DE2331814C3

DE2331814C3 - Induction heater

Info

Publication number: DE2331814C3
Application number: DE19732331814
Authority: DE
Inventors: Eugene Chicago 111. Mittelmann (V.StA.)
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1972-09-18
Filing date: 1973-06-22
Publication date: 1977-12-08

Description

3030th

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.The invention relates to an induction heating device with an inverter equipped with semiconductors and an associated oscillating circuit, which consists of a closed circuit in which one Series connection of an inductor coil that can be coupled to the workpiece, a capacitor and another Coil is provided and in which the inductor coil can be operated at a spatial distance from the other elements is.

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 vom. Wechselrichter über eine läneere 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 zurückübertragener 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.In devices and systems for generating inductive heat is known, inverters in Connection with series or parallel oscillating circuits to be used (DT-OS 17 65 845 or company publication of Siemens AG No. E 23/1275). At a Another known induction heating device that operates in the relatively high frequency range is to the series resonant circuit, consisting of a capacitor and an inductor coil, a magnetic core having coil connected in parallel, and the thus formed parallel connection galvanically via lines connected to an inverter (US-PS 36 37 970). In many cases the application is more conventional Induction heaters limited by bringing the workpiece to the inductor coil must, although the reverse is often desirable. Through the galvanic connection of the inductor coil Containing oscillating circuit with the power source, in particular inverter, can be used in the known Induction heating devices meet this requirement only to a limited extent or not at all. At least there is however, there is a risk that the losses will be too great if the energy from. Inverter over a laneere Line is transmitted to the inductor coil. In the last-mentioned known device, how executed, an additional inductance connected in parallel to the series resonant circuit, which on the one hand the The effort increases and, on the other hand, because of the extra weight, the mobility of the inductor coil impaired. In this known induction heating device, the second inductance is for control purposes provided in order to use energy transferred back to the inverter or to one of these controlling control circuit to obtain the desired switching function. Among the losses incurred by the additional Inductance are caused, then the further losses occur due to the energy transferred back added.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Induktionsheizvorrichtung zu schaffen, die eine große Handlichkeit aufweist, einen geringen Aufwand erfordert, räumlich klein baut und mit optimaler Energieausnutzung arbeitet.The invention has for its object to provide an induction heating device that has a large Has handiness, requires little effort, is spatially small and with optimal energy utilization is working.

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 Primärwicklung 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.In a device of the type mentioned at the outset, this object is achieved in that, according to the invention the second coil is the secondary winding of the output transformer of the inverter whose Primary winding is part of the inverter and forms a structural unit with this that the inductor coil and the capacitor is connected to the secondary winding via a flexible cable and that the frequency of the resonant circuit is tuned to a resonance frequency that is the same as that of the inverter generated frequency.

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.In the device according to the invention, only a capacitor and the inductor coil are in series switched, the series resonant circuit formed in this way being tuned to a resonance frequency which is in the The frequency generated by the inverter is essentially the same. Because that way no losses be transmitted back via the transmitter, the induction heating device according to the invention can be deliver maximum heating power for the given design.

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 Induktorspule und Kondensator über ein flexibles Kabel mit der Sekundärwicklung des mit dem Wechselrichter eine Baueinheit bildenden Transformators verbunden sind.The advantage that can be achieved with the invention is more or less independent of the location in which it is located Position the inductor coil in relation to the inverter, so that a relatively good Mobility is given, d. That is, the inductor coil can be brought to the workpiece, the manageability It is improved by the inductor coil and capacitor being connected to the secondary winding via a flexible cable of the transformer forming a structural unit are connected to the inverter.

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 Schutzschaltungen 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.The transfer of energy via a transformer also has the advantage that it provides a Achieved a current-limiting effect and thus a simple protection of the semiconductors of the inverter is achieved without complex protective circuits are required. Furthermore, through the inductive Coupling the resonant circuit to the inverter enables the inverter to operate at higher voltages to operate with low currents, which means savings in cooling measures.

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 Schweißverfahten ist die Brandbzw. Explosionsgefahr in der Nähe von Benzin oder öl bei der Erfindung deutlich herabgesetzt.With the help of the invention, the induction heating device can also be used where previously in In the prior art, heating was carried out by welding, for example when machining parts on a motor vehicle. Compared to the welding process, the fire or Risk of explosion in the vicinity of gasoline or oil significantly reduced in the invention.

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.It goes without saying that the inverter can be operated with a variable output frequency can, in each case, to achieve the desired correspondence between this and the resonance frequency of the To ensure inductor coil containing series resonant circuit.

Ein Ausführungsbeispie! der Erfindung wird nachfol-An implementation example! the invention is

gend anhand von Zeichnungen näher beschriebendescribed in more detail with reference to drawings

Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Blockbild einer erfindungsgemaßen Induktionsheizvorrichtung-Fig. 1 shows a simplified block diagram of an induction heating device according to the invention

F ig. 2 zeigt ein mehr ins Einzelne gehendes Blockschaltbild der Vorrichtung nach F i g. 1.Fig. FIG. 2 shows a more detailed block diagram of the device according to FIG. 1.

In Fig. 1 ist eine Induktionsheizvorrichiung dargestellt, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist. Die Induktionsheizvorrichtung 10 enthält einen beweglich angeordneten Wechselstrom-Generator 12, der über ein Kabel 14 mit einer konventionellen Wechselstromquelle verbunden ist Der Generator 12 liefert eine Wechselspannung an einen Induktionsheizteil 15, wobei die Arbeitsfrequenz in der Größenordnung von 8 bis 1OkHz liegt. Der Induktionsheizteil 15 erhält seine Energie über ein ι 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.In Fig. 1 an Induktionsheizvorrichiung is shown, which is identified as a whole by the reference number 10. The induction heater 10 contains a movably arranged alternating current generator 12, which via a cable 14 with a The generator 12 supplies an alternating voltage an induction heating part 15, the operating frequency being of the order of 8 to 10 kHz. the Induction heating part 15 receives its energy via a ι flexible multi-conductor cable 16, so that a relatively defined area of a large sheet metal surface 18 can be heated. The sheet metal 18 can, for example, be a car body part or something similar being.

Der Induktionsheizteil 15 enthält einen U-förmigen *° oder hufeisenförmigen Kern 20, dessen Mittelteil Hj_e Wicklung einer Induktorspule 22 trägt. In Serie mit der Spule 22 ist ein Kondensator 24 geschaltet. Der Kondensator 24 bildet einen Serienschwingkreis mit der ₂ς Spule 22, dessen Größe so ausgelegt ist, daß seine Resonanzfrequenz eng benachbart der erwähnten Arbeitsfrequenz liegt. Der Wechselstrom-Generator 12 enthält Mitte! 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 variiert und die Position des Induktionsheizteils 15 in bezug auf den Generator 12 verändert werden.The induction heating part 15 contains a U-shaped * ° or horseshoe-shaped core 20, the middle part Hj _e winding of an inductor coil 22 carries. A capacitor 24 is connected in series with the coil 22. The capacitor 24 forms a series _{resonant circuit with the 2} ς coil 22, the size of which is designed so that its resonance frequency is closely adjacent to the working frequency mentioned. The alternating current generator 12 contains middle! for the adjustable selection of the output frequency, so that an extensive correspondence between the output or working frequency and the resonance frequency of the series resonant circuits consisting of inductor coil 22 and capacitor 24 is guaranteed at all times. This fact causes a maximum efficiency in the energy transport between the generator 12 and the induction heating part 15.

In Fig. 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 _4S aus den durch die Last verursachten Verlusten während des Induktionsheizprozesses ergibt. Die Primärwicklung 33 eines Ausgangstransformers 32 wird durch eine Wechselrichterschaltung 34 gesperrt, seine Sekundärwicklung 35 speist die in Serie geschaltete Kombination aus Induktorspule 22 und Kondensator 24. Die Gesamtinduktivität und Kapazität stellt 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.A detailed partial block diagram is shown in FIG. The inductor coil 22 of the induction heating part 15 is connected in series with the resistor 30 and the capacitor 24. Resistor 30 represents the internal resistance of the circuit as it results _4S from the losses caused by the load during the induction heating process. The primary winding 33 of an output transformer 32 is blocked by an inverter circuit 34, its secondary winding 35 feeds the combination of inductor coil 22 and capacitor 24 connected in series together with resistor 30, which relates to the series connection, represents the load for secondary winding 35.

Der Strom für die Induktionsheizvorrichtung, einschließlich des 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 Doppelweggleichrichter erzeugt, der ohne Siebkondensatoren arbeitet, so daß sich bei jeder Halbwelle der eingespeisten Wechselspannung ein Nullspannungszustand ergibt. Dieser Nuüspannungszustand wird ausgenutzt, einen steuerbaren Gleichrichter 42 immer dann nichtleitend zu machen, wenn die Steuerelektrode frei von einem Eingangsimpuls ist.The electricity for the induction heater, including of the generator 12 is obtained via a pair of conductors 38 and 39, which is connected to a conventional AC voltage source is connected, which operates at 60 Hz. Between the pair of conductors 38 and 39 and the Inverters 34 are connected to means 40 for the transmission of energy, the direct current to the inverter 34 respectively. The direct current is generated with a full wave rectifier without filter capacitors works, so that there is a zero voltage state with every half-wave of the AC voltage fed in results. This Nuüspannungsstatus is used, a controllable rectifier 42 always to make non-conductive when the control electrode is free of an input pulse.

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.The control electrode emitter connections of the controllable rectifier 42 are connected to a gate-controlled Time circuit 44 coupled, which is supplied in the operating state via a switch 46 with energy to the To put induction heating device into operation. The timing circuit 44 is made using a full wave rectifier circuit 47 fed, which may have means for suppressing the ripple.

Eine weitere Doppelweg-Gleichrichterschakung 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 Dei 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, mi' einer Genauigkeit von '/120 Sekunden gesteuert werden kann.Another full-wave rectifier circuit 50 is connected to the pair of conductors 38 and 39 and feeds Direct current in a control generator 52 of variable frequency, at the output of which the primary double winding a transformer 54 is connected. The secondary double winding of transformer 54 is connected to the inverter 34; in this way the inverter can be controlled. His Working frequency is on the order of 8 to 10 kHz. From the fact that the inverter 34 Each time the applied 60 Hz voltage is passed through the zero line, this results in the possibility that the time in which it is in operation is controlled with an accuracy of 1/120 seconds can be.

Der Kondensator 24 ist als Festkondensator dargestellt; selbstverständlich kann hierfür auch ein veränderbarer Kondensator oder es kann eine Batterie aus zuschaltbaren 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 Indiiktorspule 22 gegeben ist. Sobald die optimale Arbeitsfrequenz eingestellt ist, können mit der Induktionsheizvorrichtung eine Vielzahl wiederholbarer 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.The capacitor 24 is shown as a fixed capacitor; Of course, a changeable one can also be used for this Capacitor or a battery of switchable capacitors can be used, so that at every moment there is a series resonance to the working frequency. The frequency of the generator 52 and the frequency of the tuned series resonant circuit are designed so that maximum efficiency for the energy transfer between the output transformer 32, the inverter 34 and the indicator coil 22 is given. As soon as the optimal Working frequency is set, the induction heater can perform a variety of repeatable work processes are carried out, in which the same amount of energy is applied to the metal sheet 18 (cf. Fig. 1) are transmitted. A readjustment of the working frequency or the resonance characteristics of the tuned oscillating circuit is only necessary in the event of fundamental changes in the working conditions, z. B. Changing the thickness of the sheets to be heated or when using longer cables 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.To ensure that an accurate amount of energy is absorbed by the workpiece, means are provided which finish the working of the induction heater. This is a watt-second sensing circuit 60, the input of which is connected in parallel with the capacitor 24 and the output of which is connected to the Input terminals of the inverter 34 is connected. The output of the sensing circuit 60 sets the Inverter 34 out of order when a desired amount of energy has been transferred to the workpiece.

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 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. I m Resonanzbetrieb können erhebliche Spannungen anAn overvoltage control circuit 62 is also connected in parallel with the capacitor 24, with its Output terminals are connected to the input of the inverter 34. The overvoltage control circuit 62 senses the voltage level across the capacitor; as soon as this voltage value has reached a predetermined Exceeds the maximum value given by a reference voltage, it will emit an off signal, which puts the inverter 34 inoperative. Significant voltages can occur in resonance operation

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.occur in the components, so that the detection of overvoltages is important. Although the watt-second Sense circuit 60 and overvoltage control circuit 62 as with capacitor 24 in parallel are shown switched, it is of course also possible to connect them in parallel with the inductor 22 as effectively.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Induction heating device with an inverter equipped with semiconductors and a associated resonant circuit, the p.us consists of a closed circuit in which a Series connection of an inductor coil that can be coupled to the workpiece, a capacitor and a further coil is provided and in which the inductor coil at a spatial distance to the other elements is operable, characterized in that the second coil the The secondary winding (35) of the output transformer (32) of the inverter (34) is its primary winding (33) is part of the inverter and forms a structural unit with it, so that the inductor coil (22) and the capacitor (24) are connected to the secondary winding (35) via a flexible cable (16) and that the frequency of the resonant circuit is tuned to a resonance frequency that corresponds to that of the * o Inverter generated frequency is the same.

2. Induction heating device according to claim 1, characterized in that the inductor coil (22) has a horseshoe-shaped magnetic core, the flat ends of which point towards the workpiece (18) to be heated are placeable.