DE10106245A1 - Verfahren zur Speisung eines Rinnenofens - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Speisung eines Rinnenofens mittels einer ein- oder dreiphasigen Stromversorgung mit mindestens einer Stromversorgungseinheit (1) zur Leistungssteuerung ist im Hinblick auf eine Verwendung des Verfahrens, bei dem jedwede Bauform eines Rinnenofens ohne Reduzierung der Betriebsspannung betreibbar ist, derart ausgebildet, dass die Leistungssteuerung über eine Pulsweitenmodulation erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Speisung eines Rinnenofens mittels einer ein- oder dreiphasigen Stromversorgung mit mindestens einer Stromversorgungseinheit zur Leistungssteuerung.

Rinnenöfen, wie sie vielfach als Warmhalteofen für Buntmetall-Schmelzen in Armatu­ ren-Gießereien mit großem Erfolg eingesetzt werden, sind seit vielen Jahren be­ kannt. Ebenso sind Verfahren zur Speisung eines solchen Rinnenofens mittels einer einphasigen oder dreiphasigen Stromversorgung bekannt. Die Stromversorgung weist hierbei eine Stromversorgungseinheit mit mindestens einem Wechselrichter zur Leistungssteuerung auf. Die Fig. 1 zeigt eine solche bekannte Stromversorgungsein­ heit mit einem Wechselrichter. Bei dem Wechselrichter handelt es sich um einen Vollbrücken-Wechselrichter, der steuerungsmäßig in zwei Teilwechselrichter zerleg­ bar ist, nämlich in eine linke und eine rechte Halbbrücke, die jeweils aus zwei über­ einander stehenden Zweigen bestehen.

Jede Halbbrücke gibt an ihrem Ausgang - der Mitte beider Halbbrücken - eine recht­ eckförmige Ausgangsspannung mit der Pulsbreite 180° ab. Die beiden Ausgangs­ spannungen werden phasenverschoben betrieben, so dass an einem durch die Stromversorgungseinheit gespeisten Rinnenofen die Ausgangsspannung des Wech­ selrichters anliegt, die aus Spannungsimpulsen der Zeitdauer der Überlappung bei­ der Teilspannungen besteht.

In den Pausen zwischen den positiven und negativen Spannungsimpulsen ist die Ausgangsspannung Null und es treten Leerlaufphasen abwechselnd in der oberen und unteren Wechselrichterhälfte ein.

Bei vollständiger Entlappung beider Teilspannungen ist die Ausgangsspannung im­ mer Null, bei vollständiger Überlappung entstehen Spannungsimpulse, die abwech­ selnd positiv und negativ gleich lang und 180° breit sind. Die Leistungssteuerung er­ folgt bei diesem Verfahren über die Regelung des Phasenwinkels zwischen der Aus­ gangsspannung und dem Ausgangsstrom.

Das Betreiben des Wechselrichters in dieser Form ist allerdings dahingehend pro­ blematisch, dass konventionell ausgelegte Rinnenöfen mit einer magnetischen Feldstärke im geblechten Eisenkern von üblicherweise ca. 1,8 T vor allem bei Netzüber­ spannungen Sättigungserscheinungen aufweisen. Die Sättigungserscheinungen zei­ gen sich besonders dahingehend, dass der zeitliche Verlauf des Ausgangsstroms, der normalerweise eine haifischflossenähnliche Form aufweist, in seinen Maxima "aufzipfelt".

Fig. 2 zeigt eine derartige mittels dieses Verfahrens gewonnene Ausgangsspannung und den dazugehörigen Ausgangsstrom. Der Ausgangsstrom weist in seinen Maxima Überstrompickel auf, wodurch der Eisenkern einseitig in die Sättigung kippt, was zu einer Überstromauslösung führt. Zur Vermeidung solcher Instabilitäten muss bei der Auslegung von Rinnenöfen zum Betrieb mit solchen Stromversorgungseinheiten die Induktion im Eisenkern möglichst gering gewählt werden, also möglichst weit unter 1,6 T.

Dies bedeutet, dass bestehende Anlagen nur mit einer reduzierten Betriebsspannung betrieben werden können und dass bei Neuanlagen eine größere Bauform gewählt werden muss.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Speisung eines Rinnenofens der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem jed­ wede Bauform eines Rinnenofens ohne Reduzierung der Betriebsspannung betreib­ bar ist.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch das Verfahren zur Spei­ sung eines Rinnenofens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist das in Rede stehende Verfahren zur Speisung eines Rinnenofens derart ausge­ staltet und weitergebildet, dass die Leistungssteuerung über eine Pulsweitenmodula­ tion erfolgt.

In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass man in Abkehr zur bisherigen Praxis die Leistungssteuerung nicht mittels des Phasenwinkels zwischen der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom des Wechselrichters regeln muss, sondern dass eine optimale Leistungssteuerung über eine Pulsweitenmodulation er­ reicht wird. Mittels der Pulsweitenmodulation kann nämlich der im Rinnenofen fließende Strom nahezu vollständig an eine Sinusform angenähert werden. Dies verhin­ dert wirksam die "Aufzipfelung" des Ausgangsstroms und somit auch Sättigungser­ scheinungen des Eisenkerns.

Folglich ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Speisung eines Rinnenofens ein Verfahren angegeben, bei dem jedwede Bauform eines Rinnenofens ohne Redu­ zierung der Betriebsspannung betreibbar ist.

Im Rahmen einer besonders einfachen Leistungssteuerung könnte die Stromversor­ gungseinheit mindestens einen Wechselrichter aufweisen, so dass die Leistungs­ steuerung mittels der Breite der Ausgangsspannungsimpulse des Wechselrichters erfolgt.

Hinsichtlich einer besonders guten Funktionalität könnte der Wechselrichter mit einer mindestens zehnmal größeren Frequenz als der gewünschte Ausgangsstrom betrie­ ben werden. Zusätzlich oder alternativ könnte die Breite der Ausgangsspannungsim­ pulse über die Zeit derart variiert werden, dass sich im Rinnenofen ein im Wesentli­ chen sinusförmiger Stromverlauf der gewünschten Frequenz ergibt.

Durch die Variation der Breite der Ausgangsspannungsimpulse könnte zudem die Höhe des im Rinnenofen fließenden Ausgangsstroms eingestellt werden. Dadurch wäre eine besonders gute Leistungssteuerung erreicht.

Der Wechselrichter könnte in besonders vorteilhafter Weise als Vollbrücken-Wech­ selrichter oder alternativ als Halbbrücken-Wechselrichter, vorzugsweise mit zwei parallel geschalteten Kondensatoren, arbeiten.

Es könnte zudem durch eine Ergänzung des Wechselrichters um eine Halbbrücke ermöglicht werden, dass eine Speisung des Rinnenofens in Scott-Schaltung erfolgt.

Im Hinblick auf eine besonders effektive Speisung des Rinnenofens könnte der Rin­ nenofen blindleistungskompensiert sein. Die Kompensation der Blindleistung könnte dabei mittels eines Kondensators erfolgen. Dies wäre von besonderem Vorteil, da nun die Stromversorgungseinheit nur reine Wirkleistung an den Rinnenofen abgibt und zudem der Ausgangsstrom der Stromversorgungseinheit keinen Gleichstrom­ anteil mehr enthält, durch den es zu einer einseitigen Aufmagnetisierung des Eisen­ kerns des Rinnenofens kommen könnte. Außerdem nähert sich der Verlauf des Aus­ gangsstroms nunmehr stärker an eine Sinusform an. Zur Kompensation der Blindlei­ stung ist der Kondensator in Reihe mit dem Rinnenofen geschaltet. Es wäre aller­ dings auch jede andere Art der Blindleistungskompensation möglich.

Im Hinblick auf eine "Aufzipfelung" des im Rinnenofen fließenden Stroms könnte die Variation der Breite der Ausgangsspannungsimpulse diesem Phänomen wirksam entgegenwirken. Mittels der Variation der Breite der Ausgangsspannungsimpulse könnte der im Rinnenofen fließende Strom zudem derart geregelt werden, dass er im Wesentlichen sinusförmig verläuft. Alternativ oder zusätzlich könnte mittels der Va­ riation der Breite der Ausgangsspannungsimpulse die Höhe des im Rinnenofen flie­ ßenden Stroms eingestellt werden.

Hinsichtlich einer besonders einfachen Versorgung der Stromversorgungseinheit könnte diese durch Drehstrom gespeist werden. Hierbei wäre insbesondere an einen Drehstrom-Brückengleichrichter, vorzugsweise eine sechspulsige Brückenschaltung, zur Umwandlung des Drehstroms in einen Gleichstrom zu denken. Der Drehstrom- Brückengleichrichter könnte zudem ggf. zum Anfahren der Anlage durch einen ge­ steuerten Zweig mit Thyristoren ergänzt werden. Es könnte allerdings auch eine Umwandlung in eine Wechselspannung erfolgen und die erhaltene Wechselspan­ nung könnte dann mittels eines Gleichrichters gleichgerichtet werden.

Im Rahmen eines besonders robusten Betreibens des Rinnenofens könnte mittels eines Strommesswandlers eine Wechsel- und/oder Gleichstromüberwachung reali­ siert sein. In besonders vorteilhafter Weise könnten aufgrund eines mittels des Strommesswandlers detektierten Überstroms die Ausgangsspannungsimpulse des Wechselrichters derart angepasst werden, vorzugsweise auf Null reduziert werden, dass der Strom auf einen Wert im Normalbereich reduziert wird.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und anderseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungs­ gemäßen Verfahrens zur Speisung eines Rinnenofens anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Speisung eines Rinnenofens anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbil­ dungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung den Schaltplan einer bekannten Vorrichtung zur Speisung eines Rinnenofens,

Fig. 2 den Verlauf des Ausgangsstroms und der Ausgangsspannung der Vorrichtung der Fig. 1, welche mittels eines den Phasenwinkel regeln­ den Verfahrens betrieben ist,

Fig. 3 in einer schematischen Darstellung den Schaltplan einer weiteren be­ kannten Vorrichtung, die durch das erfindungsgemäße Verfahren be­ trieben ist,

Fig. 4 den Verlauf der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Referenzsignale und

Fig. 5 den Verlauf des Ausgangsstroms und der Ausgangsspannung der Vorrichtung der Fig. 3, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfah­ rens betrieben ist.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Schaltplan einer bekannten Vor­ richtung zur Speisung eines Rinnenofens mit einer Stromversorgungseinheit 1. Die Stromversorgungseinheit 1 weist hierbei einen Vollbrücken-Wechselrichter 2 zur Lei­ stungssteuerung auf. Externe Leistung wird aus einem üblichen Drehstromnetz 3 zugeführt und Drehstrom wird durch eine sechspulsige Brückenschaltung 4 in eine Gleichspannung umgewandelt. Die Gleichspannung wird dem Vollbrücken-Wechsel­ richter 2 zugeführt. Der Vollbrücken-Wechselrichter 2 ist steuerungsmäßig in zwei Teilwechselrichter zerlegbar, nämlich in eine linke und eine rechte Halbbrücke, die jeweils aus zwei übereinanderstehenden Zweigen bestehen. Jede Halbbrücke gibt an ihrem Ausgang eine rechteckförmige Ausgangsspannung mit der Pulsbreite 180° ab. Beide Ausgangsspannungen werden phasenverschoben betrieben, so dass dem Rinnenofen Spannungsimpulse der Zeitdauer der Überlappung beider Teilspannun­ gen zugeführt werden.

Diese phasengesteuerte Rechteckspannung, deren Frequenz von der Geschwindig­ keit, mit der die Transistoren bzw. Tyristoren 5 des Vollbrücken-Wechselrichters 2 gezündet werden, bestimmt wird, wird dem durch den Widerstand R und die Induk­ tionsspule L dargestellten Rinnenofen zugeführt.

Der zeitliche Verlauf der Ausgangsspannung u₁ und des Ausgangsstroms i₁ dieses Ausführungsbeispiels ist in Fig. 2 gezeigt. Fig. 2 zeigt deutlich die Haifischflossen­ form und eine "Aufzipfelung" des Ausgangsstroms i₁ in seinen Maxima.

Fig. 3 zeigt in einer schematischen Darstellung den Schaltplan einer bekannten Vor­ richtung zur Speisung eines Rinnenofens mit Blindleistungskompensation. Auch hier wird einer Stromversorgungseinheit 1 externe Leistung über ein übliches Drehstrom­ netz 3 zugeführt, wobei zunächst der Drehstrom mittels einer sechspulsigen Brüc­ kenschaltung 4 in eine Gleichspannung umgewandelt wird. Die Gleichspannung wird wiederum einem Wechselrichter 2 zugeführt, der, wie schon im obigen Beispiel aus­ geführt, Transistoren bzw. Tyristoren 5 und Dioden 6 zum "Zerhacken" der Gleich­ spannung in eine Rechteckform aufweist.

Die Frequenz des "Zerhackens" ist bestimmt durch die Frequenz des Zündens der Transistoren bzw. Tyristoren 5. Die Geschwindigkeit, mit der die Tyristoren 5 gezün­ det werden, steuert somit die Frequenz der sich ergebenden Ausgangsspannung. Diese Rechteckspannung wird dann dem RLC-Kreis zugeführt, in dem der Wider­ stand R und die Induktionsspule L den Rinnenofen darstellen. Der in Reihe geschal­ tete Kondensator C kompensiert die Blindleistung der Schaltung. Der Wechselrichter 2 ist auch hier wiederum ein Vollbrücken-Wechselrichter 2, der durch eine mittels einer sechspulsigen Brückenschaltung 4 erhaltenen Gleichspannung gespeist wird und eine "zerhackte" Rechteckspannung als Ausgangsspannung an den Rinnenofen, der durch den Widerstand R und die Induktionsspule L dargestellt ist, abgibt. Der Kondensator C, der in Reihe mit dem Widerstand R und der Induktionsspule L ge­ schaltet ist, kompensiert die Induktivität der Induktionsspule L.

Wird nun eine Vorrichtung zur Speisung eines Rinnenofens, wie in Fig. 3 dargestellt, erfindungsgemäß über eine Pulsweitenmodulation leistungsgesteuert, und zwar der­ art, dass die Leistungssteuerung mittels der Breite der Ausgangsspannungsimpulse u₂ des Vollbrücken-Wechselrichters 2 erfolgt, so ergibt sich, dass der im Rinnenofen fließende Strom i₂ im Wesentlichen sinusförmig verläuft. Fig. 4 zeigt dabei den Ver­ lauf der Referenzsignale und Fig. 5 den Stromverlauf i₂ sowie die Ausgangsspan­ nung u₂ bei einer mittleren Belastung von ca. 50 bis 80% der Maximallast. Es wäre zudem möglich, eine Leistungserhöhung durch Übermodulation zu erreichen.

Wie aus Fig. 5 klar ersichtlich ist, kommt es nunmehr nicht mehr zu der "Aufzipfe­ lung" oder zu Stromspitzen im Stromverlauf i₂. Sollte es dennoch aus irgendeinem Grund zu einer "Aufzipfelung" oder zu Stromspitzen im Stromverlauf i₂ kommen, so kann die sehr schnelle Impulsbreitensteuerung, die nunmehr mit der mehr als zehn­ fachen Eingriffsgeschwindigkeit arbeitet, sofort eingreifen und die Abweichung von der gewünschten Sinusform augenblicklich korrigieren.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird somit eine äußerst sensible Regelung erreicht, die eventuell beginnenden Instabilitäten schon zu Beginn entgegenwirkt.

Hinsichtlich weiterer Details wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die allge­ meine Beschreibung sowie die beigefügten Patentansprüche verwiesen.

Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschrie­ bene Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims (19)

1. Verfahren zur Speisung eines Rinnenofens mittels einer ein- oder dreiphasi­ gen Stromversorgung mit mindestens einer Stromversorgungseinheit (1) zur Lei­ stungssteuerung, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungssteuerung über eine Puls­ weitenmodulation erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stromversorgungseinheit (1) vorzugs­ weise mindestens einen Wechselrichter (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungssteuerung mittels der Breite der Ausgangsspannungsimpulse (u₂) des Wechselrichters (2) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrich­ ter (2) mit einer mindestens zehnmal größeren Frequenz als der Ausgangsstrom (i₂) betrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Ausgangsspannungsimpulse (u₂) über die Zeit variiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Varia­ tion der Breite der Ausgangsspannungsimpulse (u₂) der im Rinnenofen (R, L) flie­ ßende Strom (i₂) im Wesentlichen sinusförmig verläuft.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Variation der Breite der Ausgangsspannungsimpulse (u₂) die Höhe des im Rin­ nenofen (R, L) fließenden Stroms (i₂) eingestellt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (2) als Vollbrücken-Wechselrichter arbeitet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (2) als Halbbrücken-Wechselsrichter, vorzugsweise mit zwei par­ allel geschalteten Kondensatoren, arbeitet.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselsrichter (2) um eine weitere Halbbrücke ergänzt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rinnenofen (R, L) mittels einer Scott-Schaltung gespeist wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Rinnenofens (R, L) blindleistungskompensiert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensati­ on der Blindleistung durch einen Kondensator (C) erfolgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (C) zur Kompensation der Blindleistung in Reihe mit dem Rinnenofen (R, L) ge­ schaltet ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass einer Aufzipfelung des im Rinnenofen (R, L) fließenden Stroms (i₂) durch die Variati­ on der Breite der Ausgangsspannungsimpulse (u₂) entgegengewirkt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgungseinheit (1) durch einen Drehstrom (3) gespeist wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstrom mittels eines Drehstrom-Brückengleichrichters, vorzugsweise einer sechspulsigen Brückenschaltung (4), in eine Gleichspannung umgewandelt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstrom in eine Wechselspannung umgewandelt wird und die Wechselspannung mittels eines Gleichrichters gleichgerichtet wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Strommesswandlers eine Wechsel- und/oder Gleichstromüberwachung realisiert wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund eines mittels des Strommesswandlers detektierten Überstroms die Ausgangsspannungs­ impulse (u₂) des Wechselrichters (2) derart angepasst werden, vorzugsweise auf Null reduziert werden, dass der Strom auf einen Wert im Normalbereich reduziert wird.