DE4306999A1 - System zum Zuführen von elektrischer Leistung zu einem Induktionsofen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Zuführen von elektrischer Leistung zu einem Induktions­ ofen mit einer Wechselstromgeneratorvorrichtung, die eine von einer kommerziellen Leistungsquelle unabhängige Lei­ stungsquelle als exklusive Wechselstromleistungsquelle für einen Induktionsofen (oder eine Induktionsheizung), zu dem die erforderliche elektrische Heizleistung über dessen Ein­ phasenspule zugeführt wird, die als Einphasenlast bezüglich der Wechselstromleistungsquelle wirkt, umfaßt, wobei die Ausgangsspannung und die Frequenz der Wechselstromerzeu­ gungsvorrichtung kontinuierlich variabel gesteuert werden.

Als herkömmliche Leistungsversorgungssysteme für Induk­ tionsöfen sind Systeme des Typs, bei dem die erforderliche Heizleistung entsprechend den in den Fig. 4 und 6 gezeig­ ten Leistungszuführungsdiagrammen zugeführt wird, bekannt.

Das in Fig. 4 gezeigte System verwendet eine kommer­ zielle Leistungsquelle als Basisleistungsquelle und verwen­ det als zu der kommerziellen Leistungsquelle komplementäre Quelle einen Wechselstromgenerator, der von einer Antriebs­ maschine, wie etwa einem Dieselmotor angetrieben wird. Das in Fig. 5 gezeigte System verwendet die kommerzielle Lei­ stungsquelle als die einzige Leistungsquelle und, indem es bewirkt, daß ein von der kommerziellen Leistungsquelle ange­ triebener Motorgenerator als Frequenzwandler arbeitet, dient sie als die erforderliche Heizleistungsquelle und wird im allgemeinen für einen Hochfrequenzofen verwendet. Außerdem zeigt das in Fig. 6 gezeigte System einen von einer An­ triebsmaschine, wie die oben erwähnte, angetriebenen Wech­ selstromgenerator als die alleinige Leistungsquelle, in der eine Änderung in der erforderlichen Versorgungsspannung durch eine Änderung des Abgriffs eines in dem Hauptversor­ gungsschaltkreis montierten Transformators durchgeführt wird und bei der die Frequenz der Versorgungsspannung üblicher­ weise identisch mit der kommerziellen Frequenz ist oder bei der der Ausgang des Wechselspannungsgenerators gleichgerich­ tet und dann durch einen Inverter in einen Wechselstrom um­ gewandelt wird, der die erforderliche Spannung und Frequenz besitzt, um die Leistung zuzuführen.

Hiernach wird eine Beschreibung der Zeichnungen der Fig. 4 bis 6 gegeben. Es sollte festgestellt werden, daß Komponenten, die dieselbe Funktion haben, in den Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.

Zunächst bezeichnet in den Fig. 4A und 4B G₃ einen Dreiphasen-Wechselstromgenerator; E eine Antriebsmaschine, wie etwa einen Dieselmotor, zum Antreiben des Generators; CB_S1 und CBS₂ bezeichnen leistungsquellenseitige Schalter; CB_L1 bis CB_Ln (n = 1, 2, . . .) lastseitige Schalter; 10 be­ zeichnet die Induktionsofeneinrichtungen, die aus einem In­ duktionsofen und seiner mit ihm verbundenen Ausrüstung be­ stehen; und COS in Fig. 4B bezeichnet einen Umschalter zum Umschalten des Hauptleistungsversorgungsschaltkreises von der kommerziellen Leistungsquelle zum Dreiphasen-Wechsel­ stromgenerator.

Fig. 4A zeigt eine Basisschaltkreisanordnung, bei der der Schaltkreis so angeordnet ist, daß er einer Generator­ vorrichtung, die aus einer Antriebsmaschine E und dem Drei­ phasen-Wechselstromgenerator G₃ besteht, ermöglicht, paral­ lel zur kommerziellen Leistungsquelle zu arbeiten, und die zum Auffangen von Spitzen verwendet wird, wenn der Bezug von Leistung von der kommerziellen Quelle eingeschränkt ist. Fig. 4B zeigt eine Basisschaltkreisanordnung, in der die Ge­ neratorvorrichtung als Notleistungsquelle betrieben wird, um die von der kommerziellen Leistungsquelle durch den Umschal­ ter COS während eines Stromausfalls bei der kommerziellen Leistungsquelle getrennten Induktionsofeneinrichtungen mit Leistung zu versorgen. Bei beiden Zeichnungen wird die Gene­ ratorvorrichtung als zur kommerziellen Leistungsquelle kom­ plementäre Leistungsquelle verwendet.

Demzufolge ist die Ausgangsfrequenz der Generatorvor­ richtung identisch mit der der kommerziellen Leistungsver­ sorgung, und im Falle der Fig. 4A ist die Ausgangsleistung der Generatorvorrichtung kleiner als die Differenz zwischen der erforderlichen maximalen Leistung für die Gesamtlast einschließlich der Induktionsofeneinrichtungen 10 und der maximal bezogenen Leistung eingestellt. Im Falle der Fig. 4B ist die Ausgangsleistung der Generatorvorrichtung wie erfor­ derlich so eingestellt, daß als ihr Minimalwert, die Summe der verschiedenen Leistungserfordernisse zum Fortühren des Betriebs des Induktionsofens im Wärmehaltungszustand ist. In beiden Fällen ist die Ausgangsleistung der Generatorvorrich­ tung auf einen kleineren Wert eingestellt als die gesamte Leistung der zuvor erwähnten Lasten.

In Fig. 5 bezeichnet M einen Wechselstrommotor; G₁ einen von dem Motor angetriebenen Hochfrequenz-Einphasenwechsel­ stromgenerator; T_R1 einen Transformator; 7 eine Einphasen­ spule, die am Körper des Induktionsofens montiert ist, zum Anlegen von Heizleistung; C_P einen Leistungsfaktor-Verbesse­ rungskondensator für die Einphasenspule; und 11 Induktions­ ofeneinrichtungen, in denen die zuvor erwähnte Einphasen­ spule und die zuvor erwähnten, einzelnen dazugehörenden Lei­ stungszuführungselemente zusammengefaßt sind.

Fig. 5 zeigt ein Leistungsversorgungssystem für einen Induktionsofen, das die kommerzielle Leistungsquelle als seine ausschließliche Leistungsquelle verwendet und das all­ gemein für einen Hochfrequenzinduktionsofen verwendet wird. Der Motor M und der Generator G₁ bilden zusammen einen Mo­ torgenerator, der als Frequenzwandler hinsichtlich einer von der kommerziellen Leistungsquelle zugeführten Leistung funk­ tioniert. Es sollte festgestellt werden, daß hinsichtlich des Motorgenerators dessen Ausgangsspannung und Ausgangsfre­ quenz jeweils durch Einstellen der Erregung des Generators G₁ und durch Einstellen der Drehzahl des Motors M variabel gemacht werden. Zusätzlich wird seine Ausgangsleistung als ein Wert festgelegt, der in der Lage ist, die erforderliche maximale Leistung des Induktionsofens zuzuführen.

In Fig. 6A bezeichnen SW₁ und SW₂ Schalter für elektro­ magnetische Schaltschütze oder dergleichen; CLR bezeichnet einen Strombegrenzungswiderstand; T_R2 einen Transformator mit Abgriffen; CB und LB bezeichnen jeweils einen Kondensa­ tor und eine Reaktanz zum phasenausgleich; 12 bezeichnet In­ duktionsofeneinrichtungen, in denen die zuvor erwähnte Ein­ phasenspule 7 und die zuvor erwähnten, dazugehörenden Lei­ stungsversorgungselemente zusammengruppiert sind.

Fig. 6A zeigt eine Basisschaltkreiskonfiguration eines Leistungsversorgungssystems für einen Niederfrequenz-Induk­ tionsofen, der eine Generatorvorrichtung verwendet, die aus der Antriebsmaschine E und dem Dreiphasen-Wechselstromgene­ rator G₃ als ausschließliche Leistungsquelle besteht und de­ ren Frequenz im allgemeinen auf die 50/60 Hz der kommerziel­ len Frequenz eingestellt ist.

Es sollte festgestellt werden, daß der Kondensator CP zum Verbessern des Leistungsfaktors einfach parallel mit der Einphasenspule 7 verbunden ist und so gewählt ist, daß der kombinierte Leistungsfaktor der beiden Elemente auf 1 oder auf einen Wert nahe bei 1 eingestellt wird und daß die zu­ sammengesetzte Charakteristik als Widerstandselement dient. Die Parallelverbindung zwischen der Einphasenspule 7 und dem Kondensator C_p, die als Widerstandselement angeordnet ist, bildet zusammen mit dem phasenausgleichskondensator C_B und der Phasenausgleichsreaktanz L_B einen Phasenausgleichs-Gre­ bor-Schaltkreis zum Ausgleichen der Leistung der leistungs­ versorgungsseitigen Phasen für den Fall, daß Leistung von der Dreiphasenleistungsquelle der einphasigen, resistiven Last zugeführt wird. Zusätzlich werden für den Fall, daß der resistive Teil und der Leistungsfaktor der zuvor erwähnten Einphasenspule selbst sich entsprechend dem Lastzustand des zuvor erwähnten Induktionsofens geändert haben, um die Last zwischen den Phasen der Dreiphasen-Leistungsseite wie oben beschrieben auszugleichen, die jeweiligen Werte der Elemente C_p,C_B und L_B geändert und in Verbindung mit einer vorgege­ benen Beziehung durch die Kontrolle des Öffnens und Schlie­ ßens eines Schalters kontrolliert, der in Abhängigkeit von der Steuerung eines nicht gezeigten Leistungsfaktor- und phasenausgleichskontrollers arbeitet.

Zusätzlich ändert sich die erforderliche Heizleistung für den Induktionsofen, die über die Einphasenspule 7 einge­ geben wird, wesentlich in Abhängigkeit von dem Betriebszu­ stand des Induktionsofens, wie etwa der Heizung, dem Schmel­ zen und dem Wärmerückhalt. Die an die zuvor erwähnte Einpha­ senspule anzulegende Spannung wird durch Ändern der Abgriffe des Transformators T_R2 entsprechend einer Änderung der er­ forderlichen Leistung geändert, und der variable Spannungs­ bereich reicht zum Beispiel von 20 bis 100% der Nennspan­ nung.

Zusätzlich werden zur Kontrolle eines transienten Über­ stroms im Hauptschaltkreis während der Änderung der Trans­ formatorabgriffe das Einsetzen des Strombegrenzungswider­ stands CLR in den Hauptschaltkreis durch Schließen des Schalters SW₂ bei geöffnetem Schalter SW₁, das Kurzschließen des Strombegrenzungswiderstands durch Schließen von SW₁ nach Beendigung des Zustands des transienten Überstroms in dem Hauptschaltkreisstrom und das Anordnen des Strombegrenzungs­ widerstands in einen parallelen Aus-Zustand durch anschlie­ ßendes Öffnen von SW₂ in einer vorgegebenen Reihenfolge durchgeführt.

In Fig. 6B bezeichnet TR₃ einen Transformator für einen Gleichrichter; REC einen Gleichrichterschaltkreis, der aus einer Mehrzahl von Gleichrichterelementen besteht, die je­ weils einer Phasenkontrolle unterworfen sind, und der eine kontinuierlich variable Gleichspannung erzeugt; DCL bezeich­ net einen Gleichrichter zum Glätten; TR₄ bezeichnet einen Anpassungstransformator; CP bezeichnet einen Leistungsfak­ torverbesserungskondensator für die Einphasenspule 7; und 13 bezeichnet Induktionsofeneinrichtungen, in denen die zuvor erwähnte Einphasenspule 7 und die zuvor erwähnten, dazugehö­ renden Leistungsversorgungselement zusammengruppiert sind.

Fig. 6B zeigt ein Leistungsversorgungssystem, das eine aus einer Antriebsmaschine E und dem Dreiphasen-Wechsel­ stromgenerator G₃ als ausschließliche Leistungsquelle beste­ hende Generatorvorrichtung zeigt, bei der die dem Indukti­ onsofen zugeführte Leistung über einen Spannungstransforma­ torschaltkreis und einen Frequenzwandlerschaltkreis, deren Ausgänge jeweils selbst kontinuierlich variabel sind, konti­ nuierlich variabel ist. Das Leistungsversorgungssystem die­ ser Art wird allgemein für Hochfrequenzinduktionsöfen ver­ wendet.

Es sollte festgestellt werden, daß hinsichtlich seines Aufbaus das in Fig. 6B gezeigte Leistungsversorgungssystem äquivalent zu einer Konfiguration ist, in der der aus dem Motor M und dem Hochfrequenz-Einphasengenerator G₁ beste­ hende Motorgenerator in Fig. 5 durch einen Span­ nungs/Frequenzwandlerschaltkreis eines stationären Typs mit einem größerem variablen Ausgangsbereich ersetzt ist. Hin­ sichtlich der Anzahl der Phasen für die Versorgungsspannung sind entweder drei Phasen oder eine einzige Phase verwend­ bar.

In dem Induktionsofen ist es im allgemeinen erforder­ lich, daß der variable Bereich für die erforderliche Heiz­ leistung im Hinblick auf die Verschiedenheit der Betriebszu­ stände sehr ausgedehnt ist; es ist daher wünschenswert, daß die Spannung und Frequenz der dem Induktionsofen zugeführten elektrischen Leistung so kontrolliert werden, daß sie über einen weiten Bereich stetig veränderbar sind.

Jedoch besitzen die verschiedenen, herkömmlichen Lei­ stungsversorgungssysteme für Induktionsöfen, wie die oben beschriebenen, die folgenden Probleme.

Zunächst sind hinsichtlich der in den Fig. 4A und 4B gezeigten Leistungsversorgungssysteme die davon abhängigen Induktionsöfen auf einen Niederfrequenzbereich, in dem die kommerzielle Frequenz liegt, beschränkt. Zusätzlich wird, was ein dem Problem des in Fig. 6A gezeigten Leistungsver­ sorgungssytems ähnliches Problem ist, wenn die Konfiguration der in den Fig. 4A und 4B gezeigten Induktionsofenein­ richtungen 12 ähnlich denen der Fig. 6A sind, die Änderung der Heizleistung für den Induktionsofen in Stufen durch Än­ derung der Abgriffe des Transformators T_R2 durchgeführt, so daß der minimale Änderungsbetrag für die Heizleistung natür­ lich eingeschränkt ist.

Zusätzlich dient der Induktionsofen als eine einphasige Last hinsichtlich seiner Leistungsquelle, und in einem Fall, in dem die Leistungsquelle eine Dreiphasen-Wechselstrom­ quelle ist, ist das Bereitstellen einer Phasenausgleichsvor­ richtung notwendig, um das Erzeugen einer negativen Phasen­ sequenzkomponente zu unterdrücken, die aus einer unausgegli­ chenen Interphasenlast aufgrund der Zuführung von Leistung zu einer einphasigen Last resultiert. Aus diesem Grund wird folgendes notwendig: der Leistungsfaktorverbesserungskonden­ sator C_P mit einer großen Kapazität zum Korrigieren des nachhinkenden Leistungsfaktors der Einphasenspule 7 mit ei­ nem niedrigen Leistungsfaktor; der Kondensator C_B und die Reaktanz L_B zum Phasenausgleich; eine Mehrzahl von Schaltern und einen Schaltkontroller für die Schalter, um die zuvor erwähnten Elemente C_P, C_B und L_B kontinuierlich entsprechend einer vorgegebenen Beziehung variabel zu machen, wobei diese Elemente in Wirklichkeit in schrittweisen Kombinationen ih­ rer Einheitsbeträge in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Induktionsofens angeordnet sind. Daher ist die Konfiguration des Leistungsversorgungssystem komplex und umfangreich.

Darüber hinaus wird, da das Öffnen und Schließen des Hauptschaltkreises zum Transformieren der Versorgungsspan­ nung mittels des Transformators T_R2 hinsichtlich des Lei­ stungsversorgungssystem mit Kondensatoren hoher Kapazität wie etwa C_P und C_B durchgeführt wird, der Stromstoß in den Hauptschaltkreis während des Schließens des Hauptschaltkrei­ ses in einem Zustand, in dem keine Maßnahmen unternommen werden, sehr groß, d. h. 15- bis 18mal größer als der Nenn­ strom. Daher ist es zu Kontrolle dieses Überstromes notwen­ dig, eine Überstromkontrollvorrichtung vorzusehen, die aus den Schaltern SW₁ und SW₂, dem Strombegrenzungswiderstand CLR und dergleichen besteht, wie in Fig. 6A gezeigt. Gleich­ zeitig muß hinsichtlich der Leistung des Dreiphasen-Wechsel­ stromgenerators G₃ zum Verringern des Spannungsabfalls auf­ grund des Überstroms nach der Kontrolle und zum Absorbieren der negativen Phasensequenzkomponente aufgrund der Restkom­ ponente der unausgeglichenen Interphasenlast, ein Wert der zum Beispiel 1,5mal die seiner erforderlichen Lastleistung entspricht als Nennleistung eingestellt werden. Demzufolge wird der Wechselstromgenerator groß und die Konfiguration des Leistungsversorgungssystems wird noch komplexer.

Die Konfiguration des in Fig. 5 gezeigten Leistungsver­ sorgungssystems ist, da der Einphasen-Wechselstromgenerator G₁ für den Induktionsofen verwendet wird, der eine einpha­ sige Last ist, sehr vereinfacht, aber die Größe des Genera­ tors ist sehr groß verglichen mit einem Dreiphasen-Wechsel­ stromgenerator der gleichen Leistung. Daher ist der Genera­ tor mit einer Leistung, die ausreichend ist, die für den In­ duktionsofen erforderliche Leistung zu bringen, sehr unöko­ nomisch. Zusätzlich verwendet das Leistungsversorgungssystem im wesentlichen die zuvor erwähnte kommerzielle Leistungs­ quelle als ausschließliche Leistungsquelle, so daß sein Be­ trieb während eines Stromausfalls in der öffentlichen Lei­ stungsquelle unmöglich ist.

Weiterhin ist bei dem in Fig. 6B gezeigten Leistungsver­ sorgungssystem, auch wenn seine Funktionsweise ausgeklügelt ist, die Systemkonfiguration kompliziert. Es ist zusätzlich zum Verhindern des Übersprechens von von dem Wandler des stationären Typs erzeugten Harmonischen auf die Leistungs­ quellenseite notwendig, ein nicht gezeigtes harmonisches Filter in einer wirkungsvollen Position, wie etwa am Ein­ gangsanschluß der Induktionsofeneinrichtungen 13 anzuordnen. Außerdem ist es bei dem Dreiphasen-Wechselstromgenerator G₃ notwendig, seine Leistung soweit zu erhöhen, daß er die Ab­ sorption der äquivalenten negativen Phasensequenzkomponente aufgrund der zuvor erwähnten Harmonischen hinsichtlich der erforderlichen Lastleistung ermöglicht. Daher ist es unver­ meidlich, daß der Generator groß ausfällt.

Wie oben beschrieben, gibt es unter den jeweiligen her­ kömmlichen Systemen zur Leistungsversorgung eines Indukti­ onsofens keine optimalen Systeme in der Kombination von Größe, dem erforderlichen Installationsraum, Preis, und der­ gleichen in Abhängigkeit von ihren Funktionen und der Konfi­ guration des Leistungsversorgungssystems, und diese Systeme hatten den einen oder anderen Nachteil.

Im Hinblick auf die vorstehende Beschreibung ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungsversor­ gungssystem für einen Induktionsofen zur Verfügung zu stel­ len, das es ermöglicht, die Konfiguration des Leistungsver­ sorgungssystems zu vereinfachen und seine Kosten zu reduzie­ ren, indem eine Leistungsquelle zur ausschließlichen Verwen­ dung als Generatorvorrichtung verwendet wird, in der ein Wechselstromgenerator mittels eines Dieselmotors oder der­ gleichen als Antriebsmaschine angetrieben wird, und das es ermöglicht, die Einrichtungen ohne eine Zunahme der Lei­ stungsabnahme durch den Benutzer zu verstärken.

Diese und weitere Aufgaben werden durch das in den bei­ gefügten Patentansprüchen definierte Leistungsversorgungssy­ stem gelöst.

Insbesondere ist zum Lösen der obenstehenden Aufgabe das Leistungsversorgungssystem für einen Induktionsofen entspre­ chend der vorliegenden Erfindung ein Leistungsversorgungssy­ stem für einen Induktionsofen zum Zuführen der erforderli­ chen Leistung zum Erhitzen eines Metalls im Körper eines In­ duktionsofens über eine in dem Körper des Induktionsofens montierte Einphasenspule, wobei eine Generatorvorrichtung, die aus einer Antriebsmaschine, wie etwa einem Dieselmotor, und einem Wechselstromgenerator, der von der Antriebsma­ schine angetrieben wird, besteht, als ausschließliche Lei­ stungsquelle unabhängig von einer kommerziellen Leistungs­ quelle verwendet wird und eine Wechselspannung mit einer der Heizleistung entsprechenden, vorgegebenen Spannung und Fre­ quenz direkt der Einphasenspule zugeführt wird. Gleichzeitig wird die der Einphasenspule zuzuführende Spannung durch einen Spannungsregulator für den Wechselstromgenerator kon­ tinuierlich variabel gemacht und die Frequenz der zuzufüh­ renden Spannung wird durch einen Geschwindigkeitsregulator für die Antriebsmaschine kontinuierlich variabel gemacht. Außerdem werden die zuzuführende Spannung und deren Frequenz durch den Spannungsregulator und den Geschwindigkeitsregula­ tor entsprechend vorgegebener, wechselseitiger Beziehungen variabel gemacht. Zusätzlich werden bei Beginn der Lei­ stungszufuhr zur Einphasenspule die zuzuführende Spannung und deren Frequenz mit Gradienten für eine vorgegebene Zeit­ dauer von ihren vorgegebenen Minimalwerten zu ihren Nennwer­ ten entsprechend den vorgegebenen, wechselseitigen Beziehun­ gen gesteigert. Weiterhin wird für den Fall, daß der Wech­ selstromgenerator ein Dreiphasengenerator ist, der Betrag des negativen Phasenwiderstands des Generators zu einem Wert gemacht, der einem Zustand des maximalen Lastungleichge­ wichts bei der Kontrolle der drei Phasen entspricht.

Wie oben beschrieben, ist beim Betrieb eines Induktions­ ofens eine geeignete Steuerung der Änderung der zuzuführen­ den Spannung und deren Frequenz notwendig zum Ändern der entsprechend des Betriebszustandes zuzuführenden Leistung.

Zum Erfüllen dieses Erfordernisses werden in den oben beschriebenen Leistungsverorgungssystemen für Induktionsöfen sowohl in dem Fall, in dem eine kommerzielle Leistungsquelle für die Leistungsversorgung des Induktionsofens verwendet, als auch in dem Fall, in dem eine Generatorvorrichtung, in der ein Wechselstromgenerator von einer Antriebsmaschine, wie etwa einem Dieselmotor angetrieben wird, als solche ver­ wendet wird, verschiedene Spannungswandlervorrichtungen und Frequenzwandlervorrichtungen verwendet unter der Annahme, daß die leistungsquellenseitige Spannung und deren Frequenz beide auf dem kommerziellen Spannungs- und Frequenzwert festliegen. Daher führte die Verwendung dieser beiden Vor­ richtungen zu verschiedenen Problemen. In der vorliegenden Erfindung ist die oben beschriebene Generatorvorrichtung mit der Antriebsmaschine zur ausschließlichen Verwendung als Leistungsquelle zum Versorgen des Induktionsofens mit Lei­ stung vorgesehen, und die zuzuführende Spannung und deren Frequenz werden jeweils auf der Generatorseite durch Ein­ stellen der Erregung des Wechselstromgenerators und durch Einstellen der Drehzahl der Antriebsmaschine kontinuierlich variabel gemacht. Demzufolge sind die Spannungstransforma­ torvorrichtungen und die Frequenzwandlervorrichtungen in den herkömmlichen Leistungsversorgungssystemen für Induktionsö­ fen nicht notwendig. Gleichzeitig ist auch die Verwendung eines harmonischen Filters zum Verhindern des Übersprechens von Harmonischen nicht notwendig.

Fig. 1 ist ein Diagramm eines elektrischen Leistungsver­ sorgungssystems für einen Induktionsofen, das ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 2 ist ein Diagramm eines elektrischen Leistungsver­ sorgungssystems für einen Induktionsofen, das ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 3 ist ein Diagramm der Ausgangsspannung als Funk­ tion der Frequenz für einen Wechselstromgenerator.

Fig. 4 ist ein Diagramm eines elektrischen Leistungsver­ sorgungssystems für einen lnduktionsofen, das ein erstes Ausführungsbeispiel des Standes der Technik zeigt.

Fig. 5 ist ein Diagramm eines elektrischen Leistungsver­ sorgungssystems für einen Induktionsofen, das ein zweites Ausführungsbeispiel des Standes der Technik zeigt.

Fig. 6 ist ein Diagramm eines elektrischen Leistungsver­ sorgungssystems für einen Induktionsofen, das ein drittes Ausführungsbeispiel des Standes der Technik zeigt.

Hiernach folgt eine Beschreibung eines und zweiten Aus­ führungsbeispieles der vorliegenden Erfindung unter Bezug­ nahme auf die jeweils in den Fig. 1 und 2 gezeigten Dia­ gramme der Leistungsversorgungssysteme. Zusätzlich zeigt Fig. 3 ein Diagramm der Ausgangsspannungscharakteristik als Funktion der Ausgangsfrequenzcharakteristik eines Wechsel­ stromgenerators in der oben erwähnten Generatorvorrichtung. Es ist festzustellen, daß in den Fig. 1 und 2 Komponenten mit Funktionen, die denen in den Ausführungsbeispielen des Standes der Technik der Fig. 4 bis 6 identisch sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.

Zunächst bezeichnet in Fig. 1 das Bezugszeichen 1 eine Antriebsmaschine, wie etwa einen Dieselmotor; 2 bezeichnet einen synchronen Dreiphasen-Wechselstromgenerator, der von der Antriebsmaschine angetrieben wird; 1a bezeichnet einen automatischen Frequenzregulator zur automatischen Regelung der Drehgeschwindigkeit der Antriebsmaschine, die in einer bestimmten Beziehung zur Ausgangsfrequenz f des Generators entsprechend einem eingestellten Wert f_s dieser Ausgangsfre­ quenz steht; 2a bezeichnet einen automatischen Spannungsre­ gulator zum automatischen Regulieren der Ausgangsspannung V des zuvor erwähnten Generators 2 entsprechend einem einge­ stellten Wert V_s durch Einstellen der Erregung des Genera­ tors 2; 4 bezeichnet einen Schalter; 5 bezeichnet einen Pha­ senausgleicher, der aus einem Kondensator C_B und einer Reak­ tanz L_B zum Phasenausgleich und aus einer Mehrzahl von nicht gezeigten Schaltern zum Ändern der Kapazitäten der beiden Elemente C_B und L_B besteht; 7 bezeichnet eine Einphasenspule zum Erzeugen von Wärme, die auf dem Körper des Induktions­ ofens montiert ist; und 6 bezeichnet eine Leistungsfak­ toreinstellvorrichtung, die aus einem Kondensator C_P zum Verbessern des Leistungsfaktors der Einphasenspule und aus einer Mehrzahl von nicht gezeigten Schaltern zum Ändern von dessen Kapazität besteht.

Es ist festzustellen, daß der kombinierte Leistungsfak­ tor der Parallelschaltung des Kondensators C_p und der Ein­ phasenspule 7 konstant durch den Leistungsfaktorregulator auf ungefähr 1 geregelt wird, unabhängig von Fluktuationen in dem Leistungsfaktor der Einphasenspule, der selbst von dem Betriebszustand des Induktionsofens abhängt, so daß die resultierende Charakteristik der Parallelverbindung so ein­ gerichtet ist, daß sie als ein äquivalenter Widerstand ar­ beitet. Somit wird ein dreiphasiger Lastausgleichs-Grebor­ schaltkreis, so wie er oben beschrieben wurde, durch die drei Elemente einschließlich der zuvor erwähnten Parallel­ schaltung, die als äquivalenter Widerstand eingestellt ist, und der Elemente C_B und L_B, deren Werte in einem vorgegebe­ nen Verhältnis mit einem äquivalenten Widerstandswert der Parallelverbindung bestimmt werden, gebildet.

Wie in Fig. 1 gezeigt, werden die Spannung der der Ein­ phasenspule 7 zugeführten Leistung sowie deren Frequenz, die in Abhängigkeit von der erforderlichen Heizleistung des In­ duktionsofens bestimmt werden, auf der Generatorseite, die als Leistungsquelle für den Induktionsofen dient, mittels des zuvor erwähnten automatischen Spannungsregulators 2a und des automatischen Frequenzregulators 1a kontinuierlich gere­ gelt. Demzufolge wird der Vorgang der Veränderung der Trans­ formatorabgriffe zum Ändern der Versorgungsspannung wie im Stande der Technik unnötig, und das Auftreten eines Über­ stromzustandes im Hauptschaltkreis, das aus dem Abgriffände­ rungsvorgang resultiert, kann vermieden werden. Daher ist ein sehr stetiger Änderungsvorgang für die Heizleistung des Induktionsofens möglich. Zusätzlich werden die Spannungs­ transformatorvorrichtungen, die aus dem Transformator, sei­ nem Abgriffänderungsvorgang und dergleichen bestehen, und die Frequenzänderungsvorrichtungen überflüssig, und die Größe des Wechselstromgenerators kann reduziert werden. Also ist es möglich, die Konfiguration des Leistungsversorgungs­ systems des Induktionsofens wesentlich zu vereinfachen und dessen Größe zu reduzieren.

Als nächstes werden in Fig. 2 der synchrone Dreiphasen- Wechselstromgenerator 2 und sein automatischer Spannungsre­ gulator 2a von Fig. 1 in einen synchronen Einphasen-Wechsel­ stromgenerator 3 und seinen automatischen Spannungsregulator 3a umgewandelt, und die Phasenausgleichsvorrichtung 5, die als Ergebnis dieser Änderung überflüssig wird, ist weggelas­ sen. Die Charakteristik des Leistungsversorgungssystems für einen Induktionsofen im Vergleich mit dem Stand der Technik ist ähnlich der des Falles des in Fig. 1 gezeigten Dreipha­ sen-Leistungsversorgungssystems.

Das Diagramm der Ausgangsspannung als Funktion der Aus­ gangsfrequenz des Wechselstromgenerators, wie es in Fig. 3 gezeigt ist, zeigt den Betriebsbereich des Wechselstromgene­ rators in den Fig. 1 und 2, wie er als geeignet für den erforderlichen Betriebsbereich des Induktionsofens einge­ stellt wird. Es wird nämlich angenommen, daß der variable Bereich der Spannung in einem Bereich zwischen einer maxima­ len Spannung V_U und einer minimalen Spannung V_L eingestellt ist, daß der variable Bereich der Frequenz in einem Bereich zwischen einer maximalen Frequenz f_U und einer minimalen Frequenz f_L eingestellt ist, und daß als Standard eine kon­ stante V/f-Charakteristik eingehalten wird. Demzufolge wird der von den Punkten (f_L, O), (f_L, V_L), (f_U, V_U) und (f_U, O) umgebene Bereich der Betriebsbereich des Wechselstromgenera­ tors. Es sollte festgestellt werden, daß der zuvor erwähnte variable Frequenzbereich dazu dient, den Betrieb der An­ triebsmaschine hinsichtlich des variablen Bereichs ihrer Drehzahl zu kontrollieren, welche der Frequenz entspricht.

Zusätzlich werden die Nennwerte des zuvor erwähnten Wechselstromgenerators und der Antriebsmaschine so ausge­ wählt, daß sie optimal dem von den zuvor erwähnten vier Punkten umgebenen Betriebsbereich angepaßt sind. Demzufolge ist es in dem Falle, daß der Betrieb außerhalb des Betriebs­ bereichs durchgeführt wird, notwendig, Spielraum in den Nennwerten entsprechend dem Betriebszustand vorzusehen.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird in einem elektrischen Leistungsversorgungssystem für einen Indukti­ onsofen zum Zuführen der erforderlichen Heizleistung an ein zu erhitzendes Metall im Körper des Induktionsofens über ein in dem Körper des Induktionsofens montierte Einphasenspule die Generatorvorrichtung, in der ein Wechselstromgenerator von einer Antriebsmaschine, wie etwa einem Dieselmotor, an­ getrieben wird, als ausschließliche, unabhängige Leistungs­ quelle zur direkten Zufuhr der erforderlichen Heizleistung an die Einphasenspule verwendet. Zusätzlich werden die dem Einphasenspule zuzuführende Leistung und deren Frequenz ent­ sprechend vorgegebener, wechselseitiger Beziehungen kontinu­ ierlich veränderlich gemacht, oder zu Beginn der Leistungs­ zufuhr an die Einphasenspule werden die zuzuführende Span­ nung und deren Frequenz mit Gradienten für einen vorgegebe­ nen Zeitraum von ihren vorgegebenen Minimalwerten bis zu ih­ ren Nennwerten entsprechend der vorgegebenen, wechselseiti­ gen Beziehungen vergrößert. Also werden die zuzuführende Spannung und deren Frequenz kontinuierlich auf der Genera­ torseite entsprechend dem Betriebszustand des Induktions­ ofens gesteuert. Demzufolge werden Spannungswandlervorrich­ tungen, wie etwa ein Transformator mit Abgriffen und dessen Zubehör, und Frequenzwandlervorrichtungen, wie etwa ein In­ verter oder ein Motorgenerator, überflüssig gemacht, wodurch es ermöglicht wird, die Konfiguration des Leistungsversor­ gungssystems für den Induktionsofen wesentlich zu vereinfa­ chen und dessen Größe und Konfiguration zu reduzieren, was zu einer wesentlichen Verringerung des erforderlichen In­ stallationsraumes und des Preises für das Gerät als ganzes führt. Somit wird es möglich, die für den Induktionsofen er­ forderliche Leistung durch die oben beschriebene kontinuier­ liche Einstellung der Versorgungsspannung stetig zu verän­ dern, und das Auftreten eines transienten Überstromzustandes in dem Hauptschaltkreis aufgrund von Schrittänderungen bei der Versorgungsspannung in herkömmlichen Leistungsversor­ gungssystemen wird vollständig vermieden, wodurch des mög­ lich wird, die Sicherheit und Einfachheit in der Bedienung des Induktionsofens zu verbessern. Außerdem ist möglich, da die zuvor erwähnte Generatorvorrichtung von der kommerziel­ len Leistungsversorgung getrennt ist und eine Leistungs­ quelle ausschließlich für den Induktionsofen bildet, die Einrichtungen zu verstärken, ohne die Leistungsabnahme auf Benutzerseite zu erhöhen, und die Freiheit bei der Installa­ tion von Induktionsofeneinrichtungen zu erhöhen.

Claims (7)

1. System zum Zuführen von elektrischer Wechselstromlei­ stung an einen Induktionsofen zur Versorgung eines in dem Induktionsofen zu erhitzenden Metalls mit Heizleistung über eine in dem Induktionsofen montierte Einphasenspule, dadurch gekennzeichnet, daß das System umfaßt:
eine Generatorvorrichtung mit einer Antriebsmaschine (1) und einem von der Antriebsmaschine angetriebenen Wechsel­ stromgenerator (2) zum Erzeugen der elektrischen Wechsel­ stromleistung, wobei die Generatorvorrichtung als aus­ schließliche Leistungsquelle unabhängig von einer kommer­ ziellen Leistungsquelle verwendet wird,
wobei die elektrische Wechselstromleistung mit einer vorgegebenen Spannung und einer vorgegebenen Frequenz ent­ sprechend der Heizleistung direkt der Einphasenspule zuge­ führt wird.

2. System zum Zuführen von elektrischer Wechselstromlei­ stung an einen Induktionsofen nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es einen Spannungsregulator (2a) für den Wechselstromgenerator zum Regulieren der der Einphasenspule zuzuführenden Wechselspannung aufweist, so daß diese konti­ nuierlich variabel ist.

3. System zum Zuführen von elektrischer Wechselstromlei­ stung an einen Induktionsofen nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es einen Geschwindigkeitsregulator (1a) für die Antriebsmaschine zum Regulieren der Frequenz der der Einphasenspule zuzuführenden Wechselspannung aufweist, so daß diese kontinuierlich variabel ist.

4. System zum Zuführen von elektrischer Wechselstromlei­ stung an einen Induktionsofen nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es
einen Spannungsregulator (2a) für den Wechselstromgene­ rator zum Regulieren der der Einphasenspule zuzuführenden Wechselspannung, so daß diese kontinuierlich variabel ist; und
einen Geschwindigkeitsregulator (1a) für die Antriebsma­ schine zum Regulieren der Frequenz der der Einphasenspule zuzuführenden Wechselspannung aufweist, so daß diese konti­ nuierlich variabel ist;
wobei die der Einphasenspule zuzuführende Spannung und deren Frequenz durch den Spannungsregulator und den Ge­ schwindigkeitsregulator entsprechend vorgegebener, wechsel­ seitiger Beziehungen kontinuierlich variabel sind.

5. System zum Zuführen von elektrischer Wechselstromlei­ stung an einen Induktionsofen nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beim Beginn der Leistungszufuhr an die Einphasenspule die zuzuführende Spannung und deren Frequenz für eine vorgegebene Zeitdauer von ihren vorgegebenen Mini­ malwerten bis zu ihren Nennwerten mit Gradienten entspre­ chend den vorgegebenen, wechselseitigen Beziehungen vergrö­ ßert werden.

6. System zum Zuführen von elektrischer Wechselstromlei­ stung an einen Induktionsofen nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für den Fall, daß der Wechselstromgenera­ tor ein Dreiphasengenerator ist, der Betrag des negativen Phasenwiderstands des Generators zu einem Wert gemacht wird, der einem Zustand des maximalen Lastungleichgewichts bei der Kontrolle der drei Phasen gemacht wird.

7. System zum Zuführen von elektrischer Wechselstromlei­ stung an einen Induktionsofen nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Antriebsmaschine ein Verbrennungsmotor ist.