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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft das Erwärmen
von Abschnitten von Metallteilen, die vorangeschoben werden, während sie
unter Verwendung von hochfrequentem Strom, d. h. 3 KHz oder höher, zum
Glühen eines
zuvor geschweißten
Abschnitts und mit 100 KHz oder höher zum Feuerschweißen erwärmt werden,
wobei Abschnitte von zusammenzuschweißenden Metallteilen auf Feuerschweißtemperatur
erwärmt
werden und wobei der hochfrequente Strom durch einen Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichter zugeführt wird,
der Festkörperkomponenten zum
Bereitstellen der hochfrequenten Ströme verwendet.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Das
Feuerverschweißen
von Metallteilen, wie zum Beispiel Platten, Rippen an Rohre usw.,
oder Randabschnitte desselben Teils, das so gefaltet wird, dass
sich die Randabschnitte an der Schweißstelle treffen, wenn dieses
letztere Teil in Längsrichtung des
Teils vorangeschoben wird, zum Beispiel wenn ein Metallblech oder
ein Metallstreifen zu einem Rohr gefaltet wird und der Streifen
in Richtung der Achse des Rohres vorangeschoben wird, unter Verwendung von
hochfrequenten elektrischen Strömen
zum Erwärmen
der zusammenzuschweißenden
Abschnitte ist einschlägig
bekannt. Siehe zum Beispiel die US-Patente Nr. 2,774,857, Nr. 3,037,105
und Nr. 4,197,441.
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Im
Allgemeinen werden die zusammenzuschweißenden Metallteile oder Abschnitte
eines Metallteils an zu verbindenden Abschnitten durch den hochfrequenten
elektrischen Strom auf Feuerschweißtemperatur erwärmt, die
normalerweise mindestens 1300°F
(704°C)
beträgt
und 2500°F-2700°F (1371°C-1482°C) für Stahl
betragen kann, die jedoch unter der Schmelztemperatur des Metall
liegt, und wenn die zu verbindenden Abschnitte die Feuerschweißtemperatur
erreichen, so werden sie zusammengepresst, so dass eine Schweißnaht zwischen diesen
Abschnitten entsteht.
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Man
lässt den
Heizstrom auf den gegenüberliegenden
Flächen
der zu verbindenden oder zusammenzuschweißenden Metallabschnitte in
entgegengesetzten Richtungen fließen, um den "Nachbarschaftseffekt" auszunutzen, der
bewirkt, dass die entgegengesetzt fließenden Ströme an den Flächen – im Vergleich
zu einem Strom, der von den Flächen
weiter entfernt fließt – verstärkt werden.
Hochfrequente Ströme
werden verwendet, um den allgemein bekannten "Hauteffekt" auszunutzen.
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Beim
Feuerschweißen
lässt man
den Heizstrom in den auf Schweißtemperatur
zu erwärmenden
Abschnitten entweder durch Kontakte, welche die Teile in Eingriff
nehmen, oder durch eine Induktionsspule, die den Strom in den Teilen
induziert, fließen.
Beim Glühen
wird der Heizstrom in der Regel in den Teilen durch eine Induktionsspule
induziert, und die Temperatur zum Glühen beträgt normalerweise mindestens
1300°F (704°C) und kann
im Bereich von 1400°F-1500°F (760°C-815°C) für Stahl
liegen, liegt aber unter der Schmelztemperatur und Feuerschweißtemperatur
des Metalls. In der Vergangenheit enthielten die verwendeten Hochfrequenzstromquellen
Vakuumröhrenoszillatoren.
Aufgrund der Größenordnung
der involvierten Heizströme,
d. h. Tausende Ampere, sind die Vakuumröhren groß und teuer.
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Vor
nicht allzu langer Zeit sind mit relativ starken Strömen arbeitende
Festkörper-Elektronenbauelemente
entwickelt worden, die in Hochfrequenzstromquellen verwendet werden
können,
um die erforderlichen Heizströme
ohne die Verwendung von Vakuumröhren
zu erzeugen. Solche Festkörper-Hochfrequenzgeneratoren
haben gewisse Vorteile gegenüber
Vakuumröhrenoszillatoren,
wie zum Beispiel Größe, niedrigere
Betriebsspannung und besserer theoretischer elektrischer Wirkungsgrad. Zum
Beispiel sind die Fest körperbauelemente
kleiner als die erforderlichen Vakuumröhren, so dass die Gesamtgröße des Gehäuses der
Quelle kleiner sein kann. Um die großen erforderlichen Ströme zu erzeugen,
müssen
die Vakuumröhren
mit Hochspannung, zum Beispiel Tausenden Volt, versorgt werden,
wohingegen die Festkörperbauelemente
elektrischen Strom mit lediglich Hunderten Volt benötigen.
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Außerdem beträgt der theoretische
maximale elektrische Wirkungsgrad, d. h. das Verhältnis des Hochfrequenzstromausgangs
zu dem Niederfrequenz- oder Gleichstrom, der zum Erzeugen des Hochfrequenzstroms
benötigt
wird, etwa 65 für
einen Vakuumröhrenoszillator
und etwa 80 % für
einen Festkörper-Hochfrequenzstromgenerator.
Der elektrische Wirkungsgrad ist in vielen Fällen von Bedeutung, zum Beispiel
wenn der elektrische Strom, der von einem Stromversorger an eine
Produktionsstätte verkauft
wird, teuer ist oder wenn es gewünscht
wird, die in einer vorhandenen Schweißvorrichtung verwendete Größenordnung
des Schweißstroms
aus irgend einem Grund zu erhöhen,
aber die Versorgungsleitungen, die Transformatoren usw. modifiziert oder
ausgetauscht werden müssen,
um den zusätzlich
benötigten
Strom zuzuführen.
Dementsprechend ist es möglich,
durch den Austausch eines Vakuumröhrenoszillators, der nur einen
Teil der Schweißvorrichtungsinvestition
bildet, gegen einen Festkörper-Hochfrequenzgenerator
nicht nur den elektrischen Wirkungsgrad und damit die Schweißkosten zu
optimieren, sondern auch die Schweißströme zu erhöhen, ohne die technischen Anlagen
des Stromversorgers stärker
zu belasten.
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Dementsprechend
liegt es auf der Hand, dass, wenn ein Festkörper-Hochfrequenzgenerator anstelle
eines Hochfrequenzgenerators, der mit Vakuumröhren arbeitet, verwendet werden
kann, verschiedene Vorteile realisiert werden können.
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Ein
Typ von Festkörper-Hochfrequenzgeneratoren
ist ein Gleichstrom-Wechselstrom-Wechselrichter. Siehe zum Beispiel
den Artikel mit dem Titel "A
Comparison of Load Commutated Inverter System for Induction Heating
and Melting Applications",
erschienen in IEEE Transactions on Power Electronics, Band 6, Nr.
3, Juli 1991, wo ein Stromquellen-Parallelschwingkreis-Wechselrichter-
und ein Spannungsquellen-Reihenschwingkreis-Wechselrichtersystem, die
beide mit Thyristoren arbeiten, für einen Induktionsschmelzofen
zum Schmelzen von Metallen offenbart sind. Wie bei allen Generatoren
wird der maximale Stromtransfer vom Generator zu einer Last erreicht,
wenn die Impedanz der Last auf die Impedanz des Generators abgestimmt
ist.
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Weil
außerdem
die Last den Wechselrichter kommutiert oder den Wechselrichter zum
Umschalten veranlasst, muss die Last in einem Resonanzkreis auf
die Frequenz des Ausgangswechselstroms abgestimmt werden. Ein Festkörper-Hochfrequenzgenerator
hat im Vergleich zu der Impedanz eines Generators, der mit Vakuumröhren arbeitet,
eine niedrige Impedanz. Wegen der Impedanzen der Last und des Vakuumröhrengenerators
und der involvierten Spannungen wird im Fall von Vakuumröhrengeneratoren
in der Regel ein spezieller Abspanntransformator benötigt, um
den Generator an die Last zu koppeln. Siehe zum Beispiel US-Patent
Nr. 2,825,033. Zu einer Generator-"Last" gehören selbstredend
alle elektrischen Ausrüstungen,
die an die Ausgangsanschlüsse
des Generators angeschlossen sind. Bei Schweiß- und Glühvorrichtungen des beschriebenen
Typs wird die Lastimpedanz durch viele Faktoren beeinflusst, zum
Beispiel der Art, der Größe und der
Form der geschweißten
oder geglühten
Teile, ob eine Induktionsspule oder Kontakte verwendet werden, Länge und
Impedanz von Verbindungsleitungen, Bewegung der Teile usw. Infolge dessen
ist die Lastimpedanz nur schwer – wenn überhaupt – vorhersagbar, und wenn in
der Vergangenheit der Generator mit Vakuum röhren arbeitete, so wurden Hochfrequenz-Regelinduktanztransformatoren
oder Hochfrequenztransformatoren mit mehreren primären Abgriffpunkten
zwischen der Last und dem Oszillator verwendet, um die Lastimpedanz auf
den richtigen Wert zu skalieren. Zu weiteren verwendeten Verfahren
gehörte
die Hinzufügung
oder Wegnahme von Anodenschwingkreiskondensatoren oder die Verwendung
von Abzweigspulen mit manuell einstellbaren Kurzschlussbügeln. Alle
Lösungskonzepte
bis auf den Regelinduktanztransformator sind mit dem Mangel behaftet,
dass die Lastanpassung lediglich bei allenfalls geringem Ausgangsstrom vorgenommen
werden kann, so dass ein "dynamisches" oder kontinuierlich
optimierendes Lastanpassungssystem mit diesen Lösungskonzepten nicht möglich war.
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Ein
Festkörper-Hochfrequenzgenerator
vom Gleichstrom-Wechselstrom-Typ
spricht im Vergleich zur Frequenzempfindlichkeit von zum Stand der Technik
gehörenden
Vakuumröhren-Hochfrequenzgeneratoren
relativ empfindlich auf Frequenzen an, die bei Lastimpedanzänderungen
erzeugt werden. In dem angesprochenen Artikel sind die Hochfrequenzenergie-erzeugenden
Komponenten durch einen Abspannfesttransformator von der Last isoliert,
und das zu erwärmende
Metall ist im Wesentlichen stationär. Wenn bei einem Festkörper-Hochfrequenzgenerator die
Resonanzfrequenz der Last schwankt, so schwankt die Frequenz des
Generatorausgangsstroms. Die Lastimpedanz, die frequenzabhängig ist, schwankt
ebenfalls und kann das Verhältnis
zwischen Lastimpedanz und Generatorimpedanz verändern. Somit kann eine Änderung
der Lastimpedanz Fehlabstimmungen in Frequenz und Impedanz hervorrufen,
die beide unerwünscht
sind. Obgleich der gleiche Typ von Anzapf- oder Regelinduktanztransformatoren,
die in Vakuumröhren-Schweißvorrichtungen
verwendet werden, bei einigen – vor
allem spannungsgespeisten – Wechselrichtern
verwendet werden kann, arbeiten Wechselrichtertypen, vor allem stromgespeiste
Wechselrichter, nicht zufriedenstellend, wenn sie an einen Transformator angeschlossen
sind. Anzapftransformatoren haben den Nachteil, dass sie nicht in
der Lage sind, die Lastimpedanz bei signifikanten Stromwerten zu
justieren, während der
Generator arbeitet.
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Während der
Artikel einige der Probleme beschreibt, die bei einem Schmelzofen
anzutreffen sind, geht er nicht auf die Probleme des Erwärmens eines
oder mehrerer sich bewegender Teile ein, wie zum Beispiel bei Feuerschweißvorrichtungen
oder Glühvorrichtungen,
die an einen Wechselrichter angeschlossen sind und mit Betriebsfrequenzen
von 3 KHz und höher
arbeiten, die zum Glühen
und Feuerschweißen
benötigt
werden. Der Artikel schlägt
die Verwendung eines Anpassungsfesttransformators vor, der für Feuerschweiß- und Glühvorrichtungen,
in denen sich die Teile bewegen, unbefriedigend ist, und offenbart
keine Vorrichtungen zum automatischen Ausgleichen von Lastschwankungen,
während das
Erwärmen
der sich bewegenden Teile kontinuierlich vonstatten geht.
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Es
geht deshalb nicht nur um das bloße Ersetzen eines Vakuumröhren-Hochfrequenzgenerators
durch einen Festkörper-Hochfrequenzgenerator, sondern
es müssen
vielmehr besondere Vorkehrungen für die Steuerung der Impedanz
und der Frequenz der Last getroffen werden.
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US-Patent
Nr. 1,948,704 offenbart eine Erfindung, die Verbesserungen bei Verfahren
zum Betreiben von Hochfrequenzöfen
und dergleichen betrifft, wobei während ihres Betriebes die Induktivität sowie der
ohmsche Widerstand der Last Änderungen
unterworfen sind, wie sie zum Beispiel sehr ausgeprägt beim
Schmelzen von Eisen auftreten, wo die magnetische Permeabilität und die
elektrische Leitfähigkeit vor
und nach dem Schmelzen unterschiedliche Werte aufweisen. Die Erfindung
ist durch die Aussage gekennzeichnet, dass der Wechselstromwiderstand des
Lastkreises, in dem der Ofen angeordnet ist, so gesteuert wird,
dass er kontinuier lich unverändert bleibt,
wodurch infolge des konsequenten Konstanthaltens der Impedanz eine
stabile Belastung des Generators möglich ist. Der Lastkreis wird
ungeachtet des Widerstandes des Hochfrequenzofens gesteuert.
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Die
US-Patente Nr. 2,856,499 und 3,145,285 offenbaren variable Drosseln
zum Verändern
des Stroms in einer Schweißlast.
Zum Zeitpunkt der Anmeldung der oben erwähnten Patente (27. Februar 1934,
28. Februar 1957 und 19. Juni 1963) gab es weder Hochfrequenzgeneratoren
mit ausreichender Ausgangsleistung zum Feuerschweißen noch
Festkörperbauelemente,
aber es gab Vakuumröhren-Hochfrequenzgeneratoren,
und die Erfinder bezogen sich zu jener Zeit auf andere Generatoren
als Festkörper-Hochfrequenzgeneratoren
als Hochfrequenzquelle. Solche anderen Generatoren werden nicht
in der gleichen Weise durch Lastimpedanzänderungen beeinflusst wie Festkörper-Hochfrequenzgeneratoren,
und die variablen Drosseln dienten nur dem Zweck der Erzeugung von
Heizstromänderungen
und nicht der Impedanzanpassung und der Überwindung von Frequenzverschiebungsproblemen,
denen man bei Festkörper-Hochfrequenzgeneratoren begegnet.
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Wie
oben schon angesprochen, haben die Heizströme eine hohe Größenordnung,
d. h. Tausende Ampere, und jede Reihendrossel muss in der Lage sein,
solche Ströme
ohne Überhitzung
zu transportieren. Aus diesen Gründen
ist es erforderlich, dass die Reihendrossel einzigartige Merkmale
aufweist, wenn die Heizströme
groß sind.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektrisches Hochfrequenz-Heiz-
oder -Schweißsystem
bereitzustellen, bei dem die oben angesprochenen Nachteile im Wesentlichen
beseitigt sind.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisches Hochfrequenz-Heizsystem
zur Erwärmung
eines Abschnitts oder von Abschnitten eines Metallteils oder von
Metallteilen (zum Beispiel auf eine Temperatur von mindestens 1300°F (ungefähr 700°C)), aber
unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls), während die Abschnitte vorgeschoben
werden, bereitgestellt, wobei das System umfasst: einen elektrischen
Festkörper-Wechselrichter
mit einem Ausgang zur Bereitstellung von hochfrequentem elektrischem
Strom, dessen Größenordnung
und Frequenz von der Impedanz einer an den Festkörper-Wechselrichter angeschlossenen
Last abhängen,
wobei diese Last ein Mittel umfasst, das veranlasst, dass elektrischer
Heizstrom in dem Abschnitt oder den Abschnitten fließt, während das
Teil oder die Teile vorgeschoben wird bzw. werden; und ein Lastanpassungs-
und Frequenzsteuerungsmittel, das an den Ausgang des Wechselrichters
sowie an das Mittel, das veranlasst, dass Heizstrom in den Abschnitten
fließt,
angeschlossen ist, wobei das Lastanpassungs- und Frequenzsteuerungsmittel
umfasst: eine erste Drossel, die elektrisch zwischen dem Ausgang
und der Last in Reihe geschaltet ist, und eine zweite Drossel, die
elektrisch mit dem Ausgang parallel geschaltet ist, wobei sowohl
die erste Drossel als auch die zweite Drossel Energiefelder erzeugen, wenn
sie unter Strom gesetzt werden, wobei das Feld mit Hilfe eines Energiefeldänderungsmittels,
das neben dem Feld angeordnet und relativ zu dem Feld beweglich
ist, in seiner Reaktanz verändert
werden kann; und einen Kondensator mit einer elektrischen Verbindung
zu diesem Ausgang, wobei diese elektrische Verbindung die gleiche
ist wie die der ersten Drossel oder der zweiten Drossel zu diesem
Ausgang.
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Die
Vorrichtung der Erfindung kann somit eine variable Drossel in Reihe
zwischen dem Ausgang des Festkörper-Hochfrequenzgenerators
und der Last und eine variable Drossel parallel zum Generatorausgang
umfassen, wobei keine der Drosseln Kontakte zum Einstellen der Reaktanz,
zum konti nuierlichen Einstellen der Impedanzanpassung der Last zu
dem Generator und der Heizstromfrequenz auf einem beliebigen Stromwert
aufweist, wodurch die Notwendigkeit eines einstellbaren Hochfrequenztransformators
entfällt.
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Die
Drosseln bilden vorzugsweise einen Teil eines Resonanzabstimmnetzes,
das Festkondensatoren enthält,
die in die Leitungen der Last, d. h. die Kontakte oder die Induktionsspule
und die erwärmten Teile,
integriert sind, zur Lastanpassung und Frequenzsteuerung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen,
die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen zu sehen sind,
besser verstanden. In den Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
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1 ist
ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform
der Erfindung, wobei der Festkörpergenerator
ein Stromquellen-Wechselrichtersystem
ist.
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2 ist
ein Schaltbild einer Ausführungsform
der Erfindung, wobei der Festkörpergenerator ein
Spannungsquellen-Reihenresonanzkreis-Wechselrichtersystem ist.
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3 ist
eine Kombination aus Blockschaubild und Schaltbild einer Vorrichtung
zur automatischen Steuerung der in der Erfindung verwendeten Lastanpassungsvorrichtung.
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4 und 5 sind
schaubildhafte perspektivische Ansichten, die jeweils eine Feuerschweißlast veranschaulichen,
wobei Kontakte zum Zuführen
und eine Induktionsspule zum Induzieren des Heizstroms an Randabschnitten
eines zu einem Rohr geformten Metallstreifens verwendet werden.
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6 ist
eine schaubildhafte perspektivische Ansicht, die eine Glühvorrichtungslast
zum Glühen
des Metalls an der Naht des geschweißten Rohres unter Verwendung
einer Induktionsspule veranschaulicht.
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7 und 8 sind
eine schaubildhafte Draufsicht bzw. eine schaubildhafte Seitenansicht, die
die Verwendung einer variablen Drossel, die durch ein leitfähiges Element
und ein magnetisches Element variabel ist, in Reihe zwischen einem
Wechselrichterausgang und der Last veranschaulichen, wobei das leitfähige Element
in 7 zur besseren Veranschaulichung weggelassen ist
und die Leitungen in 8 weggelassen sind.
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9 und 10 sind
eine schaubildhafte Draufsicht bzw. eine schaubildhafte Seitenansicht
einer alternativen Ausführungsform
der in den 7 und 8 gezeigten
Drossel.
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11 ist
eine schaubildhafte Draufsicht auf eine Modifizierung der in den 9 und 10 gezeigten
Vorrichtung.
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12 ist
eine perspektivische Ansicht einer alternativen Form einer variablen
Drossel, wobei sich ein leitfähiges
Element neben einer Leitung mit hoher Reaktanz, die die Drossel
mit dem Wechselrichter und mit der Last verbindet, befindet und
relativ zu dieser Leitung beweglich ist.
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13 ist
eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform
einer variablen Drossel, wobei ein leitfähiges Element von einer oder mehreren
Leitungen mit hoher Reaktanz isoliert ist.
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14 ist
ein schaubildhafter Seitenaufriss, der eine Vorrichtung zum Bewegen
der leitfähigen Drosselreaktanzverändernden
Elemente von 13 veranschaulicht.
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15 ist
eine schaubildhafte perspektivische Ansicht eines Paares leitfähiger Spulen,
die mit dem Ausgang des Wechselrichters parallel geschaltet sind
und durch Kerne, die aus einem magnetischen Material hergestellt
sind, in ihrer Reaktanz verändert
werden können.
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16 ist
eine schaubildhafte Seitenansicht von Drosseln, die mit dem Wechselrichterausgang
in Reihe und parallel geschaltet sind und durch Kerne aus einem
magnetischen Material in ihrer Reaktanz verändert werden können.
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17 und 18 sind
eine Draufsicht bzw. eine perspektivische Ansicht einer Drossel,
die Leitungen umfasst, die einen variablen Abstand haben können, um
ihre Reaktanz zu verändern.
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Die
Erfindung wird in Verbindung mit den elektrischen Wechselrichtern
des Typs beschrieben, der in dem Artikel in "IEEE Transactions of Power Electronics" beschrieben ist,
außer
dass die dort offenbarten Thyristoren durch Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren
(MOSFETs) ersetzt sind, um Startprobleme, die in dem Artikel beschrieben sind,
und in Verbindung mit dem Erwärmen
eines Abschnitts oder von Abschnitten sich bewegender Metallteile
mit einer Stromfrequenz von mindestens 3 KHz zu vermeiden. Es kann
jedoch jeder beliebige elektrische Festkörper-Wechselrichter in der
Erfindung verwendet werden.
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1 ist
ein Schaltbild des in 2 gezeigten Stromquellen-Wechselrichters
aus dem Artikel, der dahingehend modifiziert ist, dass die Thyristoren durch
MOSFETs ersetzt sind und dass er die Lastanpassungsvorrichtung der
Erfindung enthält.
In 1 ist ein herkömmlicher
Gleichrichter 1, der Dreiphasenwechselstrom in Gleichstrom
umwandelt, mit den Wechselrichterschaltkreisen, welche die MOSFETs 2, 3, 4 und 5 umfassen, über Leitungen 6 und 7 und einen
Festinduktionsspule 8 verbunden. In der Leitung 6 befindet
sich ein herkömmlicher
Stromsensor 9, der einen Ausgangswert proportional zu dem
in den Wechselrichter eingespeisten Strom und damit zu der Last 10 oder
der Heizstromzufuhrvorrichtung, wie zum Beispiel Kontakten, die
das sich bewegende Teil bzw. die sich bewegenden Teile in Eingriff
nehmen, oder einer Induktionsspule, die in diesem Teil Heizströme induziert,
bereitstellt.
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Die
Arbeitsweise des Wechselrichters ist von herkömmlicher Art und dem Fachmann
bekannt. Ausgangsleitungen 11 und 12 des Wechselrichters sind
mit der Last 10 über
die Lastanpassungsvorrichtung 13 verbunden, die Folgendes
umfasst: eine erste variable Drossel 14, die elektrisch
zwischen den Wechselrichterausgang und die Last 10 in Reihe
geschaltet ist, eine zweite variable Drossel 15, die mit dem
Wechselrichterausgang elektrisch parallel geschaltet ist, einen
ersten verlustarmen Hochfrequenzkondensator 16, der zwischen
den Wechselrichterausgang und die Last 10 elektrisch in
Reihe geschaltet ist, und einen zweiten verlustarmen Hochfrequenzkondensator 17,
der mit dem Wechselrichterausgang elektrisch parallel geschaltet
ist. Optional kann der Kondensator 16 weggelassen werden,
doch er ist vorzugsweise vorhanden.
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Bei
den hier in Rede stehenden Frequenzen enthält die Last Leitungen und eine
Induktionsspule oder Kontakte, die ein Rohr berühren, das eine Induktanz und
einen elektrischen Widerstand aufweist, und die Last weist eine
signifikante Induktanz und einen signifikanten elektrischen Widerstand
auf. Diese Last, die Drosseln 14 und 15 und die
Kondensatoren 16 und 17 bilden einen Anodenschwingkreis,
der an den Wechselrichterausgang angeschlossen ist. Die Impedanz
eines Anodenschwingkreises bei Resonanz ist bekanntermaßen gleich
dem elektrischen Widerstand des Anodenschwingkreises. Die Auswahl
der Werte für
die Kondensatoren 16 und 17 und der Bereiche für die zwei
variablen Drosseln 14 und 15 ergibt sich aus der
Bestimmung des nominalen Lastinduktanzwertes, der die Summe der
nominalen Lastinduktanz bei einem erwärmten Rohr und, sofern verwendet,
einem magnetischen Kern innerhalb des Rohres und der Hilfsbusarbeitsinduktanz
ist, des Bereichs der an die Schweißvorrichtung anzupassenden
elektrischen Lastwiderstände
und der Schweißfrequenz.
Zur Vollendung des Designs muss man außerdem den Wert der Widerstandsimpedanz
kennen, in die der Wechselrichter seine volle Leistung abgeben kann.
Mit dieser Kenntnis wird der Wert Cp des Kondensators 17 als
der Wert berechnet, der erforderlich ist, um den höchsten Kreisstrom
zu unterstützen,
der durch den Anodenschwingkreis bei vollem Leistungsausgang erzeugt
wird. Dies kann folgendermaßen
dargestellt werden: Cp = (1/(2 × pi × f)) × (1/(Ro × Rmin)1/2)wobei:
pi = 3,1415926 ist,
f
die gewünschte
Schweißfrequenz
ist,
Ro die Widerstandsimpedanz ist, die durch den Wechselrichter
benötigt
wird, um seine volle Leistung abzugeben,
und
Rmin die
Mindest-Widerstandsimpedanz ist, die an den Arbeitsspuleanschlüssen.
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Mit
Kenntnis von Cp wird der Wert Cs des Kondensators 16 so
berechnet, dass der Anodenschwingkreis mit der Schweißfrequenz
in Resonanz schwingt: Cs = Cp/(Cp × Lnom × (2 × pi × f)2 – 1) wobei:
Lnom
die nominale Lastinduktanz ist.
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Mit
den oben gewählten
Werten stellt der in 1 gezeigte Schaltkreis die korrekte
Widerstandsimpedanz für
den Wechselrichter bereit, so dass er seine volle Leistung abgeben
kann, wenn die Arbeitsspule ihre nominale Induktanz und ihren elektrischen Mindestwiderstand
aufweist und wenn die Induktanz der zwei variablen Drosseln 14 und 15 vernachlässig werden
kann, d. h. der Wert Lp der Drossel 15 ist im Wesentlichen
unendlich, und der Wert Ls der Drossel 14 hat im Wesentlichen
null Induktanz.
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Um
höhere
Werte des elektrischen Widerstandes der Arbeitsspule anzupassen,
muss die variable Drossel 14 so eingestellt werden, dass
der Strom erreicht wird, der erforderlich ist, um die gleiche Leistung
abzuführen,
wie es im Fall des Mindestlastwiderstandes erreicht wurde. Dies
kann durch Erhöhen
des Reaktanzwertes der Drossel 14 bewerkstelligt werden,
wobei berücksichtigt
wird, dass die Spannung an der Drossel 15 bei vollem Leistungsausgang
konstant ist, wenn die Lastanpassung erfolgt ist. Weil die Lastreaktanz
viel höher
ist als der elektrische Widerstand (hohe Q-Last), ist eine gute Annäherung: Ls max = (Rmax/Rmin) 1/2 – 1) × Lnomwobei:
Ls
max der erforderliche maximale Sollwert für die variable Drossel 14 ist,
und
Rmax
der maximale Lastwiderstand ist, der an den Anschlüssen der
Laststromzufuhrvorrichtung erwartet wird.
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Jedoch
nimmt, wenn Ls erhöht
wird, um eine Anpassung an größere Lastwiderstände vorzunehmen,
die Induktanz des Anodenschwingkreises zu, seine Resonanzfrequenz
sinkt, und somit wird die Schweißfrequenz verringert. Um die
Schweißfrequenz
auf ihrem gewünschten
Wert zu halten, wird die Reaktanz Lp der variablen Drossel 15 so
verringert, dass die effektive Induktanz des Schaltkreises immer
gleich Lnom ist: Lp min = Lnom × (Lnom
+ Ls max)Ls max
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Somit
werden zwei variable Drosseln benötigt: eine, deren Reaktanz
von Lp min auf einen großen
Wert eingestellt werden kann, und eine, die von einem kleinen Induktanzwert
auf Ls max eingestellt werden kann. Diese Drosseln sind so konstruiert, dass
die Werte ihrer Reaktanz eingestellt werden können, wenn der Wechselrichter
die volle Leistung abgibt.
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Wir
wollen als ein Beispiel annehmen, dass die Drosseln 14 und 15 von
dem Typ sind, der in US-Patent Nr. 2,856,499 gezeigt ist, deren
Reaktanz durch den dort gezeigten Kern eingestellt werden kann,
der teilweise magnetisch und teilweise leitfähig und nicht-magnetisch ist.
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Die
Drossel 15 ist so konstruiert, dass sie eine Induktanz
ohne Kern gleich dem erforderlichen Mindestwert Lp min aufweist.
Der Kern für
die Spule der Drossel 15 enthält genügend magnetisches Material,
zum Beispiel Ferrit, um die Spuleninduktanz mindestens auf das 5-fache
von Lnom zu bringen, wenn der Spulenkern vollständig in die Spule eingeschoben
ist. Der leitfähige
Teil des Kerns kann weggelassen werden. Der Kern für die Drossel 14 enthält an einem
Ende Ferrit und am anderen Ende Kupfer. Wenn der Kupferab schnitt
des Kerns in die Spule eingeführt
wird, so wird ihr Mindestreaktanzwert durch den Abstand zwischen
dem Kupferkern und dem Spuleninneren bestimmt. Dieser Abstand kann
so ausgelegt werden, dass ein Mindestreaktanzwert für die Drossel 14 von
kleiner als 10 % von Lnom erhalten wird. Das Positionieren des Kerns
an seinem anderen entfernten Punkt bringt das Ferrit ins Innere der
Spule. Die Spule ist so ausgelegt, dass sie unter dieser Bedingung
eine Induktanz von Ls max aufweist. Die Drosseln sind physisch in
den Leitungssatz integriert, der den Wechselrichter mit der Arbeitsspule
verbindet, wie weiter unten beschrieben wird.
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Es
ist einfach, die Positionen der Kerne in den Drosseln so einzustellen,
dass der Lastwiderstand zum Wechselrichter bei der Soll-Schweißfrequenz
angepasst wird. Dies kann durch manuelles Positionieren der Kerne
erfolgen, oder sie können motorisiert
und entweder manuell oder automatisch eingestellt werden. Wenn der
Wechselrichter zum ersten Mal mit einer neuen Spule und/oder einer
neuen Last gestartet wird, so werden die Kerne zu Anfang so positioniert,
dass beide Induktionsspulen ihren Maximalwert aufweisen (der Kern
für die
Drossel 15 vollständig
drinnen und der Kern für
die Drossel 14 vollständig
zur Ferritseite). Dies erzeugt die höchste Q-Last zu dem Wechselrichter
und stimmt ihn auf die niedrigste Frequenz ab, die durch das Lastanpassungsnetz
erreicht werden kann. Die relativen Werte der Wechselrichterspannung
und des Wechselrichterstroms werden beobachtet, und der Kern in
der Drossel 14 wird langsam verschoben, so dass der Wechselrichter
die gleiche Proportion seiner Maximalwerte von Spannung und Strom
mit dem gewünschtem
Betriebsleistungspegel abgibt. Der Kern wird aus der Drossel 15 gezogen,
um die gewünschte Betriebsfrequenz
zu erhalten. Dies kann gleichzeitig mit der Einstellung des Kerns
der Drossel 14 oder danach erfolgen. Wenn die Kerne nacheinander
eingestellt werden, so kann er erforderlich sein, den Kern für die Drossel 14 neu
einzustellen, nachdem der Kern für
die Drossel 15 eingestellt wurde, und dann den Kern für die Drossel 15 neu
einzustellen, nachdem der Kern für
die Drossel 14 eingestellt wurde. Im Allgemeinen ist eine
Iteration ausreichend, um eine akzeptable Lastwiderstandsanpassung
mit der Soll-Schweißfrequenz
zu erreichen.
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2 veranschaulicht
schematisch einen Spannungsquellen-Reihenresonanzkreis-Wechselrichter,
der über
die Lastanpassungsvorrichtung 15 mit einer Last verbunden
ist. Entsprechende Elemente in 2 sind mit
den gleichen Bezugzahlen bezeichnet, die in 1 verwendet
werden. Ein Filterkondensator 18 wurde hinzugefügt, und
die Position des Kondensators 16 relativ zu den anderen
Elementen wurde verändert.
Optional kann der Kondensator 17 weggelassen werden.
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Die
Auswahl der Werte für
die Komponenten 14-17 erfolgt im Wesentlichen
so, wie es in Verbindung mit 1 beschrieben
wurde, und liegt für
den Fachmann auf der Hand. Des Weiteren werden die Drosseln 14 und 15 so
eingestellt, wie es in Verbindung mit 1 beschrieben
wurde, wobei die Aufgabe darin besteht, die Lastanpassungsvorrichtung 13, die
mit der Last 10 verbunden ist, mit der gewünschten
Betriebsfrequenz in Resonanz schwingen zu lassen.
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4 veranschaulicht
schematisch und in der Perspektive einen bekannten Typ einer Last 10 in Form
eines Metallrohres 19, das durch Falten einer Metallplatte
oder eines Blechs hergestellt wird, während es in der Richtung des
Pfeils zu einem Feuerschweißpunkt 21 vorangeschoben
wird, wobei der hochfrequente Strom zu den Randabschnitten 22 und 23 durch
Kontakte 24 und 25, welche die Randabschnitte 22 und 23 vor
dem Schweißpunkt
in Eingriff nehmen, geleitet wird.
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5 veranschaulicht
schematisch und in der Perspektive eine Last 10a, wobei
in den Randabschnitten 22 und 23 eines Metallrohres 11, während es
in Richtung des Pfeils 26 vorangeschoben, durch eine von
dem Rohr 11 beabstandete Induktionsspule 27 Ströme induziert
werden. Es können
weitere Typen von Induktionsspulen verwendet werden, wie zum Beispiel
eine Spule, die das Rohr 11 umfängt; und sowohl in der Last 10 als
auch in der Last 10a kann ein magnetisches Element, das
als ein "Scheinwiderstand" bekannt ist, innerhalb
des Rohres 11 vor dem Schweißpunkt 21 angeordnet
werden.
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6 veranschaulicht
schematisch und in der Perspektive ein Last 10b, wobei
ein zuvor geschweißtes
Rohr 12 mit einer Schweißnaht 28 – wie zum
Beispiel ein Rohr, das in der Vorrichtung von 4 oder 5 hergestellt
wurde – durch
hochfrequenten Strom, der an der Naht 28 durch eine von dem
Rohr 12 beabstandete Induktionsspule 29 induziert
wird, an der Naht 28 erwärmt wird, während das Rohr 12 in
Richtung des Pfeils 30 zum Glühen vorangeschoben wird.
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Wie
oben schon angesprochen, haben die Leitungen, die das Laststromversorgungsmittel,
wie zum Beispiel die Kontakte 24 und 25 oder die
Induktionsspulen 27 oder 29, verbinden, eine induktive
Reaktanz und einen elektrischen Widerstand; die Kontakte 24 und 25 haben
einen elektrischen Widerstand, und die Spulen 27 und 29 haben
eine induktive Reaktanz und einen elektrischen Widerstand. In dem System
von 4 stellt das Rohr 11 eine induktive Reaktanz
und einen elektrischen Widerstand an den Kontakten 24 und 25 dar,
und in den Systemen der 5 und 6 wird die
Reaktanz der Spulen 27 und 29 durch das Material
der Rohre 11 oder 12, die entlang ihrer Länge variieren
kann, und durch den Abstand zwischen den Spulen und den Rohren beeinflusst.
Somit schwankt die Impedanz, die am Ausgang der Lastanpassungsvorrichtung
anliegt, normalerweise, wenn die Rohre 11 oder 12 vorangeschoben
werden, und es ist notwendig, die Schwankungen auszugleichen, um
einen Heizstrom von im Wesentlichen konstanter Größenordnung
und Frequenz beizubehalten.
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3 ist
ein Schaubild einer automatischen Steuerungsvorrichtung, die mit
der in 1 gezeigten Vorrichtung verwendet werden kann,
um die Impedanz, die an den Ausgangsleitungen 11 und 12 des
Wechselrichters 31 anliegt, und damit die Frequenz und
die Größenordnung
des durch den Wechselrichter 31 ausgegebenen Stroms zu
steuern.
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Obgleich
in den 1 und 2 nicht gezeigt, hat der Gleichrichter 1 normalerweise
eine Steuerung 32 zum Steuern des Gleichspannungsausgangs
des Gleichrichters 1. Der Nominalpegel des Gleichrichterausgangs
kann, wie angedeutet, manuell eingestellt werden. Der Ausgangsstrom
vom Sensor 9 wird in einen Stromkomparator 33 eines
bekannten Typs eingespeist, und das Ausgangssignal des Komparators 33 wird
in die Steuerung 32 eingespeist, um zu gewährleisten,
dass der maximale Strompegel nicht überschritten wird.
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Das
Ausgangssignal des Sensors 9 und das Ausgangssignal eines
weiteren Sensors 34 – wobei der
letztere Sensor Informationen hinsichtlich der Spannung und der
Frequenz des Stroms an den Leitungen 11 und 12 liefert – werden
in einen bekannten Typ eines Komparators 35 eingespeist,
der die Messwerte von Spannung, Strom und Frequenz mit vorgegebenen
Werten von Spannung, Strom und Frequenz vergleicht und als Lastanpassungssteuerung zum
Aufrechterhalten der gewünschten
Lastimpedanz und Wechselrichterfrequenz am Ausgang des Wechselrichters 31 fungiert.
Der Komparator 35 erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal,
das einen Motor 36 zum Verstellen des Reaktanzsteuerungselements
für die
Drossel 14 betätigt,
und ein elektrisches Ausgangssignal, das einen Motor 37 zum
Verstellen der Reaktanzsteuerung für die Drossel 15 betätigt.
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Das
Ausgangssignal des Sensors 34 wird außerdem in eine Hochfrequenzsteuerung 38 eines herkömmlichen
Typs eingespeist, der das Auslösen der
MOSFETs 2-5 in einer herkömmlichen
Weise steuert und synchronisiert.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung führt
der Komparator 35 alle 90 Sekunden Folgendes aus:
- (1) Messen der Spannung und des Strom, und wenn
das resultierende Verhältnis
des Verhältnisses
der gemessenen Spannung zu der maximalen Spannung zu dem Verhältnis des
gemessenen Stroms zum maximalen Strom größer als 1,05 ist, so veranlasst
das Ausgangssignal des Komparators 35 den Motor 36,
so zu arbeiten, dass die Reaktanz der Drossel 14 verringert
wird. Wenn das resultierende Verhältnis kleiner als 0,95 ist,
so veranlasst das Ausgangssignal des Komparators den Motor 36,
so zu arbeiten, dass die Reaktanz der Drossel 14 vergrößert wird;
und
- (2) Vergleichen der gemessenen Frequenz mit der gewünschten
Frequenz, und wenn das Verhältnis
der gemessenen Frequenz zu der gewünschten Frequenz größer als
1,05 ist, so veranlasst das Ausgangssignal des Komparators 35 den
Motor 37, so zu arbeiten, dass die Reaktanz der Drossel 15 erhöht wird.
Wenn das Verhältnis kleiner
als 0,95 ist, so veranlasst das Ausgangssignal des Komparators 35 den
Motor 37, so zu arbeiten, dass die Reaktanz der Drossel 15 verringert
wird.
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Natürlich können die
Messungsintervalle größer oder
kleiner als 90 Sekunden sein, und die Pegel, bei denen Justierungen
der Drosseln 14 und 15 vorgenommen werden, können je
nach den zulässigen
Schwankungen der gewünschten
Lastanpassung andere sein.
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Aus
dem oben Dargelegten geht hervor, dass die Lastanpassungssteuerung
oder der Komparator 35 in Verbindung mit den variablen
Drosseln 14 und 15 die Impedanz steuert, die an
den Leitungen 11 und 12 des Wechselrichters 31 anliegt.
Somit steuert die Drossel 15 die Frequenz, mit der der Wechselrichter 31 arbeitet,
und die Drossel 14 steuert die Reaktanz in Reihe mit der
Last 10, so dass – in
Verbindung mit der Drossel 15 – die Impedanz, die an den
Ausgangsleitungen 11 und 12 des Wechselrichter 31 anliegt,
gleich oder im Wesentlichen gleich der Impedanz des Wechselrichters 31 ist,
wodurch bewirkt wird, dass sich die Zufuhr von elektrischem Strom
an den Leitungen 11 und 12 auf einem Maximum befindet.
Durch Verwendung relativ verlustarmer Kondensatoren 16 und 17,
relativ verlustarmer Drosseln 14 und 15 und relativ
verlustarmer Leitungen zwischen den Leitungen 11 und 12 und
der Last 10 wird ein maximaler Strom auch an die Last 10 abgegeben.
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Obgleich
verlustarme Kondensatoren auf dem freien Markt erhältlich sind,
ist es ein Problem, verlustarme Drosseln ohne Einstellkontakte bereitzustellen,
die nicht nur die entstehenden großen Ströme transportieren können, sondern
auch relativ geringe Verluste und den erforderlichen Reaktanzänderungsbereich
haben.
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Da
die Stromfrequenz relativ hoch ist, zum Beispiel mindestens 3 KHz
zum Glühen
und mindestens 100 KHz zum Feuerschweißen, können die Drosseln Spulen mit
relativ wenigen Windungen sein, und der Leiter, aus dem die Spulen
bestehen, kann einen relativ großen Querschnitt haben, um den
elektrischen Widerstand der Spulen zu verringern. Außerdem können, wie
weiter unten beschrieben wird, Drosseln verwendet werden, bei denen
es sich nicht um schraubenförmig
gewickelte Spulen handelt. In jedem Fall kann jegliche Art von Erwärmung, die
in der Drossel entsteht, durch eine Wasser- oder sonstige Fluidkühlung, die
zum Stand der Technik gehört, abgeleitet
werden.
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Die
Leitungen, die in Hochfrequenz-Starkstromanwendungen zum Einsatz
kommen, können aus
Kupferplatten oder -blechen mit einem relativ großen Querschnitt
in dichtem Abstand zueinander und durch Isolation getrennt bestehen.
Die 7 und 8 veranschaulichen in Draufsicht
bzw. Seitenansicht – wobei
die Leitungen in 8 weggelassen sind – eine Einzelwindungsdrossel 39,
die in Reihe mit solchen Leitungen 40 und 40a verbunden
sind, die dicht an einer solchen Leitung 41 liegen und
von den Leitungen 41 durch eine Hochfrequenzisolierung 42 getrennt
sind. Die Drossel 39 kann mehr als eine einzige Windung
haben und kann aus Kupferrohren gebildet sein, zum Beispiel mit
quadratischem Querschnitt, wie in 8 gezeigt,
wobei man ein Fluid wie zum Beispiel Wasser durch ihre Bohrung 43 fließen lässt.
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Zum
Beispiel kann die Drossel 39 die Reihendrossel 14 sein,
wobei die Leitung 41 eine Fortführung der Leitung 11 (1-3)
bildet, wobei die Leitung 40 elektrisch mit dem Kondensator 16 verbunden
ist und die Leitung 40a elektrisch mit einem Anschluss
der Last 10 verbunden ist. Wenn alternativ die Drossel 39 zwischen
den Leitungen 40 und 41 angeschlossen ist, so
kann die Drossel 39 die parallele Drossel 15 sein.
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Normalerweise
werden angesichts der fließenden
starken Ströme
die Leitungen 40, 40a und 41 in herkömmlicher
Weise fluidgekühlt,
wie zum Beispiel durch Rohre, die an die Leitungen hartgelötet sind
und durch die das Kühlfluid
fließt.
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Die
Drossel 39 ist an ihren Enden leitfähig angeschlossen, wie zum
Beispiel durch Hartlot 44, und ist elektrisch mit den Leitungen 40 und 40a in Reihe
geschaltet. Wenn Strom durch die Drossel 39 von einer Leitung
zu der anderen fließt,
so entsteht ein magnetisches Energiefeld neben der Drossel, das
durch einen Leiter oder einen Körper
aus magnetischem Material neben der Drossel 39 veränderbar ist.
Ein Verändern
des Energiefeldes verändert
die Reaktanz der Drossel 39.
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7 und 8 veranschaulichen
ein Energiefeldveränderungsmittel,
das eine leitfähige
Platte 46, wie zum Beispiel eine Kupferplatte, umfasst,
mit der ein Rohr 47 zum Beispiel durch Hartlöten leitfähig verbunden
ist und durch das ein Kühlfluid
fließt.
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Die
Platte 46 ist mit einem zylindrischen Körper 48, wie zum Beispiel
einem wassergekühlten Kunststoffgehäuse, das
ein magnetisches Material, wie zum Beispiel ein Ferritmaterial,
umschließt, über eine
Isolierstange 49 so verbunden, dass sich die Platte 46 und
der Körper 48 gleichzeitig
bewegen, wie zum Beispiel in die zwei Richtungen, die durch den
Doppelpfeil 50 angedeutet sind. Wenn sich also die Baugruppe
aus der Platte 46, dem Körper 48 und der Stange 49 abwärts bewegt,
so nähert
sich die Platte 46 der Drossel 39 und verringert
ihre Reaktanz, und der Körper 48 bewegt
sich von der Drossel 39 weg und verringert ebenfalls ihre
Reaktanz. Wenn sich die Baugruppe in der entgegengesetzten Richtung
bewegt, so nimmt die Reaktanz der Drossel 39 zu. Die Verwendung
der Platte 46 sowie des Körpers verursacht eine relativ
große
Reaktanzänderung, aber
wenn eine solche Änderung
nicht erforderlich ist, so kann entweder die Platte 46 oder
der Körper 48 weggelassen
werden.
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Die
Baugruppe aus der Platte 36, dem Körper 48 und der Stange 49 kann
durch den Motor 36 oder den Motor 37 (3)
angetrieben werden, wobei der Motor eine lineare, umkehrbare Verbindung zu
der Baugruppe hat.
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Die 9 und 10 veranschaulichen eine
modifizierte Form einer Drossel, die für die Drosseln 14 und 15 und
anstelle der Drossel 39 verwendet werden kann. Die in den 9 und 10 gezeigte
Drossel 51 umfasst mehrere im Wesentlichen einzelne Windungen 52, 53 und 54 aus
Kupferrohren, durch die Kühlfluid
fließen
kann, die elektrisch parallel angeschlossen sind und deren Reaktanz
durch ein Paar Kupferplatten 55 und 56 verändert werden kann,
die fluidgekühlt
sein können.
Die Enden der Rohre 52-54 sind leitfähig an einem
Paar leitfähiger Sammelrohre 57 und 58 befestigt,
die leitfähig
an den Leitungen 40 bzw. 40a befestigt sind. Die
Platte 55 kann in den Raum zwischen den Rohren 52 und 53 hinein
und aus dem Raum zwischen den Rohren 52 und 53 heraus
bewegt werden, und die Platte 56 kann in den Raum zwischen
den Rohren 53 und 54 hinein und aus dem Raum zwischen
den Rohren 53 und 54 heraus bewegt werden, wie
durch den Doppelpfeil 59 angedeutet, wie zum Beispiel durch
den Motor 36 oder den Motor 37, um die Reaktanz
der Rohre 52-54 zu verändern. Wie in Verbindung mit
der leitfähigen
Platte 46 beschrieben, können somit die Platten 55 und 56 das
Energiefeld um die Rohre 52-54 herum verändern und
die Reaktanz der Rohre 52-54 verändern.
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Vorzugsweise
werden mindestens zwei Rohre 52, 53 oder 54 und
mindestens eine Platte 55 oder 56 verwendet, aber
die Rohre und Platten können auch
in größerer Zahl
vorhanden sein, als in den 9 und 10 gezeigt.
Des Weiteren können
die Rohre 52-54 elektrisch in Reihe anstatt elektrisch
parallel verbunden sein.
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Um
die Notwendigkeit eines linearen Motorantriebs für die Platten 55 und 56 zu
vermeiden, können
die Platten 55 und 56 durch bogenförmige Platten
ersetzt werden, wie zum Beispiel die bogenförmige Platte 60, die
in 11 gezeigt ist, die um eine Achse 61 herum
gedreht werden können,
so dass sie in die Räume
zwischen den Rohren 52 und 53 und 53 und 54 eintreten
und aus den Räume
zwischen den Rohren 52 und 53 und 53 und 54 heraustreten
können.
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Eine
weitere Ausführungsform
einer variablen Drossel, die als die Reihendrossel 14 verwendet werden
kann, ist in 12 veranschaulicht. In dieser Ausführungsform
sind sowohl die Leitung 40 als auch die Leitung 41 unterbrochen,
so dass Leitungen 41a und 41b und 40 und 40a entstehen,
und sie sind durch schwenkbare, wassergekühlte, leitfähige Stangen 62 und 63 miteinander
verbunden, die an ihren Enden in leitfähigen Lagern 65, 66, 67 und 68 angelenkt
sind, die leitfähig
an den Leitungen 40 und 41a und 41 und 41a befestigt
sind, wie in 12 gezeigt. Die Stange 62 hat
eine leitfähige
Platte 69, die leitfähig
an einem ihrer Enden befestigt ist, und die Stange 63 hat
eine leitfähige
Platte 70, die leitfähig
an einem ihrer Enden befestigt ist. Wenn die Stangen 62 und 63 geschwenkt
werden, wie zum Beispiel durch einen oder mehrere Motoren, die durch
den Komparator 35 gesteuert werden, bewegen sich die Platten 69 und 70 somit
aufeinander zu oder voneinander weg. Vorzugsweise werden die Platten 69 und 70 gleichzeitig aufeinander
zu oder voneinander weg bewegt. Die Platten 69 und 70 und
die Stangen wirken als ein Paar Drosseln – eine zwischen den Leitungen 40 und 40a und
eine zwischen den Leitungen 41a und 41b –, deren
Reaktanz durch die Platten 69 und 70 verändert werden
kann. Wenn die Platten 69 und 70 relativ weit
auseinander stehen, so ist die Reaktanz relativ hoch, und wenn die
Platten 69 und 70 näher beieinander stehen, so
wird die Reaktanz verringert.
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Die
Isolierung 42 kann zwischen den Platten 69 und 70 verlaufen,
um zu verhindern, dass sie die Leitungen berühren und kurzschließen. Wenn
eine kleinere Reaktanzänderung
akzeptabel ist, so kann auch eine der Platten 69 und 70 weggelassen
werden, und in diesem Fall wären
die Leitungen 40 und 40a oder 41a und 41b nicht
unterbrochen, sondern durchgängig.
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13 veranschaulicht
eine modifizierte Form der in 12 gezeigten
Ausführungsform,
wobei ein Kontakt zwischen den beweglichen reaktanzverändernden
Elementen und den Leitungen nicht erforderlich ist. In der in 13 veranschaulichten Ausführungsform
sind die Leitungssegmente 40 und 41a durch mehrere
wassergekühlte,
leitfähige
Rohre 71-75,
zum Beispiel Kupferrohre, verbunden, die an ihren Enden leitfähig an Sammelrohren 76 und 77 befestigt
sind, die leitfähig
an der Leitung 40 bzw. der Leitung 40a befestigt
sind. Eine leitfähige
Klappe 78 ist leitfähig
an dem Sammelrohr 77 und der Leitung 40a befestigt,
und obgleich in 13 wegen der übersichtlicheren
Darstellung nicht gezeigt, gibt es noch eine andere entsprechende
Klappe 79 (siehe 14), die
leitfähig
an dem Sammelrohr 76 und der Leitung 40 befestigt
ist. Die Klappen 78 und 79 dienen der Verringerung
der Verluste und der Reduzierung der Reaktanz, wenn die Elemente 90 und 91 vollständig eingeführt sind.
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Leitfähige Rohre 80-84 – ähnlich den
Rohren 71-75 – verbinden
in ähnlicher
Weise leitfähig
die Leitungen 41a und 41b und sind leitfähig an Sammelrohre
angeschlossen, wobei das Sammelrohr 85 in 13 gezeigt
ist, die leitfähig
an die Leitungen 41a und 41b angeschlossen sind.
Klappen 86 und 87 – ähnlich den Klappen 78 und 79 – sind gleichermaßen leitfähig an die
Leitungen 41a und 41b angeschlossen.
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Die
Rohre 71-75 und die Rohre 80-84 haben vorzugsweise
einen rechteckigen Querschnitt, um deren Reaktanz zu verringern.
Des Weiteren sind ihre Oberflächen,
die den Leitungen 40 und 40a und 41a und 41b am
nächsten
liegen und parallel zu den Ebenen der Leitungen verlaufen, kleiner
als die Breitenabmessung der Leitungen, so dass sich ein Spalt 110 zwischen
den Rohren 71-75 und den Rohren 80-84 befindet.
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Ein
Paar reaktanzverändernder
leitfähiger Elemente 90 und 91 mit
U-förmigem
Querschnitt können
in den Raum zwischen den Klappen 78 und 79 bzw.
in den Raum zwischen den Klappen 86 und 87 hineingeschoben
und aus diesem Raum herausbewegt werden, ohne die Klappen, die Rohre 71-75 und 80-84 oder
die Leitungen 40-40a und 41a und 41b zu berühren.
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Obgleich
die Klappen 78, 79, 86 und 87 in
einem Winkel von 90° relativ
zu den jeweiligen Leitungen 40a, 40, 41b und 41a dargestellt
sind, kann der Winkel auch ein anderer sein, zum Beispiel 45°, wobei der
Abstand zwischen entsprechenden Abschnitten der Klappen 78 und 79 und
der Klappen 86 und 87 mit größerer Entfernung zu den jeweiligen
Leitungen zunimmt. In diesem Fall würden die Winkel der Flügel der
leitfähigen
Elemente 90 und 91, zum Beispiel die Winkel 90a, 91a und 91b,
relativ zu den Verbindungsabschnitten 90b und 91c größer werden,
so dass die Flügel
der Elemente 90 und 91 im Wesentlichen parallel
zu den benachbarten Klappen verlaufen. Mit einer solchen Alternative
können
die Verluste an jeder Position der Elemente 90 und 91 verringert werden,
und der Reaktanzänderungsbereich
kann vergrößert werden,
ohne die erforderliche Bewegung der Elemente 90 und 91 zu
vergrößern.
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14 veranschaulicht
schematisch einen Antrieb für
die Elemente 90 und 91. Die Elemente 90 und 91 sind
an Muttern 92 und 93 befestigt, die entgegengesetzte
Innengewinde haben und nicht-leitend sein können. Die Muttern 92 und 93 nehmen eine
nicht-leitende drehbare Gewindestange 94 auf, die in einem
nicht-leitenden Lager 95 gelagert ist, das von den Leitungen 40, 40a, 41a und 41b getragen wird.
Auf gegenüberliegenden
Seiten des Lagers 95 hat die Stange 94 Gewinde,
die einander gegenläufig sind.
Wenn also die Stange 94 in einer Richtung gedreht wird,
wie zum Beispiel durch den Motor 94a und die Zahnräder 94b und 94c,
so bewegen sich die Elemente 90 und 91 gleichzeitig
in die Räume
zwischen den Klappen 78 und 79 und 86 und 87 und
senken die Reaktanz der Rohre 71-75 und 80-84.
Wenn sich die Stange 94 in die entgegengesetzte Richtung dreht,
so bewegen sich die Elemente 90 und 91 in die entgegengesetzte
Richtung, und die Reaktanz der Rohre nimmt zu.
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Die
in den 13 und 14 gezeigte
Ausführungsform
ist vor allem dann brauchbar, wenn die Frequenz des Heizstroms mindestens
200 kHz beträgt.
Wenn ein kleinerer Reaktanzänderungsbereich genügt, so kann
die eine oder die andere der Kombinationen der Klappen 78 und 79 und
des Element 90 oder der Klappen 86 und 87 und
des Element 91 weggelassen werden. Wenn zum Beispiel das
Element 91 weggelassen wird, so können die Klappen 86 und 87 weggelassen
werden. Des Weiteren können
auch gewünschtenfalls
die Rohre 71-75 und/oder die Rohre 80-84 durch
andere, wassergekühlte
leitfähige
Elemente ersetzt werden, wie zum Beispiel wassergekühlte Kupferplatten
mit Oberflächen,
die den Oberflächen
der Rohre 71-75 und/oder der Rohre 80-84,
die ersetzt werden, entsprechen.
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15 veranschaulicht
ein Paar Spulen 96 und 97 mit im Wesentlichen
zwei Windungen, die als die in den 1-3 gezeigte
parallele Drossel 15 verwendet werden können. Jede Spule 96 und 97 ist leitfähig mit
der Leitung 40 bei 98 verbunden, und die entgegengesetzten
Enden der Spulen 96 und 97 sind über Öffnungen 99 und 100 in
der Leitung 40 leitfähig mit
der Leitung 41 verbunden. Die Reaktanz der Spulen 96 und 97 ist
durch die magnetischen Kerne 101 und 102 variabel.
Wenn der Reaktanzänderungsbereich
genügt,
so kann natürlich
eine der Spulen 96 und 97 und ihr zugehöriger Kern 101 oder 102 weggelassen
werden.
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16 veranschaulicht
schematisch ein Paar der Spulen 96 und 97, die
leitfähig
mit den Leitungen 40 und 40a verbunden sind – eine in
Reihe und eine parallel mit den Leitungen 40a und 41.
Somit entspricht die Drossel 96 der Drossel 14 der 1-3,
und die Drossel 97 entspricht der Drossel 15 der 1-3.
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Die
Impedanz paralleler Leitungen bei hohen Frequenzen richtet sich
bekanntlich nach dem Abstand zwischen den Leitungen. Die Impedanz
wird größer, wenn
die Leitungen weiter voneinander getrennt werden, und wird kleiner,
wenn der Abstand kleiner wird.
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17 und 18 veranschaulichen
die Verwendung eines variablen Abstands zwischen Abschnitten der
Leitungen 40 und 41, wodurch eine variable Drossel
gebildet wird. Obgleich die Leitungen 40 und 41 an
den Abschnitten, wo die Reaktanz variabel ist, parallel sein können, müssten sich
die Leitungen an mindestens einem ihrer Enden in Längsrichtung
bewegen, um eine Trennung der Leitungen zu ermöglichen. Dieses letzte Problem
kann vermieden werden, indem man die Leitungen 40 und 41 an den
reaktanzvariablen Abschnitten 40b und 41b biegt.
Wie in den 17 und 18 veranschaulicht,
hat die Leitung 40 eine Öffnung 103, durch
die sich ein Stöpsel
oder Trennelement 104 aus elektrisch isolierendem Material
erstreckt, und die Isolierung 42 hat eine ähnliche Öffnung 105,
durch die sich der Stöpsel 104 erstreckt
und den Abschnitt 41b berührt.
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Der
Stöpsel 104 ist
an einer Gewindestange 106 montiert, die eine mit Innengewinde
versehene Mutter 107 in Eingriff nimmt, die in einem Bock 108 sitzt,
der an der Leitung 40 befestigt ist. Die Stange 106 kann
manuell durch den Knauf 109 gedreht werden oder kann mit
einem Umkehrmotor, wie zum Beispiel dem Motor 36 (3),
verbunden sein, um die Abschnitte 40b und 41b zu
trennen. Wenn der Stöpsel 104 zurückgezogen
wird, so springt der Abschnitt 41b normalerweise in Richtung
des Abschnitts 40b zurück,
aber wenn gewünscht
oder erforderlich, kann auch eine Feder, die mit dem Abschnitt 41b in
Eingriff gebracht werden kann, verwendet werden, um den Abschnitt 41b zu
veranlassen, sich in Richtung des Abschnitts 40b zu bewegen,
wenn der Stöpsel 104 zurückgezogen
wird.
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Obgleich
bevorzugte Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, ist
dem Fachmann klar, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen
werden können,
ohne von den Prinzipen der Erfindung abzuweichen.