DE1020133B - Elektrisches Hochfrequenzinduktionsheizsystem - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Hochfrequenzinduktionsheizsystem und betrifft insbesondere ein System, bei dem die Ausgangsleistung von Hand oder automatisch regelbar ist mit dem Vorteil, daß bei der gewünschten Änderung der Ausgangsleistung keine merkliche Verzögerung auftritt.

Das erfindungsgemäße elektrische Hochfrequenzinduktionsheizsystem enthält einen Generator zur Entwicklung elektrischer Hochfrequenzströme und einen Transformator mit einem Eisenkern, Primär- und Sekundärwicklungen und eine an die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossene Arbeitsspule, während die Primärwicklung des Transformators vom Generator mit Strom versorgt wird. Gemäß der Erfindung sitzt auf dem Eisenkern des Transformators eine von einer Gleichstromquelle abgeleiteten Steuerstrom führende Steuerspule, deren Stromzufuhr derart veränderbar ist, daß beim Anwachsen des Gleichstromes in der Steuerspule die Permeabilität des Eisenkerns sinkt und damit der Kraftfluß zwischen Primär- und Sekundärwicklung sowie däe auf die Arbeitsspule abgegebene Transformatorausgangsleistung abnimmt, während bei einer Abnahme des Gleichstromes in der Steuerspule die Permeabilität des Kerns zunimmt, so daß der Kraftfluß und damit die auf die Arbeitsspule abgegebene Ausgangsleistung steigt. Infolgedessen kann durch einen einzigen Transformator die Ausgangsleistung des Hochfrequenzinduktionsheizsystems entsprechend den Erfordernissen des zu erhitzenden Werkstückes geändert werden.

Die Gleichstromzuführung für die Steuerspule erfolgt entweder von einem an den Transformatoreingang oder -ausgang geschalteten Kreis über einen Gleichrichter oder durch eine unabhängige Gleichstromquelle.

Wird der Steuerspule kein Gleichstrom zugeführt, so sind die Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators durch den Fluß im Kern eng gekoppelt, so daß die Transformatorausgangsleistung bezüglich der Eingangsleistung den höchsten Wert hat. Wird dagegen die Steuerspule mit Gleichstrom beschickt, dann verringert sich die wirksame Permeabilität des Kerns, und der Kraftfluß zwischen den Wicklungen wird reduziert, so daß auch die Transformatorausgangsleistung absinkt.

Die Ausgangsleistung des Induktionsheizsystems ist infolgedessen vom Gleichstrom in der Steuerspule abhängig und kann durch Verstärkung oder Verminderung des der Steuerspule zugeführten Gleichstromes verringert oder vergrößert werden.

Nachdem die Ausgangsleistung des Induktionsheizsystems auf dliese Weise sehr schnell gesteuert werden kann, läßt sich auch die Behandlung von Gegen-

Elektrisches
Hochfrequenzinduktionsheizsystem

Anmelder:

Delapena & Son Ltd.,

Cheltenham (Großbritannien)

Vertreter: Dipl.-Ing. R. H. Bahr, Patentanwalt,
Herne (Westf.), Schaeferstr. 60

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 30. November 1950

ständen, die nur eine sehr kurze Wärmebehandlung erfordern, beispielsweise 1 oder 2 Sekunden, wirkungsvoll und zufriedenstellend vornehmen. Somit bietet die für die ,Steuerung des Ausgangsstromes gemäß der Erfindung vorgeschlagene Anordnung einen beträchtlichen Vorteil gegenüber den bekannten Vorrichtungen, die mit mechanisch bewegten Anordnungen arbeiten, welche jedoch für kurze Heizperioden nicht schnell genug betätigt werden können.

Ein gemäß der Erfindung konstruiertes Hochfrequenzinduktionsheizsystem ermöglicht die Ein-Stellung des auf die Arbeitsspule geführten Ausgangsstromes entsprechend den verschiedenen Erfordernissen der zu erhitzenden Gegenstände, während gleichzeitig der Ausgangsstrom des Generators konstant gehalten wird. Es ermöglicht ferner die Kompensation von Spannungsänderungen der Speiseleitung oder die Aufrechterhaltung einer hohen. Ausgangsleistung am Generator, wenn sich die physikalischen Eigenschaften des zu erwärmenden Materials mit der Temperatur ändern.

Als wichtigstes Anwendungsbeispiel sei die Erhitzung magnetischen Materials, beispielsweise Stahl, genannt, bei dem die von der Arbeitsspule durch das Material absorbierte Leistung oberhalb der Curietemperatur bei ungeregeltem Induktionserhitzungssystem sehr viiel geringer ist als unterhalb der Curietemperatur. Steigt jedoch infolge Regelung der Ausgangsstrom des Transformators beim Anwachsen der Temperatur des Werkstückes über die Curietemperatur, dann kann mit dem Induktionserhitzungssystetn

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nach der Erfindung die von dem erhitzten Material absorbierte Leistung auf einem hohen Wert gehalten werden.

Ein mit Rundfunkfrequenzen arbeitendes System gemäß der Erfindung soll im folgenden an Hand eines Beispiels und der Zeichnung beschrieben werden. Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur eine schematische Ansicht eines Transformators für ein solches System.

duktionsverbindung zwischen den zuführenden und abgebenden Stromkreisen, d. h. zwischen den primären und sekundären Wicklungen 16, 17, 18, 19, und ist daher bestrebt, den abgegebenen Strom konstant zu 5 halten. Wahlweise kann zum Zweck der Einstellung des Wertes des Steuerstromes von Hand ein veränderlicher Widerstand 21 in eine der zwei Leitungen 22, 23 eingeschaltet werden, über welchen der Steuerspule 20 Gleichstrom von einer geeigneten elektrischen

Das erfindungsgemäße Induktionsheizsystem enthält io Energiequelle zugeführt wird. Wenn es nicht ereinen elektrische Schwingungen im Rundfunkfrequenz- wünscht ist, den Gleichstrom des Generators der Inbereich erzeugenden Generator, der auf einem Trans- duktionserhitzungsvorrichtung zu verwenden, so könformator geschaltet ist, der einen Kern 10 aufweist,
der einen geschlossenen Eisenkreis bildet, gemäß dem

nen die Leitungen 22, 23 beispielsweise an die abgehenden Klemmen eines kleinen Gleichrichters ange-

Ausführungsbeispiel einen Lamellenkern, der aus 15 schlossen werden.

magnetischem Werkstoff in dünnen Streifen aufgebaut Um die Aufnahme von Radio- oder Hochfrequenz-

Selbstverständlich kann statt dessen

spannung durch die Steuerspule 20 so gering wie möglich zu halten, werden der Kern 10 des Transformators und seine primären und sekundären Wicklungen

ist. Selbstverständlich kann statt dessen der Kern
auch in anderer Weise aus einem zur Verwendung
bei Rundfunkfrequenzen geeigneten magnetischen
Kernmaterial hergestellt werden. Der Kern ist von 20 16, 17, 18, 19 so symmetrisch wie möglich ausgeführt, rechteckiger Gestalt und weist drei einander parallele Eine zusätzliche Stabilität der Speisung der Steuer-Glieder auf, von denen zwei, 11, 12, durch die ent- spule mit Gleichstrom kann dadurch erzielt werden, gegengesetzten Endglieder des Rechtecks gebildet daß in die Leitungen 22 und 23 eine Induktanzwerden, während das dritte Glied 13 in der Mitte Kapazitäts-Siebkette eingeschaltet wird, durch weiche zwischen den Endgliedern liegt. Die äußeren Glieder 25 verhindert wird, daß etwa induzierende Radio- oder 11,12 bilden die Querbalken von U-förmig gestalteten Hochfrequenzspannung nach dem Steuerstromkreis Körpern 14, 15, deren Schenkel 14a, 15 a sich nach zurückgelangt.

innen aufeinander zu erstrecken, so daß ihre freien Es wurde in der Praxis gefunden, daß, wenn der

Enden an den beiden Enden des zentralen Gliedes 13 Kern 10 ein Lamellenkern ist, eine für Radiofrequenzdes Kerns anliegen. Auf diese Weise sind die drei 30 induktiionserhitzungssysteme geeignete Stärke der parallelen Glieder 11, 12, 13 des Kerns miteinander Lamellen 0,05 mm ist, während sie für normale Hochan entgegengesetzten Enden durch einander parallele frequenzsysteme 0,175 mm beträgt. Falls in dem Kern Seitenglieder, die durch die Teile 14a, 15 a der Stoßfugen vorhanden sind, wie sie, bei 25 angedeutet, U-förmigen Glieder gebildet werden, verbunden. durch die aneinanderstoßenden Enden und Seiten der

Die Primärwicklungen des Transformators be- 35 U-förmigen Glieder 14 und 15 und des mittleren stehen aus zwei einander ähnlichen Spulen 16,17, die, Gliedes 13 gebildet werden, so müssen die anainanderan den äußeren Gliedern 11, 12 des Kerns angeordnet, stoßenden Flächen des Kerns geschliffen werden, um wie dargestellt, in Reihe geschaltet und entgegen- glatte Verbindungsflächen zu bilden, und bei einem gesetzt auf die zugeordneten Außenglieder auf- solchen Schleifvorgang muß dafür gesorgt werden, gewickelt sind. Bine ähnliche Anordnung ist für die 40 daß eine Gratbildung an den Enden der Lamellen verSekundärwicklung vorgesehen, die aus zwei in Reihe mieden wird.

geschalteten Spulen 18, 19 besteht, die ebenfalls auf Trotz der Tatsache, daß die Materialien, aus weiden äußeren Gliedern 11, 12 des Eisenkerns angeofd- chen der Kern aufgebaut wird, elinen geringen Vernet sind. Auf diese Weise sind die Wicklungen auf lustfaktor besitzen und die Lamellen aus dünnem dem Kern 10 so angeordnet, daß sich an jedem seiner 45 Material bestehen, wird in dem Transformator eine äußeren Glieder eine Primär- und eine Sekundärspule beträchtliche Wärmemenge erzeugt, die abgeführt befinden. Die Sekundärwicklungen 18, 19 sind auf die werden muß. Verluste als Folge einer solchen Wärmenicht gezeichnete Arbeitsspule des Systems geschaltet. erzeugung ebenso wie die Größe und demzufolge die Die Steuerspule 20 ist um das dritte oder zentrale Kosten des Transformators können auf einem Glied 13 des Kerns gewickelt und kann an eline ge- 50 Mindestwert gehalten werden, wenn der Transfonnaeignete Gleichstromquelle angeschlossen werden. tor so verwendet wird, daß er die Energie bei einem

Der Gleichstrom für die Steuerspule 20 kann aus Leistungsfaktor überträgt, der so groß wie möglich dem Generator des Induktionserhitzungssystems, bei- ist. Dies kann häufig erzielt werden, indem bei Schalspielsweise dem Gleichrichter, welcher bei einer tung des Transformators zwischen einen Generator Röhrenschaltung die Anoden der schwingungserzeu- 55 vom Röhrentyp und einen Abgangsstromkreis ein genden Röhren spelist, oder von einer anderen geeigne- hohes Verhältnis von kW/kVA verwendet wird, ten Quelle entnommen werden. Demgemäß wird, wenn Um die während der Arbeit der Induktions-

der Gleichrichterstrom dadurch abnimmt, daß die vom erhitzungsvorrichtung in den Transformator erzeugte Generator abgegebene Leistung kleiner wird, was bei- Wärme abzuführen, ist der Transformator in einem spielsweise eintritt, wenn Stahl bis oberhalb der 60 Behälter eingeschlossen, der bei 26 mit gestrichelten Curietemperatur erhitzt wird; der abgegebene Strom Linien dargestellt ist, aus nichtmagnetischem Metall, verstärkt und erhöht so die wirksame Abgabeleistung wie Messing oder Aluminium, besteht und mit öl gedes Generators. Wenn es erwünscht ist, die abgegebene füllt ist, in welches der Transformator und seine Leistung konstant zu halten, so kann der Steuerstrom Wicklungen eingetaucht sind, wobei die Anschlüsse an dadurch erhalten werden, daß ein kleiner, von dem 65 diese Wicklungen durch die Seitenwandungen des Kreis abgezweigter, von der Abgabeleistung ab- Behälters hindurchgehen. Entweder die primäre Wickhängiger Strom gleichgerichtet wird. Eine Verstär- lung 16, 17 oder die Sekundärwicklung 18, 19 oder kung des abgegebenen. Stromes liefert dann einen beide Wicklungen bestehen aus Kupferrohr, durch verstärkten Steuerstrom, der durch die Steuerspule 20 welches zum Zweck der Kühlung Wasser hindurchfließt, mit dem Ergebnis einer Verringerung der In- 70 geleitet wird. In Stromkreisen, in welchen die

primären und sekundären Wicklungen eine gemeinsame Endverbindung besitzen, können die Wasserkreise, die durch die Wicklungen fließen, in Reihe geschaltet werden. Die in den Wicklungen erzeugte Wärme wird durch das Wasser von diesen unmittelbar abgeführt, wobei die Temperatur des Wassers während des Durchfließens der Wicklungen nur geringfügig ansteigt, während die in dem Lamellenkern durch Hysteresis und Wirbelströme erzeugte Wärme auf das Öl in dem Behälter 26 übertragen wird. Sobald die Temperatur des Öls die des durch die Wicklungen des Transformators fließenden Wassers überschreitet, wird Wärme von dem Öl über die Kupferrohre, welche die Wicklungen bilden, auf das Wasser übertragen und durch dieses abgeleitet. Um einen gleichmäßigen Umlauf des Öls um die ganze Oberfläche des Kerns 10 zu sichern, müssen die Wicklungen in gutem Abstand von diesem angeordnet sein, jedoch ist dies nicht von Nachteil, da die normalerweise angewendeten Hochspannungen ohnehin entsprechende Abstände zwischen den Wicklungen und dem Kern bedingen.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Elektrisches Hochfrequenzinduktionsheizsystem mit einem Hochfrequenzgenerator, einem Transformator mit einem Eisenkern, einer vom Generator gespeisten Primärwicklung und einer mit einer Arbeitsspule verbundenen Sekundärwicklung, gekennzeichnet durch eine auf dem Eisenkern des Transformators sitzende, einen von einer Gleichstromquelle abgeleiteten Steuerstrom führende Steuerspule, deren Stromzufuhr derart veränderbar ist, daß beim Anwachsen des Gleichstromes 'in der Steuerspule die Permeabilität des Eisenkerns sinkt und damit der Kraftfluß zwischen Primär- und Sekundärwicklung sowie die auf die Arbeitsspule abgegebene Transformatorausgangsleistung abnimmt, während bei einer Abnahme des Gleichstromes in der Steuerspule die Permeabilität des Eisenkerns zunimmt, so daß der Kraftfluß und damit die auf die Arbeitsspule abgegebene Ausgangsleistung steigt.

2. Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom für die Steuerspule unter Zwischenschaltung eines Gleichrichters von einem Kreis abgenommen wird, an dem die Primär- oder Sekundärwicklungen des Transfor-

■ mators liegen.

3. Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom für die Steuerspule vom Generator abgenommen wird, so daß beim Abfallen des Generatorstromes bei einem Sinken der Leistungsentnahmen an der Arbeitsspule der durch die Steuerspule des Transformators fließende Strom ebenfalls sinkt, wodurch die auf die Arbeitsspule vom Transformator übertragene Ausgangsleistung steigt.

4. Heizsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom für die Steuerspule von einem Gleichrichter abgenommen wird, der die Anode einer Schwingröhre des Induktionsheizsystems speist.

5. Heizsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom für die Steuerspule durch Gleichrichtung eines Teiles des Ausgangsstromes des Induktionsheizsystems gewonnen wird, so daß bei einem Anwachsen des Ausgangsstromes ein Anwachsen des die Steuerspule durchfließenden Stromes und damit eine Verbindung des Kraftflusses zwischen Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators zur Konstanthaltung des Ausgangsstromes des Induktionsheizsystems hervorgerufen wird.

6. Heizsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspule des Transformators von einer vom Generator oder den Primäroder Sekundärwicklungen des Transformators unabhängigen Gleichstromquelle gespeist wird.

7. Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformatorkern im wesentlichen rechteckige P'orm aufweist und drei parallele, durch senkrecht dazu angeordnete parallele Seitenglieder verbundene Glieder enthält, von denen die äußersten das Abschlußglied des Rechtecks bilden und jeweils eine Prumär- und Sekundärwicklung tragen, während das dritte, zwischen den beiden anderen Gliedern angeordnete Glied die Steuerspule aufnimmt.

8. Heizsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklungen und die Sekundärwicklungen auf den äußeren Gliedern des Kerns entgegengesetzt gewickelt und in Reihe geschaltet sind.

9. Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Primär- und/oder Sekundärwicklung des Transformators als elektrisch leitendes Rohr ausgebildet ist, durch das ein flüssiges Medium zur Kühlung der Wicklungen strömt, und der Transformator mlit seinen Wicklungen in ein Ölbad eingetaucht ist, das die im Transformatorkern erzeugte Wärme an das Öl abgibt, welches selbst durch Wärmeübertragung auf das durch die Wicklung fließende Kühlmedium gekühlt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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