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 Mittel­frequenz­ge­ne­ra­toren.

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 Induktor­spannung von bis zu 12 kV, der schaltungs­technisch bedingte sehr niedrige Wirkungsgrad von maximal 50% sowie der daraus resul­tierende enorme Kühl­wasser­verbrauch.

Mittelfrequenz wurde in der Ver­gangen­heit ausschliesslich mit rotierenden Motor- / Generator­umfor­mern oder spä­ter mit statischen Thyristor­um­for­mern im Frequenz­bereich von 2 . . 10 kHz erzeugt. Der Wirkungs­grad der Umwandlung der elektrischen Energie 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 Einsatz von Primär­energie nötig. Tran­sisto­ri­sierte Mittel­frequenz-Generatoren von STS 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 Schwing­kreis­blind­stromes 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 die Schwing­kreis­verluste noch weiter erhöht.

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

STS Halbleiter-Generatoren

Die 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 Industrie­generatoren. Die Verwandtschaft ist am Wirkungsgrad, der Baugrösse und der Zuverlässigkeit zu erkennen.

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

Jeder Generator einer Bauserie besteht aus Bau­gruppen mit identischen mechanischen und elektrischen Schnitt­stellen. Änderungen der Nutzung oder Reparaturen sind deshalb relativ schnell und einfach möglich. Für die grundsätzliche Auswahl der Steuerung steht die kunden­orientierte Verwendung des Generators im Vordergrund. Für alle Steuerungs­typen sind eine grosse Anzahl von anwendungs­spezifischen Modulen auf Hard- und Soft­ware­basis verfügbar.
 

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 Schwingkreis­konden­satoren 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 von den Abmes­sungen 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.

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 Zwischen­kreis­span­nung gegen Netz- und Last­schwan­kun­gen auf besser 1% geregelt. Die Gene­rator­einheit enthält weiterhin einen Energie­speicher zur Glät­tung der Wellig­keit der Netz­wechsel­span­nung, mehrere Funk­entstör­filter sowie die Kühl­wasser­über­wachung.

Der vollständig digital aufgebaute Um­rich­ter wandelt die geregelte DC-Zwi­schen­kreis­span­nung mit einem kon­stan­ten Wirkungs­grad von über 95% in eine HF- / MF-Wechsel­span­nung um. Die Betriebs­frequenz und der Arbeits­punkt des Gene­rators werden vom Steuer­oszil­lator erfasst und ständig auf ein Optimum des Wirkungs­grades geregelt. Durch diese ultra­schnelle Regelung entfällt das manuelle Schalten von Konden­satoren zur Kompen­sation des Blind­stromes. Die mit dieser Schaltungs­technik erziel­ten gerin­geren Um­wand­lungs­ver­luste redu­zieren die Anzahl und Grösse der aktiven Elemente wesentlich, was wiede­rum zu einer Ver­kleine­rung der Kühl­ele­mente und letzt­endlich zur Redu­zierung der Bau­grösse des gesamten Gene­rator­systems führt.

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 optional über drei verschiedene Ausgangs­spannungen, um den An­schluss unter­schied­licher Konden­sator­batterien mit ver­schie­denen Op­ti­mal­fre­quenzen in den Aussen­schwing­kreisen zu ermöglichen. Diese Schaltungs­technik bietet höchst­mögliche Flexi­bili­tät der An­wendung des Gene­rators.
 

Aussenschwingkreis

Eine indirekt wassergekühlte Kon­den­sator­batterie bildet mit dem Induktor den Paral­lel­schwingkreis. Der Induktor ist die einzige wasser­gekühlte Spule des Schwing­kreises, was den Wirkungs­grad beträchtlich erhöht. Der bei kon­ventio­nel­len Generatoren übliche Auto­trans­formator zur Anpas­sung der Aus­gangs­impe­danz des Gene­rators an den Induktor ist hier unnötig.

Der Induktor wird ohne Trans­for­mati­ons­verluste direkt an die Konden­sator­bat­terie 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 Aus­sen­schwing­kreis zuge­ordnete Aus­gangs­span­nung des Trenn- und Anpas­sungs­trafos wird auto­matisch durch den Steckverbinder des Aussen­schwing­kreises richtig ver­bunden. Die Zulei­tung des Aus­sen­schwing­krei­ses kann wahl­weise hoch­flexi­bel zum Verle­gen oder für Dauer­bewe­gun­gen ausge­führt werden. Mit einem optio­nalen Um­schalter im Gene­rator­teil, welcher extern manuell oder per SPS elektrisch betätigt wird, können zwei Aussen­schwing­kreise wechsel­weise am selben Gene­rator betrieben werden.

Alle Aussen­schwing­kreise sind optional mit einer Zwei-Kreis-Kühlung lieferbar. An diesen Aussen­schwing­kreisen können In­duk­toren mit einem kleinen Kühl­quer­schnitt ange­schlossen werden. Durch diesen zweiten Induktor­kühl­kreis­lauf wird die Küh­lung von Schwing­kreis­konden­satoren und Gene­rator­einheit aufgrund des geringeren Wasser­durch­flusses nicht beein­träch­tigt. Der zweite Induktor­kühl­kreis­lauf kann mit dem Druck­pump­aggre­gat DPA406 mit einem konstanten Kühl­wasser­volumen mit bis zu 20 Bar Druck betrie­ben werden. Bei beiden Kühl­kreis­läufen wird das Durch­fluss­volumen sowie die Ein- und Aus­tritts­tempe­ratur von der Gene­rator­steue­rung über­wacht. Auf­grund der geringen Grösse und kleinen Masse kann der Aus­sen­schwing­kreis direkt auf den Flansch von Vaku­um­anla­gen montiert 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 gleichzeitig gute Beobacht­barkeit von Steuerung und Erwärmungs­zone zu ermög­lichen. Als Steue­rung des Gene­rators ist wahlweise eine einfache Kompakt­steuerung, eine D-Steuerung mit 7" WVGA Vollfarb­display und Sensor­tasten oder eine modulare Steue­rung mit Steck­bau­gruppen lieferbar.

Die preis­günstige Kompakt­steuerung findet vorwiegend im indus­triellen Bereich in per SPS oder Profibus fern­ge­steuerten Maschi­nen und Anlagen Ver­wendung. An manuellen Bedie­nungs­ele­men­ten sind nur Taster für Ein, Aus, Reset und Soll­span­nung vorhanden. Anzeige der Betriebs­zustände mit LED-An­zeigen und digi­taler LCD-Strom­anzeige.

Die D-Steuerung mit Farbdisplay und resistiven Sensor­tasten findet in allen Bereichen Ver­wen­dung und ist das "Human Interface" (HMI) für den schnellen und hoch­auf­lösenden Mikro­kontroller, der den Generator steuert. Die Betätigung der Touch-Sensor-Tasten ist mit den üblichen Leder­hand­schuhen problem­los möglich. Diese schmutz­unempfind­liche Steuerung ist standard­mässig mit einem inte­grierten Timer und einem optionalen Tem­peratur­regler für den Anschluss an Tempe­ratur­sensoren, wie z.B. Pyrometer lieferbar. Auf dem Display werden die Soll- und Ist­werte der Gene­rator­para­meter Spannung, Strom und Frequenz mit hoher Auflösung angezeigt.

Bei der Funktion Timer wird die Soll­zeit separat einge­stellt und gespei­chert. Nach Ablauf der Soll­zeit wird der Gene­rator auto­matisch aus­ge­schal­tet. Bei der Option Regler werden die PID-Regel­para­meter sowie die Soll- und Ist­tempe­raturen angezeigt. Die D-Steue­rung ist mit einer inte­grier­ten Ether­net-Schnitt­stelle (TCP/IP) lieferbar, mit der der Generator system­fähig wird. Mit einem exter­nen Gate­way kann das Gerät in vorhan­dene Anlagen kosten­günstig integriert werden.

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.

Die Minimalausrüstung dieser Steue­rung besteht aus jeweils einer Kas­set­te für Bedie­nung und Anzeige sowie einer Kas­set­te für die Über­wachung von Grenz­werten. Die Leistungs­abgabe des Ge­ne­ra­tors kann wahl­weise durch Regelung der Span­nung des Schwing­kreises, der Strom­abgabe des Ge­ne­ra­tors oder optional der Leistung des Generators vorge­nommen werden. Die Steuerung kann zur Anzeige der Betriebs­para­meter Strom, Spannung und Leistung wahlweise mit analogen oder digitalen Anzeige­instrumenten bestückt werden. Für den Anwender stehen weiterhin eine Anzahl von Kas­set­ten mit diskreten Funk­tionen wie Timer, Regler sowie eine analoge parallele oder eine digitale serielle Schnitt­stelle zur Steue­rung mit einem Rechner zur Verfügung. Wegen der Viel­seitigkeit wird die modulare Steue­rung unter anderem in unseren material­wissen­schaft­lichen Anlagen verbaut.

Die serielle RS232 Prozess­rechner­schnitt­stelle PS22 verbindet opto­ent­koppelt den Gene­rator mit einem Steuer­rechner. Die AD- und DA-Wandler der PS22, welche zur Über­tragung der Soll- und Ist­werte des Gene­rators sowie der Tempe­ratur Soll- und Ist­werte des Reg­lers verwen­det werden, haben mindes­tens 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. RS485 oder Profibus - können über die optoisolierte parallele AN12 Schnitt­stelle mittels einem Proto­koll­konver­ter-Gate­way (z.B. von Anybus) extern 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 Werkstücke 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 - ausser den Lüftern - 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.

Wir sind gegen geplante oder ökono­mische Obso­les­zenz. Für die Liefer­barkeit von Original­kompo­nenten und Original­bau­gruppen garan­tieren wir eine Bevor­ratung von mindestens 2 Jahren. Äqui­valente Kom­po­nen­ten und kompatible Bau­gruppen sind mindes­tens 10 Jahre lang lieferbar. Wenn der Kunde es für sinn­voll erachtet, repa­rieren wir unsere Geräte auch noch nach 25 Jahren.