Ein neues Umrichterkonzept mit abschaltbaren Leistungshalbleitern für Induktionserwärmungsanlagen

Steigende Energie- und Rohstoffpreise sowie wachsende und sich wandelnde Absatzmärkte verlangen nach stetigen Anpassungen und Neuerungen von Industrieanlagen. Dabei steigen die Ansprüche an Qualität sowie Verfügbarkeit. Stillstandszeiten durch Montage und Service sind zu vermeiden. Die Betreiber von Schmelz- und Erwärmungsanlagen mit hohem Energieverbrauch sind auf Anlagen mit einem sehr hohen Wirkungsgrad zwingend angewiesen. Neben den zu minimierenden Betriebs- und Wartungskosten wird hier auf eine hohe Effizienz der Anlagen geachtet. Durch vermehrten Einsatz von Leistungselektronik gewinnt die Problematik der Spannungsqualität durch zunehmende Netzrückwirkungen der Anlagen erheblich an Bedeutung. Bei einer Vielzahl von Hochstromverbrauchern ist auf eine hohe Netzfreundlichkeit hinsichtlich Netzrückwirkungen zu achten.

Fortschritte in der Entwicklung moderner Leistungshalbleiter ermöglichen ein ständiges Voranschreiten in der Entwicklung und Konstruktion von leistungsstarken technischen Anlagen in der Elektroerwärmung. Neue leistungsstarke Halbleiter wie z.B. IGCTs (Integrated Gate-Commutated Thyristors) und IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) eröffnen eine Fülle von neuen technischen Lösungen bzw. Schaltungstopologien, die es zu untersuchen gilt. Der Preisdruck am Markt bildet hierbei die Rahmenparameter, die wesentlich Einfluss auf die Richtung der Entwicklung nehmen.

Auf dem Gebiet der induktiven Erwärmung dominieren gegenwärtig konventionelle Thyristorstromrichter mit Reihen- oder Parallelschwingkreis. Wesentliche Nachteile dieser Stromrichter sind die erheblichen Netzrückwirkungen sowie die eingeschränkte Modularität. Ferner kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Verfügbarkeit von Frequenz-Thyristoren wegen der Neuentwicklung von modernen Leistungshalbleitern sinkt und in naher Zukunft keine Frequenz-Thyristoren mehr auf dem Markt erhältlich sein werden.

Um die oben genannten Nachteile zu überwinden, wird in dieser Arbeit eine neuartige Stromrichtertopologie mit modernen abschaltbaren Leistungshalbleitern wie zum Beispiel IGCTs und IGBTs für induktive Schmelz- und Erwärmungsanlagen untersucht. Die Konzipierung und Simulation geeigneter Stromrichterkonzepte und Ansteuerstrategien stellen einen wesentlichen Forschungsschwerpunkt dieser Arbeit dar. Vor- und Nachteile bestehender Stromrichter sowie der neuen Topologie werden bewertet und die erzielten Ergebnisse an einem Stromrichter-Prototypen experimentell nachgewiesen.