Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter zur Speisung mehrerer induktiver Verbraucher, bestehend aus einem Gleich- richter, einem Zwischenkreis und mindestens einem Reihen- schwingkreiswechselrichter, bei dem ein erstes Ventil und ein erster Kompensationskondensator am positiven Pol des Zwischenkreises, ein zweites Ventil und ein zweiter Kompensationskondensator am negativen Pol des Zwischenkrei- ses angeschaltet sind, wobei die Ventile und die Kompen¬ sationskondensatoren jeweils miteinander verbunden sind und zwischen deren Verbindungspunkten ein erster induktiver Vei— braucher angeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betrieb des Frequenzumrichters.

In Frequenzumrichteranlagen sind oft mehrere Verbraucher un¬ abhängig voneinander mit verschiedener Leistung bzw. vei— schiedener Frequenz zu versorgen.

So ist es z. B. in Gießereien oftmals nötig, für einen kon¬ tinuierlichen Produktionsablauf zwei oder mehrere Induk¬ tionsschmelzöfen gleichzeitig mit unterschiedlicher Leistung zu betreiben. Während der eine Induktionsschmelzofen sich dabei in der Aufschmelzphase befindet, ist die Charge in ei- nem zweiten Induktionsschmelzofen beispielsweise bereits aufgeschmolzen und steht zur Probenentnahme und für Korrek¬ turen der Legierungszusammensetzung bereit. Aus dem zweiten oder einem dritten Induktionsschmelzofens können zum anderen auch die für die Produktion erforderlichen Mengen von Schmelzgut entnommen werden, während sich der erste Ofen erst in der Aufschmelzphase befindet. Wartezeiten während des Aufschmelzens werden durch diese Betriebsweise weitge¬ hend vermieden.

Die Betriebsweise macht es allerdings oft erforderlich, daß ein Schmelzofen über eine längere Zeit warmgehalten werden muß. Zum Warmhalten benötigt der Schmelzofen jedoch nur einen Bruchteil der Leistung, die zum Aufschmelzen nötig ist. Da bei dieser Betriebsart ein Frequenzumrichter immer nur mit einem kleinen Teil seiner Nennleistung arbeitet, sind bereits Lösungen entwickelt worden, die es ermöglichen, mehrere Induktionsschmelzöfen mit einem einzigen Fre- quenzumrichter zu betreiben.

Bekannt ist es, mehrere zu ParallelSchwingkreisen angeord¬ nete Induktionsschmelzöfen mittels mechanischer Umschalter an einem Frequenzumrichter zu betreiben, der aus einem Gleichrichter, einem Zwischenkreis und einem Wechselrichter besteht. Um die bereits aufgeschmolzene Menge des Schmelz¬ gutes eines ersten Induktionsschmelzofens warmzuhalten, wird der Wechselrichter, der einen in der Aufschmelzphase befind¬ lichen zweiten Induktionsschmelzofen speist, abgeschaltet und im folgenden für eine kurze Zeit auf den ersten Induktionsschmelzofen umgeschaltet.

Bekannt ist für diese Anordnung auch eine elektronische Um¬ schaltung, bei der die Leistung des Umrichters jedoch beim Beginn jeder Umschaltung heruntergesteuert und nach erfolg¬ ter Umschaltung wieder hochgefahren werden muß.

Eine ähnliche Einrichtung ist auch aus der DE 32 20 142 A1 zur induktiven Erwärmung von Werkstücken mit mehreren Induk- toren bekannt. Die Induktoren werden an einem gemeinsamen Parallelschwingkreiswechselrichter betrieben, wobei teil¬ weise ein gemeinsamer Schwingkreiskondensator benutzt wird (siehe dort Fig. 2), und lassen sich individuell zu- und ab¬ schalten. Auch hier ist es jedoch bei jeder Umschaltung er- forderlich, den Umrichter herunterzusteuern bzw. abzu¬ schalten.

Aus der US-PS 5 272 719 ist auch eine Lösung bekannt, bei der jedem Verbraucher, d. h. jedem Induktionsschmelzofen, ein separater Wechselrichter zugeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich beide Induktionsschmelzöfen gleichzeitig paral¬ lel betreiben, wobei die Gesamtleistung mehrerer parallel betriebener Induktionsschmelzöfen die Eingangsleistung des Frequenzumrichters nicht überschreiten darf. Es sind deshalb spezielle Meß- und Steuervorrichtungen vorgesehen, die die Einhaltung dieser Bedingung überwachen sollen.

Sämtliche Lösungen besitzen den gemeinsamen Nachteil, daß aufwendige Schalteinrichtungen nötig sind. Mit der zuletzt genannten Lösung ist zwar der gleichzeitige Betrieb von zwei Induktionsschmelzöfen möglich, erkauft wird dieser Vorteil jedoch dadurch, daß zusätzlich ein weiterer kompletter Wech¬ selrichter, d. h. einschließlich einer weiteren Kondensator¬ batterie, benötigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenz- Umrichter der eingangs genannten Art zum Speisen mehrerer induktiver Verbraucher anzugeben, bei dem eine beliebige Leistungsverteilung auf die Verbraucher bei verringertem schaltungstechnischem Aufwand möglich ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß jeder weitere induktive Verbraucher mit der jeweils einen Zulei¬ tung an dem Verbindungspunkt der Kompensationskondensatoren und mit der jeweils anderen Zuleitung an einem Verbin¬ dungspunkt jeweils zweier weiterer Ventile angreift, die pa- rallel zu den ersten Ventilen angeordnet sind.

Der erfindungsgemäße Umrichter wird in vorteilhafter Weise erfindungsgemäß so betrieben, daß die induktiven Verbraucher über ihre zugeordneten Ventile zeitlich nacheinander mit dem Zwischenkreis verbunden werden, wobei die Anschaltzeit im Verhältnis zur erforderlichen Leistungsaufnahme der Ver¬ braucher bestimmt wird.

Die Umschaltung kann in vorteilhafter Weise so erfolgen, daß erfindungsgemäß die Umschaltung von einem ersten induktiven Verbraucher zum nächsten induktiven Verbraucher zum Zeit¬ punkt des Stromnulldurchganges des ersten induktiven Ver- brauchers bzw. in dessen Nähe erfolgt.

Der Eingangsgleichrichter kann in üblicher Weise als ge¬ steuerter oder ungesteuerter Gleichrichter ausgeführt sein, was im wesentlichen vom Leistungsbereich abhängt. Er kann als sechs-, zwölf- oder vierundzwanzigpulsige Ausführung aufgebaut sein.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß zur Umschaltung auf einen nächsten induktiven Verbraucher nur ein Satz von Kom- pensationskondensatoren benötigt wird, außerdem sind keine zusätzlichen Schalteinrichtungen nötig. Hierdurch ergibt sich eine erhebliche Kostenersparnis hinsichtlich des Mate¬ rial-, Aufstellungs- und Wartungsbedarfs der Anlage. Die Um¬ schaltung erfolgt ohne Zeitverzögerung.

Die Anordnung ermöglicht eine beliebige Leistungsverteilung auf die induktiven Verbraucher. Die minimale Einschaltdauer eines Verbrauchers beträgt eine halbe Schwingungsperiode, sollte jedoch möglichst eine Schwingungsperiode nicht un- terschreiten, um den Oberschwingungsanteil im Strom des Ver¬ brauchers mit der geringeren Leistungsaufnahme klein zu hal¬ ten. Die jeweilige Anschaltzeit liegt also im Bereich von Millisekunden. Damit ergibt sich ein quasiparal1eier Betrieb der Verbraucher und eine zeitlich gleichmäßige Leistungsbeaufschlagung.

Auch die Genauigkeit der Leistungsverteilung auf die induk¬ tiven Verbraucher wird erhöht. Werden z.B. 100 Schwingungen auf verschiedene Verbraucher aufgeteilt und von einer mini- malen Anschaltzeit von einer Schwingungsperiode ausgegangen, so wird eine Leistungsverteilung mit einer Genauigkeit von 1% erreicht, wobei in der Praxis schon Genauigkeiten von ca.

2 - 3% als für ausreichend erachtet werden. Die Genauigkeit läßt sich beliebig erhöhen.

Benötigt ein Verbraucher nur eine sehr geringe Leistung im Verhältnis zu den weiteren Verbrauchern, so kann die Schwin¬ gungsaufteilung auch so erfolgen, daß für diesen Verbraucher einzelne Schwingungsperioden ausgelassen werden.

Die Gesamtleistung des Frequenzumrichters ist abhängig von der verbraucherseitigen Schwingungsamplitude.Eine Reduzie¬ rung der Gesamtleistung kann durch Änderung der Ansteuer¬ frequenz erreicht werden. Die Verteilung der verringerten Gesamtleistung wird wiederum durch eine geeignete Aufteilung der Schwingungen auf die einzelnen Verbraucher vorgenommen.

Die Leistungsverteilung läßt sich bei gleicher Aufteilung der Anzahl der Schwingungsperioden auf die Verbraucher auch so verändern, daß die Schwingungsamplitude der einzelnen Schwingungspakete eines Verbrauchers gegenüber der der wei- teren Verbraucher in ihrer Höhe verändert wird.

Die den Verbrauchern zugeordneten Ventile werden durch eine gemeinsame Steuerungslogik so durchgesteuert, daß eine kon¬ tinuierliche Schwingung aufrechterhalten wird. Diese Steue- rungslogik stellt die richtige Reihenfolge in der Ansteue¬ rung der Ventile sicher, da diese nur in Abhängigkeit zu¬ einander arbeiten können.

Jederzeit ist eine Änderung der Anzahl der induktiven Ver- braucher möglich. Das Zu- und Abschalten kann unter Vollast, d.h. ohne Abschaltung des Frequenzumrichters, erfolgen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungs¬ beispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeich- nungen zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Frequenzumrichter zur Speisung von drei Induktionsschmelzöfen,

Fig. 2 die Verteilung der Leistung auf drei Induktions¬ schmelzöfen anhand einer Stromkurve.

Fig. 1 zeigt einen Frequenzumrichter, der an einer dreipha¬ sigen Spannungsversorgung 1 betrieben wird. Er ist als 6- phasiger gesteuerter Gleichrichter GR aufgebaut, bestehend aus den Ventilen V1 bis V6, und einem aus der Drosselspule L1 und dem Kondensator C3 bestehenden Zwischenkreis ZK. Der zugehörige Schwingkreiswechselrichter WR wird durch zwei Ventile V7 und V8 und durch die Kompensationskondensatoren C1 und C2 gebildet. Am Schwingkreiswechselrichter WR ist ein erster induktiver Verbraucher, hier die Ofenspule 01 eines Induktionsschmelzofens, angeschaltet. Jeder weitere induk- tive Verbraucher, z.B. eine weitere Ofenspule 02 oder 03, kann so dazugeschaltet werden, daß die vorhandenen Kompen¬ sationskondensatoren C1 und C2 mit zugehörigen Ventilen V9 und V10 bzw. Ventilen V11 und V12 jeweils einen weiteren Wechselriehterzweig bilden. Die Ofenspulen 01 bis 03 bilden mit den Kompensationskondensatoren C1 und C2 jeweils einen Serienschwingkreis.

Die Größe der Kompensationskondensatoren C1 und C2 ent¬ spricht dem für einen Induktionsschmelzofen erforderlichen Wert, unabhängig von der Anzahl der angeschlossenen Induk¬ tionsschmelzöfen.

Beim Betrieb eines Wechselrichters bringen die Schwingungen eines solchen Serienschwingkreises über das Magnetfeld der Ofenspulen 01,02,03 die Schmelzenergie in die Schmelze ein.

Die Verteilung der Leistung auf die drei Ofenspulen 01 bis 03 erfolgt durch die serielle Aufteilung der Schwingungen der Wechselrichterzweige auf die einzelnen Ofenspulen 01 bis 03. Die Anzahl der Schwingungen eines aus den Ventilen V7,V8 bestehenden Wechselrichterzweiges im Vergleich zur An¬ zahl der Schwingungen des zweiten bzw. eines weiteren Wech¬ selrichterzweiges mit den Ventilen V9,V10 entspricht dabei

den Relationen der Leistungen der Induktionsschmelzöfen zu¬ einander. Fig. 2 zeigt ein Abbild des Stroms in den Ofenspu¬ len 01, 02 bzw. 03 (angegeben ist die diesem Strom entsprechende, von Shunts abgegriffene Spannung). Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, wird z.B. nach sieben Schwingungen, mit der die Ofenspule 01 beaufschlagt wird, ein Wechsel auf die Ofenspule 02 vorgenommen, die an¬ schließend mit zwei Schwingungen versorgt wird. Darauf folgt die Ansteuerung des dritten Wechselrichterzweiges für die Ofenspule 03, die mit einer einzigen Schwingung versorgt wird, worauf sich der Prozeß wiederholt. Die Ofenspule 01 wird auf diese Weise mit 7056, die Ofenspule 02 mit 20% und die Ofenspule 03 mit 10% der Gesamtleistung beaufschlagt.

Die Umsteuerung erfolgt jeweils zum Zeitpunkt eines Strom- nulldurchganges. Die Energie des Schwingkreises ist zu die¬ sem Zeitpunkt vollständig in den Kompensationskondensatoren C1 und C2 gespeichert, so daß eine Umsteuerung auf den näch¬ sten Schwingkreis problemlos möglich ist. Die Umsteuerung z. B. von der Ofenspule 01 zur Ofenspule 02 erfolgt durch Sper¬ ren des stromführenden Ventils V8 und Aufsteuern des Ventils V9. Im Stromnulldurchgang kommutiert der Strom dann von den Stromzweigen Kompensationskondensator C2, Ofenspule 01, Ven¬ til V8 einerseits und dem Stromzweig Zwischenkreis ZK, Kom- pensationskondensator C1 , Ofenspule 01, Ventil V8 anderer¬ seits auf den Stromzweig Ventil V9, Ofenspule 02, Kompensa¬ tionskondensator C1 und den Stromzweig Zwischenkreis ZK, Ventil V9, Ofenspule 02, Kompensationskondensator C2, wobei beide Kondensatoren umgeladen werden. Die Ofenspulen 02 und 03 sind zum Kommutierungszeitpunkt energielos.