SCHALTUNG UND STEUERVERFAHREN FOR ZUR SPEISUNG VON INDUKTIONSOFEN Beschreibung Die Erfindung betrifft Umrichter, wie sie in Anlagen zum induktiven Schmeizen und zum induktiven Erwärmen eingesetzt werden. Solche Umrichter bestehen aus einem netzgeführten Gleichrichter sowie einem lastseitigen Wechselrichter. Induktionsöfen und Induktoren für solche Zwecke weisen prinzipbedingt einen niedrigen Leistungs- faktor auf. Daher wird die Last in der Regel mittels Kondensatoren kompensiert. Sol- che Anlagen werden über einen Umrichter aus dem Netz versorgt. Der Umrichter ermöglicht eine Wandlung der Phasenzahl sowie die Wandlung der Frequenz auf einen für den Prozeß optimalen Wert.

Seit langem bekannt sind lastgeführte Umrichter wie der Parallelschwingkreisum- richter und der Serienschwingkreisumrichter.

Beim Parallelschwingkreisumrichter bilden Last und Kompensationskondensatoren einen Parallelschwingkreis, der von einem Stromzwischenkreisumrichter gespeist wird. Die Leistungsregelung erfolgt zumindest in gewissen Arbeitsbereichen durch Steuerung eines eingangsseitigen Thyristorgleichrichters.

Beim Serienschwingkreisumrichter speist ein Spannungszwischenkreisumrichter die durch einen Reihenkondensator kompensierte Last. Die Leistungsregelung erfolgt durch Variieren der Ausgangsfrequenz.

Insbesondere bei hohen Frequenzen (> 100kHz) werden Schaltungen mit Reso- nanztransformation eingesetzt, bei denen ein Wechselrichter mit Spannungszwi- schenkreis über eine Entkopplungsdrossel auf eine parallel kompensierte Last ar- beitet. Die Schaltfrequenz des Wechselrichters ist hierbei gleich der Frequenz des Ausgangsstroms. Die Leistungsregelung kann hier wie bei Serienschwingkreiswech-

selrichtern durch Variation der Ausgangsfrequenz oder durch Steuerung des Gleich- richters erfolgen.

Sowohl bei Verwendung von Schaltungen mit Resonanztransformation als auch bei Parallelschwingkreisumrichter oder Serienschwingkreisumrichtern ist auch der Ein- satz abschaltbarer Leistungshalbleiter bekannt. Dies erfolgt bei den bekannten Bei- spielen mit dem Ziel, höhere Frequenzen zu erreichen als dies beim Einsatz von Thyristoren möglich ist.

Für Anwendungen, bei denen der Leistungsfaktor des Induktors recht hoch ist, etwa bei Rinneninduktoren, kann auch auf die Kompensation der Last verzichtet und ein selbstgeführter Wechselrichter mit Spannungszwischenkreis eingesetzt werden.

Als Nachteil des Parallelschwingkreisumrichters muß genannt werden, daß der netz- seitige Leistungsfaktor sinkt. wenn zur Leistungsregelung der Gleichrichter mit gro- ßem Steuerwinkel betrieben werden muß. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Aufwand für die Glättungsdrossel sowie die hohen Verluste. die in der G ! ättungsdrosse ! ent- stehen. Weiterhin ist es von Nachteil, daß es bei einem solchen Umrichter nur mit hohem Aufwand möglich ist. Anlagen zu bauen. bei denen ein Umrichter mehrere Lasten mit getrennt einstellbarer Leistung versorgt.

Wesentlicher Nachteil des Serienschwingkreisumrichters ist, daß auf Grund der Rei- henkompensation der hohe Ofenstrom zum Umrichter geführt werden muS und die Ventile des Umrichters für den Ofenstrom ausgelegt sein müssen. Auch auf der Ein- gangsseite des Umrichters fließen hohe Ströme, da die Zwischenkreisspannung beim Serienschwingkreisumrichter in der Regel kleiner gewähit werden muß als bei anderen Konzepten. Auslegung des Zwischenkreises mit ähnlich hohen Spannungen wie etwa bei Parallelschwingkreisumrichtern üblich, würde beim Serienschwing- kreisumrichter zu untragbar hohen Ofenspannungen führen. Aus diesen Gründen ist die Flexibilität bei der Anordnung der Komponenten in der Anlage stark einge- schränkt. Weiterhin ist die zur Leistungsregelung erforderliche Variation der Aus- gangsfrequenz bei manchen Anwendungen von Nachteil. Als weiterer wichtiger Nachteil des Serienschwingkreisumrichters muß angeführt werden, daß der Schutz

der Ventile bei bestimmten Fehlerfällen, etwa dem Ausfall der Steuersignale, sehr problematisch ist, da dann die Zwischenkreisspannung unkontrolliert ansteigen kann.

Schaltungen mit Resonanztransformation lassen sich nur bei hohen Frequenzen ein- setzen, da bei niedrigen Frequenzen die Entkopplungsdrossel nicht mit vertretbarem Aufwand ausgeführt werden kann.

Schaltungen, bei denen auf die Kompensation verzichtet wird, können nur dann wirt- schaftlich ausgeführt werden, wenn der Leistungsfaktor der Last ausreichend groß ist.

Zusammenfassend kann man sagen, daß alie Konzepte mit Spannungszwischen- kreis Vorteile hinsichtlich des Netzverhaltens und der Möglichkeit zur unabhängigen Speisung mehrerer Lasten bieten und alle Konzepte mit Parallelschwingkreis den Vorteil bieten, daß der Umrichterstrom relativ klein gehalten werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die Vorteile von Umrichtern mit Spannungszwischenkreis mit den Vorteilen von Umrichtern mit Parallelschwingkreis zu vereinen. Hierbei wird eine Lösung angestrebt, die sich im Gegensatz zur Schal- tung mit Resonanztransformation auch bei niedrigen Frequenzen wirtschaftlich aus- führen ! äßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Anwendung von selbstge- führten Spannungszwischenkreisumrichtern, bestehend aus jeweils einem oder meh- reren Gleichrichtern und einem oder mehreren Wechselrichter (n). für die Stromver- sorgung von Induktionsöfen und Induktoren zum induktiven Schmelzen und/oder zum induktiven Erwärmen, wobei für die Wechselrichter eine Schaltfrequenz ver- wendet wird, die größer ist als die Frequenz des jeweiligen Ausgangsstroms, und die Verbindung der Wechselrichter mit dem parallel kompensierten Lastkreis über eine Entkopplungsdrossel erfolgt.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anwendung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die beigefügte Figur 1 zeigt ein Anwendungsbeispiel zur Versorgung eines In- duktionstiegelofens O. Ein ungesteuerter Gleichrichter in B6-Schaltung (D"-D6) speist über eine Glättungsdrossel (Ld, Ld) einen Spannungszwischenkreis be- stehend aus dem Zwischenkreiskondensator Cd. Die Glättungsdrossel (Ld, Ld') dient lediglich der Begrenzung von Oberschwingungen im Netzstrom. Aus dem Span- nungszwischenkreis wird ein selbstgeführter Wechselrichter in B2-Schaltung ge- speist. Im hier dargestellten Beispiel ist der Wechselrichter aus vier IGBTs (Ti-T4) mit zugehörigen Treiberstufen (Tri-Tr4) aufgebaut. Die Entkopplungsdrossel (Le, Le') verbindet den Ausgang des Wechselrichters mit der Last (Ofen : O) und dem zur Last parallel angeordneten Kompensationskondensator CK.

Falls bei großen Leistungen höhere Ausgangsspannungen gewünscht werden, kann der Wechselrichter alternativ aus Dreipunkt-Wechselrichter-Zweigen wie in Figur 2 gezeigt, aufgebaut werden. Hierbei besteht der Zwischenkreis aus zwei in Serie ge- schalteten Kondensatoren Cd, und Cd2. Die beiden Wechselrichterzweige bestehen jeweils aus vier IGBTs (T2,-T24 und T3,-T34), den zugehörigen Antiparallel-Dioden (D2,-D24 und D3,-D34) sowie den jeweils zwei Mittelpunktsdioden (D25 und D26 so- wie D35 und D36). Der Ausgang der Wechselrichterzweige ist über die Entkopplungs- drossel (Le. L'e) mit der parallel kompensierten Last (Ck, O) verbunden.

Eine Anlage, bei der mehrere Induktoren auf ein Werkstück arbeiten, ist in Figur 3 dargestellt. Ein Gleichrichter GR speist über eine Glättungsdrossel (Ld, L'd) einen Gleichspannungszwischenkreis, bestehend aus den Glättungskondensatoren Cdi- Cd3. An diesen Zwischenkreis sind drei IGBT-Wechselrichter (WR,, WR2, WR3) an- geschlossen, die über jeweils eine Entkopplungsdrossel (Le1 und L'e, bis Le3 und L'e3) jeweils eine der drei parallel kompensierten Spulen (Xi, X2, X3) versorgen. Die drei Spulen (Xi, X2, X3) arbeiten auf ein gemeinsames Werkstück B und sind damit über das Werkstück gekoppelt.

Als Steuerverfahren können alle Varianten der Pulsweitenmodulationsverfahren an- gewendet werden, wie sie aus anderen Anwendungen solcher Umrichter bekannt sind.

Sowohl der Aufbau des Leistungsteils solcher Anlagen als auch die Steuerverfahren sind aus anderen Anwendungen, insbesondere der Antriebstechnik, bekannt. Auch die Ankopplung einer parallel kompensierten Last über eine Entkopplungsdrossel ist für die Anwendung des Vereinzelns und Entstapelns von Blechplatinen mit einem Wanderfeldinduktor (DE 4423783 C2) bekannt.

Von den bereits bekannten Anwendungen unterscheidet sich die Anwendung im Be- reich des induktiven Erwärmens und des induktiven Schmelzens dadurch, daß bei Anlagen zum induktiven Schmeizen und induktivem Erwärmen in der Regel einpha- sige Lasten zu Versorgen sind, während bei anderen Anwendungen in der Regel dreiphasige Lasten gespeist werden. Dies erfordert eine andere Auslegung des Zwi- schenkreises und den Einsatz modifizierter Steuerverfahren.

Erstaunlicherweise ist der Einsatz von pulsweitenmodulierten Wechselrichtern mit Spannungszwischenkreis für die Induktive Erwärmung und das Induktive Schmelzen bislang nicht bekannt. Hintergrund hierzu sind vermutlich wirtschaftliche Überlegun- gen. nach denen der Einsatz von abschaltbaren Leistungshalbleitern wirtschaftlich nicht zu rechtfertigen ist, wenn alternativ auch lastgeführte Schaltungen möglich sind. Hierbei wurde jedoch nicht berücksichtigt, welche Vorteile durch den Einsatz abschaltbarer Leistungshalbleiter für die Gesamtanlage zu erzielen sind. Weiterhin muß berücksichtigt werden, daß abschaltbare Leistungshalbleiter auf Grund der rasch fortschreitenden Entwicklung und des breiten Einsatzes in der Antriebstechnik zu immer geringeren Kosten verfügbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht den Aufbau von Induktionsanlagen, die einerseits alle Vorteile von Umrichtern mit Spannungszwischenkreis bieten und andererseits auf Grund der Verwendung der Parallelkompensation mit so hohen Spannungen ausgelegt werden können, daß einerseits eine flexible Anordnung der Anlagenkomponenten möglich ist und andererseits ein hoher Wirkungsgrad der Ge- samtanlage erreicht wird.

Weiterhin ist es von Vorteil, daß das erfindungsgemäße Verfahren mit allen bei Pa- ralilelschwingkreisumrichtern üblichen Schaltungsvarianten des Lastkreises kombi- niert werden kann. Hierbei ist insbesondere zu nennen : -Reihenschaltung eines Kondensators zur Ofenspule zur Spannungserhöhung an der Ofenspule (kapazitive Ankopplung). Die Schaltungsvariante des Lastkreises ist bekannt aus der Schrift DT 1 563 132. Figur 4 zeigt hierzu einen Ofen (0), der durch eine Reihenschaltung zweier Kondensatoren (Cs, Ck) kompensiert wird und einen Umrichter, der-ähnlich ausgeführt wie in Figur 1-seine Leistung zwischen einem der Anschlüsse des Ofens und der Verbindung von Ck und Cs einspeist, -Ankopplung in axialer Richtung übereinander angeordneter Spulen über getrennte Reihenkondensatoren zum Zweck automatischer Leistungsverschiebung in den bedeckten Teil der Spule (Figur 5). Die Schaltungsvariante des Lastkreises ist be- kannt aus der Schrift EP 0 752 194 B1. Durch Anordnung schaltbarer Kondensa- torgruppen für die Reihenkondensatoren kann die Leistungsverschiebung gezielt beeinflußt werden, und -Umschaltungen zur Frequenzumschaltung entweder entsprechend Figur 6 oder entsprechend der Schrift EP 0 744 117 B1. Bei der Anordnung nach Figur 6 ist ei- ne Anlage mit kapazitiver Ankopplung mit drei Schaltern S1-S3 derart ergänzt, daß diese eine Umschaltung zwischen dem Betrieb mit kapazitiver Ankopplung (Si geschlossen) und dem Betrieb mit direkter Ankopplung (S2 und S3 geschlos- sen) ermöglichen.

Gegenüber Anlagen mit Resonanztransformation wird durch Verwendung von PWM- Verfahren im Wechselrichter erreicht, daß die Größe der Entkopplungsinduktivität und damit die Kosten, der Platzbedarf und die Verlustleistung soweit reduziert wer- den, daß solche Anlagen auch für niedrige Frequenzen wirtschaftlich ausgeführt werden können. Im Vergleich zu Anlagen bei denen ein selbstgeführter Umrichter die Last ohne Kom- pensation speist, können Umrichter nach dem hier beschriebenen Konzept für La- sten mit beliebigem Leistungsfaktor wirtschaftlich ausgeführt werden.