DE4103890C2 - Induktionserwärmungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Induktionserwärmungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Unter den Begriff Induktionserwärmungsvorrichtung fallen Hochfrequenz- bzw. Wirbelstromerwärmungsvorrichtungen.

Diese Erfindung ist besonders für eine Induktionserwärmungs­ strecke für Bänder anwendbar, die mit einer Vielzahl von Induk­ tionsspulen versehen ist, wobei zwei oder mehr Hochfrequenzkon­ verter als Stromquellen für die Spulen eingesetzt werden und worin die Stromquellen nicht synchron zueinander laufen können. Es ist dem Fachmann jedoch klar, daß diese Erfindung für andere Zwecke und Bereiche angewendet werden kann, zum Beispiel wenn die Energiekopplung zwischen den Stromquellen benachbarter Spu­ len unterdrückt werden soll.

Induktionserwärmungsvorrichtungen für Bänder mit einer Vielzahl von hintereinander angeordneten Induktionsspulen, durch die das er­ wärmte Band läuft, sind in der Technik allgemein bekannt. Häufig sind zwei oder mehr Hochfrequenzkonverter als Stromquellen nö­ tig. So ist aus der DE 37 10 085 A1 eine Vorrichtung bekannt, in der mindestens zwei Induktionsspulen eine unabhängige Stromquelle aufweisen. Die Ausgangsfrequenz der Konverter hängt von der Reso­ nanzfrequenz des Resonanzkreises ab, der typischerweise aus einem Kondensatorblock besteht, der mit der Induktionsspule und deren Bandladung parallel verbunden ist. Die Aktivierung der Gleichrichtereinrichtungen (SCR) im Inverterabschnitt dieser Konverter wird von der Rückkopplungsspannung aus dem Resonanz­ kreis zeitlich festgelegt, so daß die Inverteraktivierung her­ vorgerufen wird, um die Eigenspannung des Resonanzkreises zu verstärken. Bei der erforderlichen physikalischen Anordnung der Induktionsspulen bewirken die Ströme in einer Spule eine Span­ nung in den benachbarten Spulen. Da die Inverter jedes Konver­ ters in Übereinstimmung mit der Spannung ihres eigenen Resonanz­ kreises aktiviert werden, können die benachbarten Konverter nicht synchron miteinander laufen. Wenn im zweiten Resonanzkreis eine vom anderen Konverterkreis induzierte Spannung auftritt, beeinträchtigt sie die Wellenform, die zur Aktivierungsregelung zurückgeführt wird, und kann bewirken, daß die Inverter zum falschen Zeitpunkt aktivieren, wodurch ein instabiler Zustand hervorgerufen wird, der den Betrieb der Strecke verhindert. Wenn die Stromquellen bei einer im wesentlichen gleichen Betriebsfre­ quenz arbeiten, neigen sie dazu, den synchronen Betrieb zu blockieren, und verhindern die unabhängige Regelung der Strom­ quellen. Das Problem der unabhängigen und exakten Regelung des Stroms für die Spule ist das Problem, das primär durch den Ge­ genstand dieser Erfindung korrigiert werden soll.

Es wurden deshalb verschiedene Formen und Typen von Vorrichtun­ gen und Aufbauformen vorgeschlagen, um die Energiekopplung der Stromquelle zwischen benachbarten Spulen zu reduzieren. Ein er­ stes Schema umfaßt die Frequenzwanderung der Resonanzkreise, so daß jeder Konverter mit unterschiedlicher Frequenz läuft. Beim Erwärmen dünner Bänder bildet dies nicht immer eine kommerziell brauchbare Lösung, da es hierbei beabsichtigt ist, die Fre­ quenz so hoch wie möglich zu halten, um einen Verlust des Wir­ kungsgrades der Erwärmung zu vermeiden. Ein anderer Vorschlag umfaßt eine Anordnung benachbarter Spulen mit viel größeren Ab­ ständen. Dies ist praktisch nicht vorteilhaft, da zwischen den Spulen ein beträchtlicher Platz gelassen werden muß, um das Kopplungsproblem zu vermeiden, und dieses Verfahren würde da­ durch den erforderlichen Raum für die Installation zur Induktionserwärmung nachteilig vergrößern.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue und verbesserte Vorrichtung, die die oben genannten Probleme überwin­ det, so daß eine neue Vorrichtung zur Induktionserwärmung ge­ schaffen wird, deren Aufbau einfach ist, deren Herstellung öko­ nomisch ist, die leicht einer Vielzahl von vorgegebenen Abmes­ sungen angepaßt werden kann, die robust und beim Betrieb zuver­ lässig ist und die eine verbesserte Flexibilität und einen ver­ besserten Betrieb der Induktionserwärmungsstrecke für Bän­ der ermöglicht.

Die Induktionserwärmungsvorrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich durch eine im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale aus

Zumindest zwei Stromquellen für die Spulen, die vorzugs­ weise Hochfrequenzkonverter umfassen, erzeugen in diesen Spulen den ersten und zweiten Primärstrom. Ein geschlossener Kreis aus einem elektrisch leitfähigen Material ist im Verhältnis zu den Induktionsspulen koaxial zwischengeschaltet. Dieser Kreis ist angeordnet, um einen Strom im geschlossenen Stromkreis zu indu­ zieren, der entgegengesetzt zu den Primärströmen ist. Das Ma­ gnetfeld dieses Stromes im geschlossenen Stromkreis steht dem Magnetfeld des Primärstroms gegenüber, so daß eine Reduzierung der Magnetfeldstärke auf der Seite des Kreises hervorgerufen wird, die zum Primärstrom entgegengesetzt ist, um die Kopplung zwischen den Spulen zu verhindern. Dieser geschlossene Kreis wird als "Entkopplungsring" bezeichnet und wird vorzugsweise zwischen benachbarten Spulen angeordnet. Die Verwendung dieses Entkopplungsringes gestattet den unabhängigen Betrieb benachbar­ ter Konverter, die benachbarte Spulen mit Energie versorgen, wo­ bei der benötigte Abstand zwischen den Spulen geringer ist, als er ohne Anwendung des Entkopplungsringes wäre.

Die Entkopplungsringe können aus jedem sehr leitfähigen Metall, zum Beispiel Kupfer oder Aluminium, bestehen. Die Auswahl ver­ schiedener Innenabmessungen, Außenabmessungen, der Dicke und der Formen beeinflußt die Wirksamkeit dieses Ringes.

Ein bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung erreichter Vorteil ist also die Verhinderung der Magnetkopplung zwischen den Spulen bei reduziertem Gesamtraumbe­ darf.

Eine Vielzahl von Entkopplungsringen hintereinander erhöht die Wirksamkeit der Ver­ hinderung der Magnetkopplung zwischen den Spulen. Dies ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ring in einem seiner Leitungszweige mit einem Schalter ausgestattet, so daß der Leitungszweig geöffnet werden kann, damit der Ring vom Werkstück, zum Beispiel ein fortlaufendes Band, abgezogen werden kann, ohne das Band zu zerstören oder zu zerschneiden.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung ist die variable Anwendung einer Viel­ zahl von Entkopplungsringen, die selektiv eingesetzt oder abge­ nommen werden können, ohne das durch die Erwärmungsstrecke lau­ fende Werkstück zu zerstören.

Weitere Vorteile der neuen Induktionserwärmungsvorrichtung wer­ den dem Fachmann anhand der Beschreibung deutlich.

Die bevorzugten Ausführungsformen werden im folgenden detailliert erläutert und in den beigefügten Zeichnungen darge­ stellt.

Die beigefügten Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Draufsicht des Systems der erfindungs­ gemäßen Erwärmungsstrecke, die besonders die Vielzahl der Entkopplungsringe zeigt, die zwischen hintereinander angeordneten Heizspulen zwischengeschaltet sind, und

Fig. 2 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Entkopplungs­ ringes.

Nachfolgend wird auf die Zeichnungen Bezug genommen, die bevor­ zugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Die Figuren zeigen eine Induktionserwärmungsvorrichtung für Bänder, worin die erste und zweite Induktionsheizspule 10, 12 koaxial hintereinander an­ geordnet sind, um das hindurchlaufende Stahlband 14 zu erwärmen. Die erste und zweite Stromquelle 16, 18, die vorzugsweise Hoch­ frequenzkonverter sind, liefern die für die Spulen 10, 12 geeig­ nete Energie. Die Ausgangsfrequenz der Konverter 16, 18 hängt von der Resonanzfrequenz des damit verbundenen Resonanzkreises (nicht gezeigt) ab, der aus einem Kondensatorblock besteht, der mit den Induktionsspulen 10, 12 verbunden ist. Die Aktivierung der SCR-Einrichtungen in den Frequenzkonvertern 16, 18 wird durch die Rückkopplungsspannung aus den Resonanzkreisen zeitlich festgelegt, so daß der gelieferte Strom die Eigenfrequenz der Resonanzkreise verstärkt. Die Spulen 10, 12 sind normalerweise räumlich voneinander getrennt, so daß die Ströme in einer Spule in der benachbarten Spule eine Spannung induzieren. Somit sind die Spulen gekoppelt und der Kopplungsgrad bestimmt, wie wirksam die Spulen unabhängig voneinander betrieben werden können.

Um die Magnetkopplung zwischen den Spulen zu überwinden, sind zwischen den Spulen 10, 12 einen oder mehrere Entkopplungsringe 20, 22 zwischengeschaltet. Dieser Entkopplungsring ist ein geschlossener Kreis aus einem elektrisch leitfähigen Material, üblicherweise Kupfer oder Aluminium, der zwischen den Induktionsspulen 10, 12 angeordnet ist und mit den Achsen der Spulen koaxial verläuft. Die Auswahl der verschiedenen Innenabmessungen, Außenabmessungen, der Dicke und der Form beeinflußt die Effektivität der Verhinderung der Magnetkopplung zwischen den Spulen durch diesen Ring 20. Die Verwendung einer Vielzahl von Entkopplungsringen 20, 22 hinter­ einander reduziert die Wechselwirkung der Spulen weiter. Angren­ zende Primärspulenströme in den Spulen 10, 12 induzieren in den Entkopplungsringen 20, 22 Spannungen, die darin Ströme im geschlossenen Stromkreis entstehen lassen, die im wesentlichen zur Richtung des Primärstroms entgegengesetzt sind. Dieser indu­ zierte Strom im geschlossenen Stromkreis läßt somit ein Magnet­ feld entstehen, das zum Primärmagnetfeld des Primärstroms entge­ gengesetzt ist, so daß eine Reduzierung der sich ergebenden Ma­ gnetfeldstärke auf der Seite des Ringes hervorgerufen wird, die zum Primärstrom entgegengesetzt ist, und dadurch die Magnetkopp­ lung zwischen den Spulen verhindert wird.

Insbesondere bewirkt der Primärstrom in der Spule 10 einen Strom in den Ringen 20, 22 im geschlossenen Stromkreis, der die Ma­ gnetfeldstärke von der Spule 10 auf die zweite Spule 12 redu­ ziert. Die Reduzierung der Magnetfeldstärke führt ebenfalls zur Reduzierung jeder Spannung, die in die Spule 12 induziert wird, dies ermöglicht einen vorteilhaften Betrieb der benachbarten Konverter 16, 18, die die benachbarten Spulen 10, 12 mit Strom versorgen, wobei zwischen den Spulen weniger Raum benötigt wird, als wenn die Ringe 20, 22 nicht verwendet würden.

Nachfolgend wird besonders auf die Fig. 2 Bezug genommen, worin der Entkopplungsring 20 einen Schalter 24 in einem der kürzeren Leitungszweige 25 des Ringes umfaßt, damit der Ring geöffnet werden kann, so daß der Ring vom fortlaufenden Band 14 abgezogen wird, ohne das Band zu zerstören oder zu zerschneiden. Dieser Schalter wird vom Kolben 30 und dem Gelenk 32 selektiv geöffnet (wie es durch die unterbrochene Linie gezeigt ist) und geschlos­ sen, wobei die elektrische Leitfähigkeit in dem Ring über Messerschalterkontakte 34, 36 erreicht wird, wenn der Lei­ tungszweig 25 des Ringes geschlossen ist. Die Ringe 20, 22 sind durch eine konventionelle Rahmenvorrichtung 26 (durch die unter­ brochene Linie gezeigt) koaxial ausgerichtet angeordnet, die Stützteile 28 und damit verbundene Isolatoren 29 umfaßt (Fig. 1). Bei Anwendungszwecken mit sehr hoher Energie kann ein Kühl­ rohr (nicht gezeigt) mit dem Ring verbunden sein.

Claims (3)

1. Induktionserwärmungsvorrichtung mit einer Mehrzahl hintereinander angeordneter Induktionsspulen zur Erwärmung eines hindurchlaufenden Werkstücks, wobei mindestens zwei Induktionsspulen (10, 12) eine unabhängige Stromquelle (16, 18) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung der Energiekopplung zwischen den Stromquellen (16, 18) zwischen den Spulen (10, 12) ein Entkopplungsring (20, 22) vorgesehen ist, der im Betrieb einen geschlossenen Kreis aus leitfähigem Material darstellt, wobei die Spulen (10, 12) auf einer gemeinsamen Achsae angeordnet sind und die Achse des Kreises zu dieser Achse koaxial ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Spulen (10, 12) eine Vielzahl von Entkopplungsringen (20, 22) zwischengeschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Entkopplungsring (20, 22) durch einen selektiv zu betätigenden Schalter (24) öffenbar ist.