DE2331814B2 - Induktionsheizvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizvorrichtung mit einem mit Halbleitern bestückten Wechselrichter und einem damit verbundenen Schwingkreis, der aus einem geschlossenen Stromkreis besteht, in dem eine Reihenschaltung einer mit dem Werkstück Koppelbaren Induktorspule, eines Kondensators und einer weiteren Spule vorgesehen ist und bei dem die Induktorspule mit räumlichen Abstand zu den übrigen Elementen betreibbar ist.

In Vorrichtungen und Anlagen zur Erzeugung induktiver Wärme ist bekannt, Wechselrichter im Zusammenhang mit Reihen- oder Parallel-Schwingkreisen einzusetzen (DT-OS 17 65 845 oder Firmendruckschrift der Siemens AG No. E 23/1275). Bei einer anderen bekannten Induktionsheizvorrichtung, die im verhältnismäßig hohen Frequenzbereich arbeitet, ist zum Reihenschwingkreis, bestehend aus Kondensator und Induktorspule, eine einen magnetischen Kern aufweisende Spule parallel geschaltet, und die so gebildete Parallelschaltung über Leitungen galvanisch mit einem Wechselrichter verbunden (US-PS 36 37 970). In vielen Fällen ist die Anwendung herkömmlicher Induktionsheizvorrichtungen dadurch eingeschränkt, daß das Werkstück zur Induktorspule gebracht werden muß, obwohl der umgekehrte Fall häufig erwünscht ist. Durch die galvanische Verbindung des die Induktorspule enthaltenden Schwingkreises mit der Stromquelle, insbesondere Wechselrichter, läßt sich bei den bekannten Induktionsheizvorrichtungen diese Forderung nur bedingt oder gar nicht erfüllen. Zumindest besteht jedoch Gefahr, daß die Verluste zu groß werden, wenn die Energie von Wechselrichter über eine längere Leitung auf die Induktorspule übertragen wird. Bei der zuletzt erwähnten bekannten Vorrichtung ist, wie ausgeführt, eine zusätzliche Induktivität dem Reihenschwingkreis parallel geschaltet, was zum einen den Aufwand erhöht und zum anderen wegen des Mehrgewichts die Beweglichkeit der Induktorspule beeinträchtigt Bei dieser bekannten Induktionsheizvorrichtung ist die zweite Induktivität zu Regelungszwekken vorgesehen, um mit Hilfe von zurückübeftragener Energie zum Wechselrichter bzw. zu einem diesen steuernden Steuerkreis die gewünschte Schaltfunktion zu erhalten. Zu den Verlusten, die von der zusätzlichen Induktivität verursacht werden, treten dann die weiteren Verluste durch die zurückübertragene Energie hinzu.

ίο Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Induktionsheizvorrichtung zu schaffen, die eine große Handlichkeit aufweist, einen geringen Aufwand erfordert, räumlich klein gebaut und mit optimaler Energieausnutzung arbeitet

Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die zweite Spule die Sekundärwicklung des Ausgangstransformators des Wechselrichters ist, dessen Primärw'cklung Teil des Wechselrichters ist und mit diesem eine Baueinheit bildet, daß die Induktorspule und der Kondensator über ein flexibles Kabel mit der Sekundärwicklung verbunden sind und daß die Frequenz des Schwingkreises auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt ist, die gleich ist der vom Wechselrichter erzeugten Frequenz.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind lediglich ein Kondensator und die Induktorspule in Reihe geschaltet, wobei der so gebildete Reihenschwingkreis auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt ist, die im wesentlichen gleich ist der vom Wechselrichter erzeugten Frequenz. Da auf diese Weise keine Verluste über den Übertrager zurück übertragen werden, kann die erfindungsgemäße Induktionsheizvorrichtung bei gegebener Auslegung maximale Heizleistung liefern.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil ist mehr oder wenig unabhängig davon, in welcher örtlichen Position die Induktorspule in bezug auf den Wechselrichter eingesetzt wird, so daß eine relativ gute Beweglichkeit gegeben ist, d. h„ die Induktorspule kann zum Werkstück gebracht werden, wobei die Handhabbarkeit dadurch verbessert wird, daß Induktorspille und Kondensator über ein flexibles Kabel mit der Sekundärwicklung des mit dem Wechselrichter eine Baueinheit bildenden Transformators verbunden sind.

Die Energieübertragung über einen Transformator hat darüber hinaus den Vorteil, daß dadurch eine strombegrenzende Wirkung erzielt und damit ein einfacher Schutz der Halbleiter des Wechselrichters erreicht wird, ohne daß aufwendige Schutzschal tungen erforderlich sind. Ferner wird durch die induktive Ankopplung des Schwingkreises an den Wechselrichter ermöglicht, den Wechselrichter bei höheren Spannungen mit geringen Stromstärken zu betreiben, was eine Einsparung an Kühlmaßnahmen bedeutet.

Mit Hilfe der Erfindung kann die Induktionsheizvorrichtung auch dort Anwendung finden, wo bisher im Stande der Technik eine Erwärmung durch Schweißen erfolgte, etwa bei Bearbeitung von Teilen am Kraftfahrzeug. Gegenüber dem Schweißverfahren ist die Brand- bzw. Explosionsgefahr in der Nähe von Benzin oder Öl bei der Erfindung deutlich herabgesetzt.

Es versteht sich, daß der Wechselrichter mit veränderbarer Ausgangsfrequenz betrieben werden kann, um jeweils die gewünschte Übereinstimmung zwischen dieser und der Resonanzfrequenz des die Induktorspule enthaltenden Reihenschwingkreises zu gewährleisten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfol-

gend anhand von Zeichnungen näher beschrieben.

F i g. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockbild einer erfindungsgemäßen induktionsheizvorrichtung;

Fig.2 zeigt ein mehr ins Einzelne gehendes Blockschaltbild der Vorrichtung nach F i g.',.

In F i g. 1 ist eine Induktionsheizvorrichtung dargestellt, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist Die Induktionsheizvorrichtung 10 enthält einen beweglich angeordneten Wechseistrom-Generator 12, der über ein Kabel 14 mit einer konventionellen Wechselstromquelle verbunden ist Der Generator 12 liefert eine Wechselspannung an einen Induktioasheizteil 15, wobei die Arbeitsfrequenz in der Größenordnung von 8 bis 10 kHz liegt. Der Inauktionsheizteil 15 erhält seine Energie über ein flexibles Mehrleiterkabel 16, so daß ein verhältnismäßig definierter Bereich einer großen Metallblechfläche 18 erhitzt werden kann. Das Metallblech 18 kann beispielsweise ein Autokarosserieteil oder etwas ähnliches sein.

Der Induktionsheizteil 15 enthält einen U-förmigen oder hufeisenförmigen Kern 20, dessen Mittelteil die Wicklung einer Induktorspule 22 trägt, in Serie mit der Spule 22 ist ein Kondensator 24 geschaltet. Der Kondensator 24 bildet einen Serienschwingkreis mit der Spule 22, dessen Größe so ausgelegt ist, daß seine Resonanzfrequenz eng benachbart der erwähnten Arbeitsfrequenz liegt Der Wechselstrom-Generator 12 enthält Mittel zur einstellbaren Wahl der Ausgangsfrequenz, so daß eine weitgehende Übereinstimmung zwischen der Ausgangs- oder Arbeitsfrequenz und der Resonanzfrequenz der Serienschwingkreise aus Induktorspule 22 und Kondensator 24 in jedem Augenblick gewährleistet ist. Dieser Umstand bewirkt einen maximalen Wirkungsgrad beim Energietransport zwisehen dem Generator 12 und dem Induktionsheizteil 15. Bei Abstimmung des Induktionsheizteils in dieser Weise kann die Länge des Kabels 16 variieri und die Position des Induktionsheizteils 15 in bezug auf den Generator 12 verändert w erden.

In F i g. 2 ist ein detailliertes Blockteilschaltbild dargestellt. Die Induktorspule 22 des Induktionsheizteils 15 ist in Serie mit dem Widerstand 30 und dem Kondensator 24 geschaltet. Der Widerstand 30 stellt den inneren Widerstand der Schaltung dar, wie er sich aus den durch die Last verursachten Verlusten während des Induktionsheizprozesses ergibt. Die Primärwicklung 33 eines Ausgangstransformers 32 wird durch eine Wechselrichterschaltung 34 gespeist, seine Sekundärwicklung 35 speist die in Serie geschaltete Kombination aus Induktorspule 22 und Kondensator 24. Die Gesamtinduktivität und Kapazität stell*, einen abgestimmten Schwingkreis dar, der resonant oder fast resonant ist bei der Arbeitsfrequenz und stellt gemeinsam mit dem Widerstand 30, der sich auf die Serienschaltung bezieht, die Last für die Sekundärwicklung 35 dar.

Der Strom für die Induktionsheizvorrichtung, einschließlich de:s Generators 12 wird erhalten über ein Leiterpaar 38 und 39, das mit einer konventionellen Wechselspannungsquelle verbunden ist, die bei 60 Hz arbeitet. Zwischen das Leiterpaar 38 und 39 und den Wechselrichter 34 sind Mittel 40 zur Energieübertragung geschaltet, die dem Wechselrichter 34 Gleichstrom zuführen. Der Gleichstrom wird mit einem Doppelweggleichrichtcr erzeugt, der ohne Siebkondensatoren arbeitet, so daß sich bei jeder Halbwelle der eingespeisten Wechselspannung ein Nullspannungszüstand ergibt Dieser Nullspannungszustand wird ausgenutzt, einen steuerbaren Gleichrichter 42 immer dann nichtleitend zu machen, wenn die Steuerelektrode frei von einem Eingangsimpuls ist

Die Steuerelektroden-Emitter-Anschlüsse des steuerbaren Gleichrichters 42 sind an eine gattergesteuerte Zeitschaltung 44 gekoppelt, die im Betriebszustand über einen Schalter 46 mit Energie versorgt wird, um die Induktionsheizvorrichtung in Betrieb zu setzen. Die Zeitschaltung 44 wird mit Hilfe einer Doppelweg-Gleichrichterschaltung 47 gespeist, die Mittel zur Unterdrückung der Welligkeit aufweisen kann.

Eine weitere Doppelweg-Gleichrichterschaltung 50 ist mit dem Leiterpaar 38 und 39 verbunden und speist Gleichstrom in einen Steuergenerator 52 variabler Frequenz, an dessen Ausgang die primäre Doppelwicklung eines Transformators 54 angeschlossen ist. Die sekundäre Doppelwicklung des Transformators 54 ist mit dem Wechselrichter 34 verbunden; auf diese Weise ist eine Steuerung des Wechselrichters möglich. Seine Arbeitsfrequenz liegt in der Größenordnung von 8 bis 10 kHz. Aus dem Umstand, daß der Wechselrichter 34 bei jedem Durchgang durch die Nullinie der angelegten 60 Hz-Spannung außer Funktion gesetzt wird, ergibt sich die Möglichkeit daß die Zeit, in der er in Betrieb ist, mit einer Genauigkeit von '/120 Sekunden gesteuert werden kann.

Der Kondensator 24 ist als Festkondensator dargestellt; selbstverständlich kann hierfür auch ein veränderbarer Kondensator oder es kann eine Batterie aus zuschaitbaren Kondensatoren verwendet werden, so daß sich in jedem Augenblick eine Reihenresonanz zur Arbeitsfrequenz einstellt Die Frequenz des Generators 52 und die Frequenz des abgestimmten Reihenschwingkreises sind so ausgelegt, daß ein maximaler Wirkungsgrad für die Energieübertragung zwischen dem Ausgangstransformator 32, dem Wechselrichter 34 und der Induktorspule 22 gegeben ist. Sobald die optimale Arbeitsfrequenz eingestellt ist, können mit der Induktionsheizvorrichtung eine Vielzahl wiederholb&rer Arbeitsprozesse ausgeführt werden, bei denen jeweils die gleiche Energiemenge auf das Metallblech 18 (vgl, Fig. 1) übertragen werden. Eine Nachstellung der Arbeitsfrequenz oder der Resonanzcharakteristik des abgestimmten Schwingkreises wird nur notwendig bei grundsätzlichen Veränderungen der Arbeitsbedingungen, z. B. Veränderung der Stärken der zu erhitzenden Bleche oder bei Verwendung von längeren Kabeln 16.

Um sicherzustellen, daß ein genauer Energiebetrag vom Werkstück absorbiert wird, sind Mittel vorgesehen, die das Arbeiten der Induktionsheizvorrichtung beenden. Hierbei handelt es sich um eine Wattsekunden-Abfühlschaltung 60, deren Eingang mit dem Kondensator 24 parallel geschaltet ist und deren Ausgang mit den Eingangsklemmen des Wechselrichters 34 verbunden ist. Der Ausgang der Abfühlschaltung 60 setzt den Wechselrichter 34 außer Betrieb, wenn eine gewünschte Energiemenge auf das Werkstück übertragen wurde.

Eine Überspannungs-Steuerschaltung 62 ist ebenfalls zu dem Kondensator 24 parallel geschaltet, wobei ihre Ausgangsklemmen mit dem Eingang des Wechselrichters 34 verbunden sind. Die Überspannungs-Steuerschaltung 62 fühlt den Spannungswert am Kondensator 24 ab; sobald dieser Spannungswert einen vorbestimmten Maximalwert übersteigt, der durch eine Referenzspannung gegeben ist, wird sie ein Aus-Signal abgeben, welches den Wechselrichter 34 außer Funktion setzt. Im Resonanzbetrieb können erhebliche Spannungen an

den Bauelementen auftreten, so daß die Erfassung von Überspannungen wichtig ist. Obwohl die Wattsekunden-Abfühlschaltung 60 und die Überspannungs-Steuerschaltung 62 als mit dem Kondensator 24 parallel geschaltet dargestellt sind, ist es natürlich auch möglich, sie ebenso wirksam mit der Induktivität 22 parallel zu schalten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Induktionsheizvorrichtung mit einem mit Halbleitern bestückten Wechselrichter und einem • damit verbundenen Schwingkreis, der aus einem geschlossenen Stromkreis besteht, in dem eine Reihenschaltung einer mit dem Werkstück koppelbaren Induktorspule., eines Kondensators und einer weiteren Spule vorgesehen ist und bei dem die Induktorspule mit räumlichen Abstand zu den übrigen Elementen betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spule die Sekundärwicklung (35) des Ausgangstransfonxiators (32) des Wechselrichters (34) ist, dessen Primärwicklung (33) Teil des Wechselrichters ist und mit diesem eine Baueinheit bildet, daß die Induktorspule (22) und der Kondensator (24) über ein flexibles Kabel (16) mit der Sekundärwicklung (35) verbunden sind und daß die Frequenz des Schwingkreises auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt ist, die der vom Wechselrichter erzeugten Frequenz gleich ist.

2. Induktionsheizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktorspule (22) einen hufeisenförmigen Magnetkern hat, dessen flache Enden auf das zu erhitzende Werkstück (18) legbar sind.