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Induktionsofen
Induktionsöfen zur Erwärmung von Pressbolzen od. ähnl. geformten stangenförmigen Profilen mittels Netzfrequenz (oder einer in dieser Grössenordnung liegenden Frequenz von einigen Hertz bis einigen
100 Hertz) werden vielfach in der Form von Durchstossöfen gebaut. Der Anschluss des Ofens erfolgt bei kleinen Leistungen einphasig an das Netz.
Die Länge der Ofenspule wird einerseits bestimmt durch die maximale Länge des einzelnen Werkstückes, das noch als Ganzes erwärmt werden soll. Anderseits darf mit Rücksicht auf die Materialeigenschaften (z. B. Wärmeleitfähigkeit, zulässige Oberflächentemperatur) und auf gewisse Erfordernisse der Praxis, z. B. Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Kern nach Erreichen der Soll-Temperatur, die Leistungsdichte nicht über 4-5 kW pro Quadratdezimeter gesteigert werden. Es muss also die Spule eine gewisse Mindestlänge besitzen, die mit steigender Ofenleistung wächst. Hiebei sind aber der Herstellung einer einzigen durchlaufenden Wicklung aus Gründen der Herstellungstechnik und der Auswechselbarkeit in der Produktion bald Grenzen gesetzt. Die Spule muss in mehrere, gesondert gehalterte Einzelspulen unterteilt werden.
Durch die hiebei auftretende Unterbrechung der Strombelegung entsteht ein Abfall der Stärke des Spulenfeldes, der am Ende einer durchlaufenden Spule, deren Durchmesser nicht zu gross gegenüber ihrer Länge ist, theoretisch 50% des Wertes der Spulenmitte beträgt.
Ein Abfall des induzierenden Feldes bedeutet jedoch in jedem Fall eine Untertemperatur der betreffenden Stelle des Werkstückes, die durch mehrfaches Zuliegenkommen an Stossstellen während des Ofendurchlaufes noch vergrössert werden kann.
Bei grösseren Ofenleistungen muss das speisende Netz dreiphasig symmetrisch belastet werden, was entweder bei einer einphasigen Ofenspule durch aufwendige Symmetrierglieder oder durch dreiphasige Anspeisung der gedrittelten Ofenspule erreicht werden muss. In diesem Fall wird häufig eine Schaltung gewählt, die in Fig. 1 näher beschrieben ist. In der Figur bedeutet S die Sekundärwicklung des Ofentransformators und A, B, C die einzelnen Abschnitte der Induktionsspule. Ausserdem ist die Vektorlage des induzierenden Feldes eingetragen. Aus den stark ausgezogenen Teilen der Fig. 6 ist ersichtlich, dass im Fall dieser Schaltung die Phasenlage der induzierenden Ströme A, B, C und damit auch die der Felder an den Spulenstössen um 1200 differiert. In dieser Schaltung sind die Phasenstösse der Spulen Punkte gleichen Potentials.
Kehrt man die Phasenlage der mittleren Spule um, so ergibt sich ein Vektordiagramm ähnlich wie in Fig. 8, aus dem ersichtlich ist, dass der Vektor der umgepolten Spule A'gegen die der Nachbarspulen C und B nur um je 600 phasenverschoben ist. Die Ausführung der Schaltung geht aus Fig. 2 hervor, in der S wiederum die Sekundärwicklung des Ofentransformators bedeutet, A und C die Aussenspulen und B'die mittlere Spule, deren Feldvektor jetzt umgekehrt gepolt ist. In dieser Schaltung liegt jedoch die volle verkettete Spannung zwischen den Phasenstössen, da ja bereits die Sekundärseiten des Ofentransformators in Dreieck geschaltet sind. In diesem Fall sind Abstandhalter zwischen den Spulen aus Isolationsgründen notwendig.
Es wäre jedoch auch denkbar, in der mittleren Spule den Windungssinn umzukehren und die Phasenlage sowie die sekundäre Dreieckschaltung beizubehalten. Auch in diesem Falle würde keine Potentialdifferenz auftreten (Fig. 3).
Wie bereits eingangs erwähnt, kann die Leistungsdichte nicht beliebig gesteigert werden, so dass bei Öfen ab einem bestimmten Stundendurchsatz und dementsprechender Anschlussleistung die Ofenspule länger gestaltet werden muss. Da zu einem Induktionsofen zur Anpassung an verschiedene Werkstückdurchmesser jedoch mehrere Sätze von Ofenspulen gehören, die betriebsmässig getauscht werden müssen, ergibt sich jedenfalls die Forderung nach einer mechanischen Unterteilung der Spulen. Die Spulenabschnitte tragen an ihren Enden Pressplatten oder Ringe, mittels deren die einzelnen Windungen gegeneinander gepresst werden, um gegenüber den dynamischen Kräften ausreichende Festigkeit zu erreichen.
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Diese Pressvorrichtungen verhindern jedoch ein Aneinanderschliessen der Spulen ohne Abfall der Feldstärke.
Um den Abfall des Feldes zwischen den Spulenstössen zu vermindern, könnte die Amperewindungszahl an den Spulenenden erhöht werden. Wenn dies durch Erhöhung der Windungszahl realisiert werden soll, müssen an den Spulenenden mehrlagige Wicklungen vorgesehen werden, die eine aufwendige Konstruktion und Herstellung mit sich bringen.
Nach der österr. Patentschrift Nr. 207477 wird eine höhere Amperewindungszahl erreicht, indem bei solchen Induktionsöfen, die eine den Ofenraum'umgebende, rohrförmige Wicklung mit Abschnitten zur Speisung mit verschiedenen unverketteten Phasen eines Mehrphasensystems aufweisen, die Wicklungsabschnitte als Windungsgruppen einer einzigen im wesentlichen durchlaufenden Wicklung ausgebildet werden, wobei die Anschlüsse je zweier mit Strömen verschiedener Phase gespeisten Wicklungsabschnitte so angeordnet sind, dass zwischen die beiden Anschlüsse für die eine Phase einer der beiden Anschlüsse für die andere Phase verlegt ist.
Gemäss der USA-Patentschrift Nr. 2, 849, 584 ist auch nicht nur die Verwendung einer einzigen, entsprechend unterteilten Spule, sondern auch die Überlappung mehrerer Spulen bekannt.
Beide Systeme setzen jedoch die Ausbildung der Sekundärseite des Ofentransformators als unverkettetes System voraus, was die Anlagekosten erhöht, da die doppelte Anzahl von Hocbstromschienen zwischen Ofentransformator und Induktionsspule erforderlich ist. Ausserdem wird der überlappt geschaltete Wicklungsabschnitt nur von der vektoriellen Summe der Spulenströme durchflossen, deren Grösse durch die Zahl der Phasen und die Phasenlage der Spulenströme unveränderbar gegeben ist.
Die Erfindung vermeidet die aufgezeigten Nachteile, indem bei einem Induktionsofen, insbesondere Durchlaufinduktionsofen zum Erhitzen metallischer Werkstücke, bestehend aus mehreren, vorzugsweise von den Phasen eines Mehrphasensystems durchflossenen, rohrförmigen Spulenabschnitten, wobei zwischen diesen einzelnen Spulenabschnitten weitere Spulenabschnitte angeordnet sind, die von einem vom speisenden System, insbesondere Mehrphasensystem, abgeleiteten, eine Homogenisierung des Feldverlaufes innerhalb der gesamten Heizwicklung bewirkenden Hilfsstrom durchflossen sind, erfindunggemäss die Spulenabschnitte in Form selbständiger Hilfsspulen vorgesehen sind und durch getrennte Strom- oder Spannungshilfstransformatoren angespeist sind.
Weiters ist erfindungsgemäss das Übersetzungsverhältnis der Hilfstransformatoren verstellbar, so dass eine beliebige Erhöhung des Feldes der Hilfsspulen gegenüber dem Feld der Phasenspulen einstellbar ist, wobei die Höhe der Hilfsströme so gewählt werden muss, dass der gesamte Feldverlauf homogen ist, d. h. im Bereich der Hilfsspulen und der Spulenstösse dem in der Mitte einer Phasenspule gleicht, was durch Berechnung oder Versuche festzustellen ist.
Der hiebei erfindungsgemäss erzielbare Effekt ist in den Fig. 4 a und 4 b näher erläutert. In Fig. 4 a ist der Feldverlauf zweier rohrförmiger Spulen A und B und einer dazwischenliegenden Hilfsspule H dargestellt. Der Feldverlauf der Spulen A und B ist durch die Kurven 1 und 2 gegeben, der der Hilfsspule H allein durch Kurve 3. Kurve 4 ergibt den resultierenden Feldverlauf der Spulen A, B und H, während Kurve 5 den Verlauf ohne Spule H, also nur das resultierende Feld der Spulen A und B, darstellt. Erhöht man im Abschnitt der Hilfsspule H die Amperewindungszahl, wie in Fig. 4 b gezeigt, so ergibt sich mit den gleichen Bezeichnungen wie in Fig. 4 a der Verlauf des resultierenden Feldes als Kurve 4.
Es ist also ersichtlich, dass im Verlauf der Übergangszonen zwischen den Spulen A, H und B durch die Möglichkeit der freizügigen Wahl des Stromes in der Spule H jeder gewünschte Feldverlauf erzielt werden kann, u. zw. ohne zu Kunstschaltungen greifen zu müssen, in denen die gesamte Ofenleistung geführt werden muss. Der Leistungsbedarf der Spannungs- oder Stromhilfstransformatoren ist gegenüber der Ofenleistung klein, da auf sie nur der der Mantelfläche der Hilfsspule proportionale Teil der gesamten Spulenleistung entfällt. Sie können daher in unmittelbarer Nähe der Ofenspule angeordnet werden.
Bei Anschluss des Induktionsofens an ein Mehrphasensystem können erfindungsgemäss die Primärwicklungen der Hilfstransformatoren parallel zu den Phasenspulen geschaltet sein, und die zugehörigen Sekundärspulen speisen in zyklischer Vertauschung je eine der der benachbarten Phase zugeordneten Hilfsspulen, oder es können die Primärwicklungen der Hilfstransformatoren in Serie mit den Phasenspulen liegen.
Gemäss einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann jeder der Hilfstransformatoren zwei Sekundär-
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des einer andern Phase zugeordneten Hilfstransformators in Serie geschaltet, die zwischen den beiden diesen Phasen zugeordneten Spulenabschnitten liegenden Hilfsspulen speisen.
Weiters kann erfindungsgemäss jeder Hilfstransformator mit drei Schenkeln ausgerüstet sein, von denen zwei Schenkel je eine Primärwicklung tragen, die in den Zuleitungen zweier zyklisch aneinander anschliessenden Phasenspulen und mit diesen jeweils in Serie liegen, wobei diese Zuleitungen jeweils zu verschiedenen Potentialpunkten der Sekundärwicklungen des Ofentransformators (S) führen (so dass insgesamt jeweils zwei zwei verschiedenen Hilfstransformatoren zugeordnete Primärwicklungen mit einer Phasenspule in Serie liegen) und der dritte Schenkel jedes der Hilfstransformatoren eine Sekundärwicklung, welche die jeweils zwischen den beiden Spulenabschnitten,
die mit den beiden Primärwicklungen des je-
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Bei zyklischem Anschluss sämtlicher Phasenspulen kann erfindungsgemäss das Übersetzungsverhältnis der Hilfstransformatoren so gewählt sein, dass die Amplituden der Hilfsströme grösser sind als die der Phasenströme.
Erfindungsgemäss kann eine der bekannten Schaltungsarten wie Stern-Dreieck-, Zickzackschaltung, usw., für die Hilfsspulen angewendet werden.
In Fig. 5 sind die Primärwicklungen der Hilfsspannungstransformatoren iltr parallel zu den Phasenspulen A, B, C geschaltet. Die Hilfsspulen CH, AH, BH sind über die Sekundärwicklung der Hilfstransformatoren jeweils einer andern Phase angespeist. Die Sekundärwicklung des Ofentransformators ist mit 8 bezeichnet. Das zugehörige Vektordiagramm der Ströme dieser Anordnung ist in Fig. 6 dargestellt, aus dem ersichtlich ist, dass bei zyklischem Anschluss der Phasenspulen die Phasenwinkel zwischen den Haupt- und Hilfsströmen (strichliert) 600 betragen.
In Fig. 7 sind die Stromtransformatoren PrC, PrA', PrB in Serie mit den zugehörigen Phasenspulen C, A'und B'geschaltet, wobei die mittlere Phase A'jedoch phasenverkehrt angeschlossen ist. Jeder Hilfstransformator besitzt zwei Sekundärwicklungen Cl, C2 bzw. i', bzw.. Bj, B , von denen je zwei von verschiedenen Phasen in zyklischer Reihenfolge in Serie geschaltet sind. Das zugehörige Vektordiagramm der Ströme ist in Fig. 8 dargestellt.
In Fig. 9 sind die Hilfstransformatoren HTrl'HTr2'HTr3 mit drei Schenkeln ausgeführt, wovon je zwei eine Primärwicklung tragen, z. B. PrC2, Pr. < 4/ usw., die in den Zuleitungen verschiedener Phasenspulen C, A'und B liegen. Die Sekundärwicklung, die am dritten Schenkel angeordnet ist, führt einen Strom, der einen mittleren Phasenwinkel zwischen den Spulenströmen besitzt. Das zugehörige Vektordiagramm entspricht dem der Fig. 8. Die Schaltungen nach den Fig. 7 und 9 können auch mit nicht phasenverkehrten Mittelspulen ausgeführt werden. Es ergibt sich dann das gleiche Vektordiagramm wie in Fig. 6. Die Phasenwinkel zwischen den Haupt- und Hilfsströmen sind doppelt so gross (60 ).
Die Amplituden der Hilfsströme müssten grösser gewählt werden, um annähernd die gleiche Feldhomogenität zu erreichen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Induktionsofen, insbesondere Durchlaufinduktionsofen, zum Erhitzen metallischer Werkstücke, bestehend aus mehreren, vorzugsweise von den Phasen eines Mehrphasensystems durchflossenen rohrförmigen Spulenabschnitten, wobei zwischen diesen einzelnen Spulenabschnitten weitere Spulenabschnitte angeordnet sind, die von einem vom speisenden System, insbesondere Mehrphasensystem, abgeleiteten, eine Homogenisierung des Feldverlaufes innerhalb der gesamten Heizwicklung bewirkenden Hilfsstrom durchflossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenabschnitte in Form selbständiger Hilfsspulen vorgesehen sind und durch getrennte Strom- oder Spannungshilfstransformatoren angespeist sind.