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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zum induktiven Schmelzen
mit einem Tiegel zur Aufnahme der Schmelze, der von wenigstens zwei übereinander
liegenden Spulen koaxial umgeben ist, und mit einer Einrichtung
zur Wechselstromversorgung der Spulen, die es erlaubt, die Spulen
entweder phasengleich oder phasenversetzt mit Wechselstrom zu versorgen,
wobei die Einrichtung zur Wechselstromversorgung wenigstens einen
Wechselrichter aufweist.
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Um
Metalle zu schmelzen, werden Induktionsöfen eingesetzt, wobei das zu
schmelzende Material in einen Tiegel eingebracht wird, der von wenigstens
einer Tiegelspule umgeben ist. Die Tiegelspule wird an eine Wechselspannung
angelegt, so dass im Tiegel ein Magnetfeld erzeugt wird, das in dem
Material Ströme
induziert, die zum Schmelzen des Materials und zum Aufheizen der
Schmelze führen.
Zur Stromversorgung der Tiegelspule benutzt man einen Wechselrichter,
an dessen Ausgang z. B. drei in axialer Richtung des Tiegels übereinander
angeordnete Spulen, die Teilabschnitte der Tiegelspule bilden, parallel
zueinander angeschlossen werden, so dass sie phasensynchron mit
einer Wechselspannung versorgt werden. Die Frequenz am Ausgang des
Wechselrichters ist auf die Arbeitsfrequenz der Spulen abgestellt,
so dass eine maximale Energieübertragung
stattfinden kann. In diesem so genannten einphasigen Betrieb entstehen
gemäß der 1a zwei übereinander geschichtete Bereiche
in der Schmelze, in der sich je ein Wirbel ausbildet. Dieser erste
Betriebsmodus ist daher besonders gut geeignet, das Material einzuschmelzen
und die Temperatur der Schmelze zu erhöhen, nicht aber um das Schmelzbad
vollständig
zu durchmischen und eine homogene Schmelze zu erzeugen.
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Es
ist bekannt, dass mit einem magnetischen Wanderfeld innerhalb der
Schmelze ein einziger Wirbel gemäß 1b erzeugt wird, der die
gesamte Schmelze erfasst, so dass die einzelnen Legierungsbestandteile
der Schmelze gleichmäßig verteilt
werden. Ein solches Wanderfeld kann erzeugt werden, indem die oben
erwähnten
Spulen phasenversetzt mit einem Wechselstrom versorgt werden. Dazu
wurde bisher ein so genannter Wirbeltransformator ohne Blindstromkompensation
genutzt, an dessen Ausgang ein Drehstrom zur Verfügung gestellt
wird.
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Die
Spulen werden vorzugsweise in eine Sternschaltung am Ausgang des
Wirbeltransformators angeschlossen, so dass die einzelnen Spulen
jeweils um 120° versetzt
mit einem Wechselstrom versorgt wurden. Die Ausgangsfrequenz des
Wirbeltransformators wird dabei durch die Eingangsfrequenz bestimmt,
die, da die Versorgungsspannung in der Regel aus einem öffentlichen
Netz bezogen wurde, bei 50 bzw. 60 Hz liegt. Durch die schlechte
Anpassung an die Eigenfrequenz der Spulen ist der Energieübertrag
gering. Dieser zweite Betriebsmodus wird daher eingesetzt, um die
Schmelze auf einer im ersten Betriebsmodus erreichten Solltemperatur
zu halten und um eine möglichst
hohe Wirbelkraft für eine
gute Durchmischung der Schmelze zu erzeugen.
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Für diesen
Betriebsmodus des dreiphasigen elektromagnetischen Wirbelns mittels
eines an der Netzfrequenz betriebenen Drehstromtransformators benötigte man
allerdings mindestens einen Hochspannungs- bzw. Hochstromschalter,
eine geteilte Ofenkondensatorbatterie, drei Wirbelschalter zum Auftrennen
der Parallelschaltung der Spulen, einen Wirbeltrafo mit Anzapfungen
für unterschiedliche Wir belspannungen
entsprechend den unterschiedlichen Tonnagen der Ofeneinsätze und
eine entsprechende Verschienung. Zusätzlich konnte es notwendig
werden, eine Blindstromkompensationsanlage zum Erreichen eines netzseitigen
cos-phi einzusetzen, um den Forderungen des jeweiligen Energieversorgers
am Aufstellungsort nachzukommen.
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Zur
Stromversorgung der Spulen in den beiden Betriebsmodi ist es demnach
notwendig, zwei getrennte Stromversorgungsanlagen bereit zu halten,
was mit entsprechenden Kosten verbunden ist. Die Erfindung beruht
somit auf der Aufgabe, eine kostengünstige Stromversorgung für einen
Induktionsofen zur Verfügung
zu stellen, mit der sowohl ein einphasiger Schmelzbetrieb als auch
ein Schmelzbetrieb mit versetzten Phasen (dreiphasig) durchgeführt werden
kann.
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Zur
Lösung
des Problems sieht die Erfindung vor, dass die Einrichtung zur Wechselstromversorgung
mehrere Wechselrichter in der Anzahl der vorhandenen Spulen aufweist,
wobei jede Spule einem der Wechselrichter zugeordnet ist und mit
dessen Ausgang, an dem eine Wechselspannung anliegt, verbunden ist,
wobei die relative Phasenlage der einzelnen Wechselspannungen durch
ein Steuersignal einstellbar ist, dass eine Einrichtung zum Steuern
der Phasenlage vorgesehen ist, die je ein Phasensteuerungssignal
an jeden Wechselrichter leitet, wobei die Steuerungseinrichtung
mindestens zwei Schaltzustände
(Betriebsmodi) vorsieht, wobei im ersten Schaltzustand die Steuerungssignale
eine phasengleiche Stromversorgung der Spulen und der zweite Schaltzustand
eine phasenverschobene Stromversorgung der Spulen bewirken.
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Durch
die Verwendung von mehreren Wechselrichtern, die phasenversetzt
angesteuert werden können,
lassen sich somit beide Betriebsmodi realisieren. Bei einer phasengleichen
Ansteuerung wirkt die Anordnung nicht anders als ein einzelner Wechselrichter,
an dem die Spulen parallel angeschlossen sind. Bei einer phasenversetzten
Ansteuerung wirken die Wechselrichter nicht anders als der bekannte Wirbeltransformator.
Die Anordnung hat somit den entscheidenden Vorteil, dass auf einen
Wirbeltransformator und die oben schon genannten, daraus resultierenden
zusätzlichen
Elemente verzichtet werden kann. Der damit erzielte Kostenvorteil
wird zum Teil dadurch kompensiert, dass anstelle eines Wechselrichters
mehrere Wechselrichter vorgesehen werden müssen. Dies ist aber immer noch
kostengünstiger
als die zur Verfügungstellung
eines Wirbeltransformators.
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Typischerweise
sind drei übereinander
angeordnete Spulen zur Bildung der Tiegelspule vorgesehen und damit
drei Wechselrichter, die im zweiten Schaltzustand eine Phasenverschiebung
von je 120° aufweisen.
Jede Spule kann auch aus zwei oder mehr Teilspulen gebildet werden,
die jeweils zu einer Spulengruppe zusammengefasst sind. Je nachdem, wie
viele Teilspulen pro Spule vorhanden sind, hat die Tiegelspule 3, 6 oder
auch mehr Teilspulen.
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Des
Weiteren sind die Wechselrichter so eingerichtet, dass ihre Ausgangsleistung
einstellbar ist. Dadurch lässt
sich in einfacher Weise der Energieeintrag und damit die so genannte
Wirbelkraft einstellen. Im einphasigen Betrieb wird die Frequenz
vorzugsweise auf die Arbeitsfrequenz, d. h. auf die Schwingungsfrequenz
der Spulen eingestellt, so dass ein maximaler Energieübertrag
stattfindet. Im dreiphasigen Betrieb wird diese Frequenz beibehalten,
aber die Amplitude und damit die Leistung ge senkt, so dass diese
ausreicht, die erreichte Temperatur der Schmelze zu halten, aber
noch eine ausreichende Wirbelkraft erzeugt wird, um die Schmelze
effektiv zu durchmischen.
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Die
oben erwähnte
Einrichtung kann auch so eingerichtet werden, dass jeweils ein Steuersignal
für jeden
Wechselrichter generiert wird, mit dem die Amplitude, die Frequenz
und die Phase der Wechselspannung am Ausgang des jeweiligen Wechselrichters
eingestellt wird. Die genannten Parameter können für die einzelnen Spulen durchaus
unterschiedlich sein, so dass die Stromversorgung der einzelnen Spulen
z. B. an den Füllgrad
des Tiegels angepasst werden kann.
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Im
Folgenden soll anhand eines Ausführungsbeispiels
die Erfindung näher
erläutert
werden. Dazu zeigen:
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1a/b
eine schematische Darstellung der Wirbel in der Schmelze im einphasigen
(a) bzw. dreiphasigen (b) Betriebsmodus,
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2 die
Stromversorgung der Spulen eines Induktionsofens nach dem Stand
der Technik,
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3 die
Stromversorgung der Spulen eines Induktionsofens gemäß der Erfindung.
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Die 1a und 1b zeigen
je einen Tiegel 1 mit einer Schmelze 2. Koaxial
zur Tiegelachse befindet sich eine Tiegelspule 3, mit der
induktiv Energie in die Schmelze 2 eingebracht werden kann.
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Gemäß der 1a ist
ein einphasiger Betrieb vorgesehen. Dadurch entstehen in der Schmelze 2 zwei
Schichten 4a, 4b, in der sich je ein Wirbel 5a, 5b ausbildet,
was durch die Pfeile angedeutet sein soll. Zwischen den beiden Schichten 4a, 4b befindet
sich eine deutliche Trennlinie 5c, so dass nur geringer
Materialaustausch zwischen den Schichten 4a, 4b stattfindet.
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Gemäß der 1b wird
die Tiegelspule 3 dreiphasig betrieben. Dadurch bildet
sich ein einheitlicher Wirbel 5 in der gesamten Schmelze 2 aus,
so dass diese vollständig
durchmischt wird und eine hohe Homogenität erzielt wird.
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Die
Drehrichtung des Wirbels 5 wird dabei vorzugsweise so gewählt, dass
die Schmelze am Tiegelumfang nach oben steigt und um die zentrale
Vertikalachse wieder nach unten sinkt. Dies bietet den Vorteil,
dass im Zentrum nach chargiertes Material leicht eingerührt werden
kann. Des Weiteren gelang bei dieser Art des Wirbels, dass nach
und nach die gesamte Schmelze an den Schmelzspiegel gelangt und
dadurch entgast wird. Im allgemeinen hat sich gezeigt, dass eine
wirksame Entgasung schon nach wenigen Minuten eintritt.
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In
der 2 ist die Stromversorgung der Tiegelspule 3 gemäß dem Stand
der Technik dargestellt. Die Tiegelspule 3 besteht aus
drei übereinander
angeordneten Spulen 6, 7, 8, die parallel
zueinander in je einem Parallelzweig an den einzigen Wechselrichter 9 eines
Umrichters 10 angeschlossen sind. Der Eingang des Umrichters 10 ist über einen
Abspanntransformator 11 und einen Mittelspannungsschalter 12 an
eine Mittelspannungsversorgung 13 angeschlossen. Zu jeder
Spule 6, 7, 8 ist ein Kondensator 14, 15, 16 parallel
geschaltet. Jeder Parallelzweig kann mittels eines Wirbeltrennschalters 17, 18, 19 vom
Wechselrichter 9 getrennt werden.
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Die
Spulen 6, 7, 8 sind außerdem in
einer Sternschaltung an einen Wirbeltransformator 20 angeschlossen,
der über einen
weiteren Mittelspannungsschalter 21 ebenfalls an die Mittelspannungsversorgung 13 angeschlossen
ist. Die Wirbeltrennschalter 17, 18, 19 sind
mit dem weiteren Mittelspannungsschalter 21 gekoppelt,
so dass entweder die Wirbeltrennschalter 17, 18, 19 oder
aber der weitere Mittelspannungsschalter 21 geschlossen
ist. Die Spulen 6, 7, 8 werden somit
entweder vom Umrichter 10 oder vom Wirbeltransformator 20 mit
Strom versorgt.
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Die
Spulen 6, 7, 8 bilden zusammen mit den Kondensatoren 14, 15, 16 jeweils
einen Schwingkreis, dessen Arbeitsfrequenz (Resonanzfrequenz) typischerweise
in der Größenordnung
von 90–500
Hz liegt. Um einen maximalen Energieübertrag zu erreichen, ist auch
die Frequenz am Ausgang des Wechselrichters 9 auf diesen
wert eingestellt. Beim Betrieb der Spulen 6, 7, 8 mittels
des Umrichters 10 ist somit ein hoher Energieeintrag möglich, so
dass das Material rasch eingeschmolzen und auf eine hohe Temperatur
gebracht werden kann. Die sich in der Schmelze einstellenden Wirbel
entsprechen der Darstellung in der
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1a.
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In
der zweiten Betriebsart werden die Wirbeltrennschalter 17, 18, 19 geöffnet und
der Mittelspannungsschalter 21 geschlossen, so dass die Stromversorgung über den
Wirbeltransformator 20 erfolgt. Aufgrund der Sternschaltung
werden die einzelnen Spulen 6, 7, 8 phasenversetzt
mit einer Wechselspannung versorgt. Deren Frequenz liegt allerdings
bei ca. 50 bzw. 60 Hz, je nachdem, welche Frequenz die Mittelspannungsebene
zur Verfügung stellt.
Der Energieeintrag ist klein und dient im Wesentlichen zum Halten
der Temperatur. Entscheidend ist aber, dass sich ein Wirbel 5 einstellt,
der die gesamte Schmelze 2 umfasst, wie dies in der 1b dargestellt
ist, so dass in dieser Betriebsart eine Homogenisierung der Schmelze 2 erreicht
wird.
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Die 3 zeigt
die Stromversorgung der Spulen 6, 7, 8 gemäß der Erfindung.
Diese besteht aus einem Umrichter 10, der im Gegensatz
zum Stand der Technik aber über
drei Wechselrichter 22, 23, 24 verfügt, an denen
jeweils eine der Spulen 6, 7, 8 angeschlossen
ist. In jedem Zweig befindet sich weiterhin ein zur Spule 6, 7, 8 parallel
geschalteter Kondensator 14, 15, 16.
Da ansonsten keine weitere Stromversorgung vorgesehen ist, kann
auch auf die Parallelzweigschalter 17, 18, 19 verzichtet
werden.
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Der
Umrichter 10 wird wie im Stand der Technik über einen
Abspanntransformator 11 und einen Mittelspannungsschalter 12 an
eine Mittelspannungsebene 13 angeschlossen.
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Jeder
der Wechselrichter 22, 23, 24 ist über eine
Steuerleitung 25, 26, 27 an eine Steuereinrichtung 28 angeschlossen,
die räumlich
Bestandteil des Umrichters 10 ist. Mit Hilfe von Signalen,
die in der Steuerschaltung generiert werden und über die Leitungen 25, 26, 27 den
Wechselrichtern 22, 23, 24 zur Verfügung gestellt
werden, kann die relative Phasenlage der Wechselspannungen an den
Ausgängen
der Wechselrichter 22, 23, 24 eingestellt
werden.
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Im
einphasigen Betrieb ist keine Phasenverschiebung vorgesehen, so
dass die drei Wechselrichter 22, 23, 24 wie
ein Wechselrichter agieren, an dem die Spulen 6, 7, 8 parallel
angeschlossen sind. Im Dreiphasenbetrieb bewirkt die Steuerung,
dass die Phasen der Wechselspannungen an dem Ausgang der Wechselrichter 22, 23, 24 jeweils
um 120° zueinander
versetzt sind. In dieser Hinsicht wirken die drei Wechselrichter
wie ein Wirbeltransformator und stellen somit quasi einen Drehstrom
zur Verfügung.
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In
dieser Betriebsart erfolgt eine Homogenisierung der Schmelze gemäß 1b.
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Die
Steuereinrichtung 28 kann weiterhin dazu eingesetzt werden,
die Frequenz der Wechselspannung am Ausgang der Wechselrichter 22, 23, 24 zu
steuern.
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Die
Steuereinrichtung 28 dient auch dazu, die Spannungsamplitude
der Wechselspannung am Ausgang der Wechselrichter 22, 23, 24 zu
steuern. Mittels der Steuereinrichtung 28 lassen sich somit alle
relevanten Größen der
Wechselspannung, nämlich
Amplitude, Frequenz f und Phase vorgeben. Mit diesen Parametern
lässt sich
sowohl die Leistungseingabe P in die Schmelze als auch die Wirbelkraft
F, das ist die Kraft, die auf eine Volumeneinheit der Schmelze wirkt,
einstellen. Die Wirbelkraft F ist proportional dem Quotienten aus
Leistung P und der Wurzel aus der Frequenz f: F
= Z·(P/√f)
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Unterschiede
zwischen dem Stand der Technik und der erfindungsgemäßen Lösung werden durch
das folgende Zahlenbeispiel für
einen Tiegel mit einer 3 t wiegenden Schmelze nochmals verdeutlicht.
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Mit
der Stromversorgung durch den Umrichter bei einer Arbeitsfrequenz
von 275 Hz und einer induzierten Schmelzleistung von 678 kW beträgt die Wirbelkraft
angegeben als Wert des Quotienten (P/√f) ca. 40,88.
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Bei
einer Stromversorgung durch den Wirbeltrafo ergibt sich bei einer
Arbeitsfrequenz von 50 Hz und einer induzierten Schmelzleistung
von 92 kW ein entsprechender Wert für die Wirbelkraft von 13,01.
Um eine Wirbelkraft von 13,01 bei einer Stromversorgung durch den
Umrichter 10 gemäß der Erfindung
bei einer Arbeitsfrequenz von 275 Hz zu erreichen, muss die Leistung
etwa 2,3-fach größer sein,
also bei ca. 216 kW liegen.
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Hieraus
folgt, dass mit ca. einem Drittel der maximal möglichen Schmelzleistung von
678 kW die gleiche Wirbelleistung hervorgerufen wird, wie bei dem
entsprechenden Wirbeltrafo, der unkompensiert 1.000 kVA bei 124
Volt verkettete Trafospannung besitzt, wobei dieser nur 92 kW Eintrag
an Schmelzleistung hätte.
Die Halteleistung bei einem 3-Tonnen-Ofen beträgt aber ca. 230 kW. Vergleicht
man dies mit dem Eintrag an Leistung, der durch den Umrichter notwendig
wird, um eine ähnliche
Wirbelkraft wie durch den Wirbeltrafo zu erzielen, so ist unschwer
zu erkennen, dass dieser fast exakt der Halteleistung entspricht.
Aus diesem Grund ist es möglich,
mit dem dreiphasigen Schmelzen bereits bei einer Halteleistung von
230 kW eine intensive und effektive Rührwirkung zu erzielen. Eine Überhitzung der
Schmelze wird vermieden. Die gewünschte
Temperatur kann somit problemlos gehalten werden. Beim dreiphasigen
Schmelzbetrieb ergibt sich nahezu der gleiche netzseitige cos-phi
wie bei einphasigem Schmelzbetrieb.
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- 1
- Tiegel
- 2
- Schmelze
- 3
- Tiegelspule
- 4a,
4b
- Schicht
- 5a,
5b
- Wirbel
- 5c
- Trennlinie
- 6,
7, 8
- Spule
- 9
- Wechselrichter
- 10
- Umrichter
- 11
- Abspanntransformator
- 12
- Mittelspannungsschalter
- 13
- Mittelspannungsversorgung
- 14,
15, 16
- Kondensator
- 17,
18, 19
- Schalter
- 20
- Wirbeltransformator
- 21
- Mittelspannungsschalter
-
-
- 22,
23, 24
- Wechselrichter
- 25,
26, 27
- Steuerleitung
- 28
- Steuereinrichtung