EP1604550B1 - Stromversorgungsvorrichtung zur speisung einer einphasigen last, insbesondere eines einphasigen induktionsofens, aus dem drehstromnetz - Google Patents

Stromversorgungsvorrichtung zur speisung einer einphasigen last, insbesondere eines einphasigen induktionsofens, aus dem drehstromnetz Download PDF

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EP1604550B1
EP1604550B1 EP04718905A EP04718905A EP1604550B1 EP 1604550 B1 EP1604550 B1 EP 1604550B1 EP 04718905 A EP04718905 A EP 04718905A EP 04718905 A EP04718905 A EP 04718905A EP 1604550 B1 EP1604550 B1 EP 1604550B1
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EP
European Patent Office
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converter
load
phase
power supply
balancing
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Rik W. De Doncker
Dirk Linzen
Uwe Jansen
Klemens Peters
Thomas Frey
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Otto Junker GmbH
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Otto Junker GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • H05B6/08—Control, e.g. of temperature, of power using compensating or balancing arrangements

Definitions

  • the invention relates to a power supply device for feeding a single-phase load, in particular a single-phase induction furnace, from the three-phase network.
  • the induction furnace supplied by such a power supply device may be a crucible furnace or channel furnace for melting, holding and overheating metals or an induction furnace for heating metallic workpieces for heat treatment, thermoforming or other purposes. These applications require so much power that they must always be connected to the three-phase network.
  • Induction furnaces are usually highly inductive, single-phase loads.
  • the choice of the frequency of the supply current is determined by the type of furnace, the size of the furnace and the requirements of the process.
  • the induction furnace is compensated and connected to the three-phase network via a balancing device, for example in Steinmetz circuit.
  • a balancing device for example in Steinmetz circuit. Both the compensation and the balancing of such a power supply system must be made switchable, since the impedance of the furnace with the degree of filling, the nature of the material used, the temperature and wear of the delivery changes and the compensation and balancing must be adjusted. In addition, additional switching devices must be provided to control the power.
  • the above-mentioned article also describes a direct converter in which the parallel-compensated load-oscillating circuit leads the direct converter comprising three antiparallel thyristor pairs.
  • DC link converters which are currently used in systems for supplying induction furnaces, generate harmonic currents in the network that can affect the operation of other consumers due to the line-commutated rectifier. At least for great performances is the use of 12 or 24-pulse Rectifiers is the only measure that allows a cost-effective reduction of harmonic currents. If DC link converters with self-contained input rectifiers are implemented to achieve a sinusoidal input current, this considerably increases costs and can lead to a significant loss of efficiency. Another disadvantage of the DC link converter, the high cost of the components of the DC link, especially at low output frequencies must be mentioned.
  • the load-controlled cycloconverters investigated in the past could not prevail because feedback effects of the output current through a complex input filter must be kept away from the mains.
  • the input filter is particularly expensive when relatively low output frequencies are needed. However, this case is given for large induction crucible furnaces, since such ovens operate at frequencies between 80 Hz and 500 Hz.
  • Both DC link converters and load-controlled cycloconverters have a particularly high level of reactance (capacitors or chokes) when designed for low output frequencies.
  • the DC link takes over this task, while in the case of the load-controlled cycloconverter this energy storage takes place in the input filter, in both cases this energy storage takes place in reactances which are simultaneously occupied by a DC component or a mains-frequency component.
  • a converter which has at least one further output potential in addition to the two output potentials for connecting a parallel-compensated load and that between the further output potential and one of the output potentials for connecting the load or between the other output potentials one or a plurality of balancing reactances are connected for energy storage at twice the output frequency, and that the control of the converter and / or the balancing reactances is adaptable to the impedance of the load (O) at different operating points.
  • At least one Symmetrierkondensator and / or a Symmetrierdrossel are provided in an embodiment of the invention.
  • the cost of the reactances is reduced, since the energy storage with the full amplitude of the output voltage of the converter used in the Symmetrierreaktanzen and not, as usual with DC converters, by a small compared to the DC share alternating current (at the Strom commonly Vietnameserichter ) or the voltage (in the voltage source inverter) in the reactances of the DC link converter. If a DC-link converter is used as the converter, the reactances in it can thus be dimensioned smaller. Since the energy storage necessary for the symmetrization takes place in the balancing reactances, direct converters can also be used which do not contain any reactances and allow an exact control of the output power.
  • the converter used can be a power converter with voltage intermediate circuit, a converter with current intermediate circuit or a direct converter.
  • the components in the inverter of the DC link converter must be switched off.
  • the direct converter As reactances for energy storage, inductances or capacitances or any combination of these elements may be used.
  • the invention may also be designed so that a DC link converter is provided as a power converter.
  • the energy storage necessary for balancing is shifted from the reactances of the intermediate circuit into the balancing reactances, so that the reactances of the intermediate circuit can be made smaller.
  • the Symmetrierreaktanzen require a certain amount of effort, overall, the total cost compared to the known arrangements is cheaper.
  • the device can also be designed in an advantageous manner so that a self-commutated direct converter is provided as a power converter.
  • a self-commutated direct converter is provided as a power converter.
  • the use of a such self-commutated cycloconverter requires that the load pick up a constant load over a grid period. This is achieved by the Symmetrierreaktanzen.
  • the device can also be designed in an advantageous manner so that at least one balancing reactor and / or a balancing capacitor is / are provided as balancing reactances, so that the single-phase load, ie the induction furnace, with respect to the three terminals of the network and with respect to the amplitude and phase of Voltages and currents are symmetrical. Since the use of a power converter amplitude and phase can be set arbitrarily, can be dispensed with one of the two Symmetrierreaktanzen.
  • a control method for controlling the feeding of a single-phase load, in particular an induction furnace, from the three-phase network with a device according to the invention is proposed, which is characterized in that when changing the resistance and / or the induction of the load for adjusting the power amplitude and / or or the phase position and / or the frequency of the output voltages are varied, so that the power supply device can thus be adapted to a unbalanced load only by control.
  • partial capacities or partial inductances that can be switched off have been used to adapt to the changed impedance of the load.
  • the power converter supplies a 1-phase load whose frequency is usually higher than that of the 3-phase network and, for example, 250 Hz; that the power converter feeds a passive load whose frequency is variable according to furnace filling and temperature, the converter having to set its output frequency to the resonant frequency of the furnace and the compensation capacitor; that the power converter only three output potentials, between which the load and the balancing are connected; a power converter is used, at the output terminals of which a load with balancing in Steinmetz circuit is connected, the task of entrainment of the load on the three phases of the feeding network is already taken over by the power converter, the Steinmetzscrien so only to compensate for periodic power fluctuations by the single-phase Load serves.
  • Fig. 1 shows possible training variants for bidirectional main switch, which are required for the construction of self-contained cycloconverters.
  • a bidirectional main switch can be constructed as a combination of unidirectionally blocking IGBTs and diodes (a, b, c) or exclusively of symmetrically blocking IGBTs (d).
  • IGBTs unidirectionally blocking IGBTs and diodes
  • d symmetrically blocking IGBTs
  • other turn-off power semiconductors can also be used like mosfets, IGCTs or others.
  • FIG. 1d the simple variant according to FIG. 1d is possible.
  • FIGS. 2 to 4 show different forms of embodiment of the power supply device according to the invention with the connection of the energy stores in which the energy required for balancing is stored.
  • Fig. 2 the parallel compensated load consisting of the furnace O and the compensation capacitor C K , by means of a Steinmetzscnies consisting of balancing capacitor C S and balun L S , connected to the three-phase output of the power converter S.
  • the components of the Steinmetz circuit are dimensioned so that at rated load a symmetrical load of the power converter S occurs.
  • the power converter S is controlled so that adjusts a rotary voltage system at its output.
  • FIG. 4 shows an arrangement in which only one balancing capacitor Cs is used.
  • Fig. 5 illustrates an arrangement according to Fig. 4, in which the power converter S is designed as a voltage source inverter.
  • the voltage source converter consists of the mains rectifier, designed with the diodes D 1 -D 6 , the intermediate circuit inductor L d , the intermediate circuit capacitor C d and the inverter, consisting of the IGBTs T 1 -T 6 , the drivers Tr 1 -Tr 6 and the decoupling inductor L E.
  • the decoupling choke L E allows the connection of the capacitors for compensation C K and balancing C S at the output of the voltage source inverter, without this resulting in undesirable balancing currents.
  • Fig. 6 shows an embodiment in which the inverter is designed as a self-commutated direct converter or matrix converter.
  • filter capacitors C F are arranged in delta connection to suppress switching-frequency feedback effects.
  • L T of the upstream transformer or an input choke form a low-pass filter.
  • a decoupling inductor L E is arranged.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung zur Speisung einer einphasigen Last, insbesondere eines einphasigen Induktionsofens, aus dem Drehstromnetz.
  • Im Einzelnen kann es sich bei dem durch eine solche Stromversorgungsvorrichtung versorgten Induktionsofen um einen Tiegelofen oder Rinnenofen zum Schmelzen, Warmhalten und Überhitzen von Metallen oder um einen Induktionsofen zum Erwärmen metallischer Werkstücke zur Wärmebehandlung, zum Warmformen oder für andere Zwecke handeln. Bei diesen Anwendungen werden so große Leistungen benötigt, dass ein Anschluss an das Drehstromnetz auf jeden Fall erfolgen muss.
  • Induktionsöfen sind in der Regel stark induktive, einphasige Lasten. Die Wahl der Frequenz des Versorgungsstroms wird durch die Bauart des Ofens, die Ofengröße und die Anforderungen des Prozesses bestimmt.
  • Eine Übersicht über verschiedene Möglichkeiten einen Induktionsofen ans Netz anzuschließen findet man bei Mathes, H.G.: Frequenzumrichter für die induktive Erwärmung - Rückblick und Entwicklungstendenzen in Elektrowärme international 59 (2001), S.21-25. Dort werden übliche Stromrichtertopologien zur Speisung von Induktionsöfen, also zur Speisung einphasiger Lasten, vorgestellt.
  • Ist die Netzfrequenz des Drehstromnetzes für die beabsichtigte Anwendung geeignet, so wird der Induktionsofen kompensiert und über eine Symmetriereinrichtung z.B. in Steinmetzschaltung an das Drehstromnetz angeschlossen. Sowohl die Kompensierung als auch die Symmetrierung einer solchen Stromversorgungsanlage müssen dabei schaltbar ausgeführt werden, da sich die Impedanz des Ofens mit dem Füllungsgrad, der Art des Einsatzgutes, der Temperatur und dem Verschleiß der Zustellung ändert und die Kompensierung und Symmetrierung angepasst werden müssen. Außerdem müssen weitere Schaltgeräte zur Steuerung der Leistung vorgesehen werden.
  • Details zu Schaltungsvarianten von Symmetriereinrichtungen sowie theoretische Grundlagen zu deren Berechnung können z.B. der folgenden Schrift entnommen werden: Reichert, K.: Die Symmetrierung und Schaltung von Netzfrequenz-Induktionsofenanlagen in Elektrowärme 21 (1963), S. 309-319. Dort wird beispielsweise die Möglichkeit der Symmetrierung einer einphasigen Last vorgestellt, so dass der zugehörige Stromrichter am 3-phasigen Netz betrieben werden kann.
  • Oft sind Betriebsfrequenzen größer als die Netzfrequenz für die Anwendung günstiger, insbesondere da sich dann eine höhere spezifische Leistung erreichen lässt. Solche Anlagen werden heute mit Zwischenkreisumrichtern ausgeführt. Als Zwischenkreisumrichter werden dabei sowohl Umrichter mit Stromzwischenkreis als auch Umrichter mit Spannungszwischenkreis verwendet.
  • Neben Zwischenkreisumrichtern ist in dem oben genannten Beitrag auch ein Direktumrichter beschrieben, bei dem der parallel kompensierte Lastschwingkreis den aus 3 antiparallelen Thyristorpaaren bestehenden Direktumrichter führt.
  • Über andere, neuere Entwicklungen berichtet Ernst, D.: Umrichter für Induktionsanwendungen - Stand der Technik. In: Elektrowärme international B 57 (1999) S. 162-166. Dort wird der Einsatz von Transistoren an Stelle der Thyristoren in Zwischenkreisumrichtern beschrieben. Weiterhin wird ein Spannungszwischenkreisumrichter vorgestellt, der über einen Gleichrichter verfügt, der sinusförmigen Eingangsstrom aus dem Netz nimmt.
  • Auf Grund der Vielzahl der Schaltgeräte benötigen Netzfrequenzschaltanlagen ein großes Bauvolumen und sind wartungsintensiv. Daher werden heute selbst Anlagen, bei denen die Netzfrequenz unter prozesstechnischen Aspekten her gut geeignet ist, mit Umrichtern für Frequenzen von 60 bis 80 Hz ausgeführt.
  • Zwischenkreisumrichter, wie sie derzeit in Anlagen zur Versorgung von Induktionsöfen eingesetzt werden, erzeugen durch den netzgeführten Gleichrichter Oberschwingungsströme im Netz, die den Betrieb anderer Verbraucher beeinträchtigen können. Zumindest bei großen Leistungen ist die Verwendung von 12- oder 24-pulsigen Gleichrichtern die einzige Maßnahme, die eine kostengünstige Reduzierung der Oberschwingungsströme erlaubt. Werden Zwischenkreisumrichter mit selbstgeführten Eingangsgleichrichtern ausgeführt, um einen sinusförmigen Eingangstrom zu erzielen, so erhöht dies die Kosten erheblich und kann zu einer signifikanten Einbuße beim Wirkungsgrad führen. Als weiterer Nachteil der Zwischenkreisumrichter muss der hohe Aufwand für die Komponenten des Zwischenkreises, insbesondere bei niedrigen Ausgangsfrequenzen, genannt werden.
  • Die in der Vergangenheit untersuchten lastgeführten Direktumrichter konnten sich nicht durchsetzen, da Rückwirkungen des Ausgangsstromes durch ein aufwendiges Eingangsfilter vom Netz ferngehalten werden müssen. Das Eingangsfilter ist insbesondere dann aufwendig, wenn relativ niedrige Ausgangsfrequenzen benötigt werden. Gerade dieser Fall ist jedoch für große Induktionstiegelöfen gegeben, da solche Öfen mit Frequenzen zwischen 80 Hz und 500 Hz arbeiten.
  • Sowohl Zwischenkreisumrichter als auch lastgeführte Direktumrichter haben bei Auslegung für niedrige Ausgangsfrequenzen einen besonders hohen Aufwand an Reaktanzen (Kondensatoren oder Drosseln).
  • Gegenüber diesen Lösungen vorteilhafte Anordnungen könnten sich ergeben, wenn es gelingt, Schaltungstechniken für die Anwendung abschaltbarer Leistungshalbleiter in zwischenkreislosen Schaltungen, wie etwa selbstgeführte Direktumrichter (auch als Matrixumrichter bezeichnet), zur Speisung einer einphasigen Last anzuwenden. Schaltungen selbstgeführter Direktumrichter werden z.B. in DE 19832225 A1 beschrieben.
  • Aufgabe ist es nun, den hohen Aufwand an Reaktanzen, d. h. Induktivitäten und/oder Kapazitäten, der bei den bisher bekannten Lösungen betrieben wird, zu verringern und die Vorrausetzungen für die Anwendung zwischenkreisloser Schaltungen zu schaffen. Es sind Stromversorgungsvorrichtungen anzugeben, bei denen die Energiespeicherung mit geringerem Aufwand an passiven Bauteilen erfolgen kann. Hierzu gilt es zunächst die Ursache für den hohen Aufwand zur Reaktanz zu erkennen. Dies wird im Folgenden erläutert:
    • Die Stromversorgungsvorrichtung dient gleichzeitig mehreren Aufgaben:
      • o Frequenzwandlung
      • o Leistungssteuerung
      • o Anschluss einer 1-phasigen Last an das 3-phasige Netz
  • Wird an eine einphasige kompensierte Last an eine sinusförmige Spannung u(t)=û·sin(2·π·f·t) angelegt, so fließt ein ebenfalls sinusförmiger Strom i(t)=î·sin(2·π·f·t). Aus dem Produkt der beiden ergibt sich der zeitliche Verlauf der umgesetzten Leistung: P(t)= ½ ·û·î·(1-(cos(2·2·π·f·t)). Dieser zeitliche Verlauf der Leistung stellt sich auf der Ausgangsseite der Stromversorgungsvorrichtung ein. Aus der Forderung nach einer symmetrischen Belastung des Netzes ergibt sich, dass für die Netzseite P(t)=konstant gelten muss. Der Wechselanteil des zeitlichen Verlaufs der Leistung auf der Ausgangsseite muss also aus der Stromversorgungsvorrichtung geliefert werden, d. h. in der Stromversorgungsvorrichtung muss Energiespeicherung mit zweifacher Ausgangsfrequenz erfolgen. Beim Zwischenkreisumrichter übernimmt der Zwischenkreis diese Aufgabe, beim lastgeführten Direktumrichter erfolgt diese Energiespeicherung im Eingangsfilter. In beiden Fällen erfolgt diese Energiespeicherung in Reaktanzen, die gleichzeitig noch durch einen Gleichanteil oder einen netzfrequenten Anteil beansprucht werden.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Stromrichter vorgesehen ist, der neben den beiden Ausgangspotentialen zum Anschluss einer parallel kompensierten Last zumindest ein weiteres Ausgangspotential aufweist und dass zwischen dem weiteren Ausgangspotential und einem der Ausgangspotentiale zum Anschluss der Last oder zwischen den weiteren Ausgangspotentialen eine oder mehrere Symmetrierreaktanzen zur Energiespeicherung mit zweifacher Ausgangsfrequenz angeschlossen sind, und dass die Steuerung des Umrichters und/oder die Symmetrierreaktanzen anpassbar an die Impedanz der Last (O) in verschiedenen Betriebspunkten ist.
  • Als Symmetrierreaktanzen sind in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zumindest ein Symmetrierkondensator und/oder eine Symmetrierdrossel vorgesehen. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung ist damit der Aufwand für die Reaktanzen reduziert, da die Energiespeicherung mit der vollen Amplitude der Ausgangsspannung des verwendeten Stromrichters in den Symmetrierreaktanzen erfolgt und nicht, wie bei Zwischenkreisumrichtern üblich, durch einen im Vergleich zum Gleichanteil geringen Wechselanteil des Stromes (beim Stromzwischenkreisumrichter) oder der Spannung (beim Spannungszwischenkreisumrichter) in den Reaktanzen des Zwischenkreisumrichters. Sofern ein Zwischenkreisumrichter als Umrichter verwendet wird, können die Reaktanzen in diesem somit kleiner dimensioniert werden. Da die zur Symmetrierung notwendige Energiespeicherung in den Symmetrierreaktanzen stattfindet, können auch Direktumrichter eingesetzt werden, die keine Reaktanzen enthalten und eine exakte Steuerung der Ausgangsleistung ermöglichen.
  • Beim verwendeten Stromrichter kann es sich um einen Stromrichter mit Spannungszwischenkreis, einen Stromrichter mit Stromzwischenkreis oder einen Direktumrichter handeln. Um beliebige Phasenlagen der Ströme und Spannungen an den Ausgangsklemmen der Stromversorgungsvorrichtung einstellen zu können, müssen die Bauelemente im Wechselrichter der Zwischenkreisumrichter abschaltbar sein. Gleiches gilt auch für den Direktumrichter. Als Reaktanzen zur Energiespeicherung können Induktivitäten oder Kapazitäten oder beliebige Kombinationen aus diesen Elementen verwendet werden.
  • In vorteilhafter Weise kann die Erfindung auch so ausgebildet sein, dass als Stromrichter ein Zwischenkreisumrichter vorgesehen ist. In diesem Falle wird die zur Symmetrierung notwendige Energiespeicherung von den Reaktanzen des Zwischenkreises in die Symmetrierreaktanzen verlagert, so dass die Reaktanzen des Zwischenkreises kleiner dimensioniert werden können. Die Symmetrierreaktanzen erfordern zwar einen gewissen Aufwand, insgesamt ist der Gesamtaufwand gegenüber den bekannten Anordnungen jedoch günstiger.
  • Weiterhin kann die Vorrichtung in vorteilhafter Weise auch so ausgestaltet sein, dass ein selbstgeführter Direktumrichter als Stromrichter vorgesehen ist. Der Einsatz eines solchen selbstgeführten Direktumrichters setzt voraus, dass die Last eine über eine Netzperiode konstante Last aufnimmt. Dies wird durch die Symmetrierreaktanzen erreicht.
  • Die Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise auch so gestaltet sein, dass als Symmetrierreaktanzen zumindest eine Symmetrierdrossel und/oder ein Symmetrierkondensator vorgesehen ist/sind, so dass die einphasige Last, also der Induktionsofen, bezüglich der drei Anschlussklemmen des Netzes und hinsichtlich der Amplitude und Phasenlage von Spannungen und Strömen symmetrisch ist. Da durch den Einsatz eines Stromrichters Amplitude und Phasenlage beliebig eingestellt werden können, kann auf eine der beiden Symmetrierreaktanzen verzichtet werden.
  • Weiterhin wird ein Steuerverfahren zum Steuern der Speisung einer einphasigen Last, insbesondere eines Induktionsofens, aus dem Drehstromnetz mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass bei Änderung des Widerstandes und/oder der Induktion der Last zur Einstellung der Leistung die Amplitude und/oder die Phasenlage und/oder die Frequenz der Ausgangsspannungen variiert werden, so dass die Stromversorgungseinrichtung damit an eine unsymmetrisch gewordene Last nur durch Steuerung angepasst werden kann. Bisher wurden für die Anpassung an die veränderte Impedanz der Last abschaltbare Teilkapazitäten oder Teilinduktivitäten eingesetzt.
  • Wichtige Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen auch darin,
    dass dabei der Stromrichter eine 1-phasige Last versorgt, deren Frequenz üblicherweise höher ist als die des 3-phasigen Netzes und z.B. 250Hz beträgt;
    dass der Stromrichter eine passive Last speist, deren Frequenz je nach Ofenfüllung und Temperatur variabel ist, wobei der Stromrichter seine Ausgangsfrequenz auf die Resonanzfrequenz von Ofen und Kompensationskondensator einstellen muss; dass der Stromrichter nur drei Ausgangspotentiale aufweist, zwischen denen die Last und die Symmetrierung angeschlossen werden;
    es wird ein Stromrichter verwendet, an dessen Ausgangsklemmen eine Last mit Symmetrierung in Steinmetzschaltung angeschlossen wird, wobei die Aufgabe der Verleitung der Last auf die 3 Phasen des speisenden Netzes bereits durch den Stromrichter übernommen wird, die Steinmetzschaltung also nur zum Ausgleich periodischer Leistungsschwankungen durch die einphasige Last dient.
  • Grundlegende Schaltungselemente für die erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung sowie vorteilhafte erfindungsgemäße Ausbildungsformen sind in den folgenden Figuren dargestellt:
    • Fig. 1
    Mögliche Ausbildungsvarianten für bidirektionale Hauptschalter
    Fig. 2
    Stromversorgungseinrichtung mit Steinmetzschaltung an der Ausgangseite des Stromrichters
    Fig. 3
    Stromversorgungsvorrichtung mit Induktivität als Energiespeicher an der Ausgangsseite des Stromrichters
    Fig. 4
    Stromversorgungsvorrichtung mit Kondensator als Energiespeicher an der Ausgangsseite des Stromrichters
    Fig. 5
    Stromversorgungsvorrichtung mit pulsweitenmoduliertem Spannungszwischenkreisumrichter mit Kondensator als Energiespeicher an der Ausgangsseite
    Fig. 6
    Stromversorgungsvorrichtung mit selbstgeführtem Direktumrichter mit Kondensator als Energiespeicher an der Ausgangsseite.
  • Fig. 1 zeigt mögliche Ausbildungsvarianten für bidirektionale Hauptschalter, welche für den Aufbau von selbstgeführten Direktumrichtern erforderlich sind. Ein solcher bidirektionaler Hauptschalter kann als Kombination aus unidirektional sperrenden IGBTs und Dioden (a,b, c) oder ausschließlich aus symmetrisch sperrenden IGBTs (d) aufgebaut werden. Anstelle von IGBTs können auch andere abschaltbare Leistungshalbleiter wie Mosfets, IGCTs oder andere verwendet werden. Bei symmetrisch sperrenden Leistungshalbleitern ist die einfache Variante entsprechend Fig. 1d möglich.
  • Fig. 2 - Fig. 4 zeigen verschiedene Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Stromversorgungsvorrichtung mit dem Anschluss der Energiespeicher, in denen die zur Symmetrierung erforderliche Energie gespeichert wird.
  • In Fig. 2 wird die parallel kompensierte Last, bestehend aus dem Ofen O sowie dem Kompensationskondensator CK, mittels einer Steinmetzschaltung, bestehend aus Symmetrierkondensator CS und Symmetrierdrossel LS, an den dreiphasigen Ausgang des Stromrichters S angeschlossen. Die Komponenten der Steinmetzschaltung werden dabei so dimensioniert, dass bei Nennbelastung eine symmetrische Belastung des Stromrichters S erfolgt. Der Stromrichter S wird so gesteuert, dass sich an seinem Ausgang ein Drehspannungssystem einstellt.
  • In Fig.3 ist neben dem Ofen O und dem Kompensationskondensator CK lediglich eine Symmetrierdrossel LS vorhanden.
  • Fig. 4 schließlich zeigt eine Anordnung bei der nur ein Symmetrierkondensator Cs verwendet wird.
  • Bei idealer Symmetrierung unter Verwendung eines Symmetrierkondensators Cs und einer Symmetrierdrossel LS (Steinmetzschaltung) sind am Ausgang des Stromrichters S die Ströme und Spannungen in allen 3 Phasen jeweils in Phase, so dass der Stromrichter S reine Wirkleistung liefern muss. Entfällt eines dieser Symmetrierelemente, so verringert sich zwar der Aufwand für die passiven Bauteile, jedoch muss der Stromrichter S dann zusätzlich Blindleistung liefern.
  • Fig. 5 stellt eine Anordnung entsprechend Fig. 4 dar, bei der der Stromrichter S als Spannungszwischenkreisumrichter ausgeführt ist. Der Spannungszwischenkreisumrichter besteht dabei aus dem Netzgleichrichter, ausgeführt mit den Dioden D1-D6, der Zwischenkreisdrossel Ld, dem Zwischenkreiskondensator Cd und dem Wechselrichter, der aus den IGBTs T1-T6, den Treibern Tr1-Tr6 sowie aus der Entkopplungsdrossel LE besteht. Die Entkopplungsdrossel LE ermöglicht den Anschluss der Kondensatoren für Kompensation CK und Symmetrierung CS am Ausgang des Spannungszwischenkreisumrichters, ohne dass es dadurch zu unerwünschten Ausgleichsströmen kommt. Durch entsprechende Steuerung der Treiber Tr1-Tr6 wird sichergestellt, dass der Zwischenkreis nur mit Strömen im Bereich der Schaltfrequenz belastet wird. Stromanteile im Zwischenkreiskondensator Cd mit doppelter Ausgangsfrequenz können vermieden werden, indem die Ausgangsgrößen so eingestellt werden, dass die zum Ausgleich der Leistungsbilanz erforderliche Energie ausschließlich im ausgangsseitig angeschlossenen Symmetrierkondensator CS gespeichert wird.
  • Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der der Umrichter als selbstgeführter Direktumrichter oder Matrixumrichter ausgeführt ist. Eine Anordnung aus 9 bidirektionalen Hauptschaltern, bestehend aus den IGBTs T1-T18, bildet einen Direktumrichter mit dreiphasigem Eingang und dreiphasigem Ausgang. Eingangsseitig sind zur Unterdrückung schaltfrequenter Rückwirkungen Filterkondensatoren CF in Dreieckschaltung angeordnet. Diese bilden gemeinsam mit der Induktivität LT des vorgeschalteten Transformators oder einer Eingangsdrossel ein Tiefpassfilter. Ausgangsseitig ist wiederum eine Entkopplungsdrossel LE angeordnet. Die Verwendung eines solchen Umrichters ermöglicht einen netzrückwirkungsarmen Betrieb des Stromrichters, da dieser so gesteuert werden kann, dass sinusförmige Netzströme aufgenommen werden.
  • Vorteile der beschriebenen Anordnungen gegenüber den bislang eingesetzten Zwischenkreisumrichtern sind folgende Punkte:
    • Wegen der konstanten Leistung am Ausgang des Stromrichters kann der Zwischenkreis entfallen (Direktumrichter) bzw. verkleinert werden. Dadurch kann die Stromversorgungseinrichtung kompakter und kostengünstiger ausgeführt werden.
      • o Durch den Wegfall oder die Verkleinerung der Energiespeicher im Zwischenkreis ist die im Stromrichter gespeicherte Energie geringer, so dass im Fehlerfall, z. b. bei Defekt eines Halbleiters weniger Energie abgebaut werden muss. Dadurch wird die Belastung aller Komponenten verringert.
      • o Wenn an einer Stelle im Kühlkreislauf Gleichspannung auftritt, muss aufbereitetes Wasser geringer Leitfähigkeit eingesetzt werden, um eine Elektrolyse zu verhindern. Bei der Ausführung des Stromrichters als Direktumrichter treten an keiner Stelle der Schaltung Gleichspannungen auf. Die Stromrichter können damit unter Verwendung von Leistungshalbleitern in Scheibenzellenbauform wassergekühlt aufgebaut werden, ohne dass hierzu eine Isolation zwischen elektrischem Anschluss und Kühlkörper erforderlich ist oder für den Umrichter Kühlwasser besonders geringer Leitfähigkeit bereitgestellt werden muss. Die Wasserkühlung des Umrichters kann somit mit dem Wasserkreislauf der Ofenkühlung erfolgen, ohne dass die Gefahr der elektrolytischen Korrosion besteht.
    • Bei der Ausführung des Stromrichters als Direktumrichter kann ein nahezu sinusförmiger Eingangsstrom erreicht werden. Gegenüber den bereits zu diesem Zweck verwendeten Zwischenkreisumrichtern mit selbstgeführtem Gleichrichter ist damit ein höherer Wirkungsgrad erzielbar.
    • Bei der Ausführung des Stromrichters als Zwischenkreisumrichter kann auf standardisierte Baugruppen oder Module aus der Antriebstechnik mit dreiphasigem Ausgang zurückgegriffen werden. Dies ist insbesondere für kleinere Leistungen von Interesse, da solche Baugruppen und Module in großen Stückzahlen und damit kostengünstig gefertigt werden.
    Bezugszeichenliste
    • Cd
    Zwischenkreiskondensator
    CF
    Filterkondensator
    CK
    Kompensationskondensator
    CS
    Symmetrierkondensator
    Dx
    Dioden
    Ld
    Zwischenkreisdrossel
    LE
    Entkopplungsdrossel
    LF
    Filterdrossel
    Ls
    Symmetrierdrossel
    LT
    Transformatorinduktivität
    O
    Induktionsofen
    S
    Stromrichter
    Tx
    IGBTs
    Trx
    Treiber
    Uxy
    Ausgangsspannungen des Stromrichters

Claims (5)

  1. Stromversorgungsvorrichtung zur Speisung einer einphasigen Last, insbesondere eines einphasigen Induktionsofens (O), aus dem Drehstromnetz,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Stromrichter (S) vorgesehen ist, der neben den beiden Ausgangspotentialen zum Anschluss einer parallel kompensierten Last (O) zumindest ein weiteres Ausgangspotential aufweist,
    dass zwischen dem weiteren Ausgangspotential und einem der Ausgangspotentiale zum Anschluss der Last (O) oder zwischen den weiteren Ausgangspotentialen eine oder mehrere Symmetrierreaktanzen zur Energiespeicherung mit zweifacher Ausgangsfrequenz angeschlossen sind, und
    dass die Steuerung des Umrichters und/oder die Symmetrierreaktanzen anpassbar an die Impedanz der Last (O) in verschiedenen Betriebspunkten ist.
  2. Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Stromrichter (S) ein Zwischenkreisumrichter vorgesehen ist.
  3. Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Stromrichter (S) ein selbstgeführter Direktumrichter vorgesehen ist.
  4. Stromversorgungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktanzen zumindest eine Symmetrierdrossel (LS) und/oder ein Symmetrierkondensator (CS) vorgesehen ist/sind.
  5. Steuerverfahren zum Steuern der Speisung einer einphasigen Last, insbesondere eines einphasigen Induktionsofens, aus dem Drehstromnetz mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Änderung des Widerstandes und/oder der Induktivität der Last zur Einstellung der Leistung die Amplitude und/oder die Phasenlage und/oder die Frequenz der Ausgangsspannungen variiert werden können.
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