DE9318319U1

DE9318319U1 - Frequenzwandler-Anordnung

Info

Publication number: DE9318319U1
Application number: DE9318319U
Authority: DE
Original assignee: EMA ELEKTRO MASCHINEN SCHULTZE
Current assignee: EMA ELEKTRO MASCHINEN SCHULTZE
Priority date: 1993-12-01
Filing date: 1993-12-01
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2003-12-02

Description

Die Erfindung betrifft eine Frequenzwandler-Anordnung für mehrere, gleichzeitig zu betreibende Verbraucher, insbesondere für Induktoren zur induktiven Erwärmung von Werkstücken, mit einem Gleichrichter und mindestens einem dem Gleichrichter nachgeschalteten Wechselrichter.

Die erfindungsgemäße Frequenzwandler-Anordnung kann in Verbindung mit unterschiedlichsten Verbrauchern sinnvoll eingesetzt werden. Im folgenden werden die Vorteile der erfindungsgemäßen Frequenzwandler-Anordnung im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Frequenzwandler-Anordnungen lediglich beispielhaft für den speziellen Anwendungsfall des induktiven Erwärmens von Werkstücken erläutert.

Das induktive Erwärmen wird zum Härten von Werkstücken, wie bspw. zum Randschichthärten von Kurbelwellen oder Nockenwellen, eingesetzt. Bei vielen Anwendungen werden mehrere Zonen an einem Werkstück gleichzeitig geheizt. Bei Kurbelwellen werden bspw. je nach Typ alle Hublager und meistens auch alle Hauptlager gehärtet. Bedingt durch niedrige Taktzeiten beim Herstellungsprozeß werden in der Regel mehrere Lagerstellen gleichzeitig aufgeheizt. Aus demselben Grund müssen beim induktiven Randschichthärten von Nockenwellen oftmals mehrere Nocken gleichzeitig aufgeheizt werden.

Aus Kostengründen möchte man nun für alle Heizinduktoren zum gleichzeitigen Heizen verschiedener Zonen eines Werkstücks nur einen gemeinsamen Frequenzwandler mit entsprechend hoher Leistung einsetzen. In diesem Falle liegen alle Verbraucher, d.h. alle Heizinduktoren auf die sich die Leistung verteilen soll, an der gleichen Spannung an.

Aus der Praxis sind verschiedene Möglichkeiten zur Leistungsaufteilung auf die Verbraucher bzw. Heizinduktoren bekannt, mit

denen eine mehr oder weniger individuelle Einstellung der erreichten Temperatur in den verschiedenen Zonen des Werkstücks möglich ist. So ist es bekannt, unterschiedliche Induktorausbildungen für die verschiedenen Heizzonen zu verwenden. Dies bedeutet aber, daß die einzelnen Induktoren nicht ohne weiteres untereinander ausgetauscht werden können. Es ist außerdem bekannt, unterschiedliche Anzapfungen am Anpaßübertrager zu wählen, womit allerdings nur eine Leistungsanpassung in groben Stufen möglich ist. Es ist schließlich bekannt, die Heizzeiten durch verzögertes Zuschalten der einzelnen Induktoren zu variieren. Für eine ausreichend feinfühlige Anpassung ist dabei ein relativ hoher Aufwand erforderlich, bspw. in Form eines Thyristorstellers mit teuren Frequenz Thyristoren und aufwendiger Steuerelektronik. Außerdem ist die Erfassung der Energieaufnahme einer Heizstelle mit den üblichen Meßmethoden nur sehr ungenau möglich.

Beim Randschichthärten von Kurbelwellen oder Nockenwellen ist zusätzlich zu einer unterschiedlichen Leistungsaufteilung auf die einzelnen Heizzonen auch eine zeitliche Variation der Heizleistung der einzelnen Heizinduktoren erforderlich. Üblicherweise wird nämlich bei Kurbelwellen und Nockenwellen eine Radienhärtung durchgeführt, so daß die Heizleistung der einzelnen Heizinduktoren praktisch in Abhängigkeit von der Winkeklposition der zu härtenden Lagerstelle geregelt werden muß.

Zur gleichzeitigen individuellen Wärmebehandlung einer jeden Heizzone - etwa in Abhängigkeit der individuell erreichten Temperatur und/oder vom Drehwinkel des rotierenden Werkstücks ist aus der Praxis lediglich die Möglichkeit bekannt, jeder Heizzone einen eigenen Frequenzwandler zuzuordnen. Diese Lösung gestattet zwar, jeder Zone eine individuelle Heizleistung und Heizzeit unabhängig von den anderen Zonen zuzuordnen und auch eine präzise Energiemessung für jede Zone durchzuführen, ist

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aber naturgemäß die teuerste und die mit dem größtmöglichen Raumbedarf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Frequenzwandler-Anordnung anzugeben, die einerseits eine individuell einstellbare und variierbare Leistungsaufteilung auf mehrere Verbraucher ermöglicht, andererseits aber auch kostengünstig und platzsparend realisiert werden kann.

Die erfindungsgemäße Frequenzwandler-Anordnung löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Schutzanspruches 1. Danach ist eine Frequenzwandler-Anordnung der in Rede stehenden Art derart ausgebildet, daß der Gleichrichter für alle Verbraucher gemeinsam vorgesehen ist und daß jedem Verbraucher ein separater Wechselrichter zugeordnet ist, wobei die Wechselrichter unabhängig voneinander aktivierbar sind.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß sich sowohl die Realisierungskosten als auch der Platzbedarf einer Frequenzwandler-Anordnung durch Verwendung nur eines Gleichrichters für alle nachgeschalteten Verbraucher bzw. Induktoren reduzieren läßt. Es ist ferner erkannt worden, daß die Verwendung eines gemeinsamen Gleichrichters für alle Verbraucher einer Verwendung von separaten Wechselrichtern für jeden einzelnen Verbraucher nicht entgegensteht. Es ist schließlich erkannt worden, daß eine individuelle und variierbare Leistungsaufteilung auf die einzelnen Verbraucher über die jedem einzelnen Verbraucher zugeordneten Wechselrichter erfolgen kann, wenn diese unabhängig voneinander aktivierbar sind. Die einzelnen Wechselrichter können erfindungsgemäß also unabhängig voneinander ein- und ausgeschaltet werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Frequenzwandler-Anordnung läßt sich die Leistungsabgabe jedes

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Wechselrichters individuell einstellen. Dies kann in einfachster Weise durch Ein- und Ausschalten des Wechselrichters, also über die Aktivierungsdauer des Wechselrichters, erfolgen. Von besonderem Vorteil ist es jedoch, wenn sich die Leistungsabgabe jedes Wechselrichters nicht nur individuell einstellen läßt,
sondern auch individuell Steuer- und/oder regelbar ist. Dazu
kann jeder Wechselrichter über eine eigene Steuer- und Regelelektronik verfügen, welche die Ausgangsgrößen des Wechselrichters regelt und überwacht.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn eine übergeordnete Überwachungseinrichtung für die Wechselrichter der Frequenzwandler-Anordnung vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Frequenzwandler-Anordnung könnte nämlich bspw. im Rahmen einer Mehrstationen-Härtemaschine eingesetzt werden, mit der sich in einer verketteten Fertigungslinie mehrere gleiche oder verschiedene Werkstücke beliebig bearbeiten lassen. Eine übergeordnete Überwachungseinrichtung könnte dann zur Koordinierung des Bearbeitungsablaufs in der Mehrstationen-Härtemaschine und der Leistungsabgabe der einzelnen Wechselrichter eingesetzt werden.
Als Überwachungseinrichtung könnte bspw. ein PC (Personal Computer) dienen.

Besonders vorteilhaft ist es, die Leistungsabgabe eines Wechselrichters durch die sog. Pulsbreiten-Modulation zu variieren. Durch die Pulsbreiten-Modulation kann die zeitliche Länge des am Ausgang eines Wechselrichters auftretenden Hochfrequenzsignals variiert werden und damit die Leistungsabgabe. Der Wechselrichter gibt also praktisch kein kontinuierliches Hochfrequenzsignal ab, sondern Pakete unterschiedlicher Länge, sog.
Pulse von Hochfrequenzsignalen, die dann den nachgeschalteten Verbraucher speisen. Wird eine Frequenzwandleranordnung mit
derart leistungsgesteuerten Wechselrichtern bspw. zur Härtung von Kurbelwellen eingesetzt, so können alle Wechselrichter

gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden und die Leistungshöhe eines jeden Wechselrichters individuell so eingeregelt werden, daß im Abschaltmoment die gewünschte Temperatur und Eindringtiefe der zu härtenden Zone erreicht ist.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Schutzanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt

die einzige Figur eine Prinzip-Skizze einer erfindungsgemäßen Frequenzwandler-Anordnung für &eegr; verschiedene unabhängig voneinander betreibbare Verbraucher.

Die schematisch dargestellte Frequenzwandler-Anordnung für mehrere gleichzeitig zu betreibende Verbraucher umfaßt erfindungsgemäß einen für alle Verbraucher 1 (1, ..., n) gemeinsam vorgesehenen Gleichrichter 2 und für jeden Verbraucher 1 einen separaten Wechselrichter 3 (1, ..., n), wobei die Wechselrichter 3 unabhängig voneinander aktiverbar sind. Dies ist durch die on/off-Eingang der Wechselrichter 3 angedeutet.

Außerdem ist die Leistungsabgabe jedes Wechselrichters 3 des hier dargestellten Ausführungsbeispiels individuell einstellbar und zwar individuell steuerbar und regelbar, wozu jeder Wechselrichter 3 über eine eigene Steuerelektronik verfügt, was durch die Soll-Werteingänge 4 (1, ..., n) der Wechselrichter 3

angedeutet ist. Die hier beispielhaft dargestellte Frequenzwandler-Anordnung verfügt ferner über eine übergeordnete Überwachungseinrichtung 5 für die Wechselrichter 3. Die übergeordnete Überwachungseinrichtung 5 kann bspw. durch einen PC realisiert sein, dem alle für die Steuerung und Regelung der Leistungsabgabe der einzelnen Wechselrichter 3 erforderlichen Parameter zugeführt werden und der außerdem auch noch andere Funktionen erfüllen kann, auf die noch an anderer Stelle eingegangen wird.

Die Wechselrichter 3 sind dem Gleichrichter 2 nachgeschaltet und gleichstromseitig parallel geschaltet, so daß die Spannungseingänge aller Wechselrichter 3 gleich sind.

Der Gleichrichter 2 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in Form eines voll gesteuerter Thyristors in Verbindung mit einem nachgeschalteten Glättungskondensator realisiert. Der voll gesteuerte Thyristor-Gleichrichter wird bei jedem Leistung-Ein-Signal im Spannungs-Nulldurchgang gezündet. Zur Unterdrückung einer Restbrummspannung muß der Glättungskondensator relativ groß gewählt werden. Dadurch ergibt sich die Notwendigkeit, den sog. Inrush-Current, der beim ersten Aufladen des Glättungskondensators, also beim Anschluß an die Stromversorgung auftritt, zu begrenzen, um unzumutbare Netzbelastungen zu vermeiden.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Gleichrichter 2 deshalb über einen Hauptschalter 6, eine dem Hauptschalter 6 nachgeschaltete Ladeschaltung 7 und einen der Ladeschaltung 7 parallel geschalteten Kurzschließerschütz an eine Drehstromversorgung 9 als Stromversorgung angeschlossen. Nach Schließen des Hauptschalters 6 wird der Ladestrom für den Glättungskondensator des Gleichrichters 2 über die Ladeschaltung 7 auf einen kleinen Wert weit unterhalb des Nennstromes begrenzt.

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Mit Hilfe der bereits vorstehend in anderem Zusammenhang erwähnten Überwachungseinrichtung 5 wird die am Gleichrichter 2 anliegende Spannung überwacht. Hat diese nahezu den vollen Wert der Drehstromversorgung 9 erreicht, so wird der Kurzschließerschütz 8 geschlossen, womit der Gleichrichter 2 betriebsbereit wird. Ab diesem Zeitpunkt können die Wechselrichter 3 jederzeit unabhängig voneinander ein- und ausgeschaltet werden und in ihrer Leistungsabgabe ebenfalls völlig unabhängig voneinander eingestellt bzw. geregelt werden.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind als Verbraucher 1 Induktoren bzw. Schwingkreise dargestellt, welche bspw. im Rahmen einer Härtemaschine für Werkstücke wie Kurbelwellen und Nockenwellen eingesetzt werden können. Im Zusammenhang mit einer maschinengesteuerten Fertigung solcher Werkstücke kann die Überwachungseinrichtung 5 bspw. auch noch Aufgaben wie die Temperaturüberwachung und die Kühlmengenüberwachung übernehmen.

Hinsichtlich weiterer hier nicht dargestellter Merkmale der erfindungsgeraäßen Frequenzwandler-Anordnung wird auf den allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen. Abschließend sei nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, daß der Kern der vorleigenden Erfindung - nämlich die Verwendung eines gemeinsamen Gleichrichters für alle Verbraucher und jeweils eines separaten, individuell aktivierbaren Wechselrichters für jeden einzelnen Verbraucher - nicht auf die Anwendung des induktiven Erwärmens von Werkstücken beschränkt ist, sondern auch in anderem Zusammenhang realisiert werden kann.

Claims

Schutzansprüche

1. Frequenzwandler-Anordnung für mehrere, gleichzeitig zu betreibende Verbraucher (1), insbesondere für Induktoren zur induktiven Erwärmung von Werkstücken, mit einem Gleichrichter (2) und mindestens einem dem Gleichrichter (2) nachgeschalteten Wechselrichter (3),

dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter (2) für alle Verbraucher (1) gemeinsam vorgesehen ist und daß jedem Verbraucher (1) ein separater Wechselrichter (3) zugeordnet ist, wobei die Wechselrichter (3) unabhängig voneinander aktivierbar sind.

2. Frequenzwandler-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsabgabe jedes Wechselrichters (3) individuell einstellbar ist.

3. Frequenzwandler-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsabgabe jedes Wechselrichters (3) individuell steuerbar ist.

4. Frequenzwandler-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsabgabe jedes Wechselrichters (3) individuell regelbar ist.

5. Frequenzwandler-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wechselrichter (3) über eine eigene Steuer- und Regelelektronik (4) verfügt.

6. Frequenzwandler-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß eine übergeordnete Überwachungseinrichtung (5) für die Wechselrichter (3) vorgesehen ist.

7. Frequenzwandler-Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein PC (personal computer) als Überwachungseinrichtung dient.

8. Frequenzwandler-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsabgabe jedes Wechselrichters (3) durch Pulsbreiten-Modulation im Wechselrichter (3) variierbar ist.

9. Frequenzwandler-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungseingänge aller Wechselrichter (3) gleich sind.

10. Frequenzwandler-Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter (3) gleichstromseitig parallelgeschaltet sind.

11. Frequenzwandler-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter (2) einen vollgesteuerten Thyristor und einen Glättungskondensator umfaßt.

12. Frequenzwandler-Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hauptschalter (6) zur Spannungsversorgung vorgesehen ist, daß eine zwischen Hauptschalter (6) und Gleichrichter (2) geschaltete Ladeschaltung (7) zur Ladestrombegrenzung für den Glättungskondensator vorgesehen ist, daß ein der Ladeschaltung (7) parallelgeschalteter Kurzschließerschütz (8) vorgesehen ist und daß der Kurzschließerschütz (8) an eine Steuerung angeschlossen ist, die ein Schließen des Kurzschließerschützes (8) bewirkt, wenn die am Glättungskondensator anliegende Spannung nahezu den vollen Wert der Betriebsspannung errreicht hat.

13. Frequenzwandler-Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung in die übergeordnete Überwachungseinrichtung (5) integriert ist.