DE3731555C1 - Induction heating device with a setting preset controlled by the actual value - Google Patents
Induction heating device with a setting preset controlled by the actual valueInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizeinrichtung zum Erwärmen von Werkstücken mit einem steuerbaren Gleichrichter, einem über einen Zwischenkreis daran angeschlossenen, aus in Brückenschaltung angeordneten Thyristoren bestehenden Wechselrichter, einem an die Lastpunkte der Brückschaltung angeschlossenen Parallelschwingkreis, einer Strommeßeinrichtung für den dem Schwingkreis zugeführten Laststrom, einer Spannungsmeßeinrichtung für die am Schwingkreis anliegende Lastspannung und mit einer Regeleinheit für den Laststrom, die als Eingangsgröße die Signale der Meßeinrichtungen erhält und in Abhängigkeit von durch einen Stromsollwertgeber und einen Spannungssollwertgeber vorgegebenen Sollwerten den Gleichrichter ansteuert, wobei der an die Regeleinheit abgegebene Spannungssollwert des Spannungssollwertgebers auf eine Grenzspannung begrenzt ist.The invention relates to an induction heating device for Heating workpieces with a controllable Rectifier, one via an intermediate circuit on it connected, arranged in a bridge circuit Existing thyristors, one to the Load points connected to the bridge circuit Parallel resonant circuit, a current measuring device for the Load circuit supplied to the resonant circuit, one Voltage measuring device for the applied to the resonant circuit Load voltage and with a control unit for the load current, the signals of the measuring devices as the input variable receives and depending on by one Current setpoint generator and a voltage setpoint generator predetermined setpoints controls the rectifier, wherein the voltage setpoint of the Voltage setpoint generator is limited to a limit voltage.
Eine derartige Einrichtung ist aus der US-39 42 090 bekannt. Der von dem Sollwertgeber für den Laststrom abgegebene Sollwert ist auf einen konstanten Wert festgelegt, der beispielsweise dem maximal zulässigen Laststrom entspricht. Mit diesem festen Stromsollwert wird nicht nur das Signal für den Lastiststrom, sondern auch das additiv hinzugefügte Signal für die Lastspannung verglichen. Beim Erwärmungsbetrieb sorgt die Regeleinheit durch Verstellen des Steuerwinkels der Thyristoren des Gleichrichters dafür, daß die Lastspannung begrenzt wird. Kommt es jedoch während des Erwärmungsvorgangs, z. B. durch zusätzliche, in den Induktor gegebene kalte Werkstückteile oder durch einen Kurzschluß an einem der Thyristoren des Wechselrichters zu einer plötzlichen Abnahme der Impedanz und damit auch zu einem sprunghaften Abfall der Lastspannung bis unter die Grenzspannung des Spannungssollwertgebers, dann liefert der Spannungssollwertgeber kein weiteres Signal additiv zum Signal des Lastiststroms an den Eingang des Reglers. Die hierdurch und dadurch, daß der Stromsollwert konstant ist, bedingte plötzliche große Regelabweichung zwischen den Stromsignalen führt zu einer sprunghaften Erhöhung des Laststromes. Dadurch können Thyristoren der Brückenschaltung beschädigt werden.Such a device is known from US-39 42 090. The one given by the setpoint generator for the load current The setpoint is set to a constant value that for example corresponds to the maximum permissible load current. With this fixed current setpoint, not only the signal for the actual load current, but also the additively added Signal for the load voltage compared. At the The control unit ensures heating operation by adjusting the control angle of the rectifier thyristors for that that the load voltage is limited. However, it happens during the heating process, e.g. B. by additional, in the Given cold workpiece parts or by an inductor Short circuit on one of the inverter thyristors a sudden decrease in impedance and therefore also to a sudden drop in the load voltage below Limit voltage of the voltage setpoint generator, then the Voltage setpoint generator no further signal additive to Actual current signal to the input of the controller. The in this way and in that the current setpoint is constant, sudden large control deviation between the Current signals lead to a sudden increase in the Load current. This allows thyristors of the bridge circuit to be damaged.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Induktionsheizeinrichtung der eingangs genannten Art bei sprunghafter Verringerung der Impedanz der Last einen unzulässig hohen Anstieg des Laststromes zu verhindern.Therefore, the invention is based on the object Induction heating device of the type mentioned sudden decrease in load impedance one to prevent impermissibly high increases in the load current.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daßThis object is achieved in that
- a) der Stromsollwert aus dem Stromistwert mittels eines RI-Reglers im Strommsollwertgeber (9) gebildet wird,a) the current setpoint is formed from the current actual value by means of an RI controller in the current setpoint generator ( 9 ),
- b) der Verstärkungsfaktor des PI-Reglers zwischen 1,01 und 1,1 liegt undb) the gain of the PI controller between 1.01 and 1.1 lies and
- c) die Regelzeitkonstante des PI-Reglers größer ist als die Einstellzeit des Laststromes.c) the control time constant of the PI controller is greater than the response time of the load current.
Gemäß der Erfindung wird der Regelung des Laststromes die Differenz eines vom Istwert des Laststromes abgeleiteten Sollwertes zum Istwert des Laststromes zugeführt. Die vom Istwert abgeleitete Regelgröße ist aufgrund des etwas größer als 1 gewählten Verstärkungsfaktors des PI-Reglers im Sollwertgeber nur wenig vom Istwert verschieden. Im normalen Betrieb, d. h. wenn der Umrichter über die Laststromregelung zur Einstellung des gewünschten Erwärmungsverlaufs im Werkstück betrieben wird, erhöht sich somit der Stromsollwert kontinuierlich entsprechend dem Verstärkungsfaktor gegenüber dem jeweiligen Istwert, der dann seinerseits wiederum dem korrigierten Sollwert nachfolgt. Somit erfolgt eine selbsttätige Erhöhung des Laststromes, wobei der Spannungssollwertgeber aufgrund des Grenzspannungsreglers dafür sorgt, daß eine unzulässig hohe Lastspannung nicht erreicht wird. Erfolgt nun eine sprunghafte Impedanzverringerung des Lastkreises, so daß die Grenzspannung des Spannungssollwertgebers unterschritten wird, dann liefert dieser kein Ausgangssignal mehr an den Eingang der Regeleinheit. Der Ausfall des Ausgangssignals führt aber im Gegensatz zur bekannten Heizeinrichtung nur zu einer geringen Regelabweichung, da sich Sollwert und Istwert des Laststromes nur wenig unterscheiden. Da die Integrationszeitkonstante des PI-Reglers größer ist als die Einstellzeit des Laststromes, steigt bei sprunghaften Änderungen der Last der Istwert des Laststromes stärker an als der aus ihm abgeleitete Sollwert, so daß die Regeldifferenz dem Laststromanstieg entgegenwirkt.According to the invention, the regulation of the load current the difference of one from the actual value of the load current derived setpoint to the actual value of the load current fed. The control variable derived from the actual value is due to the slightly larger than 1 chosen Gain factor of the PI controller in the setpoint generator only little different from the actual value. In normal operation, i.e. H. if the converter is used for load current control Setting the desired heating process in the workpiece is operated, the current setpoint increases continuously according to the gain factor the respective actual value, which in turn then the corrected setpoint follows. Thus there is a automatic increase in the load current, the Voltage setpoint generator due to the limit voltage regulator ensures that an impermissibly high load voltage is not is achieved. Now there is a leap Impedance reduction of the load circuit, so that the Limit voltage of the voltage setpoint transmitter fallen below then it no longer delivers an output signal to the Control unit input. The failure of the output signal leads in contrast to the known heating device only to a small control deviation since the setpoint and Only slightly differentiate the actual value of the load current. Since the Integration time constant of the PI controller is greater than the setting time of the load current increases when there is a sudden change Changes in load the actual value of the load current stronger than the setpoint derived from it, so that the Control difference counteracts the increase in load current.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Embodiments of the invention are in the subclaims featured.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Prinzipschaltbildes einer Induktionsheizeinrichtung erläutert. In the following the invention is based on a Block diagram of an induction heating device explained.
Die Induktionsheizeinrichtung besteht aus einem von einem Drehstromnetz RST gespeisten steuerbaren Gleichrichter 1, einer Zwischenkreis-Glättungsdrossel 2 und einem Wechselrichter 3. Sowohl der Gleichrichter 1 als auch der Wechselrichter 3 sind thyristorisiert. Ein als Parallelschwingkreis ausgebildeter Lastkreis 4 besteht aus einem Widerstand 4 a, einer Induktivität 4 b und einer Kompensationskapazität 4 c. Das elektrische Verhalten des mit dem zu erwärmenden Werkstück gefüllten Induktors wird durch die Ersatzschaltbildgrößen des Widerstandes 4 a und der Induktivität 4 b dargestellt. Der Parallelschwingkreis 4 ist an den Lastpunkten der Brückenschaltung des Wechselrichters 3 derart angeschlossen, daß der Lastkreis 4 wechselweise von den Diagonalen des Wechselrichters 3 mit Strom versorgt wird.The induction heating device consists of a controllable rectifier 1 fed by a three-phase network RST , an intermediate circuit smoothing choke 2 and an inverter 3 . Both the rectifier 1 and the inverter 3 are thyristorized. A load circuit 4 designed as a parallel resonant circuit consists of a resistor 4 a , an inductor 4 b and a compensation capacitance 4 c . The electrical behavior of the inductor filled with the workpiece to be heated is represented by the equivalent circuit diagram sizes of the resistor 4 a and the inductor 4 b . The parallel resonant circuit 4 is connected to the load points of the bridge circuit of the inverter 3 in such a way that the load circuit 4 is alternately supplied with current by the diagonals of the inverter 3 .
Der vom Lastkreis 4 aufgenommene Strom wird von einer Strommeßeinrichtung 5 gemessen, die aus einem induktiv an die Eingangsleitungen des Gleichrichters 1 gekoppelten Stromwandler besteht. Mittels der am Eingang des Gleichrichters angeordneten Meßeinrichtung 5 läßt sich der vom Lastkreis 4 aufgenommene Strom indirekt messen, weil dieser Strom mit dem dem Gleichrichter 1 zugeführten Strom um einen Formfaktor verknüpft ist. Alternativ ist es allerdings auch möglich, den vom Lastkreis 4 aufgenommenen Strom direkt zu messen. Eine Spannungsmeßeinrichtung 6, die parallel zu den Klemmen des Lastkreises 4 angeordnet ist, mißt die am Lastkreis anliegende Spannung. Der von der Strommeßeinrichtung 5 gemessene Wert wird direkt dem eingangsseitigen Summierungspunkt S 7 der Regeleinheit 7 zugeführt. Dem gleichen Summierungspunkt S₇ wird das Ausgangssignal eines Spannungssollwertgebers 8 zugeführt, dessen einem Grenzwertgeber G für die maximal zulässige Lastspannung aufweisender Eingang von der Spannungsmeßeinrichtung 6 das Signal für die Lastspannung erhält.The current consumed by the load circuit 4 is measured by a current measuring device 5 , which consists of a current transformer inductively coupled to the input lines of the rectifier 1 . The current absorbed by the load circuit 4 can be measured indirectly by means of the measuring device 5 arranged at the input of the rectifier, because this current is linked by a form factor to the current supplied to the rectifier 1 . Alternatively, however, it is also possible to measure the current drawn by the load circuit 4 directly. A voltage measuring device 6 , which is arranged parallel to the terminals of the load circuit 4 , measures the voltage applied to the load circuit. The value measured by the current measuring device 5 is fed directly to the input-side summation point S 7 of the control unit 7 . The same summation point S ₇ is supplied with the output signal of a voltage setpoint generator 8 , whose input having a limit value generator G for the maximum permissible load voltage receives the signal for the load voltage from the voltage measuring device 6 .
Die Strommeßeinrichtung 5 ist außerdem mit dem Eingang eines Impedanzwandlers 11 verbunden, dessen Ausgang ein dem Laststrom entsprechendes, um einen bestimmten Faktor verstärktes Signal an einen weiteren Summierungspunkt S 9 abgibt, der am Eingang eines Reglers 9 mit Proportional- und Integralverhalten für die Sollwertvorgabe der Regeleinheit 7 liegt. Um eine Entkopplung des Sollwertregelkreises, bestehend aus den Elementen 11 und 9, von der Leistungsseite der Heizeinrichtung zu ermöglichen, ist ein Entkopplungselement 11 als Impedanzwandler vorgesehen, der ein Übersetzungsverhältnis für den Laststrom von 1 : 1 aufweist und eine um das erforderliche Maß gegenüber der Eingangsimpedanz erhöhte Ausgangsimpedanz hat. Der weitere Summierungspunkt S 9 ist über eine Diode D mit einem Potentiometer 12 zur Vorgabe eines maximal einzustellenden Sollwertes verbunden. Am Ausgang des Sollwertgebers 9 liegt der um den Verstärkungsfaktor verstärkte, von der Strommeßeinrichtung 5 gemessene Istwert des Laststromes als Sollwert für die Regeleinheit 7 am Summierungspunkt S 7 an. Parallel zum Ausgang des Sollwertgebers 9 ist ein Startwertgeber 10 angeordnet. In den Ausgangsleitungen des Sollwertgebers 9 und des Startwertgebers 10 sind jeweils Dioden angeordnet, deren Anoden miteinander verbunden sind. Dadurch wird erreicht, daß zum Beispiel zu Beginn des Erwärmungsvorganges der Startwertgeber 10 dem Summierungspunkt S 7 ein Signal liefert, weil in dieser Phase der Sollwertgeber 9 noch kein Signal oder ein zu kleines Signal liefert. Erst wenn das Signal des Sollwertgebers 9 das des Startwertgebers 10 übersteigt, wird das Signal des Sollwertgebers 9 am Summierungspunkt S 7 wirksam.The current measuring device 5 is also connected to the input of an impedance converter 11 , the output of which outputs a signal corresponding to the load current and amplified by a certain factor to a further summation point S 9 , which at the input of a controller 9 with proportional and integral behavior for the setpoint specification of the control unit 7 lies. A decoupling of the setpoint control loop consisting of the elements 11 and 9, to allow the power side of the heater, a decoupling element 11 is provided as an impedance transformer, which is a ratio of the load current of 1: 1 and to the required level against the input impedance has increased output impedance. The further summation point S 9 is connected via a diode D to a potentiometer 12 for specifying a maximum desired value to be set. At the output of the setpoint generator 9 of the gain of amplified, measured by the current measuring device 5 is the actual value of the load current as a set point for the control unit 7 to the summing point S. 7 A start value generator 10 is arranged parallel to the output of the setpoint generator 9 . Diodes are arranged in the output lines of the setpoint generator 9 and the start value generator 10 , the anodes of which are connected to one another. It is thereby achieved that, for example, at the beginning of the heating process, the start value transmitter 10 supplies the summing point S 7 with a signal, because in this phase the setpoint generator 9 does not yet supply a signal or a signal that is too small. Only when the signal of the setpoint generator 9 exceeds that of the start value generator 10 does the signal of the setpoint generator 9 become effective at the summation point S 7 .
In Abhängigkeit der Regeldifferenz am Summierungspunkt S 7 verstellt die aus einem PI-Regler und einer Impulsverschiebungsstufe bestehende Regeleinheit 7 die Phasenlage der Steuerimpulse für die Thyristoren des steuerbaren Gleichrichters 1 und regelt auf diese Weise den Laststrom des Gleichrichters 1 entsprechend den Sollwertvorgaben.Depending on the control difference at the summation point S 7 , the control unit 7 consisting of a PI controller and a pulse shift stage adjusts the phase position of the control pulses for the thyristors of the controllable rectifier 1 and in this way controls the load current of the rectifier 1 in accordance with the setpoint specifications.
Im folgenden wird die Funktion der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung beschrieben:The following is the function of the invention Heating device described:
Bei Beginn des Erwärmungsvorganges wird über den Startwertgeber 10 ein Startsollwert für den Laststrom vorgegeben. Sobald die Regelung angesprochen hat und der Sollwertgeber 9 ein Signal liefert, das größer ist als das des Startwertgebers 10, erfolgt automatisch die Umschaltung vom Signal des Startwertgebers 10 auf das des Sollwertgebers 9. Da der Eingang des Sollwertgebers 9 mit der Strommeßeinrichtung 5 verbunden ist, liefert der Sollwertgeber 9 den um den Verstärkungsfaktor (z. B. 1,05) erhöhten Iststrom als Sollwert. Somit wirkt die Regeleinheit 7 derart, daß sich auch der Istwert entsprechend dem Sollwert einstellt, woraufhin wiederum der Sollwert entsprechend der Verstärkung des Sollwertgebers 9 ansteigt. Die Zunahme des Istwertes erfolgt demnach kontinuierlich.At the beginning of the heating process, a start setpoint for the load current is specified via the start value transmitter 10 . As soon as the control has responded and the setpoint generator 9 supplies a signal that is greater than that of the start value generator 10 , the signal from the start value generator 10 is automatically switched to that of the setpoint generator 9 . Since the input of the setpoint generator 9 is connected to the current measuring device 5, the reference value generator 9 supplies the actual current increased by the gain factor (z 1.05. B.) as a target value. The control unit 7 thus acts in such a way that the actual value is also set in accordance with the setpoint, whereupon the setpoint in turn increases in accordance with the amplification of the setpoint generator 9 . The actual value increases accordingly continuously.
Mit dem Sollwertvorgabepotentiometer 12 wird von einer Bedienungsperson der im Betriebsfall maximal zulässige Sollwert für den Laststrom vorgegeben. Wird dieser am Ausgang des Impedanzwandlers 11 erreicht, so kann ein Strom durch die Diode D fließen, wodurch über den PI-Regler 9 der Sollwert für den Laststrom nicht mehr weiter erhöht wird. With the setpoint specification potentiometer 12 , an operator specifies the maximum permissible setpoint value for the load current in the operating case. If this is reached at the output of the impedance converter 11 , a current can flow through the diode D , as a result of which the setpoint for the load current is no longer increased via the PI controller 9 .
Der ebenfalls auf dem Summierungspunkt S 7 additiv zum Sollwert des Laststromes arbeitende Spannungssollwertgeber (Grenzspannungsregler 8) liefert nur dann ein Ausgangssignal, welches gleich der von der Spannungsmeßeinrichtung 6 gemessenen Lastspannung ist, wenn diese oberhalb der von einem Potentiometer vorgebbaren Grenzspannung liegt. Somit wird also der Laststromregelung durch die Regeleinheit 7 von dem Grenzspannungsregler 8 eine Grenzstromregelung unterlagert, derart, daß bei oberhalb der Grenzspannung liegenden Lastspannung die Regeleinheit 7 den Steuerwinkel der Thyristoren des Gleichrichters 1 einer ansteigenden Lastspannung durch Laststromreduzierung entgegenwirkt.The voltage setpoint generator (limit voltage regulator 8 ), which also works on the summation point S 7 in addition to the setpoint of the load current, only delivers an output signal which is equal to the load voltage measured by the voltage measuring device 6 if it is above the limit voltage that can be specified by a potentiometer. Thus, the load current control by the control unit 7 is subordinated to the limit voltage controller 8 by a limit current control, such that the control unit 7 counteracts the control angle of the thyristors of the rectifier 1 of an increasing load voltage by reducing the load current when the load voltage is above the limit voltage.
Erfolgt nun eine plötzliche Abnahme der Lastkreisimpedanz, z. B. durch das Einbringen von kalten Werkstücken in den Induktor oder durch einen Kurzschluß an einem der Thyristoren des Wechselrichters 3, so daß die Lastspannung bis unter die Grenzspannung fällt, dann liefert der Spannungssollwertgeber 8 kein Signal mehr an den Summierungspunkt S 7. Durch Wegfall dieses Signals am Summierungspunkt S 7 entsteht zwar ein Sprung in der Regeldifferenz am Eingang der Regeleinheit 7, doch in einem zum Stand der Technik vergleichsweise kleinen Ausmaß, da sich Istwert und Sollwert des Last stromes aufgrund des nur wenig von 1 verschiedenen Verstärkungsfaktors des PI-Reglers ebenfalls nur wenig unterscheiden. Während beim Stand der Technik bei Wegfall des Signals des Spannungssollwertgebers 8 dem auf den maximal zulässigen Laststrom festgelegten Sollwert das in dieser Phase vergleichsweise kleine Istsignal des Laststromes gegenübersteht, ist bei der Erfindung wegen des durch den Istwert des Laststromes gesteuerten Sollwertsignals die Regeldifferenz klein. Wegen des nur wenig über 1 liegenden Verstärkungsfaktors (P-Verhalten) des Sollwertgebers kommt es nicht zu einem Überschwingen des Laststromes bei plötzlichem Absinken der Schwingkreisimpedanz, sondern der Laststrom wird aufgrund der direkten Rückkopplung zwischen Istwert und Sollwertgeber 9 auf dem derzeit aktuellen Sollwert gehalten. Das Zeitverhalten des Sollwertgebers 9 (I-Verhalten) ist dabei so gewählt, daß die Regelzeitkonstante des PI-Reglers größer ist als die Einstellzeit des Laststromes. Daher folgt die Sollwertvorgabe einerseits aus Gründen eines möglichst schnellen Ansprechens des Regelkreises schnell genug der Istwertänderung nach. Andererseits erfolgt aber auch diese Änderung nicht zu schnell, so daß eine Instabilität auftreten könnte. Die Dämpfung des Sollwertgebers 9 wird demnach so träge gewählt werden, daß die korrigierte Sollwertvorgabe nur eine solche Istwertänderung berücksichtigt, die unterhalb der zulässigen Änderungsgeschwindigkeit des Laststromes liegt.Now there is a sudden decrease in the load circuit impedance, e.g. B. by introducing cold workpieces into the inductor or by a short circuit on one of the thyristors of the inverter 3 so that the load voltage falls below the limit voltage, then the voltage setpoint generator 8 no longer delivers a signal to the summing point S 7 . By eliminating this signal at the summation point S 7 there is a jump in the control difference at the input of the control unit 7 , but to a comparatively small extent compared to the prior art, since the actual value and the setpoint value of the load current are due to the PI gain which is only slightly different from 1 Controllers also differ little. While in the prior art when the signal of the voltage setpoint generator 8 is omitted, the setpoint set to the maximum permissible load current is opposed by the actual signal of the load current, which is comparatively small in this phase, the control difference in the invention is small because of the setpoint signal controlled by the actual value of the load current. Because the gain factor (P behavior) of the setpoint generator is only slightly above 1, the load current does not overshoot if the resonant circuit impedance suddenly drops, but the load current is kept at the current setpoint due to the direct feedback between actual value and setpoint generator 9 . The time behavior of the setpoint generator 9 (I behavior) is chosen so that the control time constant of the PI controller is greater than the setting time of the load current. For this reason, on the one hand, the setpoint specification follows the change in the actual value quickly enough for the control circuit to respond as quickly as possible. On the other hand, this change does not take place too quickly either, so that instability could occur. The damping of the setpoint generator 9 will therefore be selected so slowly that the corrected setpoint specification only takes into account such a change in the actual value that is below the permissible rate of change of the load current.
Bei Erreichen des durch das Sollwertpotentiometer 12 eingestellten Sollwertgrenzwertes wird die Heizeinrichtung mit konstantem Laststrom betrieben, der diesem Grenzwert entspricht.When the setpoint limit value set by the setpoint potentiometer 12 is reached, the heating device is operated with a constant load current which corresponds to this limit value.
Claims (5)
- a) der Stromsollwert aus dem Stromistwert mittels eines PI-Reglers im Stromsollwertgeber (9) gebildet wird,
- b) der Verstärkungsfaktor des PI-Reglers zwischen 1,01 und 1,1 liegt und
- c) die Regelzeitkonstante des PI-Reglers größer ist als die Einstellzeit des Laststromes.
- a) the current setpoint is formed from the current actual value by means of a PI controller in the current setpoint generator ( 9 ),
- b) the gain factor of the PI controller is between 1.01 and 1.1 and
- c) the control time constant of the PI controller is greater than the setting time of the load current.
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