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