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Induktionsanlage mit mindestens zwei über eine Sammelschiene gespeisten
Heizstationen mit mehreren aufeinanderfolgenden, mit verschiedenen Leistungen und
unterschiedlichen Frequenzen arbeitenden Erwärmungszonen zum regelbaren Erwärmen
von metallischen Werkstücken Die Erfindung befaßt sich mit Induktionsanlagen, bei
welchen ein oder mehrere Mittelfrequenzumformer ein Sammelschienensystem einspeisen,
an das mindestens zwei, meist jedoch eine Vielzahl von Heizstationen angeschlossen
sind. Derartige Anlagen haben sich insbesondere eingeführt für Zwecke, bei denen
Werkstücke für ein nachfolgendes Warmverformen erhitzt werden müssen. Sie eignen
sich deshalb für solche Betriebe besonders, weil die Umformeranlage getrennt vom
rauhen Schmiede- oder Walzbetrieb aufgestellt werden kann und die einzelnen Heizstationen
durch Kabel an das Sammelschienennetz angeschlossen werden können. Sie haben aber
auch entscheidende Nachteile.
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Die einzelnen Heizstationen müssen getrennt voneinander in ihrer Leistung
regelbar sein. Dies ist deshalb erforderlich, weil die Abmessungen der zu erwärmenden
Werkstücke und der notwendige Arbeitstakt sich mehr oder minder häufig ändern. Abmessungsänderungen
der zu erwärmenden Stücke ergeben sich zwangläufig, wenn beispielsweise in der Schmiedepresse
das Gesenk gewechselt wird, um Werkstücke einer von der bisherigen Form unterschiedlichen
Formgebung zu verschmieden. In einem solchen Fall ändert sich aber nicht nur Form
und Abmessung des Werkstückes, sondern im allgemeinen auch der Arbeitstakt, d. h.
es wird an der Schmiedepresse oder der sonstigen Warmformgebungseinrichtung rascher
oder langsamer gearbeitet. Eine solche Abänderung des Taktes kann aber auch dann
erforderlich werden, wenn stets das gleiche Stück erwärmt und anschließend verarbeitet
wird, nämlich dann, wenn eine Anpassung des Arbeitstaktes an das Leistungsvermögen
des Schmiedes oder der Schmiedemannschaft herbeigeführt werden muß. Bekanntlich
ist das Arbeitsvermögen der Schmiede im Verlaufe der Schicht starken Schwankungen
unterworfen. Unmittelbar nach Schichtbeginn liegt ein hohes Arbeitsvermögen vor,
das bis zur Arbeitspause und von da ab bis zum Schichtende jeweils absinkt. Diesen
Gegebenheiten muß eine derartige Anlage sich anpassen können.
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Jede einzelne Heizstation entnimmt der Sammelschiene eine Leistung,
die der gerade vorliegenden Aufheizaufgabe entspricht. Um die von den einzelnen
Heizstationen dem Sammelschienensystem entnommene Leistung zu verändern, gibt es
verschiedene Möglichkeiten, und zwar können beispielsweise Regeltransformatoren,
anzapfbare Autotransformatoren oder Drosselspulen vorgesehen werden, die den Anpaßwiderstand
oder die Speisespannung der betreffenden Heizstation verändern. Es ist auch möglich,
die der mit konstanter Spannung betriebenen Sammelschiene entnommene Leistung zu
verändern, indem die Induktionsspule der betreffenden Heizstation mit Anzapfungen
versehen wird oder einzelne Kreise der Induktionsspule wahlweise in Reihe oder parallel
geschaltet werden oder eine stufenweise Änderung herbeigeführt wird, indem die einzelnen
Kreise der Induktionsspule zu- oder abgeschaltet werden.
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Da jede einzelne der Heizstationen, die über den gesamten Warmformgebungsbetrieb
verteilt sind, mit solchen Regeleinrichtungen auszurüsten wäre, ist es ohne weiteres
deutlich, daß dadurch erhebliche Investitionen erforderlch wären. Hinzu kommt, daß
Transformatoren und/oder Drosselspulen in ihrer Herstellung aufwendig sind und für
diesen Zweck für die maximale Heizleistung - in vielen Fällen sogar für maximale
Schwingkreisleistung-ausgelegt werden müssen und dadurch erheblichen Raum für ihre
Aufstellung benötigen, der den Warmformgebungsbetrieben meist in nur unzureichendem
Maße zur Verfügung steht. Außerdem müssen solche Regeleinrichtungen in jedem Falle
gemäß den vorliegenden Betriebsbedingungen ausgelegt werden, wodurch sich eine verteuernde,
unterschiedliche Baugröße ergibt, die die einheitliche Planung solcher Erwärmungsanlagen
erschwert. Auch in der Reserveteilhaltung ergibt sich durch die unterschiedliche
Ausführungsform und Größe dieser Einrichtungen ein
erheblicher Mehraufwand.
Eine Regelung unter Verwendung von stufenlosen Regeltransformatoren wird vielfach
zu Störungen Anlaß geben, weil solche Einrichtungen bei den üblichen Frequenzen
von 600 bis 10 000 Hz nicht immer technisch einwandfrei arbeiten.
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Eine Regelung der Spannung an der Sammelschiene scheidet selbstverständlich
von vornherein aus. da bei einer solchen Veränderung der Spannung an der Sammelschiene
gleichzeitig an allen Heizstationen eine Leistungsänderung hervorgerufen würde.
Es ist aber erforderlich, jede Heizstation für sich allein regeln zu können.
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Es ist an sich bekannt, für das Durchwärmen von Schmiedestücken mittels
maschinenfrequentem Strom Öfen vorzusehen, die mehrere aufeinanderfolgende, mit
verschiedenen Leistungen arbeitende Erwärmungszonen aufweisen. Hierbei sind die
einzelnen Ofeneinheiten über Spannungsregelvorrichtungen an gemeinsame Sammelschienen
angeschlossen. Diese Anordnung erlaubt aber nicht eine wirtschaftliche Anpassung
an verschiedenartige Betriebsfälle und unterschiedliche Arbeitstakte im betrieblichen
Arbeitsablauf. Auch durch die Anwendung der Frequenzänderung während des Erhitzens,
beispielsweise durch einen an sich bekannten Frequenzwand.-ler läßt sich dies nicht
erreichen.
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Zweck der Erfindung ist es, mit Sammelschienen arbeitende Induktionsanlagen
derart regelbar zu gestalten, daß die Leistung der einzelnen Heizstationen für sich
allein eingestellt werden kann, ohne daß hierzu aufwendige Mittel notwendig sind
und die ohne weiteres in den rauhen Warmformgebungsbetrieben Aufstellung finden
können. Dabei soll eine weitgehende wirtschaftliche Anpassung an die vorkommenden
verschiedenartigen Betriebsfälle und unterschiedlichen Arbeitstakte möglich sein.
Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß jede Heizstation in mindestens
zwei in Richtung des Werkstückflusses hintereinander angeordnete Induktoren aufgeteilt
wird. Der eine dieser beiden Induktoren wird unmittelbar an die Sammelschiene angeschlossen,
wie dies an sich bekannt ist. Er ist nicht regelbar und wird mit der von der Sammelschiene
gelieferten konstanten Spannung, vorzugsweise von Mittelfrequenz, betrieben. Der
andere Induktor wird über einen spannungsregelbaren statischen Frequenzwandler,
insbesondere Frequenzvervielfacher, in an sich bekannter Weise gespeist. Die statische
Frequenzwandlung bietet die Möglichkeit, auf einfache Weise die an den Induktor
abgegebene Leistung durch Beeinflussung im leistungsschwachen Gleichstrommagnetisierungskreis
stufenlos zu regeln. In groben Stufen kann dabei eine Leistungsregelung durch Verstimmen
des Schwingkreises durch Schaltung von Kondensatoreneinheiten herbeigeführt werden,
während die kontinuierliche stufenlose Regelung durch Veränderung des Gleichstromes
des Magnetisierungskreises erfolgt.
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Der erfindungsgemäße Vorschlag bedeutet für einen praktischen Fall
beispielsweise, daß eine Sammelschiene vorgesehen wird, die mit einer Frequenz von
3000 Hz betrieben wird und an die einzelne Heizstationen angeschlossen sind. In
jeder Heizstation wird zusätzlich mindestens ein Induktor vorgesehen, der über einen
Frequenzwandler mit einer Frequenz von 150 Hz betrieben wird. Zum Aufheizen beispielsweise
von Rohblöckchen, die anschließend einer Warmformgebung unterworfen werden sollen,
wird bei einer solchen Einrichtung derart verfahren, daß in dem mit 150 Hz betriebenen
Induktor das Erwärmen im Bereich von 20° C bis zur Vorwärmtemperatur von 200 bis
800° C vorgenommen wird. Im nächgeordnefen Mittelfrequenzinduktorfindet das Aufheizen
bis auf die gewünschteWarmformgebungstemperatur von 800 bis 1250° C statt. Die stufenlose
Beeinflussung der Endtemperaturhöhe oder die stufenlose Änderung des Aufheiztaktes
bei gleichbleibender Endtemperatur wird erreicht, indem die dem statischen Frequenzvervielfacher
entnommene Leistung über die Kondensatorenschaltung in Stufen und über die Änderung
der Gleichstrommagnetisierung stufenlos geregelt wird. Hiervon bleibt unberührt
die Anpassung des Mittelfrequenzinduktors, der von der mit konstanter Spannung betriebenen
Sammelschiene aus eingespeist wird. Diese Art der Regelung macht es notwendig, für
den oder die vorgeschalteten Induktoren eine gesonderte Stromquelle zur Verfügung
zu haben. Es ist möglich, diese Induktoren mit ihren Frequenzwandlern an eine entsprechende
Sammelschiene niedriger Frequenz anzuschließen, die aber selbstverständlich von
der Sammelschiene für den Betrieb der Mittelfrequenzinduktoren getrennt sein muß.
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Es ist ferner möglich, die Frequenzwandler an die gleiche Sammelschiene
anzuschließen, die auch die Mittelfrequenzinduktoren speist. In diesem Falle müssen
die Mittelfrequenzinduktoren in den einzelnen Heizstationen an der Werkstückeingangsseite
installiert werden und die von den statischen Frequenzvervielfachern gespeisten
Induktoren in Richtung des Materialflusses hinter dem Mittelfrequenzteil. Bei dieser
Anordnung findet das Aufheizen bei einer niedrigen Frequenz statt als das Erwärmen
auf Endtemperatur. Die Regelmöglichkeiten sind sowohl hinsichtlich der zu erreichenden
Endtemperatur als auch des Aufheiztaktes die gleichen wie im erstgenannten Beispiel.
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Wie ohne weiteres verständlich, ist die Erfindung nicht daran gebunden,
daß die verschieden frequent gespeisten Induktoren in Richtung des Werkstückflusses
unmittelbar hintereinander angeordnet sind. Sie können vielmehr auch über- oder
nebeneinander angeordnet sein. Ein solcher räumlicher Aufbau für die Heizstationen
wird dann anzuwenden sein, wenn es sich darum handelt, Werkstücke nur teilweise
zu erhitzen, d. h. beispielsweise nur deren Endabschnitte. Die Werkstücke werden
hierbei in bekannter Arbeitsweise mit ihren Enden zunächst in den Induktor eingefahren,
der die Vorwärmung vornimmt und alsdann in der gleichen Weise in denjenigen, der
die Erhitzung auf Endtemperatur vornimmt.
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Gleichgültig, in welchem Maße die Frequenzvervielfachung vorgenommen
wird und gleichgültig, ob es sich um einen Vorwärmteil mit einem Frequenzverdreifacher
mit verhältnismäßig niedriger Frequenz oder um einen Nachwärmteil mit einer Frequenzverdopplung
oder -verdreifachung mit verhältnismäßig hoher Frequenz handelt, kann die Leistungsregelung
in der einfachsten Weise erfolgen. In der einfachsten Form ist sie möglich durch
Betätigung von Schaltschützen für Kondensatoren und eines Potentiometers von Hand.
Es ist jedoch auch eine druckknopfgesteuerte Bedienung über einen Servomotor für
die Veränderung der Heizleistung des statischen Frequenzvervielfachers möglich.
Für automatisierte
Anlagen kann die Veränderung der dem Frequenzvervielfacher
entnommenen Leistung durch einen Taktgeber erfolgen, der beispielsweise von einer
Kurvenscheibe gesteuert wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Induktionsanlage
gemäß der Erfindung dargestellt. Ein mittelfrequentes Sammelschienensystem 1 wird
von den Generatoren 2 über die Schalter 3 eingespeist. Im Ausführungsbeispiel sind
an diese Sammelschiene drei Heizstationen angeschlossen. Die Heizstation 4 besteht
aus dem von der Sammelschiene 1 gespeisten Induktor 7 und dem von einem Frequenzverdreifacher
11 gespeisten Induktor 9, der vor dem Induktor 7 als Vorheizinduktor bei einer Einspeisung
mit 150 bzw. 180 Hz angeordnet ist. Die Heizstation 5 weist einen Vorinduktor
17 auf, der an das Sammelschienennetz angeschlossen ist, während der Nachheizinduktor
19 von einem vom gleichen Sammelschienennetz gespeisten Frequenzverdoppler 21 eingespeist
wird. Die Heizstation bei 6 ist gedacht für das Endenwärmen von Werkstücken für
anschließendes Verformen oder aber auch für das Gesamterwärmen von solchen Stücken,
die erst in Induktor 29 und anschließend in Induktor 27 gebracht werden. Der Induktor
29 ist wiederum von einem Frequenzverdreifacher 31 eingespeist, der über den Schalter
34 vom Netz 35 versorgt wird. Induktor 27 dagegen wird von der Sammelschiene 1 gespeist.
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Die Kondensatoren 8, 18 und 28 kompensieren jeweils die an die Sammelschiene
1 angeschlossenen Induktoren 7, 17 und 27. Die von diesen Induktoren aufgenommene
Heizleitung wird nicht geregelt. Die Anpassung an den Verarbeitungstakt wird durch
Regelung der den Induktoren 9, 19 und 29 zugeführten Leistungen erreicht. Der Induktor
9 wird vom Verdreifacher, der gegebenenfalls auch als Verfünffacher oder Verneunfacher
ausgebildet sein kann (11) eingespeist. Die Kondensatoren 10 und
10'
dienen zur Kompensation des Lastkreises sowie zur Leistungsschaltung in
groben Stufen. Zur stufenlosen Feinregelung der Leistungszufuhr dient der Gleichstromrnagnetisierungsvorsatz
12. Die Kondensatoren 13 auf der Netzseite verbessern den cos T des Vervielfachers
11 am Netz 15.
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Die Werkstücke durchlaufen die Induktoren der Heizstation 4 in Richtung
des Pfeiles 36, wobei in dem Vorheizinduktor eine Aufheizung bis auf 200 bis 800°
C vorgenommen wird, während in dem Induktor 7 die Aufheizung auf Endtemperatur erfolgt.
Bei der aus den Induktoren 17 und 19 bestehenden Aufheizstation 5 erfolgt unter
einem Materialfluß in Richtung des Pfeiles 37 das Vorwärmen mit dem an die Sammelschiene
1 konstanter Spannung angeschlossenen Induktor 17. Das Aufheizen auf Endtemperatur
erfolgt im Induktor 19, der über einen Frequenzverdoppler 21 an die Sammelschiene
angeschlossen ist. Die Kondensatoren 22 dienen zur Kompensierung der Primärwicklung
des Verdopplers. Mittels der Kondensatoren 20 kann über die Schalter 16 in.
groben Stufen die Leistung verändert werden. Die stufenlose Änderung der Leistung
erfolgt im Gleichstrommagnetisierungsteil 23.
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Heizstation 6 besteht aus dem Vorinduktor 29, der wiederum von einem
Verdreifacher, Verfünffacher oder einem eine noch höhere Frequenz erzeugenden Vervielfacher
31 eingespeist wird. Die Kondensatoren 30 und 30' gestatten
eine stufenweise Leistungsänderung, der Gleichstrommagnetisierungsteil 32 eine stufenlose
Leistungsregelung. Die Kondensatoren 33 kompensieren die Primärseite des Vervielfachers
31, der über den Schalter 34 vom Netz 35 eingespeist wird. Der Festkondensator 28
kompensiert den Nachheizinduktor 27. Die zu erwärmenden Teile treten in Richtung
des Pfeiles 38 in den Vorinduktor und anschließend in Richtung des Pfeiles 39 in
den Hauptinduktor ein.
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Es sind auch Kombinationen der dargestellten Schaltungen möglich.
So können auch ein Vorheizinduktor mit Einspeisung über einen Vervielfacher vom
Netz, ein Hauptinduktor mit Anschluß an die Sammelschiene und ein Nachheizinduktor
mit Anschluß an einen Verdoppler, der aus der Sammelschiene gespeist ist, kombiniert
werden.