DE4415942A1 - Selbsterregender Hochfrequenzgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen selbsterregenden Frequenz­ generator mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, insbesondere einen selbsterregenden Hochfrequenzgenerator.

Es sind bereits selbsterregende Hochfrequenzgeneratoren in Form von Parallelschwingkreisen beispielsweise aus DE-PS 1 177 702, DE-OS 22 63 675 und DE-PS 24 13 508 bekannt, die zum induktiven Erwärmen von Werkstücken in Schmiedeautomaten oder dergleichen dienen.

Bei selbsterregenden Hochfrequenzgeneratoren in Form von Par­ allelschwingkreisen kommt es jedoch im allgemeinen zu uner­ wünschten Frequenzänderungen, die mit einem beträchtlichen technischen Mehraufwand beseitigt werden müssen. Diese Fre­ quenzänderungen werden dadurch verursacht, daß die frequenz­ bestimmende Induktivität durch Änderung der Sekundärindukti­ vität beim Einbringen der Werkstücke in die Induktionsspule beeinflußt wird.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere hat die Erfindung einen Frequenzgenerator zur Aufgabe, der weitgehend unemp­ findlich gegen plötzlich Laständerungen ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einem selbsterregenden Frequenzgenerator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ge­ löst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung liefert einen selbsterregenden Frequenz­ generator, insbesondere einen selbsterregenden Hochfrequenz­ generator in Form eines Leistungsschwingkreises und einem in den Schwingkreis mittels Koppelinduktivität einbezogenen Fre­ quenztransformators, insbesondere eines Hochfrequenz­ transformators, wobei vorzugsweise eine sensorgeführte Prozessorsteuerung in der Weise vorgesehen ist, daß die Selbsterregung des Hochfrequenzgenerators gewährleistet ist.

Die Erfindung kann als eine Art modifizierter Serienschwing­ kreis aufgefaßt werden. Die Wahl eines Serienschwingkreises ergibt sich aus der grundsätzlichen Überlegung, daß zur Ver­ meidung der oben erwähnten Frequenzänderungen die frequenzbe­ stimmende Induktivität

durch ein entsprechend großes Verhältnis von L_p : L_s vermin­ dert wird.

Technisch ausführbare (L_p: L_s)-Verhältnisse führen jedoch zwangsläufig zu groben Werten von M, so daß den Anforderungen eines Leistungsschwingkreises hoher Frequenz mit einem Parallelschwingkreis nicht mehr entsprochen werden kann.

Bei vorgegebenen Frequenzwerten und grober Induktivität muß daher die Kapazität so gewählt werden, daß die geforderten Werte von

erreicht werden. Bei kleinerem Wert der Kapazität C muß dagegen die Spannung so weit erhöht werden, daß die erforderlichen Werte von i = dq/dt gegeben sind.

Folglich bietet sich im Prinzip ein Serienschwingkreis an, der einen Spannungsüberhöhungsfaktor ωL/R aufweist. Die im Schwingkreis dissipierte Energie und die am Abgriff abgenom­ mene Energie ist während des Betriebes eine variable Größe und ist dem Schwingkreis von außen so zuzuführen, daß die im Schwingkreis fluktuierende Energie = "Induktivität" x "Effek­ tivstrom" eine bekannte Größe bleibt.

Die Verwendung eines herkömmlichen Serienschwingkreises hätte gegenüber einem Parallelschwingkreis jedoch gravierende Nach­ teile in der Form, daß die hohen, im Schwingkreis fluktu­ rierende Ströme über die Spannungsquelle geführt werden müß­ ten. Erfindungsgemäß wird daher eine Art modifizierter Seri­ enschwingkreis verwendet, der eben so modifizierter ist, daß diese Probleme vermieden werden.

Die Erfindung wird verständlicher werden anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in welchen:

Fig. 1 einen Serienschwingkreis gemäß dem Stand der Technik zeigt,

Fig. 2 einen Schwingkreis gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt,

Fig. 4a-4c ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine sensorgeführte Prozessorsteuerung gemäß der Erfindung zeigen, und

Fig. 5 ein Zeitdiagramm der Prozessorsteuerung für den Schwingkreis gemäß einer Ausführungsform der Er­ findung zeigt.

In Fig. 1 ist ein Serienschwingkreis gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Der Schwingkreis umfaßt zwei Schalter S₁ und S₂, zwei Dioden T₁ und T₂ und zwei Kondensatoren C₁ und C₂, die parallel zur Spannungsquelle U₀ an den Anschlüssen A und B geschaltet sind. Der Schwingkreis umfaßt weiterhin die In­ duktivität L₀ und Kapazität C₀.

Neben den bereits erwähnten Nachteilen, gibt es bei dieser herkömmlichen Schaltung noch das Problem, daß der Schwing­ kreis aufgrund des kapazitiven Spannungsteilers nur mit der halben Spannung 1/2 U₀ der Spannungsquelle betrieben wird.

In Fig. 2 ist ein Schwingkreis gemäß der Erfindung gezeigt. An den Anschlüssen A und B liegt die Spannung U₀. Parallel dazu sind geschaltet: ein erster Kondensator C₁; ein Schalter S₂ mit paralleler Diode T₂; und eine Induktivität L_p in Reihe mit einem zweiten Kondensator C₀. Zwischen einem Anschluß des Kondensators C₁ und dem Schalter S2 liegt ein zweiter Schal­ ter S₁ mit einer parallelen Diode T₁. Die Schalter S₁ und S₂ mit den jeweiligen Dioden T₁ und T₂ sind vorzugsweise als MOSFETS M₁ und M₂ ausgebildet, wie durch gestrichelte Linien angedeutete ist. Am Kondensators C₁ auf der Seite des Schal­ ters S₁ und am Kondensator C₀ auf der Seite der Induktivität L_p wird die Spannung U_C1 bzw. U_C0 zur Steuerung der Schalter S₁ und S₂ mittels der Sensorsteuerung SS abgegriffen. Die Schalter S₁ und S₂ werden durch das Ausgangssignal U_S1 bzw. U_S2 der Sensorsteuerung SS gesteuert. An die Primärindukti­ vität L_p ist ein Hochfrequenztransformator angekoppelt, wel­ cher eine Sekundärinduktivität L_s = L_s′ + L_s′′ umfaßt, die sich aus den Induktivitäten L_S′ und L_s′′ zusammensetzt, wobei L_s′′ einen eingeschobenen Kern K aufweist.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung ge­ zeigt, die sich von der obigen Schaltung der Fig. 2 darin unterscheidet, daß eine Teilinduktivität L_K mit einem ver­ stellbarem Kern vorgesehen ist, die nicht in die Koppel­ induktivität

mit einbezogen ist, und eine ein­ stellbare Grundfrequenzwahl ermöglicht.

In den Fig. 4a-4c ist ein Ausführungsbeispiel für die Sen­ sorsteuerung SS der Fig. 2 und 3 gezeigt. In Fig. 4a ist eine die bevorzugte Sensorsteuerung SS schematisch wiedergege­ ben: Sie umfaßt einen Sensorschaltkreis S-IC, einen Steuer­ schaltkreis St-IC und einen Dual-Treiber-Schaltkreis DT-IC.

In Fig. 4b ist die sinusförmige Eingangsspannung U_C0 und die Steuerimpulse I-IV an den vier Ausgängen des Sensorschalt­ kreises gezeigt, wobei die Steuerimpulse als schraffierte Säulen in der Figur dargestellt sind. Im einzelnen wird

• - der erste Steuerimpuls I erzeugt, wenn das erste Ein­ gangssignal (U_C0) ein Minimum erreicht hat,
• - der zweite Steuerimpuls II erzeugt, wenn das erste Ein­ gangssignal (U_C0) durch ein Nullniveau aus dem Negativen kommend gelaufen ist,
• - der dritte Steuerimpuls III erzeugt, wenn (U_C0-U_C10) aus dem Negativen kommend im wesentlichen gleich Null wird, und
• - der vierte Steuerimpuls IV erzeugt, wenn (U_C0-U_C10) aus dem Positivem kommend im wesentlichen gleich Null wird.

Die Fig. 4c zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel der Steuerschaltkreises St-IC und des Dual-Treiber-Schaltkreises DT-IC. Am Eingang des Steuerschaltkreises St-IC liegen die vier Ausgangssignale des Sensorschaltkreises S-IC. Am Ausgang des Steuerschaltkreises St-IC liegen zwei Ausgangssignale U_x und U_y, die in den Dual-Treiber-Schaltkreises DT-IC eingege­ ben werden. Am Ausgang Dual-Treiber-Schaltkreises DT-IC wer­ den die Steuersignale U_S1 und U_S2 ausgegeben, durch die die Schalter S₁ bzw. S₂ in der Weise gesteuert werden, wie im folgenden beschrieben wird.

In Fig. 5 erläutert anhand eines Zeitdiagramms den Betrieb der sensorgeführten Prozessorsteuerung mittels der Sensor­ steuerung SS gemäß der Erfindung. Im oberen Teil der Figur ist die sinusförmige Spannung U_C0 gezeigt, die am Kondensator C₀ anliegt. Die Zeitachse t ist durch Zeitmarkierungen t₁- t₄ unterteilt. Im unteren Teil sind die Einschaltzeiten EIN der Schalter S₁ und S₂ durch schraffierte Flächen wiedergege­ ben.

Um die im Schwingkreis fluktuierende Energie bei variablem Abgriff auf ΣL·I²_eff = constant zu halten, werden die EIN- Zeiten von S₁ prozessorgesteuert variiert, während die EIN- Zeit von S₂ von t₂ bis t₃ gehalten wird. Die Zeitdauer EIN von S₁ bestimmt die dem Schwingkreis zugeführte Energie; ma­ ximale EIN-Zeit ist von t₃ bis t₄.

Die frequenzbestimmenden Größen sind nicht konstant, werden aber durch gezielte Auslegung innerhalb der die Funktion nicht beeinträchtigenden Toleranzen gehalten. So ist bei­ spielsweise während S₁-EIN die frequenzbestimmende resultie­ rende Kapazität C_r = 1/(1/C₀ + 1/C₁), während im S₂-EIN die Kapazität gleich C₀ ist. Da C₀ im Bereich von nF bis zu maxi­ mal wenigen µF liegt, kann C₁ mehrere tausend µF gewählt wer­ den, so daß die ΔC praktisch vernachlässigbar ist.

Der Schwingungsvorgang verläuft erfindungsgemäß wie folgt: Vom Zeitpunkt t₀ bis t₁ wird der LC-Kreis bis zum Spannungs­ äquilibrium von C₀ und C₁ gespeist. Der sich einstellende Strom

ladet C₀ bis zu einer Spannungsüberhöhung

auf. Diese Spannungsüberhöhung wird über die Diode über S₁ bis zum Spannungsäquilibrium von C₁ und C₀ rückgeladen. Zum Zeitpunkt t₂ wird S₂ leitend und ladet C₀ um. Solcherart wird erreicht, daß die hohen fluktuierenden Ströme ähnlich wie bei einem Parallelschwingkreis nicht über die Spannungsquelle ge­ führt werden und diese lediglich mit der nachzuführenden En­ ergie belastet wird. Die Spannungsamplitude von U_C1 wird über Sensoren überwacht und prozessorgesteuert über S₁ kontrol­ liert, während S₂ eine Umladung außerhalb der Spannungsquelle ermöglicht. Die nach dem Umladen beachtliche Spannungsdiffe­ renz von U₀-(-U_C10) gestattet mühelos das Nachspeisen der im Sekundärkreis abgegriffenen Energie.

In der Praxis bewirkt das Einbringen eines Werkstücks K in die Induktivität L′′_s neben einer abrupten Lastzunahme auch eine Änderung von L_s und folglich eine Änderung der Koppelin­ duktivität

die zu einer Änderung der Kreisfre­ quenz ω. Mit Hilfe der gezielten Auslegung von L_p und L_s ge­ mäß der Erfindung wird die Änderung Δω in Grenzen gehalten, die die Funktion des Frequenzgenerators nicht beeinträchti­ gen. Handelt es sich bei dem Werkstück um einen ferromagneti­ schen Werkstoff, so ändert sich die Induktivität L′′_s weiter­ hin noch durch die Erwärmung des Werkstücks. Der Spannungs­ überhöhungsfaktor ωL/R und mithin die im Schwingkreis fluktu­ ierende Energie ändern dadurch sich ebenfalls. Die Summe die­ ser Änderungen, wie auch die Summe der Verlust- und Abgriffs­ energie werden erfindungsgemäß durch die prozessorgeführte Steuerung so nachgeregelt, daß die im Schwingkreis oszillie­ rende Energie in vorgewählter Weise auf konstanter Höhe ge­ halten wird. Geringe Abweichungen von dieser Konstanz treten nur während der Ansprechzeit auf, die durch das Regelverhal­ ten bedingt ist, so daß U_C0 in einem oberen und unterem Grenz­ bereich ausgesteuert wird.

Umgekehrt würde bei Lastabwurf, beispielsweise durch Ausstoßen des Werkstücks, der Schwingkreis sprunghaft mit Zunahme der Spannungsüberhöhung an C₀ reagieren. Diesem Umstand wird er­ findungsgemäß dadurch begegnet, daß der Schalter S2 geschlos­ sen bleibt und der Schwingkreis ausschwingen kann, bis die vorgewählte untere Spannungsgrenze von C₀ erreicht ist, dann wird wieder die erforderliche Energie zugeführt, um die Ar­ beitsspannung U_C0 zu halten.

Claims (7)

1. Selbsterregender Frequenzgenerator mit einem Lei­ stungsschwingkreis einschließlich einer Induktivität (L_p) in Reihe mit einer ersten Kapazität (C₀) und einem mit­ tels einer Koppelinduktivität in den Leistungsschwingkreis einbezogenen Frequenztransformator, gekennzeichnet durch mindestens zwei gesteuerte Schalteinrichtungen (S₁, S₂), wobei eine Schalt­ einrichtung (S₁) in Reihe zur Induktivität (L_p) und eine Schalteinrichtung (S₂) parallel zur Induktivität (L_p) und Kapazität (C₀) liegt.

2. Selbsterregender Frequenzgenerator nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (S₁, S₂) durch eine sensorgeführte Prozessorsteuerung (SS) ge­ steuert wird, die

• - einen ersten Eingang aufweist, an welchem ein erstes Eingangssignal (U_C0) anliegt, das proportional zur Spannung ist, die an der Verbindung zwischen der In­ duktivität (L_p) und der ersten Kapazität (C₀) auf­ tritt, und
• - mindestes zwei Ausgänge aufweist, an welchen jeweils die Signale (U_S1, U_S2) zur Steuerung der Schalt­ einrichtungen (S₁, S₂) anliegen.

3. Selbsterregender Frequenzgenerator nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (S₁, S₂) durch eine sensorgeführte Prozessorsteuerung (SS) in der Weise gesteuert wird, daß die im Schaltkreis fluktu­ ierende Energie im wesentlichen konstant ist.

4. Frequenzgenerator nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Leistungsschwingkreis durch zwei Anschlüsse (A, B) an einer Versorgungsspannung (U₀) an­ liegt und parallel zur Versorgungsspannung (U₀) eine wei­ tere Kapazität (C₁) geschaltet ist.

5. Frequenzgenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die sensorgeführte Prozessorsteuerung (SS) min­ destens einen zweiten Eingang aufweist, an welchem ein zweites Eingangssignal (U_C1) anliegt, das proportional zur Spannung ist, die an der zweiten Kapazität (C₁) abgegrif­ fen wird.

6. Frequenzgenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die sensorgeführte Prozessorsteuerung (SS) einen Sensorschaltkreis (S-IC), einen Steuerschaltkreis (St-IC) und eine Dual-Treiber-Schaltkreis (DT-IC) umfaßt.

7. Frequenzgenerator nach einem der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelindukti­ vität (M) durch Zuschalten einer weiteren Induktivität (L_K) mit einem verstellbaren Kern variabel ist.