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Dokumentenidentifikation DE19521761C1 09.01.1997
Titel Frequenzumrichter zur Speisung mehrerer induktiver Verbraucher und Verfahren zu seinem Betrieb
Anmelder Otto Junker GmbH, 52152 Simmerath, DE
Erfinder Ernst, Detlef, 52146 Würselen, DE
Vertreter König, W., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 52064 Aachen
DE-Anmeldedatum 19.06.1995
DE-Aktenzeichen 19521761
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.01.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.01.1997
IPC-Hauptklasse H02M 7/523
IPC-Nebenklasse H05B 6/04   
Zusammenfassung Um mehrere induktive Verbraucher gleichzeitig mit unterschiedlicher Leistung zu betreiben, sind bisher unabhängig voneinander arbeitende Wechselrichter oder aufwendige Schalteinrichtungen nötig. Mit dem vorliegenden Frequenzumrichter soll ein verringerter Schaltungsaufwand erreicht werden.
Erfindungsgemäß ist der Schwingkreiswechselrichter (WR) des Frequenzumrichters als Reihenschwingkreiswechselrichter ausgeführt. Ein erstes Ventil (V7) und ein erster Kompensationskondensator (C1) sind am positiven Pol des Zwischenkreises (ZK), ein zweites Ventil (V8) und ein zweiter Kompensationskondensator (C2) sind am negativen Pol des Zwischenkreises (ZK) angeschaltet. Die Ventile (V7, V8) und die Kompensationskondensatoren (C1, C2) sind miteinander verbunden. Zwischen deren Verbindungspunkten ist ein erster induktiver Verbraucher (O1) angeordnet. Jeder weitere induktive Verbraucher (O2; O3) greift mit einer Zuleitung an den Verbindungspunkt der Kompensationskondensatoren (C1, C2) und mit der anderen Zuleitung jeweils an dem Verbindungspunkt zweier weiterer Ventile (V9, V10; V11, V12), die parallel zu den ersten Ventilen (V7; V8) angeordnet sind, an. Die Verbraucher (O1; O2; O3) werden beim Stromnulldurchgang über ihre zugeordneten Ventile (V7 bis V12) nacheinander mit dem Zwischenkreis (ZK) verbunden.
Die Schaltung eignet sich insbesondere zum gleichzeitigen Betrieb mehrerer Induktionsschmelzöfen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter zur Speisung mehrerer induktiver Verbraucher, bestehend aus einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis und mindestens einem Reihenschwingkreiswechselrichter, bei dem ein erstes Ventil und ein erster Kompensationskondensator am positiven Pol des Zwischenkreises, ein zweites Ventil und ein zweiter Kompensationskondensator am negativen Pol des Zwischenkreises angeschaltet sind, wobei die Ventile und die Kompensationskondensatoren jeweils miteinander verbunden sind und zwischen deren Verbindungspunkten ein erster induktiver Verbraucher angeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb des Frequenzumrichters.

In Frequenzumrichteranlagen sind oft mehrere Verbraucher unabhängig voneinander mit verschiedener Leistung bzw. verschiedener Frequenz zu versorgen.

So ist es z. B. in Gießereien oftmals nötig, für einen kontinuierlichen Produktionsablauf zwei oder mehrere Induktionsschmelzöfen gleichzeitig mit unterschiedlicher Leistung zu betreiben. Während der eine Induktionsschmelzofen sich dabei in der Aufschmelzphase befindet, ist die Charge in einem zweiten Induktionsschmelzofen beispielsweise bereits aufgeschmolzen und steht zur Probenentnahme und für Korrekturen der Legierungszusammensetzung bereit. Aus dem zweiten oder einem dritten Induktionsschmelzofens können zum anderen auch die für die Produktion erforderlichen Mengen von Schmelzgut entnommen werden, während sich der erste Ofen erst in der Aufschmelzphase befindet. Wartezeiten während des Aufschmelzens werden durch diese Betriebsweise weitgehend vermieden.

Die Betriebsweise macht es allerdings oft erforderlich, daß ein Schmelzofen über eine längere Zeit warmgehalten werden muß. Zum Warmhalten benötigt der Schmelzofen jedoch nur einen Bruchteil der Leistung, die zum Aufschmelzen nötig ist. Da bei dieser Betriebsart ein Frequenzumrichter immer nur mit einem kleinen Teil seiner Nennleistung arbeitet, sind bereits Lösungen entwickelt worden, die es ermöglichen, mehrere Induktionsschmelzöfen mit einem einzigen Frequenzumrichter zu betreiben.

Als bekannt wird angesehen mehrere zu Parallelschwingkreisen angeordnete Induktionsschmelzöfen mittels mechanischer Umschalter an einem Frequenzumrichter zu betreiben, der aus einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis und einem Wechselrichter besteht. Um die bereits aufgeschmolzene Menge des Schmelzgutes eines ersten Induktionsschmelzofens warmzuhalten, wird der Wechselrichter, der einen in der Aufschmelzphase befindlichen zweiten Induktionsschmelzofen speist, abgeschaltet und im folgenden für eine kurze Zeit auf den ersten Induktionsschmelzofen umgeschaltet.

Als bekannt wird für diese Anordnung auch eine elektronische Umschaltung angesehen, die Leistung des Umrichters jedoch beim Beginn jeder Umschaltung heruntergesteuert und nach erfolgter Umschaltung wieder hochgefahren werden muß.

Eine ähnliche Einrichtung ist auch aus der DE 32 20 142 A1 zur induktiven Erwärmung von Werkstücken mit mehreren Induktoren bekannt. Die Induktoren werden an einem gemeinsamen Parallelschwingkreiswechselrichter betrieben, wobei teilweise ein gemeinsamer Schwingkreiskondensator benutzt wird (siehe dort Fig. 2), und lassen sich individuell zu- und abschalten. Auch hier ist es jedoch bei jeder Umschaltung erforderlich, den Umrichter herunterzusteuern bzw. abzuschalten.

Aus der US-PS 5 272 719 ist ein Frequenzumrichter der eingangs genannten Art bekannt, bei der jedem Verbraucher, d. h. jedem Induktionsschmelzofen, ein separater Wechselrichter zugeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich beide Induktionsschmelzöfen gleichzeitig parallel betreiben, wobei die Gesamtleistung mehrerer parallel betriebener Induktionsschmelzöfen die Eingangsleistung des Frequenzumrichters nicht überschreiten darf. Es sind deshalb spezielle Meß- und Steuervorrichtungen vorgesehen, die die Einhaltung dieser Bedingung überwachen sollen.

Sämtliche Lösungen besitzen den gemeinsamen Nachteil, daß aufwendige Schalteinrichtungen nötig sind. Mit der zuletzt genannten Lösung ist zwar der gleichzeitige Betrieb von zwei Induktionsschmelzöfen möglich, erkauft wird dieser Vorteil jedoch dadurch, daß zusätzlich ein weiterer kompletter Wechselrichter, d. h. einschließlich einer weiteren Kondensatorbatterie, benötigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter der eingangs genannten Art zum Speisen mehrerer induktiver Verbraucher anzugeben, bei dem eine beliebige Leistungsverteilung auf die Verbraucher bei verringertem schaltungstechnischem Aufwand möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder weitere induktive Verbraucher mit der jeweils einen Zuleitung an dem Verbindungspunkt der Kompensationskondensatoren und mit der jeweils anderen Zuleitung an einem Verbindungspunkt jeweils zweier weiterer Ventile angreift, die parallel zu den ersten Ventilen angeordnet sind.

Der erfindungsgemäße Umrichter wird in vorteilhafter Weise erfindungsgemäß so betrieben, daß die induktiven Verbraucher über ihre zugeordneten Ventile zeitlich nacheinander mit dem Zwischenkreis verbunden werden, wobei die Anschaltzeit im Verhältnis zur erforderlichen Leistungsaufnahme der Verbraucher bestimmt wird.

Die Umschaltung kann in vorteilhafter Weise so erfolgen, daß erfindungsgemäß die Umschaltung von einem ersten induktiven Verbraucher zum nächsten induktiven Verbraucher zum Zeitpunkt des Stromnulldurchganges des ersten induktiven Verbrauchers bzw. in dessen Nähe erfolgt.

Der Eingangsgleichrichter kann in üblicher Weise als gesteuerter oder ungesteuerter Gleichrichter ausgeführt sein, was im wesentlichen vom Leistungsbereich abhängt. Er kann als sechs-, zwölf- oder vierundzwanzigpulsige Ausführung aufgebaut sein.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß zur Umschaltung auf einen nächsten induktiven Verbraucher nur ein Satz von Kompensationskondensatoren benötigt wird, außerdem sind keine zusätzlichen Schalteinrichtungen nötig. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Kostenersparnis hinsichtlich des Material-, Aufstellungs- und Wartungsbedarfs der Anlage. Die Umschaltung erfolgt ohne Zeitverzögerung.

Die Anordnung ermöglicht eine beliebige Leistungsverteilung auf die induktiven Verbraucher. Die minimale Einschaltdauer eines Verbrauchers beträgt eine halbe Schwingungsperiode, sollte jedoch möglichst eine Schwingungsperiode nicht unterschreiten, um den Oberschwingungsanteil im Strom des Verbrauchers mit der geringeren Leistungsaufnahme klein zu halten. Die jeweilige Anschaltzeit liegt also im Bereich von Millisekunden. Damit ergibt sich ein quasiparalleler Betrieb der Verbraucher und eine zeitlich gleichmäßige Leistungsbeaufschlagung.

Auch die Genauigkeit der Leistungsverteilung auf die induktiven Verbraucher wird erhöht. Werden z. B. 100 Schwingungen auf verschiedene Verbraucher aufgeteilt und von einer minimalen Anschaltzeit von einer Schwingungsperiode ausgegangen, so wird eine Leistungsverteilung mit einer Genauigkeit von 1% erreicht, wobei in der Praxis schon Genauigkeiten von ca. 2-3% als für ausreichend erachtet werden. Die Genauigkeit läßt sich beliebig erhöhen.

Benötigt ein Verbraucher nur eine sehr geringe Leistung im Verhältnis zu den weiteren Verbrauchern, so kann die Schwingungsaufteilung auch so erfolgen, daß für diesen Verbraucher einzelne Schwingungsperioden ausgelassen werden.

Die Gesamtleistung des Frequenzumrichters ist abhängig von der verbraucherseitigen Schwingungsamplitude. Eine Reduzierung der Gesamtleistung kann durch Änderung der Ansteuerfrequenz erreicht werden. Die Verteilung der verringerten Gesamtleistung wird wiederum durch eine geeignete Aufteilung der Schwingungen auf die einzelnen Verbraucher vorgenommen.

Die Leistungsverteilung läßt sich bei gleicher Aufteilung der Anzahl der Schwingungsperioden auf die Verbraucher auch so verändern, daß die Schwingungsamplitude der einzelnen Schwingungspakete eines Verbrauchers gegenüber der der weiteren Verbraucher in ihrer Höhe verändert wird.

Die den Verbrauchern zugeordneten Ventile werden durch eine gemeinsame Steuerungslogik so durchgesteuert, daß eine kontinuierliche Schwingung aufrechterhalten wird. Diese Steuerungslogik stellt die richtige Reihenfolge in der Ansteuerung der Ventile sicher, da diese nur in Abhängigkeit zueinander arbeiten können.

Jederzeit ist eine Änderung der Anzahl der induktiven Verbraucher möglich. Das Zu- und Abschalten kann unter Vollast, d. h. ohne Abschaltung des Frequenzumrichters, erfolgen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Frequenzumrichter zur Speisung von drei Induktionsschmelzöfen,

Fig. 2 die Verteilung der Leistung auf drei Induktionsschmelzöfen anhand einer Stromkurve.

Fig. 1 zeigt einen Frequenzumrichter, der an einer dreiphasigen Spannungsversorgung 1 betrieben wird. Er ist als 6-phasiger gesteuerter Gleichrichter GR aufgebaut, bestehend aus den Ventilen V1 bis V6, und einem aus der Drosselspule L1 und dem Kondensator C3 bestehenden Zwischenkreis ZK. Der zugehörige Schwingkreiswechselrichter WR wird durch zwei Ventile V7 und V8 und durch die Kompensationskondensatoren C1 und C2 gebildet. Am Schwingkreiswechselrichter WR ist ein erster induktiver Verbraucher, hier die Ofenspule O1 eines Induktionsschmelzofens, angeschaltet. Jeder weitere induktive Verbraucher, z. B. eine weitere Ofenspule O2 oder O3, kann so dazugeschaltet werden, daß die vorhandenen Kompensationskondensatoren C1 und C2 mit zugehörigen Ventilen V9 und V10 bzw. Ventilen V11 und V12 jeweils einen weiteren Wechselrichterzweig bilden. Die Ofenspulen O1 bis O3 bilden mit den Kompensationskondensatoren C1 und C2 jeweils einen Serienschwingkreis.

Die Größe der Kompensationskondensatoren C1 und C2 entspricht dem für einen Induktionsschmelzofen erforderlichen Wert, unabhängig von der Anzahl der angeschlossenen Induktionsschmelzöfen.

Beim Betrieb eines Wechselrichters bringen die Schwingungen eines solchen Serienschwingkreises über das Magnetfeld der Ofenspulen O1, O2, O3 die Schmelzenergie in die Schmelze ein.

Die Verteilung der Leistung auf die drei Ofenspulen O1 bis O3 erfolgt durch die serielle Aufteilung der Schwingungen der Wechselrichterzweige auf die einzelnen Ofenspulen O1 bis O3. Die Anzahl der Schwingungen eines aus den Ventilen V7, V8 bestehenden Wechselrichterzweiges im Vergleich zur Anzahl der Schwingungen des zweiten bzw. eines weiteren Wechselrichterzweiges mit den Ventilen V9, V10 entspricht dabei den Relationen der Leistungen der Induktionsschmelzöfen zueinander. Fig. 2 zeigt ein Abbild des Stroms in den Ofenspulen O1, O2 bzw. O3 (angegeben ist die Spannung eines entsprechenden Stromwandlers). Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, wird z. B. nach sieben Schwingungen, mit der die Ofenspule O1 beaufschlagt wird, ein Wechsel auf die Ofenspule O2 vorgenommen, die anschließend mit zwei Schwingungen versorgt wird. Darauf folgt die Ansteuerung des dritten Wechselrichterzweiges für die Ofenspule O3, die mit einer einzigen Schwingung versorgt wird, worauf sich der Prozeß wiederholt. Die Ofenspule O1 wird auf diese Weise mit 70%, die Ofenspule O2 mit 20% und die Ofenspule O3 mit 10% der Gesamtleistung beaufschlagt.

Die Umsteuerung erfolgt jeweils zum Zeitpunkt eines Stromnulldurchganges. Die Energie des Schwingkreises ist zu diesem Zeitpunkt vollständig in den Kompensationskondensatoren C1 und C2 gespeichert, so daß eine Umsteuerung auf den nächsten Schwingkreis problemlos möglich ist. Die Umsteuerung z. B. von der Ofenspule O1 zur Ofenspule O2 erfolgt durch Sperren des stromführenden Ventils V8 und Aufsteuern des Ventils V9. Im Stromnulldurchgang kommutiert der Strom dann von den Stromzweigen Kompensationskondensator C2, Ofenspule O1, Ventil V8 einerseits und dem Stromzweig Zwischenkreis ZK, Kompensationskondensator C1, Ofenspule O1, Ventil V8 andererseits auf den Stromzweig Ventil V9, Ofenspule O2, Kompensationskondensator C1 und den Stromzweig Zwischenkreis ZK, Ventil V9, Ofenspule O2, Kompensationskondensator C2, wobei beide Kondensatoren umgeladen werden. Die Ofenspulen O2 und O3 sind zum Kommutierungszeitpunkt energielos.


Anspruch[de]
  1. 1. Frequenzumrichter zur Speisung mehrerer induktiver Verbraucher, bestehend aus einem Gleichrichter (GR), einem Zwischenkreis (ZK) und mindestens einem Reihenschwingkreiswechselrichter (WR), bei dem ein erstes Ventil (V7) und ein erster Kompensationskondensator (C1) am positiven Pol des Zwischenkreises (ZK), ein zweites Ventil (V8) und ein zweiter Kompensationskondensator (C2) am negativen Pol des Zwischenkreises (ZK) angeschaltet sind, wobei die Ventile (V7, V8) und die Kompensationskondensatoren (C1 ,C2) jeweils miteinander verbunden sind und zwischen deren Verbindungspunkten ein erster induktiver Verbraucher (O1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder weitere induktive Verbraucher (O2; O3) mit der jeweils einen Zuleitung an dem Verbindungspunkt der Kompensationskondensatoren (C1, C2) und mit der jeweils anderen Zuleitung an einem Verbindungspunkt jeweils zweier weiterer Ventile (V9, V10; V11, V12) angreift, die parallel zu den ersten Ventilen (V7, V8) angeordnet sind.
  2. 2. Verfahren zum Betrieb eines Frequenzumrichters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die induktiven Verbraucher (O1; O2; O3) über ihre zugeordneten Ventile (V7 bis V12) zeitlich nacheinander mit dem Zwischenkreis (ZK) verbunden werden, wobei die Anschaltzeit im Verhältnis zur erforderlichen Leistungsaufnahme der Verbraucher (O1; O2; O3) bestimmt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschaltung von einem ersten induktiven Verbraucher (O1; O2; O3) zum nächsten induktiven Verbraucher (O1; O2; O3) zum Zeitpunkt des Stromnulldurchganges des ersten induktiven Verbrauchers (O1; O2; O3) bzw. in dessen Nähe erfolgt.






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