DE2756773B2 - Thyristorwechselrichter für Induktionsheizung - Google Patents
Thyristorwechselrichter für InduktionsheizungInfo
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Description
35
Die Erfindung betrifft einen Thyristorwechselrichter für Induktionsheizung, mit einem aus einer Induktorspule
und einem dazu parallel liegenden Kondensator bestehenden Lastkreis, mit mindestens einem mit dem
Lastkreis in Reihe geschalteten aus einer Reihenschal- «o
tung eines Schaitthyristors und einer Schaltinduktivität bestehenden Schaltglied, mit einem der Reihenschaltung
von Lastkreis und Schaltglied parallelgeschalteten Hilfskondensator, der über eine vorgeschaltete Spule an
der Gleichspannungsquelle liegt, und mit einer mit zur Ladespannung entgegengesetzten Polarität geschalteten
Diode.
Ein derartiger Thyristorwechselrichter ist in der US-PS 34 75 674 beschrieben. Bei dem dort in
Gegentaktausführung dargestellten Thyristorwechselrichter
wird der Lastkreis durch Thyristoren angesteuert, denen jeweils eine Diode mit zur Ladespannung
entgegengesetzter Polarität parallel geschalte! ist. Die mit jedem Thyristorwechselrichter nach der US-PS
34 75 674 dienen dazu, den jeweils zugeordneten Schaltthyristor zu schützen, indem sie in dessen
Sperrichtung einen Stromfluß zulassen.
Bei der Zündung des oder der Schaltthyristoren eines Thyristorwechselrichters wird ein Hilfskondensator in
den Lastkreis entladen. Der Lastkreis ist dabei ω gegenüber der Speisespannung durch die (nduklorspule
abgetrennt. Die bei dieser Entladung des Hilfskondensators abgegebene Energie ist abhängig von der
Kondensatorspannung vor und nach der Entladung. Die Anfangsspannung ist durch die Aufladespannung fest
vorgegeben, während sich als Endspannung eine Gegenspannung einstellen kann, deren Größe von den
Verhältnissen im Lastkreis, wie / I). von der Temperatur
abhängigen Permeabilität des. zu erwärmenden
Gutes, abhängig ist, da diese Änderung in den
Eigenschaften des Lastkreises auf die Ansteuerschaltung zurückwirken. Aus diesem Grunde ergibt sich bei
den bekannten Thyristorwechselrichtern der Nachteil das keine gleichmäßigen Energieimpulse an den
Lastkreis abgegeben werden.
Ein entsprechender Thyristorwechselrichter mit Schutzdioden für Schaltthyristoren ist ebenfalls in der
Literaturstelle »Elektrie« 23 (1969), S. 143 beschrieben.
In der FR-OS 21 56 478 ist ein nicht gattungsgemäßer
Thyristorwechselrichter beschrieben, bei dem impulsförmige Strömungen zur Speisung des Lastkreises
verwendet werden, wobei zur Erhöhung der maximal an dem Hilfskondensator anliegenden Spannung und damit
der Schaltspannung des Thyristors ein sich über mehrere Perioden des Lastkreises erstreckendes Aufladen
des Kondensators gewählt ist Für den Fall daß der Lastkreis dennoch in jeder Periode angestoßen werden
soll, können entsprechend mehrere Schaltthyristoren eingesetzt werden, die nacheinander geschaltet werden.
Auch bei diesem Thyristorwechselrichter ist eine veränderliche Gegenspannung vorhanden.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Thyristorwechselrichter der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, daß unter allen Umständen, insbesondere auch bei hohen Frequenzen,
unabhängig von Änderungen der Eigenschaften des Lastkreises gleichmäßige Energieimpulse an den Lastkreis
abgegeben werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Thyristorwechselrichter der gattungsgemäßen Art dadurch
gelöst, daß die Diode unmittelbar an den Anschlüssen des Hilfskondensators angeschlossen ist.
Erfindungsgemäß wird also durch die dem Hilfskondensator parallel geschaltete Diode ein Entstehen der
Gegenspannung zuverlässig verhindert, so daß die Endladespannung stets gleich null ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen (Ls Erfindungsgedankens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung
weiter erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen
Fig. 1 in ihrer Fig. la eine Thyristorwechselrichter-Schaltung
nach dem Stand der Technik und in ihren Fig. Ib bis Id das Strom- und Spannungsverhalten der
Schaltung nach dem Stand der Technik;
F i g. 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Thyristorwechselrichlers mil dem entsprechenden
Strom- und Spannungsverhalten in den F i g. 2b bis 2d;
Fig.3 eine andere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Thyristorwechselrichters unter Fortlassung eines Ladethyristors für den Hilfskondensator,
wobei in den Fig.3b bis 3d das Strom- und Spannungsverhalten dargestellt ist;
Fig.4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Thyristorwechselrichters mit ihrem Strom- und Spannungsverhalten in den F i g. 4b bis 4d;
Fig. 5a, 5b und 5c Ausführungsform des Lastkreises
eines erfindungsgemäßen Thyristorwechselrichtcrs mit mittelbarem Anschluß der Induktorspule.
Zur Erläuterung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 im folgenden ein Thyristorwechsdrichter nach
dem Stand der Technik und sein Strom- und Spannungsverhalten im einzelnen erklärt. Ein derartiger
bekannter Thyristorwechselrichter weist einen Lastkreis bzw. einen Induktionsheizkreis auf. der im
allgemeinen aus einer! imtoktorspule I mit einem
ohmschen Widerstand% und einem zu der induktorspule
parallel liegenden Kondensator 3 besteht. In Reihe zu
diesem Lastkreis 1,2,3 ist ein Schaltglied geschaltet, das
einen Schaltthyristor 8(und eine Schaltinduktivität 6 s
aufweist Parallel zu dem Lastkreis und dem Schaltglied, die zueinander in Reihe geschaltet sind, liegt ein
Hilfskondensator 4, dessen Ladespannung bei einem ausreichende^ Wert den Thyristor jeweils durchschallet
Der Hilfskondensator 4 wird über eine vorgeschal- to tete Spule 5 von einer Gleichspannungsquelle Ko
geladen. Gegebenenfalls kann dem Hilfskondensator 4 auch noch ein weiterer Thyristor 7 vorgeschaltet sein.
Beim durchgeschalteten Thyristor 7 schließt durch die Induktionsspule5 ein Strom h, während bei gesperrtem is
Thyristor 7 über diesen eine Spannung Vj abfällt Die Spannung am Hilfskondensator 4 ist V4. Strom und
Spannung über den Thyristor 8 sind bei Durchschaltung
bzw. Sperrung k bzw. Vs-
Die beschriebene Thyristorwechselrichter-Schaltung nach dem Stand der Technik zeigt das folgende Strom-
und Spannungsverhalten:
Aus den Fig. Ic und Id ist deutlich ersichtlich, daß am
Hilfskondensator eine durch den Lastkreis bedingte negative Endspannung V« auftritt. Der Wert der
Spannung V4| hängt daher außer von der Dauer der auf
den Lastkreis 1,2,3 einwirkenden Stromimpulse & auch
vom Wert der negativen Anfangsladespannung V42 ab.
die wiederum durch das Verhältnis von Induktivität und ohmschem Widerstand der Induktionsspule bestimmt
sind. Üblicherweise weist die Endladespannung des Hilfskondensators 4 einen Wert mit der Ausgangsspannung
entgegengesetzter Polarität auf, wenn der Thyristorwechselrichter in der Anlaufphase ist oder
beim Erwärmen einzelner Mignctstahlstücke (im Falle
des Härtens) die Curie-Temperatur im Übergang von der ferromagnetische!! zur paramagnetischen Phase
überschritten wird.
Diese Endladespannung bedingt Veränderungen der Aufladespi..inung V4 des Hilfskondensators 4, was
Schwankungen der übertragenden Energie und der Leistungsaufnahme mit einem Wert von 100% bedingen
kann.
Zur Vermeidung der genannten Nachteile dient der
Thyristorwechselrichter nach der F i g. 2, der im folgenden beschrieben wird. Gegenüber der Thyristorwechselrichter-Schaltung
nach dem Stand der Technik, die in Fig. 1 dargestellt ist, ist erfindungsgemiß eine
zum Hilfskondensator 4 parallel geschaltete Diode 9 vorgesehen. Der durch diese Diode 9 in Durchflußrichtung
hindurchfließende Strom ist *).
Ansonsten weist das in Fig.2 dargestellte Adsführungsbeispiel
die gleichen Komponenten auf, wie ein Thyristorwechselrichter nach dem Stand der Technik,
wie er unter Bezugnahme auf die Fig. 1 beschrieben worden ist.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Diode 9 bewirkt nun das folgende Schaltverhalten der Thyristorwechselrichter-Schaltung:
Die Thyristoren Vi und V8 werden ebenfalls wie beim w)
bekannten Thyristorwechselrichter in den Nulldurchgangen der Spannung V'm des Lastkreises 1, 2 und 3
durchgeschaltet, wobei die Durchschaltung des Hauptthyristors 8 bei positivem Nulldurchgang der Spannung
Vi2j erfolgt, während die Durchschaltung des vorgc Ί5
schalteten Thyristors 7 bei negativen Nulldurchgängen erfolgt.
unterschiedliche Verlauf der Spannung V!» am Hilfskondensator
4 und der Spannungen Vr bsw, Vg über die
Thyristoren 7 bzw. 8 in Sperrstellung zu erkennen. Die
bet dem Hilfskondensator des Thyristorwechselrichters nach dem Stand der Technik auftretende Gegenspannung
Vw wird durch die Diode 9 vermieden, indem durch diese in ihrer Durchlaufrichtung ein Strom k
abfließen kann, so daß der Kondensator am Ende seines Endladevorgangs keine negative Gegenspannung aufweist
sondern über ihn keinerlei Spannung abfällt, bis im nächsten Zyklus wieder eine positive Aufladespannung
aufgebaut wird. Dadurch weist der Hilfskondensator 4 in allen Zyklen immer den gleichen Wert seiner
Hilfsladespannung V41 auf und hat daher auch immer
jeweils eine konstante Energie gespeichert die ein Durchschalten des Thyristors 8 auf den Lastkreis
entladen wird.
Dies geschieht sowohl bei voller als auch bei Überlast so daß, selbst wenn im Lastkreis Frequenzänderungen
auftreten, durch die Entlastung?T.ode 9 auch eine
Überlast vermieden wird.
Bei der Ausführungsform nach der Fig.3 ist der
vorgeschaltete Thyristor 7 der Fig.2 fortgelassen worden.
Ansonsten stimmt die Ausführungsforni nach der
F i g. 3 mit der nach F i g. 2 überein, wobei insbesondere auch die zum Hilfskondensator 4 parallel geschaltete
Diode 9 vorgesehen ist.
Die Diagramme der F i g. 3b bis 3d zeigen den Verlauf
der angelegten Gleichspannung V0, der Spannungen
V;23 am Lastkreis, V4 am Hilfskondensator, Vg über den
Thyristor und des Stromes fe über das aus Schaltinduktivität
6 und Schaltthyristor 8 bestehende Schaltglied. Auch hier wird durch die vorgesehene Diode 9 eine
negative Gegenspannurvg am Kondensator 4 vermieden und damit das oben ausgeführte günstige Schaltverhalten
erzielt.
Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsfcrm wird
der Lastkreis nicht nur einmal in jeder Periode beim positiven Nulldurchgang der Lastkreisspannung durch
de·; Thyristor angestoßen, also von diesem mit Energie versorgt, sondern ebenfalls bei jedem negativen
Nulldurchgang durch einen Stromimpuls mit entgegengesetzter Stromrichtung.
In der Fig.4 sind statt einem Hilfskondensator zwei
Hilfskondensatoren 14 und 15 vorgesehen, zu denen jeweils eine Diode 16 und 17 parallel geschaltet ist.
Parallel zu jedem Hilfskondensator 14 bzw. 15 ist je ein Schaltglied bestehend aus einem Schaltthyristor 10 bzw.
11 und einer Schaltinduktivität 18 bzw. 19 geschaltet. Diese Ausgestaltung des Thyristorwechselrichters ist
durch einen Kondensator 12 sowie eine vorgeschaltete Spule 13 mit der Gleichspannungsquelle verbunden.
Über die Hilfskondensatoren 14 und 15 fallen die Spannungen Vu bzw. V15 ab, während die Spannungen
an den Thyristoren 10 und 11 mit Vio und Vn bezeichnet
sind, während bei Durchschaltung durch die Thyristoren 10 und 11 die Ströme /to und /π hindurchgehen. Auch bei
dieser Schaltung werden durch die zu den Hilfskondensatoren 14 und 15 parallelgeschalteten Dioden 16 und 17
negative Spannungen an den Hilfskondensatoren 14 und 15 vermieden und damit das vorteilhaft Schaltverhalten
des erfindungsgemäßen Thyristorwechselrichters erreicht, wie es in der Bezugnahme auf die F i g. 2
beschrieben wurde.
Bei den im Vorangehenden beschriebenen Ausführungsbeispielen des Thyristorwechselrichters ist die
Induktorspule 1 mit dem ihr zwangsläufig zugeordneten
ohmschen Widerstand 2 unmittelbar parallel zum Kondensator 3 geschaltet. Alternativ hierzu kann bei
der praktischen Ausführung je nach den Werten der Impedanz der Induktorspule und der Speisespannung
des Kondensators die Induktorspule auch mittelbar angeschlossen sein, wie dies bei den Ausführungsformen
nach der F i g. 5 gezeigt ist.
In F hg. 5a ist die Induklorspule 1 über einen
Spartransformator oder Transformator 24 mit kleinerer oder größerer Sekundärspannung als der zwischen den
Klemmen A-B bestehenden Primärspannung mit der
eigentlichen Thyristorschaltung verbunden.
In Fig. 5b ist zusätzlich zu den parallelgeschalteten
Kondensator 3 mit der Induktorspule 1, 2 ein Kondensator 25 in Reihe geschaltet.
In Fig. 5c ist demgegenüber zwischen den Anschlüssen
A-B ein Spartransformator oder Transformator 26 geschaltet, der entsprechend dem Verhältnis seiner
Primär- und Sekundärwicklungen im aus der Induklorspule I1 2 und dem Kondensator 3 gebildeten Lastkreis
eine niedrigere bzw. höhere Spannung zu bedingen, als die an der. Klemmen A und B verfügbare.
Claims (4)
- Patentansprüche;j, Tfcyristorwecbselricbter für Induktionsheizung, mit einem aus einer Induktorspule und einem dazu parallel liegenden Kondensator bestehenden Lastkreis, mit mindestens einem mit dem Lastkreis in Reihe geschalteten aus einer Reihenschaltung eines Schaltthyristors und einer Schaltinduktivität bestehenden Schaltglied, mit einem der Reihenschaltung von Lastkreis und Schaltglied parallelgeschalteten ι ο Hilfskondensator, der über eine vorgeschaltete Spule an der Gleichspannungsquelle liegt, und mit einer mit zur Ladespannung entgegengesetzten Polarität geschalteten Diode, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (9; 16, 17) is unmittelbar an den Anschlüssen des Hilfskondensator^ (4; 14,15) angeschlossen ist
- 2. Thyristorwechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastkreis (i, 2, 3) über einer;. Spartransformator oder einen Transfermater 26 in den Wechselrichter-eingeschaltet ist
- 3. Thyristorwechselrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren Thyristoren (10,11) jedem Thyristor (10 bzw. 11) ein Hilfskondensator (14 bzw. 15) mit Diode (16 bzw. 17) zugeordnet ist
- 4. Thyristorwechselrichter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Hilfskondensatoren (4; 14, 15) aus einem oder mehreren stufenweise einsetzbaren Kondensatoren bestehen.
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