DE4415942C2

DE4415942C2 - Selbsterregender Hochfrequenzgenerator

Info

Publication number: DE4415942C2
Application number: DE19944415942
Authority: DE
Inventors: Olaf Peters; Joachim Kirchhoff
Original assignee: Neumann & Stallherm GmbH
Current assignee: NEUMANN, WERNER, 45770 MARL, DE STALLHERM, WILLI,
Priority date: 1994-05-05
Filing date: 1994-05-05
Publication date: 1996-12-12
Anticipated expiration: 2014-05-06
Also published as: DE4415942A1

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 11 77 702, DE-OS 22 63 675 und DE 24 13 508 B2 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.

In der Veröffentlichung IEE Proceedings-B, Vol. 139, Nr. 5, September 1992, S. 449-456 wird ein Frequenzge nerator der eingangs genannten Art mit einem durch zwei Anschlüsse an einer Versorgungsspannung anlie genden Leistungsschwingkreis bestehend aus einer Induktivität in Reihe mit ei ner ersten Kapazität und einem mittels einer Koppelinduktivität in den Lei stungsschwingkreis einbezogenen Frequenztransformator, zwei gesteuerten Schalteinrichtungen, wobei eine Schalteinrichtung in Reihe zur Induktivität und eine Schalteinrichtung parallel zur Induktivität und Kapazität liegt, beschrieben, der jedoch nicht Schalteinrichtungen beinhaltet, die durch eine Sensor geführte Prozessorsteuerung in der Weise gesteuert werden, daß die im Schaltkreis fluk tuierende Energie im wesentlichen konstant ist.

Die Offenlegungsschrift DE 42 28 641 A1 offenbart ein Vorschaltgerät für eine Gasentladungslampe mit einem Wechselrichter, das einen von einer Gleichspan nungsquelle gespeisten freischwingenden Wechselrichter mit zwei steuerbaren Schaltern, die parallel zur Gleichspannungsquelle angeordnet sind, aufweist. Dabei wird eine Steuerschaltung erwähnt, die als Eingang ein Spannungssignal erhält, das der vor der Wechselrichterschaltung anliegenden Kondensatorspan nung proportional ist. Dieses Vorschaltgerät enthält jedoch keinen Frequenz transformator, und zeichnet sich nicht durch Schalteinrichtungen aus, die durch eine sensorgeführte Prozessorsteuerung in der Weise gesteuert werden, daß die im Schaltkreis fluktuierende Energie im wesentlichen konstant ist.

Die Offenlegungsschrift DE 42 43 062 A1 betrifft einen Resonanzkreiswech selumrichter, der eine Spannungsversorgungseinrichtung, einen Resonanzkreis, eine Energiezuführungseinrichtung, eine Starteinrichtung, eine Steuereinrich tung, eine Entkoppel-Einrichtung und zwei Regeleinrichtungen umfaßt. Dieser Wechselumrichter beinhaltet jedoch nicht einen ersten Eingang, an welchem ein erstes Eingangssignal anliegt, das proportional zur Spannung ist, die an der Verbindung zwischen der Induktivität und der ersten Kapazität auftritt und ei nen zweiten Eingang, in welchem ein zweites Eingangssignal anliegt, das pro portional zur Spannung ist, die an der zweiten Kapazität abgegriffen wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile des Standes der Technik zu beseiti gen. Insbesondere hat die Erfindung einen Frequenzgenerator zur Aufgabe, der die Selbsterregung des Frequenzgenerators mittels einer sensorgeführten Pro zessorsteuerung gewährleistet.

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 großen Werten von M, so daß den Anforderungen eines Leistungsschwingkreises hoher Frequenz mit einem Parallelschwingkreis nicht mehr entsprochen werden kann.

Bei vorgegebenen Frequenzwerten und großer Induktivität muß daher die Kapazität so gewählt werden, daß die geforderten Werte von ω = 1/√LC 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" × "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 ierende Ströme über die Spannungsquelle geführt werden müß ten. Erfindungsgemäß wird daher eine Art modifizierter Seri enschwingkreis verwendet, der eben so modifiziert 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 ½ 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 angedeutet ist. Am Kondensator 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 die Ausgangssignale 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 fern vorgesehen ist, die nicht in die Koppel induktivität M = K · √L_pL_s 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 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_C1) aus dem Negativen kommend im wesentlichen gleich Null wird, und
- der vierte Steuerimpuls IV erzeugt, wenn (U_C0- U_C1) aus dem Positivem kommend im wesentlichen gleich Null wird.

Die Fig. 4c zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel des 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.

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_C0) 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 M = K·√, die zu einer Änderung der Kreisfre quenz ω führt. 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

1. Selbsterregender Frequenzgenerator mit einem durch zwei Anschlüsse (A, B) an einer Versorgungsspannung (U₀) anliegendem Lei stungsschwingkreis bestehend aus einer Induktivität (L_p) in Reihe mit einer ersten Kapazität (C₀) und einem mittels einer Koppelinduktivität in den Leistungsschwingkreis einbezogenen Frequenztransformator, zwei gesteuerten Schalteinrichtungen (S₁, S₂), wobei eine Schalteinrichtung (S₂) in Reihe zur Induktivität (L_p) und eine Schalteinrichtung (S₂) parallel zur Induktivität (L_p) und Kapazität (C₀) liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtungen (S₁, S₂) durch eine sensorgeführte Prozessorsteuerung (SS) in der Weise gesteuert werden, daß die im Schaltkreis fluktuierende Energie im wesentlichen konstant ist, wobei die Prozessorsteuerung

- einen ersten Eingang aufweist, an welchem ein erstes Eingangssignal (U_C0) anliegt, das proportional zur Spannung ist, die an der Verbindung zwischen der Induktivität (L_p) und der ersten Kapazität (C₀) auftritt,
- einen zweiten Eingang aufweist, an welchem ein zweites Eingangssignal (U_C1) anliegt, das proportional zur Spannung ist, die an der zweiten Kapazität (C₁) abgegriffen wird, und

mindestens zwei Ausgänge aufweist, an welchen jeweils die Signale (U_S1, U_S2) zur Steuerung der Schalteinrichtungen (S₁, S₂) anliegen.

2. Frequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Versorgungsspannung (U₀) eine weitere Kapazität (C₁) geschaltet ist.

3. Frequenzgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sensorgeführte Prozessorsteuerung (SS) einen Sensorschaltkreis (S-IC), einen Steuerschaltkreis (ST-IC) und einen Dual-Treiber- Schaltkreis (DT-IC) umfaßt.

4. Frequenzgenerator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelinduktivität (M) durch Zuschalten einer weiteren Induktivität (L_k) mit einem verstellbaren Kern variabel ist.