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Die Erfindung betrifft eine Hochleistung-Hochfrequenz-
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oszillatorschaltung, die eine Mehrzahl von SCR-Baugruppen und Mittel.
zur induktiven Hochfrequenzerwärmung umfaßt, Wie bekannt, ermöglichen SCR-Bauelemente
- innerhalb ihres Arbeitsbereiches - das Erreichen eines hohen Wirkungsgrades im
Schaltbetrieb. Jedoch ist die Ausgangsleistung dieser Bauelemente bei den Anwendungen
zur induktiven Er--wärmung, bei denen die Frequenz hohe Werte aufweisen muß, sehr
gering, Schon lange versucht man, die Kenngröße der SCR durch- Herabsetzung der
Freiwerdezeit T zu verbessern, q um eine höhere Betriebsfrequenz zu erzielen. Es
ist be-.kannt, daß je größer der Strom und die an den Thyristor angelegte Spannung
sind, desto größer T ist. Aus diesem q Grund ist es bis heute unmöglich gewesen,
Schmelzaniagen oder Hochleistung-Induktionsöfen mit einer Betriebsfrequenz höher
als 15 kHz zu realisieren, die notwendig ist, um eine Erwärmung durch induzierte
Wirbelströme zu erreichen, wie sich aus der Fachliteratur und den Veröffentlichungen~der
Hersteller sol-cher Anlagen ergibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanordnung mit
SCRs anzugeben, die es ermöglicht, den oben a'ngeführten~Grenzwert deutlich zu überschreiten.
Dabei geht die Erfindung von dem. Verfahren mehrerer parallel geschalteter, an der
Grenze der möglichen Leistungen betrieb-ener-Bauteile ab; eine Anordnung solcher
Art ermöglicht- keine auegeglichene Verteilung der Leistung unter den verschiedenen
parallelgeschaltenen Baugruppen wegen der unvermeidlicben Streuungen der (Ein- und
Aus-) Schaltzeiten der Th-yristoren.
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Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die SCR-Baugruppen
von einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung von in zyklischer Folge den einzelnen
Baugruppen nacheinander zugewiesenen Signalen gesteuert werden und an einen Lastkreis
angeschlossen sind.
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In einer Ausführungsform kann die Oszillatorschaltung einen Taktgeber
und eine Frequenzteiler- und Dekoder-Schaltung mit einer Anzahl von in einer Aufeinanderfolge
gesteuerten Ausgängen umfassen, die der Anzahl der SCR-Baugruppen gleich ist und
die an die jeweiligen Verknüpfungsschaltungen (Gatter) über passende Verstarker
angeschlossen sind.
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Die Schaltung kann Mittel zur Änderung der Frequenz der Steuerimpulse
und Mittel zur Anderung der Leistung der von diesen SCR-Baugruppen gesteuerten Last
umfassend Auf die Induktionswelle bezogen wird der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden
Impulsen größer gehalten, um die Überlappung der Einzelimpulsfolgen der Baugruppen
zu vermeiden.
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Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Erwärmung des eingesetzten
Gutes in Induktionsöfen.
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Die Erfindung wird anhand der Beschreibung zweier praktischer Ausführungsbeispiele
und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten
Schaltungsanordnung;
Fig. 2 die Diagramme der Impulse und der Leistungswellen
zu Fig. 1 im Zeitablauf; Fig. 3 und 4 gemäß Fig. i und 2 ein weiteres Ausführungsbeispielv
Die in Fig. 1 darg-estellte Schaltung sieht zwei SCR 1 und 2 - mit Thyristoren Tri
und Tr2, Verknüpfundsschaltungen -(Gatter) G1 und G2 und den Schutzmodulen Mi und
M2 - vor, welche durch einen einzigen, hauptsächlich aus einem Taktgeber 7 und einer
Schaltungsanordllung 9 mit Frequenzteilern und Dekodernein einwandfreier winkelbezogens
Reihenfolge, d.h. in einer vorgegebenen Phasenverschiebung gesteuert werden und
wechselweise und nacheinander auf den gleichen Lastkreis 5 wirken. Die zwei SCR
1 und 2 befinden sich also nacheinander abwechselnd und voneinander unabhängig in
Betrieb, so daß sie völlig ausgelastet sind und jeder von ihnen die maximale Leistung
abgibt, die seiner Grenzbelastbarkeit entspricht, was, wie oben erwähnt,- in Parallelschaltung
unmöglich sein würde, weil verschiedene Exemplare auch des gleichen Thyristor-Typs
unterschiedliche (Ein- und Aus-) Schaltzeiten aufweisen und die Folge davon ist,
daß unkontrollierbare Phasenverschiebungen auftreten. Im Schaltbild der Fig. 1 ist
mit 10 die Stromversorgung, mit 12 ein Strombegrenzer und mit 12 A der entsprechende
Steuermodul bezeichnet.
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Der Steuermodul, der den Taktgeber 7 einschließt, ist vom Benutzer
in einem bestimmten Frequenzbereich frequenzabst-immbar. Diese abgestimmte Frequenz
wird im folgenden "Pumpfrequenz" benannt um sie von der Resonanzfrequenz der Induktivität
des Lastkreises 5 zu unterscheiden.
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*) bestehenden Steuermodul
Die tPumpimpulse" werden
in den Frequenzteiler 9 eingegeben, der diese Impulse an einen Dekoder weiterleitet,
der eine Anzahl von Ausgängen hat, die der Anzahl der Thyristoren, die man steuern
muß, gleich ist; ihre Zahl ist im Schaltbild der Fig. 1 gleich zwei entsprechend
den beiden Thyristoren Trl und Tr2. Damit wird die Übertragung der aufeinanderfolgende
Taktimpulse des Taktgebers 7 an die beiden verschiedenen Ausgänge 9i' 92 des Dekoders
9 erhålten. Am Zeitpunkt to wird daher ein erster Impuls an den Teiler geleitet
werden, welcher an dem ersten Ausgang gi des Dekoders auftritt; der darauf folgende
Impuls wird am Ausgang 92 auftreten, ein dritter Impuls wieder am Ausgang 91 usw.
bis zum n-ten Impuls.
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Jeder Ausgang 91 und 92 ist mit einem Verstärker 141 und 142 verbunden,
der den Spannungs- und Strompegel der Steuersignale an die Pegel der Steuerel'ektroden
'1, G2 der jeweiligen Thyristoren Trl und Tr2 anpaßt.
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Durch diese Schaltanordnung erhält man an den Steuerelektroden (Gates)
Gi und G2 die in den Zeitdiagrammen A bzw. B der Fig, 2 dargestelltenImpulse, während
an den Klemmen der Induktivität der Last 5 eine Impulsfolge gemäß Diagramm C entsteht.
Diese Folge kann als eine Reihe von Impulsen angesehen werden, von welchen jeder
Block aus einer einzelnen Periode besteht, die aus den Gruppen i und 2 in Aufeinanderfolge
zusammengesetzt ist, und bei welcher der Zeitabstand zwischen aufeinander folgenden
Blöcken von der Periode der Pumpfrequenz OP des Taktgebers 7 bestimmt ist. Die Schwingfrequenz
der Lastinduktivität 5 ist durch die Gleichung
gegeben, Deshalb muß auch die Periode OP der Pumpfrequenz einen
Wert-beibehalten, der größer ist als der Wert r damit--die darauf folgende Überlappung
der Wellen vermieden wird-, wobei diese Bedingung für den einwandfreien Betrieb
der Schaltung nach der Erfindung grundsätzlich ist. Durch die Änderung der Frequenz
des Taktgebers 7 erhält -man- eine Änderung der Ausgangsleistung an dem Last--kreis
-5 o Eine weitere Ausführungsform-der Erfindung, die den Zweck hat,- eine -- auf
die beschriebene Schaltanordnung bezogen - doppelte Ausgangsleistung zu erhalten,
ist in Fig. 3 zusammen -mit de- entsprechenden Zeitdiagramm in Fig. 4 dargestellt.
Bei dieser Lösung sind vier mit i, 2, 3 und 4 gekennzeichnete SCR vorgesehen, und
die Zündung der SCR über die Stçeuere-lektroden (gastes) G1, G2, G3 und G4 der Thyristoren
Tr1, Tr2, Tr3 und Tr4 erfolgt zyklisch durch einen. Steuermodul mit vier Verstärkern
141 142, 143 und 144, die von dem Taktgeber 17 über einen aus Frequenzteiler und
Dekoder bestehenden Block 19, der dem Block 9 in Fig. --1 ähnlich ist, aber vier
Ausgänge hat, angesteuert werden. In diesem Fall ist die von der Schaltungsanordnung
erhaltene Ausgangsleistung vierfach so groß wie die, die bei-der höchsten Betriebsfrequenz
aus einem einzelnen SCR-Baust-ein zu erhalten wäre.
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Die Steuerschaltung sowie die Schutzschaltung derSCR sind mit allen
Bauteilen versehen, die den einwandfreien Betrieb der Baugruppen und deren Lebensdauer
auch bei sehwierigem und veränderbarem Betrieb absichern.
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Die Erfindung findet Anwendung auf verschiedenen Gebieten, u.a. insbesondere
- aber nicht ausschließlich - bei Induktionsöfen zum Erwärmen und zum Schmelzen,
die eine Schaltungsanordnung benutzen, die auf den aufgeführten Überlegungen beruht.
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Deshalb ist es gemäß der Erfindung möglich, eine Hochleistung-Hochfrequenzoszillatorschaltung
zur induktiven Erwärmung oder für Schmelzöfen zu realisieren, die aus einem Lastkreis
besteht, der von zwei oder mehr SCR gespeist wird, die wie beschrieben angeschlossen
sind und die mit den jeweiligen (zur Einfachheit ausgelassenen) Schutzschaltungen
versehen sind. Die Schaltungsanordnung wird durch zueinander in Beziehung stehende
und für die für die jeweilige Anwendung vorgesehene und berechnete Amplitude, Impulsbreite,
Frequenz und andere physikalische Vektoren voreingestellte Systeme gesteuert. Mit
einer Anzahl n von SCR, die wie oben geschaltet sind, ist es möglich, eine Ausgangsleistung
zu erreichen, die n-fach so groß ist wie die Ausgangsleistung, die von dem einzelnen
SCR-Baustein bei der höchsten Betriebs frequenz zu erhalten ist. Es ist also möglich,
mittlere und hohe Leistungen bei hohen Frequenzen mit Bauteilen für niedrigere Leistungen,
die deshalb schneller sind, zu erhalten.
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Eine t-ypische Anwendung einer solchen Oszillatorschaltung is-t die
Induktion elektromajtgnetischer Schwingungen und als deren Folge auftretender Wirbelströme
zur HF-Erhitzung und zum Schmelzen innerhalb der Lastinduktivität liegender Metalle.
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