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Kernloser Induktions-Tiegelofen
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Die Erfindung betrifft einen kernlosen Induktions-Tiegelofen zum
Schmelzen, Warmhalten und Behandeln, z.B. Legieren, von Metallen, dessen Induktionsspule
von einem Drehstromnetz her einphasig über eine Umschalteinrichtung wahlweise einerseits
mit einer höheren Frequenz als Netzfrequenz, z.B. 450 Hz, andererseits mit Netzfrequenz
beaufschlagbar ist, wobei die Windungsspannung auf seiten der Induktionsspule bei
der höheren Frequenz größer als bei Netzfrequenz ist und wobei zwischen dem Drehstromnetz
und der Induktionsspule im Falle der Beaufschlagung mit der höheren Frequenz nacheinander
ein Netzschalter, ein Drehstromtransformator, ein Last schalter, ein Frequenzumformer
und ein Kompensationskondensator für die Kompensation der Blindstromlast des Tiegelofens
bei der höheren Frequenz geschaltet sind, im Falle der Beaufschlagung mit Netzfrequenz
ein mit dem Lastschalter des Stromweges für die höhere Frequenz verriegelt er weiterer
Last schalter und ein Kompensationskondensator für die Kompensation der Blindstromlast
des Tiegelofens bei Netzfrequenz.
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Es sind kernlose Induktions-Tiegelöfen bekannt, die allein mit einer
höheren Frequenz als Netzfrequenz betrieben werden, und solche allein für Netzfrequenz.
Daneben gibt es aber kernlose Induktions-Tiegelöfen, die so ausgelegt und elektrisch
beaufschlagt sind, daß sie zeitweise mit einer höheren Frequenz als Netzfrequenz,
zeitweise mit Netzfrequenz betrieben werden können.
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Soweit ein kernloser Induktions-Tiegelofen für das Betreiben sowohl
mit einer höheren Frequenz als auch mit Netzfrequenz ausgebildet ist, werden die
höheren Frequenzen vorzugsweise zum Schmelzen verwendet. Höhere Frequenzen lassen
nämlich hohe spezifische Leistungen und damit kurze Einschmelzzeiten erreichen.
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Bei den mit Netzfrequenz und mit einer höheren Frequenz beaufschlagbaren
Ofen wird die Netzfrequenz andererseits vorzugsweise zum Zwecke des Warmhaltens
und/oder des Behandelns des erschmolzenen Einsatzes angewendet. Das Behandeln des
erschmolzenen Einsatzes wird vor allem deshalb bei Netzfrequenz durchgeführt, weil
die beim Betrieb eines Induktionsofens im Einsatz auftretenden elektrodynamischen
Kräfte umgekehrt proportional der Wurzel aus der angewendeten Frequenz sind, womit
sie bei Netzfrequenz größer als bei einer höheren Frequenz sind. Größere elektrodynamische
Kräfte bewirken aber eine stärkere Bewegung innerhalb des erschmolzenen Einsatzes,
wodurch eine bessere Homogenisierung des Einsatzes, wie sie insbesondere beim Legieren
von Metallen gewünscht wird, erreichbar ist. Da die elektrodynamischen Kr§£te und
damit die Badbewegung andererseits auch proportional der der Induktionsspule zugeftihrten
Leistung sind, wird es vorgezogen, beii Behandeln mit Netzfrequenz durch Verringerung
der Windungsspannung auf seiten der Induktionsspule eine geringere Leistung zuzuftihren
als bei der höheren Frequenz, um so einen Austritt des fltlssigen Metalls aus dem
Metallbad heraus infolge zu starker Badbewegung auszuschließen. Da das Warmhalten
nur eine geringe Leistungszufuhr voraussetzt, erfolgt dieses ebenfalls bevorzugt
bei verringerter Windungsspannung auf seiten der Induktionsßpulc; zum Warmhalten
wird aber außerdem Xetzrrequenz vorgezogen, da die bekannten Frequenzumformer bei
einer kleineren Leistung in der Regel nur einen geringen Wirkungsgrad besitzen.
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Soweit bisher kernlose Induktionsöfen eingesetzt sind, die sowohl
mit einer höheren Frequenz als auch mit Netzfrequenz so beaufschlagt werden können,
daß die Windungsspannung auf seiten der Induktionsspule bei der höheren Frequenz
größer als bei Netzfrequenz ist, wird die Induktionsspule häufig von einem Drehstromnetz
her einphasig gespeist. Hierbei erfolgt die Speisung der Induktionsspule so, daß
zwischen dem Drehstromnetz und der Induktionsspule im Falle der Beaufschlagung mit
der höheren Frequenz nacheinander ein Netzschalter, ein Drehstromtransformator,
ein Last schalter, ein Frequenzumformer und ein Kompensationskondensator für die
Kompensation der Blindstromlast des Ofens bei der höheren Frequenz geschaltet sind,
im Falle der Beaufschlagung mit Netzfrequenz ein mit dem Lastschalter des Stromweges
für die höhere Frequenz verriegelter weiterer Lastschalter und ein Kompensationskondensator
für die Kompensation der Blindstromlast des Ofens bei Netzfrequenz. Bei den so ausgelegten
und beaufschlagten Ofen sind für den Betrieb bei der höheren Frequenz und für den
Netzfrequenzbetrieb bislang jeweils unterschiedliche Drehstromtransformatoren vorgesehen,
ein Drehstromtransformator für die höhere Frequenz und ein davon unabhängiger zweiter
Drehstromtransformator für Netzfrequenz. Hierbei ist jedem der beiden Drehstromtransformatoren
eingangsseitig ein Schalter zugeordnet, womit die Einspeisung der höheren Frequenz
und der Netzfrequenz über zwei selbständige Stromwege erfolgt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kernlosen Induktions-Tiegelofen
gemäß der einganges genannten Gattung bereitzustellen, der kostengünstiger erstellbar
ist als der bekannte Ofen dieser Art und zudem weniger Platz an seinem Einsatzort
einnimmt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die elektrische
Spannung bei der höheren Frequenz und der Netzfrequenz Uber den Netzschalter und
den Drehstromtransformator des Stromweges fAr die höhere Frequenz zugeführt ist
und daß zur Veränderbarkeit der Windungsspannung auf seiten der Induktionsspule
beim Umschalten von der höheren Frequenz auf Netzfrequenz und umgekehrt der Drehstromtransformator
mehrere Anzapfungen aufweist und/oder der Drehstromtransformator mehrere Spulengruppen
besitzt, die bei Umschalten von der höheren Frequenz auf Netzfrequenz von Serien-
auf Parallelbetrieb und umgekehrt umschaltbar sindsund/oder die Induktionsspule
mehrteilig ausgebildet ist, wobei ihre Teilspulen bei Umschalten von der höheren
Frequenz auf Netzfrequenz von Serien- auf Parallelbetrieb und umgekehrt umschaltbar
sind.
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Der erfindungsgemäße Induktionsofen hat den Vorteil, daß der höherfrequente
und der niederfrequente Spulenstrom vom Drehstromnetz Uber einen einzigen Drehstromtransformator
abgenommen wird anstatt, wie bisher, Uber zwei Drehstromtransformatoren, wobei der
eine für Netzfrequenz und der zweite, davon unabhängige für die höhere Frequenz
bestimmt ist. Damit ist ein solcher Ofen weitaus kostengünstiger erstellbar als
der bekannte Oren der gleichen Gattung. Die Verwendung nur eines Drehstromtransformators
an Stelle von zwei solchen Transformatoren bedeutet außerdem, daß der Ofen an seinem
Einsatzort weniger Platz einnimmt.
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Bei dem Ofen gemäß der Erfindung ist die Windungsspannung auf seiten
der Induktionsspule dadurch veränderbar gestaltet, daß der Drehstroitransformator
mehrere Anzapfungen oder aber daß er
mehrere Spulengruppen aufweist,
wobei die Spulengruppen des Drehstromtransformators von Serien- auf Parallelbetrieb
umschaltbar sind, oder daß die Induktionsspule mehrteilig ausgebildet ist, wobei
ihre Teilspulen von Serien- auf Parallelbetrieb umgeschaltet werden können. Es kann
sich aber auch empfehlen, daß alle drei Maßnahmen zur Veränderbarkeit der Windungsspannung
auf seiten der Ofenspule gleichzeitig verwirklicht sind, oder doch jedenfalls jeweils
zwei der drei Maßnahmen. ,fixe die Veränderbarkeit der Windungsspannung bei einem
bestimmten Ofen ausgestaltet ist, hängt vor allem davon ab, für welche Einsatzzwecke
der Ofen gedacht ist und welche konstruktive Ausgestaltung er im übrigen besitzt.
Weist der Drehstromtransformator sowohl mehrere Anzapfungen als auch mehrere, von
Serien- auf Parallelbetrieb umschaltbare Spulengruppen auf und ist die Induktionsspule
außerdem in der angegebenen Art mehrteilig ausgebildet, ist die Windungsspannung
in einem sehr weiten Bereich auf einfache Weise veränderbar.
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Ist die Induktionsspule mehrteilig ausgebildet, wobei ihr eine Umschalteinrichtung
zum Umschalten von Serienbetrieb auf Parallelbetrieb und umgekehrt zugeordnet ist,
kann die Windungsspannung auf seiten der Induktionsspule und damit die Ofenleistung
allein durch Umschalten von Parallelbetrieb der Teilspulen auf deren Serienbetrieb
verringert werden, bei gleichbleibend großer Ausgangsspannung des Drehstromtransformators.
Eine gleichbleibend große Ausgangsspannung des Drehstromtransformators ist aber
deshalb vorteilhaft, weil Kondensatoren großer Betriebsspannung kostengünstiger
sind als solche kleiner Betriebsspannung; auch andere Bauelemente, wie Schalter
und Stromleitungen, sind bei Ausführung für höhere Spannungen kostengünstiger erstellbar.
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Der im Stromweg für die höhere Frequenz vorgeseheneFrequenzumformer
ist vorzugsweise als statischer Frequenzumformer ausgebildet. Ein solcher Umformer
hat gegenüber einem rotierenden Frequenzumformer die Vorteile, daß er einerseits
einen höheren elektrischen Wirkungsgrad besitzt und andererseits beim Abschalten
des Ofens jederzeit mit abgeschaltet wird, wodurcn in den Betriebspausen keine Umformerverluste
auftreten. Bei einem rotierenden Frequenzumformer dauert es andererseits längere
Zeit, bis der Umformer beim Umschalten von Netzfrequenz auf die höhere Frequenz
wieder voll leistungsfähig ist, sofern er bei der Frequenzänderung abgeschaltet
wird.
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Um das Drehstromnetz beim Betrieb des Induktionsofens mit Netzfrequenz
symmetrisch zu belasten, empfiehlt es sich, daß zwischen dem im Stromweg für die
Netzfrequenz vorgesehenen Lastschalter und Kompensationskondensator für die Kompensierung
der Blindatromlast des Ofens bei Netzfrequenz eine Symmetriereinrichtung mit Symmetrierdrossel
und Symmetrierkondensator vorgesehen ist und der Drehstromtransformator bei Netzfrequenz
dreiphasig belastet ist.
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Ist als Drehstromtransformator ein solcher mit mehreren Anzapfungen
verwendet, ist es von Vorteil, daß die Anzapfungen des Drehstromtransformators auf
seinerSekundärseite liegen.
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Insbesondere bei geringerer Leistung des Tiegelofens kann dieser auch
so geschaltet sein, daß der Drehstromtransformator zweiphasig belastet ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind der Kompensationskondensator
des Stromweges für die höhere Frequenz und der Kompensationskondensator des Stromweges
für die Netzfrequenz
an die Induktionsspule in Parallelschaltung
angeschlossen; hierbei empfiehlt es sich sodann, daß die Umschalteinrichtung zum
Umschalten von der höheren Frequenz auf Netzfrequenz und umgekehrt zwei miteinander
verriegelte Schalter aufweist, wovon der eine im Stromweg für die höhere Frequenz
zwischen dem Kompensationskondensator dieses Stromweges und dem Frequenzumformer
angeordnet und gleichzeitig mit dem in diesem Stromweg vorgesehenen Last schalter
von Offen- in Schließstellung und umgekehrt umschaltbar ist, der andere im Stromweg
für die Netzfrequenz zwischen dem Kompensationskondensator dieses Stromweges und
der Induktionsspule angeordnet und gleichzeitig mit dem in sem Stromweg vorgesehenen
Lastschalter von Offen- in Schließstellung und umgekehrt umschaltbar ist.
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Bei dieser Ausgestaltung ist sichergestellt, daß der Frequenzumformer
das Stromnetz im Falle des Netzfrequenzbetriebes vUllig unbeeinflußt läßt. Andererseits
bleibt bei dieser Anordnung der Kompensationskondensator des Stromweges für die
höhere Frequenz bei Netzfrequenzbetrieb mit Spannung beaufschlagt; dies ist möglich,
da die Leistungsaufnahme von seiten dieses Kompensationskondensators bei Netzfrequenz
vernachlässigbar klein ist, insbesondere wenn die Speisespannung niedrig ist. Der
im Stromweg für die höhere Frequenz für die Umschaltung von der höheren Frequenz
auf Netzfrequenz und umgekehrt vorgesehene Schalter ist hierbei zwischen dem Frequenzumformer
und dem Kompensationskondensator dieses Stromweges und nicht zwischen dem Kompensationskondensator
und der Induktionsspule vorgesehen, weil die Ströme auf der Seite des Frequenzumformers
geringer sind als auf der Seite der Induktionsspule. Der für die Umschaltung von
der höheren Frequenz auf Netzfrequenz und umgekehrt im Stromweg für Netzfrequenz
liegende Schalter ist demgegenüber zwischen dem Kompensationskondensator
dieses
Stromweges und der Induktionsspule vorgesehen, womit der Kompensationskondensator
dieses Stromweges bei dem Betrieb mit höherer Frequenz vom Stromnetz abgeschaltet
ist, da dieser Kondensator bei der höheren Frequenz einen größeren Leistungsverbrauch
aufweist.
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Im nachfolgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen: Fig. 1 im Schema einen
Schmelztiegel mit Induktionsspule; Fig. 2 einen elektrischen Schaltkreis, in den
die Induktionsspule gemäß Fig. 1 eingeschaltet ist.
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In Fig. 1 ist mit 1 ein Schmelztiegel bezeichnet, der mit einer Metallschmelze
2 angefüllt und von einer Induktionsspule 3 umgeben ist. Die Induktionsspule 3 ist
zweiteilig mit den Teilspulen 3a und 3b ausgebildet. Sie besitzt insgesamt vier
Anzapfungen I, II, III und IV und wird von einem Drehstromnetz R, S, T her wahlweise
einphasig mit Netzfrequenz oder mit einer höheren Frequenz als Netzfrequenz, z.B.
450 Hz, gespeist, wie im einzelnen aus Fig. 2 ersichtlich ist.
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Gemäß Fig. 2 ist an das Drehstromnetz R, S, T zunächst ein Netzschalter
4 angeschlossen, an den sich ein Drehstromtransformator 5 anschließt. Dieser Drehstromtransformator
5 besitzt mehrere Anzapfungen 5a mit Stufenschalter 5b. Die Anzapfungen 5a des Drehstromtransformators
5 sind sämtlich auf seiner Sekundärseite vorgesehen, und er ist in Sternschaltung
geschaltet.
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Dem Drehstromtransformator 5 sind sekundärseitig zwei Schalter 6
und 7 in Form von Lastschützen nachgeschaltet, die miteinander verriegelt sind,
so daß, wenn das Last schütz 6 in Schließstellung gebracht ist, das Lastschütz 7
sich gleichzeitig in Offenstellung befindet lnd wt t-- rot. Bei Schließstellung
des Lastschützes 6 wir die Induktionsspule 3 mit der höheren Frequenz, bei Schließstellung
des Lastschützes 7 mit Netzfrequenz beaufschlagt.
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lfierzu schließt sich an das Lastschütz 6 ein statischer Frequenzumformer
8 an. Bei diesem Frequenzumformer kann es sich urn einen elektronischen, mit Thyristoren
bestückten Frequenzumformer handeln oder um einen Frequenzumformer, der nach dem
ransformatorprinzip aufgebaut ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
ein nach dem Transformatorprinzip aufgebauter statischer Frequenzumformer 8 eingesetzt
mit Vorschaltdrosseln 8a, Primärkondensatoren 8b und einer Transformator- un? Generatoreinheit
8c.
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Der requenzumformer 8 ist ausgangsseitig über einen weiteren Schalter
in Form des Schaltschützes 9 an die Induktionsspule 3 angeschlossen, wobei zwischen
diesem Schaltschütz und der Induktionsspule, parallel zu ihr, ein Kompensationskondensator
10 für den Betrieb bei höherer Frequenz in Form einer Kondensatorbatterie angeschlossen
ist.
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An das Schaltschütz 7 schließt sich andererseits unter Zwischenschaltung
einer Symmetriereinrichtung 11 mit Symmetrierdrossel lla und Symmetrierkondensator
lib ein Kompensationskondensator 12 für Netzfrequenzbetrieb, ebenfalls in Form einer
Kondensatorbatterie,
an. Dieser Kompensationskondensator 12 ist über einen Schalter in Form des Schaltschützes
9a parallel zum Kompensationskondensator 10 für die höhere Frequenz an die Induktionsspule
3 angeschlossen, wobei das Schaltschütz 9a mit dem Schaltschütz 9 verriegelt ist.
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Die Teilspulen 3a und 3b der Induktionsspule 3 können in Serienbetrieb
oder Parallelbetrieb beaufschlagt werden. Hierzu ist eine Umschalteinrichtung 13
vorgesehen.