DE2756773C3

DE2756773C3 - Thyristorwechselrichter für Induktionsheizung

Info

Publication number: DE2756773C3
Application number: DE19772756773
Authority: DE
Inventors: Ciro Di Prof. Dr.-Ing. Padua Pieri
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1977-12-20
Publication date: 1981-10-22
Also published as: DE2756773B2; DE2756773A1; IT1069949B

Description

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 Reihenschaltung eines Schaltthyristors 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 geschaltet ist. Die mit jedem Thyristor in Reihe zum Lastkreis liegenden Dioden beim 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 Laslkreis entladen. Der Lastkreis ist dabei gegenüber der Speisespannung durch die Induktorspule 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 z. B. 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 Thyristorwechsdrichtern 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 Kondensator= 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 Eigtnschaften des Lastkreices 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 des 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. I in ihrer Fig. la eine Thyristorwechselrichter-Schaltung nach dem Stand der Technik und in ihren Fi g. Ib bis Id das Strom- und Spannungsverhalten der Schaltung nach dem Stand der Technik;

F i g. 2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Thyristorwechselrichters mit 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 F i g. 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;

F i g. 5a, 5b und 5c Ausführungsform des Lastkreises eines erfindungsgemäßen Thyristorwechselrichters mit mittelbarem Anschluß der Induktorspule.

Zur Erläuterung wird unter Bezugnahme auf die F i g. 1 im folgenden ein Thyristorwechselrichter 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 Induktorspule 1 mit einem ohmschen Widerstand 2 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 Schaltind'iktivität 6 aufweist Parallel zu dem Lastkreis und dem Schaltglied, die zueinander in Reihe geschaltet sind, liegt ein Hilfskondensator 4, dessen Ladesp,annung bei einem ausreichenden Wert den Thyristor jeweils durchschaltet Der Hilfskondensator 4 wird über eine vorgeschaltete Spule 5 von einer Gleichspannungsqueke Vo geladen. Gegebenenfalls kann dem Hilfskondensator 4 auch noch ein weiterer Thyristor 7 vorgeschaltet sein.

Beim durchgeschalteten Thyristor 7 schließt durch die Induktionsspule 5 ein Strom h, während bei gesperrtem Thyristor 7 über diesen eine Spannung V₇ 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 F i g. 1 c und 1 d ist deutlich ersichtlich, daß am Hilfskondensator eine durch den Lastkreis bedingte negative Endspannung V₄₂ auftritt Der Wert der Spannung V,i hängt daher außer von der Dauer der auf den Lastkreis 1,2,3 einwirkenden Stromimpulse k 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 Ausgang^spannung entgegengesetzter Polarität auf, wenn der Thyristorwechselrichter in der Anlaufphase ist oder beim Erwärmen einzelner Magnetstahlstücke (im Falle des Härtens) d'i Curie-Temperatur im Übergang von der ferromagnetischen zur paramagnetischen Phase überschritten wird.

Diese Endladespannung bedingt Veränderungen der Aufladespannung V» 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 F i g. 1 dargestellt ist, ist erfindungsgemäß eine zum Hilfskondensator 4 parallel geschaltete Diode 9 vorgesehen. Der durch diese Diode 9 in Durchflußrichtung hindurchfließende Strom ist /9.

Ansonsten weist das in Fig.2 dargestellte Ausführungsbeispiel die gleichen Komponenten auf, wie ein Thyristorwechselrichter nach dem Stand der Technik, wie er unter Bezugnahme auf die F i g. 1 beschrieben worden ist.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Diode 9 bewirkt nun das folgende Schaltverhalten der Thyristorwechselrichter-Schaltung:

Die Thyristoren V₇ und V₈ werden ebenfalls wie beim bekannten Thyristorwechselrichter in den Nulldurchgängen der Spannung V_1n des Lastkreises 1, 2 und 3 durchgeschaltet, wobei die Durchschaltung des Hauptthyristors 8 bei positivem Nulldurchgang der Spannung Vm erfolgt, während die Durchschaltung des vorgeschalteten Thyristors 7 bei negativen Nulldurchgängen erfolgt.

Aus den Teüfiguren 2c und 2d ist deutlich der unterschiedliche Verlauf der Spannung V₄ am Hilfskondensator 4 und der Spannungen Vy bzw. Vj über die Thyristoren 7 bzw. 8 in Sperrstellung zu erkennen. Die bei dein Hilfskondensator des Thyristorwechselrichters nach dem Stand der Technik auftretende Gegenspannung V42 wird durch die Diode 9 vermieden, indem durch diese in ihrer Durchlaufrichtung ein Strom ig abfließen kann, so daß der Kondensator am Ende seines Endladevorgangs keine negative Gej?enspannung 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 V₄] 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 Entlastungsdiode 9 auch eine Überlast vermieden wird.

Bei der Ausführungsform nach der Fig.3 ist der vorgeschaltete Thyristor 7 der F i g. 2 fortgelassen worden.

Ansonsten stimmt die Ausführungsform 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 V_n, der Spannungen Vi23 am Lastkreis, V4 am Hilfskondensator, V₈ über den Thyristor und des Stromes ig über das aus Schaltinduktivität 6 und Schaltthyristor 8 bestehende Schaltglied. Auch hier wird durch die vorgesehene Diode 9 eine negative Gegenspannung am Kondensator 4 vermieden und damit das oben ausgeführte günstige Schaltverhalten erzielt.

Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform wird der Lastkreis nicht nur einmal in jeder Periode beim positiven Nulldurchgang der Lastkreisspannung durch den 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 Viound Vn bezeichnet sind, während bei Durchschaltung durch die Thyristoren 10 und 11 die Ströme /10 und /Ί1 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 vorteilhafte Schaltverhalten des erfindungsgemäßen Thyristorwechselrichters erreicht, wie es in der Bezugnahme auf die Fig. 2 beschrieben wurde.

ßei 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 seen, wie dies bei den Ausführungsformen nach der F i g. 5 gezeigt ist.

In Fig.5a ist die Induktorspule 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 F i g. 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 Induktorspule 1, 2 und dem Kondensator 3 gebildeten Lastkreis eine niedrigere bzw. höhere Spannung zu bedingen, als die an den Klemmen A und B verfügbare.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 Reihenschaltung eines Schaltthyristors 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, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode (9; 16, 17) unmittelbar an den Anschlüssen des Hilfskondensators (4; 14,15) angeschlossen ist

2. Thyristorwechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastkreis (1, 2, 3) über einen Spartransformator oder einen Transformator (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.