DE2260226C3 - Induktionsheizanlage - Google Patents
InduktionsheizanlageInfo
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Classifications
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- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
- H05B6/02—Induction heating
- H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
- H05B6/08—Control, e.g. of temperature, of power using compensating or balancing arrangements
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
- H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
- H01F38/02—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions for non-linear operation
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-
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- H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
- H03B19/00—Generation of oscillations by non-regenerative frequency multiplication or division of a signal from a separate source
- H03B19/03—Generation of oscillations by non-regenerative frequency multiplication or division of a signal from a separate source using non-linear inductance
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- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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Description
25
35
Die Erfindung bezieht sich auf eine Induklionsheizanlage mit einem Heizinduktor, der mit einem parallelgeschalteten Kondensator einen Resonanzkreis bildet, der
von einer Einphasen-Spannungsquelle über eine sättigbare Selbstinduktionsspule angestoßen wird, wobei der
Resonanzkreis auf ein ungeradzahliges Vielfaches der Frequenz der Speisespannung abgestimmt ist.
Bei einer aus der BE-PS 7 47 539 bekannten Induktionsheizanlage ist die sättigbare Selbstinduktionsspule in Reihe mit einer Spule mit konstanter
Selbstinduktivität an die Einphasenspannungsquelle angeschlossen, und der den Heizinduktor enthaltende
Parallelresonanzkreis ist in Reihe mit einem Kondensator an die Klemmen der sättigbaren Selbstinduktionsspule angeschlossen. Dieser Kondensator ist so
bemessen, daß er mit der konstanten Selbstinduktivität einen Serienresonanzkreis bildet, der unter Berücksichtigung der übrigen Schaltungselemente die kleinste
Impedanz bei der vervielfachten Frequenz aufweist, auf welche der Parallelresonanzkreis abgestimmt ist. S5
Schließlich liegt parallel zu der ganzen Schaltung an den Klemmen der Einphasen-Spannungsquelle ein weiterer
Kondensator, der die ganze Schaltung näherungsweise auf die Frequenz der Einphasen-Spannungsquelle
abstimmt. Diese Schaltung ergibt die Wirkung, daß der den Heizinduktor enthaltende Parallelresonanzkreis in
jeder Halbwelle der Speisespannung infolge der Sättigung der sättigbaren Selbstinduktionsspule angestoßen wird und mit einer gewissen Dämpfung bei
seiner Eigenresonanzfrequenz schwingt; der Heizinduktor wird somit durch eine Wechselspannung gespeist,
deren Frequenz ein ungeradzahliges Vielfaches der Frequenz der Einphasen-Spannungsquelle ist.
In der Praxis hat es sich aber gezeigt, daß bei dieser
bekannten Schaltung erhebliche Probleme auftreten. Insbesondere verursacht das ΡΗέΒεη von Strömen mit
der vervielfachten Frequenz in der Speisespannungsquelle unerwünschte Erwärmungen und einen schlechten Wirkungsgrad; auch bestehen Schwierigkeiten beim
Anlaufen der Anlage.
Aus der DE-PS 5 95 721 ist es andererseits bekannt, die Heizinduktorspule mit einer Mittenanzapfung zu
versehen und symmetrisch zu speisen. In diesem Fall erfolgt aber die Speisung mit der Frequenz der
Spannungsquelle, also ohne Frequenzvervielfachung, so daß die zuvor geschilderten Probleme nicht bestehen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Induktionsheizanlage der eingangs angegebenen Art,
bei der das Fließen von Strömen mit der vervielfachten Frequenz über die Speisespannungsquelle vermieden ist
und demzufolge die dadurch verursachten Probleme nicht auftreten.
Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Heizinduktor und die sättigbare
Selbstinduktionsspule jeweils mit einem Mittelabgriff versehen sind, daß die Speisespannung zwischen den
beiden Mittelabgriffen angelegt wird, daß die Klemmen der sättigbaren Selbstinduktionsspule mit der einen
Klemme des Heizresonanzkreises über eine Impedanz mit kapazitivem Blindwiderstand und mit der anderen
Klemme über eine Impedanz mit induktivem Blindwiderstand verbunden sind, daß die beiden Impedanzen
so bemessen sind, daß die durch sie hindurchfließenden Ströme mit der Frequenz der Speisespannung im
wesentlichen die gleiche Größe und eine symmetrische Phasenlage in bezug auf die Phasenlage der Speisespannung haben, und daß die Bestandteile der Anordnung
ferner so bemessen sind, daß der Phasenwinkel zwischen jedem dieser Ströme und der Speisespannung
im wesentlichen gleich 90° geteilt durch den gewählten Frequenzvervielfachungsfaktor und multipliziert mit
einer ungeraden ganzen Zahl ist.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der Induktionsheizanlage ergibt einen symmetrischen Aufbau, der
bewirkt, daß die Ströme mit der vervielfachten Frequenz in zwei parallelen Kreisen praktisch gegenphasig fließen, so daß der in der Speisespannungsquelle
fließende resultierende Strom praktisch Null ist. Diese Ausbildung ergibt auch eine geringe Störung der
Resonanz des Heizresonanzkreises beim Einschalten, was zur Folge hat, daß das Anlaufen der Anlage ohne
Stöße erfolgt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt
F i g. 1 das Schaltschema einer Induktionsheizungsanlage nach der Erfindung,
Fig.2 ein Vektordiagramm der Ströme und Spannungen bei der Anlage von F i g. 1 und
F i g. 3A und 3B zwei Zeitdiagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anlage von F i g. 1.
F i g. 1 zeigt eine Induktionsheizungsanlage mit einem Induktor L, der einen Mittelabgriff aufweist und parallel
zu einem Kondensator C geschaltet ist. Widerstände r stellen den aktiven Teil der Impedanz des Induktors dar.
Der von den Schaltungselementen L, C gebildete Resonanzkreis ist mit den Enden einer mit einem
Mittelabgriff versehenen sättigbaren Selbstinduktionsspule 5 über einen Kondensator CS bzw. eine lineare
Selbstinduktionsspule LS verbunden, und eine Spannung V der Frequenz /wird zwischen dem Mittelabgriff
der Selbstinduktionsspule S und dem Mittelabgriff des
Induktors L angelegt Diese Spannung wird von einem Wi-%hselspannungserzeuger A über einen Spartransformator
Γ mit Stellabgriffen geliefert Der Schwingkreis L, Cist auf eine Frequenz nf abgestimmt wöbe; η eine
ungerade Zahl ist
Bei jeder Halbwelle der Spannung mit der Frequenz / an dsn Klemmen der Selbstinduktionsspule S wird diese
von einem bestimmten Augenblickswert an gesättigt, so daß ihre Impedanz vorübergehend abfällt; dies hat die
Erzeugung von Oberwellen zur Folge, welche die Schwingung des Resonanzkreises L, Cerregen, wie dies
bei den bekannten Anordnungen der Fall ist
Der Kondensator CS und die Selbstinduktionsspule LS sind so gewählt, daß die beiden diese Schaltungselemente
enthaltenden Kreise, die zwischen den Mittelabgriffen der Selbstinduktionsspule Sund des Induktors L
parallel geschaltet sind, für die Speisespannungsfrequenz / Blindwiderstände gleichen Wertes X, aber
entgegengesetzten Vorzeichens haben. Diese oeiden Kreise haben andererseits den gleichen Wirkwiderstand
r, so daß die Ströme /1, h und / der Frequenz / im Kondensator CS, in der Selbstinduktionsspule LS bzw.
in der die Spannung V liefernden Spannungsquelle durch das in F i g. 2 gezeigte Vektordiagramm dargestellt
werden können. Wie daraus zu erkennen ist ist der Strom /, der die Summe der Ströme Ix und h ist,
gleichphasig mit der Spannung V, und die Ströme /11; nd
/2 gleicher Größe liegen symmetrisch in bezug auf die Spannung V und bilden mit dieser jeweils einen Winkel
Oi. Diese Ströme sind also gegenseitig um den Winkel 2a ->.o
phasenverschoben. Andererseits sind die Ströme der ungeradzahligen Oberschwingungen mit der vervielfachten
Frequenz nf, die in den gleichen Kreisen fließen, gegenseitig um einen Winkel phasenverschoben, der
/7-mal größer als der Winkel zwischen den Strömen Ix
und I2 ist,also um einen Winkel 2n*.
Diese Beziehungen sind aus den Zeitdiagrammen von F i g. 3 zu erkennen. Im Diagramm von F i g. 3A sind die
Grundschwingungen der beiden Ströme Ix und k mit der
Frequenz /dargestellt, welche die Phasenverschiebung 2« aufweisen, die — bezogen auf das elektrische
Winkelmaß der Frequenz / — bei dem dargestellten Beispiel 60° beträgt; es gilt also a = 30°. Diese
Phasenverschiebung 2a entspricht einem bestimmten Zeitabstand Atder Nulldurchgänge.
Das Diagramm von Fig.3B zeigt die dritten Oberschwingungen Ix„ und /2m die bei gleicher Kurvenform
die gleiche zeitliche Lage relativ zu der zugehörigen Grundwelle haben. Ihre Nulldurchgänge
haben somit den gleichen gegenseitigen Zeitabstand At wie die gleichsinnigen Nulldurchgänge der Grundwellen,
doch entspricht dieser Zeitabstand At — ausgedrückt im Winkelmaß der Frequenz η ■ f — einer
gegenseitigen Phasenverschiebung 2a' = 2n ■ x.
Wenn dafür gesorgt wird, daß 2a'= 2 nx = N ■ 180°
ist wobei TV eine ungerade ganze Zahl ist sind die Ströme mit der Frequenz nf in den beiden parallelgeschalteten
Kreisen zueinander gegenphiisig, und demzufolge ist ihre Summe NuIi. Es gibt daher keinen
Strom mit der Frequenz n/in der Speisespannungsquelle.
Die vorstehende Bedingung bedeutet, daß allgemein gilt:
N ■ 180°
In
In
N 90 η
Wenn beispielsweise im Fall eines Frequenzverfünffa-ChCrS(^=S)
dem Faktor Λ'nacheinander die Werte 1,3, 5... gegeben werden, erhält man die folgenden Winkel:
270
* = —r- = 54
450
= 90
Die Bestandteile der Schaltung werden also so gewählt, daß der Winkel« einen dieser Werte hat
Andererseits wird der höchste Oberwellenanteil der Ordnung η dadurch erhalten, daß auf die Spannung an
den Klemmen der Selbstinduktionsspule Sso eingewirkt wird, daß die optimalen Sättigungsbedingungen erhalten
werden, was dadurch erreicht wird, daß man auf die Spannung V entweder durch Verstellung des Stellabgriffs
am Spartransformator 7"oder durch Beeinflussung der Erregung des Wechselspannungserzeugers A
einwirkt.
Natürlich können die Selbstinduktionsspule S oder
der Induktor L oder auch beide aus zwei völlig gleichen, in Serie geschalteten Teilen ohne Gegeninduktivität
bestehen, wobei der Verbindungspunkt zwischen den beiden Teilen dann die Rolle des Mittelabgriffs spielt
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Induktionsheizanlage mit einem Heizinduktor, der mit einem parallelgeschalteten Kondensator einen Resonanzkreis bildet, der von einer Einphasen-Spannungsquelle über eine sättigbare Selbstinduktionsspule angestoßen wird, wobei der Resonanzkreis auf ein ungeradzahliges Vielfaches der Frequenz der Speisespannung abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizinduktor (L) und die sättigbare Selbstinduktionsspule (S) jeweils mit einem Mittelabgriff versehen sind, daß die Speisespannung zwischen den beiden Mittelabgriffen angelegt wird, daß die Klemmen der sättigbaren Selbstinduktionsspule (S) mit der einen Klemme des Heizresonanzkreises über eine Impedanz (CS) mit kapazitivem Blindwiderstand und mit der anderen Klemme über eine Impedanz (LS) mit induktivem Blindwiderstand verbunden sind, daß die beiden Impedanzen (CS, LS) so bemessen sind, daß die durch sie hindurchfließenden Ströme (Iu /2) mit der Frequenz der Speisespannung im wesentlichen die gleiche Größe und eine symmetrische Phasenlage in bezug auf die Phasenlage der Speisespannung haben, und daß die Bestandteile der Anordnung ferner so bemessen sind, daß der Phasenwinkel (oc) zwischen jedem dieser Ströme und der Speisespannung im wesentlichen gleich 90° geteilt durch den gewählten Frequenzvervielfachungsfaktor und multipliziert mit einer ungeraden ganzen Zahl ist.,
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