DE2260226C3 - Induktionsheizanlage - Google Patents

Induktionsheizanlage

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DE2260226C3
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supply voltage
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DE2260226A
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DE2260226B2 (de
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Josef Oupeye Trine (Belgien)
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Elphiac SA
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Elphiac SA
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    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02Induction heating
    • H05B6/06Control, e.g. of temperature, of power
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/02Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions for non-linear operation
    • H01F38/04Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions for non-linear operation for frequency changing
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION 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
    • H03B19/00Generation of oscillations by non-regenerative frequency multiplication or division of a signal from a separate source
    • H03B19/03Generation of oscillations by non-regenerative frequency multiplication or division of a signal from a separate source using non-linear inductance
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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 Ixund /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
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)

  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.
    ,
DE2260226A 1971-12-10 1972-12-08 Induktionsheizanlage Expired DE2260226C3 (de)

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SE377263B (sv) 1975-06-23
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