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Verfahren und Vorrichtung zur induktiven Erwärmung von Werkstücken
mit verstellbaren Induktoren Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur induktiven Erwärmung von Werkstücken verschiedener Abmessungen mittels in ihrer
Weite verstellbarer Induktoren.
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Bisher bekannte induktive Erwärmungsanlagen sind in der Regel Einzweckanlagen.
Sie arbeiten mit konstanter Frequenz und konstanten Spulenabmessungen. Sollen Werkstücke
verschiedener Abmessungen, insbesondere mit unterschiedlicher Dicke, induktiv erwärmt
werden, so mußte bisher die Spule ausgewechselt werden. Neuere Anlagen arbeiten
mit verstellbaren Induktoren.
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So ist z. B. ein Tfansfererhitzer bekannt, dessen eine Spulenhälfte
in einer zur Spulenlängsachse senkrechten Richtung verschiebbar angeordnet ist.
Derartige verstellbare Induktoren bieten zwar den Vorteil, daß der gleiche Induktor
für Werkstücke verschiedener Abmessungen mit dem jeweils günstigsten Kopplungsabstand
verwendet werden kann, sie lösen aber noch nicht die Problemstellung, daß bei vorgegebener
Länge der Erwärmungsstrecke, unabhängig vom Werkstückdurchmesser, die Nennleistung
der Erwärmungsanlage voll ausgenutzt werden kanni d: h. also, daß über den
gesamten Verstellbereich des Induktors immer das gleiche Durchsatzgewicht
je
Zeiteinheit auf eine konstante Temperatur bei gleichmäßiger Durchwärmung
der Werkstücke erwärmt werden kann.
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Die nachstehend aufgeführten Größen bedeuten: f = Frequenz,
ö = Eindringtiefe, t = Durchwärmzeit, C = Kapazitäten,
U = Spannung, N = Leistung, D = Werkstückdicke,
L = Induktorlänge, W = Induktorweite. Versuche haben ergeben, daß
bei einer Anpassung der Frequenz f an die Werkstückdicke D dergestalt,
daß die Eindringtiefe ö - die in Abhängigkeit von den Materialkonstanten,
insbesondere der . Wärmeleitfähigkeit, in einer bekannten Beziehung zur Frequenz
f des Induktorstromes steht
- etwa einem Drittel der Werkstückdicke D entspricht, die Durchwärmzeit
t der Beziehung t - (D-ö)1 entspricht. Das heißt also, daß unter der
genannten Voraussetzung D -- 3ö die Durchwärmzeit t etwa 4uadratisch
mit der Werkstückdicke D ansteigt. Wird nun der Induktor mit konstanter Frequenz
f beaufschlagt und infolge größerer Werkstückdicke D die lichte Induktorweite
W vergrößert, so daß die Beziehung D -- 3b nicht mehr erfüllt ist,
so steigt für dickere Werkstücke die Durchwärmzeit t stärker als quadratisch mit
D an.
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So hat man gefunden, daß bei einer Werkstückdicke D =
50 mm und bei einer konstanten Frequenz f = 2 kHz bei einer
Verdoppelung der Werkstückdicke auf D = 100 mm die Durchwärmzeit t
auf den sieben- bis achtfachen Betrag anstieg. Das bedeutet also, daß bei der Beaufschlagung
eines verstellbaren Induktors mit konstanter Frequenz f und bei einer Anpassung
der Frequenz f beispielsweise an den kleinsten Werkstückdurchmesser D.i.
derart, daß die Beziehung D .. in -- 3 Ö gilt, im Fall der Spulenerweiterung
auf D."" entweder die Erwärmungsstrecke vergrößert werden muß, um die Nennleistung
N. der Erwärmungsanlage voll ausnutzen zu können, oder aber die verfügbare
Leistung der Erwärmungsanlage bei konstanter Erwärmungsstrecke bei den dickeren
Werkstücken nicht mehr voll ausnutzbar ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben
und eine Vorrichtung zu schaffen, die unter Verwendung verstellbarer Induktoren
über den gesamten Verstellbereich die volle Ausnutzung der in der Erwärmungsanlage
installierten Leistung ermöglichen sollen. Es soll also das Durchsatzgewicht
je Zeiteinheit über den gesamten Verstellbereich des Induktors bei gleichmäßiger
Durchwärmung der Werkstücke in etwa konstant gehalten werden können.
Erfindungsgemäß
wird dies dadurch erreicht, daß die Frequenz von Induktorstrom und -spannung so
bemessen wird, daß sie der Bedingung 3ö :#g D :#g 4b genügt und die
Frequenz gleichzeitig mit oder im Anschluß an die Anpassung der Induktorweite an
eine der Werkstückabmessungen innerhalb einer vorgegebenen Beziehung derart geändert
wird, daß bei einer Vergrößerung der Spulenweite die Frequenz erniedrigt und bei
einer Verkleinerung der Spulenweite die Frequenz erhöht wird. Mit Vorteil wird die
Frequenzänderung Af in eine Abhängigkeit mit der Änderung der WerkstückdickeJD gebracht,
die der Bedingung
genügt. Eine Frequenzänderung innerhalb des angegebenen Bereiches ermöglicht die
Beibehaltung eines in etwa konstanten Verhältnisses zwischen Eindringtiefe und Werkstückdicke
über den gesamten Induktorverstellbereich. Um die für die Blindstromkompensation
notwendige Kondensatorbatterie auf einer in etwa konstanten Größe zu halten, ist
es vorteilhaft, wenn die Frequenzänderung J f der Bedingung
entspricht. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen,
daß gleichzeitig mit der Induktorverstellung und der Frequenzänderung der cos
99 der Erwärmungsanlage durch Zu- oder Ab-
schalten von Kondensatoren
bzw. Zu- oder Ab-
schalten oder stufenlose Änderung von Induktivitäten nachgestimmt
wird. Mit Vorteil ist bei der Speisung des verstellbaren Induktors durch einen statischen
Frequenzwandler eine der frequenzbestimmenden Größen des Frequenzwandlers mechanisch
mit der Induktorverstelleinrichtung gekoppelt. Schließlich ist es vorteilhaft, daß
gleichzeitig die den cos 99 bestimmenden Größen der Erwärmungseinrichtung mechanisch
mit der Induktorverstelleinrichtunggekoppelt sind.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt,
sie werden an Hand dieser Zeichnung im folgenden näher beschrieben.
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F i g. 1 zeigt in schematischer Darstellung einen in Form einer
einwindigen Tunnelspule ausgebildeten Induktor mit einer verstellbaren Spulenseite
in der Stellung mit der kleinsten Spulenweite W.j. = Wl; F i
g. 2 zeigt die Tunnelspule nach F i g. 1 in der Stellung mit der größten
Spulenweite W.",v = W,; F i g. 3 zeigt einen Induktor nach
F i g. 1 oder 2, der von einem Wechselrichter eingespeist wird, mit gleichzeitiger
kapazitiver cos (p-Regelung; F i g. 4 zeigt eine Induktoreinspeisung nach
F i g. 3
mit gleichzeitiger induktiver cos 99-Regelung; F i g. 5 zeigt
-die Einspeisung eines Induktors nach F i g. 1 oder 2 durch einen
fremdgesteuerten Wechselrichter; F i g. 6 zeigt die Einspeisung eines Induktors
nach F i g. 1 oder 2 durch einen selbstgeführten Wechselrichter.
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In F i g. 1 und 2 sind mit 2 und 3 die beiden Spulenseiten
eines verstellbaren Induktors 1 bezeichnet, die mittels Schienen 4 und
5 aus elektrisch gut leitendem Material miteinander verbunden sind. Die Spulenhälfte
3 ist in zur Spulenachse A senkrechter Richtung mit einem Verstellbereich,
der den langlochartigen Ausnehmungen 6 und 7 entspricht, verschiebbar
angeordnet. Die Induktorlänge L ist vorgegeben und für alle angeführten Beispiele
konstant.
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Die wichtigsten Betriebsdaten bei den beiden Induktorendstellungen
sind: F i g. 1: Werkstückdurchmesser D . ....... 25 mm Induktorweite
W, = W.i . ...... 30 mm Frequenz f . ...................
8 kHz Fig. 2: Werkstückdurchmesser D2 ....... 50 mm Induktorweite W,
= Wim,# ...... 60 mm Frequenz fp ................... 2 kHz Unter der
Annahme, daß die Spuleninduktivität sich etwa proportional der Spulenweite W ändert,
erhält man folgende Induktivitätswerte: F i g. 1: Ll; F i
g. 2: Lp ## 2 - Ll. Das bedingt für die Blindstromkompensation eine
Kapazitätsänderung von C, (F i g. 1) in C, -- 8 - C, (F i
g. 2).
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Die im Beispiel angeführten Frequenzwerte ergeben sich aus der Bedingung,
daß gleichzeitig mit der Induktorverstellung die Arbeitsfrequenz so eingestellt
wird, daß die Eindringtiefe ö immer etwa ein Drittel bis ein Viertel des
Werkstückdurchmessers D beträgt. Wenn -man dabei die bekannte physikalische
Ab-
hängigkeit
zugrunde legt, so erfüllt eine Frequenzänderung
genau die angegebene Bedingung.
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In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, unter Verzicht auf die
optimale Erwärmungszeit t für alle Werkstückdicken D, mit konstanter oder
annähernd konstanter Kondensatorbatterie zu fahren. In diesem Fall ist eine schwächere
Frequenzvarianz vorteilhaft, etwa der Form
oder Dabei
ermöglicht die erste Beziehung ein Konstanthalten der Kondensatorbatterie, wenn
man davon ausgeht, daß die Spuleninduktivität mit dem Quadrat der Spulenweite W
sich ändert, wie das etwa bei einer Zylinderspule der Fall ist, während die zweite
Beziehung in bezug auf die Konstanz der Kondensatorbatterie günstiger ist bei der
dargestellten langgestreckten Tunnelspule, weil sich bei dieser Spulenart die Induktivität
mit der Spulenweite W in etwa linearer Abhängigkeit ändert. Bei kürzeren Tunnelspulen
ergibt sich eine Abhängigkeit, die zwischen den obigen Beziehungen liegt. Dies kann
z. B. zu einer Frequenzvarianz
führen.
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Die Frequenzänderung kann bei der Speisung des Induktors
1 durch Hochfrequenzgeneratoren stufenlos durch Verstellung der frequenzbestimmenden
Glieder, z. B. Induktivitäten oder Kapazitäten, oder aber bei der Speisung durch
statische Wechselrichter durch Änderung der RC-Glieder oder der Steuerfrequenz erfolgen.
Es ist denkbar, daß in manchen Fällen eine stufenweise Frequenzänderung genügt.
Eine derartige Frequenzänderung in Stufen kann beispielsweise durch die Zwischenschaltung
von Frequenzvervielfachern oder durch Umschalten innerhalb verschiedener Mittelfrequenz-
oder Hochfrequenznetze erfolgen. Gleichzeitig mit der Frequenzänderung bei der Induktorverstellung
kann eine cos (p-Nachstimmung erfolgen.
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Ein Beispiel hierfür ist in den F i g. 3 und 4 dargestellt.
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In F i g. 3 sind die gleichen Teile des verstellbaren Induktors
1 mit den gleichen Ziffern wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet. Mit
8a und 8b ist eine
Spulenverstelleinrichtung schematisch
dargestellt, die es ermöglicht, daß die Induktorweite W kontinuierlich an die Werkstückdicke
D anpaßbar ist. Die Induktorstellung in Fig. 3 entspricht etwa der
Mittelstellung. An einer der beiden Schienen 4, 5 ist eine Zahnstange
9 befestigt, die die Verstellbewegung der Spulenseite 3 mitmacht.
Mit der Zahnstange 9
steht ein Zahnrad 10 im Eingriff, an dessen Kontaktarm
11 ein Kontaktkopf 12 angebracht ist. Der Kontaktkopf 12 schleift über Kontakte
K, bis K", die Schütze S, bis S, in Betrieb setzen,
die schaltbare Kondensatoren C, bis Q parallel zum Induktor
1
zu- oder abschalten. Es versteht sich von selbst, daß die Schütze S,
bis S, so geschaltet sein müssen, daß bei einer Vergrößerung der Induktorweite
W Kondensatoren zu und bei einer Verkleinerung der Induktorweite W Kondensatoren
abgeschaltet werden (bei gleichzeitiger Frequenzänderung). Mit 13 ist ein
Wechselrichter bezeichnet, der netzseitig durch die Kapazitäten C13a, Dj,b, C13c
kompensiert ist. Der Wechselrichter 13 kann beispielsweise ein statischer
Frequenzwandler sein, dessen Frequenzgeber 14 über einen Taktgeber fremdgesteuert
sein kann. Der Wechselrichter 13 kann, wie mit der gestrichelten Leitungsführung
angedeutet ist, aber auch selbstgeführt sein. Die Anordnung nach F i g. 3
ermöglicht nicht nur die Veränderung der Frequenz f von Induktorstrom und
-spannung in Abhängigkeit von der Induktorweite W (durch entsprechende Änderung
der Steuerfrequenz des Frequenzgebers 14), sondern gleichzeitig eine kapazitive
Nachstimmung des cos 99 der Erwärmungsanlage in mehr oder weniger groben Stufen.
Es ist selbstverständlich, daß an Stelle der dargestellten fünf Kompensationsstufen
auch mehr oder weniger verwendet werden können.
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In F i g. 4 ist eine Anordnung dargestellt, die gleichzeitig
mit der Frequenzveränderung eine induktive Nachstimmung des cos 99 der Erwärmungsanlage
ermöglicht. Der Kontaktkopf 12 greift an einem Stellpotentiometer 15 je nach
der Induktorweite W einen größeren oder geringeren Spannungsbetrag ab, der einer
vormagnetischen Drossel 16 in Mittelpunktschaltung zugeführt wird. Eine Grobabstimmung
des cos 99 erfolgt über die fest angebauten oder schaltbaren Parallelkondensatoren
Cp, bis Cp5. Der Wechselrichter 13 kann wiederum fremdgesteuert oder
selbstgeführt sein.
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In Fig. 5 ist eine Frequenzregelung mit einem fremdgesteuerten
Wechselrichter dargestellt. Die gleichzeitige cos (p-Nachstimmung ist nicht dargestellt.
Sie wäre mittels eines weiteren mechanischen Kopplungssystems, das beispielsweise
mit der Schiene 4 in Verbindung stehen könnte, entsprechend den Anordnungen nach
F i g. 3 oder 4 auszuführen. Bei dieser Anordnung steht der Kontaktkopf 12
in Wirkverbindung mit dem RC-Glied 17, 18 eines Pulsgenerators oder RC-Generators
19, vorzugsweise mit dem R-Glied, das in Form eines Stellpotentiometers
17
ausgebildet ist. RC-Generator 19 und Frequenzgeber 14 können, wie
bekannt, in einer Einheit ausgeführt sein. Jede Stellung des Kontaktkopfes 12 in
bezug auf das Potentiometer 17 ordnet dem Wechselrichter 13 eine bestimmte
Steuerfrequenz und somit dem Induktor 1 eine bestimmte Betriebsfrequenz zu.
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F i g. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgedankens.
Sie zeigt einen selbstgeführten Wechselrichter in Mittelpunktschaltung, dessen Frequenzgeber
14 vom Schwingkreis 23, der sich aus dem verstellbaren Induktor
1 und der Sekundärwicklung 22 eines Mittelfrequenz-Transformators 20 mit
Primärwicklung 21 aufbaut, gesteuert wird. Über die veränderliche Schwingkreisinduktivität
1 wird die Steuerfrequenz des Frequenzgebers 14 beeinflußt und somit auch
die Betriebsfrequenz des Wechselrichters 13
in Abhängigkeit von der Induktorweite
W auf einen erwünschten Wert eingestellt. Eine Grobabstimmung des cos (p ist wiederum
über die Parallelkondensatoren Cp, bis Cp, erzielbar.
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Die angeführten Anwendungsbeispiele lassen sich beliebig erweitern
oder abändern, ohne daß dadurch von dem Erfindungsgedanken Abstand genommen wird.
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So ist es z. B. auch möglich und vorteilhaft, wenn bei konstantem
Werkstückdurchsatz gleichzeitig mit der Induktorverstellung, der Frequenzänderung
und der cos 99-Nachstimmung die Induktorspannung so verändert wird, daß die Induktorleistung
konstant bleibt. Dazu wird die Induktorspeisespannung günstigerweise so eingestellt,
daß sie der Proportion
genügt. Bei veränderlichem Werkstückdurchsatz ist es möglich, die Spulenspannung
so abzustimmen, daß die Energieflußdichte im Werkstück konstant bleibt. Hierzu ist
die Induktorspeisespannung so einzustellen, daß sie der Proportion genügt. Außerdem
ist es auch denkbar,
daß gleichzeitig oder unabhängig mit der Frequenzänderung die Induktorspannung so
geändert wird, daß die dem Induktor zugeführte Scheinleistung konstant ist.
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Die Erfindung ist nicht an die in den F i g. 1 bis
5
dargestellte Induktorform gebunden. Der Erfindungsgedanke kann bei beliebig
verstellbaren Induktoren zur Anwendung gelangen. An Stelle des dargestellten statischen
Frequenzwandlers kann der verstellbare Induktor auch durch beliebige andere Strom-
und Spannungserzeuger für Mittel- und Hochfrequenz .gespeist werden.