DE69323309T2 - Regelvorrichtung zum Versorgen mit elektrischer Energie mehrere induktive Lasten über eine einzige Wechselrichter-Stromquelle - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Leistungsverteilung von einem Ausgang einer einzelnen Wechselrichterversorgung zu mehreren induktiven Lasten und zur Zeitsteuerung der Leistungsabgabe an mehrere induktive Lasten. Erfindungsgemäß wird die Phasenverschiebung zwischen Lastspannung und Laststrom variiert und die Größe der Variation, als Antwort auf Leistungsüberschuß und/oder -unterschuß der Leistungsabgabe, selektiv eingestellt, welches beim Schalten zwischen den Lasten auftreten kann. Die Erfindung ist insbesondere zur Leistungsverteilung auf mehrere Indunktionsöfen oder auf mehrere Zonen einer einzelnen induktiven Last geeignet, sie ist aber keineswegs auf solche Verwendungen beschränkt.
Stand der Technik
• Induktives Heizen beinhaltet das Heizen von nominal elektrisch leitendem Material (d. h. Metallchargen) durch Wirbelströme, induziert durch ein zeitvariiertes elektromagnetisches Feld. Typischer Weise wird die Metallcharge in einem Ofen plaziert, der einen feuerbeständigen Schmelztiegel umfaßt, der von einer durch Flüssigkeit gekühlten Kupferspule umgeben ist. Die Spule wird durch eine geeignete Energieversorgung mit elektrischer Leistung in Form von Wechselstrom von 50 Hz bis 60.000 Hz versorgt. Dies erzeugt ein wechselndes elektromagnetisches Feld um die Spule. In der Metallcharge wird mittels der Wirbelströme Wärme produziert, die in der Charge durch das elektromagnetische Feld, das die Spule umgibt, induziert werden.
• Ein Typ einer Energieversorgung zur Bereitstellung des Hochfrequenzwechselstromes ist eine feste Stromversorgung (solid state power supply), die Vorrichtungen mit Hochleistungsthyristoren verwendet wie z. B. silliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs). In Fig. 1 und 2 des US-Patents 5.165.049 ist ein Blockdiagramm einer typischen Vorrichtung zur Induktionsheizung (z. B. ein Induktionsofen) und eine Wechselrichterstromversorgung für den Ofen, die SCRs einsetzt, beschrieben und dargestellt.
• Ein Typ einer induktiven Last ist ein Induktionsofen. US-Patent 5.165.049 beschreibt das Problem der Anpassung der Resonanzfrequenz der induktiven Last an die Resonanzfrequenz der Wechselrichterversorgung, um den Energietransfer zwischen ihnen - in Anbetracht der auf die konstant wechselnde Resonanzfrequenz der Last zu maximieren und der Notwendigkeit, zu vermeiden, daß die Frequenzen exakt identisch sind. Wenn die Frequenzen identisch gemacht werden, wird die Energieversorgung aus in dem Patent diskutierten Gründen kurzgeschlossen. Das Patent beschreibt ebenfalls, daß die Resonanzfrequenz der Last ständig variiert. Zum Beispiel variiert die Resonanzfrequenz einer Metallcharge in einem Ofen wie die Zusammensetzung und wie diese erhitzt, gekühlt und Metall dem Schmelztiegel zugefügt oder daraus entfernt wird. US-Patent 5.165.049 offenbart auch ein Schaltkreissystem zur Lösung des Problems identischer Frequenzen von Energieversorgung und Last - durch Variation der Phasendifferenz zwischen dem Strom und der Spannung in der Last, entsprechend der Resonanzfrequenz der Last. Die Schaltung überwacht Nulldurchgänge des Stroms im Wechselrichter und erzeugt eine Zeitverzögerung bevor die Wechselrichter SCRs so gezündet werden, daß das Niveau der Ausgangsleistung erhalten wird und zumindest eine minimale Phasenverschiebung 4 immer zwischen Strom und Spannung, die zu der Last geliefert werden, aufrechterhalten werden. Auf diese Weise wird die SCR Zündfrequenz (die Wechselrichterfrequenz) sich immer von der Resonanzfrequenz der Last unterscheiden.
• Wie im US-Patent 5.165.049 beschrieben, entspricht die Leistung, die vom Wechselrichter zum Ofen übertragen wird (unter der Annahme, daß der Strom eine Sinus-Welle ist und die Spannung eine Rechteckwelle ist, wie es in einer idealen Wechselrichtertyp- Stromversorgung der Fall wäre):
• P = (2/π) · (VIcos φ) (Gleichung 1)
• worin:
• V = Wechselrichterspannung (= VDC für einen Vollbrücken-Wechselrichter)
• I = Amplitude des Wechselrichterstroms
• φ = Phasenverschiebung oder Phasenwinkel zwischen Spannung und Strom
• Für φ zwischen 0º und 90º bewirkt eine Zunahme von φ eine Abnahme der zum Ofen übertragenen Leistung. Maximaler Leistungstransfer tritt ein, wenn φ = 0 (d. h. wenn cos φ = 1). Wie in US-Patent 5.165.049 erläutert, sollte es φ nicht erlaubt sein, Null zu erreichen, um einen Kurzschluß in der Energieversorgung zu vermeiden. Die Steuervorrichtung im US- Patent 5.165.049 hält φ bei einem Wert, in sicherem Abstand von Null (d. h. der oben genannten minimalen Phasenverschiebung), aber so nahe Null wie möglich liegt, so daß cos φ so groß wie möglich ist, um so einen möglichst großen Leistungstransfer sicherzustellen.
• Sofern die Resonanzfrequenz der Last variiert, z. B. durch einen Wechsel in der Zusammensetzung, der Temperatur oder der Menge der Metallcharge, stellt die Steuervorrichtung in US-Patent 5.165.049 den Phasenwinkel φ neu ein, um ihn bei seinem optimalen Wert für einen maximalen Leistungstransfer zu halten.
• Fig. 1(a) und Fig. 1(b) stellen, illustrativ ein vereinfachtes Beispiel mit Wellenformen des Laststroms zu unterschiedlichen Zeitpunkten dar.
• Fig. 1(a) zeigt die Zeitperiode T&sub1;, bei der die Resonanzfrequenz der Leistung 1 Hz beträgt. Der Phasenwinkel (Steuerschaltung die Zeitverzögerung zwischen einem Nulldurchgang bei einem t&sub0; und dem Feuerungsimpuls bei t&sub1;) ist φ&sub1;. In diesem Beispiel, beträgt φ&sub1;, etwa 36º (der vollständige Zyklus entspricht 360º), wird ein Leistungstransferwert von näherungsweise 0,81 (cos φ = cos 36º = 0.81) erreicht.
• Fig. 1 (b) zeigt die Zeitperiode T&sub2;, in der die Resonanzfrequenz der Last auf 2,0 Hz gewechselt hat, entsprechend einer Veränderung in der Metallcharge (z. B. Zusammensetzung, Temperatur oder Menge). In der Realität ist es unwahrscheinlich, daß im gleichen Ofen ein 100% Wechsel in der Resonanzfrequenz über kurze Zeiträume auftritt. Ein so großer Wechsel würde auch bei bestimmten Öfen, selbst unter drastisch wechselnden Bedingungen, nie auftreten. Zur besseren Darstellung eines wichtigen Sachverhaltes bezüglich der Effekte des Phasenwinkels wird ein so großer Wechsel hypothetisch unterstellt. In Fig. 1 (b) ist der Phasenwinkel φ&sub2; jetzt auf etwa 72º verdoppelt, was einen Leistungstransferwert von etwa 0,31 ergibt (cos φ = cos 72º = 0.31). Das heißt, daß der Wechsel in der Resonanzfrequenz so lange eine Reduktion im Leistungstransfer bewirkt, bis der Phasenwinkel neu eingestellt ist. In diesem Fall sollte der Phasenwinkel so reduziert werden, daß ein Optimum im Übertragungswirkungsgrad für die Leistung beibehalten wird. Falls wo der Lastwechsel eine Abnahme der Resonanzfrequenz verursacht, sollte der Phasenwinkel vergrößert werden, um zu vermeiden, daß er sich zu nahe an Null annähert.
• Die Steuerschaltung in US-Patent 5.165.049 funktioniert so, daß der Phasenwinkel je nach Variation der Resonanzfrequenz der Last verkleinert oder vergrößert wird, um so optimalen Übertragungswirkungsgrad zu erhalten. Diese Steuerschaltung erfordert typischerweise ei nige Wellenform-Zyklen, um die Einstellung des Phasenwinkels zu vervollständigen, wegen der ihrer Feedback-Arbeitweise eigenen Zeitverzögerung. In einem mehr realistischen Beispiel könnte die Resonanzfrequenz eines Ofens entsprechend einem Hinzufügen an Metallcharge, z. B. von 1000 Hz bis 1030 Hz, variieren. Eine Einstellverzögerung von drei bis vier Zyklen würde nur 3 bis 4 Millisekunden dauern. Da der Phasenwinkel nur sehr wenig geändert werden muß, treten im allgemeinen nie signifikante Probleme bei der Aufrechterhaltung eines relativ stabilen und optimalen Transfers der Leistung auf. Weiterhin wird wahrscheinlich jede Änderungen in der Resonanzfrequenz schrittweise auftreten. Zum Beispiel treten Änderungen der Resonanzfrequenz, die durch Zugabe oder Abnahme von Metallcharge oder durch Veränderung der Temperatur der Charge verursacht werden, voraussichtlich im Bereich von Sekunden oder Minuten auf, gegenüber der Einstellung der Verzögerungszeit oder der Verzugszeit der Phasenwinkel-Einstellschaltung. Insgesamt werden bei einem einzelnen Wechselrichter/Lastkonfiguration kaum jemals Energieübertragungsprobleme auftreten, die mit Veränderungen der Resonanzfrequenz der Last verbunden sind.
• In US-Patent 5.165.049 wird eine einzelne Induktionslast (z. B. ein einzelner Ofen) von einer einzelnen Wechselrichterversorgung versorgt. Manchmal ist es erwünscht, eine einzelne Wechselrichterversorgung mit mehreren Induktionslasten zu verbinden, z. B. mit zwei oder mehreren Öfen oder Zonen-Heizvorrichtungen, um so die Kosten zu vermeiden, die damit verbunden sind, wenn jede Induktionslast mit einer separaten Energieversorgung betrieben wird. Wie auch immer, es tritt ein Problem auf, wenn eine einzelne Wechselrichterversorgung zwischen mehreren Induktionslasten geschaltet wird. Da jede Induktionslast bei einem gegebenen Zeitpunkt höchstwahrscheinlich eine signifikant unterschiedliche Resonanzfrequenz hat, muß der oben genannte Phasenwinkel jedesmal dann, wenn die Netzversorgung auf eine neue Last geschaltet wird, ständig um relativ große Bereiche eingestellt werden (verglichen mit sehr kleinen Einstellungsbereichen bei der Verwendung einer einzelnen Induktionslast). Weiterhin sollte die Einstellung des Phasenwinkels möglichst unverzüglich erfolgen, wenn die Energieversorgung die Leistung durch Schalten in einer zeitmultiplexen Weise von einer Last auf die nächste verteilt. Anstelle von Fig. 1(a) und Fig. 1(b), die die variierenden Resonanzfrequenzen einer einzelnen Last zu verschiedenen Zeitperioden repräsentieren, könnten diese Figuren z. B. zwei verschiedene Lasten signifikant unterschiedlicher Resonanzfrequenzen repräsentieren, welche aufeinanderfolgend mit einer einzelnen Wechselrichterversorgung in einer zeitmultiplexen Weise verbunden werden.
• Wenn die Phasenwinkel-Einstellschaltung im US-Patent 5.165.049 dazu verwendet wird, eine einzelne Wechselrichterversorgung zwischen zwei verschiedenen Lasten zu schalten, die signifikant unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben, würde die ihrer Feedback- Arbeitsweise eigene Zeitverzögerung in einen signifikanten temporären Überschuß oder Unterschuß an Leistung, die während jeden Schaltens an die Last geliefert wird, resultieren. Selbst wenn der Phasenwinkel schließlich durch das Schaltsystem so eingestellt wird, daß der Leistungtransfer für die neue Last optimiert ist, wird sich die Zeitperiode zur Einstellung über mehrere Wellenformzyklen erstrecken und so lang genug sein, um einen signifikanten zeitweisen Überschuß oder Unterschuß an Leistung zu verursachen. Obwohl dieser Überschuß und Unterschuß ebenfalls auftritt, wenn eine einzelne Last eine Änderung in ihrer Resonanzfrequenz erfährt, ist die Menge an Überschuß und Unterschuß typischerweise bedeutungslos (und oft zu klein, um nachweisbar zusein), weil jede Änderung des Phasenwinkels, die durch eine Änderung in den Parametern der Metallcharge verursacht wird, üblicherweise sehr klein sein wird und über relativ lange Zeiträume, verglichen mit der Verzugszeit der Phasenwinkel-Einstellschaltung, auftreten wird.
• Große Überschüsse können, kritische Schaltungskomponenten zu zerstören. Große Überschüsse und Unterschüsse verzerren weiterhin, durch Einführung unkontrollierbarer und unvorhersagbarer Änderungen oder Fluktuationen des Übertragungswirkungsgrades für die Leistung, die erwünschte Verteilung der Leistung zwischen mehreren Lasten. Dementsprechend besteht nach dem Stand der Technik ein Bedürfnis, die Menge an Überschuß und Unterschuß, die durch Schaltung zwischen mehreren Lasten, die sich eine einzelne Wechselrichterversorgung teilen, zu reduzieren. Es besteht auch eine Notwendigkeit, eine solche Funktion in Verbindung mit der existierenden Phasesnwinkel-Einstellschaltung in US-Patent 5.165.049 zur Verfügung zu stellen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Erfordernisse.
Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schalten von Leistung vom Ausgang einer einzelnen Wechselrichterversorgung zu zumindest einer aus mehreren induktiven Lasten ausgewählten Last. Jede Last hat eine entsprechende dazugehörige Resonanzfrequenz. Die Wechselrichterversorgung besitzt einen Wechselrichterausgangsschalter und kann eine vorausgewählte, einstellbare Menge an Leistung abgeben. Das System beinhaltet: ein Lastschaltmittel zum selektiven Schalten des Wechselrichterausgangs zwischen einzelnen ausgewählten der mehren induktiven Lasten im Time-Sharing; Mittel zum Messen der Ausgangsleistung des Wechselrichters und Detektion eines Überschusses und/oder Unterschusses der Leistungswerte, nämlich Maxima oder Minima der Schaltleistungswerte, die auftreten, wenn von einer induktiven Last auf die andere umgeschaltet wird; eine Zeitverzögerungsquelle, verbunden mit den Lastschaltmitteln, zum Starten einer Zeitverzögerungsperiode nach Schalten von einer induktiven Last zur anderen und zur Erzeugung und Abgabe eines Signals an einem vorausgewählten Ende der Zeitverzögerungsperiode; und Mittel zum Einstellen des vorausgewählten Endes der Zeitverzögerungsperiode während eines nachfolgenden Schaltvorganges von einer Last entsprechend einem gemessenen Überschuß und/oder Unterschuß der Leistungswerte, nämlich Leistungsmaxima und -minima, um einen Betrag, der zur Reduktion des nachfolgenden Leistungsüberschusses und/oder -unterschusses, nämlich Maxima und/oder Minima, berechnet wurde. Der Signalausgang aus der Zeitverzögerungsquelle triggert den Wechselrichterausgangsschalter an, um den Leistungsausgang des Wechselrichters an das Lastschaltmittel zum Schalten auf die ausgewählte Last zu legen.
• Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Reduktion der Maxima und Minima der Schaltleistungswerte, die auftreten, wenn von einer induktiven Last auf eine andere geschaltet wird.
Beschreibung der Zeichnungen
• Zur Erläuterung der Erfindung ist in den Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt; diese ist aber nicht so zu verstehen, daß die Erfindung nur auf diese gezeigten Anordnungen und Mittel beschränkt ist.
• Fig. 1 (a) und Fig. 1 (b) zeigen Wellenformen des Laststroms für Lasten mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen.
• Fig. 2(a) zeigt eine graphische Darstellung eines Laststroms als Funktion der Zeit für zwei induktive Lasten, die Leistung von einer einzelnen Wechselrichterversorgung erhalten.
• Fig. 2(b) zeigt eine von einer einzelnen Wechselrichterversorgung abgegebene Lastleistung, gezündet durch einen Zeitverzögerungsgenerator mit einem festen Schwellen-Steuerspannungsniveau für die beiden induktiven Lasten der Fig. 2(a).
• Fig. 2(c) zeigt Lastleistungsschaltimpulse zum Schalten zwischen den Lasten 1 und 2 in Fig. 2(a).
• Fig. 2(d) zeigt SCR-Wechselrichterschaltimpulse beim Schalten zwischen den Lasten 1 und 2 in Fig. 2(a).
• Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm der Erfindung.
• Fig. 4 zeigt ein Pulsbreitenmodulationsschema zum Verteilen der Leistung von einer einzelnen Wechselrichterversorgung auf mehrere Lasten.
• Fig. 5(a) zeigt eine graphische Darstellung des Laststroms als Funktion der Zeit für zwei induktive Lasten, die Leistung von einer Wechselrichterversorgung erhalten.
• Fig. 5(b) zeigt eine von einer einzelnen Wechselrichterversorgung abgegebene Lastleistung, geschaltet durch einen Zeitverzögerungsgenerator, der für die zwei induktiven Lasten der Fig. 5(a) ein einstellbares Schwellen- Steuerspannungsniveau hat.
• Fig. 5(c) zeigt Lastleistungsschaltimpulse beim Schalten zwischen den Lasten 1 und 2 in Fig. 5(a).
• Fig. 5(d) zeigt SCR-Wechselrichterschaltimpulse beim Schalten zwischen den Lasten 1 und 2 in Fig. 5(a).
• Fig. 6 zeigt ein Funktions-Flußdiagramm der Schritte der Phasenwinkeleinstellung gemäß der Erfindung.
• Fig. 7 zeigt Wellenformen der Leistung unter Verwendung der Schaltkreise der Erfindung, aber ohne die erfindungsgemäße Phasenwinkeleinstellung.
• Fig. 8 zeigt Wellenformen der Leistung bei Verwendung des erfindungsgemäßen Schaltkreises und der erfindungsgemäßen Phasenwinkeleinstellung.
Beschreibung der Erfindung
• Obwohl die Erfindung anhand mit einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wird, ist dies nicht so zu verstehen, daß die Erfindung auf diese Ausführungsform beschränkt ist. Unter dem Schutzumfang der Erfindung fallen im Gegenteil alle Alternativen, Modifikationen und Äquivalente, wie sie durch den Schutzumfang der Ansprüche umfaßt sein können.
• Die Fig. 4 und 6 des US-Patents 5.165.049 zeigen ein Steuersystem, mit einem Verzögerungsgenerator, der ein Signal zum Auslösen der SCR-Zündimpulse abgibt. Die Größe der Verzögerung ist proportional zum Phasenwinkel. Bei der besonderen Ausführungsform, wie sie in US-Patent 5.165.049 beschrieben ist, ist die Größe der Verzögerung eine Funktion der Zeit, die Zeitgeberkondensatoren benötigen, um sich auf einen voreingestellten Schwellenwert aufzuladen (z. B. Schwellen-Steuerspannung). Je schneller die Zeitgeberkondensatoren geladen werden, desto kleiner ist die Verzögerung, weil die Zeitgeberkondensatoren den voreingestellten Schwellenwert schneller erreichen. Im Steuersystem des US-Patents 5.165.049 ist die Größe des Schwellenwerts extern voreingestellt. Die Kondensatoren müssen die voreingestellte Schwellenwertgröße immer erreichen, bevor der Verzögerungsgenerator das Signal zum Auslösen des SCR- Zündimpulses abgibt. Sofern, wie bereits erwähnt, eine zweite induktive Last mit signifikant unterschiedlicher Resonanzfrequenz mit der Wechselrichterversorgung verbunden ist, muß der Phasenwinkel präzise und schnell für jedes nachfolgende Schalten der Lasten eingestellt werden, um Über- oder Unterschuß zu verhindern. (Es ist anzumerken, daß die Verwendung von Zeitgeberkondensatoren im US-Patent 05.165.049 nur eine Möglichkeit ist, um Verzögerungsperioden zu erzeugen. Die Verzögerungsperiode kann auch durch die Erzeugung von Verzögerungsimpulsen und Antriggern des SCR-Zündimpulses bei der Detektion einer vorausgewählten Anzahl von Verzögerungsimpulsen erzeugt werden.)
• In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Phasenwinkel durch Änderung des Schwellenwertes oder der Schwellen-Steuerspannung eines Zeitverzögerungsgenerators, wie einer im US-Patent 5.165.049 beschrieben ist, eingestellt. In Übereinstimmung mit der erwarteten Menge an Überschuß oder Unterschuß kann die Zeitverzögerung durch Einstellung der Schwellen-Steuerspannung entweder verlängert oder verkürzt werden. Wenn z. B. das Umschalten von Ofen 1 zu Ofen 2 entsprechend ihrer unterschiedlichen Resonanzfrequenzen einen Unterschuß verursachen würde, würde die Schwellen- Steuerspannung abnehmen, dadurch die Verzögerung beim Zünden der SCRs abnehmen, und daraufhin der Phasenwinkel von Ofen 2 gegenüber Ofen 1 abnehmen. Der verringerte Phasenwinkel wird die Leistung, die zu Ofen 2 geht, erhöhen (je kleiner die Verzögerungszeit, desto kleiner ist der Phasenwinkel φ und dementsprechend VIcosφ in Gleichung 1 um so größer), dadurch wird die Menge an Unterschuß reduziert. Sehr wichtig ist, daß die Zunahme der Leistung unmittelbarer auftreten wird, als wenn die Schwelle der Steuerspannung nicht einstellbar wäre, wie im US-Patent 5.165.049. Das Phasenwinkeleinstellschema des US-Patents, das ausgezeichnet für eine einzelne Induktionslast geeignet ist, verursacht aber Überschuß und Unterschuß, wenn so ein Schema auf die "Umgebung" einer einzelnen Energiequelle/ viele Indunktionslasten angewandt wird. Das Hinzufügen einer Einrichtung zum Einstellen einer Schwelle gemäß der Erfindung überwindet solche Begrenzungen.
• Fig. 2(a) zeigt eine graphische Darstellung eines Laststroms als Funktion der Zeit für zwei induktive Lasten, die von einer einzelnen Wechselrichterversorgung Leistung erhalten. Die induktiven Lasten haben unterschiedliche Resonanzfrequenzen. In diesem übertrieben dargestellten Beispiel hat Last 2 eine doppelt so große Resonanzfrequenz wie Last 1. Jede Last in diesem Beispiel erhält die gleiche Menge an Leistung. D. h., die Wechselrichterversorgung schaltet zwischen den Lasten 1 und 2 in gleichen Zeitintervallen (d. h. Zeit t&sub1; zu Zeit t&sub2; = Zeit t&sub2; zu Zeit t&sub3;, usw...) Die Schaltpunkte befinden sich an den Zeiten t&sub1;, t&sub2;, t&sub3;, usw... Zeit t&sub0; ist kein Schaltpunkt, sondern eher ein Zeitpunkt während des Leistungszyklus der Last 1.
• Fig. 2(b) zeigt eine graphische Darstellung der Leistungslast gegenüber der Zeit, die von einer einzelnen Wechselrichterversorgung abgegeben und nacheinander von den zwei induktiven Lasten der Fig. 2(a) erhalten wird. Die Wechselrichterversorgung in Fig. 2(b) wird durch Signale des Zeitverzögerungsgenerators, wie in Fig. 4 des US-Patents 5.165.049 gezeigt, gezündet. Wenn nur eine Phasenwinkeleinstellschaltung verwendet wird, wie sie im US-Patent 5.165.049 offenbart ist (insbesondere in Fig. 4 des Patents), wird die Schaltung den Phasenwinkel φ kontinuierlich einstellen, um ein Optimum des Leistungstransfers beizuhalten. In diesem Beispiel wird der Phasenwinkel sich von φ&sub1; (Phasenwinkel, wenn Last 1 auf die Leistungsversorgung geschaltet wird) zu φ&sub2; (Phasenwinkel, wenn Last 2 auf die Leistungsversorgung geschaltet wird) vor und zurück ändern. Dieses Vor- und Zurückschalten zwischen den Lasten verursacht zeitweise Leistungsüberschüsse und -unterschüsse. Von Zeit t&sub0; bis t&sub1; wird ständig Leistung an Last 1 angelegt, weil die Phasenwinkeleinstellschaltung bereits in Aktion getreten ist, um den optimalen Phasenwinkel φ&sub1; einzustellen und keine signifikanten Änderungen der Resonanzfrequenz der Last 1 auftreten. Zur Zeit t&sub1; wird die Leistung von Last 1 auf Last 2 geschaltet. Da Last 2 eine andere Resonanzfrequenz als Last 1 hat, erfordert Last 2 aus den oben genannten Gründen einen unterschiedlichen Phasenwinkel φ (in diesem Fall einen kleineren Phasenwinkel φ&sub2;)- Wie auch immer, wenn mehrere Zyklen auftreten bevor die Phasenwinkeleinstellschaltung die Einstellung von φ&sub1; auf φ&sub2; vornimmt, tritt ein unerwünschter zeitweiser Unterschuß auf. Schließlich reduziert die Phasenwinkeleinstellschaltung den Phasenwinkel auf φ&sub2; unter Berücksichtigung der höheren Resonanzfrequenz und die Last kehrt auf den stabilen Zustand zurück. Zur Zeit t&sub2; verursacht die Schaltung von Last 2 zurück zu Last 1 einen unerwünschten zeitweisen Überschuß bei Last 1, weil der Phasenwinkel φ noch nicht wieder auf den geeigneten Wert für Last 1 eingestellt ist (d. h. Rückstellung von φ&sub2; zu φ&sub1;). Weder wird die Phasenwinkeleinstellschaltung schließlich den Phasenwinkel φ unter Berücksichtigung der niedrigeren Resonanzfrequenz vergrößern. Zur Zeit t&sub3; tritt der gleiche Leistungsunterschußeffekt auf wie zur Zeit t&sub1; usw.
• Insgesamt wird der Phasenwinkel φ, der durch die Schaltung in US-Patent 5.165.049 eingestellt wird, bei einem Lastschaltpunkt niemals optimal sein, wenn die Lasten, zwischen denen geschaltet wird, deutlich unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen.
• Fig. 2(c) und Fig. 2(d) zeigen entsprechend eine graphische Darstellung von Lastleistungsschaltungen und SCR-Wechselrichterzündimpulsschaltungen als eine Funktion der Zeit zum Schalten zwischen Last 1 und Last 2 in Fig. 2(a). Da die Lastschalter auch SCRs verwenden können, kann die Lastleistung durch Zündimpulse, die die entsprechenden SCR Lastschalter an- und ausschalten, geschaltet werden.
• Fig. 2(c) zeigt Zündimpulse zum Anschalten eines entsprechenden SCR-Lastschalters. (Simultane Zündimpulse schalten die andere Last aus.) Die SCR-Schalter-Zündimpulse sollten auftreten, sobald der Wechselrichterstrom Null durchläuft (d. h. zu den Zeiten t&sub1;, t&sub2;, t&sub3;, usw...). Unter Berücksichtigung aller Verzögerungen in der Elektronik und der SCR- Einschaltzeit ist es erforderlich, die SCR-Schalter kurz vor Durchgang des Stroms durch Null zu zünden. Wie auch immer, Fig. 2 zeigt eine idealisierte Situation, in der solche Verzögerungen nicht auftreten.
• Wenn der Nulldurchgang detektiert worden ist, dauert es eine kurze Zeit bis die Wechslrichter-SCRs gezündet werden, wodurch die Lieferung der Wechselrichterausgangsleistung zu den Lastschaltern erfolgt, die die Leistung zur geeigneten Last leiten. Dieses Zeitintervall oder Zeitverzögerungsperiode wird durch Feedback-Steuerung durch die Phasenwinkeleinstellschaltung eingestellt, offenbart in US-Patent 5.165.049, um einen gegebenen Phasenwinkel φ zu erhalten, der für die mit der Wechselrichterversorgung verbundenen Last geeignet ist. D. h., die Zeitverzögerungsperiode bestimmt den Phasenwinkel φ.
• Fig. 2(c) zeigt einen Zündimpuls bei Strom-Nulldurchgängen, entsprechend den Schaltpunkten zwischen Lasten 1 und 2. Fig. 2(d) zeigt Wechselrichter SCR-Zündimpulse zu Zeitintervallen tx und ty, nach den Null-Durchgangspunkten. D. h. ein Wechselrichterzündimpuls tritt zu den Zeiten t&sub1; + tx, t&sub2; + ty, t&sub3; + tx usw.) auf. Wie sich aus den Figs. 2(a) bis 2(d) ergibt, ist die Länge der Zeitintervalle proportional zum Phasenwinkel φ. Obwohl Fig. 2(d) nur Wechselrichterzündimpulse nach einer Schaltung zwischen den Lasten zeigt, ist dies so zu verstehen, daß ein Wechselrichterzündimpuls zum Zeitintervall nach jedem Nulldurchgang auftritt. Es ist weiter offensichtlich, daß, wenn, φ&sub1; größer als φ&sub2; ist, Zeitintervall tx größer sein muß als ty.
• Obwohl die Figuren. 2(a) bis 2(d) ein Beispiel zeigen, in dem ein einzelne Wechselrichterversorgung zwischen zwei Lasten schaltet, ist dies so zu verstehen, daß die Wechselrichterversorgung zwischen mehr als zwei Lasten schalten kann. D. h. es können mehr als zwei Phasenwinkel und damit verbundene Zeitverzögerungsperioden vorhanden sein. Entsprechend würde die graphische Darstellung der Lastleistung in Fig. 2(b) dann unterschiedliche Mengen an Über und Unterschuß für jedes Schalten zwischen aufeinanderfolgenden Lasten zeigen.
• Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm der Schaltung zur Reduzierung der in Fig. 2(b) illustrierten Über- und Unterschüsse. Das Blockdiagramm zeigt induktive Lasten 10&sub1;, 10&sub2;, ...10n, die den Lasten 1, 2 und n entsprechen. Jede induktive Last hat ein dazugehöriges durch Leistung eingestelltes Potentiometer 12&sub1;, 12&sub2;, ... (power set potentiomenter). Im Betrieb wird jedes Leistungseinstellpotentiometer 12&sub1;, 12&sub2;, 12n auf das gewünschte Niveau eingestellt. Die Leistungsniveaus werden an das Wechselrichterleistungsset 14 gesandt, das die analogen Potentiometerwerte in digitale Werte umwandelt und die Gesamtleistung aufsummiert. Das Leistungsset 14 skaliert die Leistung sofern erforderlich (z. B. wenn die, durch das Potentiometer eingestellte Gesamtleistung das Kapazitätsmaximum der Wechselrichterversorgung überschreitet) und gibt ein Signal ab, um die Wechselrichterversorgung 16 auf ein geeignetes Niveau einzustellen. Das Leistungsset 14 verwendet die Potentiometerwerte auch dazu, die Zeitperioden, die mit einem Pulsbreitenmodulations (PWM)-Schaltschema verbunden sind, so zu erleichtern, wie es weiter unten in Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben ist.
• Wechselrichter 16 kann jede beliebige Wechselrichterquelle sein. Ein geeigneter Wechselrichtertyp ist in Fig. 2 des US-Patents 5.165.049 gezeigt. Immer wenn Wechselrichter 16 einen Zündimpuls von der pulserzeugenden Quelle erhält, gibt er Leistung ab. Eine solche Quelle ist die Schaltung, wie sie in Form eines Blockdiagramms in Fig. 4 des US-Patents 5.165.049 gezeigt ist und darin als "Z-Steuerung" bezeichnet wird. Wie im US-Patent beschrieben, gibt der Verzögerungsgenerator in der Z-Steuerschaltung einen Zündimpuls ab, wenn ihr Zeitgeberkondensator einen festen Schwellenwert oder eine Schwellen-Steuerspannung erreicht. Weiterhin kann die Z-Steuerung den Phasenwinkel durch Variieren der Ladungsrate des Zeitgeberkondensators einzustellen und dadurch die Zeit, die der Kondensator benötigt, um den eingestellten Schwellenwert zu erreichen, der Schwellenwert oder die Schwelle der Steuerspannung des Zeitverzögerungsgenerators bleibt fixiert.
• Fig. 3 der Erfindung zeigt die Z-Steuerschaltung 18 mit einem dazugehörigen Zeiverzögerungsgenerator 20. Der Zeitverzögerungsgenerator einer Ausführungsform ist ähnlich der Z-Steuerschaltung im US-Patent 5.165.049, der einen Zeitverzögerungsgenerator 122 besitzt, aber ohne die Fähigkeit der erfindungsgemäßen Schaltung, die Schwellen-Steuerspannung einzustellen.
• Während des Betriebes der Schaltung in Fig. 3 liefert der Inverter 16 seine Ausgangsleistung an die Last-Schaltung 22, die die Ausgangsleistung an die geeignete Last 1, 2, oder n in Übereinstimmung mit dem PWM-Schema weiterleitet. Die Wechselrichterausgangsleistung wird auch an die Überschuß/ Unterschuß-Meßschaltung 24, die das Niveau der Ausgangsleistung überwacht und die Maximal- und Minimalwerte der Schaltleistung bestimmt, die an den Schaltpunkten während eines ersten Schaltzyklus auftreten und Prozessor 26 über die Werte informiert. Der Maximal- und Minimalwert der Schaltleistung stellt eine Leistungsmenge dar, die von der Last abgegeben wird, die größer oder kleiner als die durch das Leistungsset 14 eingestellte Leistungsmenge ist. D. h., die Gegenwart eines signifikanten Überschusses oder Unterschusses indiziert, daß der Phasenwinkel φ einer vorgegebenen Last zeitweise nicht seinem idealen gewünschten Wert entspricht. Der Prozessor 26 bestimmt auf Grundlage der Maximal- und Minimalwerte, wie der Phasenwinkel φ eingestellt werden muß, um den idealen, erwünschten Wert für die Last zu erhalten und wandelt diese Information in einen Zeitverzögerungswert um. Der Zeitverzögerungswert wird dann in einem Register des Speichers 28 des Prozessors 26 gespeichert.
• Während des nächsten Schaltzyklus erhält der Prozessor 26 vom geeigneten Register des Speichers 28 den Zeitverzögerungswert und gibt den Wert zum D/A-Wandler 30. Der D/A- Wandler 30 wandelt den digitalen Wert in einen analogen Wert um (ein Steuerungsspannungsniveau) und stellt das Niveau dem Zeitverzögerungsgenerator 20 zur Verfügung. D. h. in der Ausführungsform der Fig. 3 stellt der Zeitverzögerungswert die Schwellen-Steuerungsspannung des Zeitverzögerungsgenerators 20 in der Z- Steuerschaltung 18 dar. Der Zeitverzögerungsgenerator 20 spricht auf dieses analoge Signal durch Einstellung der Verzögerung zwischen dem Schaltpunkt (immer beim Strom- Nulldurchgang) und Zündung der Inverter-SCRs an. (Das Zünden der Inverter-SCRs verursacht einen Leistungsfluß von der Wechselrichterversorgung zur Last, wie im US- Patent 5.165.049 erläutert.)
• In einer Ausführungsform der Erfindung wird der Schwellenwert der Steuerspannung entsprechend folgender Formel eingestellt.
• (Gleichung 2)
• für die gilt
• Vold ist die ursprüngliche Steuerspannung;
• Vnew ist die Steuerspannung für die nachfolgende induktive Last;
• P&sub1; ist die festgelegte Leistungsmenge;
• P&sub2; ist der Leistungsmenge an Überschuß oder Unterschuß;
• P&sub2; wird in Meßschaltung 24 durch Aufnahme einer Leistungsantwortkurve, wie sie in Fig. 2(b) gezeigt ist, bestimmt. Es ist zu bemerken, daß Gleichung 2 nur ein Beispiel für eine Formel ist, die zur Bestimmung der Werte zur Einstellung der Schwefle der Steuerspannung verwendet werden kann.
• Die Berechnung von Gleichung 2 wird während des ersten Schaltzyklus zwischen den aufeinanderfolgenden Lasten durchgeführt, dabei wird eine Serie von Schwellen- Steuerspannungen erhalten, die in einem Speicher 28 gespeichert werden - eine für jede Last. Während nachfolgender Schaltzyklen wird Gleichung 2 nur durchgeführt, wenn es erforderlich ist, d. h. nur wenn der Überschuß oder Unterschuß signifikant groß genug ist, um eine Rückberechung auf Vnew zu gewährleisten, wie es eintreten würde, wenn die Resonanzfrequenz einer einzelnen Last sich signifikant ändern würde. In der Praxis wird die Schwellen-Steuerspannung für den Übergang von Last n zu Last 1 nicht berechnet. Diese Schwellen-Steuerspannung wird irgendwo in der Mitte des Bereiches der Schwellen- Steuerspannungen festgelegt und bleibt die ganze Zeit fixiert. Typische Zeitverzögerungsgenerator integrierte Schaltkreise, wie sie in Fig. 4 des US-Patents 5.165.049 gezeigt sind, haben Schelfen = Steuerspannungen im Bereich von etwa 5 V bis 15 V. Die Schwellen-Steuerspannung kann daher auf etwa 8 V festgelegt und durch neue Werte für Schaltungen von den Lasten 1 zu 2, 2 zu 3, ..., und von n zurück zu 1 ersetzt werden. Entsprechend liegen n-1 unterschiedliche Schwellen für Steuerspannungen vor, wenn zwischen n Lasten geschaltet wird.
• Wie oben beschrieben, beinhaltet Prozessor 26 einen Speicher 28 mit Registern 1 bis n-1 zur Speicherung der Vnew Steuerspannungswerte aus Gleichung 2. Z. B. könnte Register 1 einen Wert 10 speichern, der indiziert, daß die Steuerspannung auf 10 V eingestellt wird oder beim Schalten von Last 1 zu Last 2 auf 10 V wechselt. Register 2 könnte einen Wert von 7 V speichern, der anzeigt, daß die Steuerspannung bei der Schaltung von Last 2 zu Last 3 auf 7 V wechselt usw. Wann immer die Last von Last n auf Last 1 zurückgeschaltet wird, wird die ursprüngliche Steuerspannung immer wiederhergestellt.
• Es ist darauf hinzuweisen, daß während des ersten Schaltzyklus keine Einstellung der Steuerspannung erfolgt, selbst wenn signifikante Überschüsse oder Unterschüsse auftreten. Statt dessen dürfen diese Überschüsse und Unterschüsse auftreten, sie werden gemessen und dazu genutzt, geeignete Einstellungen in der Steuerspannung zu berechnen, um das zukünftige Auftreten von Überschüssen und Unterschüssen zu vermeiden.
• Während des ersten Schaltzyklus (d. h. wenn das System zum ersten Mal angeschaltet wird) wird die Ausgangsleistung der Wechselrichterversorgung auf 30% oder weniger der vollen Leistung maßstäblich verkleinert, ungeachtet der Einstellungen der Potentiometer zur Leistungseinstellung. Dieses anfängliche maßstäbliche Verkleinern ist notwendig, um das Auftreten eines Überschusses einer Amplitude zu verhindern, der die kritischen Schaltkreiskomponenten zerstören könnte. Obwohl die erfindungsgemäße Schaltung nachfolgende Überschüsse reduziert, können bestimmte Komponenten versagen, wenn sie exessiven Überschüssen bei einem Maximum des Wechselrichterausgangs ausgesetzt sind. Durch eine deutliche maßstäbliche Verkleinerung der Leistung wird sich der absolute Überschuß im sicheren Bereich befinden und selbst ein prozentual relativ großer Überschuß Schaltkreiskomponenten nicht exessiven Leistungsniveaus aussetzen. Da die Menge an Überschuß und Unterschuß, die durch das Schalten von einer Last zur nächsten verursacht wird, proportional zum Wechselricherausgang ist (d. h. ein 50% Leistungsüberschuß bei maximaler Wechselrichterleistung wird auch als 50% Leistungsüberschuß bei 30% Wechselrichterleistung auftreten), verändert die Überschuß- Unterschußmesseinrichtung 24 den Ausgang entsprechend maßstäblich, so daß die Berechnungen, die vom Prozessor 26 zur Bestimmung der geeigneten Zeitverzögerung durchgeführt werden, nicht durch die absoluten Leistungseinstellungen beeinflußt werden.
• In der erfindungsgemäßen Umgebung wird die Leistung von einer einzelnen Wechselrichterversorgung zwischen mehreren Lasten (z. B. mehrere Induktionsöfen) durch ein Pulsbreitemodulations (PWM) -Schema verteilt. Das Energieversorgungsteil ist amplitudenmoduliert, z. B. durch Potentiometer an jeder Last, um das gewünschte Niveau der Ausgangsleistung für die entsprechende Last zu Verfügung zu stellen. Die Leistung wird individuell für jede Last durch ein entsprechendes Potentiometer zur Einstellung der Leistung 12&sub1;, 12&sub2;, ...12n eingestellt. Dann werden die Signale von jedem individuellen leistungseingestellten Potentiometer durch eine Mikrosteuerung zusammen addiert, um das Leistungs-eingestellte Signal der Wechselrichterversorgung zu erhalten. D. h., daß das Niveau der Ausgangsleistung der Wechselrichterversorgung wird nicht an der Energieversorgung festgelegt oder eingestellt. Statt dessen wird es festgelegt und eingestellt durch Variieren eines oder mehrerer Potentiometer zur Leistungseinstellung, die mit den Lasten verbunden sind. Die Potentiometer zur Leistungseinstellung 12&sub1;, 12&sub2;, ...12n jeder Last sind alle identisch und können in einen Spannungsbereich, der Werte von 0% Leistung bis 100% Leistung repräsentiert, eingestellt werden.
• Ist die Leistung z. B auf 30% für Last 1 und 40% für Last 2 gesetzt, wird der Wechselrichter 70% (30+40 = 70) seiner vollen Leistugsmenge zur Verfügung stellen. Wenn der prozentuale Anteil der Last 100% übersteigt, werden die Leistungsniveaus für jede entsprechende Last proportional maßstäblich verkleinert. Wenn z. B. Last 1 auf 70% gesetzt ist und Last 2 auf 60%, wird die reale Last maßstäblich auf 54% verkleinert (70/(70 + 60) = 54) und Last 2 entsprechend auf 46% (60/(70 + 60) = 46).
• Wenn die gesamte Leistungsabgabe des Wechselrichters eingestellt ist, verteilt das PWM- Schema die Leistung zwischen den Lasten in Zeitintervallen proportional den Potentiometereinstellungen. Im ersten oben genannten Beispiel würde Last 1 für 3/7 der Zeit Leistung und Last 2 für 4/7 der Zeit Leistung erhalten. D. h., wenn der Zeitzyklus 10 Sekunden beträgt, würde Last 1 für etwa 4,3 Sekunden an und für etwa 5,7 eines jeden Zeitzyklus ausgeschaltet sein. Entsprechend würde Last 2 für näherungsweise 5,7 Sekunden an und für näherungsweise 4,3 Sekunden eines jeden Zeitzyklus ausgeschaltet sein. Im zweiten Beispiel würde Last 1 für 54% der Zeit Leistung und Last 2 für 46% der Zeit Leistung erhalten.
• Fig. 4 zeigt Wellenformen und Gatterimpulse, die dem Pulsbreitenmodulations-Schema entsprechen, wobei eine einzelne Wechselrichterversorgung zwischen drei Öfen schaltet. Auf diese Weise wird Leistung von einer einzelnen Wechselrichterversorgung - durch Schalten zwischen den Öfen zu voreingestellten Zeitperioden - zwischen mehreren Lasten geteilt (z. B. mehrere Induktionsöfen). Im gezeigten Beispiel erfordert Ofen 1 10 kW Leistung, Ofen 2 erfordert 20 kW Leistung und Ofen 3 erfordert 20 kW Leistung. D. h., die Wechselrichterversorgung wird so eingestellt, daß sie 50 kW zur Verfügung stellt. In diesem Beispiel ist ein maßstäbliches Verkleinern nicht erforderlich, weil die Wechselrichterversorgung nicht ihre maximale Kapazität überschritten hat.
• Das Beispiel in Fig. 4 führt das PWM wie folgt durch: ein Gatter (gate), das ein Signal für Ofen 1 ermöglicht, ist für 1/5 eines Zyklus angeschaltet und für 4/5 eines Zyklus ausgeschaltet. Ein Gatter, das ein Signal für Ofen 2 ermöglicht, ist für 2/5 eines Zyklus angeschaltet und für 3/5 eines Zyklus ausgeschaltet. Schließlich ist ein Gatter, das ein Signal für Ofen 3 ermöglicht, 2/5 eines Zyklus angeschaltet und für 3/5 eines Zyklus ausgeschaltet. Es sind nie zwei Gatter, die Signale ermöglichen, gleichzeitig angeschaltet. So wird die Wechselrichterversorgung in gepulsten Zeitintervallen - die so berechnet sind, daß die 50 kW zwischen den drei Öfen in den gewünschten Mengen entsprechend den Leistungs-eingestellten Potentiometern aufgeteilt wird, auf den richtigen Ofen geschaltet. Z. B. wird zur Zeit t&sub1; Leistung vom Ofen 1 zu Ofen 2 geschaltet. Zur Zeit t&sub2; wird Leistung von Ofen 2 zu Ofen 3 geschaltet. Zur Zeit t&sub3; wird Leistung von Ofen 3 zu Ofen 1 geschaltet, usw. Das Schalten erfolgt bei einem Nulldurchgang des Wechselrichterstroms (d. h. wenn der Wechselrichterstrom Null ist). Ein Nulldurchgangsdetektor zeigt an, wann der Wechselrichterstrom Null ist und die Schaltung erfolgen kann.
• Fig. 4 stellt Öfen mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen dar. Wie oben diskutiert, wird die Resonanzfrequenz eines Ofens in Abhängigkeit von vielen Faktoren variieren, wie z. B. der Zusammensetzung, Temperatur und Menge der Metallcharge darin.
• Fig. 5(a) zeigt eine graphische Darstellung des Laststroms als Funktion der Zeit für dieselben Lasten wie in Fig. 2(a) und zeigt die Art und Weise, in der die Erfindung auf die Ursache von Leistungsüberschüssen und Unterschüssen anspricht (d. h. die Unfähigkeit, schnell den Phasenwinkel φ an einem Lastschaltpunkt auf einen optimalen Wert zu setzten, wenn die Lasten, zwischen denen geschaltet wird, signifikant unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben). Die Erfindung kann die Überschüssen und die Unterschüsse auf virtuell nicht nachweisbares Niveau reduzieren, ähnlich wie es in Fig. 5(b) gezeigt ist.
• Fig. 5(c) und Fig. 5(d) zeigen entsprechend eine graphische Darstellung von Lastleistungsschaltern und SCR-Wechselrichterzündimpulsschaltern als eine Funktion der Schalt-Zeit zwischen Last 1 und Last 2 in Fig. 5(a). Die Lastleistungsschalter (Schalter SCRs) zünden wie in Fig. 2(a) gezeigt. Wie auch immer, werden die Wechselrichter-SCRs in Zeitintervallen gezündet, die für die Resonanzfrequenz der einzelnen Last geeignet sind. Wie in Fig. 5(d) gezeigt, treten die Wechselrichter-SCR-Zündimpulse zu Zeiten t&sub1; + ty, t&sub2; + tx, t&sub3; + ty und so weiter auf. Erfindungsgemäß ist keine Phasenwinkeleinstellungsperiode erforderlich. Der Phasenwinkel φ wird auf das Schalten hin sofort auf den geeigneten Wert eingestellt, wie durch Prozessor 26 in Fig. 3 bestimmt.
• Wie oben beschrieben, wird der geeignete Wert dadurch bestimmt, daß während des ersten Schaltens das Auftreten von Überschuß oder Unterschuß zugelassen wird, wobei die Wechsefrichterausgangsleistung auf 30% oder weniger seiner maximalen Leistung maßstäblich verkleinert wird, Messen der maximalen Menge an Überschuß und Unterschuß und Bestimmung der geeigneten Zeitverzögerung (nämlich des Phasenwinkels), die notwendig ist, Überschuß und Unterschuß während des nachfolgenden Schaltzyklus zu vermeiden. Der Einstellwert wird gespeichert (ein Einstellwert für jede Last) und dann abgerufen, wenn er gebraucht wird. D. h., daß wenn die Wellenform des Laststroms in Fig. 5(a) rückwärts verlängert würde, um den allerersten Schaltzyklus zu zeigen, würde ein Unterschuß, ähnlich dem in Fig. 2(a) gezeigten in der Lastleistungsdarstellung der Fig. 5(b) am ersten Schaltpunkt vorliegen.
• Die oben beschriebene Lastschaltung sollte nur auftreten, wenn der Wechselrichterstrom die Richtung ändert. Zu dieser Zeit ist die Energie, die in allen Induktoren akkumuliert ist, gleich Null, und es werden keine Spannungsspitzen auftreten, die auf abrupter Stromunterbrechung beruhen. Das Wechselrichterschalten muß auch mit den Nulldurchgangsimpulsen synchronisiert sein und kann nur während der Zeitperioden zwischen Wechselrichterzündimpulsen und den Nulldurchgängen des Wechselrichterstromes zugelassen werden.
• Es ist darauf hinzuweisen, daß, wenn die Erfindung in Zusammenhang mit der Phasenwinkeleinstellschaltung verwendet wird, wie in US-Patent 5165079 offenbart, diese Schaltung immer noch funktioniert, während Leistung an eine Last abgegeben wird, um Phasenwinkeleinstellungen zu bewirken, die durch kleinere Drifts der Resonanzfrequenz der entsprechenden Last verursacht werden, die aufgrund Wechseln in den Tiegelparametern (z. B. Zusammensetzung, Temperatur, Menge) auftreten.
• Fig. 6 zeigt ein funktionales Flußdiagramm der erfindungsgemäßen Schritte nachdem die Wechselrichterausgangsleistung und die mit dem PWM-Schema entsprechende Zeitintervalle eingestellt worden sind.
• Fig. 7 und Fig. 8 zeigen wie das Hinzufügen einer Phaseneinstellschaltung, die auf Überschuß und Unterschußwerte anspricht, die Leistung beeinflußt.
• Fig. 7 zeigt Leistung als eine Funktion der Zeit, wenn eine einzelne Wechselrichterquelle, die durch einen Zeitverzögerungsgenerator mit einer festeingestellten Steuerspannung gezündet wird, zwischen zwei induktiven Lasten in Form von Ofen 1 und 2 geschaltet wird. Ein Unterschied in den Resonanzfrequenzen von Ofen 1 gegenüber Ofen 2 verursacht signifikanten Überschuß und Unterschuß in der Nähe der Schaltpunkte. Der Unterschuß und Überschuß sind deutlich sichtbar.
• Fig. 8 zeigt Leistung als eine Funktion der Zeit, wobei die gleiche einzelne Wechselrichterquelle der Fig. 7 zwischen den gleichen zwei induktiven Lasten der Fig. 7 während der gleichen Zeitperiode geschaltet werden. In Fig. 8 ist die Schaltung, die die erfindungsgemäße Phaseneinstellschaltung verwendet, die auf Überschuß/Unterschußwerte reagiert, dem System zugefügt. In dieser besonderen Ausführungsform ist die Phaseneinstellung unter Erlauben von Einstellungen der Steuerspannungen des Zeitverzögerungsgenerators 28 durchgeführt worden. Wie in Fig. 8 gezeigt, werden die Überschüsse und Unterschüsse, die in Fig. 7 gegenwärtig sind, sichtlich durch eine solche Schaltung eliminiert.
• Die Erfindung ist oben hinsichtlich einer Phaseneinstellschaltung unter Verwendung eines Zeitverzögerungsgenerators 28 beschrieben worden, wobei die Zeitverzögerung durch Einstellen ihrer Steuerspannung eingestellt wird. Der Schutzumfang der Erfindung ist nicht auf solche analogen Implementierungen eingeschränkt. Die oben beschriebene Ausführungsform der Erfindung könnte "analog" verstanden werden in dem Sinne, daß eine variable Steuerspannung die Schwefle des Spannungsniveaus zum Aufladen der Kondensatoren bestimmt und dadurch die Zeitverzögerung einstellt. Im Gegenteil soll der Schutzbereich der Erfindung alle digitalen mikroprozessorimplementierten Versionen der Phaseneinstellung umfassen. Wie ein Fachmann feststellen wird, kann die oben beschriebene analoge Implementierung leicht durch eine digitale mikroprozessorkontrol lierte Schaltung, die programmiert wird, die Wechselrichter-SCRs in programmierten Zeitintervallen nach dem Nulldurchgang eines dazugehörigen Lastschaltpunktes zu zünden, ersetzt werden. D. h., der Zeitverzögerungsgenerator 20 würde durch einen Mikroprozessor ersetzt werden, der programmiert ist, variierende digitale Zeitverzögerungsperioden zur Verfügung zu stellen.
• Mikroprozessoren sind ideal für solche zeitorientierten Aufgaben geeignet. In einer solchen Ausführungsform ist es erforderlich, zumindest grob die notwendige Zeiteinstellung auf das Zeitintervall zwischen einem Nulldurchgang und der SCR-Zündung vorherzubestimmen, um eine bekannte Menge an Überschuß oder Unterschuß zu korrigieren. Dieser Vorherzubestimmungs-Schritt ist äquivalent zur Korrelation des Effektes der Steuerspannung mit dem aktuellen Zeitverzögerungsintervall in Gleichung 2. Sobald diese Werte bekannt sind, kann der Mikroprozessor programmiert werden, um (a) gemessene Werte an Überschuß und Unterschuß während eines ersten Schaltzyklus zu erhalten; (b) das geeignete Zeitverzögerungsintervall zu bestimmen; (c) solch ein Intervall während nachfolgender Schaftzyklen zur Verfügung zu stellen. Ein Vorteil einer mikroprozessorbasierten Implementierung der Phasenverschiebungs-Einstellung ist, daß die hohe Betriebsfrequenz des Mikroprozessors gegenüber der Frequenz des Wechselrichters und der Resonanzfrequenz der Lasten es dem Mikroprozessor erlaubt, kontinuierlich die o. g. Schritte (a) bis (c) durchzuführen und dabei während jedes Zyklus minimale Phasenverschiebungseinstellungen vorzunehmen. D. h., der Mikroprozessor kann kontinuierlich die Lastleistung für Überschuß und Unterschuß überwachen und kontinuierlich die geeigneten Einstellungen bezüglich des Zeitverzögerungsintervalls vornehmen.
• Die mikroprozessorbasierte Ausführungsform ist ähnlich der spezifischen, oben beschriebenen Ausführungsform sofern, als das Zeitverzögerungsintervall für Last 1 festgelegt werden kann und auf einen anderen Wert unter Verwendung berechneter und gespeicherter Werte für Lasten 2, 3, , n geändert wird. So kann der Mikroprozessor aktuelle Zeitverzögerungsintervalle für jede Last speichern und nach Schalten auf die Last, um die Wechselrichterausgangsleistung zu erhalten, kann das Zeitverzögerungsintervall durch ein neues Intervall ersetzt werden, das mit der entsprechenden Last verbunden ist. Bei der Verwendung - entweder der Ausführungsform mit der Steuerspannungseinstellung oder der mikroprozessorbasierten Ausführungsform - ist es wichtig, daß die Eingabe der Zeitverzögerungsinformation in den Zeitverzögerungsgenerator nur während Zeitperioden erfolgt, die durch die Zeitperiode nach einem Zünden eines Wechselrichter-SCRs und vor dem nächsten Stromnulldurchgang definiert sind. Das Laden darf nicht während der Zeitperioden erfolgen, durch Zeitperioden nach einem Nulldurchgang und vor einem Zünden eines Wechselrichter-SCRs die definiert sind, weil diese Zeitperioden durch die vorher eingegebene Zeitverzögerungsperiode gesteuert sind und nicht bis zum Zünden des Wechselrichter SCRs gelöscht oder geändert werden dürfen.
• Es ist darauf hinzuweisen, daß die gesamte Z-Steuerschaltung 18 kein notwendiges Merkmal der Erfindung ist. Sie ist lediglich notwendig, um die Funktion zur Erzeugung der Zeitverzögerung der Schaltung zur Verfügung zu stellen. D. h., in einer Mikroprozessorimplimentierten-Ausführungsform können andere Merkmale der Z-Steuerschaltung 18 als die Erzeugung einer Zeitverzögerung zur verzögerten Zündung der Wechselrichter SCRs weggelassen oder durch den Mikroprozessor selbst zur Verfügung gestellt werden.
• Die neue Kontrollvorrichtung und Verfahren, wie oben beschrieben, ermöglicht einen signifikanten Vorteil gegenüber dem Stand der Technik. Insbesondere ermöglichen die Vorrichtung und das Verfahren einer einzelnen Wechselrichterversorgung, mehrere induktive Lasten mittels einer Art Pulsbreitenmodulation zu versorgen, während Lastleistungsüberschüsse und -unterschüsse minimiert werden, die anderenfalls aus der schnellen Schaltung zwischen nachfolgenden Lasten entstünden.

Claims (11)

1. Verfahren zum Schalten von Leistung in Pulsbreitenmodulation von einem Ausgang einer einzelnen Wechselrichterversorgung zu mehreren induktiven Lasten, wobei jede induktive Last eine entsprechende Resonanzfrequenz besitzt und die Wechselrichterversorgung auf die Abgabe einer festen Ausgangsleistung eingestellt ist, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte:

(a) während eines ersten Schaltzyklus

(i) Voreinstellen eines Anfangs-Zeitverzögerungswertes, der die Zeit zwischen dem Schalten einer entsprechenden Last bis zum Empfang der Leistung der Wechselrichterversorgung zu repräsentiert und wann die Wechselrichterversorgung angetriggert wird, um die Leistung tatsächlich auszugeben;

(ii) Messen einer Maximalmenge Überschuß und/oder Unterschuß, der beim Schalten auf eine nachfolgende Last auftritt, wobei der Überschuß und/oder Unterschuß die Menge der durch die Last gezogene Leistung darstellt, die größer oder kleiner als die festgelegte Ausgangsleistung des Wechselrichters ist;

(iii) Bestimmen eines Zeitverzögerungswertes für jede Last, der den Überschuß und/oder Unterschuß korrigiert;

(iv) Laden des Zeitverzögerungswertes φür jede Last in einen Speicher

(b) während nachfolgender Umschaltzyklen

(i) Erhalten der Zeitverzögerungswerte beim Schalten auf die entsprechende Last, um die Leistung der Wechselrichterversorgung zu erhalten; und

(ii) Einstellen eines neuen Zeitverzögerungswertes unter Verwendung des Wertes für die entsprechende Last, wodurch nachfolgende Mengen Überschuß und/oder Unterschuß reduziert werden.

2. Steuervorrichtung zum Schalten von Leistung vom Ausgang einer einzelnen Wechselrichterversorgung (16) auf wenigstens eine ausgewählte mehrerer induktiver Lasten (10), wobei jede induktive Last eine entsprechende Resonanzfrequenz aufweist; wobei die Wechselrichterversorgung einen Wechselrichterausgangsschalter aufweist und auf Abgabe einer vorherbestimmten Leistungsmenge einstellbar ist, wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch:

(a) Lastschaltmittel (22) zum selektiven Schalten des Wechselrichterausgangs zwischen einzelnen ausgewählten der mehreren induktiven Lasten im time-sharing;

(b) Mittel (24) zum Messen der Ausgangsleistung des Wechselrichters und Detektion eines Überschußes und/oder Unterschußes der Leistungswerte, der auftritt, wenn von einer induktiven Last auf die andere umgeschaltet wird;

(c) eine Zeitverzögerungsquelle (20), verbunden mit den Lastschaltmitteln zum Starten einer Zeitverzögerungsperiode beim Schalten von einer induktiven Last zu einer anderen und zur Erzeugung und Abgabe eines Signals am vorausgewählten Ende der Zeitverzögerungsperiode, wobei das Signal den Wechselrichterausgangsschalter antriggert, um den Ausgang des Wechselrichters an das Lastumschaltmittel zum Schalten auf die ausgewählte Last zu legen; und

(d) Mittel (26) zum Einstellen des vorausgewählten Endes der Zeitverzögerungsperiode während eines nachfolgenden Umschaltvorgangs von einer Last zu einer anderen als Antwort auf die gemessene Überschuß- und/oder Unterschußleistung um einen Betrag, der zur Reduktion des nachfolgenden Leistungsüberschusses und/oder Leistungsunterschusses berechnet wurde.

3. Steuervorrichtung gemäß Anspruch 2, ferner gekennzeichnet durch Mittel (28) zum Speichern separater Zeitverzögerungsperiodenendwerte basierend auf den Überschuß- und/oder Unterschuß-Stromwerten entsprechend dem Umschalten zwischen aufeinanderfolgenden induktiven Lasten (10), wobei die Zeitverzögerungsperioden einzeln entsprechend den separat gespeicherten Werten beim Schalten auf jede folgende induktive Last vorgegeben werden.

4. Steuereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, worin die Zeitverzögerungsquelle (20) ein Steuerspannungsniveau umfaßt, die Zeitverzögerungsquelle das auslösende Signals beim Erreichen des Steuerspannungsniveaus erzeugt und abgibt, die Zeitperiodenwerte das Steuerspannungsniveau repräsentieren, wobei das Steuerspannungsniveau ein ursprüngliches Steuerspannungsniveau und ein Niveau entsprechend jeder induktiven Last besitzt.

5. Steuervorrichtung gemäß Anspruch 4, worin der Steuerspannungsniveau entsprechend der Formel

bestimmt wird, worin

Vold die ursprüngliche Steuerspannung;

Vnew die Steuerspannung für die nachfolgende induktive Last;

P&sub1; die festgelegte Leistungsmenge der Wechselrichterversorgung; und

P&sub2; die Leistungsmenge beim Überschuß und/oder Unterschuß ist.

6. Steuervorrichtung gemäß Anspruch 5, worin die Gleichung in der Formel während des ersten Zyklus des Schaltens auf nachfolgende Lasten und anschließend nur noch durchgeführt wird, wenn das Mittel zur Messung des Leistungsausgangs einen Leistungsüberschuß und/oder Leistungsunterschuß außerhalb vorausgewählter Grenzen entdeckt.

7. Steuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4, 5 oder 6 ferner gekennzeichnet durch einen Speicher (28) zum Speichern von für eine Steuerungsspannung typischen Werten, wobei die immer dann im Speicher aktualisiert werden, wenn ein neues Steuerspannungsniveau bestimmt wird.

8. Steuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Steuerspannung für eine Last auf einem vorausgewählten Festwert festgelegt ist und sich für die anderen Lasten das Steuerspannungsniveau entsprechend dem jeder induktiven Last zugehörigen Niveau ändert.

9. Steuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die Zeitverzögerungsperiode für eine der genannten Lasten fest ist, die Zeitperioden der anderen Lasten von der festen Zeitperiode aus eingestellt sind.

10. Steuervorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die induktiven Lasten entweder mehrere induktive Öfen oder mehrere Zonen einer einzelnen induktiven Last beinhalten.

11. Steuervorrichtung gemäß Anspruch 2, ferner gekennzeichnet durch

(e) Mittel (18) zum Nachweis von Nulldurchgängen von Strom im mit den Schaltmitteln der induktiven Last verbundenen Wechselrichter, wobei die Schaltmittel der induktiven Lasten bei Nulldurchgängen des Stromes im Wechselrichter schalten.