen Leistungsstellers ist jedoch, daß das Versorgungsnetz mit harmonischen (Oberwellen) oder subharmonischen Schwingungen gestört wird, falls keine Filterung erfolgt.

Der eingangs erwähnte bekannte Leistungssteiler (vgl. US-PS 3 821 456) für Induktionsöfen weist Kombinationen von Einheiten aus gesteuerten Halbleiter-Bauelementen auf, die in Reihe mit einer Kapazitanz liegen, um eine Leistungssteuerung frei von Harmonischen zu erzielen. Wenn jedoch dieser bekannte Leistungssteiler angewendet wird, um große elektrische Leistungen zu einer Heiz- oder Schmelz-Induktionsofen-Last zu steuern, können die in der besagten US-PS erwähnten Einschalt-Stromstöße bzw. Spannungsstoße hochfrequente Schwingungen verursachen, die die Verwendung zusätzlicher Schutzschaltungen oder eine geringere Belastung der Halbleiter-Bauelemente in einer Einheit erforderlich machen.

In diesem Zusammenhang ist auch darauf hinzuweisen, daß Kondensatoren, die einen größeren Kostenfaktor bei Leistungsstellern darstellen, normalerweise nur für eine Überspannung von nicht mehr als 5 bis 10% ausgelegt sind. Wenn man vorsorglich Kondensatoren mit einer Überspannungs-Auslegung von weiteren 1O% in den Leistungssteiler einbaut, erhöhen sich die Kondensatorkosten um ca. 20%. Ähnliche Überlegungen gelten für gesteuerte Gleichrichterventile bzw. Thyristoren, die ähnlich spannungsempfindlich sind und deren Preis sich auch nach der Spannungsbelastbarkeit richtet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Leistungssteller anzugeben, der eine lange Lebensdauer aufweist, einfach aufgebaut und betriebssicher ist, ferner sich wirtschaftlich fertigen läßt,insbesondere aber eine praktisch

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stufenlose Leistungseinstellung insbesondere für Induktionsöfen vornimmt, ohne daß auch ohne zusätzliche Filterung harmonische Schwingungen an das Versorgungsnetz abgegeben werden, vor allem aber eine Leistungseinstellung ohne Einschalt-Strom- bzw. -Spannungsstöße vornimmt.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden Einheiten verwendet, die Dioden-Gleichrichterventile aufweisen, die so geschaltet sind, daß sie Strom nur in einer Richtung leiten, und dazu parallel liegende gesteuerte Gleichrichterventile, die Strom nur in der entgegengesetzten Richtung leiten, sowie eine Kapazitanz in Reihe mit der Parallelschaltung, so daß Einschaltstromstöße vermieden werden.

Die Erfindung gibt also einen Spannungs- und Leistungssteller für einen Einphasen-Schmelz- oder -Heizinduktionsofen an, dessen Impedanz stark schwankt. Der erfindungsgemäße Leistungssteiler hat Dioden-Gleichrichterventile und gesteuerte Gleichrichterventile, die in Reihe mit einer Kapazitanz liegen, so daß eine stoß- und oberwellenfreie Leistungseinstellung erreicht wird.

Anhand der Zeichnungwird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Schaltbild des Leistungsstellers mit einem ersten und einem zweiten Zündsteuersatz zum Steuern der an einen Einphasen-Heiz- oder -Schmelz-Induktionsofen abzugebenden Leistung;

Fig. 2 eine Abwandlung des Leistungsstellers von Fig. 1, wobei der erste und der zweite Zündsteuersatz durch ein Phasenwinkel-Steuerglied bzw. ein Ofenleistungs-Steuerglied betätigt sind und eine wahlweise Reaktanz zwischen die Versorgungsleitungen geschaltet ist;

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Fig. 3 die Spannung V₁ an einer Einheit, die Anfangsspannung e an der Kapazitanz in der Einheit, einen Zündimpuls FP, den Strom durch das Dioden-Gleichrichterventil D., und den Strom durch das gesteuerte Gleichrichterventil T₁ im Zeitpunkt des Leitendwerdens des ausgewählten gesteuerten Gleichrichterventils und anschließend den · kontinuierlichen oberwellenfreien Wechselstrom-Fluß danach; und

Fig. 4 bis

6 einige weitere wahlweise Schaltungen, wie die Dioden-Gleichrichterventile und die gesteuerten Gleichrichterventile in eine Einheit zusammengeschaltet werden können.

Der Leistungssteller von Fig. 1 ist an einen Induktions-Heiz- oder -Schmelzofen 10 angeschlossen, der mit einem Pol 11 einer Einphasen-Netzfrequenz-Wechselstromversorgung verbunden ist. Der Leistungssteller für den Induktionsofen 10 weist auf: eine erste Gruppe, bestehend aus einer Kapazitanz C-, die ständig parallel zum Induktionsofen geschaltet ist, und einer Kapazitanz C₂, die bei Bedarf an die Induktionsofen-Last durch ein ausgewähltes Dioden-Gleichrichterventil D₁ und ein ausgewähltes gesteuertes Gleichrichterventil T₁ geschaltet werden kann; eine zweite Gruppe, bestehend aus einer Kapazitanz C_, die in Reihe zwischen den Induktionsofen 10 und den anderen Pol 12 des Versorgungsnetzes auf Wunsch durch ein ausgewähltes Dioden-Gleichrichterventil D₀ und ein ausgewähltes gesteuerters Gleichrichterventil T₂ gesteuert werden kann. Fig. 1 zeigt auch einen ersten und einen zweiten Zündsteuersatz 13 bzw. 14, die die Steuersignale zum Leitendmachen der gesteuerten Gleichrichterventile T₁ und T_ abgeben.

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Bei vielen Anwendungen von Induktions-Heiz- oder -Schmelzofen variiert deren Impedanz , wie sie von dem Leistungssteller gesehen wird, während eines Arbeitstaktes sehr stark. Die Steuerung der Größe der Betriebsspannungen, die an der Last , aber auch an der Kapazitanz und den Dioden-Gleichrichterventilen und den gesteuerten Gleichrichterventilen in der Schaltung auftreten, ist aus wirtschaftlichen und aus Sicherheitsgründen äußerst wichtig. Beim Betrieb werden die Kapazitanzen C₁ und C₂, die parallel zur Last 10 des Induktions-Heiz- oder -Schmelzofens liegen, zum Festlegen sicherer Betriebsbedingungen verwendet, bei denen der Leistungssteller betrieben werden kann. Sobald diese sicheren Betriebsbedingungen erreicht sind, kann eine praktisch stufenlose Steuerung der an die Induktionsofenlast abzugebenden Leistung erzielt werden,indem eine geeignet große Kapazitanz Co in Reihe zwischen die Netzleitung 12 und die Ofenlast geschaltet wird. Ein bevorzugter Betriebsbereich ist erreicht, wenn der Phasenwinkel zwischen den Spannungen V₁ und V₂ zwischen 120° und 150° bleibt.

Die praktische Erprobung der Erfindung hat ergeben, daß es sehr wünschenswert ist, die Systemspannungen innerhalb vorgegebener Grenzen zu halten, während die an die Last abzugebende Leistung automatisch geregelt wird.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der die Leistungssteller ein Phasenwinkel-Steuerglied 16 und ein Ofenleistungs-Steuerglied 15 zusätzlich gegenüber der Schaltung von Fig.1 hat.Das Phasenwinkel-Steuerglied 16 dient dazu, genau und automatisch einen konstanten Phasenv/inkel zwischen den Spannungen V und V₀ für eine Induktions-Heiz- oder -Schmelz-Last zu unterhalten, deren Impedanz während eines Arbeitstaktes schwankt,indem der Wert der parallel zur Last 10 geschalteten Kapazitanz C₂ eingestellt wird. Das Ofenleistungs-Steuerglied 15 hat die Funktion, genau und automatisch den Wert der Kapazitanz

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C_. einzustellen, die in Reihe zwischen der Netzleitung und der Induktionsofenlast 10 liegt, um die an die Last abgegebene Leistung zu regeln. Das eigentliche Einschalten der richtig bemessenen Größe der Kapazitanz C„ und C-. in den Stromkreis wird durch wahlweises Leitendmachen von neten gesteuerten Gleichrichter-Ventilen T₁ und T₂ vorgenommen .

Eine Reaktanz 17 kann zwischen den Einphasen-Wechselstromleitungen 11 und 12 liegen, um den von den Leitungen bei gesteuerter Betriebsart gezogenen kapazitiven bzw. voreilenden Strom zu verringern.

Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Kombination von Ventilen in einer Einheit sei die zeitliche Abhängigkeit der Spannung V., an einer ausgewählten Einheit betrachtet, ferner die Anfangsspannung e an der Kapazitanz C₂, der Strom I_D durch das Dioden-Gleichrichterventil D₁, der Strom I durch das gesteuerte Gleichrichterventil T₁ und die Zündimpulse FP bei Auslösen des Stromflusses und dessen Fortsetzung danach, wie aus Fig. 3 ersichtlich ist. Es ist zu beachten, daß, wenn die Einheit nicht leitet, die Anfangs Spannung e an der Kapazitanz C₀ auf dejrt maximalen Wert von V₁ durch das Dioden-Gleichrichterventil D₁ gehalten wird. Jedoch kann kein Wechselstrom durch die Einheit fließen, bis das gesteuerte Gleichrichterventil T leitend gemacht worden ist. Der Leitungszustand beginnt durch Leitendmachen des gesteuerten Gleichrichterelements T genau zu dem Zeitpunkt, wenn die Spannung V an der Einheit ihren maximalen Wert von gleicher Polarität wie die Anfangsspannung e _ an der Kapazitanz C₉ erreicht. Das Ergebnis ist ein völlig stoß- und oberwellenfreier Wechselstrom durch die Einheit i_m Zeitpunkt des Leitungsbeginns und danach.

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Es ist sehr wichtig, den Zeitpunkt des Aufsteuerns der gesteuerten Gleichrichterventile genau zu wählen, um stoß- und oberwellenfreie Ströme in der Einheit zu unterhalten. In der Praxis sind wegen der hohen Spannung und der hohen Ströme von Hochleistungs-Induktions-Heiz-^ oder -Schmelz-Öfen zum Erhöhen der Strom- und/oder Spannungsbelastbarkeit der Dioden-Gleichrichterventile und der gesteuerten Gleich^· richterventile in einer Einheit eine Reihen- und/oder Parallelschaltung der einzelnen Dioden-Gleichrichterventile und der gesteuerten Gleichrichterventile erforderlich. In den meisten praktischen Fällen ist es besonders wichtig, mehrere Dioden-Gleichrichterventile in Reihe und mehrere gesteuerte Gleichrichterventile in Reihe innerhalb jeder Einheit zu schalten.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Schaltung für eine verbesserte Kombination der Gleichrichterventile in einer Einheit. Zwei Dioden-Gleichrichterventile D.. sind in Reihe geschaltet, um Strom nur in einer Richtung zu leiten, und dazu liegt parallel die Reihenschaltung von zwei gesteuerten Gleichrichterventilen T^, die Strom nur in der entgegengesetzten Richtung leiten. In Reihe mit dieser Parallel-Kombination von reihengeschalteten Dioden-Gleichrichtern und reihengeschalteten gesteuerten Gleichrichtern liegt eine Kapazitanz C^, um eine Einheit zu bilden. Die Anzahl und die Größe der Dioden-Gleichrichterventile, die in Reihe zu einem Zweig geschaltet sind^nössennicht notwendigerweise gleich Anzahl und Größe der gesteuerten Gleichrichterventile sein, die in Reihe zu einem Zweig geschaltet sind und parallel zu den Dioden-Gleichrichterventilen liegen.

Fig, 5 zeigt eine weitere Abwandlung des Aufbaus einer Einheit. Zwei Dioden-Gleichrichterventile D. liegen in Reihe in einem Zweig und sind sämtlich so geschaltet, daß sie Strom nur in einer Richtung leiten. Parallel zu und an jedem der reihengeschalteten Dioden-Gleichrichterventile liegt ein gesteuertes Gleichrichterventil T₁, um Strom nur in

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entgegengesetzten Richtung zu leiten. Diese Kombination von Dioden^Gleichrichterventilen und gesteuerten Gleich*- richterventilen liegt in Reihe mit einer Kapazitanz C„, um eine Einheit zu bilden. Die Anzahl und die Größe der reihengeschalteten Dioden-Gleichrichterventile und gesteuerten Gleichrichterventile in einer Einheit ist eine Frage der Schaltungsauslegung.

Fig. 6 zeigt eine weitere mögliche Kombination des Aufbaus der Einheit,wobei eine Kapazitanz C₂ zwischen zwei Dioden·^ Gleichrichterventilen D₁ liegt. Jedes der Dioden~Gleichrichterventile ist so geschaltet, daß es Strom nur in einer Richtung leitet. Parallel zu jedem Dioden-Gleich~ richterventil liegt ein gesteuertes Gleichrichterventil, um Strom nur in eier entgegengesetzten Richtung zu leiten, um auf diese Weise eine Einheit zu bilden.,

Es sei darauf hingewiesen, daß alle Dioden^Gleichrichterventile innerhalb einer Einheit in jeder der oben erläuterten Figuren so geschaltet sind, daß sie Strom nur in einer Richtung leiten, während alle gesteuerten Gleichrichterventile innerhalb einer Einheit so geschaltet sind, daß sie Strom nur in der entgegengesetzten Richtung leiten.

Der Umstand, daß alle Dioden-Gleichrichterventile innerhalb einer Einheit so geschaltet sind, daß sie Strom nur in einer Richtung leiten, gewährleistet, daß die Anfangsspannung e bei Leitungsbeginn der ausgewählten gesteuerten Gleich-richter im wesentlichen denselben Betrag wie der maximale Wert der Wechselspannung V^ an der Einheit aufweist. Wenn man also in der Schaltung von Fig. 5 oder Fig. 6 die Richtung wechseln würde, in der die oberen Dioden-Gleich— richterventile und gesteuerten Gleichrichterventile innerhalb einer Einheit leiten, würde der von der Erfindung angestrebte stoßfreie Betrieb nicht durchführbar sein, weil die Anfangsspannung an der Kapazitanz nicht auf den maximalen Wert

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der Wechselspannung gehalten werden könnte, die an der Einheit im Zeitpunkt des Leitendmachens der Einheit erscheint. Der Betrieb einer derartigen Schaltung würde zu Einschalt-Strom- bzw. -Spannungsstoßen führen, wie sie beim Leitendmachen einer Einheit gemäß Fig. 3 der US-PS 3 821 456 auftreten .

Daher wird hier unter einer "Einheit" immer verstanden, daß sie Dioden-Gleichrichterventile, die Strom nur in einer Richtung leiten, und gesteuerte Gleichrichterventile parallel dazu, die Strom nur in der entgegengesetzten Richtung leiten, sowie eine damit in Reihe liegende Kapazitanz aufweist. Diese neue Kombination von Bauelementen zur Bildung jeder Einheit ermöglicht, daß der Leistungssteiler völlig frei von Einschalt-Strom- bzw. -Spannungsstößen arbeitet, wie der Signalverlauf in Fig. 3 zeigt, so daß eine bessere Nutzung der Halbleiter-Bauelemente in der Einheit oder den Einheiten möglich ist.

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Claims

Patentansprüche

Leistungssteller für einen Einphasen-Induktions-Schmelz- oder -Heizofen zum Betrieb aus einer Stromversorgung mit normaler Netzfrequenz, mit einer Kapazitanz und mit mindestens einer Gruppe von Einheiten aus einer Reihenschaltung von Kapazitanz und Halbleiter-Bauelementen,

wobei zu den Halbleiter-Bauelementen in jeder Einheit gesteuerte Gleichrichterventile gehören, die durch mindestens einen Zündsteuersatz zum Steuern des Übergangs jedes derartigen gesteuerten Gleichrichterventils vom gesperrten in den leitenden Zustand betätigt werden,

wobei vorzugsweise

ein Pol der Stromversorgung mit einem ersten Anschluß des Ofens verbunden ist;

die Kapzitanz und eine erste Gruppe von Einheiten sämtlich parallel zum Ofen geschaltet sind,

eine zweite Gruppe von Einheiten zwischen dem anderen Pol der Stromversorgung und dem zweiten Anschluß des Ofens mit ihren Einheiten parallelgeschaltet ist,

die gesteuerten Gleichrichterventile der ersten Gruppe durch einen ersten Zündsteuersatz bestätigt werden,sowie die Anzahl und Größe der Einheiten, die in der ersten Gruppe leiten, die Gesamtkapazitanz parallel zum Ofen und den Phasenwinkel zwischen der Ofenspannung und der Spannung an der zweiten Gruppe von Einheiten bestimmt, um den Bereich von an den Ofen abgebbarer Spannung und Leistung einzustellen,

die gesteuerten Gleichrichterventile der zweiten Gruppe durch einen zweiten Zündsteuersatz betätigt sind, sowie die Anzahl und Größe der Einheiten, die in der zweiten

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Gruppe leiten, die Gesamt-Kapazitanz, die effektiv zwischen dem anderen Pol der Stromversorgung und dem zweiten Ofenanschluß liegt, bestimmen ., um die an den Ofen innerhalb des durch die Einstellung des Phasenwinkels vorgewählten Bereichs abgegebene Spannung und Leistung zu steuern,

dadurch gekennzeichnet,

daß zu den Halbleiter-Bauelementen jeder Einheit auch Dioden-Gleichrichterventile (D ,D₂) gehören, die so geschaltet sind, daß sie Strom nur in einer Richtung leiten, und daß dazu parallel die gesteuerten Gleichrichterventile (T-,T₂) liegen, die so geschaltet sind, daß sie Strom nur in der entgegengesetzten Richtung leiten,
2. Leistungssteiler nach Anspruch 1, wobei die gesteuerten Gleichrichterventile innerhalb ihrer ausgewählten Einheit bei Bedarf zu einem bestimmten Zeitpunkt leitend gemacht werden und anschließend der leitende Zustand dieser Einheit kontinuierlich unterhalten wird, um einen oberwellenfreien Wechselstrom in dieser Einheit bis zu deren Entregung zu unterhalten, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitendmachen erfolgt, wenn die Spannung (V₁) an der Einheit ihr Maximum gleicher Polarität wie die der Spannung (e ) an der Kapazitanz (C₂) derselben Einheit vor dem Leitendmachen erreicht und daß so der kontinuierlich fließende Strom auch stoßfrei ist (Fig. 3).

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