DE69932770T2

DE69932770T2 - Fehler zulassende energieversorgungsschaltung

Info

Publication number: DE69932770T2
Application number: DE69932770T
Authority: DE
Inventors: John H. Mount Laurel Mortimer; Oleg S. Maple Glen Fishman; Simeon Z. Englewood Rotman; Richard A. Moorestown Ranlof
Original assignee: Inductotherm Corp
Current assignee: Inductotherm Corp
Priority date: 1998-05-28
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2019-02-05
Also published as: BR9901877A; US6038157A; JP3209727B2; EP0961394B1; KR19990088564A; DE69932770D1; EP0961394A3; JP2000014173A; AU757390B2; KR100332557B1; ES2268827T3; EP0961394A2; AU9814998A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Energieversorgung für Induktionsschmelzanlagen und insbesondere auf eine Fehler zulassende Energieversorgungsschaltung für einen Reihen-Resonanzwechselrichter, der empfindliche Leistungshalbleitervorrichtungen gegenüber übermässigen Überspannungs- oder Überstrombedingungen schützt und thermisch bedingte und spannungsbedingte Ausfälle der Halbleitervorrichtungen verhindert.
Hintergrund der Erfindung
Eine herkömmliche Reihenresonanzwechselrichter-Energieversorgungsschaltung für einen Induktionsofen oder andere Belastungen mit induktiver Impedanz umfassen eine Gleichstromenergiequelle und eine Vielzahl von induktiven Drosselspulen in Reihe mit Wechselrichterleistungsschaltvorrichtungen, z.B. siliciumgesteuerte Gleichrichter (SCRs). Die induktiven Drosselspulen begrenzen die Stromänderungsrate an den SCRs während der Kommutation und werden häufig als „di/dt Drosselspulen" bezeichnet. Die SCRs sind in Reihe mit einer Induktionsspule verbunden und so getriggert, dass sie abwechselnd leitend und nicht leitend werden. Bei dieser Anordnung ermöglichen die SCRs einen Stromfluss abwechselnd durch die Induktionsspule, der in wechselnden Richtungen fliesst. Dies erzeugt einen Wechselstrom in der Spule.
Parallelresonanz-Wechselrichter-Energie-Versorgungsschaltungen werden auch benutzt, um Induktionsheizungs- und Schmelzspulen zu beaufschlagen. Reihenresonanz-Wechselrichter-Energieversorgungen werden jedoch wegen ihrer höheren Wirksamkeit bevorzugt. Ein Problem mit Reihenresonanz-Wechselrichter-Energieversorgungen ist deren Anfälligkeit gegenüber Kurzschlussbedingungen an der Induktionsspule. Es geschieht relativ häufig, dass geschmolzene Metallspritzer oder Teile von Metallschrott beim Beladen eines Ofens in Berührung mit der Induktionsspule kommen und zwei oder mehrere Spulenwindungen kurzschliessen. Dies ist eine ernst zu nehmende Angelegenheit, da eine kurzgeschlossene Spule erhebliche Beschädigungen an der Wechselrichterenergieversorgung hervorrufen kann.
Z.B. kann im Falle eines Kurzschlusses über zwei oder mehrere Windungen der Induktionsspule ein spontaner und im allgemeinen katastrophaler Überspannungszustand an den nicht leitenden SCRs des Wechselrichters auftreten. Bislang wurden Versuche unternommen, einem derartigen Überspannungszustand dadaruch zu begegnen, sofern ein solcher Zustand überhaupt festgestellt wurde, dass die beeinflussten SCRs in den leitenden Zustand getriggert wurden, um den Überspannungszustand an den SCRs auszuschalten. Wechslrichterenergieversorgungen und Schutzvorkehrungen der vorbeschriebenen Art offenbaren, sind die US Patente Nr. 4 060 757, 4 570 212, 4 710 862, 5 235 487 und 5 418 706.
Diese Vorgehensweise hat jedoch Nachteile, wobei nicht der geringste Nachteil derjenige ist, dass sie extrem hohe Ströme verursacht, die durch die SCRs fliessen, was wiederum eine grosse Erhitzung a den SCRs in sehr kurzer Zeitdauer hervorruft. Die SCRs müssen tatsächlich einen extrem hohen Strom aushalten, um zu verhindern, einer Überspannung ausgesetzt zu werden. Dieser Zustand kann zu erheblichen Spannungsbelastungen an den SCRs und zu einem vorzeitigen Versagen führen. Die US-A-4 442 479 offenbart einen Wechselrichter mit einer Schutzschaltung auf Basis eines magnetischen Verstärkers. Bei einer Induktionsschmelzanwendung mit hoher Energie ist die Verwendung von magnetischen Verstärkern aufgrund der hohen Verluste an den magnetischen Verstärkern nicht geeignet.
Die vorliegende Erfindung löst das Problem des überspannungsinduzierten Versagens durch Reduzierung der Überspannung beim ersten Auftreten. Die vorliegende Erfindung fügt eine Induktivität in Reihe zu einer Induktionsspule, um die Überspannung zu unterdrücken, die anderenfalls an den Schaltvorrichtungen im Falle eines Kurzschlusses an der Induktionsspule auftreten würde. Dies schützt die Schaltvorrichtungen sowohl gegenüber Spannungsbelastung als auch thermischen Schäden. Bei der vorliegenden Erfindung ist es nicht mehr erforderlich, dass die Schaltvorrichtungen hohe Ströme aufnehmen müssen, um zu verhindern, dass sie Überspannungsbedingungen ausgesetzt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bildet eine Fehler zulassende Energieversorgungsschaltung, die empfindliche Leistungshalbleitervorrichtungen gegenüber übermässiger Überspannungs- oder Überstrombedingungen schützt und sowohl einen Spannungszusammenbruch als auch thermisches Versagen der Halbleitervorrichtungen vermeidet.
Die Erfindung betrifft eine Fehler zulassende Energieversorgungsschaltung gemäss dem Patentanspruch 1. Patentanspruch 2 bezieht sich auf eine bevorzugte Ausführungsform der Energieversorgung. Die Erfindung schafft auch ein Verfahren gemäss dem Patentanspruch 3.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung ist in der Zeichnung eine Ausführungsform, die gegenwärtig bevorzugt ist, dargestellt; es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die genauen Anordnungen und baulichen Einzelheiten, wie sie gezeigt sind, beschränkt ist.
1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer herkömmlichen Wechselrichter-Energieversorgungs-Schaltung gemäss dem Stand der Technik mit Darstellung einer herkömmlichen Anordndung von di/dt Drosselspulen, die die Basis für den Oberbegriff des Patentanspruches 1 bildet.
2 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer Fehler zulassenden Energieversorgungsschaltung mit Darstellung einer Anordnung einer di/dt Drosselspule und einer Drosselspule gemäss der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Draufsicht zur Darstellung einer Möglichkeit, wie eine di/dt Drosselspule und eine Schutzspule hergestellt werden können.
4 ist eine Seitenansicht der Anordnung einer di/dt Drosselspule und einer Schutzspule, wie sie in 3 gezeigt ist.
Detailbeschreibung der Erfindung
Obgleich die Erfindung in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben wird, versteht es sich, dass darin keine Einschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsform zu sehen ist. Im Gegenteil, es sollen sämtliche Alternativen, Modifikationen und Äquivalente, die innerhalb des Schutzbereiches der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, eingeschlossen sein.
Nachfolgend wird auf die Zeichnung Bezug genommen, bei der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente andeuten, wobei in 1 eine herkömmliche Wechselrichter-Energieversorgungs-Schaltung 11 bekannter Bauart gezeigt ist. Die herkömmliche Schaltung 11 umfasst eine Gleichstromenergieversorgung 20 zum Anlegen von Energie an einer Vielzahl von Feststoffschaltvorrichtungen 30. Die Schaltvorrichtungen 30 können steuerbar leitende Halbleitervorrichtungen, z.B. SCRs sein, wie dies in 1 dargestellt ist. Die Schaltvorrichtungen 30 sind gewöhnlich mit der Gleichstromenergieversorung 20 über einzelne di/dt Drosselspulen 40 verbunden. Die di/dt Drosselspulen 40 wirken als Stromspeichervorrichtungen, um die Schaltvorrichtungen 30 mit einer konstanten Stromversorgung zu versehen. Wenn die Schaltvorrichtungen 30 in Betrieb sind, schalten sie abwechselnd ein und aus, und wird daher die Energie von der Gleichstromquelle 20 an die Induktionsspule 60 so umgeschaltet, dass ein Wechselstrom an der Induktionsspule 60 anlegt. Der Wechselstrom an der Induktionsspule 60 schafft ein zeitlich variierendes magnetisches Feld, das zum induktiven Erwärmen oder Schmelzen von Metallen verwendet werden kann oder zu anderen Zwecken, wie Drehung eines Induktionsmotors, herangezogen werden kann. Für die Beschreibung wird die Erfindung in Verbindung mit der Induktionserwärmung zum Schmelzen von Metallen erläutert, obwohl es sich versteht, dass die Beschreibung illustrativ und nicht einschränkend ist.
Während der Erwärmung insbesondere beim Schmelzvorgang in einem Induktionsofen kann die Induktionsspule 60 Kurzschlüssen ausgesetzt sein, die durch geschmolzene Metallspritzer oder herumfliegende Metallstücke hervorgerufen werden. Diese können zwei oder mehrere Spulenwindungen überbrücken. Wenn dies geschieht, zeigt die Anwendung des Kirchoff'schen Gesetzes, dass die an den kommutierenden Kondensatoren 70 entwickelte Spannung sofort den Schaltvorrichtungen 30 eingeprägt wird, wobei die Schaltung 30 zum Zeitpunkt der Kurzschlüsse nicht leitend ist. Daher bewirkt ein Kurzschluss eine extrem hohe Gegenspannung, die an der Halbleitervorrichtung auftritt und diese schlimmstenfalls zerstören kann.
In Bezug auf 2 ist darin eine Fehler zulassende Energieversorgungsschaltung gemäss der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Fehler zulassende Energieversorgungsschaltung 10 umfasst eine Gleichstromenergiequelle 20 und ein Paar Feststoffschaltvorrichtungen 30, die mit der Energiequelle 20 verbunden sind. Die Feststoffschaltvorrichtungen 30 können, ohne dass darin eine Einschränkung zu sehen ist, Hochleistungs-SCRs und Antiparalleldioden 32 umfassen. Vorzugsweise, obgleich nicht erforderlich, ist eine einzelne di/dt DrosselDrosselspule 40 in Reihe mit und zwischen dem Paar Feststoffschaltvorrichtungen 30 angeschlossen anstelle einer individuellen di/dt Drosselspule 40 in Reihe mit jeder Schaltvorrichtung 30. Eine Schutzspule 50 ist mit der di/dt Drosselspule 40 und in Reihe mit einer Induktionsspule 60 geschaltet. Ein Ende der Schutzspule 50 ist mit der di/dt Drosselspule 40 an deren mittleren Stelle verbunden. Das andere Ende der Schutzspule 50 ist mit einem Ende der Induktionsspule 60 verbunden. Das andere Ende der Induktionsspule ist in Reihe mit den kommutierenden Kondensatoren 70 verbunden, und auf diese Weise wird die Schaltung zurück zur Energiequelle 20 vervollständigt.
Sobald ein zufälliger Kurzschluss an der Induktionsspule 60 auftritt, wird die Hochspannung an den kommutierenden Kondensatoren 70 nicht nur dem SCR 30 aufgeprägt, der, wenn der Kurzschluss auftritt, nicht leitend ist, sondern auch der Schutzspule 50 und einem Teil der di/dt Drosselspule 40. D.h. die Spannung an den kommutierenden Kondensatoren 70 wird dem Reihenschaltkreis aufgeprägt, der die Schutzspule 50, Teile der di/dt Drosselspule 50 und den SCR 30 umfasst. Daher beträgt die Spannung an dem nicht leitenden SCR 30 nur ein Bruchteil der Kondensatorspannung.
Das Verhältnis der Induktivität der di/dt Drosselspule 40 zur Induktivität der Schutzspule 50 soll 1/n sein, wobei n wenigstens gleich 1 ist. Wenn ein Kurzschluss auftritt, wird der Halbleiter daher nur 1/(n+1) der Spannung an den Kondensatoren ausgesetzt. D.h.
Beispiel: bei n = 2 wird der nicht leitende SCR nur einem Drittel der Kondensatorspannung ausgesetzt. Eine derartige Herabsetzung der Spannung am nicht leitenden SCR eliminiert die Möglichkeit von Halbleiterversagen wegen Überspannung.
Die Induktivitätswerte der di/dt Drosselspule 40 und der Schutzspule 50 sollten im Vergleich zur Induktivität der Belastung so klein wie möglich sein, um die Verluste an der di/dt Drosselspule 40 und der Schutzspule 50 zu begrenzen und die Wirksamkeit der Energieversorgung zu maximieren.
Die vorliegende Erfindung bietet sich an, in einem gemeinsamen Gehäuse 55, wie dies in 3 und 4 gezeigt ist, untergebracht zu werden. Die Schutzspule 50, wegen ihrer bevorzugten Verbindung an einer mittleren Stelle zwischen den Enden der di/dt Drosselspule, kann in orthogonaler Beziehung zur di/dt Drosselspule 40 gewickelt sein. Mit orthogonaler Beziehung ist gemeint, dass die Längsachse einer Spule etwa normal (d.h. senkrecht) zur Längsachse der anderen Spule steht. Durch orthogonale gegenseitige Windung 40 und Windung 50 wird die Interaktion der magnetischen Felder der beiden Spulen minimiert zusammen mit dem Spulenpackungsvolumen. Eine orthogonale Beziehung tendiert ferner zur Verringerung der magnetischen Kopplung und induzierter Felder, die durch die Spulen hervorgerufen werden. Es versteht sich jedoch, dass die räumliche Beziehung zwischen der di/dt Drosselspule 40 und der Schutzspule 50 verändert werden kann, wenn das Volumen keine Rolle steht.
Ferner brauchen die di/dt Drosselspule 40 und die Schutzspule 50 nicht orthogonal zueinander stehen.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung eine hochwirksame Fehler zulassende Energieversorgungsschaltung zum Schutz empfindlicher Halbleiterschaltvorrichtungen schafft. Ferner reduziert die Einfachheit der Erfindung und die einzigartige Konstruktion in erheblichem Masse die Komplexität und die Kosten der Energieversorgungsschaltung, weil gleichzeitig eine höhere Wirksamkeit und Produktivität erhalten wird. Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der vorhergehenden Beschreibung deutlich.
Die vorliegende Erfindung kann in anderen Ausführungsformen verkörpert sein, ohne dass dadurch von den wesentlichen Eigenschaften abgewichen wird; es sollte daher, was den Schutzbereich der Erfindung betrifft, Bezug auf die beigefügten Patentansprüche genommen werden anstelle auf die vorhergehende Beschreibung.

Claims

Reihenresonanz-Energieversorgung (10) zum Anlegen eines Wechselstromes an einen Lastinduktor (60) eines Induktionsschmelzofens von einer Gleichstrom-Energiequelle (20) mit einem positiven Pol und einem negativen Pol, umfassend – erste und zweite abwechselnd leitende Schaltvorrichtungen (30, 32), – erste und zweite Kondensatoren (70), die jeweils an ihrer einen Seite mit einem Ende des Lastinduktors (60) verbunden sind, während die andere Seite des ersten Kondensators (70) mit der positiven Klemme der Gleichstrom-Energiequelle (20) und die andere Seite des zweiten Kondensators (70) mit dem negativen Pol der Gleichstrom-Energiequelle (20) verbunden ist, und – eine di/dt Drosselspule (40) dadurch gekennzeichnet, dass – die di/dt Drosselspule (40) in Reihe mit den betreffenden ersten Seiten der ersten und zweiten Schaltvorrichtungen (30, 32) verbunden ist, – eine Schutzspule (50) an ihrem ersten Ende mit der di/dt Drosselspule (40) an einer Mittenstellung der di/dt Drosselspule (40) verbunden ist und an ihrem zweiten Ende mit dem anderen Ende des Lastinduktors (60), wobei die Schutzspule (50) und der Lastinduktor (60) in Reihe geschaltet sind, und – die anderen Seiten der ersten und zweiten Schaltvorrichtungen (30, 32) mit den betreffenden einen Polen der Gleichstrom-Energiequelle (20) verbunden sind, so dass eine Fehler zulassende Reihenresonanz-Schaltung (10) zum Anlegen des Wechselstromes abwechselnd durch die leitende der Schaltvorrichtungen (30, 32), den betreffenden Abschnitt der di/dt Drosselspule (40), der Schutzspule (50), den Lastinduktor (60) und die ersten und zweiten Kondensatoren (70) sowie die Gleichstrom-Energiequelle (20) gebildet wird, und – wobei die Schutzspule (50) eine Induktivität hat, die grösser oder gleich der Induktivität der di/dt Drosselspule (40) und so klein wie möglich im Vergleich zur Induktivität des Lastinduktors (60) ist.
Energieversorgung nach Anspruch 1, bei der die Schutzspule (50) und die di/dt Drosselspule (40) als orthogonal zueinander gewickelt sind.
Verfahren zum Schmelzen eines Metalls auf induktivem Wege unter Verwendung eines Induktionsschmelzofens mit einer Energieversorgung gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche.