EP0752194B1 - Induktionstiegelofen mit mindestens zwei parallel an einen schwingkreisumrichter angeschlossenen spulen - Google Patents

Induktionstiegelofen mit mindestens zwei parallel an einen schwingkreisumrichter angeschlossenen spulen Download PDF

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EP0752194B1
EP0752194B1 EP95913850A EP95913850A EP0752194B1 EP 0752194 B1 EP0752194 B1 EP 0752194B1 EP 95913850 A EP95913850 A EP 95913850A EP 95913850 A EP95913850 A EP 95913850A EP 0752194 B1 EP0752194 B1 EP 0752194B1
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/06—Control, e.g. of temperature, of power
    • H05B6/067—Control, e.g. of temperature, of power for melting furnaces
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    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/22—Furnaces without an endless core
    • H05B6/24—Crucible furnaces

Definitions

  • the invention relates to an induction crucible furnace with at least two in parallel to a load-controlled resonant circuit converter connected, the scope of a vertical Crucible enclosing and in the direction of the crucible axis positioned one behind the other, in series with a capacitive Resistance switched coils.
  • An object according to the preamble is e.g. from EP-A-0 403 138 already known.
  • the upstream capacitive resistor has the purpose of bringing the resonant circuit into the range of the resonant vibration.
  • an ideal series resonant circuit with a coil of inductance L, a capacitor of capacitance C and a vanishing ohmic resistance is considered below.
  • the Melting material an increasing or decreasing in the axial direction Power density to feed the movement of the To affect melt pool.
  • Another example of a different power requirement is through in different crucible areas given a partially filled crucible, e.g. during the loading of the crucible or possibly at a lower than maximum possible amount of melting material the case is.
  • an empty crucible part Do not pass any power to the surrounding coils to the melt.
  • the inductance of a coil can increase accordingly
  • a desired distribution of power is also said above can be brought about by a series resonant circuit converter is used, whose operating frequency is slightly below the resulting resonance frequency of the entire system lies.
  • a power distribution caused solely by the melting material but apart from the level of the crucible is only of depending on the physical properties of the melting material.
  • the invention has for its object with simple Averaging an effective distribution by a resonant circuit converter power output on the individual coils to be able to determine.
  • each coil will become dependent of capacity and - also depending on the level - Inductance of their resonant circuit an adjusted voltage and thus can adjust power consumption.
  • Single resonant circuits with low power requirements are then outside their resonance frequency and individual resonant circuits with high Line requirements operated in resonance.
  • the induction crucible furnace according to the invention can also do so be designed so that the capacity of at least one of the capacitive resistors is changeable.
  • Possible capacitive resistors are capacitor units, which consist of a single capacitor or else several capacitors and possibly switching elements put together.
  • the switching elements allow the individual Capacitors interconnected in different ways so that the total capacitance of the capacitor unit set to different values as needed leaves.
  • a variable capacitance has the advantage that the resonance frequency of a single resonant circuit if necessary changing process conditions, e.g. for crucible loading, can also be adjusted during furnace operation can.
  • the induction crucible furnace according to the invention be designed so that at least one of the coils On / off switch is connected in series.
  • Fig. 1 shows an induction crucible furnace, the only for Half crucible filled with melting material 1 2 out of two Coils 3, 4 is surrounded. In line with each coil is 3.4 each a capacitor 6.7 connected, so that two separate individual resonant circuits 8.9 arise. These are connected to a parallel resonant circuit converter 5 connected. A parallel to the individual resonant circuits 8, 9 switched capacitor 10 serves to compensate for the reactive power.
  • the lower single resonant circuit 8 encloses one with melting material 1 filled part of the crucible 2, the upper single resonant circuit 9 an empty crucible part.
  • the capacitance of the capacitors 8.9 are chosen to be the same size.
  • the resonance frequency of the lower Single resonant circuit 8 of the operating frequency of the resonant circuit converter 5 closer than the resonance frequency of the upper Single resonant circuit 9. It follows that the by the Coils 3.4 output power on the with melting material 1 filled part of the crucible 2 is concentrated.
  • the ratio of the total power actually consumed by the induction crucible furnace P GES to the nominal output of the furnace P N is plotted along the ordinate and the crucible fill level in percent is plotted along the abscissa.
  • Curve 11 shows the power ratio P GES / P N as a function of the crucible fill level for an induction crucible furnace, the individual coils of which are connected in parallel in accordance with the prior art. Accordingly, the power consumption drops as soon as the crucible fill level falls below 100%.
  • curve 12 shows the corresponding power ratio in the case of an induction crucible furnace according to the invention. It can be seen that the power ratio remains almost constant at P GES / P N ⁇ 1 up to a crucible fill level of well below 50%. Only at a crucible fill level of less than 10% do the two curves 11, 12 approach each other again.
  • the induction crucible furnace according to the invention thus also causes an increase in the power consumed by the furnace, which is passed on to the melting material 1, when the crucible 2 is not completely filled.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Induktionstiegelofen mit mindestens zwei parallel an einen lastgeführten Schwingkreisumrichter angeschlossenen, den Umfang eines vertikalen Schmelztiegels umschließenden und in Richtung der Tiegelachse hintereinander positionierten, in Reihe mit einem kapazitiven Widerstand geschalteten Spulen.
Ein Gegenstand gemäß dem Oberbegriff ist z.B. aus EP-A-0 403 138 bereits bekannt.
Es ist allgemein bekannt, beim Einschmelzen von Metallen in einem Induktionstiegelofen der obengenannten Art mit Hilfe von Induktionsspulen im Schmelzmaterial Wirbelströme zu erzeugen, die das Metall erhitzen. Die von einer Spule übertragene Schmelzleistung wächst mit der Größe und der Frequenz einer an die Spule angelegten Spannung. Um mit höheren Frequenzen als Netzfrequenz arbeiten zu können, wird in der Regel mit Schwingkreisumrichtern gearbeitet, an deren Sekundärseite die Induktionsspulen angeschlossen sind. Allerdings ist die Höhe der Sekundärspannung bei Schwingkreisumrichtern aufgrund der Spannungsfestigkeit der Halbleiterbauelemente begrenzt.
Es ist weiterhin allgemein bekannte Praxis, die an den Spulen eines Induktionstiegelofens anliegende Spannung dadurch zu erhöhen, daß an die Sekundärseite eines Schwingkreisumrichters ein kapazitiver Widerstand in Reihe mit zueinander parallel geschalteten Induktionsspulen angeschlossen wird.
Der vorgeschaltete kapazitive Widerstand hat den Zweck, den Schwingkreis in den Bereich der Resonanzschwingung zu bringen. Zur Verdeutlichung seiner Wirkung wird im folgenden ein idealer Reihenschwingkreis mit einer Spule der Induktivität L, einem Kondensator der Kapazität C und einem verschwindenden ohmschen Widerstand betrachtet. In diesem Fall gilt für die Resonanzfrequenz fo des Schwingkreises die Gleichung f0 = 1/√LC .
Betreibt man einen solchen Schwingkreis mit einer Betriebsfrequenz f und einer Betriebsspannung U1, so kann man zwischen Eingang und Ausgang der Spule die Spannung U2 entsprechend der Gleichung U2 = U1 /(1-(f/f0)2) abgreifen.
In der weiter oben beschriebenen, dem Stand der Technik entsprechenden Schaltung eines Induktionstiegelofens liegt an allen Spulen die gleiche Spannung an. Eine solche Schaltung ist dann sinnvoll, wenn der Leistungsbedarf an allen Spulen gleich ist.
Oftmals ist es aber von Vorteil, verschiedenen Tiegelbereichen unterschiedliche Leistungsdichten zuzuführen. So ist z.B. aus der DE 563 710 die Aufgabenstellung bekannt, dem Schmelzmaterial eine in axialer Richtung ab- oder zunehmende Leistungsdichte zuzuführen, um die Bewegung des Schmelzbades zu beeinflussen.
Ein weiteres Beispiel für einen unterschiedlichen Leistungsbedarf in verschiedenen Tiegelbereichen ist durch einen nur teilweise gefüllten Tiegel gegeben, wie dies z.B. während der Beschickung des Tiegels oder möglicherweise bei einer geringeren als maximal möglichen Schmelzmaterialmenge der Fall ist. Hierbei können die einen leeren Tiegelteil umgebenden Spulen keine Leistung an die Schmelze weitergeben.
Wenn eine Spule den gefüllten Teil eines Tiegels umgibt, so wirkt das Schmelzmaterial wie ein Kern der Spule, wobei fast alle Arten von Schmelzmaterialien die Induktivität der Spule verkleinern. Eine solche Verringerung der Induktivität bewirkt im entsprechenden Schwingkreis gemäß Gleichung (I) eine Erhöhung der Resonanzfrequenz f0.
Betrachtet man für diesen Fall z.B. einen Induktionstiegelofen mit zwei baugleichen Spulen, dessen Tiegel etwa zur Hälfte gefüllt ist, bewirkt die erniedrigte Induktivität der unteren Spule eine gegenüber der oberen Spule höhere Resonanzfrequenz. Da bei der Verwendung eines Parallelschwingkreisumrichters die Betriebsfrequenz etwas oberhalb der resultierenden Resonanzfrequenz des gesamten Schwingkreissystems, d.h. oberhalb der Resonanzfrequenzen der Einzelschwingkreise liegt, wird in dem obigen Beispiel der untere Einzelschwingkreis näher an seiner Resonanzfrequenz betrieben als der obere. Folglich ist im unteren Einzelschwingkreis die zwischen Ein- und Ausgang der Spule anliegende Spannung und damit auch die maximal mögliche Leistungsabgabe höher als im oberen Einzelschwingkreis.
Bei einem Tiegelinhalt, der anders als im obigen Beispiel, die Induktivität einer Spule erhöht, kann entsprechend dem oben Gesagten ebenfalls eine gewünschte Leistungsverteilung herbeigeführt werden, indem ein Reihenschwingkreisumrichter eingesetzt wird, dessen Betriebsfrequenz etwas unterhalb der resultierenden Resonanzfrequenz des gesamten Systems liegt.
Eine allein durch das Schmelzmaterial bewirkte Leistungsverteilung ist aber außer vom Füllstand des Tiegels nur von den physikalischen Eigenschaften des Schmelzmaterials abhängig.
Bei Verwendung eines einzigen kapazitiven Widerstandes für mehrere parallel geschaltete Induktionsspulen ist die Spannung an den Spulen jeweils gleich, eine Anpassung an den im Bereich der jeweiligen Spule vorhandenen tatsächlichen Leistungsbedarf ist nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln eine effektive Verteilung der durch einen Schwingkreisumrichter abgegebenen Leistung auf die einzelnen Spulen festlegen zu können.
Bei einem Induktionstiegelofen der obengenannten Art wird dies dadurch erreicht, daß die sich jeweils aus einer einzelnen Spule und einem separaten kapazitiven widerstand ergebenden Einzelschwingkreise parallel geschaltet sind, daß der Umrichter ein Parallelschwingkreisumrichter ist und daß parallel zu den Einzelschwingkreisen ein kapazitiver Widerstand geschaltet ist.1.
Hierdurch wird bewirkt, daß sich an jeder Spule in Abhängigkeit von Kapazität und - auch vom Füllstand abhängiger - Induktivität ihres Schwingkreises eine angepaßte Spannung und damit Leistungsaufnahme einstellen kann. Einzelschwingkreise mit geringem Leistungsbedarf werden dann außerhalb ihrer Resonanzfrequenz und Einzelschwingkreise mit hohem Leitungsbedarf in Resonanz betrieben.
Der erfindungsgemäße Induktionstiegelofen kann ferner so ausgebildet sein, daß die Kapazität mindestens eines der kapazitiven Widerstände veränderbar ist.
Mögliche kapazitive Widerstände sind Kondensatoreinheiten, die sich aus einem einzigen Kondensator oder aber auch aus mehreren Kondensatoren und gegebenenfalls Schaltelementen zusammensetzen. Durch Schaltelemente können die einzelnen Kondensatoren auf unterschiedlichen Wegen miteinander verschaltet werden, so daß sich die Gesamtkapazität der Kondensatoreinheit je nach Bedarf auf verschiedene Werte festlegen läßt.
Eine veränderbare Kapazität hat den Vorteil, daß die Resonanzfrequenz eines Einzelschwingkreises an gegebenenfalls sich verändernde Prozeßbedingungen, z.B bei der Tiegelbeschickung, auch während des Ofenbetriebs angepaßt werden kann.
Schließlich kann der erfindungsgemäße Induktionstiegelofen so ausgelegt sein, daß zu mindestens einer der Spulen ein Ein-/Ausschalter in Reihe geschaltet ist.
Hierdurch können bei Bedarf einzelne Spulen völlig von der Leistungszufuhr abgeschnitten werden, was bei Öfen mit drei oder mehr Spulen sinnvoll sein kann.
Anhand von Zeichnungen wird nun eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Induktionstiegelofens und deren Auswirkung auf die Leistungszufuhr näher beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1
einen Induktionstiegelofen mit zwei an einen Schwingkreisumrichter parallel angeschlossenen Einzelschwingkreisen und
Fig. 2
ein Diagramm zur Darstellung der vom Tiegelfüllstand abhängigen Leistungsaufnahme eines erfindungsgemäßen Induktionstiegelofens im Vergleich zum Stand der Technik.
Fig. 1 zeigt einen Induktionstiegelofen, dessen nur zur Hälfte mit Schmelzmaterial 1 gefüllter Tiegel 2 von zwei Spulen 3,4 umgeben ist. In Reihe mit jeder Spule 3,4 ist je ein Kondensator 6,7 geschaltet, so daß zwei separate Einzelschwingkreise 8,9 entstehen. Diese sind an einen Parallelschwingkreisumrichter 5 angeschlossen. Ein parallel zu den Einzelschwingkreisen 8,9 geschalteter Kondensator 10 dient zur Kompensation der Blindleistung. Der untere Einzelschwingkreis 8 umschließt einen mit Schmelzmaterial 1 gefüllten Teil des Tiegels 2, der obere Einzelschwingkreis 9 einen leeren Tiegelteil. Die Kapazitäten der Kondensatoren 8,9 sind gleich groß gewählt. Bei dem Füllstand des Tiegels gemäß Fig. 1 ist die Resonanzfrequenz des unteren Einzelschwingkreises 8 der Betriebsfrequenz des Schwingkreisumformers 5 näher als die Resonanzfrequenz des oberen Einzelschwingkreises 9. Daraus folgt, daß die durch die Spulen 3,4 abgegebene Leistung auf den mit Schmelzmaterial 1 gefüllten Teil des Tiegels 2 konzentriert wird.
Zusätzlich zu der günstigen Verteilung der Leistung bewirkt der erfindungsgemäße Induktionstiegelofen im Vergleich zum Stand der Technik bei nicht vollständig gefülltem Tiegel 2 eine höhere Leistungsaufnahme durch den Ofen selbst. Dieser Sachverhalt ist im Diagramm in Fig. 2 dargestellt.
Entlang der Ordinate ist das Verhältnis der tatsächlich aufgenommenen Gesamtleistung des Induktionstiegelofens PGES zur Nennleistung des Ofens PN und entlang der Abszisse der Tiegelfüllstand in Prozent aufgetragen. Die Kurve 11 zeigt das Leistungsverhältnis PGES/PN in Abhängigkeit vom Tiegelfüllstand für einen Induktionstiegelofen, dessen Einzelspulen gemäß dem Stand der Technik parallel geschaltet sind. Demnach sinkt die Leistungsaufnahme sobald der Tiegelfüllstand unter 100% fällt.
Die Kurve 12 dagegen zeigt das entsprechende Leistungsverhältnis im Falle eines erfindungsgemäßen Induktionstiegelofens. Man erkennt, daß bis zu einem Tiegelfüllstand von deutlich unter 50% das Leistungsverhältnis nahezu konstant bei PGES/PN ≈ 1 bleibt. Erst bei einem Tiegelfüllstand von weniger als 10% nähern sich die beiden Kurven 11,12 wieder einander an. Der erfindungsgemäße Induktionstiegelofen bewirkt also bei nicht vollständig gefülltem Tiegel 2 auch eine Erhöhung der durch den Ofen aufgenommenen Leistung, die an das Schmelzmaterial 1 weitergegeben wird.
Bezugszeichen
1
Schmelzmaterial
2
Tiegel
3
Spule
4
Spule
5
Schwingkreisumrichter
6
Kondensator
7
Kondensator
8
Einzelschwingkreis
9
Einzelschwingkreis
10
Kondensator
11
Leistungsabgabe des Schwingkreisumrichters
12
Leistungsabgabe des Schwingkreisumrichters

Claims (3)

  1. Induktionstiegelofen mit mindestens zwei parallel an einen lastgeführten Schwingkreisumrichter (5) angeschlossenen, den Umfang eines vertikalen Schmelztiegels umschließenden und in Richtung der Tiegelachse hintereinander positionierten, in Reihe mit einem kapazitiven Widerstand (6,7) geschalteten Spulen (3,4) wobei,
    jeder einzelnen Spule (3,4) ein separater kapazitiver Widerstand (6,7) zugeordnet ist dadurch gekennzeichnet, daß die sich jeweils aus einer einzelnem Spule und einem separatem kapazitiven widerstand ergebenden Einzelschwingkreise (8,9) parallel geschaltet sind,
    daß der Umrichter ein Parallelschwingkreisumrichter ist und daß parallel zu den Einzelschwingkreisen (8,9) ein weiterer kapazitiver Widerstand (10) geschaltet ist.
  2. Induktionstiegelofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität mindestens eines der kapazitiven Widerstände (6,7) veränderbar ist.
  3. Induktionstiegelofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu mindestens einer der Spulen (3,4) ein Ein-/Ausschalter in Reihe geschaltet ist.
EP95913850A 1994-03-25 1995-03-18 Induktionstiegelofen mit mindestens zwei parallel an einen schwingkreisumrichter angeschlossenen spulen Expired - Lifetime EP0752194B1 (de)

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EP0752194A1 EP0752194A1 (de) 1997-01-08
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