Halbleiter Hoch- und Mittelfrequenzgeneratoren

Stand der Technik

Die in der industriellen Fertigung verwendeten induktiven Erwärmungsverfahren unterscheiden sich im Frequenzbereich und der Bauart der dazu verwendeten Hoch- und Mittelfrequenz- generatoren.

Früher wurde Hochfrequenz ausschliesslich mit Röhrengeneratoren im Frequenzbereich von etwa 0,3 . . 3 MHz erzeugt. Der Vorteil der hohen Frequenz von Röhrengeneratoren kommt heute nur noch beim induktiven Oberflächenhärten von Werkzeugstählen zum Tragen. Aber auch diese Anwendung ist durch die Substituierung der Werkzeugstähle durch aufgekohlte Baustähle rückläufig. Wesentliche Nachteile dieser Generatoren sind die hohe Röhren- und Induktor-spannung von bis zu 12 kV, der schaltungstechnisch bedingte sehr niedrige Wirkungsgrad von maximal 50% sowie der daraus resultierende enorme Kühlwasserverbrauch.

Erwärmungsstation für Getriebe S212

Mittelfrequenz wurde in der Vergangenheit ausschliesslich von rotierenden Motor- oder 'statischen' Thyristorumformern im Frequenzbereich von 2 . . 10 kHz erzeugt. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung von Thyristor-Generatoren liegt zwar bei 80%, aber durch die relativ niedrige Frequenz ist der thermische Wirkungsgrad deutlich geringer als bei einem HF-Generator. Das macht einen höheren Primärenergieeinsatz nötig. STS Transistor-Mittelfrequenz-Generatoren arbeiten mit einer Frequenz von über 20 kHz, was einen besseren Wirkungsgrad sowie einen geräuschlosen Betrieb ermöglicht.

Eine Bewegung des Induktors ist bei konventionellen Generatoren nur unzulänglich möglich, da dieser über Stromschienen oder wenig bewegliche, wassergekühlte Metallgewebeschläuche mit der Kondensatorbatterie im Generatorschrank verbunden ist.

Hohe Verluste verursacht bei konventionellen Hoch- und Mittelfrequenz-Generatoren der zur Anpassung kleiner Induktoren nötige Ausgangstransformator. Die Transformation des Schwing- kreisblindstromes führt zu Verlusten von bis zu 50% bei grossen Untersetzungsverhältnissen. Die unvermeidbare Streuinduktivität dieser Transformatoren liegt in Reihe mit dem Induktor und reduziert so die nutzbare Blindleistung des Generators, was nochmals die Schwingkreisverluste erhöht.

STS Hoch- und Mittelfrequenz-Generatoren weisen die Nachteile konventioneller Generatoren nicht auf und entsprechen dem neuesten Entwicklungsstand.

STS Halbleiter-Generatoren

Systemtechnik Skorna hat Ende der achtziger Jahre eine Reihe von HF-Generatoren für materialwissenschaftliche Experimente in der Schwerelosigkeit entwickelt, um den Bedarf der auf diesem Gebiet führenden Institute an Hochleistungsgeneratoren zu decken. Die bei dieser Sonderentwicklung gewonnenen Erkenntnisse flossen in eine neue Serie von Industrie- generatoren. Die Verwandtschaft ist am Wirkungsgrad, der Baugrösse und der Zuverlässigkeit zu erkennen.

Hochfrequenz-Halbleiter-Generator M260

Die STS Halbleiter-Generatoren der M300 und M400 Serie bestehen aus den Teilgeräten Generatoreinheit, Aussenschwingkreis und Steuerung, um eine grösst- mögliche Flexibilität bei der Anwendung zu ermöglichen. In diesen Teilgeräten sind bestimmte Funktionen sinnvoll zusammengefasst.

Jeder Generator einer Bauserie besteht aus standar- disierten Baugruppen mit identischen mechanischen und elektrischen Schnittstellen. Nutzungsänderungen oder Reparaturen sind deshalb schnell und einfach möglich. Für die Zusammenstellung der Steuerung stehen ausser den Standardbedienungs- und Anzeigeelementen eine grosse Anzahl von anwendungsspezifischen Moduln, wie z.B. Prozess-Regler oder digitale Schnittstellen zur Verfügung.

Beschreibung

STS Generatoren bestehen aus drei Hauptkomponenten: Dem Generatorteil mit einem integrierten oder externen schwenkbaren Steuerungsträger sowie dem Aussenschwingkreis. Der Vorteil dieser Anordnung liegt in der Auslagerung der blindstromführenden Schwingkreis- kondensatoren in einen Aussenschwingkreis, welcher durch ein hochflexibles Kabel mit dem Generator verbunden ist. Der Generator und die Zuleitung zum Aussenschwingkreis führt nur Wirkstrom, was die Ausbreitung unerwünschter elektromagnetischer Felder deutlich reduziert. Der extrem kleine Aussenschwingkreis - nicht grösser als ein gutes Buch - kann direkt an der Erwärmungsvorrichtung montiert werden. Die Arbeitsfrequenz von STS Generatoren liegt immer über 20 kHz, um Betriebsgeräusche zu vermeiden.

Blockschaltbild modulare Generatoren

Generatoreinheit

In der Generatoreinheit sind alle Komponenten enthalten, die der Erzeugung der HF- / MF- Spannung dienen. Die Leistungsregelung des Generators mit einem Schaltnetzteil bietet gegenüber den sonst verwendeten Thyristorstellern den Vorteil geringerer Verluste und einer bedeutend höheren Regelgeschwindigkeit. Die Generatorleistung wird über eine Zwischenkreis- spannung gegen Netz und Lastschwankungen auf besser 1% geregelt. Durch diese Technologie konnten Baugrösse und Gewicht gegenüber konventioneller Generatoren erheblich reduziert werden. Die Generatoreinheit enthält weiterhin ein Funkentstörfilter sowie die Kühlwasser- überwachung.

Mittelfrequenz-Generator M350

Der vollständig digital aufgebaute Umrichter wandelt die geregelte DC-Zwischenkreisspannung mit einem kon- stanten Wirkungsgrad von 95% in eine HF- / MF- Wechselspannung um. Die Betriebsfrequenz und der Arbeitspunkt des Generators werden vom Steueroszillator erfasst und ständig auf ein Wirkungsgradoptimum geregelt. Durch diese Regelung entfällt das manuelle Schalten von Kompensationskondensatoren.

Der Oszillator steuert mit seinem Digitalausgang einen vollständig digital arbeitenden Leistungsverstärker an, welcher den Aussenschwingkreis über einen Trenn- und Anpassungstrafo speist. Dieser Trafo verursacht nur sehr geringe Verluste, da nur Wirk- aber keine Blindleistung transformiert wird. Hierzu trägt auch der Kern aus einem neuartigen, weichmagnetischen Werkstoff bei. Der Trenn- und Anpassungstrafo verfügt serienmässig über zwei verschiedene Ausgangsspannungen, um den Anschluss unterschiedlicher Kondensatorbatterien in den Aussenschwingkreisen zu ermöglichen. Diese Schaltungstechnik bietet höchstmögliche Flexibilität in der Anwendung des Generators.

Aussenschwingkreis

ASK815 mit UHV-Vakuumflansch NW63 CF

Eine indirekt wassergekühlte Kondensatorbatterie bildet mit dem Induktor den Schwingkreis. Der Induktor ist die einzige wassergekühlte Spule des Schwingkreises, was den Wirkungsgrad beträchtlich erhöht. Der bei konven- tionellen Generatoren übliche Ausgangstransformator zur Anpassung des Induktors ist unnötig, der Induktor wird ohne Transformationsverluste direkt an die Kondensator- batterie angeschlossen. Die Kondensatoren bilden mit dem Induktor einen Schwingkreis, in welchem die für eine gute Ankopplung des Werkstücks nötige Blindleistung bereitgestellt wird. Die einem bestimmten Aussen- schwingkreis zugeordnete Ausgangsspannung des Trenn- und Anpassungstrafos wird automatisch durch den Steckverbinder des Aussenschwingkreises richtig ver- bunden. Mit einem optionalen Umschalter im Generatorteil, welcher extern manuell oder per SPS elektrisch betätigt wird, können zwei Aussenschwingkreise wechselweise am selben Generator betrieben werden.

Steuerung

Der Steuerungsträger ist entweder in das Gehäuse der Generatoreinheit integriert oder bei Generatoren über 50 kW mit einem schwenkbaren Arm am Gehäuse der Generatoreinheit montiert, um eine gute Beobachtbarkeit der Erwärmungszone zu ermöglichen. Als Steuerung des Generators ist wahlweise eine einfache Kompaktsteuerung, eine modulare Steuerung mit Steckbaugruppen oder eine Steuerung mit Glasoberfläche und Sensortasten lieferbar.

Die Steuerung mit der Folienoberfläche findet vorwiegend im industriellen Bereich Verwendung. Diese schmutzunempfindliche Steuerung ist optional mit einem integrierten Quarztimer und einem Temperaturregler für Pyrometer lieferbar.

Die modulare Steuerung besteht aus einem Träger mit einer Bus-Platine, in den verschiedene kundenspezifische Steuer-, Anzeige- und Überwachungskassetten gesteckt werden können. Derartige Module können jederzeit ohne Eingriff in die Funktionssicherheit des Generators um- oder nachgerüstet werden. Die Belegung des Steuerungsbusses ist genormt und damit zukunftssicher.

Modulare Steuerung M260

Die Minimalausrüstung dieser Steuerung besteht aus einer Bedienungs- und Anzeigekassette sowie der Grenzwert- überwachungskassette. Die Leistungsabgabe des Genera- tors kann wahlweise durch Regelung der Schwing- kreisspannung, des Generatorstromes oder der Gene- ratorleistung vorgenommen werden. Die Steuerung kann zur Anzeige der Betriebsparameter Strom, Spannung und Leistung wahlweise mit Analog- oder Digital- instrumenten bestückt werden. Für den Anwender stehen weiterhin eine Anzahl von Funktionskassetten wie Timer, Regler sowie eine analoge parallele - oder eine digitale serielle Schnitt- stelle zur Steuerung mit einem Rechner zur Verfügung.

Die serielle RS232 Prozessrechnerschnittstelle PS22 verbindet optoentkoppelt den Generator mit einem Steuer- rechner. Die AD- und DA-Wandler der PS22, welche zur Übertragung der Strom-, Spannungs- und Temperatur-, Soll- und Istwerten verwendet werden, haben 12 Bit Auflösung. Mit der PS22 lässt sich eine vollständige Überwachung und Einstellung aller Betriebsparameter des Generators vom Steuerrechner realisieren. Die Schnittstelle ist PC-kompatibel. Alle anderen Bussysteme, wie z.B. Profibus, können über die parallele AN12 Schnittstelle angeschlossen werden.

Sicherungskonzept

Gegen Betriebsstörungen und äussere Einflüsse wurde der Generator mit einem aufwendigen Sicherheitssystem ausgerüstet. Bei Überschreitung der eingestellten Betriebsparameter wird der Generator sofort abgeschaltet und die Art der Störung angezeigt. So wird die Produktion fehlerhafter Teile verhindert. Nach Beseitigung der Störungsursache wird die Fehlermeldung durch Druck auf die Resettaste gelöscht. Bei einer Störung kann mit einem Optokoppler eine externe Meldevorrichtung geschaltet werden, um den Maschinenführer über den Stillstand zu informieren.

Wartung und Service

Der Generator enthält keine Verschleissteile und kann durch seinen modularen Aufbau - und die bei allen Geräten einheitlichen mechanischen und elektrischen Schnittstellen - als besonders servicefreundlich betrachtet werden. Zur Pflege der Geräte bieten wir Verträge an, die eine jährliche Überprüfung und Wartung der Geräte beinhalten. Der hohe Qualitätsstandard unserer Geräte ermöglicht es uns eine Gewährleistung von einem Jahr auf Material und Verarbeitung zu geben. Für die Lieferbarkeit von Originalkomponenten und Originalbaugruppen garantieren wir eine Bevorratung von mindestens 2 Jahren. Äquivalente Komponenten und kompatible Bau- gruppen sind mindestens 10 Jahre lang lieferbar.


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