Die Leistungsversorgung von Rinneninduktoren mit IGBT-Umrichtern

1. ALLGEMEINES

Der Rinnenofen arbeitet nach dem Prinzip eines Transformators. Dabei stellt eine Rinne mit flüssiger Schmelze die sekundäre, praktisch kurzgeschlossene Wicklung des Transformators dar. Der Kurzschlussstrom verursacht ohmsche Verluste und erhitzt so das flüssige Metall und gibt dabei seine Wärme unter mäßiger Badströmung an das beliebig gestaltbare Oberofengefäß ab. Mit diesem Prinzip lassen sich Wirkungsgrade von 80 bis 90 Prozent erzielen.

Der Oberofen kann wahlweise je nach Anwendung wannen-, trommel- oder zylinderförmig ausgeführt werden. Auch druckentleerte Mehrkammeröfen können so konzipiert werden. Die pimäre Wicklung wird an eine Leistungsversorgung angeschlossen. Diese stellt die geeignete Spannung (praktisch meist zwischen 180 und 690 Volt) zur Verfügung und kompensiert die induktive Blindleistung des Induktors.

Im Unterschied zum Tiegelofen sollte der Rinnenofen mit Ausnahme weniger spezieller Anwendungsfälle nicht vollständig entleert werden und muss ständig mit flüssiger Schmelze gefüllt sein. Daher eignet er sich ideal für kontinuierliche Schmelz- und Gießprozesse ohne häufige Legierungswechsel.

Der hohe Wirkungsgrad des Rinnenofens hat ihn insbesondere für hoch leitfähige Werkstoffe, wie Kupfer, zum Standard-Schmelzaggregat gemacht. Für Kupfer und Aluminium lassen sich ca. 25% niedrigere Energieverbräuche für das Schmelzen erzielen, als dies bei Verwendung eines Tiegelofens der Fall wäre.

Da die Wärme in der Rinne selbst entsteht, ist es sehr wichtig, dass diese Wärme in ausreichendem Maße an das Oberofengefäß abgegeben wird. Deshalb strebt man eine hohe Strömungsgeschwindigkeit im Induktor an.

Bedingt durch die elektromagnetischen Lorentzkräfte bilden sich im Rinnenquerschnitt intensive Strömungswirbel. Diese Strömung wird von einer durch thermische Auftriebskräfte verursachten Transitströmung überlagert, die durch die Rinne hindurchführt. Diese Transitströmung erreicht deutlich geringere Geschwindigkeiten im Vergleich zu den elektromagnetisch erzeugten Wirbeln. Dadurch ergibt sich ein sehr komplexes Strömungsverhalten, welches durch unsymmetrische Ausführung der Rinnenäste stabilisiert werden kann. Im Mittel beobachtet man eine nahezu gerichtete Strömung hin zum aufgeweiteten Rinnenast (Trompete).

Um eine Warmhalteleistung oder eine Schmelzleistung zu realisieren, muss der Induktor ausreichend dimensioniert werden. Eine zu hohe Leistung des Induktors kann auch zur Überhitzung der Schmelze und somit der keramischen Auskleidung führen. Wenn die elektromagnetischen Kräfte zu groß werden, besteht zusätzlich die Gefahr, dass das flüssige Metall „abgeschnürt“ wird. Dadurch kann kein Strom mehr in der Rinne fließen und das elektrische Verhalten des Induktors verändert sich schlagartig – ein Vorgang der als „Pinchen“ bezeichnet wird.

2. Rinnen-Induktoren

Es wird zwischen W- und V-Induktoren, also einloopigen- und zweiloopigen-Induktoren unterschieden. Im Verlauf sprechen wir zumeist von den W-Induktoren.

Beim Scott-Induktor kamen unterschiedliche Spulen am W-Induktor zum Einsatz: die Basisspule und die Höhenspule. Der Vorteil hierbei war, dass der Induktor 3 phasig angeschlossen werden konnte und somit nur kompensiert werden musste. Nachteile waren allerdings, dass der Sternpunkt in der Luft schwebte bzw. nicht klar definiert war und somit Unsymmetrien am Netz entstehen konnten.

Zusätzlich ist eine Phasenspannung um 90° phasenverschoben. Dies hat bei einem gemeinsamen Kern der beiden Spulen (eines Induktors) zur Folge, dass das Feld nicht phasenrichtig ist und somit die Streuverluste hoch sind.

Heutzutage werden die beiden Spulen eines Rinneninduktors gleich ausgeführt und meist parallel verschaltet, sodass sie 2-phasig an eine Schaltanlage angeschlossen werden. Die nähere Beschreibung der Schaltanlagen folgt im nächsten Kapitel.

Bei höheren Leistungen können die Spulen in Reihe geschaltet werden. Sollte sich beim Induktor jedoch ein Loop bzw. ein Kanal, des zweiloopigen Induktors, durch äußere Umstände zusetzen, muss bei der Reihenschaltung, im Gegensatz zur Parallelschaltung, die entsprechende Spule kurzgeschlossen werden, um einen weiteren Betrieb des Induktors, bei entsprechend halber Leistung zu gewährleisten.

Wenn die Spulen den gleichen Wicklungssinn haben, müssen sie in entgegengesetzter Richtung parallelgeschaltet werden. Dies darf nicht verwechselt werden. Mechanisch ist dies nicht möglich, da die Laschen der Spule so gestaltet sind, dass eine Verbindung mit den Kupferschienen (zum Anschluss an die Ofenkabel) nur gegenläufig möglich ist.

Die wassergekühlten Stromkabel können vertauscht werden. Dabei kommt es nicht darauf an, ob der Hin- und der Rückleiter auf der Kupferschiene vertauscht sind.

3. Schaltanlagen:

3.1 Steinmetz

Die Steinmetzschaltung ist die klassische Schaltanlage zum Betrieb eines Induktors. Dabei besteht diese immer aus einer Symmetrierung, die die Zweiphasige Last auf das 3 Phasennetz symmetrisch verteilt und der Kompensation der induktiv wirkenden Induktorspule.

3.2 V-Schaltung

Die V-Schaltung bietet die Möglichkeit gleichzeitig zwei Induktoren zu betreiben. Diese Schaltung ist eine Sparschaltung, um nicht für jeden Induktor eine separate Schaltanlage betreiben zu müssen. Dabei wird ein Induktor auf cos (phi) 0,866 induktiv kompensiert und der zweite Induktor auf cos (phi) 0,866 kapazitiv kompensiert.

Durch diese Anordnung hängen die Beiden Induktoren symmetrisch am Netz. Es gilt aber zu beachten, dass bei Ausfall eines Induktors, das Netz, sowie der Schaltanlagentransformator nur noch auf zwei Phasen belastet wird. Dies ist auf Dauer nicht zulässig. Diese Art der Schaltanlage wird heute zum Beispiel beim Betrieb von Beschichtungskesseln mit mehreren Induktoren verwendet.

In der Regel werden beide Schaltanlagentypen heute geschlossen in Schränken aufgebaut und nicht mehr in offenen Gestellen. Zusätzlich versucht man Blockschütze zu verbauen, um auf verschleißintensive Kontakte der Barrenschütze zu verzichten. Barrenschütze bieten allerdings den Vorteil höhere Ströme schalten zu können.

Den Einsatz bei Tiegelinduktoren finden diese Schaltanlagentypen heute nahezu nicht mehr.

3.3 IGBT-Frequenzumrichter

Während Rinneninduktoren auch heute noch mit oben genannten Schaltanlagen versorgt werden können, werden Tiegelöfen fast nur noch durch Frequenzumrichter gespeist. Aber auch für Rinneninduktoren werden Frequenzumrichter, speziell die in der Folge beschrieben IGBT-Umrichter, vermehrt eingesetzt. Induktionsöfen stellen eine zweiphasige Last mit einem geringen cos(phi) zwischen 0,1 und 0,4 dar. Um den Frequenzumrichter nur für die Wirkleistung des Ofens dimensionieren zu müssen, ist es erforderlich, die induktive Blindleistung des Ofens mit entsprechender Anzahl an Kondensatoren zu kompensieren. Dazu gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten, die Serien- und Parallelkompensation.

Bei den zum Beispiel von Otto Junker angebotenen Stromzwischenkreisumrichtern (Wechselrichter mit Thyristoren) und Spannungszwischenkreisumrichtern (Wechselrichter mit IGBT) wird die Parallelkompensation angewendet. Dabei wird nur der Wirkstrom vom Umrichter geliefert, während der Blindstromanteil des Ofenstroms von den Kondensatoren bereitgestellt wird.

In der Folge gehen wir nur auf die Beschreibung der IGBT-Frequenzumrichter ein:

Die grün umkreiste Kapazität dient nur zur kapazitiven Ankopplung und wird nur dann benötigt, wenn die Wechselrichterausgangsspannung nicht zum Betrieb der Ofenspule, des Induktionstiegelofens oder Induktionsrinnenofen ausreicht.

Ein Wechselrichter besteht aus zwei Wechselrichterhalbbrücken. Ein von Otto Junker verwendetes IGBT-Modul entspricht einer Wechselrichterhalbbrücke und wird auf einer wassergekühlten Kühlplatte vormontiert. Das IGBT-Modul kann somit indirekt wassergekühlt werden. Das ist einer der Vorteile des Systems, da dadurch keine separate Wasserrückkühlung mit hohen Anforderungen an die Wasserqualität mehr notwendig ist. Das IGBT-Modul verfügt über eine integrierte Ansteuer- und Überwachungselektronik.

Der Lastkreis besteht aus einem LC-Parallelschwingkreis. Zur Ankopplung an den Wechselrichter ist eine Entkopplungsdrossel erforderlich. Bei Parallelschaltung von Wechselrichtern stellt diese Entkopplungsdrossel eine gleichmäßige Stromaufteilung zwischen den Wechselrichtern sicher.

Die Spannung am Wechselrichterausgang wird mittels Modulationsverfahren generiert. Der Wechselrichter ist als Zweipunkt-Wechselrichter realisiert. Somit kann die Wechselspannung am Ausgang positiv, negativ oder null sein.

1. Die Pulszahl der Modulation ist immer gleich.
2. Bei kleinerer Frequenzwerden der Puls und die Pulslücke breiter, sowie natürlich der Sinus von U_MF. Das Verhältnis von Pulsen zu Pulslücke ändert sich also nicht.
3. Um die Spannung U_MF zu erhöhen, werden die Pulse breiter. Dies kann bis zum maximalen Modulationsgrad betrieben werden.

Daraus ergibt sich folgender Stromverlauf:

1. U_MF ist im Bild nicht dargestellt, liegt aber phasengleich mit I_MF.
2. U_pwm ist dargestellt direkt hinter dem IGBT-Wechselrichter.
3. U_MF und I_MF werden von der Umrichtersteuerung hinter der Entkopplungsdrossel gemessen.
4. Die Abtastung zur Messung von I_MF liegt immer in der Mitte des Pulses von U_pwm.

1. Schmalere Pulse von U_pwm führen zu einer geringeren Spannung U_MFund somit auch zu einem kleinere Strom I_MF.

Der IGBT-Frequenzumrichter hat entsprechend des Anwendungsfalls, eine Wechselrichterminimalfrequenz (fmin) und eine Wechselrichtermaximalfrequenz (fmax). Während Tiegelinduktoren Betriebsfrequenzen von 250 Hz oder höher haben, liegen die beiden Frequenzen, in denen der Umrichter während des Betriebs an einem Rinneninduktor arbeitet, nahe der Netzfrequenz. Somit ist der Induktorbetrieb, nicht wie bei den klassischen Schaltanlagen, auf die Netzfrequenz limitiert, sondern auf ein festgelegtes Frequenzband, welches somit eine weitere Stellgröße darstellt. 

Zusätzlich gibt es einen Wechselrichtermaximalausgangsstrom (imax) und eine Wechselrichtermaximalausgangsspannung (umax). Dies entspricht UMF max und IMF max, bis zu denen der IGBT-Frequenzumrichter arbeiten kann. Erreicht der IGBT-Frequenzumrichter eine dieser Grenzen, beispielsweise aufgrund einer zu stark veränderten Last, ist der Regelbereich des IGBT-Frequenzumrichters nicht mehr ausreichend. Der Frequenzumrichter kann dann weiterhin betrieben werden, jedoch wird nicht mehr die maximale Leistung erreicht.

Diese Begrenzung erfolgt automatisch durch die Umrichtersteuerung. Während der Strom, beim Betrieb an klassischen Schaltanlagen, eine sich ergebende Größe darstellt, ist dieser beim Umrichter eine weitere Regelgröße. Dies bringt beim Betrieb des Rinneninduktors, speziell im Bezug auf das Zusetzen, deutliche Vorteile, auf die im Folgenden eingegangen wird.

4. Betriebsverhalten des Rinneninduktors Am IGBT-Umrichter

4.1 Allgemein

Rinneninduktoren müssen bei niedriger Frequenz betrieben werden, da es sich um einen kernbehafteten Transformator handelt. Wie oben beschrieben wurden bzw. werden klassische elektrische Schaltanlagen zum Betrieb von Rinneninduktoren bei Netzfrequenz betrieben. Diese liegt je nach Standort der Anlage bei 50 bzw. 60 Hz.

Bei klassischen Schaltanlagen steigen beim Zusetzen der Rinne die Phasenströme (I1, I2, I3). Übersteigen die Phasenströme die zulässigen Nennströme bei hundert Prozent Einschaltdauer des eingesetzten Stufentransformators oder fängt der Rinneninduktor so häufig an zu pinchen, dass ein akzeptabler Produktionsbetrieb nicht mehr möglich ist, muss der Rinneninduktor gewechselt werden, um den Stufentransformator nicht zu beschädigen, die elektrischen Bauteile nicht zu überlasten, bzw. einen akzeptablen Produktionsbetrieb wieder herzustellen.

Ein Frequenzumrichter muss nicht mit der exakten Auslegungsfrequenz von 50 Hz betrieben werden, sondern er kann beispielsweise in einem Frequenzband von 40-65 Hz arbeiten. Somit bietet er erheblich mehr Möglichkeiten sie Leistungsaufnahme zu optimieren, beispielsweise bei Auslegungstoleranzen, veränderter Geometrie der Feuerfestauskleidung, Auswaschen oder Zusetzen der Rinne.

Während der Lebensphase eines Rinneninduktors gleicht der Frequenzumrichter dessen Veränderungen bis zu einem gewissen Grad selbstständig aus.

Der Frequenzumrichter hat eine Wechselrichterminimalfrequenz (fmin), bis zu der er arbeitet, einen Wechselrichtermaximalausgangsstrom (imax) und eine Wechselrichtermaximalausgangsspannung (umax).

Erreicht der Frequenzumrichter in der Lebenszeit des Rinneninduktors eine dieser Grenzen, ist der Regelbereich nicht mehr ausreichend und der Rinneninduktor wird die ursprüngliche Wirkleistung nicht mehr erreichen.

4.2 Frequenzumrichter-Verhalten beim Zusetzen eines angeschlossenen Rinneninduktors

Beim Zusetzen des Rinneninduktors, fällt die angezeigte Frequenz am Frequenzumrichter kontinuierlich, bis dessen Wechselrichterminimalfrequenz erreicht ist. Setzt der Rinneninduktor weiter zu, beginnt der Frequenzumrichter Blindleistung zu produzieren. Der Ausgangsstrom (IMF) steigt und erreicht irgendwann den maximalen Ausgangsstrom des Wechselrichters (imax). Ab diesem Moment wird die Wirkleistung des Rinneninduktors fallen. Durch Abklemmen von Teilkapazitäten im Parallelschwingkreis, steigt die angezeigte Frequenz am Umrichter wieder, der Strom IMF fällt und der Frequenzumrichter arbeitet wieder innerhalb seiner Grenzen. Die Wirkleistung des Induktors wird wieder erreicht. 

Dies kann man so lange betreiben, bis nur noch die Grundkapazität im Parallelschwingkreis vorhanden ist, ohne die ein Betrieb nicht mehr möglich ist oder die Rinne des Rinneninduktors so verengt ist, dass dieser so häufig pincht, dass ein akzeptabler Produktionsbetrieb nicht mehr möglich ist.

Dies bedeutet auch, dass der Nutzer eines Frequenzumrichters auf eine komplett veränderte Rinnengeometrie reagieren kann und somit ein Rinneninduktor viel länger betrieben werden kann.

4.2.1 Frequenzumrichter-Teilfunktion: “Pinchautomatik”

Die vom Bediener am Frequenzumrichter eingestellte Soll-Leistung wird vom Steuerungsprogramm auf dem integrierten Mikrocontroller (ZEUS) angefahren und eingeregelt.

Kommt es nun, wie eingangs erläutert, aufgrund zu hoher elektromagnetischer Kräfte in der Metallrinne zum sogenannten Pinchen, stellt der Umrichter dies als unzulässig schnelle Lastäderungen fest.

Die von Induga verwendeten IGBT-Umrichter schalten dann in den Betriebsmodus "Pinchautomatik". Dabei versucht die Umrichtersteuerung automatisch eine möglichst hohe Leistung anzufahren, welche aber noch nicht zu einem erneuten Pinchen führt.

Beispiel:

4.3 Erläuterung weiterer Betriebsverhalten im Vergleich zu klassischen Schaltanlagen

4.3.1 Anfahren Ofen

Wird der Rinneninduktor mit einer Vollrinne, im Gegensatz zu Holzmodellen oder vorgesinterten Rinnenkanälen, ausgestattet, wird dieser nach einer Sinterkurve elektrisch angefahren. Dies muss bei niedriger Leistungsstufe erfolgen, da beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand, eine zu hohe Leistung, bzw. Leistungssprünge zum Abreißen der Rinne führt. Als Konsequenz müsste der Rinneninduktor komplett neu zugestellt und vorbereitet werden. Der IGBT-Umrichter bietet den Vorteil, dass er bei minimaler Leistung stufenlos und durchgängig betrieben werden kann. Die klassische Leistungsversorgung kann die Sinterkurve dagegen nur durch Takten der kleinsten Leistungsstufe wesentlich ungenauer abfahren.

4.3.2 Schmelzen und Warmhalten

Während bei der klassischen Schaltanlage die Regelung des Ofenzustands über Schaltungen der Stufen bzw. Kondensatoren erfolgt, ist diese beim Umrichter vollautomatisch. Während des Schmelzvorgangs kommt es typischerweise zu permanenten Zustandsänderungen, die beispielsweise Temperatur, Ofenfüllmenge oder Chargieren bedingt sind. Dennoch erreicht der Umrichter auf der Netzeingangsseite durch die automatische, stufenlose, Regelung einen permanenten cos (phi) von 0,98-1. Dieser Wert kann bei der klassischen Schaltanlage je nach Schaltzustand und Regelung deutlich schlechter ausfallen.

Betrachtet man die Schaltspiele selbst, so sind diese bei den klassischen aufgrund von Verschleiß immer begrenzt, sodass sie regelmäßig gewechselt werden müssen. Beim Umrichter erfolgt diese Schaltung mechanisch und ist somit verschleißfrei.

Die unter 4.2.1 beschriebene Pinchautomatik ist auch für den Schmelzprozess von großem Nutzen. Aufgrund der unterschiedlichsten Füllmengen im Ofen kann der Induktor ebenfalls zum Pinchen neigen, wenn die eingegebene Leistung zu hoch ist. In diesem Fall regelt der Umrichter die Leistung automatisch, wie oben bereits beschrieben. Bei der klassischen Anlage kann diese Unkenntnis zu Überlastung der Schaltanlage oder Rinnenabriss führen.

Beim Warmhalten sind die Ofenzustände weniger wechselhaft. In der Regel erfolgt die Steuerung hier ausschließlich über die Temperatur, sodass die Vorteile des Umrichters nur geringfügig zum Tragen kommen.

5 Zusammenfassung der Vorteile (+) und Nachteile (-)

5.1 Klassische Netzfrequenz-Schaltanlage:

+ Einfache Schalttechnik.

+ Auch bei defekter Steuerung kann der Ofen noch mit Leistung versorgt werden.

+ / - Am Eingang der Netzfrequenz-Schaltanlage cos(phi) <=0,95.

- Keine stufenlose Regelung der Leistung.

- Beim Umschalten der Leistung muss der Ofen kurz ausgeschaltet werden.

- Ofenzustände müssen durch ständiges Schalten von Schützen abgebildet werden.

- Verschleiß der Schütze und somit wartungsintensiver, auch wenn es sich hier um einfachere Elektrotechnik handelt.

5.2 IGBT-Umrichter:

+ Stufenlose Regelung.

+ Am Eingang des Umrichters cos (phi) = 0,99 bis 1, über den gesamten Leistungsbereich.

+ Ofenzustände werden automatisch vom Umrichter ausgeregelt.

+ Für Leistungserhöhung während des Betriebes, kein Ausschalten notwendig.

+ Nahezu wartungsfrei.

+ Anfahren des Induktors mit Vollrinne stark vereinfacht.

- Wasserkühlung notwendig.

- Bei Ausfall des Umrichters ist eine Notstromversorgung aufwendiger.