EP1604550A1 - Stromversorgungsvorrichtung zur speisung einer einphasigen last, insbesondere eines einphasigen induktionsofens, aus dem drehstromnetz - Google Patents

Stromversorgungsvorrichtung zur speisung einer einphasigen last, insbesondere eines einphasigen induktionsofens, aus dem drehstromnetz

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EP1604550A1
EP1604550A1 EP04718905A EP04718905A EP1604550A1 EP 1604550 A1 EP1604550 A1 EP 1604550A1 EP 04718905 A EP04718905 A EP 04718905A EP 04718905 A EP04718905 A EP 04718905A EP 1604550 A1 EP1604550 A1 EP 1604550A1
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EP
European Patent Office
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converter
load
phase
power supply
balancing
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Rik W. De Doncker
Dirk Linzen
Uwe Jansen
Klemens Peters
Thomas Frey
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Otto Junker GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • H05B6/08—Control, e.g. of temperature, of power using compensating or balancing arrangements

Definitions

  • Power supply device for feeding a single-phase load, in particular a single-phase induction furnace, from the three-phase network
  • the invention relates to a power supply device for feeding a single-phase load, in particular a single-phase induction furnace, from the three-phase network.
  • the induction furnace supplied by such a power supply device can be a crucible furnace or channel furnace for melting, keeping warm and overheating of metals or an induction furnace for heating metallic workpieces for heat treatment, for thermoforming or for other purposes.
  • a connection to the three-phase network must be made in any case.
  • Induction furnaces are usually highly inductive, single-phase loads.
  • the choice of the frequency of the supply current is determined by the design of the furnace, the furnace size and the requirements of the process.
  • the induction furnace is compensated and connected to the three-phase network via a balancing device, for example in a stonemason circuit.
  • a balancing device for example in a stonemason circuit.
  • Both the compensation and the balancing of such a power supply system must be switchable, since the impedance of the furnace changes with the degree of filling, the type of material used, the temperature and wear of the infeed and the compensation and balancing must be adjusted.
  • additional switching devices must be provided to control the power. Details on circuit variants of balancing devices as well as theoretical bases for their calculation can be found, for example, in the following document: Reichert, K .: The balancing and switching of mains frequency induction furnace systems in Elektrotown 21 (1963), pp. 309-319. There, for example, the possibility of symmetrizing a single-phase load is presented, so that the associated converter can be operated on a 3-phase network.
  • the above-mentioned article also describes a direct converter in which the parallel-compensated load resonant circuit guides the direct converter consisting of 3 antiparallel thyristor pairs.
  • DC link converters such as those currently used in systems for supplying induction furnaces, generate harmonic currents in the network through the rectifier, which can impair the operation of other consumers. At least for large outputs, the use of 12 or 24 pulp rectifiers is the only measure that allows a cost-effective reduction of harmonic currents. If DC link converters are designed with self-commutated input rectifiers to achieve a sinusoidal input current, this increases the costs considerably and can lead to a significant loss in efficiency. Another disadvantage of the DC link converters is the high outlay for the components of the DC link, especially at low output frequencies.
  • the load-controlled direct inverters investigated in the past could not prevail because the effects of the output current have to be kept away from the mains by a complex input filter.
  • the input filter is particularly complex when relatively low output frequencies are required. However, this is precisely the case for large induction crucible furnaces, since such furnaces operate at frequencies between 80 Hz and 500 Hz.
  • circuit techniques for the use of switchable power semiconductors in intermediate circuit-free circuits such as self-commutated direct converters (also referred to as matrix converters) for supplying a single-phase load.
  • circuits of self-commutated direct converters are e.g. described in DE 19832225 A1.
  • the task is now to reduce the high expenditure of reactances, ie inductors and / or capacities, which is operated in the previously known solutions, and to create the prerequisites for the use of intermediate circuit circuits.
  • Power supply devices are to be specified in which the energy can be stored with less effort on passive components. First of all, it is important to recognize the cause of the high reactance effort. This is explained below:
  • the power supply device serves several purposes at the same time:
  • Output side must therefore be supplied from the power supply device, i. H. in the power supply device must double energy storage
  • a converter which, in addition to the two output potentials for connecting a parallel compensated load, has at least one further output potential and that one or. Between the further output potential and one of the output potentials for connecting the load or between the further output potentials several symmetry reactants for energy storage with double output frequency are connected, and that the control of the converter and / or the symmetry reactances can be adapted to the impedance of the load (O) at different operating points.
  • at least one balancing capacitor and / or one balancing choke are provided as balancing reactances.
  • the effort for the reactances is thus reduced, since the energy storage takes place with the full amplitude of the output voltage of the converter used in the balancing reactances and not, as is customary in the case of intermediate circuit converters, by means of a small alternating component of the current in comparison to the direct component (in the case of the intermediate circuit converter ) or the voltage (for the DC link converter) in the reactances of the DC link converter. If an intermediate circuit converter is used as the converter, the reactances in it can thus be dimensioned smaller. Since the energy storage required for the balancing takes place in the balancing reactances, direct converters can also be used which do not contain any reactances and enable exact control of the output power.
  • the converter used can be a converter with a voltage intermediate circuit, a converter with a current intermediate circuit or a direct converter.
  • the components in the inverter of the intermediate circuit converter must be able to be switched off.
  • the same applies to the direct converter. Inductors or capacitors or any combination of these elements can be used as reactances for energy storage.
  • the invention can also be designed such that an intermediate circuit converter is provided as the converter.
  • the energy storage required for the symmetry is shifted from the reactances of the intermediate circuit to the symmetry reactances, so that the reactances of the intermediate circuit can be dimensioned smaller.
  • the symmetry reactances require a certain amount of effort, but overall the total effort is cheaper compared to the known arrangements.
  • the device can advantageously also be designed such that a self-commutated direct converter is provided as the converter.
  • a self-commutated direct converter is provided as the converter.
  • the use of a Such self-commutated direct converters require that the load absorbs a load that is constant over a network period. This is achieved through the symmetry reactances.
  • the device can also advantageously be designed such that at least one balancing choke and / or a balancing capacitor is / are provided as the balancing reactances, so that the single-phase load, i.e. the induction furnace, with respect to the three connection terminals of the network and with regard to the amplitude and phase position of Voltages and currents is symmetrical. Since the amplitude and phase position can be set as desired by using a converter, one of the two balancing reactances can be dispensed with.
  • a control method for controlling the supply of a single-phase load, in particular an induction furnace, from the three-phase network with a device according to the invention is proposed, which is characterized in that when the resistance and / or the induction of the load is changed to adjust the power, the amplitude and / or the phase position and / or the frequency of the output voltages can be varied, so that the power supply device can thus only be adapted to a load that has become asymmetrical by control. So far, disconnectable partial capacitances or partial inductors have been used to adapt to the changed impedance of the load.
  • the converter supplies a 1-phase load, the frequency of which is usually higher than that of the 3-phase network and e.g. Is 250Hz;
  • the converter feeds a passive load, the frequency of which is variable depending on the furnace filling and temperature, the converter having to adjust its output frequencies to the resonance frequency of the furnace and the compensation capacitor; that the converter has only three output potentials between which the load and the balancing are connected; a converter is used, to whose output terminals a load with symmetry is connected in a stonemason circuit, whereby the task of distributing the load over the 3 phases of the supplying network is already taken over by the converter, i.e. the stonemesh circuit only to compensate for periodic power fluctuations due to the single-phase Load serves.
  • Fig. 2 power supply device with stonemason circuit on the output side of the converter
  • Fig. 3 power supply device with inductance as an energy store on the output side of the converter
  • Fig. 4 power supply device with a capacitor as an energy store on the output side of the converter
  • Fig. 6 power supply device with self-controlled direct converter with capacitor as an energy store on the output side.
  • Fig. 1 shows possible training variants for bidirectional main switches, which are required for the construction of self-commutated direct converters.
  • a bidirectional main switch can be constructed as a combination of unidirectionally blocking IGBTs and diodes (a, b, c) or exclusively from symmetrically blocking IGBTs (d).
  • IGBTs unidirectionally blocking IGBTs and diodes
  • d symmetrically blocking IGBTs
  • FIGS. 2-4 show different forms of embodiment of the power supply device according to the invention with the connection of the energy stores, in which the energy required for the balancing is stored.
  • the parallel compensated load consisting of the furnace 0 and the compensation capacitor CK
  • the parallel compensated load is connected to the three-phase output of the converter S by means of a Steinmetz circuit, consisting of a balancing capacitor Cs and a balancing choke L s .
  • the components of the stonemason circuit are dimensioned in such a way that the converter S is subjected to a symmetrical load at nominal load.
  • the converter S is controlled in such a way that a three-phase voltage system is set at its output.
  • FIG. 5 shows an arrangement corresponding to FIG. 4, in which the converter S is designed as a voltage intermediate circuit converter.
  • the DC link converter consists of the line rectifier, implemented with diodes D.-D 6 , the DC link choke Ld, the DC link capacitor C d and the inverter, which consists of the IGBTs T.-T 6 , the drivers Tn-Tr ⁇ and the decoupling wire L E.
  • the decoupling choke LE enables the capacitors for compensation CK and balancing Cs to be connected to the output of the voltage intermediate circuit converter, without this leading to undesired compensating currents.
  • Appropriate control of the driver Tr.-Tr ⁇ ensures that the intermediate circuit is only loaded with currents in the range of the switching frequency. Current components in the intermediate circuit capacitor C d with double output frequency can be avoided by setting the output variables in such a way that the energy required to compensate for the power balance is only stored in the balancing capacitor Cs connected on the output side.
  • FIG. 6 shows an embodiment in which the converter is designed as a self-guided direct converter or matrix converter.
  • filter capacitors CF are arranged in a delta connection to suppress switching-frequency repercussions. Together with the inductance LT of the upstream transformer or an input choke, these form a low-pass filter.
  • a decoupling choke LE is again arranged on the output side.
  • the intermediate circuit can be omitted (direct converter) or reduced. As a result, the power supply device can be made more compact and less expensive.
  • the energy stored in the converter is lower, so that in the event of a fault, for example Defect of a semiconductor requires less energy to be broken down. This reduces the load on all components.
  • treated water of low conductivity must be used to prevent electrolysis.
  • the power converters can thus be built water-cooled using power semiconductors in the form of disk cells, without the need for insulation between the electrical connection and the heat sink, or for the converter cooling water being particularly low

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung zur Speisung einer einphasigen Last, insbesondere eines einphasigen Induktionsofens (0), aus dem Drehstromnetz, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromrichter (S) vorgesehen ist, der neben den beiden Ausgangspotentialen zum Anschluss einer parallel kompensierten Last (0) zumindest ein weiteres Ausgangspotential aufweist, und dass zwischen dem weiteren Ausgangspotential und einem der Ausgangspotentiale zum Anschluss der Last (0) 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 (0) in verschiedenen Betriebspunkten ist. Sie betrifft zudem ein Steuerverfahren zum Steuern der Speisung einer einphasigen Last, insbesondere eines einphasigen Induktionsofens, aus dem Drehstromnetz mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Änderung des Widerstandes undloder der Induktivität der Last zur Einstellung der Leistung die Amplitude und/oder die Phasenlage und/oder die Frequenz der Ausgangsspannungen variiert werden können. Dadurch kann der hohe Aufwand an Reaktanzen, d. h. Induktivitäten und/oder Kapazitäten verringert werden.

Description

Stromversorgungsvorrichtung zur Speisung einer einphasigen Last, insbesondere eines einphasigen Induktionsofens, aus dem Drehstromnetz
Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsvorrichtung zur Speisung einer einphasigen Last, insbesondere eines einphasigen Induktionsofens, aus dem Drehstromnet∑.
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 Erwär- mung - 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-Indukti- onsofenanlagen 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 Betriebsfrequen∑en größer als die Netzfrequen∑ für die Anwendung günstiger, insbesondere da sich dann eine höhere spezifische Leistung erreichen lässt. Solche Anlagen werden heute mit Zwischenkreisumrichtem ausgeführt. Als Zwischenkreisumrichter werden dabei sowohl Umrichter mit Stromzwischenkreis als auch Umrichter mit Spannungszwischenkreis verwendet.
Neben Zwischenkreisumrichtem 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 Zwischenkreisumrichtem beschrieben. Weiterhin wird ein Spannungszwischenkreisum- richter 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 net∑geführten Gleichrichter Oberschwingungsströme im Netz, die den Betrieb anderer Verbraucher beeinträchtigen können. Zumindest bei großen Leistungen ist die Verwendung von 12- oder 24-pul- sigen 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 i achteil 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 Vorrauset∑ungen 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: Die Stromversorgungsvorrichtung dient gleichzeitig mehreren Aufgaben:
o Frequenzwandlung o Leistungssteuerung o Anschluss einer 1 -phasigen Last an das 3-phasige Netz
Wird an eine einphasige kompensierte Last an eine sinusförmige Spannung u(t)=ü-sin(2-τr-f t) angelegt, so fließt ein ebenfalls sinusförmiger Strom i(t)=.-sin(2 ττ-f-t).
Aus dem Produkt der beiden ergibt sich der zeitliche Verlauf der umgesetzten Leistung:
P(t)= Vz ü-. (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 Symmetrierreaktan∑en 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 Zwischenkreisumrichtem üblich, durch einen im Vergleich zum Gleichanteil geringen Wechselanteil des Stromes (beim Stromzwischenkreisumrichter) oder der Spannung (beim Spannungszwischenkreisumrichter) in den Reaktanzen des Zwischenkreis- umrichters. 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 Ausgangsfrequen∑ 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 Verteilung der Last auf die 3 Phasen des speisenden Netzes bereits durch den Stromrichter übernommen wird, die Steinrnetzschaltung 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 Mögliche Ausbildungsvarianten für bidirektionale Hauptschalter
Fig. 2 Stromversorgungseinrichtung mit Steinmetzschaltung an der Ausgangseite des Stromrichters
Fig. 3 Stromversorgungsvorrichtung mit Induktivität als Energiespeicher an der Ausgangsseite des Stromrichters
Fig. 4 Stromversorgungsvorrichtung mit Kondensator als Energiespeicher an der Ausgangsseite des Stromrichters
Fig. 5 Stromversorgungsvorrichtung mit pulsweitenmoduliertem Spannungs- zwischenkreisumrichter mit Kondensator als Energiespeicher an der Ausgangsseite
Fig. 6 Stromversorgungsvorrichtung mit selbstgeführtem Direktumrichter mit Kondensator als Energiespeicher an der Ausgangsseite.
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 Leis- tungshalbleiter 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 0 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 0 und dem Kompensationskondensator C« 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 zusät∑lich Blindleistung liefern.
Fig. 5 stellt eine Anordnung entsprechend Fig. 4 dar, bei der der Stromrichter S als Spannungs∑wischenkreisumrichter ausgeführt ist. Der Spannungszwischenkreisum- richter besteht dabei aus dem Netzgleichrichter, ausgeführt mit den Dioden D.-D6, der Zwischenkreisdrossel Ld, dem Zwischenkreiskondensator Cd und dem Wechselrichter, der aus den IGBTs T.-T6, den Treibern Tn-Trβ sowie aus der Entkopplungsdrossei LE besteht. Die Entkopplungsdrossel LE ermöglicht den Anschluss der Kondensatoren für Kompensation CK und Symmetrierung Cs am Ausgang des Spannungszwi- schenkreisumrichters, ohne dass es dadurch zu unerwünschten Ausgleichsströmen kommt. Durch entsprechende Steuerung der Treiber Tr.-Trβ 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 Zwischenkreisumrichtem sind folgende Punkte:
• Wegen der konstanten Leistung am Ausgang des Stromrichters kann der Zwischenkreis entfallen (Direktumrichter) bzw. verkleinert werden. Dadurch kann die Stromversorgungseinrichtung kompakter und kostengünstiger ausgeführt werden.
Durch den Wegfall oder die Verkleinerung der Energiespeicher im Zwischenkreis ist die im Stromrichter gespeicherte Energie geringer, so dass im Fehlerfall, z. b. bei Defekt eines Halbleiters weniger Energie abgebaut werden muss. Dadurch wird die Belastung aller Komponenten verringert.
o Wenn an einer Stelle irn Kühlkreislauf Gleichspannung auftritt, muss aufbereitetes Wasser geringer Leitfähigkeit eingesetzt werden, um eine Elektrolyse zu verhindern.
Bei der Ausführung des Stromrichters als Direktumrichter treten an keiner Stelle der Schaltung Gleichspannungen auf. Die Stromrichter können damit unter Verwendung von Leistungshalbleitern in Scheibenzellenbauform wassergekühlt aufgebaut werden, ohne dass hierzu eine Isolation zwischen elektrischem Anschluss und Kühlkörper erforderlich ist oder für den Umrichter Kühlwasser besonders geringer
Leitfähigkeit bereitgestellt werden muss. Die Wasserkühlung des Umrichters kann somit mit dem Wasserkreislauf der Ofenkühlung erfolgen, ohne dass die Gefahr der elektrolytischen Korrosion besteht.
• Bei der Ausführung des Stromrichters als Direktumrichter kann ein nahezu sinusförmiger Eingangsstrom erreicht werden. Gegenüber den bereits zu diesem Zweck verwendeten Zwischenkreisumrichtem mit selbstgeführtem Gleichrichter ist damit ein höherer Wirkungsgrad erzielbar.
• Bei der Ausführung des Stromrichters als Zwischenkreisumrichter kann auf standardisierte Baugruppen oder Module aus der Antriebstechnik mit dreiphasigem Ausgang zurückgegriffen werden. Dies ist insbesondere für kleinere Leistungen von Interesse, da solche Baugruppen und Module in großen Stückzahlen und damit kostengünstig gefertigt werden.
Bezugszeichenliste
Cd Zwischenkreiskondensator
CF Filterkondensator
CK Kompensationskondensator
Cs Symmetrierkondensator
Dx Dioden
Ld Zwischenkreisdrossel
LE Entkopplungsdrossel
LF Filterdrossel
Ls Symmetrierdrossel
Lγ Transformatorinduktivität
O Induktionsofen
S Stromrichter
Tx IGBTs
Trx Treiber
Ux Ausgangsspannungen des Stromrichters

Claims

Patentansprüche
1. Stromversorgungsvorrichtung zur Speisung einer einphasigen Last, insbesondere eines einphasigen Induktionsofens (0), aus dem Drehstromnet∑,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Stromrichter (S) vorgesehen ist, der neben den beiden Ausgangspotentialen zum Anschluss einer parallel kompensierten Last (O) zumindest ein weiteres Ausgangspotential aufweist,
dass zwischen dem weiteren Ausgangspotential und einem der Ausgangspotentiale zum Anschluss der Last (0) 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 (0) in verschiedenen Betriebspunkten ist.
2. Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Stromrichter (S) ein Zwischenkreisumrichter vorgesehen ist.
3. Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Stromrichter (S) ein selbstgeführter Direktumrichter vorgesehen ist.
4. Stromversorgungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Reaktanzen zumindest eine Symmetrierdrossel (Ls) und/oder ein Symmetrierkondensator (Cs) vorgesehen ist/sind.
5. Steuerverfahren zum Steuern der Speisung einer einphasigen Last, insbesondere eines einphasigen Induktionsofens, aus dem Drehstromnet∑ mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Änderung des Widerstandes und/oder der Induktivität der Last zur Einstellung der Leistung die Amplitude und/oder die Phasenlage und/oder die Frequenz der Ausgangsspannungen variiert werden können.
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