EP1719389A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines elektrischen heizstroms, insbesondere zum induktiven erwärmen eines werkstücks - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erzeugen eines elektrischen heizstroms, insbesondere zum induktiven erwärmen eines werkstücks

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Publication number
EP1719389A1
EP1719389A1 EP05715384A EP05715384A EP1719389A1 EP 1719389 A1 EP1719389 A1 EP 1719389A1 EP 05715384 A EP05715384 A EP 05715384A EP 05715384 A EP05715384 A EP 05715384A EP 1719389 A1 EP1719389 A1 EP 1719389A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
switching elements
switched
diagonally
another
conductive state
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05715384A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Gisbert Schmitt
Wolfgang Schmidt
Heiko Gerhard Scheffler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Newfrey LLC
Original Assignee
Newfrey LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Newfrey LLC filed Critical Newfrey LLC
Publication of EP1719389A1 publication Critical patent/EP1719389A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H05B6/04—Sources of current
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method for generating an electrical heating current, in particular for inductive heating of a metallic or magnetic workpiece, the heating current being generated with the aid of an inverter from an input-side supply voltage, the inverter having four controllable switching elements which are mutually connected in an H Bridge circuit with two parallel longitudinal branches and a transverse branch are arranged, and each of the switching elements of the H-bridge circuit lying diagonally to one another are controlled so that the heating current flows through the transverse branch.
  • the invention further relates to a device for generating an electrical heating current, with an input for supplying a supply voltage, with an inverter having four controllable switching elements which are arranged in an H-bridge circuit with two parallel longitudinal branches and a transverse branch, and with one Control circuit which is designed to control the switching elements of the H-bridge circuit lying diagonally to one another in such a way that the heating current flows through the transverse branch.
  • a device for generating an electrical heating current with an input for supplying a supply voltage
  • an inverter having four controllable switching elements which are arranged in an H-bridge circuit with two parallel longitudinal branches and a transverse branch, and with one Control circuit which is designed to control the switching elements of the H-bridge circuit lying diagonally to one another in such a way that the heating current flows through the transverse branch.
  • the known device has been used in practice for many years to inductively heat metallic or magnetic workpieces. It can also be used for resistive heating of workpieces.
  • inductive heating the heating current flows through an inductor, the so-called inductor, which is arranged in the shunt arm of the H-bridge circuit.
  • the heating current generates an alternating magnetic field in the inductor. This induces induction currents in the workpiece to be heated (either directly or via an intermediate transformer), which lead to heating due to the ohmic losses in the workpiece.
  • resistive heating however, the heating current would be conducted directly through the workpiece.
  • the speed and the degree of heating can be specifically set using the inverter. This is typically done by pulse width modulation and / or frequency modulation of the heating current.
  • the pulse-pause ratio and / or the frequency of current pulses in the shunt arm of the inverter is varied accordingly.
  • the four switching elements of the inverter are switched on and off in groups, the switching elements lying diagonally to one another being switched simultaneously.
  • the resulting currents are shown below with reference to FIGS. 3 and 4 for a better understanding of the invention.
  • the frequencies with which the heating current is switched in the inductor can range from, for example, 50 Hz to 100 KHz. Accordingly, it is necessary that the upstream compensation capacity is not only adequately dimensioned in terms of its size, but must also be RF-compatible. Appropriate capacities are quite expensive.
  • Another problem with the known circuit is that the switching elements in the inverter can be destroyed if the compensation capacity is not dimensioned large enough. The risk of destruction occurs particularly when the heating circuit is operated in idle mode, ie without a workpiece to be heated. Accidental activation of the heating circuit without a workpiece can therefore occur under conditions lead to the destruction of the switching elements in the inverter.
  • a third problem with the known arrangement is high-frequency interference, which arises from the abrupt switching of the switching elements in the inverter and has an effect on the input-side mains voltage.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the new method and the corresponding device are intended to enable functionally reliable operation regardless of the load state of the heating circuit and to generate as little RF interference as possible.
  • this object is achieved by a method of the type mentioned at the outset, in which the switching elements lying diagonally to one another are switched from the conductive to the non-conductive state at different times.
  • this object is achieved by a device of the type mentioned at the outset, in which the control circuit is further designed such that it switches the switching elements lying diagonally with respect to one another at different times from the conductive to the non-conductive state.
  • the present invention thus breaks away from the previously practiced approach, according to which the switching elements of the H-bridge circuit lying diagonally to one another were switched on and off at the same time.
  • the simultaneous switching off of the diagonally lying switching elements has the consequence that the current flowing in the branch of the compensation capacitance, when switching over, reverses direction with an extremely steep switching edge (dl / dt in the range up to 1000 A / ⁇ s).
  • This abrupt reversal of the current direction is a main cause of the high-frequency interference mentioned, which require correspondingly complex filter circuits on the network input side.
  • the switching elements lying diagonally to one another are switched off in time, that is to say successively, the extent of the reversal of the current direction is alleviated.
  • the switching elements lying diagonally to one another are controlled at different times in relation to one another in such a way that there is practically no reversal of the current direction at the compensation capacitance. Accordingly, the filter circuits for suppressing EMC interference can be simpler and therefore less expensive.
  • Another advantage of the new switching behavior is that the energy in the inductor is not or only to a much lesser extent transferred to the compensation capacity, depending on the time offset with which the diagonal switching elements are switched off.
  • the compensation capacity can be dimensioned much smaller without the risk that the switching elements in the inverter will be destroyed under unfavorable operating conditions (idling of the inductor).
  • Using a smaller capacity at this point enables further cost reductions, although it may be appropriate for other reasons to use a larger capacity anyway. These other reasons are, in particular, the interception of mains voltage fluctuations, which frequently occur in harsh production environments, for example in the automotive body construction.
  • Such network fluctuations can, however, also be compensated for elsewhere by a correspondingly large-sized capacitance, so that the present invention offers greater design freedom in the design of the heating circuit.
  • the one (ie first) switching elements lying diagonally to one another are only switched into the conductive state after the other (the second) switching elements lying diagonally from conductive to non-conductive state.
  • the present embodiment has the advantage that a maximum heating current flows in the transverse branch of the inverter, which accelerates the heating of the workpiece.
  • a first of the diagonally lying switching elements is first switched to the non-conductive state and the second of the diagonally lying switching elements is then switched to the non-conductive state depending on the heating current in the shunt arm.
  • the time offset when the diagonally lying switching elements are switched off is therefore not determined in a random, empirical or fixed manner, but is derived from the size of the current heating current in the shunt arm.
  • the heating circuit is electrically separated from the rest of the circuit after the first diagonal switching element has been switched off.
  • the size of the heating current thus largely depends on the inductance of the inductor and the load to be heated.
  • the heating current itself essentially results from the energy stored in the inductor.
  • the optimal time for switching off the second diagonal switching element can be determined by measuring the decaying heating current. In particular, a very finely adjustable regulation for the heating current can be implemented in this embodiment.
  • the heating current is conducted in the shunt arm via a consumer, in particular an inductor, and the second of the diagonally lying switching elements is switched into the non-conductive state depending on a voltage across the consumer.
  • a consumer in particular an inductor
  • the second of the diagonally lying switching elements is switched into the non-conductive state depending on a voltage across the consumer.
  • This configuration opens up a second setting parameter which can be used to determine the time offset when the diagonal switching elements are switched off.
  • An optimal switching time can also be determined on the basis of the voltage applied to the consumer. It is particularly preferred if the time offset is determined both on the basis of the heating current and on the basis of the voltage applied to the consumer, since in this case particularly precise and flexible control can be implemented.
  • the H-bridge circuit is fed from a first capacitor arranged in parallel with the switching elements, and the heating current is conducted via an inductance in the shunt arm.
  • This configuration is particularly suitable for inductive heating of the workpiece.
  • the arrangement according to the invention can in principle also be used for resistive heating. The advantages described above, however, come into their own in inductive heating, since the inductance arranged in the transverse branch in this case prevents an abrupt reversal of the current direction in the transverse branch and consequently the problems mentioned at the outset occur.
  • the switching elements lying diagonally to one another are offset in time from one another in the non-conductive state switched that a maximum of 20%, preferably a maximum of 10%, of an energy stored in the inductor is transferred to the capacitance.
  • the energy in the transverse branch of the inverter does not have to be transferred to the compensation capacitance at all, since in this case there is no reversal of the current direction at the compensation capacitance. In this case, the entire energy is also used to heat up the workpiece.
  • the current flow through the inductor decreases after an e-function, it can be advantageous for a flexible and fast control process to accept a certain reversal of the current direction at the compensation capacity.
  • the limit value mentioned here has turned out to be a practicable solution without the exact compliance with the limit value being important. It is much more important that the compensation capacitance remains sufficiently far from its maximum charge state during (accepted or tolerated) recharging in order to reliably rule out the destruction of the switching elements in the inverter.
  • the switching elements lying diagonally to one another are switched to the non-conductive state at such a time that the current across the capacitance is significantly greater in a first current flow direction than in the opposite direction.
  • the current in the opposite direction is preferably at most 20%, more preferably at most 10% of the current in the main current direction.
  • the supply voltage is smoothed using a second capacitance, the second capacitance being greater than the first capacitance.
  • This embodiment ties in with the variant already mentioned above, according to which an RF-compatible, “small” capacitance for compensation or energy absorption me when switching the inverter is used, while a larger and not necessarily RF-compatible capacity is used as a buffer capacity to absorb external grid fluctuations.
  • This configuration has the advantage that, despite the increased number of components, the overall cost of the device can be reduced.
  • the described method and the new device can in principle also be used for other applications, the preferred application is inductive heating of a metallic and / or magnetic workpiece, in particular when one-sided fastening of a metallic bolt to a substrate.
  • the new method is particularly preferably used when gluing bolts onto body components for the automotive sector. The advantages described above are particularly effective in this application.
  • FIG. 1 is a simplified schematic representation of a robot that attaches a metallic bolt to a plate using the new method
  • FIG. 3 shows the electrical circuit diagram of a generic device for inductive heating of metallic workpieces
  • FIG. 3 shows the electrical circuit diagram of a device according to the invention preferred for inductive heating of workpieces
  • FIG. 7 shows selected current and voltage profiles in the device from FIG. 5 in an alternative operating mode
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of the switching sequences for the switching elements in the device according to FIG. 5.
  • FIG. 1 shows a simplified representation of a robot 10 which fastens a bolt 12 to a plate 14 by gluing.
  • the robot 10 has a gripping device 16 which holds the bolt 12 in place.
  • a device according to the invention for heating the bolt is also arranged in the gripping device 16 (not shown here).
  • the bolt 12 has at its lower end a flange 18, on the underside of which an adhesive 20 is applied.
  • the adhesive 20 hardens by heating, so that the robot 10 can fasten the bolt 12 to the plate 14 by targeted thermal heating.
  • the invention is not restricted to this preferred application.
  • an apparatus according to the invention for heating the bolt 12 is designated in its entirety by the reference number 24.
  • the device 24 has an input 26 for supplying a supply voltage. In the preferred applications, it is a three-phase supply voltage, which is why the input 26 is shown here with three connections.
  • the supply voltage supplied is rectified and smoothed via a rectifier 28.
  • a smoothed DC voltage is thus present at the subsequent inverter 30.
  • the inverter 30 generates a fluctuating heating current from the supplied DC voltage, which flows through an induction coil 32 in the preferred exemplary embodiment.
  • the induction coil 32 surrounds the shaft of the metallic bolt 12, so that the bolt 12 is heated inductively by the heating current.
  • the arrangement in Fig. 2 is shown in simplified form. In principle, the induction coil 32 could also be connected to the inverter 30 via a transformer, not shown here. However, the present invention is independent of whether such a transformer is used or not.
  • Reference number 34 denotes a control circuit which controls switching elements (not shown here) in the inverter 30 in the manner explained below.
  • the type of control determines the course of the heating current in the induction coil 32 and consequently the thermal heating of the bolt 12.
  • the control circuit 34 receives measurement signals from a current meter 36 and a voltmeter 38 with which the heating current through the induction coil 32 or the voltage across the induction coil 32 can be determined.
  • the control circuit 34 uses the measurement values obtained to determine the time offset when switching elements lying diagonally in the inverter 30 are switched off (will be explained below).
  • the control circuit 34 could also be provided with permanently preset delay times, so that in this case the ammeter 36 and the voltmeter 38 can be omitted.
  • the current meter 36 and the voltmeter 38 can also be used as an alternative to one another in other exemplary embodiments.
  • Fig. 3 shows the circuitry structure of a generic arrangement from which the present invention is based.
  • the mains-side input voltage is shown in FIG. 3 on the basis of a voltage source EN and an (internal) resistor RN.
  • a diode DN symbolizes the rectifier 28.
  • the voltage source EN, resistor RN and diode DN are in series with one another and supply the operating voltage for the control circuit explained below.
  • the control circuit essentially contains the inverter 30, which here contains four controllable switching elements (typically transistors) in an H-bridge arrangement.
  • the four switching elements S_P1, S_N1, S_N2 and S- _P2 are arranged in the four end branches of the H-bridge circuit.
  • the switching elements S_P1 and S_N2 are in series with one another in the first Longitudinal branch 42, while the switching elements S_N1 and S_P2 form the second longitudinal branch 44 in series with one another.
  • Antiparallel to each switching element is a free-wheeling diode arranged in the blocking direction, the designations D_P1, D_N1, D_N2 and D_P2 being chosen in accordance with the designation of the respective switching elements.
  • the branch 46 of the H-bridge circuit there is an inductor L1 and a resistor R1 symbolizing the ohmic losses.
  • the switching elements S_P1, S_P2 or S_N1, S_N2 lying diagonally to one another are switched on and off simultaneously with one another, only one diagonal branch being conductive and the other being blocking.
  • a current flows through the transverse branch 46 of the H-bridge circuit.
  • a current flows along the dash-dotted line 50, namely from the capacitance C_ZK via the resistor R_ZK, the switching element S_P1, the inductance L1, the resistor R1 and the switching element S_P2.
  • This current flows clockwise through the above-mentioned components, the switching elements S_P1, S_P2 being switched accordingly, while the switching elements S_N1 and S_N2 are in the non-conductive state.
  • the switching elements S_P1, S_P2 are now switched off at the same time, that is to say put into their non-conductive state, there is a current profile according to the dashed line 52. Since the current at the inductor L1 cannot jump, the inductor L1 drives the current via the free-wheeling diode D_N1 and the resistor R_ZK to the compensation capacitance C_ZK. From there it flows back to the inductor L1 via the freewheeling diode D_N2. As can be seen from the arrows drawn in, switching off the switching elements S_P1, S_P2 therefore results in an abrupt reversal of the current direction in the branch of the compensation capacitance C_ZK.
  • the current profile at the capacitance C_ZK is shown in Fig. 3 (curve with squares). It can be seen that the current jumps abruptly from its negative maximum value to its positive maximum value (namely when switching elements S_P1, S_P2 are switched off). Then the capacity is reloaded according to the usual e-function.
  • the voltage curve at the capacitance D_ZK is sawtooth-shaped. However, the abrupt reversal of the current direction causes strong RF interference, which must be suppressed by suitable filter measures.
  • the capacitance C_ZK must be dimensioned in this application in such a way that it can absorb all of the energy stored in the inductance L1 during the recharging.
  • Fig. 5 shows a similar circuit structure, but here the inverter is controlled according to the new method.
  • the same initial situation is assumed, namely a current flow from the capacitance C_ZK via the resistor R_ZK, the switching element S_P1, the inductance L1, the resistors R1 and the switching element S_P2. If the switching element S_P1 is now switched off, but the switching element S_P2 is not, the current induced in L1 flows through the resistor R1, the (closed!) Switching element S_P2 and the free-wheeling diode D_N2, as is shown by the line 56. The lower circuit of the H-bridge circuit is thus decoupled from the rest of the circuit.
  • the current through the capacitance C_ZK jumps to zero when the first diagonal switching element S_P1 is switched off. Since the energy from the inductance L1 has not yet been completely reduced in this case, the current in the branch of the capacitance C_ZK jumps in the opposite direction when the second switching element S_P2 is switched off, but to a lesser extent than in the method of the generic type. In the present case, the current in the opposite direction is only about 10% (or less) of the maximum current in the main direction.
  • a course 60 shows when the switching element S_P1 is switched on or off.
  • the curve 62 belongs to the switching element S_P2, the curve 64 to the switching element S_N1 and the curve 66 to the switching element S_N2.
  • the switching elements S_P !, S_P "or S_N1, S_N2, which are located diagonally to one another, are switched on or off as a group, with one of the switching elements within each group remaining switched on by the time offset T longer than the other. The new diagonal group is switched on immediately after the second switching element of the other group has been switched off.
  • the capacitance C_ZK in the circuit arrangement according to FIG. 5 can be dimensioned smaller.
  • a further capacitance 70 is provided in the preferred exemplary embodiment according to FIG. 5.
  • the capacitance 70 can be arranged before or after the diode DN, but in any case in parallel to the switching elements.

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Abstract

Ein Heizstrom, der insbesondere zum induktiven Erwärmen eines metallischen oder magnetischen Werkstücks dient, wird mit Hilfe eines Wechselrichters aus einer eingangsseitigen Versorgungsspannung erzeugt. Der Wechselrichter besitzt vier steuerbare Schaltelemente (S_P1, S_P2, S_N1, S_N2), die zueinander in einer H-Brückenschaltung mit zwei parallelen Längszweigen (42, 44) und einem Querzweig (46) angeordnet sind. Die jeweils diagonal zueinander liegenden Schaltelemente (S_P1, S_P2; S_N1, S_N2) der Brückenschaltung werden so angesteuert, dass der Heizstrom durch den Querzweig (46) fliesst. Gemäss einem Aspekt der Erfindung werden die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente (S_P1, S_P2; S_N1, S_N2) zeitlich versetzt zueinander vom leitenden in den nicht-leitenden Zustand geschaltet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Heizstroms, insbesondere zum induktiven Erwärmen eines Werkstücks
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines elektrischen Heizstroms, insbesondere zum induktiven Erwärmen eines metallischen oder magnetischen Werkstücks, wobei der Heizstrom mit Hilfe eines Wechselrichters aus einer eingangsseitigen Versorgungsspannung erzeugt wird, wobei der Wechselrichter vier steuerbare Schaltelemente aufweist, die zueinander in einer H-Brückenschaltung mit zwei parallelen Längszweigen und einem Querzweig angeordnet sind, und wobei jeweils diagonal zueinander liegende Schaltelemente der H-Brückenschaltung so angesteuert werden, dass der Heizstrom durch den Querzweig fließt.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Heizstroms, mit einem Eingang zum Zuführen einer Versorgungsspannung, mit einem Wechselrichter, der vier steuerbare Schaltelemente aufweist, die zueinander in einer H-Brückenschaltung mit zwei parallelen Längszweigen und einem Querzweig angeordnet sind, und mit einer Ansteuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, die jeweils diagonal zueinander liegende Schaltelemente der H-Brückenschaltung so anzusteuern, dass der Heizstrom durch den Querzweig fließt. Ein solches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind aus CH 664 660 A5 bekannt.
Die bekannte Vorrichtung wird in der Praxis bereits seit vielen Jahren verwen- det, um metallische oder magnetische Werkstücke induktiv zu erwärmen. Sie kann darüber hinaus grundsätzlich auch für eine resistive Erwärmung von Werkstücken verwendet werden. Beim induktiven Erwärmen fließt der Heizstrom durch eine im Querzweig der H-Brückenschaltung angeordnete Induktivität, dem sogenannten Induktor. Der Heizstrom erzeugt im Induktor ein magnetisches Wechselfeld. Dieses induziert in dem zu erwärmenden Werkstück (entweder direkt oder über einen zwischengeschalteten Transformator) Induktionsströme, die aufgrund der Ohm'schen Verluste im Werkstück zu einer Erwärmung führen. Beim resistiven Erwärmen würde der Heizstrom hingegen direkt durch das Werkstück geleitet. Die Geschwindigkeit und der Grad der Erwärmung kann mit Hilfe des Wechselrichters gezielt eingestellt werden. Typischerweise erfolgt dies durch eine Pulsweitenmodulation und/oder eine Frequenzmodulation des Heizstroms. Mit anderen Worten wird hiernach also das Puls-Pausen-Verhältnis und/oder die Häufigkeit von Strompulsen im Querzweig des Wechselrichters variiert. Um dies zu erreichen, werden die vier Schaltelemente des Wechselrichters gruppenweise ein- und wieder ausgeschaltet, wobei jeweils die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente gleichzeitig geschaltet werden. Die sich ergebenden Ströme sind weiter unten anhand der Figuren 3 und 4 zum besseren Verständnis der Erfindung dargestellt.
Aus DE 195 27 827 C2 ist eine weitere gattungsgemäße Anordnung bekannt, wobei der Wechselrichter in dieser Druckschrift nur symbolisch dargestellt ist. Um einen effektiven Betrieb zu erreichen, wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, die im Bereich des Induktors entstehende Blindleistung in einer dem Wechselrichter vorgelagerten Kapazität zu kompensieren. Konkret geht es in diesem Fall darum, die Energie, die beim Umschalten des Wechselrichters in dem Induktor gespeichert ist, in die vorgelagerte Kapazität umzuladen, da sich der Strom durch den Induktor beim Umschalten der Schaltelemente nicht abrupt verändern („springen") kann. Dementsprechend soll sich die Größe der Kapazität nach der Größe der aufzunehmenden Energie (in DE 195 27 827 C2 als Blindleistung bezeichnet) richten, wobei eine große Kapazität in der Größenordnung von 1 bis 15 mF vorgeschlagen wird.
Die Frequenzen, mit der der Heizstrom im Induktor umgeschaltet wird, können im Bereich von zum Beispiel 50 Hz bis zu 100 KHz liegen. Dementsprechend ist es erforderlich, dass die vorgelagerte Kompensationskapazität nicht nur hinsichtlich ihrer Größe ausreichend dimensioniert ist, sondern sie muss zudem auch HF-tauglich sein. Geeignete Kapazitäten sind recht teuer.
Ein weiteres Problem mit der bekannten Schaltung liegt darin, dass die Schaltelemente im Wechselrichter zerstört werden können, wenn die Kompensati- onskapazität nicht groß genug dimensioniert ist. Das Risiko einer Zerstörung tritt insbesondere dann auf, wenn die Erwärmungsschaltung im Leerlauf, d.h. ohne zu erwärmendes Werkstück, betrieben wird. Ein versehentliches Einschalten der Erwärmungsschaltung ohne Werkstück kann daher unter ungün- stigen Bedingungen zu einer Zerstörung der Schaltelemente im Wechselrichter führen.
Ein drittes Problem mit der bekannten Anordnung sind Hochfrequenzstörungen, die durch das abrupte Umschalten der Schaltelemente im Wechselrichter entstehen und auf die eingangsseitige Netzspannung zurückwirken. Angesichts der zunehmend strengeren Anforderungen in Bezug auf die sogenannte elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sind zur Unterdrückung dieser Störungen teure Filterschaltungen auf der Netzeingangsseite erforderlich.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen sich die aufgezeigten Probleme auf kostengünstige Art und Weise beherrschen lassen. Insbesondere sollen das neue Verfahren und die entsprechende Vorrichtung einen funktionssicheren Betrieb unabhängig vom Lastzustand der Erwärmungsschaltung ermöglichen und dabei möglichst geringe HF-Störungen erzeugen.
Diese Aufgabe wird gemäß einem Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die diagonal zueinander liegenden Schaltelement zeitlich versetzt zueinander vom leitenden in den nichtleitenden Zustand geschaltet werden. Gemäß einem anderen Aspekt wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der die Ansteuerschaltung ferner so ausgebildet ist, dass sie die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente zeitlich versetzt zueinander vom leitenden in den nicht-leitenden Zustand schaltet.
Die vorliegende Erfindung löst sich damit von dem bislang praktizierten An- satz, wonach die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente der H- Brückenschaltung jeweils zeitgleich ein- und ausgeschaltet wurden. Wie nachfolgend anhand einer detaillierten Analyse aufgezeigt wird, hat das zeitgleiche Ausschalten der diagonal liegenden Schaltelemente nämlich zur Folge, dass der Strom, der im Zweig der Kompensationskapazität fließt, beim Umschalten eine Richtungsumkehr mit einer extrem steilen Schaltflanke (dl/dt im Bereich von bis zu 1000 A/μs) erfährt. Diese abrupte Stromrichtungsumkehr ist eine Hauptursache für die erwähnten Hochfrequenzstörungen, die entsprechend aufwendige Filterschaltungen auf der Netzeingangsseite erfordern. Dadurch, dass nach der vorliegenden Erfindung die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente zeitlich versetzt, also nacheinander, ausgeschaltet werden, wird das Ausmaß der Stromrichtungsumkehr gemildert. In einem bevorzugten Anwendungsfall werden die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente zeitlich so versetzt zueinander gesteuert, dass praktisch keine Stromrichtungsumkehr an der Kompensationskapazität mehr auftritt. Dementsprechend können die Filterschaltungen zur Unterdrückung von EMV- Störungen einfacher und damit kostengünstiger ausfallen.
Als ein weiterer Vorteil des neuen Schaltverhaltens ergibt sich, dass die Energie im Induktor gar nicht oder nur zu einem wesentlich geringeren Teil in die Kompensationskapazität umgeladen wird, und zwar abhängig davon, mit welchem zeitlichen Versatz die diagonalen Schaltelemente ausgeschaltet werden. Infolgedessen kann die Kompensationskapazität wesentlich kleiner dimensioniert werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Schaltelemente im Wechselrichter unter ungünstigen Betriebsbedingungen (Leerlauf des Induktors) zerstört werden. Die Verwendung einer kleineren Kapazität an dieser Stelle ermöglicht weitere Kostenreduzierungen, wenngleich es aus anderen Gründen angezeigt sein kann, trotzdem eine größere Kapazität einzusetzen. Diese anderen Gründe sind insbesondere das Abfangen von Netzspannungsschwankungen, die in rauen Produktionsumgebungen, beispielsweise im Kfz-Karosseriebau häufig auftreten. Derartige Netzschwankungen können jedoch auch durch eine entsprechend groß dimensionierte Kapa- zität an anderer Stelle aufgefangen werden, so dass die vorliegende Erfindung einen größeren Gestaltungsspielraum bei der Auslegung der Erwärmungsschaltung bietet. Insbesondere ist es aufgrund der Erfindung möglich, die große Kapazität zum Abfangen von Netzspannungsschwankungen als Elektrolytkondensator zu realisieren, während man für die Kompensationskapazität einen HF-tauglichen, kleineren Folienkondensator verwendet.
Insgesamt ermöglicht das neue Schaltverhalten somit auf kostengünstige Weise einen funktionssicheren und mit weniger EMV-Störungen belasteten Betrieb. Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente zeitgleich zueinander vom nicht-leitenden in den leitenden Zustand geschaltet. Diese Ausgestaltung entspricht im Prinzip der schon bislang praktizierten Vorgehensweise beim Einschalten, wonach die diagonalen Schaltelemente zeitgleich eingeschaltet werden. Es versteht sich, dass der Begriff „zeitgleich" hier als „im Wesentlichen zeitgleich" zu verstehen ist, da eine absolut exakte Zeitgleichheit in der Praxis nicht zu gewährleisten ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung besitzt diese Ausgestaltung den Vorteil, dass die „neue" Stromrichtung durch den Induktor nach dem Umschalten ohne zusätzliche Verzögerung zur Verfügung steht. Dies bietet einen größeren Gestaltungsspielraum und damit eine höhere Flexibilität in Bezug auf den zeitlichen Versatz zwischen den Schaltvorgängen beim Ausschalten der jeweils anderen diagonalen Schaltelemente. Mit anderen Worten wird die insgesamt zum Umschalten benötigte Zeit in dieser Ausgestaltung praktisch ausschließlich dazu aufgewendet, die oben aufgezeigten Probleme zu beherrschen. Außerdem vereinfacht sich der Steuerungsaufwand in dieser Ausgestaltung der Erfindung.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die jeweils einen (also erste) diagonal zueinander liegenden Schaltelemente erst dann in den leitenden Zustand geschaltet, nachdem die jeweils anderen (die zweiten) diagonal liegenden Schaltelemente von leitenden in den nicht-leitenden Zustand geschaltet sind. Abweichend hiervon wäre es grundsätzlich auch denkbar, das Ein- und Ausschalten der Schaltelemente in zeitlicher Abfolge ineinander zu verschachteln. Die vorliegende Ausgestaltung besitzt demgegenüber den Vorteil, dass im Querzweig des Wechselrichters jeweils ein maximaler Heizstrom fließt, wo- durch die Erwärmung des Werkstücks beschleunigt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung wird zunächst ein erstes der diagonal liegenden Schaltelemente in den nicht-leitenden Zustand geschaltet und das zweite der diagonal liegenden Schaltelemente wird anschließend in Abhängigkeit von dem Heizstrom im Querzweig in den nicht-leitenden Zustand geschaltet.
In dieser Ausgestaltung wird der zeitliche Versatz beim Ausschalten der diagonal liegenden Schaltelemente also nicht zufällig, empirisch oder fest vorgegeben bestimmt, sondern er wird aus der Größe des aktuellen Heizstroms im Querzweig abgeleitet. Wie nachfolgend bei der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele gezeigt ist, ist der Heizkreis nach dem Ausschalten des ersten diagonalen Schaltelements nämlich elektrisch vom Rest der Schaltung abgetrennt. Die Größe des Heizstroms hängt damit maßgeblich von der Induktivität des Induktors und von der zu erwärmenden Last ab. Der Heizstrom selbst resultiert im Wesentlichen aus der im Induktor gespeicherten Energie. Durch Messen des abklingenden Heizstroms kann der optimale Zeitpunkt zum Ausschalten des zweiten diagonalen Schaltelements bestimmt werden. Insbesondere lässt sich in dieser Ausgestaltung eine sehr fein einstellbare Regelung für den Heizstrom realisieren.
In einer weiteren Ausgestaltung wird der Heizstrom im Querzweig über einen Verbraucher geführt, insbesondere einen Induktor, und das zweite der diagonal liegenden Schaltelemente wird in Abhängigkeit von einer Spannung über dem Verbraucher in den nicht-leitenden Zustand geschaltet. Diese Ausgestaltung eröffnet einen zweiten Einstellparameter, anhand dessen der zeitliche Versatz beim Ausschalten der diagonalen Schaltelemente bestimmt werden kann. Auch anhand der am Verbraucher anliegenden Spannung lässt sich ein optimaler Schaltzeitpunkt bestimmen. Besonders bevorzugt ist es, wenn der zeitliche Versatz sowohl anhand des Heizstroms als auch anhand der am Verbraucher anliegenden Spannung bestimmt wird, da sich in diesem Fall eine besonders exakte und flexible Regelung realisieren lässt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird die H-Brückenschaltung aus einer parallel zu den Schaltelementen angeordneten ersten Kapazität gespeist und der Heizstrom wird über eine Induktivität im Querzweig geführt. Diese Ausgestaltung ist besonders geeignet zum induktiven Erwärmen des Werkstücks. Alternativ hierzu kann die erfindungsgemäße Anordnung grundsätzlich jedoch auch zum resistiven Erwärmen verwendet werden. Die weiter oben beschriebenen Vorteile kommen beim induktiven Erwärmen jedoch besonders zur Geltung, da die in diesem Fall im Querzweig angeordnete Induktivität eine abrupte Stromrichtungsumkehr im Querzweig verhindert und infolgedessen die eingangsgenannten Probleme auftreten.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente zeitlich so versetzt zueinander in den nicht-leitenden Zustand geschaltet, dass eine in der Induktivität gespeicherte Energie zu maximal 20 %, bevorzugt maximal 10 % in die Kapazität umgeladen wird.
Grundsätzlich ist es bevorzugt, wenn die Energie im Querzweig des Wechselrichters gar nicht in die Kompensationskapazität umgeladen werden muss, da an der Kompensationskapazität in diesem Fall keine Stromrichtungsumkehr stattfindet. Außerdem steht in diesem Fall die gesamte Energie dem Aufwärmen des Werkstücks zugute. Da der Stromfluss durch den Induktor allerdings nach einer e-Funktion abnimmt, kann es für einen flexiblen und schnellen Regelungsvorgang von Vorteil sein, eine gewisse Stromrichtungsumkehr an der Kompensationskapazität in Kauf zu nehmen. Um die oben genannten Probleme wirkungsvoll zu vermeiden, hat sich der hier genannte Grenzwert als eine praktikable Lösung herausgestellt, ohne dass es auf die exakte Einhaltung des Grenzwertes ankommt. Viel wesentlicher ist es, dass die Kompensationskapazität beim (hingenommenen bzw. tolerierten) Umladen hinreichend weit von ihrem maximalen Ladungszustand entfernt bleibt, um eine Zerstörung der Schaltelemente im Wechselrichter zuverlässig auszuschließen.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente zeitlich so versetzt zueinander in den nicht-leitenden Zustand geschaltet, dass ein Strom über die Kapazität in einer ersten Stromflussrich- tung wesentlich größer ist als in der Gegenrichtung. Vorzugsweise ist der Strom in der Gegenrichtung maximal 20 %, eher noch maximal 10 % des Stroms in der Hauptstromrichtung. Diese Ausgestaltung ist ein weiteres Kriterium, um den optimalen zeitlichen Versatz beim Ausschalten der diagonalen Schaltelemente zu erreichen. Dabei bietet diese Ausgestaltung den Vorteil, dass die angegebenen Designparameter recht einfach erfasst werden können, so dass der gewünschte zeitliche Versatz einfach eingestellt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Versorgungsspannung über eine zweite Kapazität geglättet, wobei die zweite Kapazität größer ist als die erste Kapazität.
Diese Ausgestaltung knüpft an die bereits oben erwähnte Variante an, wonach eine HF-taugliche, „kleine" Kapazität zur Kompensation bzw. Energieaufnah- me beim Umschalten des Wechselrichters verwendet wird, während eine größere und nicht notwendigerweise HF-taugliche Kapazität als Pufferkapazität zum Abfangen von äußeren Netzschwankungen verwendet wird. Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass trotz der erhöhten Bauteilanzahl die Gesamtkosten der Vorrichtung reduziert werden können.
Wenngleich das beschriebene Verfahren und die neue Vorrichtung grundsätzlich auch für andere Anwendungsfälle eingesetzt werden können, ist der bevorzugte Anwendungsfall das induktive Erwärmen eines metallischen und/oder magnetischen Werkstücks, und zwar insbesondere beim einseitigen Befestigen eines metallischen Bolzens an einem Untergrund. Ganz besonders bevorzugt wird das neue Verfahren beim Aufkleben von Bolzen auf Karosseriebauteile für den Kfz-Bereich angewendet. Die oben beschriebenen Vorteilen kommen bei dieser Anwendung besonders wirkungsvoll zur Geltung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Roboters, der einen metallischen Bolzen mit Hilfe des neuen Verfahrens an einer Platte befestigt,
Fig. 2 eine vereinfachte blockschaltbildmäßige Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 3 das elektrische Schaltbild einer gattungsgemäßen Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von metallischen Werkstücken,
Fig. 4 ausgewählte Strom- und Spannungsverläufe bei der Vorrichtung aus Fig. 3, Fig. 5 das elektrische Schaltbild einer nach der Erfindung bevorzugten Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von Werkstücken,
Fig. 6 ausgewählte Strom- und Spannungsverläufe bei der Vorrichtung aus Fig. 5,
Fig. 7 ausgewählte Strom- und Spannungsverläufe bei der Vorrichtung aus Fig. 5 in einer alternativen Betriebsart, und
Fig. 8 eine schematische Darstellung der Schaltfolgen für die Schaltelemente in der Vorrichtung gemäß Fig. 5.
Fig. 1 zeigt in einer vereinfachten Darstellung einen Roboter 10, der einen Bolzen 12 an einer Platte 14 durch Kleben befestigt. Der Roboter 10 besitzt eine Greifeinrichtung 16, die den Bolzen 12 festhält. In der Greifeinrichtung 16 ist außerdem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erwärmen des Bolzens angeordnet (hier nicht dargestellt). Der Bolzen 12 besitzt an seinem unteren Ende einen Flansch 18, auf dessen Unterseite ein Klebstoff 20 aufgebracht ist. Der Klebstoff 20 härtet durch Erwärmen aus, so dass der Roboter 10 den Bolzen 12 durch gezielte thermische Erwärmung an der Platte 14 befestigen kann. Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch auf diesen bevorzugten Anwendungsfall nicht beschränkt.
In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erwärmen des Bolzens 12 in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 24 bezeichnet. Die Vorrichtung 24 besitzt einen Eingang 26 zum Zuführen einer Versorgungsspannung. In den bevorzugten Anwendungsfällen handelt es sich um eine dreiphasige Versorgungsspannung, weshalb der Eingang 26 hier mit drei Anschlüssen dargestellt ist. Die zugeführte Versorgungsspannung wird über einen Gleichrichter 28 gleichgerichtet und geglättet. An dem nachfolgenden Wechselrichter 30 liegt damit eine geglättete Gleichspannung an. Der Wechselrichter 30 erzeugt aus der zugeführten Gleichspannung einen in seinem Verlauf schwankenden Heizstrom, der in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Induktionsspule 32 durchfließt. Die Induktionsspule 32 umgibt den Schaft des metallischen Bolzens 12, so dass der Bolzen 12 durch den Heizstrom induktiv erwärmt wird. Die Anordnung in Fig. 2 ist vereinfacht dargestellt. Grundsätzlich könnte die Induktionsspule 32 auch über einen hier nicht gezeigten Transformator mit dem Wechselrichter 30 verbunden sein. Die vorliegende Erfindung ist jedoch unabhängig davon, ob ein solcher Transformator verwendet wird oder nicht.
Mit der Bezugsziffer 34 ist eine Ansteuerschaltung bezeichnet, die in der nachfolgend erläuterten Weise Schaltelemente (hier nicht gezeigt) im Wechselrichter 30 ansteuert. Durch die Art der Ansteuerung wird der Verlauf des Heizstroms in der Induktionsspule 32 bestimmt und infolge davon die thermische Erwärmung des Bolzens 12. In dem hier gezeigten, bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiel erhält die Ansteuerschaltung 34 Messsignale von einem Strommesser 36 und einem Spannungsmesser 38, mit denen der Heizstrom durch die Induktionsspule 32 bzw. die Spannung über der Induktionsspule 32 bestimmbar sind. Die Ansteuerschaltung 34 bestimmt anhand der erhaltenen Messwerte den zeitlichen Versatz beim Ausschalten von diagonal im Wechsel- richter 30 liegenden Schaltelementen (wird nachfolgend ausgeführt). Alternativ hierzu könnte die Ansteuerschaltung 34 auch mit fest voreingestellten Verzögerungszeiten versehen sein, so dass in diesem Fall der Strommesser 36 und der Spannungsmesser 38 entfallen können. Darüber hinaus können der Strommesser 36 und der Spannungsmesser 38 in anderen Ausführungsbei- spielen auch alternativ zueinander verwendet werden.
Fig. 3 zeigt den schaltungstechnischen Aufbau einer gattungsgemäßen Anordnung, von der die vorliegende Erfindung ausgeht. Die netzseitige Eingangsspannung ist in Fig. 3 anhand einer Spannungsquelle EN und eines (lnnen-)Widerstandes RN dargestellt. Eine Diode DN symbolisiert den Gleich- richter 28. Die Spannungsquelle EN, Widerstand RN und Diode DN liegen in Serie zueinander und liefern die Betriebsspannung für die nachfolgend erläuterte Steuerschaltung.
Die Steuerschaltung beinhaltet im Wesentlichen den Wechselrichter 30, der hier vier steuerbare Schaltelemente (typischerweise Transistoren) in einer H- Brückenanordnung enthält. Die vier Schaltelemente S_P1 , S_N1 , S_N2 und S- _P2 sind in den vier Endzweigen der H-Brückenschaltung angeordnet. Dabei liegen die Schaltelemente S_P1 und S_N2 in Serie zueinander im ersten Längszweig 42, während die Schaltelemente S_N1 und S_P2 in Serie zueinander den zweiten Längszweig 44 bilden.
Antiparallel zu jedem Schaltelement befindet sich eine in Sperrrichtung angeordnete Freilaufdiode, wobei die Bezeichnungen D_P1 , D_N1 , D_N2 und D_P2 entsprechend der Bezeichnung der jeweiligen Schaltelemente gewählt sind. Im Querzweig 46 der H-Brückenschaltung befindet sich eine Induktivität L1 und ein die Ohm'schen Verluste symbolisierender Widerstand R1. Parallel zu den beiden Längszweigen 42, 44 der H-Brückenschaltung ist außerdem noch eine Serienschaltung aus einer Kompensationskapazität C_ZK und einem Verlustwiderstand R_ZK dargestellt.
Bei dieser an sich bekannten Anordnung werden die diagonal zueinander liegenden Schaltelement S_P1 , S_P2 bzw. S_N1 , S_N2 jeweils zeitgleich zueinander ein- und ausgeschaltet, wobei jeweils nur ein Diagonalzweig leitend und der andere sperrend ist. Dies hat zur Folge, dass ein Strom durch den Querzweig 46 der H-Brückenschaltung fließt. Um das Schaltverhalten zu analysieren, sei nachfolgend zunächst davon ausgegangen, dass ein Strom- fluss entlang der strichpunktierten Linie 50 erfolgt, nämlich von der Kapazität C_ZK über den Widerstand R_ZK, das Schaltelement S_P1 , die Induktivität L1 , den Widerstand R1 und das Schaltelement S_P2. Dieser Strom fließt im Uhrzeigersinn durch die genannten Bauelemente, wobei die Schaltelemente S_P1 , S_P2 dementsprechend leitend geschaltet sind, während die Schaltelemente S_N1 und S_N2 sich im nicht-leitenden Zustand befinden.
Werden nun die Schaltelemente S_P1 , S_P2 gleichzeitig ausgeschaltet, d.h. in ihren nicht-leitenden Zustand versetzt, ergibt sich ein Stromverlauf gemäß der gestrichelten Linie 52. Da der Strom an der Induktivität L1 nicht springen kann, treibt die Induktivität L1 den Strom über die Freilaufdiode D_N1 und den Widerstand R_ZK zur Kompensationskapazität C_ZK. Von dort fließt er über die Freilaufdiode D_N2 zur Induktivität L1 zurück. Wie man anhand der eingezeichneten Pfeile erkennen kann, hat das Ausschalten der Schaltelemente S_P1 , S_P2 also eine abrupte Stromrichtungsumkehr im Zweig der Kompensationskapazität C_ZK zur Folge. Der Stromverlauf an der Kapazität C_ZK ist in Fig. 3 dargestellt (Kurve mit Quadraten). Man erkennt, dass der Strom von seinem negativen Maximalwert abrupt auf seinen positiven Maximalwert springt (nämlich beim Ausschalten der Schaltelemente S_P1 , S_P2). Anschließend wird die Kapazität nach der üblichen e-Funktion umgeladen. Der Spannungsverlauf an der Kapazität D_ZK ist sägezahnförmig. Die abrupte Stromrichtungsumkehr verursacht allerdings starke HF-Störungen, die durch geeignete Filtermaßnahmen unterdrückt werden müssen. Darüber hinaus muss die Kapazität C_ZK in diesem Anwendungsfall so dimensioniert sein, dass sie die gesamte in der Induktivität L1 gespeicherte Energie beim Umladen aufnehmen kann.
Nach dem Einschalten der diagonal liegenden Schaltelemente S_N1 und S_N2 fließt der Strom dann entlang der Bahn, die mit der Linie 54 dargestellt ist. Beim Ausschalten der Schaltelemente S_N1 und S_N2 findet eine erneute abrupte Stromrichtungsumkehr an der Kapazität C_ZK statt.
Fig. 5 zeigt einen ähnlichen Schaltungsaufbau, wobei der Wechselrichter hier allerdings nach dem neuen Verfahren angesteuert wird. Zur Erläuterung sei von derselben Ausgangssituation ausgegangen, nämlich einem Stromfluss von der Kapazität C_ZK über den Widerstand R_ZK, das Schaltelement S_P1 , die Induktivität L1 , den Widerständen R1 und das Schaltelement S_P2. Wird nun das Schaltelement S_P1 ausgeschaltet, das Schaltelement S_P2 jedoch nicht, fließt der in L1 induzierte Strom über den Widerstand R1 , das (geschlossene!) Schaltelement S_P2 und die Freilaufdiode D_N2, wie dies anhand der Linie 56 dargestellt ist. Der untere Kreis der H-Brückenschaltung wird somit vom Rest der Schaltung abgekoppelt. Eine Stromrichtungsumkehr an der Kapazität C_ZK tritt nicht auf. Erst wenn die in der Induktionsspule L1 gespeicherte Energie weitgehend abgebaut ist, wird auch das Schaltelement S_P2 geöffnet und praktisch zeitgleich dazu werden die Schaltelemente S_N1 und S_N2 geschlossen. Damit ist ein erneuter Stromfluss aus der Kapazität C_ZK in den Querzweig der H-Brückenschaltung über die Schaltelemente S_N1 und S_N2 möglich, wie dies anhand der Linie 54 dargestellt ist.
Die entsprechenden Strom- und Spannungsverläufe an der Kapazität C_ZK sind in Fig. 6 gezeigt. Beim Ausschalten des ersten Schaltelements S_P1 im Diagonalzweig springt der Strom an der Kapazität C_ZK auf Null. Erst wenn das zweite diagonale Schaltelements S_P2 ausgeschaltet und die beiden anderen diagonalen Schaltelemente S_N1 und S_N2 eingeschaltet werden, fließt wieder ein Strom aus der Kapazität, jedoch in gleicher Richtung wie zuvor.
In Fig. 7 ist ein Stromverlauf bei einem geringeren zeitlichen Versatz T zwischen den Ausschaltvorgängen dargestellt. Der Strom durch die Kapazität C_ZK springt beim Ausschalten des ersten diagonalen Schaltelements S_P1 auf Null. Da die Energie aus der Induktivität L1 in diesem Fall noch nicht vollständig abgebaut ist, springt der Strom im Zweig der Kapazität C_ZK beim Ausschalten des zweiten Schaltelements S_P2 in die Gegenrichtung, jedoch in einem geringeren Maß als bei dem gattungsgemäßen Verfahren. Im vorliegenden Fall beträgt der Strom in der Gegenrichtung nur etwa 10% (oder weniger) des maximalen Stroms in der Hauptrichtung.
In Fig. 8 sind die Schaltverläufe für die vier Schaltelemente nochmals symbo- lisch dargestellt. Ein Verlauf 60 zeigt, wann das Schaltelement S_P1 ein- bzw. ausgeschaltet wird. Der Verlauf 62 gehört zum Schaltelement S_P2, der Verlauf 64 zum Schaltelement S_N1 und der Verlauf 66 zum Schaltelement S_N2. Die jeweils diagonal zueinander liegenden Schaltelemente S_P!, S_P" bzw. S_N1 , S_N2 werden als Gruppe ein- bzw. ausgeschaltet, wobei innerhalb jeder Gruppe eines der Schaltelemente um den zeitlichen Versatz T länger eingeschaltet bleibt als das andere. Das Einschalten der neuen Diagonalgruppe erfolgt unmittelbar nachdem das zweite Schaltelement der jeweils anderen Gruppe ausgeschaltet wurde.
Aufgrund des neuen Schaltverhaltens kann die Kapazität C_ZK in der Schal- tungsanordnung gemäß Fig. 5 kleiner dimensioniert sein. Um trotzdem Netzspannungsschwankungen, wie sie in rauen Produktionsumgebungen häufig auftreten, abfangen zu können, ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 eine weitere Kapazität 70 vorgesehen. Die Kapazität 70 kann vor oder nach der Diode DN, in jedem Fall jedoch parallel zu den Schaltelementen angeordnet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Erzeugen eines elektrischen Heizstroms, insbesondere zum induktiven Erwärmen eines metallischen oder magnetischen Werk- Stücks (12), wobei der Heizstrom mit Hilfe eines Wechselrichters (30) aus einer eingangseitigen Versorgungsspannung erzeugt wird, wobei der Wechselrichter (30) vier steuerbare Schaltelemente (S_P1 , S_P2, S_N1 , S_N2) aufweist, die zueinander in einer H-Brückenschaltung mit zwei parallelen Längszweigen (42, 44) und einem Querzweig (46) an- geordnet sind, und wobei jeweils diagonal zueinander liegende Schaltelemente (S_P1 , S_P2; S_N1 , S_N2) der H-Brückenschaltung so angesteuert werden, dass der Heizstrom durch den Querzweig (46) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente (S_P1 , S_P2; S_N1 , S_N2) zeitlich versetzt zueinander vom leitenden in den nicht-leitenden Zustand geschaltet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente (S_P1 , S_P2; S_N1 , S_N2) zeitgleich zueinander vom nicht-leitenden in den leitenden Zustand geschaltet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils einen diagonal zueinander liegenden Schaltelemente (S_P1 , S_P2) erst dann in den leitenden Zustand geschaltet werden, nachdem die jeweils anderen diagonal liegenden Schaltelemente (S_N1 , S_N2) vom leitenden in den nicht-leitenden Zustand geschaltet sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein erstes der diagonal liegenden Schaltelemente (S_P1 ) in den nicht-leitenden Zustand geschaltet wird und dass das zweite der diagonal liegenden Schaltelemente (S_P2) anschließend in Abhängigkeit von dem Heizstrom im Querzweig (46) in den nicht- leitenden Zustand geschaltet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizstrom im Querzweig (46) über einen Verbraucher (L1 ) geführt wird und dass das zweite der diagonal liegenden Schaltelemente (S_P2) in Abhängigkeit von einer Spannung über dem Verbraucher (L1 ) in den nicht-leitenden Zustand geschaltet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die H-Brückenschaltung aus einer parallel zu den Schaltelementen angeordneten ersten Kapazität (C_ZK) gespeist wird und dass der Heizstrom über eine Induktivität (L1) im Querzweig (46) geführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die diagonal zueinander liegen Schaltelemente (S_P1 , S_P2; S_N1 , S_N2) zeitlich so versetzt zueinander in den nicht-leitenden Zustand geschaltet werden, dass eine in der Induktivität (L1) gespeicherte Energie zu maximal 20%, vorzugsweise maximal 10 %, in die Kapazität umgeladen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die diagonal zueinander liegen Schaltelemente (S_P1 , S_P2; S_N1 , S_N2) zeitlich so versetzt zueinander in den nicht-leitenden Zustand geschaltet werden, dass ein Strom über die Kapazität (C_ZK) in einer ersten Stromflussrichtung wesentlich größer ist als in der Gegenrichtung.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung über eine zweite Kapazität (70) geglättet wird, wobei die zweite Kapazität größer ist als die erste Kapazität (C_ZK).
10. Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Heizstroms, mit einem Eingang zum Zuführen einer Versorgungsspannung, mit einem Wechselrichter (30), der vier steuerbare Schaltelement (S_P1 , S_P2, S_N1 , S_N2) aufweist, die zueinander in einer H-Brückenschaltung mit zwei parallelen Längszweigen (42, 44) und einem Querzweig (46) angeord- net sind, und mit einer Ansteuerschaltung (34), die dazu ausgebildet ist, die jeweils diagonal zueinander liegenden Schaltelemente (S_P1 , S_P2; S_N1 , S_N2) der H-Brückenschaltung so anzusteuern, dass der Heizstrom durch den Querzweig (46) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (34) ferner so ausgebildet ist, dass sie die diagonal zueinander liegenden Schaltelemente (S_P1 , S_P2; S_N1 , S_N2) zeitlich versetzt zueinander vom leitenden in den nicht-leitenden Zustand schaltet.
11. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 10 zum induktiven Erwärmen eines metallischen und/oder magnetischen Werkstücks, ins- besondere zum einseitigen Befestigen eines metallischen Bolzens (12) an einem Untergrund (14).
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