DE102018009988A1

DE102018009988A1 - Schaltungsanordnung und Prozessregelung für niedrig-, mittel- und hochfrequente Generatoren

Info

Publication number: DE102018009988A1
Application number: DE102018009988.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-06-25

Abstract

Eine Schaltungsanordnung für niedrig-, mittel- und hochfrequente Generatoren für eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Wärme mit einem mittel- oder hochfrequenten Wechselstrom auf induktiver oder konduktiver Basis wird bereitgestellt, wobei die Schaltungsanordnung aus einer Energiequelle gespeist wird und einen Gleichrichter, einen steuerbaren Wechselrichter und einen Transformator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenkreis zwischen dem Gleichrichter und dem steuerbaren Wechselrichter energiespeicherlos und/oder energieverbraucherlos konfiguriert ist. Eine induktive Heizvorrichtung kann eine solche Schaltungsanordnung beinhalten, und ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Wärme kann unter Verwendung einer solchen Schaltungsanordnung für niedrig-, mittel- und hochfrequente Generatoren durchgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für niedrig-, mittel- und hochfrequente Generatoren, wie sie in beispielsweise induktiven Heizvorrichtungen Anwendung finden oder solche konfigurieren, und bezieht sich insbesondere auf eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Wärme mit einem mittel- oder hochfrequenten Wechselstrom auf induktiver oder konduktiver Basis mit den Merkmalen im Oberbegriff des Sachhauptanspruchs.
Stand der Technik
In einem aus der Druckschrift DE 195 27 827 C2 bekannten Verfahren und einer entsprechend bekannten Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Wärme mit einem mittel- oder hochfrequenten Heizwechselstrom zwischen ca. 50 Hz und einigen 100 kHz auf induktiver oder konduktiver Basis wird ein an einem Transformator sekundärseitig an einen Verbraucher abgegebener Heizstrom primärseitig durch Gleichrichtung, Glättung und anschließende steuerbare Wechselrichtung des Speisestroms erzeugt, und wird der Heizstrom schwingkreisfrei erzeugt. Sekundärseitig entstehende Blindleistung wird primärseitig in einer einem Wechselrichter in einem Gleichstromkreis vorgeschalteten Kondensatoranordnung mit entsprechender Kapazität kompensiert. Die Heizleistung und/oder die Heiztemperatur an einem Verbraucher werden/wird durch Frequenzmodulation und/oder Pulsweltenmodulation an einem Wechselrichter gesteuert oder geregelt.
Stetig steigende Anforderungen an die Qualitätssicherung bei industriellen Fertigungsprozessen bedingen in neuerer Zeit auch neue Wege in der Systementwicklung. Dies gilt auch für Prozesse, die auf der Anwendung von elektromagnetischen Feldern beruhen und/oder diese nutzen, wie beispielsweise induktive Erwärmungsprozesse, Kondensatorentladungsprozesse, Schweißprozesse und dergleichen. Davon betroffen sind sowohl Hardware als auch Software.
Gestelle Anforderungen beinhalten vordergründig und nicht darauf beschränkt eine Kostensenkung bei gleichzeitiger Verkürzung der Gesamtprozesszeiten, eine Verkürzung von Reaktionszeiten, beispielsweise durch schnelle Kommunikation, eine uneingeschränkte Adaptierbarkeit, eine Erhöhung der Prozesssicherheit, eine Senkung des Energiebedarfs bei vergleichbaren Ergebnissen, eine automatische Anpassung von Prozessparametern bei sich ständig ändernden Randbedingungen, wie beispielsweise Netzspannungsschwankungen, Umgebungstemperatur, Koppelungsverhältnissen allgemein und/oder bei steigender Werkstücktemperatur, in vielen Fällen auch Bauteilvorbereitung, und so weiter.
Beispielsweise in der Fahrzeugindustrie sind Gewichtssenkungen durch Kombination verschiedener Werkstoffe von Bedeutung, mit erhöhten Anforderungen einhergehend mit dem Aufkommen der Elektroantriebe und dem Erfordernis vollständig neuer mechanischer Strukturen und Verbindungsverfahren.
Bei induktiven Erwärmungseinrichtungen kommen in der Praxis prinzipiell 2 unterschiedliche Schaltungen zur Anwendung:

Zum einen beispielsweise die Chopper-Technik nach Art der Druckschrift DE 195 27 827 C2 (sogenannte „Hardchopper“), die mit freier Frequenzwahl und nahezu beliebigen Regelungsmöglichkeiten nach allen physikalischen Größen arbeiten können. Die Chopper-Steuerung, oder auch Impulssteuerung, ist ein verlustarmes Steuerverfahren für unter anderem Frequenzumrichter, bei der deren Betriebsspannung durch elektronische Schalter (beispielsweise Thyristor-Pulssteller, Gleichstromsteller, Transistor- oder IGBT-Schalter) zerhackt und der Mittelwert der Pulsspannung (immer bezogen auf eine Halbwelle, da symmetrische Wechselgrößen wie Strom oder Spannung einen Mittelwert von immer gleich Null haben) wie bei einer Pulsweitenmodulation mittels des Tastgrades variiert wird. Um gewünschte Werte (Tastgrad, Spannung, Geschwindigkeit oder Leistung) zu erreichen, wird entweder die Taktfrequenz oder die Pulsbreite verändert.

Zum anderen die Resonanzkreistechnik, die schaltungsabhängig mit Spannungs- oder mit Strom-Resonanz arbeitet und deren Aufbau durch die Anwendung bestimmt ist.
Generatoren mit Resonanzschaltungen werden für ganz bestimmte nicht veränderbare Applikationen gebaut, da die Arbeitsfrequenz durch Kreisinduktivität (Li) und Schwingkapazität (Cs) festgelegt ist, die energetisch in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen müssen. Unabhängig von der Schaltungsart ergibt sich die Resonanzfrequenz durch $ω L=1/ ω C$
und damit $f = 1/ (2 π • \sqrt L_{i} • C_{s})$
Das Verhältnis zwischen L_i und C_s muss derart sein, dass die beiden Energien ungefähr den gleichen Wert besitzen, d.h. $Li • i^{2} \sim C_{s} • u^{2}$
Wird eine andere Frequenz benötigt, müssen die Werte von (L_i ) und (C_s ) aneinander angepasst bzw. aufeinander abgestimmt werden, um eine Wirkungsgradverschlechterung und/oder eine Absenkung der Verstärkung zu vermeiden.
Insoweit ist die zugrundeliegende Technik allgemein bekannt und können daher weitergehende, redundante Erläuterungen entfallen.
Nachstehend wird in Bezug auf die vorstehend erwähnte Hardchopper-Technik weiter erläutert.
Aus Gründen hoher Universalität arbeiten derzeit Hardchopper-Schaltungsanordnungen mit einem Zwischenkreis, der kapazitiv, induktiv oder auch gemischt ausgeführt sein kann. Bei einer gemischten Ausführung überwiegt der kapazitive Anteil. Der induktive Anteil - praktisch eine Glättungsinduktivität - dient lediglich zur Begrenzung von Stromspitzen und ist grundsätzlich für eine Gerätefunktionalität nicht ausschlaggebend. Es gibt kein festes Verhältnis zwischen C und L und keine Mitbestimmung der Arbeitsfrequenz durch diese Werte. In bestimmten Fällen kann das Verhältnis zwischen C und L lediglich zur Verbesserung des Wirkungsgrads führen.
Kapazitive Lösungen sollen die Spannung am Zwischenkreis unter Last stabilisieren. Daher ist in dem Zwischenkreis eine polarisierte und relativ große Kapazität angeordnet, die in der Regel aus elektrolytischen Kondensatoren besteht. Die Kapazitätswerte sind lastabhängig und liegen in der Regel in einem Bereich zwischen 1 und 20 mF. Da unter Last die Energie dem Zwischenkreis entnommen wird, werden die Kondensatoren teilweise entladen und müssen wieder nachgeladen werden, was mit Verlusten verbunden ist. Zusätzlich entstehen Verluste an der Glättungsinduktivität. Es muss daher mit entsprechenden zusätzlichen Kosten eine relativ aufwendige Lade- und Entlade-Vorrichtung nebst Spannungsüberwachung bereitgestellt werden. Die Hochlaufzeiten nach dem Einschalten („NETZ EIN“) sind entsprechend lang, und nach dem Ausschalten („NETZ AUS“) dauert die Entladung häufig einige Zeit, beispielsweise einige Minuten (ohne Entladungsvorrichtung).
Demgegenüber sollen induktive Lösungen, die normalerweise zugunsten hoher Schaltströme angewandt werden, den Strom unter Last stabilisieren. Sie beinhalten dazu ferromagnetische Kerne und weisen Induktivitätswerte zwischen beispielsweise 1 und 20 mH auf, und sind entsprechend schwer und kostentreibend. Darüber hinaus ist eine relativ aufwendige Überspannungsüberwachung als Schutz gegen Spannungsspitzen bei einem Lastwechsel / Lastabfall (crowbar circuit) erforderlich.
Auf Hardchopper-Technik beruhende Lösungen haben sich in letzten 30 Jahren in vielen industriellen Bereichen durchgesetzt. Ihr Leistungsbereich liegt dabei zwischen einigen Watt bis 100 kW, und ihr frei einstellbarer Frequenzbereich liegt zwischen „Industriefrequenzen“ und 20 bis 100 kHz. Die Universalität dieser Systeme liegt in erster Reihe darin, dass eine optimale Arbeitsfrequenz durch die Applikation bestimmt wird. Auch die nahezu uneingeschränkten Regelungsmöglichkeiten nach externen oder internen physikalischen Größen stehen hier im Vordergrund.
Aufgrund neuer Fertigungstechnologien ergibt sich jedoch die Notwendigkeit, auch diese Systeme weiterzuentwickeln, um die vorstehend erwähnten Anforderungen erfüllen zu können. Außerdem existieren als Netzversorgungen nicht nur einphasige bzw. 1ph_oder dreiphasige bzw. 3_ph Systeme mit 50/60 Hz, sondern auch solche mit 16,7 Hz oder Gleichstrom (DC)-Netze und Batterie-Systeme, bei welchen hardwaremäßige Begrenzungen von Stromspitzenwerten einen enormen Aufwand mit hohen Verlusten nach sich ziehen würden. Die Verringerung eigener Verluste bzw. von Eigenverlusten steht jedoch bei allen Systemen im Vordergrund, da dies nicht nur bei Großverbrauchern von elektrischen Energie, bei welchen eine Einsparung von nur einigen Prozentpunkten eine enorme Kostenreduzierung nach sich zieht, sondern mit steigendem Interesse auch bei batteriebetriebenen Systemen äußerst wichtig ist.
Die beiden Zwischenkreislösungen werden nach wie vor bei solchen Applikationen bevorzugt, die keine oder nur geringfügige Schwankungen der Ausgangswerte, z.B. Momentschwankungen, zulassen. Bei Applikationen, die als Hauptaufgabe Wärmeentwicklung in einem elektrisch leitenden Körper haben (sei es induktiv oder widerstandstechnisch), stellt sich die Situation anders dar. Die Menge der im Bauteil umgesetzten Wärmeenergie bei allen Netzversorgungen mit Konstantspannung, beispielsweise einphasigen oder mehrphasigen Netzen, Traktionsnetzen oder auch Batterieeinspeisung, ist grundsätzlich proportional zu dem Gleichstrommittelwert im Zwischenkreis. Für das Ergebnis spielt deshalb kaum eine Rolle, welche Form die beiden elektrischen Größen annehmen. Allerdings können sie sowohl den elektrischen Aufbau und die Gesamtverluste entscheidend beeinflussen.
Bei schwankender Versorgung, z.B. durch wechselnde Gesamtlast oder bei langsamer Entladung (Batterieversorgung), ist für die umgesetzte Wärmeenergie die Leistung über eine bestimmte Zeit (Energie im Zwischenkreis), d.h. das Produkt aus Strom, Spannung und Zeit, ausschlaggebend.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung daher als eine Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung bereitzustellen, die alle bisherigen Vorteile eines Hardchoppers beinhaltet.
Darüber hinaus sollen erfindungsgemäß die Frequenz und die Pulsbreite unabhängig von der Applikation und Regelbarkeit nach einzelnen externen oder internen Prozessgrößen frei einstellbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der beigefügten Unteransprüche. D.h. durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindung möglich.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt der allgemeine Gedanke einer Schaltungsanordnung und von Regelungsarten für niedrig-, mittel- und hochfrequente Generatoren zugrunde, die die alle bisherigen Vorteile eines Hardchoppers beinhaltet, d.h. freie Einstellbarkeit der Frequenz und der Pulsbreite unabhängig von der Applikation und Regelbarkeit nach einzelnen externen oder internen Prozessgrößen. Die Regelvorgänge können dann sowohl über Frequenz und/oder Pulsbreite erfolgen. Der Regelungskreise können dann beliebig als Vorwärtsregler oder mit Rückkopplung ausgeführt sein.
In diesem Kontext wird in einer ersten Stufe auf alle Energiespeicher / Energieverbraucher im Zwischenkreis verzichtet. Eventuell noch vorhandene (induktiven) L- bzw. (kapazitiven) C- Komponenten sind vorzugsweise um zumindest 3 Potenzen kleiner als solche bei einer bekannten (normalen) H-Brücke und dienen lediglich zur Stromrückführung und als Teilfilter für die H-Brücke.
Da bei der erfindungsgemäßen Lösung Lade- bzw. Entladevorgänge entfallen, kann prinzipiell auf sämtliche Induktivitäten verzichtet werden. Anstelle von Elektrolyten werden zur Stromrückführung PP-Kondensatoren eingesetzt, deren Werte im Bereich von einigen µF liegen. Vorteilhaft bei einer Hardchopperlösung (gegenüber beispielsweise seriellen Resonanzschaltungen) müssen hierbei die PP-Kondensatoren nur auf etwa die halbe Spannung der Resonanzkondensatoren dimensioniert werden. In Sonderfällen können darüber hinaus auch Rückführkondensatoren entfallen. Letzteres gilt wieder für alle Netzversorgungen.
Vorteile, die aus einer Konfiguration wie vorstehend beschrieben resultieren, beinhalten eine erhebliche Vereinfachung des Hardware-Aufbaus im Vergleich mit einem bekannten Hardchopper, ein Ladezeitentfall, d.h. der Entfall einer Ladevorgangszeit nach einem Einschalten („NETZ EIN“), ein Entladezeitentfall nach einem Ausschalten („NETZ AUS“), und eine Erhöhung des Wirkungsgrads aufgrund keiner Lade- bzw. Entladeverluste. Außerdem folgt nach dem Gleichrichter bei einphasigen Schaltungen der Stromverlauf exakt dem Spannungsverlauf. Eine Phasenverschiebung entfällt. Bei anderen Netzversorgungen gilt dies analog. Darüber hinaus werden enorm schnelle Reaktionszeiten erzielt. Ferner kann der Mittelwert am Zwischenkreis nicht unter den Mittelwert einer Sinushalbwelle am Netz fallen. Bei anderen Netzversorgungen gilt dies analog. Außerdem bleibt die uneingeschränkte Einstellbarkeit der Frequenz f und der Pulsweite PW voll erhalten, d.h. es besteht keine applikationsbezogene Parameter-Abhängigkeit.
Darüber hinaus wird eine Kombination mehrerer Führungsgrößen möglich, beispielsweise durch Festlegung der in einem Werkstück umgesetzten Energie bei gleichzeitiger Induktorstromregelung auf einen konstanten oder von einer anderen Größe abhängigen Wert - z.B. beim Anlassen: $W=konst . (kJ) {und l}_{rms} = konst . (A) {oder l}_{rms} = f (Z)$
worin Z repräsentativ ist für eine passende physikalische Größe (z.B. für eine Temperatur T in °C). Unter einem Induktor ist hierin allgemein bei Induktionsheizgeräten ein Überträger des (Induktor)Stroms aus dem Induktionsheizgerät in das Werkstück zu verstehen. Irms bezeichnet den Effektivwert des Stroms.
Durch derartige oder dazu verwandte Kombinationen kann unter anderem ohne ein Temperatursignal eine sehr konstante Werkstücktemperatur erreicht werden. Anderseits kann der Induktorstrom temperaturabhängig geregelt werden (Temperaturbegrenzung), bis die gewünschte Energie im Werkstück erreicht wird.
Es wird angemerkt, dass Ergebnisse bei induktiver Erwärmung häufig von einer Gesamtanordnung des gesamten Systems abhängig und aus diesem Grund für einen ausgewählten Regelmodus jedenfalls abschließende Tests erforderlich sind. Beispielsweise ist eine Energievorgabe in kJ wichtig nicht nur für den Anlagenverbrauch, sondern bei wechselnder Spannungsversorgung auch entscheidend für das Ergebnis. Gemäß der Theorie der elektromagnetischen Felder ist für die Höhe der induzierten Spannung (bestimmend für die induzierte Wirbelstromhöhe) nicht nur der Induktorstrom I_rms verantwortlich sondern auch sein Verlauf - insbesondere die Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt: $U_ind=f (l_rms, di/dt)$
Dies bedeutet, dass z.B. bei niedriger Versorgungsspannung die Pulsbreite vergrößert werden muss, um den gleichen Strom I_rms zu erreichen. Gleichzeitig aber fällt der Wert von di/dt. Der Strom I_dc im Zwischenkreis entspricht nicht mehr dem ursprünglich festgelegten Übertragungswert. Eine Energievorgabe in As würde in diesem Fall trotz konstanten Induktorstroms zu verkürzten Zeiten und niedrigerer Erwärmung führen. Bei Wechselspannungsversorgung können aufgrund der minimalen Verluste am Gleichrichter alternativ direkt die Netzwechselgrößen zur Energiefestlegung benutzt werden.
Ein weiterer Vorteil der hierin aufgezeigten Lösung besteht darin, dass beispielsweise bei 1 ph-Schaltungen die Spannung an dem Zwischenkreis niemals unter den Mittelwert einer Netzhalbwelle fallen kann. Der Spannungswert verläuft zwischen Null und einem Spitzenwert U_peak der Netzspannung. Diesem Verlauf folgt dann auch der MF/HF-Strom. Für andere Netzversorgungen gilt dies analog.
Ferner ermöglicht die hierin aufgezeigte Lösung vorteilhaft eine Parallelschaltung mehrerer MF/HF-Ausgänge auch für höhere Frequenzen als bisher. Dies gilt auch für sehr kurze Prozesszeiten mit t ≤ 100 ms.
Schließlich vorteilhaft sind mit der erfindungsgemäßen Lösung niedrigere Herstellungskosten, eine niedrigere Fehleranfälligkeit, niedrigere Reparaturkosten, eine Größenreduktion (von beispielsweise Geräten und dergleichen), eine Gewichtseinsparung und so weiter erzielbar.
Genauer wird die vorstehende Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Schaltungsanordnung für niedrig-, mittel- und hochfrequente Generatoren für eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Wärme mit einem mittel- oder hochfrequenten Wechselstrom auf induktiver oder konduktiver Basis, wobei die Schaltungsanordnung aus einer Energiequelle gespeist wird und einen Gleichrichter, einen steuerbaren Wechselrichter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenkreis zwischen dem Gleichrichter und dem steuerbaren Wechselrichter energiespeicherlos und/oder energieverbraucherlos konfiguriert ist. Es wird angemerkt, dass eine Anpassung von Strom und/oder Spannung über einen Transformator applikationsbedingt erfolgen kann. Das heißt, die Schaltungsanordnung kann einen Transformator zur Anpassung von Strom und/oder Spannung aufweisen, kann anwendungsabhängig aber auch transformatorlos konfiguriert sein. Mit anderen Worten ist ein Transformator nicht zwingend (nicht immer bzw. nicht in jedem Fall) bereitzustellen.
In einer praktischen Ausführungsform werden dadurch neue Möglichkeiten für alle Netzversorgungen unterschiedlicher Phasenzahl, Frequenz, Spannung und für Batterieversorgung bereitgestellt. Alle Generatoren sind µP gesteuert, beinhalten entsprechende Speicher- und Steuerfunktionen, und können mit allen denkbaren Kommunikationselementen, Schnittstellen, usw. ausgestattet sein. Eine induktive Heizvorrichtung mit einer solchen Schaltungsanordnung, welche aus einer Energiequelle gespeist wird, besteht grundlegend aus einem Netzfilter, einem Netzgleichrichter, einer µP Steuerung mit allen vorstehend beschriebenen Funktionen, Mess- und Schutzelementen, einem Frequenzwandler in Form einer vollständiger H-Brücke, und Speichermedien, und ist über visuelle Anzeigen (Display) oder beliebig über Schnittstellen frei programmierbar.
Erfindungsgemäß kennzeichnend ist, dass der Zwischenkreis keine C /mF/ und L /mH/ Energiespeicher beinhaltet, dass keine Lade- und Entladekreise mehr vorhanden sind und einige Überwachungssysteme entfallen können, und dass die Energierückführung mittels einer minimierten Kapazität von einigen µP ausgeführt wird, vorteilhaft in PP-Technik.
Vorteilhaft werden extrem kurze Reaktionszeiten bereitgestellt, die Kombinationen von mehreren Führungsgrößen ermöglichen, die Prozessreproduzierbarkeit erhöhen, und die Fertigungsprozesse weiter präzisieren und beschleunigen.
Vorteilhaft beinhaltet der Zwischenkreis eine Kondensatoranordnung, wobei die Kondensatoranordnung als Rückführkondensator für lediglich eine Stromrückführung und/oder als ein Teilfilter für eine H-Brücken-Schaltungsanordnung angeordnet und konfiguriert ist, und ein Kunststoff-Folienkondensator, insbesondere ein PP-Kondensator, mit einer Kapazität von einigen µF ist. Es versteht sich, dass ein solcher (Energie- bzw. Strom-) Rückführkondensator bei der hier betrachteten Technik funktionell nicht als Speicher bzw. Energiespeicher dienen kann oder als ein solcher konfiguriert ist und somit nicht im Widerspruch zu einer energiespeicherlosen und/oder energieverbraucherlosen Konfiguration steht.
Bevorzugt ist der Wechselrichter mit einer Steuerung verbunden, die eine Heizleistung und/oder eine Heiztemperatur an einem Verbraucher oder Werkstück durch Frequenzmodulation und/oder Pulsweitenmodulation am Wechselrichter steuert oder regelt.
Weiter bevorzugt sind am Verbraucher oder Werkstück ein oder mehrere Sensoren angeordnet und mit der Steuerung verbunden.
Weiter bevorzugt ist im Gleichstromkreis ein Spannungssensor angeordnet und mit der Steuerung verbunden.
Auch bevorzugt ist im Gleichstromkreis ein Stromsensor angeordnet und mit der Steuerung verbunden.
Vorteilhaft können in der Schaltungsanordnung mehrere Wechselrichter parallel geschaltet und mit einer gemeinsamen Steuerung verbunden sein.
Eine induktive Heizvorrichtung kann vorteilhaft eine Schaltungsanordnung für niedrig-, mittel- und hochfrequente Generatoren wie vorstehend beschrieben beinhalten.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Wärme mit einem mittel- oder hochfrequenten Heizwechselstrom zwischen ca. 50 Hz und einigen 100 kHz auf induktiver oder konduktiver Basis unter Verwendung einer Schaltungsanordnung für niedrig-, mittel- und hochfrequente Generatoren oder einer induktiven Heizvorrichtung wie vorstehend beschrieben, wobei dem Wechselrichter ein Transformator nachgeschaltet ist und wobei der an dem Transformator sekundärseitig an den Verbraucher oder das Werkstück abgegebene Heizstrom primärseitig durch Gleichrichtung und anschließende steuerbare Wechselrichtung des Speisestroms erzeugt wird und der Heizstrom schwingkreisfrei erzeugt wird. Mit anderen Worten wird die am Verbraucher oder Werkstück abgegebene Heizenergie durch Gleichrichtung und anschließende steuerbare Wechselrichtung des Speisestroms erzeugt, und wird der Heizstrom schwingkreisfrei erzeugt.
Bevorzugt wird bei dem Verfahren die Heizleistung und/oder die Heiztemperatur am Verbraucher oder Werkstück durch Frequenzmodulation und/oder Pulsweitenmodulation am Wechselrichter gesteuert oder geregelt, und/oder wird die Heizleistung am Verbraucher oder Werkstück in der Aufwärmphase durch Frequenzmodulation gesteuert, wobei im Bereich der Soll-Temperatur des Verbrauchers oder Werkstücks auf Pulsweitenmodulation umgeschaltet und die Heizleistung nach der Temperatur geregelt wird, und/oder die Frequenz des Heizstroms nach einer Erwärmungscharakteristik des Verbrauchers oder Werkstücks eingestellt wird.
Weiter bevorzugt wird eine an dem Transformator induzierte Spannung bei einem Abfallen, d.h. geringer werden, der Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung durch Konstanthalten der Energie am bzw. im Zwischenkreis und durch Regeln des Effektivwerts des Stroms auf einen konstanten Wert konstant gehalten.
Die Erfindung betrifft nicht nur die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen und Ausführungsformen einer Schaltungsanordnung und Regelungsarten für niedrig, mittel- und hochfrequente Generatoren, sondern auch ein Verfahren zur Steuerung und/oder zum Betrieb einer solchen Vorrichtung, Schaltungsanordnung und/oder Regelungsart für eine beliebige Netzversorgung unterschiedlicher Phasenzahl, Frequenz, Spannung sowie auch für eine Batterieversorgung. Eingesetzte Generatoren können jeweils µP gesteuert sein, entsprechende Speicher- und Steuerfunktionen beinhalten und mit allen denkbaren Kommunikationselementen, Schnittstellen, etc. ausgestattet sein.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere dargestellten Geometrien und Verhältnisse mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Identische bzw. gleich wirkende Bauteile und Baugruppen sind in unterschiedlichen Ausführungsformen jeweils mit denselben Bezugszahlen bezeichnet.
Figurenliste
Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es wird angemerkt, dass die Zeichnung schematisch und ausschnittsweise Teile einer Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Wärme darstellt. Auf Komponenten der Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Wärme wird daher zweckmäßig nur insoweit Bezug genommen, als deren Beschreibung und Erläuterung zum besseren Verständnis der Erfindung beiträgt. Außerdem sind aus Übersichtlichkeitsgründen identische bzw. zumindest gleichartige Komponenten in der Zeichnung nicht wiederholt mit denselben Bezugszahlen bezeichnet, sondern kann exemplarisch eine Bezugszahl einmalig und stellvertretend für solche identische bzw. zumindest gleichartige Komponenten angegeben sein.
In der Zeichnung zeigen:

1 schematisch den Aufbau einer an sich bekannten Schaltungsanordnung für eine Heizeinrichtung als einer Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Wärme; und
2 schematisch den Aufbau einer Schaltungsanordnung für niedrig-, mittel- und hochfrequente Generatoren, beispielsweise für eine Heizeinrichtung als einer Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Wärme, gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
In 1 ist schematisch der Aufbau einer an sich bekannten Schaltungsanordnung für eine Heizeinrichtung als einer Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Wärme dargestellt.
Die in 1 dargestellte Heizeinrichtung ist z. B. als eine induktive Erwärmungsstation für ein (metallisches) Werkstück ausgebildet. Sie besteht aus einem Frequenzgenerator, der von einem EMC-Filter 1, einem Netzgleichrichter 2, einem Ladekreis 3, einer Zwischenkreisdrossel 5, einer Kondensatoranordnung 6 (Zwischenkreis-Speicherkondensator), einem steuerbaren Wechselrichter 8 (Frequenzwandler als H-Brücke) und optional einem Transformator nebst einer Steuerung 11 gebildet wird, und einem sekundärseitig an den Transformator angekoppelten Verbraucher (nicht dargestellt). Der Verbraucher kann beispielsweise ein induktiver Verbraucher in Form einer Spule oder eines Induktors 10 sein, welcher über elektromagnetische Wechselfelder beispielsweise ein Werkstück aufheizt.
Ein Wechselrichter (auch Inverter) hierin wandelt Gleichspannung in Wechselstrom um und erzeugt einen ein- oder mehrphasigen Ausgangsstrom bzw. eine ein- oder mehrphasige Ausgangsspannung. Wechselrichter werden eingesetzt, wenn elektrische Verbraucher Wechselspannung bzw. Strom benötigen, eingangsseitig aber mit einer Gleichspannungsquelle gespeist wird. In diesem Ausführungsbeispiel kann der Wechselrichter insbesondere ein selbst geführter Wechselrichter, auch Inselwechselrichter, sein, der Transistoren, zum Beispiel IGBTs zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung verwendet. Vorteilhaft erzeugt ein solcher Wechselrichter selbst einen Schalttakt, so dass keine netzseitige Referenz erforderlich ist. Selbst geführte Wechselrichter können damit vorteilhaft zur Erzeugung einer von einer Netz- oder Versorgungsspannung unabhängigen Wechselspannung herangezogen werden.
Der Frequenzgenerator ist an eine Netz- bzw. Versorgungsspannung oder eine Stromversorgung, hier ein Drehstromnetz mit 3 Phasen, angeschlossen. Die Netzspannung wird über den Gleichrichter 2 gleichgerichtet und über einen nachgeschalteten Gleichstromkreis dem steuerbaren Wechselrichter 8 zugeführt. Im Gleichstromkreis können eine oder mehrere Filterdrosseln 3 in den jeweiligen Leitern angeordnet sein, die aber auch entbehrlich sind. Parallel zum Wechselrichter 8 ist im Gleichstromkreis die Kondensatoranordnung 6 geschaltet. Diese kann vorzugsweise als Kondensatorbatterie ausgebildet sein und eine hohe Kapazität von z. B. 1 bis 15 mF haben.
Der Wechselrichter 8 erzeugt einen mittel- oder hochfrequenten Wechselstrom, der über den optionalen Transformator, vorzugsweise einem Mittelfrequenz-Transformator, in einen Heizstromkreis mit einem oder mehreren Verbrauchern (nicht dargestellt) transformiert wird. Im dem Wechselrichter nachgeschalteten Wechselstromkreis befindet sich keine nennenswerte Kapazität, so dass der Wechselstromkreis im Wesentlichen resonanzfrei ist. Die für die Heizwirkung erforderlichen Ströme werden von dem Wechselrichter 8 geschaltet.
Die vom Wechselrichter 8 erzeugte Frequenz ist beliebig wählbar und liegt für den bevorzugten Mittel- und Hochfrequenzbereich zwischen beispielweise 50 Hz und mehreren hundert kHz. Die Frequenz des Heizstroms kann nach den technologischen Erfordernissen des Erwärmungsprozesses, z. B. nach der gewünschten Eindringtiefe am Werkstück gewählt werden. Ein praktischer Einsatzbereich für beispielsweise das Glühen von Stahlteilen sieht eine Frequenz des Heizstroms von z. B. 4 bis 15 kHz vor.
Der Wechselrichter 8 wird von einer Steuerung 11 beaufschlagt. Die von der Heizeinrichtung abgegebene Heizleistung kann über Frequenzmodulation und/oder Pulsweitenmodulation gesteuert werden. Die entsprechenden Steuersignale kommen von der Steuerung 11, die vorzugsweise eine elektronische Recheneinheit mit einem oder mehreren Prozessoren aufweist und sich programmieren lässt. Zu diesem Zweck sind ein oder mehrere Datenspeicher für Programm-, Prozess- und sonstige Daten sowie geeignete Ein- und Ausgabeschnittstehen sowie Anzeigegeräte vorhanden.
Die Steuerung 11 kann zusammen mit dem Frequenzgenerator in einem kleinbauenden Schaltschrank untergebracht und nahe der Applikation positioniert sein. Die Bedienung der Steuerung 11 kann am Schaltschrank und/oder über eine transportable Fernbedienung erfolgen. Damit lassen sich die Prozesse beobachten und die Steuer-, und Betriebs-Parameter entsprechend einstellen. Die Fernbedienung kann abtrennbar und für mehrere Steuerungen 11 verwendbar sein. Alternativ kann die Fernbedienung auch mit mehreren Steuerungen verbunden und umschaltbar sein.
Der Wechselrichter 8 bildet zusammen mit seiner Kondensatoranordnung 6 und eventuell einem eigenen Gleichrichter 2 ein sogenanntes Leistungsmodul. Für eine Leistungserhöhung können mehrere Leistungsmodule in wählbarer Zahl und Anordnung zusammengeschaltet werden und z.B. in Parallelschaltung betrieben werden. Sie werden dann von der Steuerung 11 gemeinsam gesteuert, die dazu entsprechend hard- und softwaretechnisch ausgerüstet ist.
Die Heizeinrichtung kann auch geregelt werden. Zu diesem Zweck sind ein oder mehrere Gleichspannungssensoren 4 und/oder Gleichstromsensoren 7 an geeigneten Stellen, z. B. im Gleichstromkreis, angeordnet und mit der Steuerung 11 signaltechnisch verbunden. Alternativ oder zusätzlich können auch im Wechselstromkreis ein oder mehrere Stromsensoren 9 liegen.
Darüber hinaus können weitere Messgeräte vorhanden sein, z. B. ein oder mehrere Temperatursensoren am Werkstück, die ebenfalls mit der Steuerung 11 signaltechnisch verbunden sind. Im Gleichstromkreis kann beispielsweise ein Spannungsmesser geschaltet und mit der Steuerung 11 verbunden sein. Dieser kann über eine Spannungsmessung zur Kompensation der Netzspannungsschwankungen, insbesondere im Frequenzmodulationsbetrieb, herangezogen werden. Über eine Steuerung der vom Wechselrichter 8 abgegebenen Stromfrequenz kann die Blindleistung beeinflusst und gegebenenfalls reduziert werden. Die Blindleistung wird in der Kondensatoranordnung 6 vernichtet, die zu diesem Zweck die eingangs genannte Kapazität aufweist.
Die Leistungsverhältnisse am Verbraucher, insbesondere einem induktiven Verbraucher, werden durch die Frequenzcharakteristik des optionalen Transformators und des Heizkreises bestimmt. Bei konstanter Frequenz kann bei verschiedenen Impedanzen grundsätzlich konstante Leistung übertragen werden. Bei steigendem Spannungsbedarf am Induktor oder Verbraucher wird der maximal erreichbare Induktorstrom immer niedriger. Diesem Effekt kann durch die vorerwähnte Frequenzmodulation entgegengewirkt werden. Die Halbleiterelemente im Wechselrichter 8 sind dazu in der Lage, den erhöhten Leistungsbedarf zu decken. Auf Wunsch kann auf der Heizseite eine Konstantstromregelung über dort angeordnete Strommesser und die Steuerung 11 mittels Pulsweitenmodulation oder Frequenzmodulation oder über die Kombination der beiden erfolgen. Die Belastung des Frequenzgenerators hat dabei einen induktiven Charakter.
Die Transformator- und die Induktorimpedanz steigen direkt proportional zur Frequenz des Heizstroms. Aus diesem Grund wird sich der Heizstrom am Induktor bei einer Frequenzverdoppelung ungefähr halbieren (bei sonst konstanten Randbedingungen).
Die Übersetzung des Transformators bestimmen zwei Faktoren, nämlich der erforderliche Strom durch den Induktor oder Verbraucher 10 und die Impedanz (der Durchmesser) des Induktors. Die beiden zusammen bestimmen sowohl die übertragene Leistung, als auch die Leistung des optionalen Transformators.
Der optionale Transformator braucht keine oder nur wenige Anzapfungen. Es besteht auch die Möglichkeit, den Transformator mit zwei Sekundärwicklungen zu konstruieren. Bei größeren Induktoren 10 werden beide in Reihe geschaltet, da für das Erreichen der erforderlichen Leistung eine höhere Leerlaufspannung notwendig ist. Bei kleineren Induktoren 10 können dann beide Sekundärkreise bei Bedarf getrennt betrieben werden.
Das gezeigte bekannte Beispiel kann in verschiedener Weise variiert werden. So kann der Verbraucher 10 statt als induktive Last auch als konduktive Last, z.B. als ohmscher Widerstand, ausgebildet sein. In diesem Fall wird die Leistung über Pulsweitenmodulation gesteuert. Ferner können die Messeinrichtungen für Strom, Spannung und sonstige physikalische Effekte in der Heizeinrichtung oder dem Verbraucher 10 ausgetauscht, ersetzt oder auch weggelassen werden. Dies richtet sich häufig nach dem jeweiligen Einsatzfall. Die Heizeinrichtung kann auch an einer anderen Stromquelle als dem öffentlichen Drehstromnetz betrieben werden. Die gezeigten Bauelemente, insbesondere der optionale Transformator und die Kondensatoranordnung 6 können auch mehrfach vorhanden sein.
Die Heizeinrichtung kann zur Leistungssteigerung mehrere der vorerwähnten Leistungsmodule 8, 6 aufweisen, die gemeinsam auf einen optionalen Transformator geschaltet sind. In weiterer Abwandlung kann die Heizeinrichtung mehrere Verbraucher 10 versorgen und z. B. auch mehrere Transformatoren besitzen.
2 zeigt schematisch den Aufbau einer Schaltungsanordnung für eine Heizeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die in 2 gezeigte Schaltungsanordnung bzw. Heizeinrichtung entspricht in Teilen der Schaltungsanordnung von 1, so dass gleiche Elemente und Komponenten gleiche Bezugszeichen haben und insoweit eine unnötig redundante Beschreibung weggelassen wird.
Genauer zeigt 2 eine Schaltungsanordnung für niedrig-, mittel- und hochfrequente Generatoren für eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Wärme mit einem mittel- oder hochfrequenten Wechselstrom auf induktiver oder konduktiver Basis, wobei die Schaltungsanordnung aus einer Energiequelle gespeist wird und einen Gleichrichter 2, einen steuerbaren Wechselrichter 8, der als eine H-Brücken-Schaltungsanordnung konfiguriert sein kann, aufweist. Anwendungsabhängig kann gegebenenfalls außerdem ein optionaler Transformator bereitgestellt sein. Ein Zwischenkreis zwischen dem Gleichrichter 2 und dem steuerbaren Wechselrichter 8 ist energiespeicherlos und/oder energieverbraucherlos konfiguriert. Es wird angemerkt, dass eine Anpassung von Strom und/oder Spannung über einen Transformator applikationsbedingt erfolgen kann. Das heißt, die Schaltungsanordnung nach 2 kann einen Transformator zur Anpassung von Strom und/oder Spannung aufweisen, kann anwendungsabhängig aber auch transformatorlos konfiguriert sein. Mit anderen Worten ist ein Transformator nicht zwingend (nicht immer bzw. nicht in jedem Fall) bereitzustellen.
Anders als die Schaltungsanordnung von 1 ist der Zwischenkreis ohne Energiespeicher / Energieverbraucher konfiguriert. Darüber hinaus sind eventuell noch vorhandene Induktivitäten bzw. Kapazitäten (L- bzw. C-Komponenten) um einige, vorzugsweise zumindest 3, Potenzen kleiner als bei der bekannten (normalen) H-Brücke und dienen lediglich zur Stromrückführung und als Teilfilter für die H-Brücke.
In 2 beinhaltet der Zwischenkreis beispielsweise keinerlei Induktivitäten bzw. L-Komponenten, und sind die Kapazitäten bzw. C-Komponenten keine Elektrolyten, sondern PP-Kondensatoren mit Kapazitätswerten im Bereich von einigen µF. Unter PP-Kondensatoren sind elektrische Kunststoff-Folienkondensatoren mit isolierenden Kunststofffolien, beispielsweise aus Polypropylen (PP), als Dielektrikum zu verstehen.
Gegenüber beispielsweise seriellen Resonanzschaltungen brauchen in einer Hardchopperlösung PP-Kondensatoren brauchen nur auf etwa die halbe Spannung der Resonanzkondensatoren dimensioniert werden. In Sonderfällen kann auch auf die Rückführkondensatoren verzichtet werden. Dies ist für alle Netzversorgungen möglich.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird eine Schaltungsanordnung für niedrig, mittel- und hochfrequente Generatoren für eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Wärme mit einem mittel- oder hochfrequenten Wechselstrom auf induktiver oder konduktiver Basis bereitgestellt, wobei die Schaltungsanordnung aus einer Energiequelle gespeist wird und einen Gleichrichter, einen steuerbaren Wechselrichter und einen Transformator aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenkreis zwischen dem Gleichrichter und dem steuerbaren Wechselrichter energiespeicherlos und/oder energieverbraucherlos konfiguriert ist. In 2 ist beispielhaft, und wie vorstehend erläutert ohne die Erfindung darauf beschränkend, eine Konfiguration mit einem Transformator bzw. Induktor 10 dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: EMC Filter
2: Netzgleichrichter
3: Ladekreis (R + Schaltelement)
4: Gleichspannungssensor (U_dc-Sensor)
5: Zwischenkreisdrossel
6: Zwischenkreis-Speicherkondensator in mF (1)/ Rückführkondensator in µF (2)
7: Gleichstromsensor (I_dc-Sensor)
8: Wechselrichter/Frequenzwandler als H-Brücke
9: Stromeffektivwertsensor (I_rms-Sensor)
10: Induktor
11: Steuerung
12: Entladekreis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19527827 C2 [0002, 0006]

Claims

Schaltungsanordnung für niedrig-, mittel- und hochfrequente Generatoren für eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Wärme mit einem mittel- oder hochfrequenten Wechselstrom auf induktiver oder konduktiver Basis, wobei die Schaltungsanordnung aus einer Energiequelle gespeist wird und einen Gleichrichter (2) und einen steuerbaren Wechselrichter (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zwischenkreis zwischen dem Gleichrichter (2) und dem steuerbaren Wechselrichter (8) energiespeicherlos und/oder energieverbraucherlos konfiguriert ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreis eine Kondensatoranordnung (6) beinhaltet, wobei die Kondensatoranordnung (6) als Rückführkondensator für lediglich eine Stromrückführung und/oder als ein Teilfilter für eine H-Brücken-Schaltungsanordnung (8) angeordnet und konfiguriert ist, und ein Kunststoff-Folienkondensator, insbesondere ein PP-Kondensator, mit einer Kapazität von einigen µF ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (8) mit einer Steuerung (11) verbunden ist, die eine Heizleistung und/oder eine Heiztemperatur an einem Verbraucher (10) durch Frequenzmodulation und/oder Pulsweitenmodulation am Wechselrichter (8) steuert oder regelt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Verbraucher (10) ein oder mehrere Sensoren (4, 7, 9) angeordnet und mit der Steuerung (11) verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Gleichstromkreis ein Spannungssensor (4) angeordnet und mit der Steuerung (11) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Gleichstromkreis ein Stromsensor (7) angeordnet und mit der Steuerung (11) verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schaltungsanordnung mehrere Wechselrichter (8) parallelgeschaltet und mit einer gemeinsamen Steuerung (11) verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wechselrichter (8) ein Transformator nachgeschaltet ist.
Induktive Heizvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Schaltungsanordnung für niedrig-, mittel- und hochfrequente Generatoren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren zur Erzeugung elektrischer Wärme mit einem mittel- oder hochfrequenten Heizwechselstrom auf induktiver oder konduktiver Basis unter Verwendung einer Schaltungsanordnung für niedrig-, mittel- und hochfrequente Generatoren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7 oder einer induktiven Heizvorrichtung nach Anspruch 9, wobei dem Wechselrichter (8) ein Transformator nachgeschaltet ist und wobei der an dem Transformator sekundärseitig an den Verbraucher (10) abgegebene Heizstrom primärseitig durch Gleichrichtung und anschließende steuerbare Wechselrichtung des Speisestroms erzeugt wird und der Heizstrom schwingkreisfrei erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung und/oder die Heiztemperatur am Verbraucher (10) durch Frequenzmodulation und/oder Pulsweitenmodulation am Wechselrichter (8) gesteuert oder geregelt wird, und/oder die Heizleistung am Verbraucher (10) in der Aufwärmphase durch Frequenzmodulation gesteuert wird, wobei im Bereich der Soll-Temperatur des Verbrauchers (10) auf Pulsweitenmodulation umgeschaltet und die Heizleistung nach der Temperatur geregelt wird, und/oder die Frequenz des Heizstroms nach einer Erwärmungscharakteristik des Verbrauchers (10) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine an dem Transformator induzierte Spannung bei einem Abfallen der Versorgungsspannung der Schaltungsanordnung durch Konstanthalten der Energie am Zwischenkreis und durch Regeln des Effektivwerts des Stroms auf einen konstanten Wert konstant gehalten wird.