Beschreibung

Umrichter, insbesondere zur Erzeugung von Wirkleistung für die induktive Erwärmung und Verfahren zum induktiven Schmelzen und Rühren Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft einen Umrichter, insbesondere zur Erzeugung von Wirkleistung für die induktive Erwärmung, umfassend einen Gleichrichter, einen DC-Zwischenkreis, mindestens zwei Wechselrichter sowie mindestens eine Steuerung für die parallele und phasengleiche Ansteuerung der Wechselrichter in einem Schmelzmodus und weiterhin ein Verfahren zum induktiven Schmelzen und Rühren.

Stand der Technik

Die EP 0 403 138 Al zeigt einen Induktionsofen mit drei Spulen, die vertikal übereinander angeordnet sind und mittels eines Umrichters in einem Serienschwingkreis betrieben werden, um eine Schmelze aufzuheizen. Dazu sind Kondensatoren mit den Induktionsspulen in Reihe geschaltet. Zum Rühren ist ein Hochstromtransformator vorgesehen, der die Netzfrequenz, also 50 Hz oder 60 Hz, auf die Induktionsspulen aufschaltet, wozu in dessen Einspeisung Schalter vorgesehen sind.

Die DE 37 86 454 T2 offenbart eine Vorrichtung zum induktiven Umrühren von geschmolzenem Metall, bei der eine Induk- tionsspule an eine Stromzuführeinrichtung zur Versorgung mit Strom mit einer ersten Frequenz angeschlossen ist, um das angeschmolzene Metallbad durch eine Induktionserwärmung auf einer vorgewählten Temperatur zu halten. Weiterhin ist eine Modulationseinrichtung zum Modulieren der Amplitude des Stromes vorgesehen, mittels derer der Induktionsspule ein Modulationssignal mit einer zweiten Frequenz zugeführt

wird, um eine Oberflächenbewegung des geschmolzenen Metalls zu bewirken und damit eine Entgasung der Schmelze zu begünstigen. Nachteilig dabei ist, dass wegen des einphasigen Betriebs nur eine lokale Bewegung in Form einer Oberflä- chenwelle hervorgebracht wird.

Die DE 103 50 076 Al offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum elektromagnetischen Rühren und Bremsen von Metallguss, insbesondere Stahlstrangguss . Es ist wenigstens eine an einen Umrichter angeschlossene Rührspulespule zum Erzeugen von auf den flüssigen Kern des teilerstarrten

Strangs einwirkenden Induktionskräften vorgesehen, wobei die Frequenz des vom Umrichter erzeugten und die wenigstens eine Rührspule durchfließenden Stroms verstellbar ist.

Die GB A 508,255 offenbart einen Induktionsofen, der in mehreren Moden betrieben werden kann. Dazu werden Generatoren mit einer hohen und einer niedrigen Frequenz vorgeschlagen. Das Umrühren erfolgt in Zellen und nicht von oben nach unten bzw. von unten nach oben. Darüber hinaus sind viele Spulen und Kondensatoren mit unterschiedlicher Leis- tung erforderlich.

Die DE 28 53 792 C2 offenbart ein Induktionsgießverfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung. Der sich bildende Gießstrang wird mittels einer Induktionsspule berührungsfrei geführt. Die Induktionsgießvorrichtung arbeitet mit einer Wechselstromversorgung für die Spule und mit einer mit der Wechselstromversorgung verbundenen Steuereinrichtung, die die Spule aufgrund eines Sollwert-Istwert- Vergleichs eines elektrischen Parameters durch Verändern des Induktionsspulenstroms regelt. Die DE 28 33 008 offenbart einen Induktionsofen, der einen Tiegel umfasst, der von einer Mehrphasenwicklung aus mehreren Spulen umgeben ist, die in einer Linie längs des Tie-

gels angeordnet sind. Aus gewissen Teilen des Wicklung sind Anordnungen gebildet, die in dem Metallschmelzbad Bewegungen verursachen können, wobei die Spulen der Mehrphasenwicklung in zwei Gruppen angeordnet sind, die Wirbel in entgegengesetzte Richtungen erzeugen. Dadurch soll eine sich ausbildende Badkuppe, auch als Meniskus bezeichnet, verringern .

Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen Umrichter bereitzustellen, der zum einen einen Schmelzmodus bereit- stellt und der zum anderen aber auch ein Rühren grundsätzlich zulässt und begünstigt. Darüber hinaus soll ein Verfahren zum induktiven Erwärmen und Rühren verbessert werden, um den apparativen Aufwand zu verringern.

Darstellung der Erfindung Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen

Merkmale und durch das in Anspruch 9 angegebene Verfahren gelöst .

Der erfindungsgemäße Umrichter, der insbesondere zur Erzeugung von Wirkleistung für die induktive Erwärmung dient, umfasst einen Gleichrichter, einen DC-Zwischenkreis, mindestens zwei Wechselrichter sowie mindestens eine Steuerung für die parallele und phasengleiche Ansteuerung der Wechselrichter in einem Schmelzmodus. Die Steuerung ist so ausgebildet, dass die einzelnen Wechselrichter mittels der mindestens einen Steuerung in einem Rührmodus separat ansteuerbar sind. Dadurch ist alternativ ein Schmelzbetrieb oder ein Rührbetrieb möglich.

Anstelle jedes einzelnen Wechselrichters kann auch eine Gruppe von mehreren Wechselrichtern zum Einsatz gelangen, wobei dann jede Gruppe für sich als ein Wechselrichter betrachtet wird.

Vorteilhafterweise sind alle Wechselrichter mittels Schaltern elektrisch miteinander verbindbar, wobei je eine Phase eines Ausgangs eines Wechselrichters oder einer Gruppe von Wechselrichtern mit mindestens einer entsprechenden Phase eines zweiten Wechselrichters oder einer Gruppe von Wechselrichtern mit je einem dazwischen geschalteten Schalter verbunden ist, wobei eine Schalterstellung für den Schmelzmodus und eine Schalterstellung für den Rührmodus vorhanden ist. Die Schalter können auch in einem Kompensationsschalt- kreis sein, der dem Ausgang der Wechselrichter nachgeschaltet ist und der für jede Phase als Parallelschwingkreis ausgebildet ist.

Die Schalter können insbesondere im Schmelzmodus geschlossen und im Rührmodus offen sein. Aus dem Stand der Technik ist zwar bekannt, Schalter zum

Abkoppeln der Wechselrichter bzw. der Kompension von einem Schaltkreis eines Wirbeltransformator vorzusehen, eine Trennung der einzelnen Wechselrichter bzw. Gruppen von Wechselrichtern untereinander ist aber gerade nicht vorge- sehen.

Die separate Ansteuerung der Wechselrichter im Rührmodus kann auf verschiedene Arten bewirkt werden. So kann Steuerung die Wechselrichter so steuern, dass sie jeweils unterschiedliche Leistungen abgeben. Diese leistungsmäßig unter- schiedliche Ansteuerung erfolgt beispielsweise über veränderte öffnungszeiten der Schalter eines Wechselrichters.

Es ist auch möglich, die Wechselrichter mit phasenverschobenen Wechselströmen mittels der mindestens einen Steuerung betrieben sind, vorzugsweise entsprechend einem Dreiphasen- Wechselstrom eines öffentlichen Stromnetzes. So kann bei drei Wechselrichtern mit drei Phasen durchaus der vom öffentlichen Stromnetz vorgegebene Phasenwinkel von 120° ver-

ringert werden, vorzugsweise in einen Bereich von 40° bis 95°.

Besonders vorteilhaft lässt sich die unterschiedliche Leistungsabgabe der Wechselrichter mit den phasenverschobenen Wechselströmen der Wechselrichter kombinieren. Der besondere Vorteil bei dieser kombinierten Ansteuerung liegt darin, dass jederzeit eine flexible Anpassung der erforderlichen Rührbewegung bei einer vorwählbarer Leistung zur Aufrechterhaltung der Temperatur in der Schmelze gewährleistet ist, so dass die Temperatur der Schmelze während des Rührens nicht steigt, was unter metallurgischen Aspekten erwünscht ist.

Weiterhin können im Rührmodus die mindestens eine Steuerung die Wechselrichter so steuern, dass die Wechselrichter eine pulsartige Leistung abgeben. Dabei können zeitlich versetzte Leistungspulse mit variabler Breite verwendet werden, um eine Schwingung von 50 Hz oder weniger nachzubilden. Die Steuerung kann mittels Pulsen aus einer Amplitudenmodulation einer Trägerfrequenz, beispielsweise von 300 Hz, alter- nierend oder überlappend erfolgen.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Induktionsschmelzanlage, die einen Schmelzofen und eine Anordnung von mehreren Teilspulen aufweist mit einem erfindungsgemäßen Umrichter, wobei je eine Teilspule an je einen Wechselrich- ter angeschlossen ist.

Mit einer derartigen Induktionsschmelzanlage wird sowohl das Schmelzen als auch das Rühren mit besonders effizientem Einsatz von elektrischen Bauteilen und damit geringerem Investitionsaufwand ermöglicht. Darüber hinaus eine stärker an die besonderen Gegebenheiten anpassbare Steuerung des Rührens ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum induktiven Schmelzen und Rühren von elektrisch leitfähigen Werkstoffen mittels mehrerer Teilspulen, besteht darin, dass die Teilspulen über jeweils einen Wechselrichter in einem Schmelzmodus parallel und phasengleich und in einem Rührmodus getrennt angesteuert werden.

Das Verfahren kann bei einem Ofen mit Vakuum, mit Atmosphäre oder mit einem Schutzgas zur Anwendung kommen.

Die Teilspulen können jeweils mit unterschiedlicher Fre- quenz und/oder Leistung und/oder Amplitude betrieben werden. Die Steuerung kann die Wechselrichter gezielt so ansteuern, dass an den Teilspulen die jeweils gewünschte Leistungsabgabe erreicht wird. Damit kann flexibel auf unterschiedliche Füllhöhen eines Tiegels reagiert werden. Die Leistung kann so eingestellt werden, wie es der Füllgrad erfordert .

Vorteilhafterweise können die Teilspulen im Schmelzmodus auch mit einer Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen 40 Hz und 50 kHz betrieben werden, insbesondere zwischen 100 Hz und 20 kHz. Dadurch lassen sich zunächst übliche Wechselrichter als Grundausstattung verwenden.

Vorteilhafterweise können die Wechselrichter im Rührmodus je eine Frequenz bereitstellen, die der Frequenz des Schmelzmodus entspricht, wobei die Steuerung die Wechsel- richter so steuert, dass die Teilspulen mit einer effektiven Rührfrequenz zwischen 5 Hz und 100 Hz betrieben werden. Dadurch können die Wechselrichter zum einen auf die Leistung für den Schmelzbetrieb ausgelegt werden und zum anderen an die unterschiedlichen Bedingungen des Rührens ange- passt werden.

Vorteilhafterweise kann die Phasenverschiebung der einzelnen Wechselspannungen der Teilspulen zueinander im Rührmodus 120° oder weniger betragen, vorzugsweise zwischen 40° und 95°. Auch dadurch lässt sich die einem Linearmotor ähn- liehe treibende Rührkraft einstellen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können die Teilspulen pulsartig mit der vom Wechselrichter abgegebenen Ausgangsspannung beaufschlagt werden, wobei die Pulse der einzelnen Teilspulen zueinander phasenverschoben sind. Dabei kann ein alternierender oder ein überlappender Betrieb ermöglicht werden.

Vorteilhafterweise kann die Phasenverschiebung der Teilspulen zueinander so ausgebildet sein, dass die Pulse von am Induktionsschmelzofen benachbart angeordneten Teilspulen aufeinander folgen, vorzugsweise nur in einer Richtung.

Dadurch lassen sich großräumige Rührbewegungen erzeugen. Kurzbeschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt: Fig. 1 ein Schaltbild für einen Induktionsschmelzofen mit einem erfindungsgemäßen Umrichter mit Trennschaltern zwischen den Ausgangsphasen des Kompensationsschaltkreises und an der Sternbrücke;

Fig. 2 ein Schaltbild für einen Induktionsschmelzofen mit einem erfindungsgemäßen Umrichter mit Trennschaltern zwischen den Eingangsphasen des Kompensationsschaltkreises mit fester Sternbrücke;

Fig. 3 eine Ansteuerung mit unterschiedlicher Leistung an einzelnen Teilspulen eines Induktionsschmelzofens;

Fig. 4 eine Ansteuerung mit einer Phasenverschiebung von 120° an einzelnen Teilspulen eines Induktionsschmelzofens;

Fig. 5 eine Ansteuerung mit einer Phasenverschiebung von 60° an einzelnen Teilspulen eines Induktionsschmelzofens;

Fig. 6 eine Ansteuerung mit unterschiedlicher Leistung und einer Phasenverschiebung von 120° an einzelnen Teilspulen eines Induktionsschmelzofens; Fig. 7 eine Ansteuerung mit Pulsen aus einer Amplitudenmodulation einer Trägerfrequenz und einer alternierenden Phasenverschiebung von 120° an einzelnen Teilspulen eines Induktionsschmelzofens;

Fig. 8 eine Ansteuerung mit Pulsen aus einer Amplituden- modulation einer Trägerfrequenz und einer überlappenden Phasenverschiebung von 120° an einzelnen Teilspulen eines Induktionsschmelzofens (Folie 12) .

Ausführungsbeispiele der Erfindung In Fig. 1 ist ein Schaltplan für eine Induktionsschmelzanlage mit einem Induktionsschmelzofen 1 gezeigt, der eine Induktionsspule 2 aufweist, mittels welcher ein Schmelzgut 3 aufgewärmt und aufgeschmolzen wird und mittels welcher die Schmelze umgerührt wird. Es sind drei Teilspulen 2.1 - 2.3 der Induktionsspule 2 dargestellt, die vertikal über- einanderliegend angeordnet sind.

Zur Energieversorgung des Induktionsofens 1 ist ein Umrichter 4 vorgesehen, der die aus einem öffentlichen Netz 5 bereitgestellte, dreiphasige Wechselstromversorgung zum Be- trieb des Induktionsofens 1 aufbereitet. Der Umrichter 4 ist im Beispiel über einen Leistungsschalter 6 und über ei-

nen Abspanntransformator 7 mit dem Netz 5 verbunden und entnimmt den erforderlichen Schmelzstrom aus dem Netz 5.

Der Umrichter 4 wird über eine Steuerung 8 gesteuert und umfasst einen Hauptschalter 11 für alle Eingangsphasen aus dem Abspanntransformator 7, einen Gleichrichter 12, einen Gleichstromzwischenkreis 13 mit einer Drossel 14 sowie mehrere Wechselrichter 15, 16, 17 und einen Kompensationsschaltkreis 18 mit jedem Wechselrichter 15 bis 17 zugeordneten Kondensatoren 19, die als Parallelschwingkreis mit den Teilspulen 2.1 - 2.3 wirken.

Der Kompensationsschaltkreis 18 stellt eine der Anzahl nach der Anzahl der Wechselrichter 15 bis 17 entsprechende Anzahl von Ausgangsphasen bereit, hier drei Ausgangsphasen 20, 21, 22, welche durch zwei Trennschalter 23, 24 zusam- mengeschaltet werden können.

Die Ausgangsphasen 20, 21, 22 sind mit jeweils einer Teilspule 2.1 - 2.3 verbunden, wobei die Rückleiter zu den Ausgangsphasen 20, 21, 22 über eine Sternbrücke 25 und zwei Trennschalter 26, 27 miteinander verbunden sind. Zum Schmelzen des Schmelzguts 3 sind alle Schalter 23 bis

27 geschlossen, so dass die Teilspulen 2.1 bis 2.3 parallel und phasengleich durch die Wechselrichter 15 bis 17 mit E- nergie versorgt werden. In diesem Betriebsmodus werden auch die Wechselrichter 15 bis 17 parallel und phasengleich an- gesteuert.

Um in einen Rührmodus zu gelangen, werden die Schalter 23 bis 27 geöffnet und die Wechselrichter 15 - 17 werden über die Steuerung 8 separat angesteuert, um die dem Wechselrichter 15 - 17 zugeordnete Teilspule 2.1 - 2.3 mit Energie zu versorgen.

In Fig. 2 ist ein Schaltbild für einen Induktionsschmelzofen 1 entsprechend Fig. 1 gezeigt, wobei in diesem Ausführungsbeispiel der Kompensationsschaltkreis 18 drei Eingangsphasen 30, 31, 32 aufweist, welche über Trennschalter 33, 34 miteinander verbunden sind. Die Trennschalter 33, 34 sind den Kondensatoren 35, 36, 37 vorgeschaltet, wohingegen in Fig. 1 die Trennschalter 23, 24 den Kondensatoren nachgeschaltet sind.

Wird ein Induktionsschmelzofen nur in bestimmten Betriebs- zuständen betrieben, beispielsweise immer mit einer konstanten Füllhöhen bei homogenen Füllgraden, werden bei dieser Schaltervariante die Schalter ggf. strommäßig geringer belastet werden, d. h. es können kleinere Typen zum Einsatz kommen . In diesem Ausführungsbeispiel ist es nicht erforderlich, dass die Sternbrücke Schalter aufweist, es handelt sich hier um eine feste Sternbrücke. Die Anordnung von Schaltern an der Sternbrücke ist unabhängig von der Platzierung der Schalter gem. Fig. 1 bzw. Fig. 2., daher ist das Weglassen der Schalter 26 und 27 (aus Fig. 1) hier nur als baugruppenspezifisches Ausführungsbeispiel zu sehen, welches beispielsweise ebenfalls die Randbedingungen einer konstanten Füllhöhe und eines homogenen Füllgrads aufweist, was nur geringe Ausgleichsströme zwischen den Phasen zur Folge hat. In Fig. 3 ist eine Ansteuerung der einzelnen Teilspulen der Induktionsspule 2 des Induktionsofens 1 (Fig. 1, Fig. 2) erläutert, wobei die einzelnen Teilspulen phasengleich, mit unterschiedlicher Leistung betrieben werden. So wird die obere Teilspule 2.1 mit einer Leistung von 100 % betrieben, die mittlere Teilspule 2.2 mit einer Leistung von 60 % und die untere Teilspule 2.3 mit einer Leistung von 25 %. Bereits mit dieser unterschiedlichen Leitungsbeaufschlagung

der Teilspulen 2.1 - 2.3 lässt sich eine Bewegung des geschmolzenen Schmelzguts in dem Bad erzeugen, in der Regel ein Wirbel, der über die gesamte Tiegelhöhe wahlweise von oben nach unten bzw. umgekehrt reicht. Durch diese Art der Ansteuerung der Teilspulen 2.1 bis 2.3 wird in der Schmelze eine Bewegung hervorgerufen, welche als Rühren bezeichnet wird. Die Trennschalter sind dazu geöffnet, so dass jeder Wechselrichter 15 bis 17 der ihm zugeordneten Teilspule 2.1 bis 2.3 eine in der Phasenlage und der Leistung von einander unabhängige Energie zuführt. In

Fig. 4 ist eine andere Art der Ansteuerung dargestellt. Die Teilspulen 2.1 bis 2.3 weisen untereinander eine Phasenverschiebung von 120 Grad auf, wobei jede Spule mit maximaler Leistung betrieben werden kann. Auch hier lässt sich eine Bewegung des geschmolzenen Schmelzguts in dem Bad erzeugen, in der Regel ein Wirbel, der über die gesamte Tiegelhöhe wahlweise von oben nach unten bzw. umgekehrt reicht.

In Fig. 5 ist die Ansteuerung aus Fig. 4 derart abgeändert, dass an Stelle einer Phasenverschiebung von 120 Grad nur eine Phasenverschiebung von 60 Grad vorgesehen ist, so dass die in die Schmelze eingebrachte Energie einer Art Wellenbewegung folgt und der Rühreffekt so noch verstärkt wird.

In Fig. 6 ist eine Ansteuerung als Kombination der Ansteuerung aus Fig. 3 und Fig. 4 gezeigt. Zusätzlich zu einer Phasenverschiebung von 120 Grad wird hier die Amplitude variiert .

Durch die Anordnung von Schaltern in Kompensationsschaltkreis 18 bzw. an der Sternbrücke 25 ist eine eigene Netz- Einspeisung für eine Wirbeleinrichtung, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, nicht mehr erforderlich.

Für große Leistungen können mehrere Wechselrichter zu einer Gruppe von Wechselrichtern zusammengefasst werden und die Gruppen von Wechselrichtern zum Schmelzen parallel geschaltet werden bzw. zum Rühren getrennt angesteuert werden. In Fig. 7 ist eine pulsartige Ansteuerung der einzelnen

Teilspulen 2.1 bis 2.3, ausgehend von einer Trägerfrequenz der Ausgangsspannung von 300 Hz des jeweils zugeordneten Wechselrichters 15 bis 17, dargestellt. Durch eine Amplitudenmodulation der Trägerfrequenz 41 bis 43 wird in jeder Teilspule 2.1 bis 2.3 ein Energieeintrag gemäß den Kurven

44 bis 46 bewirkt, wobei die Spitzenwerte der Kurven 44 bis 46 zueinander phasenverschoben und überschneidungsfrei sind und die Teilspulen 2.1 - 2.3 versorgen.

In Fig. 8 ist die Ansteuerung aus Fig. 7 dahingehend abge- ändert, dass sich die Pulse der benachbarten Teilspulen

2.1, 2.2 und 2.2, 2.3 zeitlich in den Bereichen 48, 49 ü- berlappen, dargestellt durch die Kurven 44 bis 46. Auch hier wird eine Phasenverschiebung von 120 Grad erzeugt und durch eine gegenüber der Fig. 7 unterschiedliche Pulsbreite wird die überlappung hergestellt.

Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass mit einem Wechselrichter eine große Spannweite von Verläufen für den Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung bereitgestellt werden kann und somit der Rührbetrieb fort- laufend auf das Schmelzgut abgestimmt werden kann. Durch die Trennschalter im Kompensationsschaltkreis bzw. an der Sternbrücke lässt sich die für den Schmelzbetrieb geforderte hohe Leistung phasengleich bereitstellen.

Die Steuerung 8 der Wechselrichter 15 bis 17 ist von ihrem grundsätzlichen Aufbau aus dem Stand der Technik bekannt, wobei nunmehr jedoch die Wechselrichter völlig unabhängig von einander angesteuert werden können.

Die Steuerung 8 schaltet auch die Trennschalter 23, 24, 26, 27, 33, 34, wobei kurze Schaltzeiten realisiert werden können. Alternativ kann das Schalten dieser Trennerschalter auch von einer übergeordneten Steuerung erfolgen.